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2012年  第36卷  第3期

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2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析
黄荣辉, 刘永, 王林, 王磊
2012, 36(3): 443-457. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11101
摘要(10046) PDF (7923KB)(4192)
摘要:
我国西南地区从2009年秋季到2010年春季发生了严重干旱, 这次干旱无论持续时间和发生区域或降水减少程度都是近50年来所罕见的, 因而本文利用NCEP/NCAR再分析资料和海温资料从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响来分析了这次西南地区干旱发生的成因。分析结果表明: 从2009年秋到2010年春季, 热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态, 它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流, 造成了西南气流异常在我国东南沿海加强, 而华南和华中地区上空处于低槽控制, 因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制, 造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原, 从而引起了此区域降水长期偏少。并且, 分析结果还表明了中高纬度地区的环流异常对此次严重干旱也有重要影响。由于从2009年冬季到2010年春季中高纬度准定常行星波传播的极地波导偏强, 而低纬波导偏弱, 这导致波的E-P通量在60°N附近对流层和平流层为辐合, 而在35°N附近对流层中、上层为辐散, 从而引起纬向平均西风在60°N附近对流层和平流层减弱, 而在35°N附近对流层中、上层加强, 造成了北极涛动 (AO) 为很大的负值。由于AO为负值, 东亚冬季冷空气活动强且路径偏东, 使得到达西南地区冷空气偏弱, 从而引起西南地区持续性严重干旱的发生。
随机误差对混沌系统可预报性的影响
史珍, 丁瑞强, 李建平
2012, 36(3): 458-470. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11072
摘要:
根据非线性局部Lyapunov指数的方法, 以Logistic映射和Lorenz系统的试验数据序列为例, 研究了在初始误差存在的情况下, 随机误差对混沌系统可预报性的影响。结果表明: 初始误差和随机误差对可预报期限影响所起的作用大小主要取决于两者的相对大小。当初始误差远大于随机误差时, 系统的可预报期限主要由初始误差决定, 可以不考虑随机误差对预报模式可预报性的影响; 反之, 当随机误差远大于初始误差时, 系统的可预报期限主要由随机误差决定; 当初始误差和随机误差量级相当时, 两者都对系统的可预报期限起重要作用。在后两种情况下, 在考虑初始误差对可预报性影响的同时还必须考虑随机误差的作用。此外, 我们在已知系统精确的控制方程和误差演化方程的条件下, 研究了随机误差对可预报性的影响, 理论所得结果与试验数据所得结果相似。这表明在随机误差较小的情况下, 对系统可预报期限的估计相对准确, 但在随机误差较大的情况下, 可预报期限的估计误差也较大。本文利用三种不同的滤波方法对序列进行了试验, 结果表明, Lanczos高通滤波得到的高频序列与原始加入的噪声序列无论是在强度上还是在演变趋势上都表现得相当一致, 其能有效地去除高频噪音继而提高对系统的可预报期限的估计, 这对实际气象观测资料如何有效地去除噪音具有一定的启发意义。
云并合过程中物理特征演变的模拟研究
吕玉环, 李艳伟, 金莲姬, 何彩芬
2012, 36(3): 471-486. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.10223
摘要:
云并合过程中物理特征的变化对云降水过程的演变至关重要, 对降水的短时预报和研究也有重要意义。因此, 本文利用新一代中尺度天气预报模式WRF (Weather Research Forecast) 对2005年5月5日发生在贵阳的一次云并合过程进行模拟, 结合雷达观测资料以及MICAPS资料, 分析了降水对流云的合并过程, 及其伴随的各种物理特征的演变。研究发现, 积云的并合过程具有多样性, 包括相邻孤立对流单体的并合, 对流单体和对流云团的并合, 相邻对流云团并合形成大范围降水系统等不同的阶段。在这几个阶段的并合过程中, 层结曲线变化都表现为在并合过程中不稳定能量释放, 由并合前不稳定层结转为并合后趋于较稳定, 特别是中层趋于中性, 这有利于优势发展尺度向较长尺度转移。物理特征都发生了明显改变, 表现为: 在刚发生并合和完全并合前后对流中心的最大降水量增幅最为剧烈, 最大垂直气流速度与最大降水量的变化是相反的, 并合发生后, 云中最大上升气流速度普遍减小。而平均垂直气流速度在开始并合及完全并合后普遍减小, 但整个云体所在区域的平均降水量总体多呈增加的趋势。
中国夏季东北冷涡强度的定量化分析
杨涵洧, 封国林, 沈柏竹, 支蓉
2012, 36(3): 487-494. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11071
摘要:
本文利用NCEP/NCAR发布的1981~2010年全球日平均再分析位势高度场资料对东北冷涡进行检索并提取其平均态, 在此基础上定义东北冷涡的偏离指数, 并探讨其对东北冷涡强度特征的描述。结果表明: (1) 东北冷涡500 hPa闭合中心位势高度的概率分布近似为高斯分布, 以其期望值提取的东北冷涡平均态具有东北冷涡的共性, 表现出明显的大气斜压性及有利于系统维持和发展的温压配置关系特征; (2) 基于东北冷涡平均态定义的东北冷涡偏离指数不仅能够表征东北冷涡偏离平均态的程度, 还包含了低压面积的信息, 即能够直观地显示东北冷涡的强弱特征。
X波段双线偏振气象雷达反射率的衰减订正
毕永恒, 刘锦丽, 段树, 吕达仁, 苏德斌, 陈羿辰
2012, 36(3): 495-506. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11075
摘要:
X波段天气雷达的强衰减是影响其探测精度与应用推广的主要问题。本文旨在寻求适用于降水过程中对X波段双偏振雷达进行衰减订正的一种方法。在订正前先对雷达数据进行了质量控制和预处理; 在分析了国内外已有订正方法的基础上, 选择并改进了自适应约束算法作为雷达反射率进行衰减订正的方法; 最后进行方法的效果验证。既对衰减订正前后反射率与同时段S波段雷达反射率作对比, 又对偏振参数KDP~ZHAH~ZH之间关系的变化进行分析, 不仅如此, 还直接与地面降水实况作比较等。分析表明, 对X波段双线偏振雷达进行反射率衰减订正后的效果显著优于订正前, 特别是, 当存在较大范围 (含对流型) 降雨时, 采用此种订正方法可以明显提高降水的估测精度。
2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征
陶玥, 史月琴, 刘卫国
2012, 36(3): 507-522. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11082
摘要:
2008年1月中下旬, 我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25~29日的一次典型冻雨天气过程, 在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上, 利用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式对1月28日~29日的冻雨天气过程进行了数值模拟, 研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征, 初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明, 深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中, 湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同, 不同冻雨区上空为两种不同类型的云, 对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚, 云顶温度较低, 属于混合相云, 云中高层存在丰富的冰相粒子 (雪的比含水量最大)。湖南冻雨在 "冷—暖—冷" 层结下, 通过 "冰相融化过程" 形成, 即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪, 从高空落入暖层, 雪融化形成雨, 再下落到冷层后, 形成过冷雨滴, 最后接触到温度低于 0℃的物体或降落到地面上, 迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄, 云顶温度较高, 属于暖云, 中高层基本无冰相粒子, 低层为云水和雨水 (云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在 "暖—冷" 层结下通过 "过冷暖雨过程" 形成的。即水汽沿锋面抬升, 在对流层中低层的水汽辐合中心内, 经过冷却凝结成云滴, 通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层, 形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。
东亚冬季风综合指数及其表达的东亚冬季风年际变化特征
贺圣平, 王会军
2012, 36(3): 523-538. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11083
摘要:
本文通过多变量经验正交函数展开 (multivariate EOF, 简称 MV-EOF) 研究了东亚冬季风各系统成员的协同关系, 再运用单变量EOF定义单个系统的强度系数。从而给出能够反映东亚冬季风各主要特征及其年际变化、同时包含西伯利亚高压、东亚大槽和纬向风经向切变信息的强度指数 (EAWMII)。分析表明, 这个新指数EAWMII能够很好地反映东亚冬季风在20世纪80年代中期的减弱信号, 并且与大气环流场以及东亚冬季表面温度的变化均显著相关, 能够在很大程度上表征东亚冬季风的综合特征。此外, EAWMII与北极涛动 (Arctic Oscillation, 简称AO) 指数、北太平洋涛动 (North Pacific Oscillation, 简称NPO) 指数和Nio3.4指数相关显著。分析还表明AO和NPO影响东亚冬季气候的区域有所不同: AO主要影响欧亚大陆中、高纬、我国东北以及日本北部等地区, NPO则主要影响华南、华东、朝鲜、韩国以及日本中南部及其附近海域。并且, AO很可能可以通过影响NPO进而影响东亚冬季风。
基于Lorenz系统提取数值模式可预报分量的初步试验
王启光, 封国林, 郑志海, 支蓉, 丑纪范
2012, 36(3): 539-550. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11094
摘要:
针对数值预报模式中存在的非线性混沌特性, 从提取可预报分量的思路出发, 阐述了在数值模式中提取可预报分量的方法, 并利用Lorenz系统进行了相关数值试验。研究发现, Lorenz系统初始误差在相空间中的增长速度是不同的, 某些方向的误差增长速度较慢, 即存在对初值扰动不敏感、相对稳定的可预报分量。根据数值模式切线性误差算子的特征值演化规律, 提取出数值模式的可预报分量, 并将模式变量在其基底上进行投影变换, 建立了可预报分量数值模式。在此基础上, 研究了Lorenz系统的混沌状态、模式参数误差及外部随机噪声对提取可预报分量的影响, 发现基于可预报分量的数值模式, 具有更好的预报技巧。
登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析
冀春晓, 赵放, 高守亭, 刘黎平
2012, 36(3): 551-563. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11085
摘要:
地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。
中国东部地区前冬季节来临早晚与夏季降水的关系探究
张世轩, 支蓉, 封国林, 沈柏竹
2012, 36(3): 564-578. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11106
摘要:
利用NCEP/NCAR1961~2010年逐日平均再分析资料, 对中国东部地区前冬季节来临时间进行划分, 并探讨中国东部地区平均前冬季节来临时间偏早/偏晚与中国东部夏季降水之间的关系, 研究发现: (1) 中国东部前冬来临时间与中国东部夏季降水存在两个正相关带和两个负相关带, 且与其夏季雨带的位置大致吻合。正相关带分别位于华南、西南以及黄河以北的39°N~42°N一带、东北中南部等地区, 负相关带分别位于黄淮、江淮以及长江中下游一带和42°N以北的大部分地区。 (2) 统计特征表明: 中国东部地区前冬季节来临时间偏早的年份, II类雨型发生频率大于其气候发生频率, I类和III类雨型发生频率则比气候频率偏小; 前冬季节来临偏晚的年份, I类雨型发生的频率偏大, 而II类和III类雨型发生频率偏小, 典型年份的合成分析结果与雨带类型的统计结果相一致。反之, 从雨型与前冬来临时间的对应关系统计分析发现, I类雨型年份, 中国东部地区前冬季节来临时间显著偏晚年份占优, 而II类雨型年份, 前冬季节来临显著偏早年份占优, III类雨型年份对应关系不显著。总体而言, 季节来临早晚与雨带分布表现出一定的对应关系。 (3) 前冬来临早晚对应了不同的前期和同期海温、水汽和环流型, 受海—气相互作用的影响, 造成降水空间分布的不同。
冬、夏季热带及副热带穿透性对流气候特征分析
刘鹏, 王雨, 冯沙, 李崇银, 傅云飞
2012, 36(3): 579-589. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11109
摘要:
文中利用热带测雨卫星 (TRMM) 搭载的测雨雷达 (PR) 1998~2007年的探测结果, 就热带及副热带地区穿透性对流的频次、条件降水强度及垂直廓线等特征进行了分析。研究结果表明: 深对流和穿透性对流都主要发生在热带辐合带 ( ITCZ)、南太平洋辐合带 (SPCZ)、亚洲季风区、20°N以南的非洲以及美洲等地区, 它们的空间分布具有明显的地域性和季节变化特征, 而且陆地深对流更容易发展成为穿透性对流, 但绝大部分地区的穿透性对流频次不超过0.2%。对穿透性对流条件降水强度的分析表明, 热带及副热带大部分地区的穿透性对流条件降水强度在10 mm/h以上, 且洋面的条件降水强度要比陆地大, 但由于其频次较小导致其对总降水的贡献并不大。尽管深对流和穿透性对流降水廓线的外形比较相似, 但相同的高度, 深对流的降水强度要比穿透性对流偏小, 而且这种差异随海陆和纬度的不同而有所区别。此外, 热带地区 (15°S~15°N) 冬、夏季深对流和穿透性对流降水廓线都只存在较小差异, 并没有显示出明显的季节变化。
我国东部海洋温度锋区对大气的强迫作用——季节变化
徐蜜蜜, 徐海明, 朱素行, 周林义
2012, 36(3): 590-606. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11113
摘要:
采用一系列高分辨率的卫星资料研究了我国东部海区的海洋温度锋对局地大气的强迫作用及其季节变化。分析表明, 当春季海洋锋增强时, 海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 并且在海洋锋的暖 (冷) 侧形成海表风的辐合 (辐散), 表现为海洋对大气的强迫作用。海温对表面风场的影响程度与海洋锋的强度成正比, 春季影响程度最大, 夏、秋季最小。海洋锋对其附近的总降水、对流、层云降水均有影响, 尤其在春季海洋锋暖侧的降水强度增大, 对流降水的频次增多, "雨顶" 高度也有明显的抬升。暖流对大气的影响不仅局限在边界层, 其影响可达整个对流层。另外, 分析发现对流降水对海温的响应比层云降水更加敏感。研究还表明, 暖流上空高、低云呈现相反的年循环特点, 冬季多0.5~2 km的边界层云, 夏季多云底在10 km以上的高云。深对流云集中出现在3~6月, 从冬季到初夏, 30%以上的云量中心抬高了接近8 km。春季和初夏在海洋锋的暖侧频繁地出现深对流活动。
西风带高空槽对登陆我国变性热带气旋的影响及其机理研究
李侃, 徐海明
2012, 36(3): 607-618. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11076
摘要:
应用日本气象厅1979~2008年的热带气旋资料以及日本25年 (JRA-25) 再分析资料, 本文首先对登陆我国变性加强和变性减弱的两类热带气旋进行了合成对比分析, 发现热带气旋变性后的强度变化与相应的西风带高空槽的强弱有很好的对应关系。然后, 我们选取了2004年登陆我国的热带气旋Haima为研究对象, 通过中尺度模式模拟再现了其登陆后变性演变过程, 采用片段位涡反演方法改变了模式初始高空槽的强度, 研究了高空槽强度的变化对Haima变性过程的影响。研究表明: (1) 高空槽加强 (减弱) 后, Haima移速明显加快 (减慢), 此外深 (浅) 槽对应的Haima变性加强过程中心气压降幅较大 (小); (2) 不同强度的高空槽与Haima相互作用的过程中, 深槽对应的高空急流范围较大, 强度更强, 相应的高空强辐散有利于Haima明显的再发展; (3) 另外深槽对应着较强的高层正位涡带, 正位涡向下伸展诱发低层Haima正位涡明显增长, 从而导致低层锋区的强烈发展和低层气旋的明显加强。
CCSM4.0的长期积分试验及其对东亚和中国气候模拟的评估
田芝平, 姜大膀, 张冉, 隋月
2012, 36(3): 619-632. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11092
摘要:
本文利用通用气候系统模式CCSM4.0的低分辨率 (T31, 约3.75° × 3.75°) 版本进行了700年的长期积分试验, 将中国地表气温、降水及东亚海平面气压、500 hPa和100 hPa位势高度、850 hPa风场的最后100年模拟结果与观测和再分析资料进行了定性比较, 并对前三个要素的不同统计量值进行了定量计算, 系统评估了CCSM4.0对东亚及我国气候的模拟能力。结果表明, 模式能够合理模拟各变量的基本分布形态, 但幅度与观测有所差别, 其中地表气温的模拟效果最好, 降水的相对最差。具体而言, 地表气温空间分布型与观测一致, 但全年青藏高原地表气温模拟值偏高, 位于塔里木盆地的暖中心未能模拟出来; 降水空间分布型模拟较差, 除冬季不明显之外, 我国中南部全年都存在一个虚假降水中心, 并在夏季达到最强; 冬季东亚地区海陆热力对比大于观测, 夏季海平面气压场整体模拟效果不如冬季; 模式对冬、夏季500 hPa东亚大槽和西北太平洋副热带高压的主要特征刻画较好, 但模拟结果整体比观测偏强; 夏季100 hPa南亚高压强度与观测接近, 但高压范围及中心位置存在偏差; 850 hPa东亚冬季风和夏季风环流模拟较好, 但冬季西北气流偏强, 夏季索马里越赤道气流偏弱、我国东部西南气流偏强。总的来说, CCSM4.0对东亚和我国大尺度气候特征具备合理的模拟能力, 尽管在定量上还存在着不足。
基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法
陈官军, 魏凤英
2012, 36(3): 633-644. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11111
摘要:
本文利用1981~2008年我国南方地区200站逐日降水量、NCEP再分析资料和NCEP气候预报系统 (CFS) 的模式回算数据, 针对降水低频信号, 分析了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性, 并选取对江淮持续性强降水有显著影响的东亚环流指数作为预报因子, 以降水20~50天低频分量作为预报量, 进行了针对江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸期预报试验。结果表明, 江淮地区夏季降水具有明显的20~50天周期的低频振荡特征。降水的20~50天低频振荡, 尤其是峰谷值位相的变化与实际降水集中期和中断期的交替有较好的关系, 研究20~50天降水低频分量的延伸预报, 对于江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸预报有一定的指示意义。本文尝试提出一种基于大气环流低频信号和数值模式预报产品的动力与统计相结合的预报方法, 以期为江淮地区夏季持续性降水过程的延伸期预报提供参考。
多级扰动法——静力扣除及其在非静力模式设计中的可应用性
廖洞贤, 朱禾
2012, 36(3): 645-656. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11080
摘要:
在尺度分析的基础上, 利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点, 提出了多级扰动法。通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项 (VPGF) 和重力项 (G) 的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小, 而其他项的量级不变; 而且, 方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小, 直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止。另外, 因截断误差的量级和被离散项的量级成正比, 在方程中VPGF的截断误差就是该方程中最大的垂直截断误差, 可以表示该方程的总的垂直截断误差。故垂直气压梯度力扰动项的量级的减小还可以使该方程中最大的垂直截断误差减小, 用多级扰动法可以使最大垂直截断误差控制在可容许的范围内, 使垂直气压梯度力扰动项和重力扰动项计算准确, 可以较好地描写对流活动。这样, 最大垂直截断误差对倾向的影响就不致歪曲或掩盖垂直柯氏力项和曲率项对倾向的贡献。还可以证明: 扰动平衡方程的解是静力扰动。多级扰动法实质上是多次利用扰动平衡方程的解, 从低级扰动中扣除其所含和解大小相同的静力扰动部分, 使高一级扰动项的量级减小, 达到其与其他项量级接近, 以减小方程中的最大量级差的一种方法。而且, n的变化不影响方程的性质。可以说, 多级扰动法使大气基本态垂直廓线有较大的改善, 使其与大气实际垂直廓线很接近, 通过静力平衡, 使基本模式大气不包含垂直声波。