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2016年  第40卷  第3期

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1998年夏季长江流域大气季节内振荡的结构演变及其对降水的影响
齐艳军, 张人禾, TimLI
2016, 40(3): 451-462. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15107
摘要:
利用中国逐日降水格点资料和NCAR/NCEP再分析资料,对1998年发生在我国东部长江中下游流域的夏季持续性强降水过程中显著的大气季节内振荡(ISO)的三维结构演变等活动特征进行了分析。1998年夏季长江及江南地区的异常强降水对应着该地区强的ISO活动。利用位相合成方法,对长江流域两个典型的季节内循环周期的ISO降水、850 hPa水平风场以及水汽和垂直速度等循环过程的时空分布特征进行了诊断分析。在低频环流场上,对流层低层的低频气旋和反气旋环流表现出交替在热带西北太平洋增强并向西偏北方向移动发展的特征,当异常气旋环流移动到长江流域上空时,长江流域正好位于气旋环流西南侧的东北风异常和西北太平洋上向西移动的反气旋环流西北侧的西南风异常环流汇合处的下方,引起该地区强降水的发生。在强降水阶段的ISO的垂直结构上,上升运动和水汽表现出从华南到长江流域自南向北移动的特征,强烈的垂直上升运动以及来自南方充足的水汽为增强长江流域地区的降水起到了重要作用。
东亚夏季风活动与不同类型云的相关性研究
寇雄伟, 李昀英, 方乐锌, 孙国荣, 高翠翠
2016, 40(3): 463-475. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1511.14293
摘要:
利用1998~2007年候平均卫星-台站融合降水资料以及ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) D1云资料,分别定义了标准降水指数和两类云指数。降水指数大值区的移动能很好的表征东亚夏季风活动,两类云指数能分别反映某个区域深对流云(DC)、高积云(Ac)和积云(Cu)云量的集中变化特征。根据不同地区降水集中时段以及降水量等气候特征,结合中国气候区划(温度带及干湿区)及不同地域的地形特征,把中国大陆受东亚夏季风影响的地区划分为五个子区域。利用ISCCP D1云气候资料和降水资料,在候时间尺度上通过分析降水与不同云类、标准降水指数与两类云指数的相关性研究了东亚夏季风活动与不同类型云的对应关系。研究表明:ISCCP定义的深对流云(DC)、卷层云(Cs)与降水量在五个区显著正相关,表明东亚夏季风活动伴随有大量的对流云及云砧出现;高积云(Ac)、积云(Cu)的总云量与降水量在五个区显著负相关,表明夏季风活动增强时,Ac和Cu云量减少;层云(St)和层积云(Sc)与降水量在南方和北方分别呈显著的负相关和正相关,说明季风活动在南方伴随着对流云的显著增加,在北方则使层状云和对流云均有所增加;高层云(As)、卷云(Ci)和雨层云(Ns)与季风活动没有显著的相关性。
应用谱逼近方法模拟2008年初南方持续性降水过程及其水汽通道周期特征分析
王淑莉, 徐祥德, 康红文, 张胜军, 张夕迪
2016, 40(3): 476-488. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.14332
摘要:
本文利用谱逼近方法,对2008年初发生在我国南方的大范围持续性降水过程进行了对比试验,结果发现使用谱逼近方法的试验模拟所得的雨带空间分布和降水强度明显优于没有使用谱逼近方法的试验。对于低层受槽线、风切变线等频繁影响的区域,使用谱逼近方法的试验得到的经向风场具有2~4天的显著周期特征,与实况较为一致,即该方法能够提高模式对经向风场的模拟能力。综合分析水汽输送通道、模拟区域位置以及水汽通道超前高相关区的周期特征可知:谱逼近方法可能把中南半岛东部区域这一超前高相关区的经向水汽输送信息引入模式,从而改善了模式对降水区水汽收支周期的模拟能力,这可能是该方法能够改善降水模拟的重要原因之一。另外,对于谱逼近方法没有直接作用的模式变量,经过模式内部各变量之间的相互调整,其在谱逼近试验中的统计结果也有不同程度的提高。本文研究结果表明,谱逼近试验通过引入外源性的周期特征因素项,调整了模式与大尺度驱动场之间的协调关系,进而能够提高两周内模式模拟水平。此方法可能会在模式数值预报中具有一定的实际使用价值。
春季影响中国北方地区的蒙古气旋及其背景环流
黄鑫, 布和朝鲁, 谢作威, 巩远发
2016, 40(3): 489-503. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14348
摘要:
基于1948~2013年NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用850 hPa相对涡度场气旋追踪方法,统计了春季蒙古气旋的活动特征,包括其源地、盛期位置、消亡地以及路径的分布。在此基础上,根据蒙古气旋的不同移动路径,界定了蒙古气旋的两种路径,即向东路径和东南路径,并统计了这两类气旋的频数与强度的年际和年代际变化。同时还揭示了这两类蒙古气旋的低频背景环流特征。本文主要结论如下:(1)蒙古气旋主要生成于贝加尔湖南侧和东侧的山脉背风坡,并在蒙古东部地区以及我国东北地区达到盛期,多数气旋消亡于东北亚及其临海区域;(2)两类气旋的生成个数均有显著的年代际变化。向东路径气旋在1950年代的个数偏少,1970年代至1990年代的个数整体偏多,之后有所减少,但进入21世纪后气旋有个数呈现增多的趋势。东南路径气旋在1970年代以前一直处于偏少阶段,1970年代至1980年代中期处于偏多阶段,2005年以后东南路径气旋个数有减少的趋势;(3)向东路径蒙古气旋的背景低频环流由斯堪的纳维亚半岛正异常中心、贝加尔湖及西侧的负异常中心以及环日本海地区的正异常中心所组成的正位相斯堪的纳维亚环流型为主要特征。东南路径蒙古气旋则以俄罗斯西部的负异常中心、拉普捷夫海附近延伸到我国西北地区的正高度异常区以及东北低涡环流为主要特征。
中国东部城市群发展对南海夏季风爆发影响的模拟研究
余荣, 江志红, 马红云
2016, 40(3): 504-514. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15116
摘要:
本文利用NCAR开发的CAM5.1(Community Atmosphere Model Version 5.1)模式,针对我国东部大规模城市下垫面发展对南海夏季风爆发的影响进行了数值模拟研究。结果表明我国东部大规模城市群发展可能使得南海夏季风提前1候爆发;机理分析表明:在南海夏季风爆发之前,中国东部城市群发展引起的陆面增温,使得南海及其附近地区南北温差提前逆转、中国东部区域海平面气压降低,导致中南半岛到南海地区西南气流加强,中南半岛到南海地区降水增加,而凝结潜热垂直变化强迫出的异常环流,促进了南亚高压的加强及提前北跳,相伴随的高层抽吸作用有助于季风对流的建立和西太平洋副高的减弱东撤,从而形成了有利于南海夏季风爆发的高低层环流条件,导致南海夏季风提前爆发。另外,观测结果表明1993年之后南海夏季风爆发的日期相对上一个年代明显提前约2候,城市化快速发展阶段与南海夏季风爆发的年代际变化存在时间段的吻合,表明城市下垫面发展可能是南海夏季风提前爆发的原因之一。
降雨型滑坡的集合预报模型及其初步应用的试验研究
陈悦丽, 陈德辉, 李泽椿, 吴亚丽, 黄俊宝
2016, 40(3): 515-527. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.15120
摘要:
滑坡的实时预警系统GRAPES-Landslide是将数值天气预报模式GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)与滑坡预测模型TRIGRS (Transient Rainfall Infiltration and Grid-based Regional Slopestability)进行单向耦合建立起来的动力数值预报预警系统。由于滑坡预测模型TRIGRS中的关键水土参数具有空间分布很不均的特性,很难获取准确的数据加以描述,使得滑坡事件的激发、预测存在很大的不确定性,同时数值天气预报模式本身具有不确定性,因而用于诱发滑坡灾害的估测降水存在不确定性,进而使得滑坡的预报存在偏差。本研究基于预测降水和水土参数分布不确定性的考虑,提出了GRAPES-Landslide滑坡集合预报模型。滑坡集合预报模型中有5个不同的预报降水成员,分别是(1) GRAPES_MESO业务模式、(2)"暖-潜热加热纳近方法、(3)基于九点平滑滤波的"暖-潜热加热纳近"方法、(4)对(1)~(3)的降水成员进行简单平均、(5)对(1)~(3)的降水成员进行概率匹配的集合。根据水土参数呈正态分布的特点,通过Monte-Carlo方法随机生成100组扰动参数值。将5个预报降水与100组扰动水土参数结合,组成GRAPES-Landslide滑坡集合预报模型。选择2013年7月18日00时到7月19日12时(协调世界时)福建省"西马仑"台风降雨引发闽三角地区发生大量滑坡灾害为例,进行实际预报试验。初步研究结果表明本文建立的GRAPES-Landslide滑坡集合预报系统所预测的滑坡频发区与观测区域有很好的吻合度,与目前的滑坡业务预报结果相比有明显改进,落区更精细化。因此,GRAPES-Landslide滑坡集合预报系统综合考虑了降水预报的不确定性和非均匀分布的水土参数的不确定性,为区域滑坡预测提供了一种新的可能方法。
2013年7月31日京津冀飑线过程的数值模拟与结构分析
张哲, 周玉淑, 邓国
2016, 40(3): 528-540. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15127
摘要:
利用WRF (Weather Research and Forecasting Model)模式对2013年7月31日发生在京津冀的一次飑线过程进行了高分辨模拟,对比分析表明模拟结果和实况观测较为一致,因此,利用模拟结果分析得到的飑线结构和发展过程基本可信。模拟飑线系统的探空曲线再现了国外的研究得到的飑线系统具有的经典探空结构,如:层状云区接近饱和,尾流低压区具有"洋葱型"探空结构,以及尾流低压区之后与后方入流相联系的中层干区等。对该次飑线系统的风场、气压场进行的分析揭示出本次飑线过程在成熟阶段气压场呈"低高低"的不对称结构分布。其中,中高压有两个,分别位于飑线北部和中部的对流云区后方。尾流低压较弱,位于飑线中部层状云区后方。飑前低压位于飑线前偏南。飑线在成熟时期前方低层有一支入流,在飑线前部对流云区抬升后分为三支,分别向前方高层、后方高层和后方低层流出。同时后方中层有明显的后方入流,入流同时下沉到近地面辐散流出。对该次飑线的地闪特征进行的统计表明"起电层"中的冰相粒子混合比分布与地闪活动的特点可能有联系。本文的结果对于揭示华北飑线的中尺度结构具有重要参考意义,为进一步研究该次飑线的发生发展机理奠定了基础。
基于GOSAT反演的中国地区二氧化碳浓度时空分布研究
杨东旭, 刘毅, 蔡兆男, 邓剑波
2016, 40(3): 541-550. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.14121
摘要:
卫星遥感监测大气二氧化碳柱平均干空气体积混合比(XCO2)是实现碳源汇全球监测的最有效手段,本文对国际上4种应用GOSAT卫星观测的短波红外反演算法进行了介绍和结果分析。首先对于4种反演产品的有效数据量的分析表明:现有单一反演产品还不足以支撑XCO2时空分布研究。其次利用集合平均方法,综合使用4种反演产品研究了2010年中国地区XCO2时空分布特征,结果表明:XCO2呈现显著的地理分布和季节变化,不同地区季节变化趋势基本一致,均在春季达到最高值、夏季达到最低值,多数地区全年高于380 ppm (×10-6);在地理分布上,东部和西部地区存在较明显的差异,东部地区人口密集、工农业生产等人为活动旺盛,周边多被森林和草地覆盖,碳源汇强度大,因此XCO2季节变化幅度较大,全年约8 ppm;中、西部地区受人类活动影响较少,植被覆盖稀疏,XCO2全年变化仅5 ppm。
沙尘气溶胶直接气候效应对东亚冬季风影响的模拟研究
宿兴涛, 王宏, 许丽人, 张志标
2016, 40(3): 551-562. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15121
摘要:
利用东亚沙尘复折射指数数据和较新的植被分布对区域气候-沙尘耦合模式(RegCM4-Dust)的沙尘光学特性和沙源区域进行了更新。在此基础上,研究了沙尘气溶胶直接辐射效应对东亚冬季风的影响。模拟结果表明,引入沙尘效应后,东亚大陆绝大部分季风区对流层低层冬季风环流增强。同时,对流层中、上层中低纬度纬向风增强而中高纬度纬向风减弱,导致中高-中低纬度之间纬向风经向切变加强,从而有利于中高纬度冷空气向南侵入,这是低层冬季风环流增强在中上层的反映。另外,沙尘气溶胶导致东亚绝大部分季风区降水明显减少,东北地区西南部、华北大部、黄土高原、黄淮以及长江中下游流域减少达10%以上,这是降水对冬季风增强的响应。沙尘气溶胶引起冬季东亚次大陆-西北太平洋之间温度梯度增大,进而导致海陆间湿静力能梯度增大,是导致东亚大陆冬季风增强的主要原因。
东亚与南亚雨季对流和层云降水云内的温湿结构特征分析
夏静雯, 傅云飞
2016, 40(3): 563-580. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15123
摘要:
为认知降水云内的大气温湿结构特点,本文利用1998至2012年热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)和全球探空数据集(IGRA)的探测结果,融合计算获得了一套大气温湿廓线和降水廓线的准时空同步资料,并利用该融合资料研究了雨季东亚和南亚降水云内的温湿结构和不稳定能量特点。个例研究结果表明深厚对流降水表现出整层大气湿润、高空风速小的特点,层云降水则表现出850 hPa以下大气湿润、水汽随高度升高显著减少、高空风速大的特点。统计结果表明东亚季风区降水强度更大,对流和层云降水的回波顶高度分别可达17 km和12 km;南亚季风区降水强度较弱,回波顶高度比东亚约低1 km;统计结果还表明南亚季风区对流活动受季风推进的影响显著。两个季风区降水云团内的温度结构差异主要出现在近地面,南亚的近地面温度比东亚约高4℃,南亚对流降水云内的大气较东亚更干燥;整个雨季南亚降水的对流有效位能(CAPE)要大于东亚。本研究结果为模式模拟降水云温湿结构提供了观测依据。
中国东部夏季暴雨的年代际跃变及其大尺度环流背景
陈栋, 陈际龙, 黄荣辉, 刘永
2016, 40(3): 581-590. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15144
摘要:
本文利用1960~2011年中国东部地面测站的逐日降水资料和JRA-55再分析资料探讨了夏季暴雨分布的年代际跃变及其相关联的大尺度环流异常特征。基于暴雨频数和占比(夏季暴雨占比是指5~8月暴雨降水量对总降水量的贡献百分比)的分析结果表明:中国东部夏季暴雨分布在20世纪70年代末和90年代初经历两次反相的经向"三极子"跃变。中国东部夏季暴雨的年代际演变过程可分为三个时段:1960~1979年为华南和华北暴雨偏多、江淮流域暴雨偏少的经向"三极子"分布;1980~1991年为南方和华北暴雨偏少、江淮流域暴雨偏多的经向三极子"分布;1992~2011年为南方暴雨显著偏多、华北暴雨持续偏少,逐渐形成经向"偶极子"分布,并导致近十多年我国夏季"南涝北旱"的整体格局。1970年代末(1990年代初)跃变相关联的大尺度环流异常配置:东亚夏季风的减弱(增强),西太平洋副高的增强西伸但南撤(北抬),南亚高压的减弱南缩(增强东扩),以及蒙古高原中低层的气旋式(反气旋式)环流异常。与此同时,低层局地环流也发生调整:华北和黄淮地区以及华南和江南地区均为反气旋式(气旋式)环流异常,而江淮流域和四川盆地受控于风场切变式辐合(辐散)异常;涡度场发生相应变化,南北方大部分地区的负(正)涡度异常不(有)利于低涡的发展,而江淮流域和四川盆地的正(负)涡度异常有(不)利于低涡的发展,进而引发江南和华南暴雨减少(增加)、江淮流域和四川盆地暴雨增加(减少)、黄淮和华北暴雨减少(增加)的经向"三极子"跃变。
基于土壤湿度和年际增量方法的我国夏季降水预测试验
刘婷婷, 陈海山, 蒋薇, 李忠贤
2016, 40(3): 591-603. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15161
摘要:
选取欧亚大陆9个关键区的土壤湿度年际增量作为预测因子,采用变形的典型相关分析(BP-CCA)结合集合典型相关分析(ECC)方法建立集合预测模型,对我国东部夏季降水的年际增量进行预测,进而预测夏季降水。其中,1980~2004年的资料用于历史预测试验,而2005~2014年的资料用于独立样本预测试验。首先利用BP-CCA方法对9个因子分别建立单因子预测模型,然后采用ECC方法对9个预测因子按照不同的组合方式建立集合预测模型,并且对独立样本检验的效果进行了评估。结果表明,不同预测因子的组合对我国夏季降水均表现出一定的预测能力:东欧平原、贝加尔湖以北、我国河套地区及长江以南地区的土壤湿度对华北夏季降水预测效果较好;而巴尔喀什湖以北地区、我国西北地区、河套地区以及长江以南地区的土壤湿度对江淮夏季降水有较好预测效果;东欧平原、巴尔喀什湖以北地区以及我国河套地区的土壤湿度对华南降水预测技巧较高。这三组模型预测出的降水变化趋势与相应区域的观测结果较为一致,且预测评分(PS)均超过70分,距平相关系数(ACC)均为正值。研究表明土壤湿度因子中包含了对我国夏季降水有用的预测信号,可以考虑将土壤湿度应用于夏季降水的预测业务中。
高分辨率WRF模式中土壤湿度扰动对短期高温天气模拟影响的个例研究
易翔, 曾新民, 郑益群, 王宁, 王明, 周骁, 汪彪
2016, 40(3): 604-616. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1602.15281
摘要:
本文利用WRFV3.6中尺度预报模式就土壤湿度扰动对2003年7月22~23日和29~30日短期高温天气过程的影响进行了高分辨率模拟研究。结果表明:(1)WRF模式地表气温对土壤湿度扰动有较强的敏感性,且随着土壤湿度的增加(减小)而降低(升高)。同时,模式中土壤湿度对地面气温影响的强度对模式分辨率具有较高的依赖性。(2)不同模式分辨率下气温随土壤湿度变化的规律一致;由于更高分辨率的地形资料的应用,提高分辨率可在较大程度上改善模拟效果。(3)不同土壤湿度试验模拟的地表感热、潜热通量可直接影响气温变化;(4)土壤湿度扰动通过间接影响高温发展的近地层各物理过程使得地表气温发生变化。这些过程中,对流(平流)过程在全天表现为增温(冷却)的作用,强度在白天均随土壤湿度的减小而增加。在较干的土壤条件下,非绝热增温在白天的主导地位加强;在夜间,非绝热冷却的强度减弱,且小于占据主导的对流绝热增温的强度。以上结果表明,在模拟和预报高温天气时土壤湿度非常重要,也意味着通过土壤湿度扰动的集合预报方法来改进模式高温模拟预报具有较大的潜力。
典型非球形冰晶粒子的凝华增长数值模拟试验
葛森, 孙继明, 牛生杰
2016, 40(3): 617-629. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15151
摘要:
在凝华增长过程中,冰晶的形状随着温度和湿度的改变而改变,准确模拟冰晶粒子的演变对于提高云模式的模拟能力起着非常重要的作用。在现有的云模式中,冰晶形状通常假设为球形,而在实际大气中,冰晶形状十分复杂。本研究中,我们根据冰晶凝华增长理论模型建立了一个单个冰晶粒子增长模型,模拟了温度分别为-1℃~-30℃时,单个典型非球形冰晶粒子的凝华增长过程。与风洞观测数据相对比,该模型能够抓住单个冰晶粒子的轴长,质量以及纵横比随温度和湿度的变化过程。我们进一步将该理论增长模型应用到群粒子的凝华增长过程的模拟。我们釆用欧拉二维正定平流输送法(MPDATA)模拟了典型非球形冰晶群粒子的凝华增长,并对比分析了在不同纵横比分辨率下的模拟效果以及温度变化对冰晶形状的影响,结果表明运用该数值方法可以合理地模拟出群粒子在凝华增长过程中纵横比的演变。与目前采用的拉格朗日-欧拉混合平流算法比较,该算法能够耦合到欧拉动力框架下的分档云模式中去,这对我们研究冰晶粒子形状对云微物理过程和动力过程的影响,以及它们对冰粒子凝华增长的反馈作用具有非常重要的科学意义。
2010年7~8月东北地区暴雨过程的水汽输送特征分析
孙力, 马梁臣, 沈柏竹, 董伟, 隋波
2016, 40(3): 630-646. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1506.15101
摘要:
本文根据影响天气系统和雨带位置的不同将2010年7~8月东北地区出现的22个暴雨日划分成了三类暴雨,在以欧拉方法分析了各类暴雨的水汽输送和收支的基础上,利用基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT v4.9),模拟计算了各类暴雨的水汽输送轨迹、主要通道以及不同源地的水汽贡献。结果表明,影响暴雨的水汽输送通道有三支,一支是沿西太平洋副高边缘东南气流的水汽输送,另一支是起源于南海北部向北偏东气流的水汽输送,第三支是西风带西北气流的水汽输送。第一类暴雨中,来自于西太平洋通道和南海通道的水汽输送大体相当,均很重要,两者可以占总水汽输送的87.4%。第二类暴雨中,水汽输送路径偏东,西太平洋通道的水汽输送贡献可达近70%。第三类暴雨中,虽然西太平洋通道水汽输送仍占主导地位,但北方通道的水汽输送也变得不可忽视。西太平洋通道的水汽沿途损失较小,并主要被输送到东北地区850 hPa及以下的大气之中,而南海通道的水汽沿途损失较多,与北方通道的水汽一样,主要被输送到东北地区850 hPa以上的大气之中。
机载光阵探头探测期间云粒子的破碎
黄敏松, 雷恒池, 陈家田, 张晓庆
2016, 40(3): 647-656. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15106
摘要:
机载光阵探头探测时,云粒子(液态和固态)进入二维光阵探头的采样区前,会因与探头探测臂发生机械碰撞,或者与探头外壳产生的湍流和风切变相互作用而破碎。破碎程度与粒子类型、大小、粒子密度、探头入口设计以及飞行空速等有关。利用2008年7~9月探测飞机(Y-12)在山西省太原地区的航测资料并对飞机采样期间的云粒子破碎现象进行介绍和分析,分析结果表明,粒子到达时间间隔分布具有双模态特征:长时间模态是粒子空间分布的真实结构,短时间模态则是云粒子破碎的结果。提出用粒子到达时间间隔阈值作为粒子破碎的判定标准,给出适用于2008年太原地区航测资料的粒子破碎识别阈值,其中适合于探头云粒子成像仪(CIP)的阈值是2×10-5 s,而探头降水粒子成像仪(PIP)的阈值是1×10-4 s。所提的阈值对于以Y-12为机载探测平台,以CIP和PIP探头为探测仪器所获取的其它航次云微物理图像资料的粒子破碎处理也是有一定的参考使用价值。