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2017年  第41卷  第1期

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南海ITCZ异常变化及其对非移入性南海热带气旋(TC)活动的可能影响
黄小燕, 管兆勇, 何洁琳, 何立
2017, 41(1): 1-14. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1604.15182
摘要(2431) HTML (1) PDF (5027KB)(2381)
摘要:
利用美国NOAA提供的向外长波辐射(OLR)资料、NCEP/NCAR再分析资料以及上海台风所提供的热带气旋(TC)资料等,通过定义一个描写南海范围内(5°N~20°N,105°E~120°E)的热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,简称ITCZ)强度指数,研究了南海ITCZ年际和年代际异常变化特征及其对非移入性南海TC[South China Sea-generated tropical cyclone(SCS-G TC)]活动的可能影响,并从异常强、弱南海ITCZ年份的大气环流背景和海表温度等变化特征来尝试揭示南海TC的活动规律。结果表明:在年际和年代际时间尺度上,南海ITCZ强度指数与南海TC的生成频数存在显著的负相关关系,长期趋势变化间的关系存在不同。南海ITCZ的强、弱显著地影响到南海TC的生成频数。强南海ITCZ年,南海TC频数偏多;弱南海ITCZ年,南海ITCZ频数偏少。强、弱南海ITCZ年对于南海TC的生成源地、TC的维持时间以及路径和强度的影响不显著。进一步分析表明,动力和环境条件方面,强、弱南海ITCZ年可能差异较大。异常偏强年,对流层低层出现气旋性环流,上层出现反气旋性环流;季风槽在南海区域偏强、位置偏南。与OLR表示的深对流区相配合,存在暖的海表温度和低层强烈的正涡度和强辐合,在高层存在相应的强的气流辐散,形成了极有利于南海TC发生发展的条件。弱南海ITCZ年则相反。另外,ITCZ强年,太平洋异常SST(Sea Surface Temperature)出现为La Niña特征,南海ITCZ区对流活跃,强度偏强。反之,ITCZ弱年则表现为El Niño特征,南海ITCZ关键区的对流强度偏弱。这些结果可为深刻认识南海TC的生成规律以及对南海TC的预报提供线索。
沙尘气溶胶作为冰核对阿克苏地区一次多单体型强对流风暴降水及其微物理过程影响的数值模拟研究
王雨, 银燕, 陈倩, 王旭, 肖辉
2017, 41(1): 15-29. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.15246
摘要(1825) HTML (2) PDF (15051KB)(2059)
摘要:
将DeMott冰核浓度参数化方案引入到WRF中尺度数值模式中,模拟了新疆阿克苏地区一次多单体型强对流风暴,并对背景大气条件和沙尘条件下气溶胶作为冰核,对云中微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析,结果显示:在背景大气条件和沙尘条件下增加冰核浓度对降水中心强度影响较小,并且总体上看降水分布变化不大,但是降水局部的变化量较明显;不同背景条件下IN(Ice Nuclei)浓度的增加使得冰晶和雪的质量混合比和数浓度均有较大幅度的增加,其中雪的主要源项为凝华增长过程,而霰增长主要来源于冰相粒子碰并过冷云滴,并且在背景大气和沙尘条件下增加IN都使得霰的数浓度增加,尺度减少。
风暴尺度集合预报中的混合初始扰动方法及其在北京2012年“7.21”暴雨预报中的应用
庄潇然, 闵锦忠, 王世璋, 周凯, 蔡沅辰
2017, 41(1): 30-42. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.15233
摘要(2798) HTML (0) PDF (3889KB)(2349)
摘要:
风暴尺度集合预报系统(Storm-Scale Ensemble Forecast system,简称SSEFs)中集合成员之间发散度不足一直都是研究的难点。本文尝试了将Barnes空间滤波融入到集合转换卡尔曼滤波(ETKF)更新预报系统中的混合初值扰动法。该方案将ETKF方法的小尺度信息与来自于侧边界条件扰动的大尺度信息相结合,缓解了扰动在侧边界不匹配的问题。通过2012年北京“7.21”暴雨并使用邻位方法对比分析了不同初值扰动方案在不同时间尺度与空间尺度上的特征,在此基础上进一步探讨了构造混合初始扰动法的可行性。结果表明:ETKF试验所构造的初始扰动无法与侧边界条件扰动相匹配,混合后的初始扰动可以有效缓解SSEFs中由于初始扰动与侧边界扰动不匹配产生的虚假波动,其中大尺度信息保留较多的混合试验(ETKF80)和动力降尺度方案(Down)在减少虚假波动方面的效果最优;从集合离散度来看,在前期暖区降水阶段ETKF的离散度在小尺度上最大,随着锋面降水的开始,Down的离散度逐渐超过ETKF,而使用各滤波波段构造的混合试验同时具备ETKF与Down二者的特征。选择合理的滤波波段可以获得最为合理的离散度表现(ETKF180),说明仅考虑侧边界匹配(Down和ETKF80)并不能获得最合理的集合离散度,应综合考虑其他因素。从降水概率预报结果来看,选取合适的滤波波段所构造的混合扰动试验同样获得了较好的效果。
中国干湿区变化与预估
姜江, 姜大膀, 林一骅
2017, 41(1): 43-56. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1604.15223
摘要(2655) HTML (2) PDF (9142KB)(2023)
摘要:
本文采用干湿指数对1962~2011年中国干湿区范围变化进行了集中分析,并利用CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式对其变化趋势开展了预估研究。结果表明,1962~2011年平均极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区分别占中国陆地总面积的2.8%、11.7%、22.4%、32.6%和30.5%。期间,中国区域年干湿指数总体上呈现下降趋势,空间上表现为西部湿润化和东部干旱化的特征。显著缩小的是湿润区和极端干旱区,半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大,这表明中国气候敏感区域在扩张。春季和秋季干湿指数变化趋势的空间分布与年平均的较为一致,冬季西北呈干旱化,夏季东南部地区为湿润化。相对于参考时段1986~2005年,在RCP4.5(Representative Concentration Pathway 4.5)情景下18个气候模式中位数的预估结果中,降水仅在东南南部减少,而潜在蒸散发在全区域增加,由于潜在蒸散发的增量超过了降水的增幅,中国区域将整体趋于干旱化,仅在西北地区呈湿润化特征;未来湿润区、干旱区和极端干旱区缩小,气候敏感性高的半湿润区和半干旱区仍将扩大。
20世纪90年代以来北极海冰减少的热动力分析——基于PIOMAS模式结果
周璐, 徐世明, 曾刚
2017, 41(1): 57-70. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1606.15267
摘要(1578) HTML (5) PDF (4159KB)(1985)
摘要:
本文利用美国华盛顿大学的PIOMAS海冰模式输出结果,分析了20世纪90年代以来北极海冰减少的动力和热力过程的特征,并探讨了海冰减少与北极大气环流模态之间的关系。结果表明:(1)通过弗拉姆海峡输出的多年冰的厚度自1995年以来有显著减少;(2)海冰的热力过程在20世纪90年代以后特别是21世纪以来是海冰减少的主导因素;(3)大气模态中的北极涛动(AO)和北极偶极子(AD)均对北极海冰的动力输出有影响,各自与海冰输出量的相关关系显著,并且AO和AD的多元线性回归能很好的拟合出海冰输出量的减少。
基于BCC_CSM模式的中国东部夏季降水预测检验及订正
郭渠, 刘向文, 吴统文, 程炳岩, 李瑞, 魏鳞骁
2017, 41(1): 71-90. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1602.15280
摘要(2396) HTML (6) PDF (24135KB)(1775)
摘要:
基于国家气候中心第二代季节预测模式的历史回报试验数据,检验了模式对我国东部夏季降水的预测能力,探讨了预测误差形成的可能原因,并应用降尺度方法提高了模式的降水预测技巧。分析表明:(1)模式能在一定程度上把握我国东部夏季降水时空变率的两个主要模态(偶极子型模态和全区一致型模态),但是不同超前时间的预测在刻画模态方差贡献、异常空间分布特征、时间系数的年际变化等方面存在明显误差;(2)模式能够合理预测大尺度环流和海表温度(SST)的变化特征,但是对中国东部夏季降水的总体预测技巧有限,这与模式不能准确刻画西太平洋副热带高压、大陆高压、中高纬阻塞高压等环流系统以及热带太平洋、印度洋SST变率对中国东部降水模态的影响有关;(3)针对1991~2003年回报试验数据中的500 hPa位势高度、850 hPa纬向风和经向风、SST变量,在全球范围内寻找并定位与中国东部站点降水关系最密切的预报因子,进而建立针对降水预测的单因子线性回归、多因子逐步和多元回归模型。采用2004~2013年回报试验对所建立的降水预测模型进行了独立检验,结果表明:所建立的降尺度预测模型能显著提高中国东部地区夏季降水的预报技巧。以6月1日起报试验为例,预测的第一模态(第二模态)与观测的空间相关系数由原始的0.12(0.48)提高到了0.58(0.80),时间相关系数则从0.47(0.15)提高到0.80(0.67);其它超前时间的预测试验中,降尺度预测模型的降水预测技巧相比模式原始预测技巧也同样明显提高。
季节预测模式对东亚夏季环流的预测能力及其对热带海洋的响应分析
顾伯辉, 郑志海, 封国林, 王正
2017, 41(1): 91-105. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1603.15154
摘要(2124) HTML (1) PDF (14688KB)(1449)
摘要:
东亚夏季环流变化对中国夏季降水的年际变化有重要影响,因此需要进一步理解季节预测模式对东亚夏季环流的预测能力。利用1991~2013年美国国家环境预测中心(NCEP)、中国气象局国家气候中心(NCC)和日本东京气候中心(TCC)的三个季节预测模式(CFS V2、BCC_CSM V2和MRI-CGCM)以及NCEP/NCAR再分析资料,定量评估了模式对东亚夏季风(EASM)和夏季西太平洋副热带高压(WPSH)强度的预测能力。在此基础上,分析了模式预测的EASM和WPSH对热带海温异常的响应能力,以及ENSO事件对EASM和WPSH预测的影响,阐述了预测误差产生的原因。结果表明:整体而言,三个模式对EASM和WPSH的预测技巧较高,但TCC模式对WPSH的预测技巧相对较低。三个模式预测的850 hPa风场在西北太平洋存在一个异常气旋,使得预测的EASM偏强和WPSH偏弱。同时,二者的年际变率整体比观测小。三个模式预测的EASM和WPSH对热带海洋海温异常的响应随季节演变特征与观测比较接近,但NCEP模式和TCC模式预测的EASM对前期热带太平洋和前期、同期热带印度洋的海温异常响应要强于观测,NCC模式预测的EASM对前期和同期的热带太平洋的海温异常响应明显比观测强。此外,三个模式预测的WPSH对前期和同期的热带太平洋、热带印度洋和热带大西洋的海温异常响应明显强于观测。三个模式预测的EASM和WPSH在ENSO年的平均绝对误差(MAE)整体而言要比正常年的小很多,NCEP模式和NCC模式预测的EASM和WPSH的MAE在La Niña年和El Niño年差别不大,而TCC模式预测的EASM和WPSH的MAE在El Niño年比在La Niña年大很多,表明ENSO事件是东亚夏季环流重要的可预报源。
云凝结核浓度对雷暴云电过程影响的数值模拟研究
邓美玲, 银燕, 赵鹏国, 肖辉
2017, 41(1): 106-120. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1608.15286
摘要(2125) HTML (5) PDF (16239KB)(1288)
摘要:
本文将非感应起电机制耦合到WRF中尺度模式中,选取Morrison双参数微物理方案,采用整体放电参数化方案,改变初始云凝结核(CCN)浓度(浓度变化从500 cm-3到4000 cm-3),共模拟15组试验,讨论了CCN浓度(nCCN)对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随nCCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,导致霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,导致冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。
内蒙古东部春季三类沙尘天气气溶胶散射系数及其与PM10、能见度相关性分析
王天舒, 牛生杰
2017, 41(1): 121-131. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1603.15289
摘要(2244) HTML (0) PDF (912KB)(2414)
摘要:
利用内蒙古东胜、锡林浩特两站2004~2006年春季(3~5月)积分浊度计的观测资料,结合同期PM10质量浓度、大气能见度等资料,分析了背景、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴等不同强度沙尘天气气溶胶散射系数的分布特征,讨论了不同强度沙尘天气过程中散射系数、PM10、能见度的日变化规律,以及不同强度沙尘天气过程中散射系数与PM10质量浓度、散射系数与能见度的相关关系。结果表明:散射系数能够很好地反映沙尘天气强度;随沙尘天气强度增强,散射系数日变化从双峰型向单峰型转变;沙尘天气强度较弱时,PM10与散射系数的日变化不相似,强沙尘暴过程中PM10与散射系数的日变化有一定的相似性;能见度与散射系数日变化趋势相反;散射系数与PM10质量浓度呈正相关性,沙尘天气越强,相关性越好,背景、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴相关系数分别为0.201、0.809、0.898和0.953;散射系数与能见度有指数相关关系,随沙尘天气强度增强二者相关性逐渐增强,背景、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴相关系数分别为-0.773、-0.870、-0.918和-0.940。
陆面模式中土壤湿度影响蒸散参数化方案的评估
肖宇, 马柱国, 李明星
2017, 41(1): 132-146. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1606.15290
摘要(1997) HTML (3) PDF (1843KB)(2144)
摘要:
本文将四个常见陆面模式CLM3.5(Community Land Model Version 3.5)、Noah_LSM(The Noah Land Surface Model)、VIC(Variable Infiltration Capacity)以及SSiB(The Simplified Simple Biosphere Model)中土壤湿度影响蒸散的参数化方案进行简化,并利用实验观测资料对不同参数化方案进行评估,探究不同陆面模式对土壤湿度与蒸散关系的模拟差异,从而为提高模式的模拟能力提供依据。结果表明,(1)CLM与SSiB中计算土壤湿度影响裸土蒸发的参数化方案较Noah_LSM和VIC更接近真实的物理过程,同时CLM与SSiB模式中土壤湿度对蒸发的影响程度较Noah_LSM和VIC大;而对于下垫面有植被条件下的蒸散而言,CLM中包含了植被光合作用、呼吸作用等生物物理学过程,与实际情况更为接近,并且CLM与SSiB中土壤湿度对植被蒸散的影响程度大于VIC,Noah_LSM最低;(2)根据干旱区、半干旱区、半湿润区以及湿润区各站点的分析可知,CLM、SSiB与Noah_LSM中土壤湿度影响蒸散的参数化方案的拟合效果较VIC好,同时在部分站点CLM与SSiB的参数化方案稍优于Noah_LSM。区域之间比较说明,四个模式对干旱半干旱区的模拟效果明显较半湿润区和湿润区好。
东亚中高纬土壤温度资料评估与分析
于忠达, 周广庆, 周筠珺
2017, 41(1): 147-166. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1603.15300
摘要(1773) HTML (8) PDF (15714KB)(1183)
摘要:
本文以一套俄罗斯土壤温度历史观测资料RHSTD为基础,分析了四套土壤温度产品[ERA-Interim再分析资料、两套陆面模式离线运行产品ERA-Interim/Land(简称ERA-Land)和MERRA-Land、以及一套二十世纪再分析资料NOAA-CIRES 20CR]在东亚中高纬的可靠性,并重点关注春夏季,主要结论如下:观测地温在0~2 m波动较大,随季节在0℃上下摆动,而2 m以下地温稳定少变,并且在60°N以北地区出现永久冻结。四套地温产品较好地反映了这些特征。无论春夏,还是年平均,四套地温产品气候态都呈“南暖北冷”的特征,但ERA-Land的空间分布与观测最接近。就季节循环而言,ERA-Land最能反映该地区土壤的冻融过程和土壤温度的季节演变。四套地温产品年际变率(标准差)与观测的差异随季节和土壤层变化大,情况比较复杂。就年际变化趋势而言,四套地温产品与观测的相关性,夏季好于春季,表层好于深层,并且ERA-Land土壤温度拥有四套地温产品最多的共性,最能反映观测地温的年际变化。
土壤水分条件对内蒙古典型草原水汽和二氧化碳通量的影响研究
王雷, 刘辉志, ChristianBernhofer
2017, 41(1): 167-177. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1602.15313
摘要(1863) HTML (1) PDF (1517KB)(1943)
摘要:
本文基于2007年和2008年生长季内蒙古羊草和大针茅草原湍流观测资料,分析了两种典型草原下垫面生长季的不同土壤水分条件下水汽和二氧化碳通量交换特征及其控制因子。主要结果如下:(1)在植被生长峰值期,日尺度上,干旱条件下土壤湿度是潜热通量的主要控制因子,而土壤水分条件较好时潜热通量主要受净辐射控制。(2)与大针茅草原相比,羊草草原叶面积指数较大,水分条件较好时,其潜热通量平均值更大,CO2吸收能力更强,吸收CO2更多;但在土壤水分胁迫出现时,羊草草原叶面的气孔闭合度急剧增加,大针茅草原的潜热通量、和CO2吸收反而更大,表现出更为耐旱的植被特性。(3)地表导度可以用来解释土壤水分条件对羊草和大针茅草原碳水通量的影响。
区域台风-海洋耦合模式的构建及应用研究
刘磊, 费建芳, 马占宏, 黄小刚, 程小平
2017, 41(1): 178-188. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1604.15327
摘要(1551) HTML (4) PDF (1857KB)(2206)
摘要:
由于海洋业务化预报模式对中尺度涡等海洋中、小尺度物理过程的准确预报仍然具有较大困难,因此,区域台风-海洋耦合模式初始化采用稳定基态的海洋数据是当前的有效手段。本文通过对两组台风个例的模拟,检验了基于稳定基态海洋数据的区域台风-海洋耦合模式的模拟效果,并通过6组敏感性试验,研究了初始台风最大风速半径(Radius of maximum wind speed,RMWS)对耦合模式模拟结果的影响。结果表明:初始台风RMWS的影响贯穿整个模拟阶段,RMWS越大,下垫面热通量输送量级越大,台风强度越强。在台风强烈的风场作用下,海温反馈也越显著,从而引起热通量降低幅度增大。RMWS作为与台风结构密切相关的物理量在度量台风强度中起到了重要作用。
基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性
叶丹, 张述文, 王飞洋, 毛伏平, 杨茜茜
2017, 41(1): 189-201. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1604.15226
摘要(2071) HTML (2) PDF (1699KB)(3244)
摘要:
针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。
初夏东北地区冷涡降水“累积效应”
刘刚, 封国林, 秦玉琳, 曾宇星, 杨旭, 姚帅
2017, 41(1): 202-212. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1602.15231
摘要(2315) HTML (3) PDF (4030KB)(2098)
摘要:
采用1960~2012年5~6月中国东北地区实况降水资料,依据东北冷涡活动客观识别方法,研究东北冷涡活动对东北地区初夏降水的影响,结果表明:5~6月每次东北冷涡过程维持时间以3~7天为主,且具有频发特征,东北冷涡降水累计量占总降水量的62.5%,给出冷涡降水月强度指数,与同期月降水量年际变化具有很好一致性;东北地区初夏降水与东北冷涡降水EOF分解主要模态十分相近,前两个模态分别为全区一致和东北、西南降水相反分布,各占方差贡献的46.8%与42.7%。冷涡降水具有显著“累积效应”,该累计效应可总体反映初夏东北地区降水异常分布特征,进一步揭示东北冷涡活动的气候学特征。
春季赤道印度洋纬向-垂直环流的变化特征及其与Walker环流的关系
岳如画, 徐海明
2017, 41(1): 213-226. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1601.15259
摘要(1607) HTML (3) PDF (2170KB)(1915)
摘要:
利用1951~2010年20CR(20th Century Reanalysis Version 2)再分析资料和NOAA海表温度资料研究了赤道印度洋纬向-垂直环流的季节性差异、变化特征及其与Walker环流的关系。本文首先分析了四个季节赤道印度洋上空纬向-垂直环流的结构特征,发现春季和秋季存在严格东西方向上的赤道印度洋纬向-垂直环流。随后,针对春季赤道印度洋纬向-垂直环流变化特征作进一步的分析,研究结果表明,春季纬向-垂直环流的强度及其变率在1951~2010年间持续增强,而该垂直环流的中心位置则表现出明显的年代际变化特征:1981年之前垂直环流的中心位置表现为向西移动,而在1981年后则转为向东移。春季赤道印度洋纬向-垂直环流与Walker环流之间的相关关系同样存在年代际转折,1981年之前两者之间并不存在显著的相关,而在1981年之后,两者之间的关系显著增强。不同年代际时段内赤道印度洋纬向-垂直环流与海温的关系也发生了明显的改变,1981~2010年赤道印度洋纬向-垂直环流主要受到前期和同期太平洋上的ENSO型海温信号的影响,而在此之前该垂直环流主要受到前期和同期赤道东印度洋海温的影响。