2018年 第42卷 第6期
2018, 42(6): 1175-1190.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17183
摘要:
本文基于1951~2014年的站点观测资料以及再分析资料，应用多变量经验正交分解法（MEOF）研究了年际尺度上华北夏季降水、印度夏季降水与海表面温度之间的耦合关系（主要模态）。结果表明：当印度夏季降水偏强时，若同期夏季赤道中东太平洋海温表现为La Niña位相，则西太平洋暖池对流加强，副热带高压偏西偏北，有利于华北夏季降水与印度夏季降水一致增强。反之，当印度大部降水偏弱时，若同期夏季赤道中东太平洋海温表现为El Niño位相，则华北夏季降水和印度夏季降水一致减弱。然而，两地夏季降水的协同变化关系并不总是成立。当赤道中东太平洋海温异常随时间演变表现为冬春El Niño衰减型时，伴随着印度洋偶极子（IOD）正位相的衰减过程，这会减弱东亚夏季风，使得华北夏季降水偏少。此时印度半岛夏季降水增强区集中在其西部，无法形成连接印度和华北夏季降水异常的环半球遥相关（CGT）波列，可能使得华北夏季降水异常与全印度夏季降水异常成相反形势。这些结论揭示了中国华北夏季降水、印度夏季降水和海表面温度之间的耦合关系，有助于进一步理解海温外强迫对两地夏季降水之间相关关系的作用，从而对华北夏季降水的预测具有参考意义。
本文基于1951~2014年的站点观测资料以及再分析资料，应用多变量经验正交分解法（MEOF）研究了年际尺度上华北夏季降水、印度夏季降水与海表面温度之间的耦合关系（主要模态）。结果表明：当印度夏季降水偏强时，若同期夏季赤道中东太平洋海温表现为La Niña位相，则西太平洋暖池对流加强，副热带高压偏西偏北，有利于华北夏季降水与印度夏季降水一致增强。反之，当印度大部降水偏弱时，若同期夏季赤道中东太平洋海温表现为El Niño位相，则华北夏季降水和印度夏季降水一致减弱。然而，两地夏季降水的协同变化关系并不总是成立。当赤道中东太平洋海温异常随时间演变表现为冬春El Niño衰减型时，伴随着印度洋偶极子（IOD）正位相的衰减过程，这会减弱东亚夏季风，使得华北夏季降水偏少。此时印度半岛夏季降水增强区集中在其西部，无法形成连接印度和华北夏季降水异常的环半球遥相关（CGT）波列，可能使得华北夏季降水异常与全印度夏季降水异常成相反形势。这些结论揭示了中国华北夏季降水、印度夏季降水和海表面温度之间的耦合关系，有助于进一步理解海温外强迫对两地夏季降水之间相关关系的作用，从而对华北夏季降水的预测具有参考意义。
2018, 42(6): 1191-1207.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17180
摘要:
采用高分辨率卫星和再分析资料，利用涡旋探测技术、滤波和合成分析等方法，对夏季北太平洋副热带地区中尺度海洋涡旋与大气的耦合关系进行了分析。结果表明：在日时间尺度上，海洋涡旋的海表温度（Sea SurfaceTemperature，简称SST）与海表风速之间不仅存在同位相的正相关关系，还存在反位相的负相关关系，即在涡旋这种中尺度上既存在海洋对大气的强迫，也存在大气对海洋的强迫。海表风速与SST同位相时，对暖（冷）涡来说，向上（下）的净热通量增强，云和降水增多（减少）；其海水温度异常和海流旋度较强，暖（冷）涡较为深厚，一定程度上表明了海洋对大气的强迫。海表风速与SST反位相时，对暖（冷）涡而言，当其处在正（负）位势高度异常、中低层相对湿度较小（大）、气温较高（低）的大气配置下，海表风速较小（大）；同时向下（上）净热通量增强，云和降水减少（增多）；涡旋海水温度异常和海流旋度较弱，这种暖（冷）涡较为浅薄；表明晴空（阴雨）条件下有利于暖（冷）涡的维持，一定程度上反映了大气对海洋的强迫作用。
采用高分辨率卫星和再分析资料，利用涡旋探测技术、滤波和合成分析等方法，对夏季北太平洋副热带地区中尺度海洋涡旋与大气的耦合关系进行了分析。结果表明：在日时间尺度上，海洋涡旋的海表温度（Sea SurfaceTemperature，简称SST）与海表风速之间不仅存在同位相的正相关关系，还存在反位相的负相关关系，即在涡旋这种中尺度上既存在海洋对大气的强迫，也存在大气对海洋的强迫。海表风速与SST同位相时，对暖（冷）涡来说，向上（下）的净热通量增强，云和降水增多（减少）；其海水温度异常和海流旋度较强，暖（冷）涡较为深厚，一定程度上表明了海洋对大气的强迫。海表风速与SST反位相时，对暖（冷）涡而言，当其处在正（负）位势高度异常、中低层相对湿度较小（大）、气温较高（低）的大气配置下，海表风速较小（大）；同时向下（上）净热通量增强，云和降水减少（增多）；涡旋海水温度异常和海流旋度较弱，这种暖（冷）涡较为浅薄；表明晴空（阴雨）条件下有利于暖（冷）涡的维持，一定程度上反映了大气对海洋的强迫作用。
2018, 42(6): 1208-1218.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17135
摘要:
0908号台风"莫拉克"（Morakot）在台湾岛引发了24 h超过1000 mm的强烈降水，与其缓慢西行过岛密切相关。本文利用NCEP-GFS实时分析场资料（0.5°×0.5°）、中央气象局台风资料库关于我国台湾地面气压场资料和中尺度数值模式WRF模拟结果，分析了台风Morakot在台湾岛附近缓慢西行成因。结果表明：（1）西太平洋副热带高压减弱东退、与台风"天鹅"（Goni，0907）的"藤原效应"是Morakot在台湾岛附近移速减慢的环境因素，而台风结构变化也是其缓慢过岛西行的一个主要原因；（2）台风过岛过程中，由于地形作用，Morakot环流内诱生低压活跃，先后或同时出现在岛屿东西两侧，使台风环流出现非对称松散结构；（3）在台湾岛西侧诱生低压中心取代东侧原台风中心形成不连续路径过程中，台风经历了低层环流从分裂到重组，正垂直涡度柱从垂直到倾斜再恢复垂直的变化过程，这是Morakot过台湾岛缓慢西行的一个重要原因；（4）Morakot西行登岛过程中环境引导气流主要是偏南气流，而包含诱生低压的扰动引导气流则为偏东气流。扰动引导气流虽是小量，但其纬向分量占环境引导气流纬向分量的比率从7%增至26%，较好地指示了Morakot的西行趋势，也说明地形诱生低压导致的台风结构变化是其过岛西行和缓慢移动的一个重要原因。
0908号台风"莫拉克"（Morakot）在台湾岛引发了24 h超过1000 mm的强烈降水，与其缓慢西行过岛密切相关。本文利用NCEP-GFS实时分析场资料（0.5°×0.5°）、中央气象局台风资料库关于我国台湾地面气压场资料和中尺度数值模式WRF模拟结果，分析了台风Morakot在台湾岛附近缓慢西行成因。结果表明：（1）西太平洋副热带高压减弱东退、与台风"天鹅"（Goni，0907）的"藤原效应"是Morakot在台湾岛附近移速减慢的环境因素，而台风结构变化也是其缓慢过岛西行的一个主要原因；（2）台风过岛过程中，由于地形作用，Morakot环流内诱生低压活跃，先后或同时出现在岛屿东西两侧，使台风环流出现非对称松散结构；（3）在台湾岛西侧诱生低压中心取代东侧原台风中心形成不连续路径过程中，台风经历了低层环流从分裂到重组，正垂直涡度柱从垂直到倾斜再恢复垂直的变化过程，这是Morakot过台湾岛缓慢西行的一个重要原因；（4）Morakot西行登岛过程中环境引导气流主要是偏南气流，而包含诱生低压的扰动引导气流则为偏东气流。扰动引导气流虽是小量，但其纬向分量占环境引导气流纬向分量的比率从7%增至26%，较好地指示了Morakot的西行趋势，也说明地形诱生低压导致的台风结构变化是其过岛西行和缓慢移动的一个重要原因。
2018, 42(6): 1219-1234.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17169
摘要:
将NCEP的中期全球预报系统（GFS）整套物理过程包引入GRAPES区域模式，并利用美国ARM计划（Atmospheric Radiation Measurement Program）南部大平原外场1997年夏加强观测资料，对GRAPES模式中原有物理过程和GFS物理过程进行了单柱试验的测试和比较，评估了两组物理过程的模拟性能。单柱试验结果表明GFS试验模拟的位温和水汽混合比演变更为准确；到地短波和长波辐射的误差更小；其模拟的地面向上潜热通量与观测更为接近，而原物理过程试验的感热偏大；GFS试验对2 m气温最高和最低值的模拟也比原有物理过程更接近观测。进一步分析降水的模拟发现，两组物理过程对强降水过程均有很好的预报能力，但对中等强度降水存在漏报或者发生时间偏晚的倾向，此外还存在对小雨的空报。在3个降水事件的模拟中，GFS试验模拟的降水误差小于原物理过程试验。最后还对两组试验中明显的降水过程漏报和降水延迟进行了分析，对GFS物理过程包中对流参数化的对流触发方式的修改，可改进此次降水的模拟，进而通过更准确的反馈过程，改善对大尺度场的模拟。
将NCEP的中期全球预报系统（GFS）整套物理过程包引入GRAPES区域模式，并利用美国ARM计划（Atmospheric Radiation Measurement Program）南部大平原外场1997年夏加强观测资料，对GRAPES模式中原有物理过程和GFS物理过程进行了单柱试验的测试和比较，评估了两组物理过程的模拟性能。单柱试验结果表明GFS试验模拟的位温和水汽混合比演变更为准确；到地短波和长波辐射的误差更小；其模拟的地面向上潜热通量与观测更为接近，而原物理过程试验的感热偏大；GFS试验对2 m气温最高和最低值的模拟也比原有物理过程更接近观测。进一步分析降水的模拟发现，两组物理过程对强降水过程均有很好的预报能力，但对中等强度降水存在漏报或者发生时间偏晚的倾向，此外还存在对小雨的空报。在3个降水事件的模拟中，GFS试验模拟的降水误差小于原物理过程试验。最后还对两组试验中明显的降水过程漏报和降水延迟进行了分析，对GFS物理过程包中对流参数化的对流触发方式的修改，可改进此次降水的模拟，进而通过更准确的反馈过程，改善对大尺度场的模拟。
2018, 42(6): 1235-1244.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17179
摘要:
准确估计水热通量对于认识和理解地气交换与水循环变化过程具有重要意义。利用Penman-Monteith（P-M）模型计算季节尺度水热通量变化的不确定性很大程度上依赖于与冠层变化相关的最小冠层阻力参数，但模型中通常将其设为定值。为此，本文基于多年通量观测采用分段与整体相结合的迭代算法拟合出最小冠层阻力的季节分布。以湖南省宁乡通量观测站为例，针对2012~2015年观测拟合计算最小冠层阻力的季节分布曲线，并利用2016年通量数据进行独立数据验证。结果表明：最小冠层阻力曲线具有鲜明夏低冬高的季节变化特征；利用拟合的具有季节分布的最小冠层阻力改进潜热通量计算，独立数据验证表明其该方法的合理性；相比于原阻力方案得出的潜热模拟结果，其在相关系数、均方根误差和一致性指数都有改进；此外，将该估计方法应用于水热通量的数据插补，较常规统计插补方法，其插补稳定性不随连续缺失数据的增加而降低，而且还能通过模型的微分误差分析量化由于数据输入带来的插补不确定性，在保持通量数据完整性的同时也为数据应用场景提供科学依据。
准确估计水热通量对于认识和理解地气交换与水循环变化过程具有重要意义。利用Penman-Monteith（P-M）模型计算季节尺度水热通量变化的不确定性很大程度上依赖于与冠层变化相关的最小冠层阻力参数，但模型中通常将其设为定值。为此，本文基于多年通量观测采用分段与整体相结合的迭代算法拟合出最小冠层阻力的季节分布。以湖南省宁乡通量观测站为例，针对2012~2015年观测拟合计算最小冠层阻力的季节分布曲线，并利用2016年通量数据进行独立数据验证。结果表明：最小冠层阻力曲线具有鲜明夏低冬高的季节变化特征；利用拟合的具有季节分布的最小冠层阻力改进潜热通量计算，独立数据验证表明其该方法的合理性；相比于原阻力方案得出的潜热模拟结果，其在相关系数、均方根误差和一致性指数都有改进；此外，将该估计方法应用于水热通量的数据插补，较常规统计插补方法，其插补稳定性不随连续缺失数据的增加而降低，而且还能通过模型的微分误差分析量化由于数据输入带来的插补不确定性，在保持通量数据完整性的同时也为数据应用场景提供科学依据。
2018, 42(6): 1245-1262.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17186
摘要:
利用NCEP/NCAR大气环流资料、HadISST海温数据以及中国160站气温数据等，通过EOF分解、线性相关等统计方法，分析了我国南方盛夏气温异常的主导模态及其所对应的关键环流系统和可能的海洋外强迫信号。结果表明：我国南方盛夏气温偏高有两种不同的分布模态，一是以江淮地区为中心的江淮型高温，二是以江南和华南为中心的江南型高温，导致这两种高温型发生的环流影响系统和海温外强迫因子均有显著差异。影响江淮型高温的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平和偏弱的东亚副热带西风急流。而影响这两个关键环流系统的海洋外强迫因子包括热带印度洋至东太平洋的"-+-"海温异常分布型及北大西洋中纬度的暖海温异常。2016年盛夏江淮型高温的大气环流和海温异常均表现出典型江淮型高温年的特征，更好的证明了统计分析的结论。而江南型高温的关键环流系统主要是加强西伸的西太平洋副热带高压。其海洋外强迫因子包括前冬赤道中东太平洋的暖海温异常和春季-盛夏热带印度洋全区一致型暖海温异常，其中热带印度洋海温的影响更为持续和显著。
利用NCEP/NCAR大气环流资料、HadISST海温数据以及中国160站气温数据等，通过EOF分解、线性相关等统计方法，分析了我国南方盛夏气温异常的主导模态及其所对应的关键环流系统和可能的海洋外强迫信号。结果表明：我国南方盛夏气温偏高有两种不同的分布模态，一是以江淮地区为中心的江淮型高温，二是以江南和华南为中心的江南型高温，导致这两种高温型发生的环流影响系统和海温外强迫因子均有显著差异。影响江淮型高温的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平和偏弱的东亚副热带西风急流。而影响这两个关键环流系统的海洋外强迫因子包括热带印度洋至东太平洋的"-+-"海温异常分布型及北大西洋中纬度的暖海温异常。2016年盛夏江淮型高温的大气环流和海温异常均表现出典型江淮型高温年的特征，更好的证明了统计分析的结论。而江南型高温的关键环流系统主要是加强西伸的西太平洋副热带高压。其海洋外强迫因子包括前冬赤道中东太平洋的暖海温异常和春季-盛夏热带印度洋全区一致型暖海温异常，其中热带印度洋海温的影响更为持续和显著。
2018, 42(6): 1263-1272.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17194
摘要:
海洋在气候变暖过程中的重要性通常用海洋热吸收来衡量，热吸收的大小影响全球变暖的幅度。本文利用FGOALS-g2、FGOALS-s2（以下分别缩写为g2、s2）两个耦合模式的CO2浓度以每年1%速率增长（1pctCO2）试验，评估和分析海洋热吸收与气候敏感度的关系。结果表明：进入海洋净热通量（s2模式大于g2模式）会使得s2模式的海洋热吸收总体比g2模式大；更为重要的是，由于s2模式中的海洋热吸收主要集中在上层，使得耦合模式s2中的瞬态气候响应（TCR，或称气候敏感度）比g2大。当CO2浓度加倍时，在两个耦合模式中，海洋热吸收的空间分布呈现显著性的差异，s2模式中上层热吸收明显比深层大，上层热吸收主要位于太平洋和印度洋，而g2模式中上层和深层热吸收差别较小，深层主要位于大西洋和北冰洋。进一步研究表明，海洋热吸收分布特征与两个耦合模式海洋环流变化有关。在g2模式中北大西洋经圈翻转环流（AMOC）强度强且深度大，在CO2浓度加倍时，AMOC减弱小，这样AMOC可将热量带到海洋的深层，增加海洋深层热吸收。而在s2模式中，平均AMOC弱且浅，在CO2浓度加倍时，AMOC减弱明显，热量不易到达深层，主要集中在海洋上层，对气候敏感度影响更快且更强。海洋环流导致热吸收及其空间差异同时影响到气候敏感度的差异。因此，探讨海洋热吸收与气候敏感度之间的关系，利于明确气候敏感度不确定性的来源。
海洋在气候变暖过程中的重要性通常用海洋热吸收来衡量，热吸收的大小影响全球变暖的幅度。本文利用FGOALS-g2、FGOALS-s2（以下分别缩写为g2、s2）两个耦合模式的CO2浓度以每年1%速率增长（1pctCO2）试验，评估和分析海洋热吸收与气候敏感度的关系。结果表明：进入海洋净热通量（s2模式大于g2模式）会使得s2模式的海洋热吸收总体比g2模式大；更为重要的是，由于s2模式中的海洋热吸收主要集中在上层，使得耦合模式s2中的瞬态气候响应（TCR，或称气候敏感度）比g2大。当CO2浓度加倍时，在两个耦合模式中，海洋热吸收的空间分布呈现显著性的差异，s2模式中上层热吸收明显比深层大，上层热吸收主要位于太平洋和印度洋，而g2模式中上层和深层热吸收差别较小，深层主要位于大西洋和北冰洋。进一步研究表明，海洋热吸收分布特征与两个耦合模式海洋环流变化有关。在g2模式中北大西洋经圈翻转环流（AMOC）强度强且深度大，在CO2浓度加倍时，AMOC减弱小，这样AMOC可将热量带到海洋的深层，增加海洋深层热吸收。而在s2模式中，平均AMOC弱且浅，在CO2浓度加倍时，AMOC减弱明显，热量不易到达深层，主要集中在海洋上层，对气候敏感度影响更快且更强。海洋环流导致热吸收及其空间差异同时影响到气候敏感度的差异。因此，探讨海洋热吸收与气候敏感度之间的关系，利于明确气候敏感度不确定性的来源。
2018, 42(6): 1273-1285.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17167
摘要:
针对当前单模式系统臭氧（O3）预报的不确定性问题，提出了一种基于活动区间的多模式超级集成的、高效的预报方法。本研究基于长江三角洲（长三角）地区多模式空气质量预报系统，将改进后的超级集成预报方法（AR-SUP）运用到2015年长三角地区的O3预报中，并与滑动训练期的超级集成预报（R-SUP）、多模式集成平均预报（EMN）、消除偏差的集成平均预报（BREM）对比，结果表明AR-SUP对预报效果的改善最明显，其在暖季和冷季的均方根误差（RMSE）较最优单模式平均下降了20%和23%。将AR-SUP运用到48 h和72 h预报中发现，当预报时效增加时该方法依旧保持较高的预报技巧。多项统计数据均证明AR-SUP在研究时段内所有站点均能显著减小O3预报误差、提高整体相关性和一致性，有效提高当前短期（三天）预报准确率。
针对当前单模式系统臭氧（O3）预报的不确定性问题，提出了一种基于活动区间的多模式超级集成的、高效的预报方法。本研究基于长江三角洲（长三角）地区多模式空气质量预报系统，将改进后的超级集成预报方法（AR-SUP）运用到2015年长三角地区的O3预报中，并与滑动训练期的超级集成预报（R-SUP）、多模式集成平均预报（EMN）、消除偏差的集成平均预报（BREM）对比，结果表明AR-SUP对预报效果的改善最明显，其在暖季和冷季的均方根误差（RMSE）较最优单模式平均下降了20%和23%。将AR-SUP运用到48 h和72 h预报中发现，当预报时效增加时该方法依旧保持较高的预报技巧。多项统计数据均证明AR-SUP在研究时段内所有站点均能显著减小O3预报误差、提高整体相关性和一致性，有效提高当前短期（三天）预报准确率。
2018, 42(6): 1286-1296.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17200
摘要:
AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）对中国暴雨、台风等中尺度天气系统的模拟、预报能力突出。但是伴随模式分辨率的提高，制约该模式发展的一个问题日渐突出，即"静力平衡近似"的约束。本文通过对原静力平衡系统进行修正，引入高阶订正参数定义第三运动方程来构建该模式的非静力动力框架。我们基于Euler原始方程组，有效结合原静力平衡模式的标准层结扣除及IAP（Institute of Atmospheric Physics）变换方法，推导出了球面余纬坐标下的非静力框架，并在E网格和η坐标下进行了时空离散。采用时间两部分离技术进行积分运算以提高计算效率，并通过"追赶法"结合迭代法计算声波。此框架可方便地继承静力平衡框架的特点，最大限度地保留静力平衡框架的优势。理论推导和数值试验表明，当非静力框架退化为静力平衡框架后，方程形式及其模拟结果一致。在文章第二部分将通过理想和实例试验检验非静力模式性能。
AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）对中国暴雨、台风等中尺度天气系统的模拟、预报能力突出。但是伴随模式分辨率的提高，制约该模式发展的一个问题日渐突出，即"静力平衡近似"的约束。本文通过对原静力平衡系统进行修正，引入高阶订正参数定义第三运动方程来构建该模式的非静力动力框架。我们基于Euler原始方程组，有效结合原静力平衡模式的标准层结扣除及IAP（Institute of Atmospheric Physics）变换方法，推导出了球面余纬坐标下的非静力框架，并在E网格和η坐标下进行了时空离散。采用时间两部分离技术进行积分运算以提高计算效率，并通过"追赶法"结合迭代法计算声波。此框架可方便地继承静力平衡框架的特点，最大限度地保留静力平衡框架的优势。理论推导和数值试验表明，当非静力框架退化为静力平衡框架后，方程形式及其模拟结果一致。在文章第二部分将通过理想和实例试验检验非静力模式性能。
2018, 42(6): 1297-1326.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17207
摘要:
本文利用NCEP/NCAR-FNL再分析资料、历史天气图和青藏高原低涡切变线年鉴，通过分析1998~2016年高原涡活动情况，对在高原以东活动时间大于96 h的高原涡（长持续涡）和在高原以东活动时间不大于30 h的高原涡（短持续涡），进行了环流与冷空气活动特征与位涡诊断的对比分析，得出了长、短持续涡的环境场、冷空气活动特征，揭示了冷空气活动、高空锋区对长、短持续涡的影响。结果表明：（1）长持续涡移出高原后是在受较明显冷空气影响情况下加强并持续的，短持续涡则没有明显受冷空气影响。长持续涡所处的低槽较深，槽后的冷温度槽较明显，副热带高压（简称副高）偏南；短持续涡处在分裂槽中，有冷舌，副高偏北；说明影响低涡活动的天气系统强，槽后的冷温度槽明显，副高偏南是低涡能较长时间持续的重要环流条件。（2）长持续涡不仅受到较强冷平流的影响，还处在有狭长的干冷与暖湿空气相遇的地带，使涡区极易产生对流不稳定和低涡扰动，利于低涡加强并持续，短持续涡则远不及长持续涡。（3）长持续涡移出高原后受两个不同方向冷空气影响，涡区内一般伴有两个高位涡中心区，而短持续涡的只有一个高位涡中心区，且位涡值比长持续涡小，长持续涡活动过程中的斜压性也比短持续涡强。另外，长持续涡活动过程中相应的高空急流较强，在增强、东伸、南压作用下，造成200 hPa高空有高位涡下传到低涡，而短持续涡所伴的西风急流平直、弱，造成了短持续涡只受到400 hPa高位涡下传的影响。（4）冷空气影响高原涡维持的作用有：使影响高原涡活动的天气系统加强；使高原涡斜压性增强、对流不稳定增强；使高空有高位涡下传至低涡附近层次，造成低涡区域正位涡异常，垂直涡度发展，低涡加强。
本文利用NCEP/NCAR-FNL再分析资料、历史天气图和青藏高原低涡切变线年鉴，通过分析1998~2016年高原涡活动情况，对在高原以东活动时间大于96 h的高原涡（长持续涡）和在高原以东活动时间不大于30 h的高原涡（短持续涡），进行了环流与冷空气活动特征与位涡诊断的对比分析，得出了长、短持续涡的环境场、冷空气活动特征，揭示了冷空气活动、高空锋区对长、短持续涡的影响。结果表明：（1）长持续涡移出高原后是在受较明显冷空气影响情况下加强并持续的，短持续涡则没有明显受冷空气影响。长持续涡所处的低槽较深，槽后的冷温度槽较明显，副热带高压（简称副高）偏南；短持续涡处在分裂槽中，有冷舌，副高偏北；说明影响低涡活动的天气系统强，槽后的冷温度槽明显，副高偏南是低涡能较长时间持续的重要环流条件。（2）长持续涡不仅受到较强冷平流的影响，还处在有狭长的干冷与暖湿空气相遇的地带，使涡区极易产生对流不稳定和低涡扰动，利于低涡加强并持续，短持续涡则远不及长持续涡。（3）长持续涡移出高原后受两个不同方向冷空气影响，涡区内一般伴有两个高位涡中心区，而短持续涡的只有一个高位涡中心区，且位涡值比长持续涡小，长持续涡活动过程中的斜压性也比短持续涡强。另外，长持续涡活动过程中相应的高空急流较强，在增强、东伸、南压作用下，造成200 hPa高空有高位涡下传到低涡，而短持续涡所伴的西风急流平直、弱，造成了短持续涡只受到400 hPa高位涡下传的影响。（4）冷空气影响高原涡维持的作用有：使影响高原涡活动的天气系统加强；使高原涡斜压性增强、对流不稳定增强；使高空有高位涡下传至低涡附近层次，造成低涡区域正位涡异常，垂直涡度发展，低涡加强。
2018, 42(6): 1327-1343.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17202
摘要:
第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究，为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征，本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料，对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量，冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用，地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小，但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程，雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程，而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长，对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正，日平均降水转化率可达20.75%，接近长江下游地区，高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%，说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献，但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。
第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究，为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征，本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料，对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量，冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用，地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小，但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程，雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程，而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长，对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正，日平均降水转化率可达20.75%，接近长江下游地区，高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%，说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献，但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。
2018, 42(6): 1344-1362.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17212
摘要:
边界层参数化方案的选取在平流雾的预报准确度上起着决定性的作用。本文利用WRF模式对2013年3月18~19日发生在江苏地区的一次平流雾过程进行数值模拟试验，对耦合不同闭合方式边界层参数化方案的试验结果与实测气象数据进行对比分析，评估了他们对此次平流雾的模拟效果，探讨了边界层高度对此次平流雾的生成和发展的影响。研究结果表明：（1）耦合不同边界层方案的WRF模式对地面气象要素的模拟结果均呈现气温偏低、湿度和风速偏大的特征。（2）QNSE方案对气温的模拟能力最强；ACM2方案对相对湿度的模拟性能最好；YSU方案对风速的模拟效果最佳。不同边界层方案的模拟结果在垂直方向上的差别主要表现在低空相对湿度上：QNSE方案预报的湿度更大。（3）综合TS（Threat Score）和BS（Bias Score）两个评分指标来看，ACM2方案对雾区分布的模拟效果最好。三个边界层方案对此次平流雾的模拟结果在江苏沿海站点的预报评分较高，在距海较远站点的预报评分表现较差。YSU方案对东南沿海地区的雾区预报评分较高；QNSE方案对长江沿江区域的雾区预报评分较高；ACM2方案对沿海地区、尤其对沿海北部地区的有较好的预报效果。（4）QNSE方案对此次平流雾的生成时间、出现地点预报比较准确。（5）平流雾的生成与发展阶段模拟雾区覆盖范围与边界层高度关系十分紧密，适当强度的湍流混合作用有助于平流雾在地面的生成与发展；但是过强的湍流混合作用会导致大雾过早的消散。
边界层参数化方案的选取在平流雾的预报准确度上起着决定性的作用。本文利用WRF模式对2013年3月18~19日发生在江苏地区的一次平流雾过程进行数值模拟试验，对耦合不同闭合方式边界层参数化方案的试验结果与实测气象数据进行对比分析，评估了他们对此次平流雾的模拟效果，探讨了边界层高度对此次平流雾的生成和发展的影响。研究结果表明：（1）耦合不同边界层方案的WRF模式对地面气象要素的模拟结果均呈现气温偏低、湿度和风速偏大的特征。（2）QNSE方案对气温的模拟能力最强；ACM2方案对相对湿度的模拟性能最好；YSU方案对风速的模拟效果最佳。不同边界层方案的模拟结果在垂直方向上的差别主要表现在低空相对湿度上：QNSE方案预报的湿度更大。（3）综合TS（Threat Score）和BS（Bias Score）两个评分指标来看，ACM2方案对雾区分布的模拟效果最好。三个边界层方案对此次平流雾的模拟结果在江苏沿海站点的预报评分较高，在距海较远站点的预报评分表现较差。YSU方案对东南沿海地区的雾区预报评分较高；QNSE方案对长江沿江区域的雾区预报评分较高；ACM2方案对沿海地区、尤其对沿海北部地区的有较好的预报效果。（4）QNSE方案对此次平流雾的生成时间、出现地点预报比较准确。（5）平流雾的生成与发展阶段模拟雾区覆盖范围与边界层高度关系十分紧密，适当强度的湍流混合作用有助于平流雾在地面的生成与发展；但是过强的湍流混合作用会导致大雾过早的消散。
2018, 42(6): 1363-1377.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1803.17216
摘要:
基于1961~2016年淮河流域172个测站逐日降水资料，分析了淮河夏季降水的多时间尺度变率，发现其具有显著的准两年周期，1990年代以来亦呈现出明显的年代际变化。EOF分析结果显示，淮河夏季降水的异常主要表现为全流域一致偏多或偏少型（第一模态），其方差贡献高达37%。相比于长江中下游地区，淮河夏季降水与东亚500 hPa位势高度场上的EAP遥相关型关系很弱，但和对流层低层西南水汽输送有更好的对应关系，表现为从索马里半岛至淮河流域的多个正负交替的相关波列。这一波列表明当索马里越赤道气流加强时，通过热带印度洋西风的纽带作用加强了进入淮河流域的西南暖湿气流，并在淮河上空低层形成水汽辐合，造成淮河多雨，反之当索马里越赤道气流强度弱时，淮河夏季降水偏少。索马里越赤道气流和中国台站降水的空间相关同样显示出最显著的相关区位于淮河流域。进一步的分析发现，研究时段内二者关系并非稳定维持，而是表现出显著的年代际变化，近二十年来索马里越赤道气流对淮河流域夏季降水的影响明显增强，且在季节预测上的指示意义也在增强。这一增强的可能原因是索马里越赤道气流与流域南侧的经向水汽输送和西侧的纬向水汽输送的关系均发生了年代际反转，并且这两条水汽输送带对流域夏季降水的影响发生了年代际增强。
基于1961~2016年淮河流域172个测站逐日降水资料，分析了淮河夏季降水的多时间尺度变率，发现其具有显著的准两年周期，1990年代以来亦呈现出明显的年代际变化。EOF分析结果显示，淮河夏季降水的异常主要表现为全流域一致偏多或偏少型（第一模态），其方差贡献高达37%。相比于长江中下游地区，淮河夏季降水与东亚500 hPa位势高度场上的EAP遥相关型关系很弱，但和对流层低层西南水汽输送有更好的对应关系，表现为从索马里半岛至淮河流域的多个正负交替的相关波列。这一波列表明当索马里越赤道气流加强时，通过热带印度洋西风的纽带作用加强了进入淮河流域的西南暖湿气流，并在淮河上空低层形成水汽辐合，造成淮河多雨，反之当索马里越赤道气流强度弱时，淮河夏季降水偏少。索马里越赤道气流和中国台站降水的空间相关同样显示出最显著的相关区位于淮河流域。进一步的分析发现，研究时段内二者关系并非稳定维持，而是表现出显著的年代际变化，近二十年来索马里越赤道气流对淮河流域夏季降水的影响明显增强，且在季节预测上的指示意义也在增强。这一增强的可能原因是索马里越赤道气流与流域南侧的经向水汽输送和西侧的纬向水汽输送的关系均发生了年代际反转，并且这两条水汽输送带对流域夏季降水的影响发生了年代际增强。
2018, 42(6): 1378-1392.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17219
摘要:
本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中共46个全球气候模式的数值试验数据，通过评估择优选取了14个模式来预估21世纪中国各季节降水百分率及其变率。结果表明，模式集合平均能够较好地模拟各季节降水百分率及其变率，但模式与观测间、各模式间都存在一定不同，空间上西部差异较大，季节上夏季差异明显。21世纪中国降水百分率整体表现为夏季大冬季小，但存在区域性，如华南春季降水百分率大于夏季。与1986~2004年相比，中国降水百分率整体表现为在夏季显著减少，冬春季显著增加，但高原则与之相反。此外，模式对于长江中下游地区降水百分率的预估存在较大不确定性。RCP8.5情景下降水季节性变幅要大于RCP4.5情景。降水季节性的变率在四季均表现出一定的增加趋势，但21世纪早、中和末期与1986~2004年相比并无显著差异（置信水平为95%）。
本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中共46个全球气候模式的数值试验数据，通过评估择优选取了14个模式来预估21世纪中国各季节降水百分率及其变率。结果表明，模式集合平均能够较好地模拟各季节降水百分率及其变率，但模式与观测间、各模式间都存在一定不同，空间上西部差异较大，季节上夏季差异明显。21世纪中国降水百分率整体表现为夏季大冬季小，但存在区域性，如华南春季降水百分率大于夏季。与1986~2004年相比，中国降水百分率整体表现为在夏季显著减少，冬春季显著增加，但高原则与之相反。此外，模式对于长江中下游地区降水百分率的预估存在较大不确定性。RCP8.5情景下降水季节性变幅要大于RCP4.5情景。降水季节性的变率在四季均表现出一定的增加趋势，但21世纪早、中和末期与1986~2004年相比并无显著差异（置信水平为95%）。
2018, 42(6): 1393-1406.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17220
摘要:
受东北冷涡与副热带高压西北部暖湿气流影响，2015年7月27日北京地区爆发了一次具有明显对流单体合并特征的强飑线灾害性强对流天气过程。利用北京闪电定位网（BLNet）总闪定位、多普勒雷达和探空资料等，详细分析了此次飑线过程整个生命史期间不同对流区的总闪活动特征。结果表明，整个飑线过程以云闪为主，地闪活动以负地闪为主；对流单体合并时云闪数量激增，飑线过程后期正地闪比例跃增。93%的闪电主要分布在距对流线10 km范围内，层云区闪电较少；层云区的闪电电荷来源主要是由对流区的电荷经过过渡区输送而来，正地闪更易发生在过渡区和层云区。对流合并过程中有大量的水汽集中，垂直积分液态含水量（VIL）峰值超前闪电峰值24 min。利用变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）对这次过程的三维风场进了反演，据此对单体合并期间闪电增强的动力原因进行了研究。根据VDRAS反演的动力场来看，对流云单体合并主要发生在低层辐合区内，合并后上升运动加强，上升气流范围变大，闪电活动显著增强，并主要发生在具有较强垂直风切变的区域，少部分闪电发生在对流区后部开始出现下沉气流的区域。
受东北冷涡与副热带高压西北部暖湿气流影响，2015年7月27日北京地区爆发了一次具有明显对流单体合并特征的强飑线灾害性强对流天气过程。利用北京闪电定位网（BLNet）总闪定位、多普勒雷达和探空资料等，详细分析了此次飑线过程整个生命史期间不同对流区的总闪活动特征。结果表明，整个飑线过程以云闪为主，地闪活动以负地闪为主；对流单体合并时云闪数量激增，飑线过程后期正地闪比例跃增。93%的闪电主要分布在距对流线10 km范围内，层云区闪电较少；层云区的闪电电荷来源主要是由对流区的电荷经过过渡区输送而来，正地闪更易发生在过渡区和层云区。对流合并过程中有大量的水汽集中，垂直积分液态含水量（VIL）峰值超前闪电峰值24 min。利用变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）对这次过程的三维风场进了反演，据此对单体合并期间闪电增强的动力原因进行了研究。根据VDRAS反演的动力场来看，对流云单体合并主要发生在低层辐合区内，合并后上升运动加强，上升气流范围变大，闪电活动显著增强，并主要发生在具有较强垂直风切变的区域，少部分闪电发生在对流区后部开始出现下沉气流的区域。
2018, 42(6): 1407-1420.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17205
摘要:
本文对比分析了1998年和2016年这两个强El Niño衰减年东亚夏季风的季节内变化。结果表明，在6~7月期间，由于热带印度洋海温偏高、对流偏强，造成西太平洋暖池对流偏弱，西太平洋副热带高压（副高）偏西偏强，长江流域降水偏多，华南偏少，东亚夏季风异常具有典型的El Niño衰减年特征。但两年的8月份有很大差异，虽然1998年8月与6~7月相似，但2016年8月份则完全不同。受乌拉尔地区异常反气旋的影响，源自西伯利亚东部的北风异常穿越东亚并直抵暖池地区，造成副高分裂并减弱东退，同时激发暖池对流发展，而对流的发展则进一步促使副高减弱。因此，2016年8月东亚夏季风异常与1998年8月相反，中国北方夏季降水异常也呈现很大差异。另外，1998年热带大西洋偏暖，并通过热带环流变化影响到东亚夏季风异常，其强迫作用与热带印度洋类似。而2016年大西洋海温异常较弱，对东亚夏季风影响也较弱。因此，El Niño对东亚夏季风的影响不仅与其强度有关，还与El Niño衰减之后造成的印度洋和大西洋海温异常有关。本文的分析结果表明，即使在强El Niño衰减年夏季，由于El Niño之间的个性差异以及其他因子的影响，东亚夏季风季节内变化仍然能呈现出显著差异，特别是在8月份。因此，在预测东亚夏季风异常时，宜将6~7月和8月分别考虑。此外，为进一步提高东亚夏季风预测水平，除传统的季度预测外，还需要进一步加强季节内尺度的预测。
本文对比分析了1998年和2016年这两个强El Niño衰减年东亚夏季风的季节内变化。结果表明，在6~7月期间，由于热带印度洋海温偏高、对流偏强，造成西太平洋暖池对流偏弱，西太平洋副热带高压（副高）偏西偏强，长江流域降水偏多，华南偏少，东亚夏季风异常具有典型的El Niño衰减年特征。但两年的8月份有很大差异，虽然1998年8月与6~7月相似，但2016年8月份则完全不同。受乌拉尔地区异常反气旋的影响，源自西伯利亚东部的北风异常穿越东亚并直抵暖池地区，造成副高分裂并减弱东退，同时激发暖池对流发展，而对流的发展则进一步促使副高减弱。因此，2016年8月东亚夏季风异常与1998年8月相反，中国北方夏季降水异常也呈现很大差异。另外，1998年热带大西洋偏暖，并通过热带环流变化影响到东亚夏季风异常，其强迫作用与热带印度洋类似。而2016年大西洋海温异常较弱，对东亚夏季风影响也较弱。因此，El Niño对东亚夏季风的影响不仅与其强度有关，还与El Niño衰减之后造成的印度洋和大西洋海温异常有关。本文的分析结果表明，即使在强El Niño衰减年夏季，由于El Niño之间的个性差异以及其他因子的影响，东亚夏季风季节内变化仍然能呈现出显著差异，特别是在8月份。因此，在预测东亚夏季风异常时，宜将6~7月和8月分别考虑。此外，为进一步提高东亚夏季风预测水平，除传统的季度预测外，还需要进一步加强季节内尺度的预测。
