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2014年  第38卷  第6期

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影响中国及关键经济区热带气旋降水的气候趋势及极端性特征
巢清尘, 巢纪平
2014, 38(6): 1029-1040. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13246
摘要:
本文利用中国气象局上海台风研究所整编的《热带气旋年鉴》(1951~2010年)最佳路径资料,分析影响我国和关键经济区热带气旋(TC)降水量、降水强度以及不同等级降水TC频数的气候变化趋势,研究结果表明,影响全国的TC总降水量的年际变化幅度大,年际差异显著。长江三角洲、珠江三角洲地区影响TC过程雨量年极值自1970年代开始缓慢上升,表明近年来TC引起的极端性降水存在增加的可能。全国范围内自1970年代开始,过程雨量大于250 mm的TC频数也在增加,但长江三角洲、珠江三角洲地区发生极端性降水的TC频数并没有明显的增长。TC造成的24小时降水极值的气候变化趋势不明显,但是1980年代全国范围内的24小时降水极值存在跃变。长江三角洲、珠江三角洲地区日降水极值超过250 mm的TC频数自1980年代开始有缓慢增加趋势。全国范围、长江三角洲及珠江三角洲内TC小时降雨量年极值呈现振荡的周期变化,而在年代际上没有明显的变化趋势。
从气旋和反气旋谈正、负阻尼
刘式达, 刘式适, 付遵涛
2014, 38(6): 1041-1043. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13259
摘要:
在定常条件下,利用简化的大气运动控制方程,分析了气旋与反气旋的基本特征。在此基础上,利用常微分方程的定性分析与求解,获得了气旋和反气旋轨道的解析解。接合气旋与反气旋的基本特征,论证了正负阻尼在气旋和反气旋运动中具体体现,并从物理机理上说明产生气旋和反气旋运动中正负阻尼的差异在于水平辐合在低层的不同。
北京城市通量足迹及源区分布特征分析
刘郁珏, 胡非, 程雪玲, 宋宗朋
2014, 38(6): 1044-1054. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13237
摘要:
城市下垫面具有不同于其他下垫面的特殊复杂性,通量的源汇分布十分不均,导致直接测量以及定量的描述城市中水汽、二氧化碳等通量变得非常困难。涡动观测系统在城市通量观测中得到广泛应用,但由于涡动协方差观测系统传感器都架设在一定的高度上,其测量结果只反映特定点下垫面或某部分下垫面的物理过程,不能说明观测结果是否具有下垫面属性的代表性,无法反映观测通量的空间变异性。足迹函数(Footprint)的产生就是为了解决这一问题,其又称源权重函数,是描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间关系的函数。本文采用北京325 m气象塔近1年7层涡动协方差观测数据、超声数据,分析了不同风向、不同稳定度、不同高度下足迹函数所表达的通量贡献区域范围的变化规律。结果表明,在大气稳定条件下时,通量贡献区范围的大小与主风向无显著差异,而不稳定条件下计算结果与主风向无关。在不同高度下所有稳定条件下通量贡献区范围要大于不稳定条件,中性条件则介于两者之间。8 m、16 m高度上的观测结果不能完全代表城市下垫面通量贡献区,47 m以上能够代表城市下垫面通量贡献区,280 m则已经包含了郊区和城区的权重平均。同一大气稳定度条件下,高度越高通量贡献区范围越大,90%通量贡献区范围与观测高度成线性关系,这种线性关系可以预测没有观测高度或者更高处的通量贡献区范围。
太平洋—日本遥相关型的年代际变化特征及其成因
孙颖, 徐海明, 邓洁淳
2014, 38(6): 1055-1065. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13273
摘要:
本文首先利用NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及中国753站降水资料对太平洋—日本(Pacific-Japan,简称P-J)遥相关型在上世纪70年代末期气候突变前后的年代际变化特征进行了分析研究。结果表明,在气候突变前后,P-J遥相关型的位置发生了显著的变化,气候突变以后其位置明显向西向南偏移。这种位置的变化同样也反映在纬向风场、高度场上。研究结果还表明,气候突变前后P-J遥相关型的年代际变化与热带太平洋和印度洋海温变化有关。气候突变之前,P-J遥相关型的变化与前期热带太平洋和印度洋海温不存在显著的相关;但在气候突变之后,P-J遥相关型与前期冬春季的热带太平洋、印度洋海温之间存在大范围的显著相关区。这种P-J遥相关型与热带太平洋、印度洋海温相关关系的年代改变可能与1970年代中期以后赤道中东太平洋海温变化振幅明显增强有关。随后,本文采用一个高分辨率的大气环流模式,通过一系列的数值试验也进一步证实了1970年代末期热带太平洋和印度洋海温的年代际变化确实可致使P-J遥相关型位置发生相应的改变。
FY-3A气象卫星臭氧总量数据的质量控制方案及其在台风Tembin(2012)和Isaac(2012)中的应用
刘寅
2014, 38(6): 1066-1078. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13224
摘要:
我国第二代极轨气象卫星“风云三号”A星(FY-3A)上搭载的紫外臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit,TOU)每天可以提供一次覆盖全球的臭氧总量观测。为了在数值预报中应用TOU的臭氧资料,从资料同化角度发展了一套质量控制方案。首先基于臭氧总量和平均位势涡度的高相关性建立了逐日动态更新的臭氧线性回归预报模型,然后使用双权重算法对臭氧资料进行质量控制。将该质量控制方案应用于台风Tembin(2012)和Isaac(2012)个例,试验结果说明该方案可以体现出臭氧总量和平均位势涡度之间相关关系的逐日变化,识别出的离群资料百分比随时间变化较稳定,可以保留原始资料的主体信息,并且显著降低了原始资料的标准差。同时,质量控制后的臭氧数据与统计拟合量更加一致,观测减拟合的概率密度函数分布形式也更接近高斯分布,有利于后续的资料同化。
X波段相控阵天气雷达对流过程观测外场试验及初步结果分析
刘黎平, 吴林林, 吴翀, 汪旭东, 陈晓辉, 曹俊武, 庄薇
2014, 38(6): 1079-1094. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13253
摘要:
中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与安徽四创电子股份有限公司联合研发了专门用于快速观测对流过程、具有多波束观测能力的X波段相控阵天气雷达(XPAR),并利用该雷达与C波段双线偏振雷达(CPOL)于2013年4~6月在广东省江门市鹤山站进行了对比观测试验,以检验该雷达观测模式及其对快速变化的对流云演变过程的观测能力,为进一步改进雷达观测模式提供依据。本文首先介绍了XPAR的主要技术指标和观测模式,利用实测数据对比分析了三种观测模式观测的回波结构、灵敏度,并与C波段双线偏振雷达数据进行了对比,详细分析了2013年5月30日一次中尺度线状对流系统后部的单体的发展和消亡过程,讨论了XPAR分钟级数据在分析对流过程演变中的作用。结果表明:(1)XPAR三种观测模式获取的降水回波结构合理,实现了在1 min内完成一个高空间分辨率的体扫的探测功能,数据的时空分辨率远远高于现有的机械扫描雷达;(2)XPAR的精细观测模式数据揭示了单体触发、发展和演变过程,清晰给出了两次径向辐合发展过程及其与回波发展的关系,给出了新一代天气雷达和C波段双线偏振雷达不能提供的新的事实;(3)XPAR分钟级数据对进一步认识对流单体内部γ中尺度及其更小尺度系统的发展和演变有非常大的帮助。
四川地区一次暴雨过程的观测分析与数值模拟
李琴, 崔晓鹏, 曹洁
2014, 38(6): 1095-1108. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13255
摘要:
本文首先利用多种资料,对2010年8月18~19日四川地区一次引发了泥石流次生灾害的暴雨天气过程开展了观测分析,进一步利用中尺度模式WRF对此次降水过程开展了高分辨率数值模拟,并利用模拟资料对暴雨过程进行了初步诊断分析。结果指出:(1)此次暴雨过程具有强降水持续时间短、短时降水强度大、局地性强等特点,在空间和时间上都具有明显中尺度特征;强降水主要发生在汶川—雅安断裂带陡峭地形附近,与地形关系密切;(2)中高纬度“两脊一槽”环流形势及其缓慢变化、副热带高压(简称副高)与高压脊叠加形成“东高西低”形势,为此次暴雨天气过程提供了有利的大尺度条件;西南涡的发展加强及其与副高西侧边缘强风速带的相互作用,增强了川西陡峭地形的抬升效应,促发暴雨发生;而四川盆地中多个中尺度云团的发生、发展与暴雨的发生直接相关;(3)WRF模式较好地模拟再现了此次降水过程,模拟结果初步诊断分析显示,在四川盆地复杂地形及大尺度环流背景发展和演变的影响下,稳定层结盖的进退、低层东南风的加强和减弱以及不稳定能量的累积与释放控制着暴雨过程的发生与结束。
对流层顶折叠检测新方法及其在中纬度灾害性天气预报中的应用
寿亦萱, 陆风, 寿绍文, 覃丹宇
2014, 38(6): 1109-1123. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13258
摘要:
对流层顶折叠是中纬度地区对流层上层—平流层下层区域(简称UT/LS)内的一个重要的大气现象,它与气旋生、暴雨强对流触发以及降水增幅密切相关。由于这些天气条件下的大气状况异常复杂,因此目前国际上普遍采用的基于干大气条件的对流层顶折叠检测方法存在很大局限性。本文在借鉴已有的卫星资料和数值预报相结合的模式识别法的基础上,通过统计分析的方法建立了高层大气水汽与广义湿位涡、臭氧浓度的关系以及对流层顶折叠与高空急流的位置关系,同时考虑了动力对流层顶高度在判识过程中的辅助作用,建立了一套基于FY-2E静止气象卫星遥感数据的,适用于与暴雨强对流有关的对流层顶折叠动态监测新方法。在利用FY-3A和FY-3B反演的臭氧总量、臭氧垂直廓线以及ECMWF Interim资料计算的位涡等资料对算法进行精度验证的基础上,将该方法在2012年7月21日北京特大暴雨天气过程以及2013年5月14~17日华南大暴雨天气过程的监测和分析上进行了应用,并取得了较好的效果。从应用效果看,本文提出的这种对流层顶折叠识别方法是合理可行的,并具有一定的应用价值,可为中纬度地区暴雨强对流天气的监测和预警提供参考指标。
中国区域1961~2010年降水集中指数(PCI)的变化及月分配特征
段亚雯, 朱克云, 马柱国, 杨庆
2014, 38(6): 1124-1136. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13267
摘要:
降水的年内变化(月分配和季节变化)对农作物生长、水资源利用及管理具有重要意义,同时也是增暖背景下水循环发生变化的关键过程之一。降水集中指数(PCI,Precipitation Concentration Index)能较好的表征降水的年内集中程度,被广泛应用于相关研究。本文利用中国583个站点1961~2010年的逐月降水和气温观测资料,对中国及各典型区域的PCI进行了计算分析,研究了PCI的气候特征、变化趋势、降水月分配变化及PCI与气温季节较差的关系。结果表明,我国PCI的气候态呈现出由东南向西北逐渐递增的空间分布格局。湿润区PCI在11~17之间,年内降水较为均匀;半湿润区PCI为17~24;半干旱区PCI在24~27之间;而干旱区PCI则由27至47不等,降水集中程度较高。除华南地区外,1961~2010年间全国大部分地区PCI均呈现显著的下降趋势,并于1980年前后发生跃变,降水集中程度大幅降低,其中西北西部地区PCI 下降速率最大,为-2.47 (10 a-1)。华南地区PCI的变化则具有明显的阶段性特征,2003年以前呈弱的下降趋势,但2003年PCI发生突变,降水集中程度大幅增加。对典型区域的比较发现,干旱半干旱区和青藏高原降水集中程度的降低主要表现在夏季降水占全年总降水量比例的减小;而湿润区PCI和降水月分配的变化则存在明显的区域性差异,其中西南地区8~12月降水占全年降水的比例减少,而长江中下游及华南地区春秋季降水占全年降水的比例减小,冬夏季降水所占比例增大。
中国夏季降水异常EOF模态的时间稳定性分析
庞轶舒, 祝从文, 刘凯
2014, 38(6): 1137-1146. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13274
摘要:
本文基于1980~2012年中国160个台站降水资料,利用滑动交叉检验等方法讨论了中国夏季降水距平和距平百分率EOF各模态的时间稳定性,在此基础上探讨了EOF方法在中国夏季降水短期气候预测中的应用条件和潜在能力。研究表明,随机剔除一年样本,中国夏季降水距平场前四个EOF模态表现出显著的稳定性。若时间系数完全预测准确,则潜在的可预测站点主要位于黄河以南地区,理想预测与原始降水的距平相关系数为0.6左右。相对而言,降水距平百分率各模态的时间稳定性易受极端降水事件的影响,当人为削弱这种影响后,随机剔除一年样本,其前三个模态的稳定性得到提高,潜在的可预测站点均匀分布,理想预测与原始降水的距平相关系数为0.48。但是,伴随着预报时效的增加,降水距平和距平百分率后三个EOF模态的时间稳定性下降,预示着EOF方法对未来两年以上降水的预测能力将会明显下降。
热带大气对单一型赤道非对称热源的响应
邢楠, 李建平, 李耀锟
2014, 38(6): 1147-1158. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13275
摘要:
本文采用Gill模式得到了热带大气对单一型赤道非对称热源响应的理论解析通解,从理论上完善了单一型赤道非对称热源激发的赤道非对称的大气响应结果。同时在单一型赤道非对称热源的位置、强度及范围变化对大气响应的影响方面做了详细的研究。当热源中心位置北移,北半球气旋强度增加、位置北移,同时赤道辐合气流减弱而越赤道气流增强;当热源强度增强(减弱),热源激发的大气响应整体增强(减弱),但大气分布型不发生变化;当热源范围不断增大(减小)时,北半球气旋强度增强(减弱)、位置西移(东移)、范围增大(减小),同时越赤道气流增强(减弱)。将上述结论应用于分析孟加拉湾地区海温对夏季风爆发影响的研究,指出当孟加拉湾地区经向最大暖海温位于赤道附近时,其两侧表现为Rossby波响应的Gill型气旋环流,而海温暖轴北移后,其南侧激发出有利于季风爆发的越赤道气流,这是Rossby重力混合波对热源响应的结果。这是上述理论结果的一个很好例证,同时也为孟加拉湾夏季风的爆发给出一种动力学解释。
热带加热异常影响冬季平流层极涡强度的数值模拟
饶建, 任荣彩, 杨扬
2014, 38(6): 1159-1171. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1404.13268
摘要:
本文利用大气环流模式SAMIL/LASG,通过选择两种对流参数化方案,研究了热带加热异常对热带外平流层模拟的影响。结果表明,因不同对流参数化方案引起的热带对流加热状况的差异,可显著影响模式对北半球冬季平流层极涡强度的模拟偏差。与采用Manabe对流参数化方案相比,采用Tiedtke参数化方案可以显著改善对平流层极涡强度的模拟,使平流层极涡“过强”及极区“过冷”的模拟偏差得到明显改善。研究其中的影响过程发现,由于Manabe方案最大凝结潜热加热高度过低,在对流层中低层;而Tiedtke方案的最大凝结潜热加热位置在对流层中上层,因而Tiedtke(Manabe)方案时热带大气温度在对流层中上层较为偏暖(偏冷),在平流层低层较为偏冷(偏暖)。自秋季开始,与热带对流层高层温度的暖偏差相联系,热带外对流层高层以及热带平流层低层出现伴随的温度冷偏差;与之对应,平流层中纬度从秋季开始也出现持续的温度暖偏差。另外,随着秋冬季节平流层行星波活动的出现,Tiedtke方案时热带外地区行星波1波的强度也明显强于Manabe方案,使得秋冬季节涡动引起的向极热通量在Tiedtke方案时明显偏强,从而造成了冬季平流层极区温度偏暖、极涡强度偏弱。
海温及海浪对台风眼墙中尺度涡的影响
刘磊, 费建芳, 黄小刚, 程小平, 马占宏
2014, 38(6): 1172-1184. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1404.13282
摘要:
本文利用包括海气耦合、气浪耦合及浪流耦合的完全耦合系统,着重研究了2006年“格美”(Kaemi)台风眼墙内的中尺度涡结构。中尺度涡作为影响台风眼墙非对称结构的内部因子,与风垂直切变密切相关,其发展过程受台风下垫面海洋状况的影响。在顺切变右侧,垂直气流逐渐增强,在顺切变左侧达到最大后逐渐减弱。当不考虑海表温度的冷涌反馈作用时,海气间的热通量输送较大,由此引起眼墙内的中尺度对流加强,但集中爆发区仍然位于顺切变方向,不受热通量输送变化的影响。当不考虑海浪对海表粗糙度的影响时,在较小的海表粗糙度条件下,眼墙非对称性减弱,使得中尺度对流涡在切向方向上的分布较为均匀。
春季欧亚大陆积雪对春夏季南北半球大气质量交换的可能影响
卢楚翰, 管兆勇, 李震坤, 金大超, 秦育婧
2014, 38(6): 1185-1197. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1405.13289
摘要:
本文基于春季欧亚雪盖资料与大气再分析资料的奇异值分解(SVD)分析结果,结合数值试验,研究了春季欧亚大陆积雪变化与春、夏季南北半球大气质量交换的联系。研究表明,当春季欧亚积雪异常偏多时,同期欧亚大陆中高纬大范围地区的地面气温异常偏低,这种冷却效应可能持续至夏季,同时,冷空气的堆积造成了欧亚大陆地表气压(气柱大气质量)的增加,并且对应了夏季北半球大气总质量的异常上升,而南半球大气质量却明显下降。分析发现,春季欧亚积雪异常与夏季南北半球际大气质量涛动存在显著的滞后相关,而且前者还与同期及后期包括索马里急流和对流层上部80°E~120°E区域高空急流在内的多处越赤道气流变化联系密切。从数值模拟结果分析发现,以改变春季初始积雪状况作为驱动,欧亚大陆中高纬地区的低层大气环流出现了显著响应,即当积雪增加时,同期及其后夏季地面气温显著降低,并且冷异常区域对应着气柱质量的异常升高。
大理苍山—洱海局地环流的数值模拟
许鲁君, 刘辉志, 曹杰
2014, 38(6): 1198-1210. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13293
摘要:
利用耦合了湖泊模型的WRF_CLM模式模拟了秋季大理苍山—洱海地区的局地环流特征。结果表明:模式对近地面温度、风向、风速的模拟与观测基本一致,模拟结果能较好地再现该地区山谷风和湖陆风相互作用的局地环流特征。在秋季,大理苍山的谷风起止时间为08:00~17:00(北京时,下同),湖风起止时间为09:00~19:00。局地环流受高山地形及洱海湖面影响明显,山谷风形成早于湖陆风1 h,夜间山风、陆风强盛于白天谷风、湖风。白天苍山谷风与洱海湖风的叠加作用会驱动谷风到达2600 m的高度,而傍晚最先形成的苍山山风则会减弱洱海的湖风环流。夜间盆地南部在两侧山风、陆风的共同作用下,形成稳定而持续的气旋式环流。日出以后,对流边界层迅速发展,边界层高度逐渐增高。陆地17:00温度达到最高,边界层高度也达到峰值2000 m,之后逐渐降低。日落后形成稳定边界层,边界层高度在夜间基本保持在100 m。相对于陆地,湖面白天边界层高度低300 m,夜间边界层高度高100 m。
动能EOF分析和β中尺度雨团中的能量转换
于杰, 张继权, 张铭
2014, 38(6): 1211-1220. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13327
摘要:
本文针对2008年上海8月25日暴雨过程,利用WRF中尺度数值模式对其较好模拟的结果,应用EOF分析方法对其做了动能偏差场的统计动力诊断。探讨了该暴雨过程中各种尺度天气系统,特别是β中尺度雨 团,其有效位能向动能的转化机制。所得主要结论有:对该暴雨过程,动能偏差场EOF分析的第一、二、三模态可分别称为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。在该暴雨落区附近,低层各模态动能偏差场水平梯度的绝对值均较大,系统演变也较剧烈,且尤以暴雨雨团模态为甚;这表明低层暴雨雨团模态该处风场具有强烈的非地转性,有着强辐合,运动是非平衡的,其性质为重力惯性波(含涡旋—重力惯性混合波)。在某等压面上,有效位能的时间变化与位势偏差的时间变化相同,而前者的水平梯度则与后者的空间梯度大致相同,这样讨论某层前者的变化就归结于讨论该层后者的变化。暴雨来临前在该暴雨落区附近,前三个模态都有有效位能向动能的 转化,其表现为动能的增长和有效位能的下降,且以暴雨雨团模态表现更突出。暴雨雨团模态的尺度为β中尺 度,这表明该尺度的系统在有效位能向动能转换中起着关键作用,且扮演着有效位能与涡旋场动能之间转换的中介角色。