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2012年  第36卷  第1期

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3mm多普勒云雷达测量反演云内空气垂直速度的研究
彭亮, 陈洪滨, 李柏
2012, 36(1): 1-10. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.01
摘要:
垂直指向的W-波段大气云雷达(WACR)不仅测量云粒子的反射率因子Z, 而且测量多普勒速度谱。本文利用寿县气象站WACR在2008年11月1日一个时段的测量, 进行云内空气垂直速度反演试验。首先讨论个例中反射率、 Doppler平均速度及谱宽的分布特征及原因, 然后利用小粒子示踪法和改进的以小粒子示踪法为基础的粒子下降速度w0—反射率因子 (w0-Z) 关系法反演了云内空气垂直速度, 进而结合Doppler谱数据分析反演结果。结果显示: 小粒子示踪法在湍流较弱时能比较精确地反演空气垂直速度, 而湍流较强时, 湍流造成的误差不可忽略; 改进算法在湍流较强时能够减少湍流对反演结果的影响。
华北汛期降水多因子相似订正方案与预报试验
杨杰, 赵俊虎, 郑志海,
2012, 36(1): 11-22. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.02
摘要:
本文基于动力—相似预报的基本原理, 在已初步建立的华北汛期降水模式的动态最优多因子组合相似订正方案工作基础上, 研究前期关键因子之间的相互配置对夏季降水的影响, 挑选关键的大气环流预报因子。根据预报年前期气候因子的异常状况, 通过EOF压缩自由度进行相似年选取, 进一步构建了基于前期异常信号的汛期降水相似订正预报方案。研究发现, 预报年前期大气环流中异常因子个数的偏多或偏少与该年华北降水的多寡呈现较好的对应关系, 并以异常因子的个数状况作为判断该年是否为异常年的标准, 将异常多因子方案与动态最优多因子方案相结合, 建立模式误差相似订正的多因子综合预报方案。通过诊断分析发现, 该方案对降水异常年有着较好的针对性。2003~2009年7年的独立样本回报结果表明: 该方法进一步提高了模式对华北汛期降水的预报能力, 将华北汛期降水预报的距平相关系数 (ACC) 平均分从系统订正结果的0.38提高至0.61, 具有良好的业务应用前景。
台风“凤凰”登陆过程的高分辨率数值模拟及其降水的诊断分析
周冠博, 崔晓鹏, 高守亭
2012, 36(1): 23-34. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.03
摘要:
本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号台风 “凤凰” 的登陆过程开展了高分辨率数值模拟, 模拟采用3重嵌套, 最高分辨率3 km, 共积分120小时 (5天)。利用收集到的常规和非常规观测资料与模式模拟结果进行了细致的对比验证分析。结果指出, 模式较好地模拟再现了 “凤凰” 台风的发展演变以及登陆过程, 模拟的台风路径与观测路径较为一致, 同时模式也较好地把握住了整个模拟时段当中, “凤凰” 台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征, 模拟取得了初步成功。进一步, 利用高分辨率的模拟资料对此次台风登陆过程开展了散度垂直通量|Q|的诊断分析, 结果表明, 在整个研究时段内, |Q|的异常值区始终覆盖在地面雨区之上, 二者的空间分布和时间演变趋势比较相似, 并且在雨区内|Q|表现为强信号, 而在非雨区|Q|表现为弱信号。这表明散度垂直通量能够描述暴雨过程中低层大气辐合和高层大气辐散的垂直动力结构, 对强降水落区有较好的指示作用。
中国东部夏季降水年际变化与东中国海及邻近海域海温异常的关系
蔡榕硕, 谭红建, 黄荣辉
2012, 36(1): 35-46. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.04
摘要:
本文首先利用1979~2008年中国756个站点和GPCP2.1的降水资料与Hadley中心的HadISST再分析海温资料以及应用合成和相关分析方法, 分析了中国东部夏季降水年际变化及其与东中国海及邻近海域海温异常的关系。分析结果表明: 当东中国海及邻近海域为暖 (冷) 异常时, 长江中下游、 江淮地区夏季降水减少 (偏多), 而东北南部的降水偏多 (减少)。并且, 本文应用RegCM3区域气候模式对上述关系进行数值试验, 结果表明了东中国海及邻近海域的暖 (冷) 异常, 将使得我国长江、 黄淮流域和华北大部分地区夏季降水的减少 (增加), 而华南地区、 东北南部和朝鲜半岛等地夏季降水的增加 (减少)。此外, 本文还利用NCEP/NCAR再分析资料和数值模拟对上述关系的大气环流变异过程进行了分析, 分析结果揭示了上述海域的升温或降温对东亚地区上空的纬向和经向环流有较明显的影响。当东中国海及邻近海域升温时, 除了在该海域东部引起低空辐合, 高空辐散, 产生上升运动外, 还在其西部的长江、 黄淮流域和华北地区引起低空辐散, 高空辐合, 产生下沉运动, 这将引起长江、 黄淮流域和华北等地夏季降水的减少; 并在华南、 东北南部和朝鲜半岛地区引起低空辐合, 高空辐散, 从而产生上升运动, 这使得华南地区、 东北南部和朝鲜半岛夏季降水的增加。反之, 当东中国海及邻近海域降温时, 上述区域出现相反的现象。这些都说明东中国海及邻近海域的热力状态可能是影响我国东部夏季降水的重要因子之一。
等σ面相当重力位势分析方法及其对高原低涡个例的检验应用
周玉淑, 邓涤菲, ChenQiu-shi
2012, 36(1): 47-62. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.05
摘要:
在青藏高原大地形及其邻近区域, 低层等压面的资料是从对流层中上层通过外插法插值得到的, 不能代表高原地区近地面的实际天气系统。因此, 在常用的等压面分析方法中, 如何较准确地分析高原近地面的天气系统是个难题。本文引入有限区域矢量场分解的平均调和—余弦算法, 基于σ面坐标及资料, 引入一个满足准地转近似的新变量, 其作用相当于等压坐标中的重力位势, 称为等σ面上的相当重力位势, 在等σ面上给出相当重力位势分布图后, 可直接在等σ面上就能分析出天气系统。在方法介绍基础上, 本文以2008年7月20日08时到21日14时 (北京时) 青藏高原上一次高原低涡东移的个例为例, 对等σ面上的相当重力位势对天气系统和天气形势的描述能力进行考察。结果表明: 在美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心 (NCEP/NCAR) 海平面气压分析场上, 高原附近有一些长期存在的气压异常偏低系统, 高原上也存在很多面积较小气压却异常高 (或低) 的天气系统, 这些系统都是由于外插时受高原地形影响而计算出来的误差, 不是高原地区近地面天气系统的正确反映, 因而无法正确描述近地面高原涡东移出高原并与四川盆地附近西南涡耦合后加强的过程。而运用相当重力位势变量来表示高原近地面的天气形势后, 能够清晰反映高原近地面上此次高原涡东移南压引起低层西南涡加强的过程, 可把高原大地形上的天气分析与下游地区天气形势分析更好地衔接起来, 在天气分析方面具有明显的好处。
大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风
王军, 包庆, 刘屹岷,
2012, 36(1): 63-76. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.06
摘要:
各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据“热力适应”理论, 从分析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的最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7) 对全球非绝热加热场的模拟性能出发, 分析并解释了SAMIL对东亚夏季风 (EASM) 子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2 ( NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis ) 对比分析发现, SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布 (LOSECOD), 但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差, 主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高, 而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°) 偏高, 赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现, SAMIL能很好地模拟南亚高压; 较好地模拟西太平洋副热带高压的主体, 但西太平洋 (30°N附近) 潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、 西伸脊点过于偏西; 模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心, 但中纬度潜热、 感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料 10 m/s左右。进一步的讨论可知, 造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足, 改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。
山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征
郄秀书, 杨静, 蒋如斌,
2012, 36(1): 77-88. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.07
摘要:
山东人工引发雷电实验 (SHATLE) 自2005年开始, 六年来共成功引发负极性雷电22次, 包含大电流回击过程88次, 实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、 高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明, 回击峰值电流的几何平均值为12.1 kA, 最大值为41.6 kA, 最小值为4.4 kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1~68 μs之间, 电流10%~90%峰值的上升时间几何平均值为1.9 μs, 中和电荷量为0.86 C, 作用积分(action integral, 或称比能量) 为2.6 ×103A2?s。人工触发闪电峰值电流约16.5 kA的回击在30 m处产生的电场变化可达56.0 kV/m, 60 m处的磁场几何平均值为52 μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105 m/s。
中国地区夏季6~8月云水含量的垂直分布特征
杨大生, 王普才
2012, 36(1): 89-101. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.08
摘要:
基于观测资料的夏季云水含量时空分布情况对于数值天气预报、气候预测以及人工影响天气试验都十分重要。本文利用CloudSat卫星资料, 分析了2006~2008年中国地区夏季月平均云水含量的垂直和区域变化特征。结果显示, 青藏高原地形以及东亚夏季风对月平均云含水量分布具有明显影响。中国中部纬度上对流层中层的月平均液态水含量比南部及北部的量值大。各月平均云液水含量垂直廓线存在两个不同高度上的峰值区, 原因可能主要是受大尺度参数的控制, 以及受到青藏高原和东亚季风环流的影响。平均冰水含量纬向垂直分布的高值区主要在对流层中上部。本文中所揭示的云水含量特征为天气和气候模式改进、人工影响天气及云—辐射相互作用提供了重要的基础信息。
基于季节内振荡的延伸预报试验
粱萍, 丁一汇
2012, 36(1): 102-116. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.09
摘要:
2~4周的延伸预报是近年来国际上天气和气候业务预报发展的一个重要方向。本文以江淮梅雨区降水为例, 在利用集合经验模态分解 (EEMD) 及多变量EOF方法获取梅雨区降水及其影响系统低频信号的基础上, 采用最优子集回归方法、 经验波传播 (EWP) 方法及全球海气耦合模式产品, 对梅雨季节内演变的延伸期预报方法进行了预报和试验, 以期为建立延伸期预报业务提供科学依据。试验结果表明: (1) 大气季节内振荡对梅雨区降水的延伸预报具有重要的应用价值, 可能是联系天气过程和异常的重要系统。(2) 通过EEMD方法提取前期降水演变及影响因子的季节内振荡信号, 采用最优子集回归统计学方法对梅雨区逐候降水量演变进行超前30天预报是有可能的。(3) EWP经验动力方法对热带ITCZ活跃异常的未来40天东传可能具有较好的预报效果, 还可能较好地预报出延伸期的梅雨区风场距平演变, 具有一定应用价值。(4) 全球海气耦合动力模式输出产品在延伸期环流形势趋势预报及20天左右的MJO指数预报方面有一定的参考价值。
加热和水汽对两例高原低涡影响的数值试验
宋雯雯, 李国平, 唐钱奎
2012, 36(1): 117-129. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.10
摘要:
利用卫星黑体亮度温度 (TBB) 资料、NCEP 1°×1°再分析资料以及中尺度非静力平衡模式MM5, 对2005年7月28~29日和2009年7月29~31日两次高原低涡过程进行了控制试验以及绝热、无地表感热、地表感热加倍、无蒸发效应、无凝结潜热、无水汽等六组敏感性试验, 着重讨论了2005年7月28~29日高原低涡发生、发展及结构特征演变。结果表明: 控制试验模拟出的500 hPa低涡中心位置和低涡结构与实况基本吻合。绝热条件对低涡形成、 发展及结构变化的影响最为显著; 凝结潜热、水汽对低涡的形成不具有决定性影响, 但对低涡的维持以及结构特征演变起关键作用; 地表蒸发潜热对低涡的发展有一定影响, 无地表蒸发潜热使低涡的强度略有减弱; 地表感热对低涡的影响因个例不同而有所差异, 并且在低涡的不同发展阶段也不尽相同, 另外还与低涡发展阶段是在白天还是夜晚有关。
一次东北冷涡过程的数值模拟与降水分析
王培, 沈新勇, 高守亭
2012, 36(1): 130-144. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.11
摘要:
本文利用WRF模式对2007年7月8日至12日的东北冷涡过程进行模拟。通过分析天气尺度背景场可知, 在对流层中高层出现干侵入过程, 干空气主要来源于我国内蒙古西部和东北冷涡的西北部, 随着东北冷涡一起呈涡旋状运动, 在对流层中层的干侵入更加明显; 东北冷涡的东部为水汽通量辐合区, 说明此处水汽丰沛, 该处的暖湿空气与干冷空气相汇, 有利于降水的生成。通过分析中尺度对流系统的地面和对流层中下层的风场结构可知, 中尺度对流系统易发生在东北冷涡东南侧和东北侧的气旋性曲率最大处, 此处的对流层低层易形成强辐合区, 而风场的水平辐合运动激发出垂直上升运动, 在对流不稳定区配合着强上升运动, 有利于对流系统发展而产生降水, 因此在低压系统东南侧及东北侧的 “气旋曲度” 区易形成降水。从对流涡度矢量的垂直分量可知, 在东北冷涡中的东南侧和东北侧, 对流涡度矢量的垂直分量对于中尺度系统的发生位置和降水区域有很好的指示作用。
云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响:不同云微物理参数化方案的对比研究
董昊, 徐海明, 罗亚丽
2012, 36(1): 145-169. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.12
摘要:
采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程, 分别选取Morrison、 Thompson07、 Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验, 每组试验包括不同云凝结核(CCN)浓度的三次模拟, 称为 “低浓度”、 “中浓度” 和 “高浓度”, 将模拟区域划分为深对流、 浅对流和层云区域, 对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、 不同区域降水率和不同区域面积的影响, 进一步分析了云微物理过程、 动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现: (1) 由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、 不同云微物理过程之间存在复杂的关联、 云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合, 采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、 也有差异; (2)模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著, 采用WDM6方案时最小; (3)四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、 初期降水减弱的情况, 在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小, 而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。
NCEP 全球预报系统在ARM SGP站点预报大气温度、湿度和云量的检验
张寅, 罗亚丽, 管兆勇
2012, 36(1): 170-184. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.13
摘要:
利用美国大气辐射测量项目(ARM) 制作的 “气候模拟最佳估计” (CMBE) 观测数据集, 检验美国环境预报中心 (NCEP) 全球预报系统 (GFS) 2001~2008年在ARM Southern Great Plains (SGP) 站点预报的大气温度、 相对湿度和云量的垂直分布, 主要结论如下: (1) NCEP GFS较好地预报出了温度和相对湿度的季节变化。就各个季节平均而言, NCEP GFS高估了1.5~12 km的大气温度, 同时低估了春冬季13~16 km和秋冬季1.5 km以下的大气温度, 各高度上温度偏差绝对值小于1℃; NCEP GFS预报结果再现了观测到的相对湿度垂直分布的双峰结构, 但是高估了4~12 km的相对湿度。模式分辨率提高 (T170L42更新为T254L64) 显著改进了14~18 km相对湿度的预报。(2) 预报的云量在10 km以下小于观测值, 在10~13 km则高于观测值, 而且, NCEP GFS没有预报出非降水性低云的云量, 其预报的降水云的云量在8 km以下也低于观测值, 反映出NCEP GFS模式中浅对流和深对流活动不够活跃。(3) NCEP GFS模式用预报的相对湿度和云水/云冰混合比 (qc) 诊断云量, 采用同样的诊断公式由观测的相对湿度和NCEP GFS预报输出的qc计算云量, 得到的云量在11 km以下所有高度上都更加显著地小于观测值, 即比NCEP GFS对云量的低估更加严重, 说明NCEP GFS可能低估了此高度区间的qc。 (4) 2001~2008年间NCEP GFS预报的温度、 湿度和云量改进不显著, 其预报云量和qc的误差很可能与模式中深对流和浅对流方案、 层云微物理方案的不确定性有关。
中国春季降水异常及其与热带太平洋海面温度和欧亚大陆积雪的联系
左志燕, 张人禾
2012, 36(1): 185-194. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.14
摘要:
利用降水观测资料, 研究了1979~2004年中国春季 (3~5月) 标准化累积降水异常的时空特征及其与前冬、 春热带太平洋海面温度和春季欧亚大陆积雪的关系。中国春季标准化累积降水量EOF第一模态最大变率位于中国东部中纬度地区, 主要反映了中国东部中纬度地区春季降水的变化特征。同时, 中国东部春季降水异常具有南、 北反相变化的特征。当长江以南大部分地区的降水偏少时, 长江以北地区的降水偏多。春季降水异常具有显著的年际变化, 但在1980年代末出现年代际转型, 即年际变化的振幅明显增大变强、 周期变长。从华北到长江流域中纬度地区的春季降水异常特征与前冬热带太平洋海面温度有密切的关系。当前冬、 春热带东太平洋海温偏暖, 西太平洋海温偏冷时, 中国东部从华北到长江流域中纬度地区的春季降水偏多, 反之亦然。虽然当春季欧亚大陆楚科奇半岛和青藏高原积雪偏多, 贝加尔湖到中国东北地区的积雪偏少时, 对应着中国东部从华北到长江流域中纬度地区的降水偏多, 但当去掉ENSO信号后, 这种关系并不显著。说明EOF第一模态所反映的中国东部从华北到长江流域中纬度地区春季降水与欧亚大陆积雪的相关关系可能是前冬热带太平洋海面温度异常的一个体现。
冬季中东急流对中国西南地区覆冰形成的影响
曲巧娜, 李栋梁, 熊海星,
2012, 36(1): 195-203. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.15
摘要:
采用西南地区 (25°N~35°N, 95°E~110°E) 96个常规气象观测站1961年1月1日~2009年12月31日逐日气象要素资料, 利用同时满足地面日最低气温在-10~1 ℃、 相对湿度大于80%、 日照时数小于等于2个小时这三个条件, 计算1月中国西南地区覆冰日数。利用NCEP/NCAR再分析格点资料, 分析大气环流特征。结果表明: 强覆冰年时欧亚地区500 hPa高度距平场为 “北高南低”、 中高纬地区 “西高东低”、 中低纬地区“西低东高” 的形势, 乌拉尔山高压脊、 里海东部低压槽、 副热带高压均偏强, 有利于冷暖空气在西南地区强烈交汇, 是西南地区形成覆冰的基本条件; 冬季中东急流强, 则有利于西南地区覆冰的形成, 相关最好的区域位于四川—云南—贵州三省交界处、 贵州省大部分地区、 云南省北部与西藏东南部交界处、 陕西省西南部以及川西二郎山附近, 这些均是最易发生严重覆冰的区域; 500 hPa中亚低槽活动, 将中东急流变化与西南地区覆冰强弱紧密的联系了起来; 前期12月北大西洋百慕大群岛附近海表温度的异常偏低是1月中东急流异常偏强的重要影响因素。
华南秋旱的大气环流异常特征
简茂球, 乔云亭
2012, 36(1): 204-214. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.01.16
摘要:
利用实测降水量资料及NCEP再分析资料, 通过统计方法分析了华南秋旱及其相关的环流异常特征。结果发现, 华南秋旱以全区性的干旱出现居多。华南秋旱事件对应的同期海温异常分布型大致可分两类。一类是热带中东太平洋的负海表温度距平 (SSTA) 区的极值中心位于赤道东太平洋, 在海洋性大陆和热带西太平洋有马蹄形的正SSTA, 而在热带西印度洋, 南海至日本东、 南部西北太平洋是负SSTA; 另一类是热带中东太平洋正SSTA极值中心位于赤道中太平洋, 热带—副热带西太平洋、 南海和热带印度洋为负SSTA区, 副热带北太平洋东部和南太平洋东部为显著的正SSTA。 与第一类SSTA相关的华南秋旱与海洋性大陆区域上空的上升运动异常增强 (与其下垫面海温异常偏暖有关)。而与第二类SSTA相关的华南秋旱则与中纬度环流的长波调整造成的东北亚上空的异常上升运动距平有关。而两类华南秋旱都是通过大气环流对华南地区的异常下沉运动产生强迫作用而产生的。另外, 华南秋旱还与菲律宾和台湾东侧洋面上空出现上升运动距平有关。两类华南秋旱都与南海中北部热带气旋频数偏少, 菲律宾和台湾东侧热带气旋频数偏多有关, 因此, 使得登陆华南的热带气旋偏少, 导致华南秋季干旱。