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2010年  第34卷  第3期

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两种再分析资料中夏季地表气温与中国测站资料的差异
高庆九, 管兆勇, 蔡佳熙,
2010, 34(3): 471-482. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.01
摘要:
采用中国194站气温观测资料(OT)、NCEP/NCAR (NT) 和ERA-40 (ET) 再分析月平均2 m温度资料, 使用线性分析、 方差分析、 小波分析、 EOF等方法, 对三种温度资料周期、 方差以及年际和年代际变化进行对比分析。结果发现: (1) ET与OT数值、 距平及变化趋势非常接近; NT低于OT, 1965年以前其数值及距平与OT、 ET差异较大; ET与OT的相似性优于NT, 对地面温度变化进行周期分析时, 使用ET资料较好。在使用NT的原始资料时需慎重, 距平值在1965年之后有一定的可信度。 (2) ET与OT线性趋势以及空间模态类似, NT变化趋势远大于OT与ET, ET对我国温度长期变化趋势的再现能力优于NT, 在研究我国温度长期变化时NT具有不确定性。 (3) ET与NT均能反映我国温度的时空分布和变化特征, 但ET更加准确; 研究我国北方 (30°N以北) 温度年代际变化时, ET较好; 研究我国温度年际变化时两种资料能力相当。 (4) 三种温度资料均显示1976年前后我国地表气温有明显差异。ET与OT在1976年前后的变化及空间分布十分一致, NT与OT不完全一致。此外, 1965年之前的NCEP/NCAR温度资料存在类似于“PSFC”的问题, 使用时应慎重。
印度洋偶极子与热带太平洋海洋表面温度异常多时间尺度相互作用初析
肖莺, 张祖强, 何金海,
2010, 34(3): 483-494. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.02
摘要:
本文利用交叉谱方法, 将印度洋偶极子 (简称IOD) 与ENSO的相关关系分解到不同的时间尺度上来分析, 进而通过对海气耦合过程的初步分析, 讨论了不同时间尺度上IOD与ENSO的相互作用。结果表明, IOD与ENSO在准1~2年、 准3年、 准4年等三个时间尺度上存在显著相关, 同时, IOD还存在一个独立于ENSO的模态, 主要表现在准8个月时间尺度上。从海气相互作用的角度看, 在与ENSO相关的三个特征时间尺度上, IOD年际变率主要通过引发热带印度洋纬向风异常并且东传到太平洋, 从而引起热带中东太平洋海温的年际变率。与ENSO相对独立的IOD模态则没有类似的纬向风异常东传过程。此外, 在上述四个不同时间尺度上, 产生IOD变率的印度洋海气耦合过程不尽相同, 各具特点。
夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究
陈斌, 徐祥德, 卞建春,
2010, 34(3): 495-505. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.03
摘要:
基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART, 通过气块轨迹计算, 对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送 (Troposphere to Stratosphere Transport, 简称TST) 的近地层源区、 输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明: (1) 夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区, 一个是热带西太平洋地区; 另一个是青藏高原南部、 孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区, 上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近 (约16 km高度), 两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现, 穿越对流层顶高度的质量输送只有约10%能够进入20~22 km高度的平流层中, 且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区 (约贡献75%), 这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。 (2) 轨迹分析显示, 夏季亚洲季风区对流层进入平流层的 “入口区” 主要在 (25°N~35°N, 90°E~110°E) 区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、 北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。 (3) 亚洲季风区TST两个主要的过程, 一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程, 它可以使近地层大气在1~2天内输送到平流层中, 贡献了整个TST的10%~30%; 另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送, 该输送是一个相对的慢过程, 时间尺度一般为5~30天。此结果意味着, 源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。
中国地区卷云消光后向散射比的星载激光雷达遥感
闵敏, 王普才, 宗雪梅
2010, 34(3): 506-512. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.04
摘要:
利用两年的星载激光雷达数据对中国地区卷云的消光后向散射比[又称激光雷达比 (简称LR)]进行了研究分析。其中结合多次散射对光学厚度的依赖关系式和LR与透过率之间的关系式来求取LR, 并提出五条质量控制标准来保证数据质量的可靠性。统计结果指出LR的月季变化并不是很明显, 均值在24左右。中国地区的LR在热带辐合带相对较高, 并随纬度的降低而增加 (大约从22到27)。同时, 从这个结论得出, 为了更好地求取卷云的光学厚度, 在中国地区为星载激光雷达选取的LR常数应该随纬度变化而改变。
雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合估算降水量
房彬, 班显秀, 郭学良,
2010, 34(3): 513-519. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.05
摘要:
为了提高区域降水量观测的空间分辨率, 提出了雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合校准法。首先, 利用粒子激光探测仪观测到的滴谱资料建立实时的Z-I关系, 然后, 利用变分法对同时有雷达回波和雨量计资料的点的实测校准因子进行校准, 获得最优校准因子分析场, 最后, 对有雨量计的点取雨量计实际观测值, 没有雨量计的点利用最优校准因子分析场估算降水。利用此方法对辽宁省2007年5月15日一次天气过程进行降水量估算, 结果表明: 雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合校准法结合了雨量站观测资料单点精度高和雷达资料时空分辨率高的优点, 提高了降水量的估算精度, 更好地反映了降水的空间分布。
气候模式中云的垂直重叠假定对模拟的地-气辐射的影响研究
张华, 荆现文
2010, 34(3): 520-532. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.06
摘要:
本文将一种新的可以模拟云的多种垂直重叠假定的随机次网格云产生器 (SCG) 放入NCAR/CAM3气候模式中, 利用该产生器得到云的四种垂直重叠结构, 即最大重叠 (MO)、 随机重叠 (RO)、 最大-随机重叠 (MRO) 以及近年来发展的一般重叠 (GenO), 并以GenO为参照研究了这四种云的重叠结构对模拟的地-气辐射的影响, 为气候模式中云的次网格结构选择提供一定的依据。结果表明, MRO、 MO和RO总云量分别与GenO总云量 (全球平均0.64左右) 偏差约-0.012、 -0.034和0.026, 其中MRO最接近GenO。不同重叠假定对地面接收到的短波辐射通量 (DSR) 的改变显著, 在热带对流区达到16 W/m2以上, 相当于GenO下该地区相应量的8%~12%, 通过了95%信度检验; 在中高纬度低云量大的地区也达到4~8 W/m2。不同重叠假定对大气顶出射长波辐射 (OLR) 的改变比其对短波辐射通量的改变小得多, 在热带对流区有极大值3~4 W/m2。不同的云重叠结构的大气加热率垂直廓线不同, 从而影响大气热力结构, 其中长波加热率差值 (最大约0.1~0.26 K/d) 比短波加热率差值 (最大约0.01~0.025 K/d) 几乎大一个量级, 因此, 长波加热率的变化是影响大气热力层结的主要因素。云重叠假定影响地面和大气顶云辐射强迫, 并通过柱辐射强迫使得整层气柱的能量收支发生变化, 不同纬度变化趋势也不同, 从而系统性地改变地-气系统能量在各纬度地区的分配, 影响所模拟的气候系统的演变。
中国东部夏季降水与东亚垂直环流结构及其预测试验
韩雪, 魏凤英
2010, 34(3): 533-547. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.07
摘要:
本文在分析中国东部夏季降水的时空分布特征基础上, 从东亚高、中、低层大尺度环流异常着手, 选取对中国东部夏季降水异常有显著影响的大气环流预报因子, 分别应用逐步回归和最优子集回归法两种统计降尺度方法, 以动力气候模式CAM3.1预报输出的大气环流预报因子为基础, 以中国东部夏季降水的典型空间分布型为预报对象, 建立动力与统计相结合的中国东部夏季降水预测模型, 并对1981~2000年的中国东部夏季降水进行回报试验。结果表明: 中国东部夏季降水具有4类典型的空间分布型式, 且具有显著的准2年和年代际尺度振荡周期; 东亚高、中、低层大气环流异常的特定配置, 对东部夏季降水的空间分布型有显著影响; 使用两种降尺度方案建立的动力与统计相结合的预测模型对中国东部夏季降水异常具有一定的预报技巧, 可以在一定程度上提高动力模式对中国东部夏季降水的预报效果。
利用地基微波辐射计反演兰州地区液态云水路径和可降水量的初步研究
黄建平, 何敏, 阎虹如,
2010, 34(3): 548-558. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.08
摘要:
液态云水路径 (liquid water path, LWP) 和可降水量 (precipitable water vapor, PWV) 是描述天气和气候的两个重要物理量。目前, 针对液态云水路径和可降水量的直接观测较少, 特别是在我国干旱半干旱黄土高原地区, 至今没有获得系统的观测值。本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站 (SACOL) 近两年的微波辐射仪观测资料, 分析了黄土高原半干旱区液态云水路径和可降水量的变化特征。首先引入Liljegren et al.(2001) 的反演方法并加以改进, 计算得到适合黄土高原地区的反演参数, 利用改进后的反演方法计算近两年的液态云水路径和可降水量。分析结果显示, 与TP/WVP-3000型12通道微波辐射计的直接输出结果相比, 本文反演结果与实际情况更加吻合。在SACOL代表的黄土高原地区, 95%的云水路径值都在150 g/m2以下, 95%的可降水量值都在3 cm以下。由于SACOL的降水受亚洲季风的影响, 液态云水路径日均值冬季最小, 秋季最大, 其日变化规律显示半干旱区液态云水路径大体上呈双峰分布, 峰值主要出现在日出和日落时分。卫星反演资料的年变化趋势与地基反演结果比较吻合。因此, 运用卫星反演的液态云水路径来分析我国西北地区的空中云水资源是一种比较可信的手段。
大气季节内振荡对西北太平洋台风路径的影响研究
田华, 李崇银, 杨辉
2010, 34(3): 559-579. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.09
摘要:
台风路径一直是天气预报的难点之一。本文研究了大气季节内振荡 (ISO) 对西北太平洋台风路径的影响, 指出大气ISO对台风路径预报有重要参考意义。细化传统台风路径的划分方法, 将台风路径进一步分为5种: 西移型、 西北移型、 日本以西型、 日本登陆型、 日本以东型。分别对不同路径的台风所对应的低频流场进行超前滞后合成分析, 发现台风生成时850 hPa低频气旋的正涡度带走向往往预示着台风的未来走向, 200 hPa低频环流形势, 意味着上层引导气流的方向, 对台风的路径也有一定的指示作用。低频流场演变特征表明, 大气ISO在对流层低层到中层通过低频气旋或低频反气旋的环流形势影响季风槽及副热带高压的位置和强度, 从而影响台风的活动。低频气旋的作用使台风易于沿着低频气旋的正涡度带移动。菲律宾以东热带地区生成的低频气旋的加强有利于季风槽的加强和东伸, 另外, 它的经向北传对副热带高压的位置也有影响。在副热带地区存在大气ISO流型以低频波列的形式向西传播, 对副热带高压的季节内时间尺度东西振荡有重要作用。热带与副热带地区大气ISO的共同作用, 对台风路径有决定性意义。初步认为, 对于西移路径和西北移路径, 热带大气ISO的影响起着更为重要的作用; 对于日本登陆型和日本以东型路径, 副热带大气ISO的影响起着更为重要的作用。大气季节内振荡的环流场可以作为台风路径预报的依据之一。
不同模式误差方案在集合Kalman滤波土壤湿度同化中的比较试验
聂肃平, 朱江, 罗勇
2010, 34(3): 580-590. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.10
摘要:
本文主要目的是探讨不同模式误差方案在土壤湿度同化中的性能。基于集合Kalman滤波同化方法和AVIM (Atmosphere-Vegetation Interaction Model) 陆面模式, 利用理想试验对膨胀因子方案 (Covariance Inflation, 简称CI)、 直接随机扰动方案 (Direct Random Disturbance, 简称DRD)、 误差源扰动方案 (Source Random Disturbance, 简称SRD) 等3种模式误差方案的同化效果进行了比较, 讨论了各方案在不同观测误差、 观测层数、 观测间隔情况下的同化性能。试验结果表明在观测误差估计完全准确的情况下, 3种方案都能获得较好的同化效果, 并且SRD方案相对于真值的均方根误差最小。当观测误差估计不准确时, SRD方案的同化效果仍能基本得以保持, 而CI和DRD方案则对观测误差估计更为敏感, 同化效果下降明显。当同化多层观测时, CI和DRD方案由于难以保持不同层观测之间的匹配关系, 同化结果反而变差, 而SRD方案能有效协调同化多层观测, 增加观测层后同化结果有了进一步的改善。当观测时间间隔较大时, CI和DRD方案的同化效果显著下降; 而SRD方案由于包含了一定的误差订正功能, 在观测稀疏时仍能保持较好的同化效果。
GRAPES全球模式的模式误差估计
庄照荣, 薛纪善, 李兴良,
2010, 34(3): 591-598. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.11
摘要:
现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂, 但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距, 存在模式误差。在以往的研究中, 模式误差往往被忽略, 在集合卡尔曼滤波同化系统中, 如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差, 研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加, 而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。
基于广义线性模型和NCEP资料的降水随机发生器
刘永和, 张万昌, 朱时良,
2010, 34(3): 599-610. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.12
摘要:
天气发生器可以用来插补历史缺测气象数据或生成未来天气情境, 近年来被普遍应用于对气象变量的降尺度研究, 为陆面的水文、 生态模拟提供外强迫输入。广义线性模型 (GLM) 是近年来用于建立大尺度气象变量与地面气象因子之间的一种有效方法, 基于GLM的天气发生器具有一定的应用前景。本文以NCEP再分析资料中的单格点气温、 500 hPa位势高度、 位温、 相对湿度、 海平面气压等5个变量作为影响降水变化的大尺度因子建立模拟逐日降水量的广义线性模型。模型中对降水概率的描述采用Logistic模型模拟, 而对降水量则分别试用Gamma分布、 指数分布、 正态分布和对数正态分布来模拟, 试图比较和揭示这些基于不同理论分布的模型的能力。模型中待定参数的估计及对研究区逐日降水量的模拟采用了完全相同的实测逐日降水数据和同期NCEP再分析资料。参数的最大似然估计用遗传算法来实现, 对山东省临沂地区10个主要气象观测站降水资料的研究表明, Gamma分布模型的拟合效果最好, 对数正态分布次之, 指数分布再次, 正态分布最差; 参数估计分月获取的拟合效果略好于不分月的。模型逐日降水模拟表明, 对降水发生概率的模拟会低估各月的多年平均值, 基于指数分布的GLM会低估各月总降水量期望 (为月内每日降水量期望之和) 的多年平均值, 而基于对数正态分布的GLM则会在降水量较大时产生高估现象。由对应的天气发生器模型生成的随机模拟降水序列表明, 基于对数正态分布的模型会高估月降水量较大时的多年平均, 而基于指数分布及Gamma分布的模型则模拟效果较好。总体上看, 这种基于NCEP再分析资料和GLM的天气发生器对降水变率具有很强的解释和模拟能力。
东亚夏季风环流和雨带的季节内变化
苏同华, 薛峰
2010, 34(3): 611-628. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.13
摘要:
基于常规气象要素资料及变差度方法, 分析了东亚夏季风环流的演变特征, 发现东亚地区在夏季期间存在两次明显的次季节突变, 主要表现为西太平洋副热带高压 (副高) 的两次东退北跳, 第一次是在6月中旬, 第二次是在7月下旬。由于副高与雨带密切相关, 雨带在演进过程中也呈现出两次明显的突跳, 分别对应于江淮流域至日本一带梅雨期以及中国华北和东北雨季的开始。较第一次北跳而言, 副高的第二次北跳更为明显。副高的第一次北跳主要受南海地区对流活动加强的影响, 而第二次北跳则是暖池对流活动与高纬地区环流共同作用的结果。暖池地区向东北方向传播的Rossby波列以及高纬地区东传的Rossby波通过锁相作用使得副高强烈北跳。此外, 副高与其西部边缘凝结潜热的相互作用导致副高发生季节内的低频振荡。 风场变差度的分析表明, 高纬地区对流层中低层环流的调整随着夏季季节进程逐渐减弱, 这与中高纬地区温差的变化有关。而高纬地区高层环流的调整在夏季后半期随着高度的增加却逐渐增强, 这与高层环流从夏到冬的季节变化有关。从风场相似度的变化上还可以看到, 副高第二次北跳后东亚地区呈现出明显不同的环流状态。 南半球环流对于南海及暖池地区对流活动的增强有重要影响。6月中旬, 南海与暖池地区对流活动的增强是由于南海西边界西风加强并向东扩展造成的, 这与马斯克林高压 (马高) 的加强密切相关。而在7月中旬, 澳大利亚高压 (澳高) 的增强使其东北部的越赤道气流加强, 南半球大量冷空气侵入到暖池地区, 加强了暖池地区的不稳定性以及低层的辐合, 从而使暖池地区的对流活动增强。但在夏季前半期, 暖池对流活动也可调制澳高强度与其东北部越赤道气流强弱的关系, 使得二者呈现出相反的变化趋势。南半球冬季期间, 澳高在振荡中减弱, 这与澳洲大陆下垫面温度及上游马高的能量频散有关, 前者影响澳高的变化趋势 (减弱), 而后者影响澳高的低频振荡。
2003年7月8~9日江淮流域暴雨过程中涡旋的结构特征分析
周玉淑, 李柏
2010, 34(3): 629-639. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.14
摘要:
2003年淮河流域梅雨期 (6月29日~7月11日) 的强降水过程有三次: 6月29日~7月1日、 7月3~5日及7月8~11日。本文对7月8日12时~9日12时期间湖南、 安徽和江苏发生的强降水过程的中尺度数值模式MM5的输出资料进行了诊断分析。分析结果表明: 除大尺度系统的配置有利于此次降水的发生以外, 此次降水主要发生在由西南及偏南暖湿气流与偏北气流辐合形成的梅雨锋切变线上, 切变线上辐合中心处生成并发展的两个中尺度低涡是造成降水的直接系统。低空西南风急流形成了从孟加拉湾、 南海至华东地区的强水汽输送带以及湖南、 安徽和江苏的水汽辐合中心, 为暴雨创造了十分有利的水汽条件。在低层切变线的辐合中心处有两个低涡分别生成或发展, 并沿切变线向东北方向移动, 这两个低涡生成的位置是低空急流左前侧急流达到极值的区域 (也是正涡度中心区), 其生成可能与低空急流的加强有关。在低涡附近, 低层水汽辐合较强, 且对流层中低层形成了强正涡度中心和强散度中心相耦合的动力结构, 并有强上升运动维持, 使得低层辐合的水汽被抬升到对流层高层, 有利于暴雨的发生。
风暴尺度天气下利用集合卡尔曼滤波模拟多普勒雷达资料同化试验I.不考虑模式误差的情形
兰伟仁, 朱江, MingXUE,
2010, 34(3): 640-652. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.15
摘要:
本文在假定模式无偏差的情况下, 利用一次风暴过程的模拟多普勒雷达资料进行一系列风暴天气尺度的集合卡尔曼滤波资料同化试验, 检验集合卡尔曼滤波在风暴天气尺度资料同化方面的效果, 并验证各集合卡尔曼滤波参数对同化效果的影响。试验结果表明, 集合卡尔曼滤波能有效地应用于风暴尺度的资料同化; 40个集合成员以及6 km的局地化尺度能较好地滤除采样误差造成的虚假相关, 同时可以将观测信息传递到无观测的模式格点; 利用背景场加上空间平滑的高斯型随机扰动生成初始成员的方式较未经过平滑的方式有更好的分析效果; 背景场扰动方法能够提高样本的离散度; 只同化反射率的同化试验表明, 反射率的同化效果较明显, 也证明了集合卡尔曼滤波在非常规资料同化中的作用; 增加径向风资料同化的效果优于只进行反射率同化的结果。
中尺度模式不同分辨率下大气多尺度特征模拟能力分析
张宇, 郭振海, 张文煜,
2010, 34(3): 653-660. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.16
摘要:
本文利用不同水平分辨率下的中尺度大气数值模式ARPS (Advanced Regional Prediction System) 模拟我国内蒙古奈曼旗农牧交错带2001年7月23日18时至27日18时天气演变过程, 以研究中尺度模式水平分辨率提高对多种时空尺度天气过程, 尤其是更小时空尺度过程的模拟改进。为此, 本文提取不同分辨率下u、v、w、θ、p气象要素的模拟结果进行分析。秩和检验和方差分析表明, 模式分辨率提高对气象五要素的模拟具有一定的影响, 但对不同要素的影响程度有所不同, 其中, 对p、θ、w影响最大, 对u、v的影响次之, 对流层下部和边界层对分辨率最为敏感, 对流层中上部次之。谱分析和小波分析都表明分辨率的提高有利于再现大气运动的多尺度特征, 但在不同大气分层和不同模式变量中又有所不同。总的来说, 高层效果好于低层, 具有强周期变化规律的变量效果好于周期性弱的变量。
北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究
张宏升, 刘新建, 朱好,
2010, 34(3): 661-668. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.03.17
摘要:
利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月~1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。