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2017年  第41卷  第2期

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一次层积云发展过程对黑潮延伸体海洋锋强迫的响应研究——观测与机制分析
张苏平, 王媛, 衣立, 刘海坤, 王倩
2017, 41(2): 227-235. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.16137
摘要(1884) HTML (1) PDF (3813KB)(1739)
摘要:
由于缺乏海上现场观测,对天气尺度扰动下,海表面温度锋 (海洋锋) 对海洋大气边界层 (MABL) 垂直结构和MABL内海洋性低云 (marine stratus) 的影响研究较少。2014年4月12日,中国海洋大学东方红2号科学考察船在黑潮延伸体海区的海洋锋附近捕捉到一次层积云的迅速发展。在比较稳定的天气形势下,由暖水侧向北穿越海洋锋时,云底和云顶高度升高,云区范围迅速扩大。本文利用多种大气-海洋联合观测数据,结合卫星观测和再分析资料,对此次层积云迅速发展的机理进行了综合分析。结果表明,在海上低压后部西北风控制下,在海洋锋的暖水侧 (下风方) 形成热通量大值中心和低压槽,有助于高空西风动量下传,进而又使得海气界面热通量增加,这种正反馈效应为MABL内混合层厚度加大和云底/顶高度在海洋锋的下风方升高提供有利背景条件。4月12日09:00~12:00(协调世界时),来自日本本州岛陆地的低空暖平流到达该热通量中心上空,暖平流与热通量中心的共同作用,导致该时段近海面暖中心强度异常增加,MABL中静力不稳定层加深和低压槽发展,综合作用的结果使得混合层厚度明显加深,云底高度升高,云区迅速发展。本研究有助于理解在复杂大气背景扰动下MABL对海洋强迫的响应机理。
采用不同样本集合同化地面观测对一次飑线过程的影响
李少英, 张述文, 毛伏平, 李彦霖
2017, 41(2): 236-250. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1606.15298
摘要(1533) HTML (1) PDF (10549KB)(1202)
摘要:
针对夏季黄淮地区一次飑线过程,利用WRF (Weather Research and Forecasting) 模式及其Hybrid ETKF-3DVAR同化系统,考察不同生成方案的样本对同化地面观测的影响。集合样本创建方式包括3类:扰动初始背景场的方案 (RCV)、使用不同的物理参数化方案 (PPMP) 以及前两者集成方案 (BLE)。基于增量场分析,同化地面观测主要调整850 hPa以下水平风和水汽混合比的空间结构,其中RCV方案侧重于改变水平风的空间分布,PPMP方案侧重于改变水汽混合比的空间结构,BLE方案兼具二者特征。同化地面观测可以间接改善6 h降水预报,其中PPMP试验的降水预报最好,尤其是对降水位置和强度的预报。对比雷达回波观测,RCV试验和BLE试验对弓状回波模拟得较好,BLE试验的模拟较多体现RCV特征。PPMP试验和RCV试验还可改变冷池的位置和强度,同时影响飑线出现和消亡时间,相对而言,PPMP试验影响更大。
冬春季东亚气溶胶流出通量年际变率的相关环流异常分析
冯琎, 廖宏
2017, 41(2): 251-262. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1607.16146
摘要(1550) HTML (1) PDF (6977KB)(1238)
摘要:
本文使用戈达德对地观测系统(Goddard Earth Observing System,GEOS)全球三维大气化学传输模式GEOS-Chem模拟了气象场驱动下1986~2006年冬春季东亚到太平洋区域气溶胶的流出通量,分析了流出通量的年际变率及其相关的环流异常。结果表明,偏多(少)的东亚气溶胶流出对应东北亚-西太平洋区域(Northeast Asia-western Pacific,NAWP)500 hPa定常波负值中心强度变强(弱)。NAWP区域500 hPa位势高度场负(正)异常还可能造成气溶胶流出路径的变化,即更多(少)的气溶胶相对于气候态偏北5~10个纬度的路径向太平洋区域传输。这种位势高度场上的异常伴随着对流层中低层西风和大气斜压性异常,从而引起东亚到太平洋区域气溶胶流出通量及其路径的年际变化。
华北地区夏季降水日变化的时空分布特征
韩函, 吴昊旻, 黄安宁
2017, 41(2): 263-274. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1610.15312
摘要(2440) HTML (0) PDF (12168KB)(1752)
摘要:
利用2008~2014年间全国自动站观测降水和CMORPH[CPC(Climate Prediction Center)morphing technique]卫星反演降水资料融合而成的0.1°×0.1°小时降水产品揭示了华北夏季降水的日变化特征,发现华北多数地区夏季降水量和降水频率日变化呈现出明显的双峰特征且存在明显的区域性差异。在太行山以西地区,降水量和降水频率的日峰值出现在傍晚18:00左右(北京时),规律性最强;而在太行山以东的平原和沿海地区,日峰值一般出现在上午。研究不同持续时间降水对总降水的贡献发现短时降水对傍晚的降水日峰值贡献较大,而长时降水则对凌晨的峰值影响更大。分析不同强度降水对总降水量的贡献结果表明,0.1~10 mm h-1强度降水较其它强度降水对夏季华北地区总降水量贡献更大,随着降水强度的增加降水量日变化的峰值个数增加。
热带平流层CO浓度准两年振荡的位相变化特征
王春晓, 田文寿
2017, 41(2): 275-288. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.15324
摘要(1245) HTML (2) PDF (8116KB)(1020)
摘要:
利用2005~2014年10年的卫星微波临边探测仪(MLS)资料分析了热带平流层一氧化碳(CO)体积混合比的年际变率,发现热带平流层CO浓度的准两年振荡(QBO)在30 hPa高度附近存在明显的位相变化特征。大气化学气候模式模拟结果表明,热带平流层CO的准两年振荡信号是化学和动力过程共同作用的结果,而动力作用主要是QBO引起的次级经向环流引起的物质传输。化学和动力过程共同作用导致热带平流层CO浓度的垂直梯度在30 hPa高度处发生反转,进而产生一氧化碳QBO信号的位相变化。此外,化学气候模式模拟结果还表明,与CO有关的化学过程不但可以减弱一氧化碳QBO信号的振幅,还可以在热带30~10 hPa高度范围内造成一氧化碳QBO和纬向风QBO信号之间约3个月的时间差。
1410号台风Matmo登陆前后的动热力结构演变和水汽输送特征分析
颜玲, 周玉淑, 刘宣飞
2017, 41(2): 289-301. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1607.15329
摘要(1730) HTML (2) PDF (3259KB)(1657)
摘要:
利用NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心/国家大气研究中心)的全球预报系统(GFS)再分析资料、欧洲气象中心(ERA-interim)资料以及中国气象局观测站点的实况降水观测结合CMORPH卫星反演降水资料,对2014年第10号台风Matmo生成后西北行并登陆台湾及福建过程中的特征进行了分析,揭示出Matmo移动路径主要受西太平洋副热带高压(简称西太副高)外围引导气流影响。动、热力物理量场分析表明,Matmo在登陆福建前后,福建上空一直维持深厚的涡旋结构,福建东南部上空的上升区与台湾海峡及福建西部附近的下沉运动区形成明显的垂直环流圈。同时,南海上空有明显的西南急流(风速大于16 m s-1),Matmo的水汽来源主要有两条,分别为孟加拉湾和南海以及西太副高南侧。充足的水汽输送及低层水汽辐合抬升有利于Matmo登陆后的强降水发生和维持。Matmo登陆福建后仍然保持低层辐合、高层辐散,有利于持续暴雨的发生。Matmo登陆福建期间始终处于风速垂直切变小值区(小于9 m s-1)中,环境风速的弱垂直切变有利于Matmo暖心结构及高空辐散形势的维持,是Matmo在登陆后依然能维持自身强度不衰减的原因之一。
黄河源高寒湿地-大气间暖季水热交换特征及关键影响参数研究
陈金雷, 文军, 王欣, 张堂堂, 贾东于, 周娟, 王作亮
2017, 41(2): 302-312. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1607.16103
摘要(1153) HTML (0) PDF (2086KB)(1609)
摘要:
湿地是由陆地和水体形成的自然综合体,具有重要的生态、水文和生物地球化学功能,黄河源高寒湿地作为黄河重要的水源涵养区,对其下垫面水热交换特征及关键影响参数的研究具有非常重要的意义。本文利用中国科学院西北生态环境资源研究院麻多黄河源气候与环境变化观测站2014年6~8月观测资料,分析了黄河源区高寒湿地-大气间暖季水热交换特征,并利用公用陆面模式(Community Land Model,简称CLM)模拟了热通量变化,提出针对高寒湿地的粗糙度优化方案。主要结果如下:(1)暖季向上、向下短波与净辐射的平均日变化规律一致,向上、向下长波平均日变化平缓,地表温度升高相对于向下短波具有滞后性,潜热通量始终为正值并大于感热通量;(2)温度变化显著层结为20 cm以上土壤浅层,存在明显的日循环规律,土壤中热量09:00(北京时,下同)下传至5 cm深度,温度升高,11:00至10 cm深度,13:00至20 cm深度,18:00后开始上传,温度降低,40 cm及以下深度受此影响较小,热量在土壤中整体由浅层向深层输送;(3)土壤湿度平均日变化小,5 cm深度为土壤湿度最小层,10 cm深度为最大层;(4)麻多高寒湿地动力学粗糙度Z0m在暖季变化稳定,可作为常数,Z0m=0.0143 m;(5)提出更加适合高寒湿地下垫面暖季附加阻尼kB-1参数化方案,使得热通量模拟效果较CLM原始方案有所提高。以上结果对于研究湿地下垫面陆面过程具有重要意义。
利用高原积雪信号改进我国南方夏季降水预测的新方法及其在2014年降水预测中的应用试验
刘颖, 任宏利, 张培群, 贾小龙, 刘向文, 孙林海
2017, 41(2): 313-320. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.16104
摘要(1828) HTML (4) PDF (1622KB)(1762)
摘要:
2014年夏季我国南方出现严重洪涝、北方大部干旱,国内绝大多数预测模型在三月起报的汛期预测中均未能抓住位于南方地区的异常雨带,导致预测准确率明显偏低。基于模式对东亚地区夏季海平面气压场的高预报技巧和青藏高原冬季积雪与南方地区夏季降水的高相关性,本文提出一个针对我国夏季降水异常的组合统计降尺度预测新方法(Hybrid Statistical Downscaling Prediction,简称HSDP),该方法综合利用了气候模式输出的高可预报性环流信息和前期观测的高原积雪异常信号,从而实现对我国南方夏季降水进行动力-统计相结合的改进预报。据此方法建立了一个基于国家气候中心气候预测模式的统计降尺度模型。对我国南方夏季降水进行跨季节预测的交叉检验结果显示,HSDP方法对于南方地区多年平均空间距平相关系数从模式原始预报的-0.006提高到0.24,且在大多数年份均有改进。基于HSDP方法于三月份制作的2014年夏季降水预测,能够很好地抓住南涝北旱的基本形势和我国南方的降水大值区,空间距平相关系数达到0.43。这表明,该方法对于我国夏季降水预测具有较好业务应用前景。
基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用
张斌, 田向军, 张立凤, 孙建华
2017, 41(2): 321-332. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.16107
摘要(1624) HTML (2) PDF (5526KB)(1590)
摘要:
在基于本征正交分解POD(Proper Orthogonal Decomposition)的集合四维变分同化方法(POD4DEnVar)建立的雷达资料同化系统(PRAS)的基础上,本文利用非线性最小二乘法的集合四维变分同化方法(NLS-4DVar)对PRAS进行改进,解决PRAS在高度非线性情况下的适应性问题,建立了新的雷达资料同化系统(NRAS)。通过观测系统模拟试验OSSEs(Observing System Simulation Experiments)和两次实际暴雨同化试验(2010年7月8日,中国中部地区;2014年3月30日,中国华南地区)对NRAS进行检验,并与PRAS的同化结果进行了对比。结果表明:无论是OSSEs还是实际雷达资料的同化,相对于PRAS,NRAS能够进一步提高同化效果。通过增加迭代的次数,NRAS能够有效地调整初始场的风场和水汽场,进一步提高了降水强度和位置的预报精度。但随着迭代次数的增加,对初始场的调整变小,进而对降水预报效果的改进也减小。试验结果表明NRAS能够有效解决PRAS在高度非线性情况下的应用问题,通过有限次数的迭代,即可得到近似收敛的结果。因而NRAS有望在数值预报中更有效地同化雷达资料,提高中小尺度天气的预报水平。
GRAPES全球模式的误差评估和订正
佟铃, 彭新东, 范广洲, 常俊
2017, 41(2): 333-344. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1608.16115
摘要(1794) HTML (0) PDF (7831KB)(1285)
摘要:
以欧洲中期预报中心的ERA-interim再分析资料为参考,对GRAPES全球模式的数值预报结果误差进行了评估,并运用基于历史资料的模式距平积分订正(ANO)方法,对数值预报结果进行了订正试验,检验了ANO方法对GRAPES模式全球中期天气预报的订正改进效果。对1984~2014逐年7月15~24日10天的预报结果订正前后对比分析表明,ANO方法对不同区域位势高度、温度等要素预报订正效果明显,31个个例200 hPa位势高度一周预报距平相关系数平均提高0.05、均方根误差减少12 gpm。其它各层误差订正也显示类似结果,验证了ANO方法对提高GRAPES全球模式10天数值天气预报技巧的有效性,并与MOS(Model Output Statistics)方法对比,更便利、更经济,具有更好的可操作性以及业务预报应用能力。
青藏高原南、北积雪异常与中国东部夏季降水关系的数值试验研究
杨凯, 胡田田, 王澄海
2017, 41(2): 345-356. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1604.16119
摘要(2240) HTML (3) PDF (6367KB)(1669)
摘要:
青藏高原冬、春积雪有着显著的南、北空间差异,本文利用通用地球系统模式(CESM)设计了增加高原南、北冬、春积雪的敏感性试验,结果表明:当高原南部冬、春积雪异常偏多,长江及其以北地区夏季降水偏多,华南大部分地区夏季降水偏少;而当高原北部冬、春积雪异常偏多,华北及东北地区夏季降水偏多,长江下游南部地区夏季降水偏少,雨带更偏北。青藏高原南、北部冬、春积雪异常影响中国东部夏季降水的物理机制的分析结果表明,高原不同区域(南部和北部)冬、春积雪异常引起的非绝热加热异常效应都可持续到夏季,且北部积雪异常持续时间更长。高原南部和北部积雪异常偏多均会减弱高原北侧上空大气的水平温度梯度,进而减弱高原北侧西风急流的位置及强度,进而影响下游出口区处急流的强度和位置,且高原北部积雪异常偏多的影响更大。当高原南部积雪异常偏多,急流出口区的西风急流加强且偏南;而高原北部积雪异常偏多,出口区的西风急流减弱且偏北。相应地,对流层中层500 hPa西太平洋副热带高压减弱,低层850 hPa异常反气旋环流,影响中国东部地区水汽输送,从而影响了中国东部地区夏季雨带的变化。当高原南部积雪异常偏多,异常反气旋性环流位于东海附近,有利于更多水汽输送至长江流域,华南水汽输送减少;当高原北部积雪异常偏多,异常反气旋性环流相对偏北,更有利于华北及东北水汽输送,雨带偏北。
WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究
徐慧燕, 徐亚钦, 王智, 朱佩君, 李小凡, 翟国庆
2017, 41(2): 357-371. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1606.16108
摘要(1256) HTML (1) PDF (4393KB)(1844)
摘要:
边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度数值模式,以QNSE(Quasi-Normal Scale Elimination)边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.(2003)提出的Prandtl公式与Janjić提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。
AMSR2辐射率资料同化对台风“山神”分析和预报的影响研究
杨春, 闵锦忠, 刘志权
2017, 41(2): 372-384. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1608.16127
摘要(1229) HTML (2) PDF (9744KB)(1554)
摘要:
在WRFDA-3DVar(Weather Research and Forecasting model's 3-dimensional variational data assimilation)的框架下,添加了新的探测器AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)微波辐射率资料的同化模块,实现了AMSR2辐射率资料在中小尺度同化系统中的有效使用。台风"山神"(Son-Tinh)直接同化AMSR2资料的个例试验结果表明,AMSR2资料可以很好的探测出台风的形态,并且与没有同化该资料的控制试验相比,同化AMSR2辐射率资料可以有效提高模式分析场的质量,进一步提高了台风中心气压,最大风速和台风路径的预报。
登陆热带气旋在鄱阳湖区的活动特征及原因分析
麦子, 李英, 魏娜
2017, 41(2): 385-394. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.16129
摘要(1132) HTML (1) PDF (13725KB)(1230)
摘要:
鄱阳湖流域是受登陆热带气旋(简称TC)影响最为频繁的内陆地区之一。利用中国气象局热带气旋年鉴资料、地面观测资料、中国气象局一日两次的常规探空资料以及NCEP/NCAR一日四次的2.5°×2.5°再分析资料,研究了过鄱阳湖TC的活动特征及其影响。首先统计1949~2012年进入鄱阳湖区域61个TC的活动特征发现,平均而言进入鄱阳湖地区的TC具有移速减慢,强度衰减变缓及降水增幅特征。大尺度环流场分析表明,登陆进入鄱阳湖区的TC处于太平洋副热带高压和东亚大陆高压之间的鞍形场中,引导气流减弱,水平风垂直切变减小,有利于其移速减慢、衰减减缓以及降水累计。几个典型TC个例的观测分析发现,TC降水降低了鄱阳湖区浅层土壤温度和低层大气温度及其日较差,但增加了土壤和空气湿度。鄱阳湖区域下垫面较高的地面热量有利于TC维持。而湖区对流有效位能在TC进入后明显降低,说明TC触发了该区域对流有效位能释放,有利于其降水增幅。
影响江南春雨年际变化的前期海洋信号及可能机理
胡雅君, 刘屹岷, 吴琼, 王晓春
2017, 41(2): 395-408. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1605.16133
摘要(2163) HTML (1) PDF (9765KB)(1703)
摘要:
基于诊断,本文计算了1982~2014年江南春雨的开始时间、结束时间和总降水量,分析了江南春雨的气候特征和年际变化,探讨了前冬Nino3.4区域海温异常与江南春雨的联系及可能机理。结果表明,江南春雨的起止时间和总降水量都具有显著的年际变化,前冬赤道东太平洋海温与江南春雨总量存在显著的正相关。前冬Nino3.4指数为正时,一方面通过Walker环流在赤道120°E附近区域激发出异常下沉运动以及低层异常反气旋,增强了南海地区低层西南气流以及水汽输送,另一方面与东太平洋海温变化相联系的印度洋增暖在赤道印度洋引发低层东风和孟加拉湾北部反气旋环流异常,进一步增强了江南地区的水汽输送;高层南亚地区则存在西风异常,对应江南上空辐散和抽吸作用加强,导致上升运动进一步增强,使得江南春雨总量增加;前冬Nino3.4指数为负时则次年春雨偏少;并且前冬El Niño事件的强度对春雨异常也有影响,前冬El Niño强(弱)的年份,海温异常的信号能(不能)持续到春季,江南春雨总量通常偏多(偏少)。另外,加入了前冬南极涛动指数和印度洋海盆一致模所建立的江南春雨总量的多元线性回归方程,其回归结果比基于单独的Nino3.4指数能更好地反映江南春雨的异常,可用于季节预测。
西北地区气溶胶光学特性及辐射影响
衣娜娜, 张镭, 刘卫平, 田鹏飞, 董祝雷
2017, 41(2): 409-420. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1606.15272
摘要(1494) HTML (2) PDF (1223KB)(2178)
摘要:
利用SACOL(兰州大学半干旱气候与环境观测站)2006~2012年AERONET(全球气溶胶自动监测网)level 2.0和太阳短波辐射计资料,分析了中国西北地区气溶胶的光学特性与辐射影响。利用辐射传输模式SBDART(平面平行大气辐射传输模式)检验TOA(大气层顶)处辐射强迫为正的原因。BOA(地表)、TOA、Atmosphere(大气)的辐射强迫年均值分别是-59.43 W m-2、-17.03 W m-2、42.40 W m-2,AOD(光学厚度,550 nm)年均值0.37,α(波段的波长指数,440~675 nm)年均值0.91,变化趋势与AOD位相相反,当AOD为0.3~2.2时,α很小(0.0~0.2),表明粒子尺度很大。SSA(单次散射反照率,675 nm)年均值0.93,g(不对称因子,675 nm)年均值0.68,复折射指数(675 nm)实部年均值1.48,虚部0.007。复折射指数实部的年变化趋势与AOD一致,虚部与AOD反位相,所以西北地区多为粗模态散射性气溶胶。气溶胶对大气的加热率最大值出现在0~2 km,随高度递减。冬、夏半年在地表加热率分别是2.6 K d-1和0.6 K d-1;季节变化中,冬季、秋季、春季和夏季,在地表的加热率依次是2.5 K d-1、1.4 K d-1、1.2 K d-1和0.2 K d-1,主要因为秋季气溶胶的吸收性大于春季。地表反照率和SSA对TOA正辐射强迫贡献率分别是22.5%和77.5%。