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2007年  第31卷  第3期

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北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化
王林, 陈文, 黄荣辉,
2007, 31(3): 377-388. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.01
摘要:
利用高分辨率的再分析资料ERA40,分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明,对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层,定常波在该区域长年向北输送纬向动量,且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外,在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南,其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层,中心位置相对固定,强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定,但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层,定常波在该区域长年向北输送西风动量,中心位置非常稳定,而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致,并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度,并主导了输送中心的南北移动;后者的作用很小,除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础,而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。
欧亚地形对夏季南亚大气环流日变化影响的数值模拟研究
刘新, 王军, 吴国雄,
2007, 31(3): 389-399. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.02
摘要:
利用大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL,设计了有、无欧亚地形的对比试验,并与NCEP/NCAR再分析资料进行比较,通过分析其流场、高度场、温度和涡度的差异,得到欧亚大陆地形对夏季大气环流场日变化的影响特征。结果表明,欧亚大陆地形对大气环流和气候日变化的影响主要集中在青藏高原地区。由于青藏高原上空大气对太阳辐射加热场的日变化最为敏感,随着日间加热场的增强,热力适应造成白天高原低层大气气旋性环流加深,相应地使周边地区向高原辐合增强,引起高原地区日间的上升运动更为强盛,而使大气高层反气旋环流增强,引起高原上空向外辐散气流增强。也就是地形效应在白天增强了高原“感热气泵”的效率,使其产生明显的日变化,随之带来高原及周边地区局地环流强烈的日变化。由于上升运动的日变化,引起高原南部地区降水的日变化,同时降水的增加正反馈于上升运动,使得上升运动在高原南部地区日变化尤为强烈。
暴雨云团的多尺度识别方法及其在临近预报中的应用
王改利, 刘黎平
2007, 31(3): 400-409. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.03
摘要:
将一种暴雨云团的多尺度识别方法——层级聚类法,应用于β中尺度对流系统识别及临近预报中。该方法的基本思路是:将笛卡尔坐标下的雷达反射率因子进行聚类,得到比较详细的较小尺度的暴雨云团,然后设定阈值,将云团之间差异小于阈值的进行合并,可以得到较大尺度的云团,逐步放宽合并阈值,可得到更大尺度的云团。选取广州雷达2005年3月的飑线过程和温州2005年9月的台风过程对这种方法的识别结果进行了详细说明,结果表明:该方法能够识别不同系统的β中尺度对流云团,并能识别出其中反射率较强的γ中尺度云团,识别结果合理。采用这种方法识别不同尺度的暴雨云团,有利于跟踪、预报造成中国暴雨主要原因的β中尺度系统,也可兼顾β中尺度系统中的γ中尺度对流单体。根据预报时效的不同,可以选择不同的云团识别尺度。
大气数值模式空间分辨率的确定方法
朱禾, 孙岚, 廖洞贤
2007, 31(3): 410-417. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.04
摘要:
集中讨论了如何决定大气数值模式空间分辨率的问题。首先, 给出模式分辨率的定义和模式各方程都应满足的不等式,并在此基础上,用尺度分析和单波的方法推出模式水平和垂直分辨率的预估公式。还给出针对一般模式,以预估公式作基础,选择一系列分辨率,用比较试验,结合大气结构特点,最终确定模式分辨率的方法。并用浅水模式进行了水平分辨率的试验。
北半球中纬度地区大气臭氧的年际和年代际变化研究
郭世昌, 常有礼, 张利娜
2007, 31(3): 418-424. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.05
摘要:
利用(40°N~60°N, 20°W~150°E) 范围内1963~1992年的臭氧格点数据资料,应用Morlet小波变换方法对臭氧演变进行了分析。结果表明:(1)臭氧存在明显的年际和年代际变化,其年际变化的特征时间尺度为2年和5年,年代际变化的特征时间尺度为12年;(2)臭氧准4年周期振荡最明显的地区出现在西欧,而准11年周期振荡最明显的地区则在东亚,其中12年时间尺度的周期振荡最强。
降水性层状云系结构和降水过程的观测个例与模拟研究
胡朝霞, 雷恒池, 郭学良,
2007, 31(3): 425-439. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.06
摘要:
2004年7月4~6日, 在我国东北地区有一次大范围的降雨过程。作者分析了此次层状云降雨的观测资料, 包括机载PMS资料、雷达资料以及地面雨强计资料等, 并用包含详细微物理过程的一维层状云模式进行了数值模拟, 用顾震潮的三层概念模型(把层状云垂直结构分为三层:第一层为冰晶层, 第二层为过冷水层, 第三层为暖水层)分析了云的结构及降水形成过程。结果表明, 这个模型基本反映了降水性层状云的结构和降水产生的物理过程。在第一层中, 冰晶的凝华增长很重要, 也存在冰晶的碰并过程。在第二层中, 冰晶和雪的增长主要是通过凝华过程, Bergeron过程作用很大, 但不同时刻Bergeron过程的作用程度不同。第三层中主要有云滴、雨滴和从第二层降落下来以后融化的雪和霰。云的第一层对第二层有播种作用, 冰晶层对降水的贡献为7%, 过冷水层对降水的贡献为54%, 暖水层对降水的贡献为39%, 降水的产生中冷云过程作用稍大, 但暖云过程也起重要作用。
利用HALOE资料分析中层大气中水汽和甲烷的分布特征
毕云, 陈月娟, 许利,
2007, 31(3): 440-448. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.07
摘要:
利用1991年12月至2004年5月的HALOE资料,分析了中层大气中微量气体水汽和甲烷的垂直和水平分布特征。垂直分布特征是:水汽混合比在对流层顶和平流层底达到极小值(此极小值区被称为湿层顶),平流层里水汽混合比随高度增加,在平流层上层和中间层低层混合比出现明显的扰动,在中间层顶再次达到极小值,向上混合比又随高度增加。甲烷混合比从100 hPa附近向上混合比一直减少。经向分布特征主要表现为:平流层中下层水汽混合比低值区在热带地区上拱,水汽混合比自低纬向高纬递增;而该气层甲烷混合比则是高值区在热带地区上拱,甲烷混合比自低纬向高纬递减。在低平流层副热带20°S~30°S(20°N~30°N)附近二者混合比水平梯度相对偏大。平流层中上层二者等值线在北半球夏季变成双峰形势,北半球冬季仍是单峰形势。中间层二者都主要表现为冬、夏季分布形势相反。在北半球夏季30°N,平流层中下层水汽和甲烷混合比纬向梯度很小,对流层上层以及中间层二者混合比纬向梯度明显。
复杂地形下地面观测资料同化II. 模式地形与观测站地形高度差异代表性误差
徐枝芳, 龚建东, 王建捷,
2007, 31(3): 449-458. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.08
摘要:
第I部分研究结果(徐枝芳等, 2007)表明模式与实际观测站地形高度差异对地面观测资料同化效果有较大影响。此文在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析,考虑模式与实际观测站地形高度差异对同化效果的影响,提出在地面观测误差中增加地形代表性误差来解决这个问题。研究结果表明: 地面资料同化分析时,在其观测误差中加入一项新的误差——地形代表性误差,能较好地解决地面资料同化分析中模式与观测站地形高度差异问题;地面资料参与同化分析,在观测误差中加入与模式和实际观测站地形高度差异大小相关的地形代表性误差时,地面观测值对分析值的影响随着地形高度差异代表性误差的加入而减小,同时又部分地将地面观测信息通过变分分析融进分析场,使得低层分析更接近真实场,且地面资料利用率更高,24小时降水数值预报(模拟)的效果较好。
资料同化中二维特征长度随模式分辨率变化的分析研究
龚建东
2007, 31(3): 459-467. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.09
摘要:
特征长度是资料同化中的重要参量,决定了观测信息在空间的传递特征,而特征长度随模式水平分辨率增减而变化的特点与背景误差湍流功率谱分布特点密切相关。通过对不同来源实际资料计算获得的特征长度数据分析和对理想数据数值试验分析,结果表明随着模式分辨率的提高,特征长度会按照二次根的规律递减。特征长度的这种变化由背景误差湍流功率谱,特别是与次天气尺度(20~60波)到中尺度波(大于60波)的湍流功率谱斜率特征决定。当湍流功率谱斜率从-5/3变化到-4时,特征长度随模式分辨率变化的敏感性降低。作者估计出的温度场的实际背景误差湍流功率谱斜率在次天气尺度到中尺度大约在-2.8左右。对特征长度的估计除传统方法外,可以根据背景误差的湍流功率谱斜率特征来更方便地给出,该方法可作为传统方法的补充来匹配应用。
基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究
黄小刚, 费建芳, 陆汉城
2007, 31(3): 468-478. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.10
摘要:
构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统,通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合,采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员,为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场,同化后的结果作为集合预报的初值,通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003~2004年16个台风个例的分析表明,初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强,结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度,路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 km。
青藏高原臭氧低值中心的变化与我国气候的关系
周任君, 陈月娟
2007, 31(3): 479-485. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.11
摘要:
利用NCEP/NCAR再分析资料、GPCP降水资料以及我国160个台站的降水资料, 研究了青藏高原臭氧低值中心偏强年和偏弱年的气候差异。结果表明,5~7月平均的青藏高原臭氧总量变化与我国当年夏季、冬季以及第二年春季的气温和降水等有明显的相关关系:在臭氧低值中心偏强年夏季, 中国绝大部分地区地面气温比多年平均偏高, 长江以南地区降水偏多, 长江以北大部分地区降水偏少, 尤其是长江中下游和黄河中下游之间的地面降水偏少特别明显。在臭氧低值中心偏强年冬季和次年春季, 中国大部分地区冬季风比多年平均弱, 使得绝大部分地区地面气温偏高。臭氧低值中心偏弱年的情况基本上与偏强年相反。因此, 青藏高原上空臭氧低值中心的变化在气候预测中是一个值得重视的因子。
一维辐射对流模式对云-辐射强迫的数值模拟研究
刘玉芝, 石广玉, 赵剑琦
2007, 31(3): 486-494. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.12
摘要:
利用一维辐射-对流气候模式, 详细研究了云量、云光学厚度以及云高等要素的变化对大气顶和地面太阳短波辐射和红外长波辐射通量以及云的辐射强迫的影响, 给出了计算这些物理量的经验拟合公式。结果表明, 云具有极为重要的辐射-气候效应。云量、云光学厚度以及云高即使只有百分之几的变化, 所带来的辐射强迫也可以与大气二氧化碳浓度加倍所产生的辐射强迫(3.75 W/m2)相比拟。例如, 当分别给它们+3%的扰动时, 即取云量变化0.015, 云光学厚度变化0.27, 以及云高变化0.15 km时(在实际的地球大气中, 这种尺度的变化是完全可能发生的), 那么,可以得到地气系统的太阳短波辐射强迫-3.10 W/m2以及红外长波辐射强迫-1.77 W/m2, 二者之和为-4.78 W/m2, 已经完全可以抵消大气二氧化碳浓度加倍所产生的辐射强迫。但是, 当云量、云光学厚度以及云高向相反方向产生类似扰动时, 所产生的辐射强迫可能极大地放大二氧化碳浓度增加所产生的增强温室效应。因此, 研究结果揭示出, 不管是为了解释过去的气候变化, 还是预测未来的气候变化, 亟待加强在一个变化了的气候环境(例如地面温度升高)下, 云将发生何种变化的研究。
华南前汛期的锋面降水和夏季风降水 II. 空间分布特征
郑彬, 谷德军, 李春晖,
2007, 31(3): 495-504. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.13
摘要:
利用中国730站降水资料和第I部分(郑彬等,2006)得到的华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期,计算出1958~2000年华南前汛期锋面降水量(强度)和季风降水量(强度)的序列,采用EOF和扩展EOF分析方法,得到华南前汛期降水的几个主要分布型,并探讨锋面降水与季风降水的可能联系。分析结果表明:华南前汛期的锋面降水和季风降水分布主要有三种类型——全区旱涝型、西南涝(旱)东北旱(涝)型、东南涝(旱)西北旱(涝)型。各分布型的时间系数与850 hPa风场的相关结果表明不同的分布对应着不同的低层环流形势。统计结果显示华南前汛期锋面降水的分布形式与季风降水的分布形式有一定的对应关系。
影响我国冬季温度的若干气候因子
李勇, 陆日宇, 何金海
2007, 31(3): 505-514. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.14
摘要:
综合分析了西伯利亚高压、北极涛动、ENSO和西太平洋遥相关型(WP)在年际和年代际时间尺度上对中国冬季温度的影响,结果表明在年际尺度上,WP和西伯利亚高压都对温度有显著影响,WP的影响主要存在于中国东部从东北南部至广东沿海一带大陆边缘区,而西伯利亚高压的影响范围则大得多,几乎涵盖了除黄河长江上游部分地区外的整个中国。在年代际尺度上,北极涛动和ENSO都与东亚冬季风有关联,北极涛动比ENSO的影响范围大,除长江上游沿江地区外的其他地区基本上都是关联区,ENSO与温度的关联区位于35°N以北的整个北方及长江中下游地区。
中国沙漠沙尘气溶胶对沙漠源区及北太平洋地区大气辐射加热的影响
王宏, 石广玉, 王标,
2007, 31(3): 515-526. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.15
摘要:
针对2001年春季中国沙漠和北太平洋上空沙尘气溶胶的空间分布情况,利用辐射传输模式,分别计算了沙尘气溶胶对沙漠和海洋大气的辐射加热(冷却)率,并讨论了低云、中云、高云对辐射加热率的影响。结果表明:春季,位于中国沙漠和太平洋上空的沙尘层对大气具有明显的加热作用。当沙漠上空光学厚度为1.0,海洋上空光学厚度为0.3时,取春季平均太阳高度角,沙尘层对应的净辐射加热率分别为2.8 K/d和0.4 K/d。由于WMO推荐的沙尘模型比东亚沙尘模型对太阳辐射吸收强,采用该模型计算得到的中国沙漠和海洋上空的加热率比采用东亚沙尘模型分别高1.5 K/d和0.2 K/d。沙尘对大气的加热率很大程度上依赖于沙尘的大气载荷。这种依赖性首先受太阳高度角的影响, 其次也受地表反照率的影响。云对沙尘层辐射加热(冷却)率的影响与云的高度和厚度有关。低云能够加热沙漠和海洋上空的沙尘大气,冷却地面和洋面。中、高云冷却沙漠上空的沙尘层。在海洋上空,中云对云层以上的沙尘层有加热作用,对云层以下的沙尘层有冷却作用。高云对海洋上空沙尘层的辐射加热(冷却)率的影响比较小,加热还是冷却,取决于云的厚度,当云层较薄时,加热沙尘层,而当云层较厚的时候,有可能冷却沙尘层。
集合预报中动态调整的增长模繁殖及其对自由繁殖的改进
于永锋, 张立凤, 罗雨
2007, 31(3): 527-535. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.16
摘要:
用增长模繁殖(BGM)法产生集合预报初始扰动的过程中,对增长模适时的进行调整是有必要的。介绍了动态调整的方法,利用T63L9全球谱模式,通过数值试验考察了在繁殖过程中采用动态调整时增长模的增长和饱和情况,并与自由繁殖试验作了相应的比较。结果表明:动态调整情况下,各层扰动的增长率可以达到一个比较大的数值;在形态饱和方面,动态调整能在很大程度上克服自由繁殖时低层扰动饱和时间滞后的缺陷;综合考虑,动态调整下扰动饱和时间可比自由繁殖缩短1天以上,且饱和特征更加明显。
季节内振荡的数值模拟 I. 模拟的自然变率
蒋国荣, 俞永强, 何金海
2007, 31(3): 536-546. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.17
摘要:
利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG) 发展的耦合气候系统模式FGOALS 1.0_g控制试验(二氧化碳浓度保持工业革命前的浓度不变,代表无人类活动影响的自然变率)模拟结果,研究了模拟的自然变率下热带季节内振荡(Intraseasonal Oscillation,简称ISO)的基本特征与年际、年代际变化。研究发现,模拟的自然变率下全球ISO主要活跃区与近六十年的实测结果基本接近;ISO主要活跃区的季节变动特征与实际结果基本一致;全球ISO强度冬强、夏弱的季节变化也与实际结果一致;但模拟的ISO强度偏弱与ISO周期不明显。进一步利用控制试验模拟结果研究了模拟的自然变率下热带ISO特征的年际与年代际变化,得出:第一,模拟的自然变率下的热带ISO强度存在明显的年际与年代际变化,低强度指数阶段,全球ISO强度减弱,活跃区范围缩小,高强度指数阶段则相反;并存在季节性差异,冬季不明显,春秋季明显,实测结果有类似结论,但高、 低指数似乎与增暖有关。第二,模拟的自然变率下的热带东传或西传ISO能量比值总体来看基本上维持一种平衡状态,不存在上升或下降趋势;与实际状况下的东传相对能量增强、西传相对能量减弱趋势明显不同。
三维三层背风波的理论和数值研究
臧增亮, 张铭, 张瑰
2007, 31(3): 547-552. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.18
摘要:
建立了一个三维三层背风波的理论模型,求出当Scorer参数满足中间层大,上、下两层小的情况下,三维三层背风波的理论波长和扰动分布。利用该理论模型对一个实际的背风波个例进行了计算,得到的理论波长与实际波长十分接近。理论结果还表明波动的最大扰动振幅在中层附近。利用ARPS(The Advanced Regional Prediction System) 模式对此个例模拟的结果表明,模拟得到的波长、锲角及波动位相的分布都与理论模型的结果较为一致。
北京上甸子秋冬季大气气溶胶的散射特征
柯宗建, 汤洁
2007, 31(3): 553-559. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.03.19
摘要:
分析了北京上甸子秋冬季气溶胶散射系数的变化特征、散射系数与PM2.5质量浓度的关系, 结合气象资料分析了风场对气溶胶散射系数变化的影响。通过研究得出, 上甸子秋冬季气溶胶散射系数平均值和标准差分别为179.7 Mm-1和253.2 Mm-1;阴天条件下的散射系数明显高于晴天;散射系数与PM2.5质量浓度之间有较好的相关性, 其相关系数为0.93;此外, 由于上甸子特殊的地理位置, 风场对气溶胶散射系数的影响显著, 不同风向条件下气溶胶散射系数差别很大。