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2010年  第34卷  第6期

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我国东、西部夏季水汽输送特征及其差异
黄荣辉, 陈际龙
2010, 34(6): 1035-1045. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.01
摘要:
本文利用ERA-40再分析每日资料分析了我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季1971~2000年气候平均的水汽输送特征及其差异, 分析结果表明我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季气候平均的水汽输送特征有明显的差异。由于亚洲夏季风从孟加拉湾、 南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区, 故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。而西北干旱—半干旱区受中纬度西风带的影响, 夏季纬向水汽输送通量比经向水汽输送通量大, 且此区域夏季无论纬向或者经向水汽输送通量均比东部季风区的水汽输送通量小一量级。并且, 分析结果还表明: 我国东部季风区由于湿度大, 故夏季水汽输送通量的散度不仅依赖于湿度平流, 而且依赖于风场的辐合、 辐散, 而西北干旱—半干旱区夏季水汽输送通量的散度主要依赖于湿度平流。此外, 分析结果还表明了我国东部季风区的水分平衡与西北干旱—半干旱区的水分平衡也有明显的不同。
热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究
华莉娟, 俞永强, 尹宝树
2010, 34(6): 1046-1058. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.02
摘要:
热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2~4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。
热带大气季节内振荡对西北太平洋台风的调制作用
潘静, 李崇银, 宋洁
2010, 34(6): 1059-1070. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.03
摘要:
利用澳大利亚气象局的RMM-MJO (Real-time Multivariate MJO) 指数, 分析研究了热带大气季节内振荡 (简称MJO) 对西北太平洋台风的调制作用及其机理, 结果表明MJO活动对西北太平洋台风的生成有比较明显调制作用。在MJO活跃期, 对流中心位于赤道东印度洋 (即MJO第2、3位相) 和对流中心越过海洋性大陆来到西太平洋地区 (即MJO 第5、6位相) 时台风生成的个数比例为2∶1。本文对西太平洋地区的大气环流场进行了多种气象要素的合成分析, 在MJO的不同位相, 西太平洋地区的动力因子分布形势有很明显不同。在第2、3位相, 各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势; 而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展, 为台风生成和发展创造了有利条件的大尺度环流动力场。这说明MJO 在不断东移的过程中, 将改变大气环流形势, 最终影响了台风的生成和发展。接着, 我们从积云对流这个联系台风和MJO的重要因子出发, 研究了不同MJO位相时凝结加热的水平和垂直分布, 以及与台风环流、 水汽通量的配置情况。结果表明在MJO不同位相, 热源分布明显不同, 而这种水平和垂直方向的不同分布特征必然反映潜热释放和有效位能向有效动能转换的差异, 再与水汽的辐合辐散相配合, 就从台风获得的能量角度揭示了大气MJO调节台风的生成和发展, 造成不同位相时台风生成有根本差别的原因。
春季我国东部海洋温度锋区对大气的强迫作用及其机制研究
徐蜜蜜, 徐海明, 朱素行
2010, 34(6): 1071-1087. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.04
摘要:
首先, 采用高分辨率的卫星资料研究了春季我国东部海区海洋锋区附近的海温与风场之间的关系, 资料分析表明海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 特别是在海洋锋强的年份, 这种正相关关系更明显。资料分析还表明春季是黄海、 东海海洋锋最强的季节, 海温与海表面风速的对应关系在春季尤为明显。然后, 采用一个高分辨率和先进物理方案的中尺度模式探讨了海洋影响大气的机制。控制试验再现了海洋锋区附近海温与海表面风速之间的正相关关系。模拟的边界层垂直结构说明海温能够明显改变锋区两侧边界层大气的稳定度和垂直混合的强弱, 证明了垂直混合机制的存在。而另一方面, 对控制试验和平滑海温试验的水平动量方程中各收支项的比较分析发现, 由于海洋锋的存在而产生的气压梯度力对穿越锋区的空气的加速也有相当重要的贡献。综合观测和模拟结果说明春季我国东部海区海洋温度锋区的海洋—大气相互作用过程中海洋对大气的影响非常明显, 在海洋影响大气的机理方面, 海平面气压调整机制和垂直混合机制都在起作用。
0709号超强台风圣帕(Sepat)的闪电活动特征
潘伦湘, 郄秀书
2010, 34(6): 1088-1098. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.05
摘要:
利用全球闪电定位网 (WWLLN) 获取的闪电定位资料和中国气象局 (CMA) 提供的台风定位资料, 分析了2007年第9号超强台风圣帕的闪电时空演变特征。分析结果表明: 在热带低压至强热带风暴时期, 台风中心闪电活动频繁, 外围闪电少; 台风成熟时期, 呈现明显的三圈结构; 减弱消散时期, 中心闪电骤减, 几乎为零, 外围闪电密度远远超过中心闪电密度。眼壁闪电和台风总闪电存在阶段性变化。在台风中心最大风速急剧增大的阶段, 眼壁上的闪电两次爆发, 而在第二次眼壁闪电爆发后的两个小时, 中心风速达到最大值, 表明闪电活动有可能对台风增强有指示意义。台风眼壁置换是台风强度发生变化的一个转折点, 也是台风闪电活动发生变化的一个转折点, 从台风眼壁置换开始, 眼壁上闪电数接近于零。闪电次数跟云顶亮温存在显著性相关。结合热带测雨计划任务卫星 (TRMM) 上装载的闪电成像仪 (LIS) 和微波辐射计 (TMI) 资料, 进一步对比分析了台风闪电与强对流区域的关系, 发现闪电易发生在修正极化亮温低于225 K的深对流系统中, 但并不是所有的深对流中都能探测到闪电的发生。WWLLN和LIS探测到闪电发生区域基本一致。
月内尺度南半球环状模对应的大气环流异常传播特征
李晓峰, 李建平
2010, 34(6): 1099-1113. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.06
摘要:
本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料, 分析了南半球环状模 (Southern Hemisphere Annular Mode, 简称SAM) 在月内时间尺度 (sub-monthly timescales, 5~30天)上相关环流的垂直和水平传播特征。结果表明, 月内SAM对应的纬向风异常和温度异常具有明显自南极地区向南半球中纬度地区水平传播特征; 在垂直方向上, 纬向风异常为明显上传特征, 温度异常则具有在极地和高纬度地区明显上升、低纬度地区下沉的特点。月内SAM对应的南半球中高纬度地区上传信号表明, 在较短的月内时间尺度上, 对流层信号可以突破对流层顶, 上传达到平流层; 而月内SAM对应的整层南传信号表明, 南极地区环流变化超前于中高纬度地区, 因此在1~3周的月内时间尺度上, 极区信号可能对中高纬地区信号具有指示意义。
垂直指向测雨雷达的误差模拟及相互校准
陈勇, 刘辉志, 安俊岭,
2010, 34(6): 1114-1126. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.07
摘要:
基于马歇尔—帕米尔(M-P)分布的雨滴谱和下落末速—降雨算法, 模拟了垂直气流和雷达垂直倾角对垂直指向测雨雷达雨强测量的影响。同时在外场, 与雨量计观测相结合, 比较了五部垂直指向测雨雷达之间的差异, 对其进行了校准。结果表明: 模拟的上升气流对雨强测量的影响大于下沉气流, 垂直气流速率越大雨强测量误差愈显著; 当雷达垂直倾角<1.5°, 或在低风速下 (水平风速<2 m/s) 且倾角<9°, 对雨强测量的影响均小于10%; 强对流性降雨过程中, 垂直气流对雨强测量的影响大于垂直倾角。另外, 通过挑选层状云降雨过程, 对比雷达与共置雨量计测量的降雨量、 对比雷达间测量的降雨量均可获取较合理的归一化斜率; 但对比雷达间测量的降雨量法更优, 利用该斜率可降低雷达间的仪器误差; 在限定雷达间反射率因子差值的条件下, 比较雷达间全部降雨过程的反射率因子也可反映仪器间的系统误差趋势。
浙江沿海中尺度辐合线对飑线发展影响的数值试验
沈杭锋, 翟国庆, 朱补全,
2010, 34(6): 1127-1140. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.08
摘要:
利用Weather Research and Forecasting (WRF) 中尺度数值模式, 结合常规观测资料、地面加密自动气象站资料、云迹风等资料较好地模拟了2006年6月10日严重影响浙江的一次强飑线演变过程, 得到了与实况比较接近的飑线中尺度特征, 结果表明: 强对流活动与边界层内的中尺度辐合有密切联系, 除了雷暴出流在其前沿形成的阵风锋外, 还模拟得到了宁波东部地区的中尺度气流辐合线 (简称宁东辐合线); 宁东辐合线呈现出明显的西干东湿、东侧上湿下干和弱的稳定层结特征, 其存在阻挡了边界层顶强不稳定的东传; 在宁东辐合线东侧的山谷地带, 近地面形成一个尺度仅为10~20 km的中尺度垂直闭合环流, 该环流导致地面弱的东风气流又反过来加强了宁东辐合线。当之前已存在的雷暴出流形成的阵风锋辐合线与宁东局地辐合线相遇时, 形成一条新的阵风锋, 边界层之上的湿度显著增强, 强不稳定得到逐步释放, 加剧了对流的爆发, 天气现象进一步加重。
气候系统模式FGOALS_gl模拟的赤道太平洋年际变率
满文敏, 周天军, 张丽霞
2010, 34(6): 1141-1154. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.09
摘要:
本文分析了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/IAP) 发展的气候系统模式FGOALS_gl对赤道太平洋年际变率的模拟能力。结果表明, FGOALS_gl可以较好地模拟出赤道太平洋SST异常年际变率的主要特征, 但模拟的ENSO事件振幅偏大, 且变率周期过于规则。耦合模式模拟的气候平均风应力在热带地区比ERA40再分析资料的风应力强度偏弱30%左右, 由此引起的海洋平均态的变化, 是造成模拟的ENSO振幅偏强的主要原因。FGOALS_gl模拟的ENSO峰值多出现在春季或夏季, 原因可归之于模式模拟的SST季节循环偏差。耦合模式可以合理再现ENSO演变过程, 但观测中SST异常的东传特征在模式中没有得到再现, 这与模拟的ENSO发展模态表现为单一的 “SST模态” 有关。模拟的ENSO位相转换机制与 “充电—放电” 概念模型相符合, 赤道太平洋热含量的变化是维持ENSO振荡的机制。在ENSO暖位相时期, 赤道中东太平洋与印度洋—西太平洋暖池区的海平面气压距平型表现为南方涛动型 (SO型), 200 hPa位势高度分布表现为太平洋—北美遥相关型 (PNA型)。
SAMIL大气环流模式海面湍流通量参数化方案研究
王自强, 缪启龙, 高志球,
2010, 34(6): 1155-1167. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.10
摘要:
将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发展的大气环流谱模式SAMIL_R42L26 2.08中的海气通量参数化方案——Louis方案, 与新发展的一种新型近海层湍流通量参数化方案——LGLC方案进行比较和分析。离线测试结果表明, LGLC方案计算的通量结果与观测数据具有更好的一致性, 且由于其区分热力粗糙度和动力粗糙度, 使得对热量通量的计算更加准确。在线测试则证明, 引入LGLC方案的SAMIL模式对洋面风应力、 感热通量、 潜热通量和降水率的模拟能力有了进一步的提高, 尤其对北半球夏季印度季风和南海季风区的降水改善明显。
滑动窗区空间相关系数加权集合方法及其在IPCC-AR4多模式集合模拟和预测中的应用
杜振彩, 黄荣辉, 黄刚
2010, 34(6): 1168-1186. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.11
摘要:
本文根据政府间气候变化委员会 (IPCC) 第四次评估报告 (AR4) (简称IPCC-AR4) 中22个耦合模式对20世纪气候模拟 (20C3M) 结果中20世纪晚期亚洲夏季风降水的模拟所显示出各模式模拟能力的较大空间差异, 提出了一种滑动窗区空间相关系数来量化表征这种空间差异特征, 结果表明, 该系数明显优于传统空间相关系数, 其空间分布能够较为细致地描述各模式对较小区域模拟性能的空间差异特征。在此基础上, 本文提出以这种滑动窗区空间相关系数作为各模式的权重系数进行加权集合平均, 并称之为滑动窗区空间相关系数加权集合方法。利用该方法对IPCC-AR4 22个耦合模式所模拟的20世纪晚期亚洲夏季风降水进行加权集合平均, 并将其结果与传统空间相关系数加权集合平均以及等权重多模式集合平均结果进行比较, 表明了利用本文所提出的加权集合方法对20世纪晚期亚洲夏季风降水的集合模拟结果明显优于简单的等权重多模式集合平均结果以及传统空间相关系数加权集合平均结果。鉴于此原因, 本文利用此方法对在A1B (各种能源均衡发展) 排放情景下IPCC-AR4中22个耦合模式所模拟的21世纪各时期亚洲夏季风降水演变趋势进行集合预测。其结果表明: 在A1B排放情景下, 从21世纪中期 (2045~2065年) 开始南亚夏季风降水将比20世纪晚期明显增强; 而东亚夏季风降水相对于20世纪晚期的变化呈现出从南到北经向三极子型异常分布特征, 即华南和华北地区夏季风降水增多, 而长江流域夏季风降水相对于20世纪晚期没有太大变化。并且, 结果还表明亚洲夏季风降水异常这种变化趋势可以延续到21世纪晚期。
北京及周边地区2004年8、9月层积云结构及谱分析飞机探测研究
范烨, 郭学良, 张佃国,
2010, 34(6): 1187-1200. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.12
摘要:
2004年8~9月利用机载粒子测量系统 (Particle Measuring System, 简称PMS) 对我国北京及周边地区的三次锋面云系进行了探测, 本文分析了三次降水性层积云中各种粒子的垂直、水平和谱分布。结果表明, 三次降水云系基本是冷锋或者暖锋系统下形成的层积混合云系。云内以直径5~9 μm、200 μm和400~1000 μm的云和降水粒子为主。9月14日暖锋层积云系的粒子浓度最大, FSSP-100 (前向散射粒子谱探头)、 GA2(二维灰度云粒子图像探头)、 GB2(二维灰度降水粒子探头)分别探测的最大粒子浓度为318.97 cm-3、0.03 cm-3、0.0065 cm-3。8月12日和8月15日的冷锋层积云系有多个干层。GA2探测的平均浓度谱基本为单峰分布, 并找出了合适的拟合函数。冷锋层积云系的负温云层中存在着相同浓度量级的过冷云水和雨水、霰粒、柱状和针状冰晶, 过冷水含量可达到0.26 g/m3, 暖锋云系中则以霰粒、结淞粒子和冰雪晶聚合体为主, 也存在少量柱状、针状冰晶和过冷水滴。与我国北方地区13架次飞行探测结果比较, 北京及周边地区2003年8月15日、2004年8月12日和9月14日层积云0 ℃层以上的冰雪晶粒子直径最大, 浓度居中, 过冷水含量因云系结构不同而变化较大。
强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析
齐彦斌, 冉令坤, 洪延超
2010, 34(6): 1201-1213. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.13
摘要:
在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。
应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究
王少影, 张宇, 吕世华,
2010, 34(6): 1214-1222. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.06.14
摘要:
利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验” 2005年绿洲、戈壁点的观测资料, 分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系, 应用通量方差法对感热、 潜热通量进行了计算, 并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下, 戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点, 绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点, 归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系, 其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况; 通量方差法对两个站点的感热、 潜热通量均有较好的再现, 但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量, 则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。