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2020年  第44卷  第6期

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2020-06期封面+目录
2020, (6): 1-2.
摘要:
副热带东亚季风区一次穿透性对流过程影响下平流层成分变化的个例分析
孙宁, 周天军, 郭准, 李普曦
2020, 44(6): 1155-1166. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2006.19148
摘要(300) HTML (79) PDF (6821KB)(155)
摘要:
穿透性对流是导致北半球夏季平流层低层南亚高压内水汽极值形成的重要机制之一,关于副热带东亚季风区穿透性对流是否对平流层低层水汽等物质分布存在影响目前尚不清楚。本文选取2016年的武汉暴雨事件,采用Cloudsat和Aura Microwave Limb Sounder(MLS)卫星数据,分析了东亚季风区的穿透性对流活动对上对流层/下平流层物质分布的影响。利用CloudSat卫星资料云分类产品和Aura MLS卫星数据联合分析武汉暴雨过程中捕捉到1次穿透性对流事件,该事件发生于2016年7月4日05时(协调世界时)的穿透性对流,中心位于海上梅雨带区域。分析表明,这次对流穿透事件对上对流层/下平流层物质分布有显著影响,穿透性对流活动影响到对流层顶以上的物质分布,具体表现是:首先,穿透性对流显著减少了局地对流层顶附近的臭氧含量,较之气候态对流层顶臭氧含量偏少32.53%;其次,穿透性对流能够增加局地对流层顶附近的水汽混合比含量,它通过更多的云冰粒子蒸发来增强局地平流层水汽含量,同时通过更强的垂直水汽输送来直接加湿平流层。此次穿透性对流事件对水汽变化影响较之对臭氧含量变化的影响更为显著,它使得对流层顶水汽混合比增加近乎一倍(98.15%)。因此,副热带东亚季风区的穿透性对流活动对于对流层向平流层的物质输送起着重要的作用。
20世纪90年代以后华北初春低温增强和北大西洋海温关系
徐玮平, 张杰, 刘晨, 孟祥新
2020, 44(6): 1167-1187. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19127
摘要:
本文利用ECMWF再分析资料及Hadley中心提供的海温数据分析了20世纪90年代以后华北地区初春低温增强的原因,并通过数值模拟结果予以验证。结果表明,北大西洋“马蹄型”海温模态与影响我国华北地区的欧亚波列存在显著的相关关系。同时该海温模态与1997年以后北大西洋关键区垂直波作用通量有着较密切的相关关系,1997年以后北大西洋地区的500 hPa环流模态,整体呈现出东移南撤的趋势。1997年以后格陵兰岛东侧表面温度受异常热力强迫导致正值区增多,同时此处西风急流加大,有利于Rossby波向下游传播,导致其下游欧洲大陆地区形成暖脊。通过局地多尺度能量涡度分析法(Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,简称MS-EVA)证明格陵兰岛东侧关键区表面温度的异常热力强迫作用与气压梯度力在对流层整层做正功,导致高层动能的增加并向外辐散,使得脊加强向北伸展。通过欧亚波列致使下游华北地区上空气旋式异常加强,促使亚洲极涡加强和稳定维持,华北地区温度下降剧烈,极端低温事件增多。最后通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋“马蹄型”海温模态对大气环流异常及华北地区极端低温的影响。模拟结果很好地验证了观测结果,进一步表明该海温模态可以通过激发出欧亚波列,影响欧亚大陆大气环流异常,进而导致我国华北地区气旋性加强和经向环流加大,极端低温事件增多。
绿洲灌溉对垂直湍流热通量影响的大涡模拟研究
曹帮军, 吕世华, 张宇, 李彦霖
2020, 44(6): 1188-1202. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19163
摘要:
为了研究湍涡对中尺度绿洲灌溉的响应,利用WRF模式大涡模拟模块(WRF-LES)在西北半干旱区绿洲区开展灌溉前和灌溉后两个大涡模拟试验(分别简称为BI和AI),其中灌溉可能会改变绿洲非均匀强度。利用面积平均的办法计算湍流热通量并利用小波分析将湍流热通量模态分解到不同的尺度。结果表明灌溉增加了土壤湿度,引起绿洲内部非均匀强度增加,灌溉对垂直热通量以及通量频散都有较大影响。AI中的湍涡为网状,与BI中一致。AI与BI中的感热通量的频散高度都随着感热通量的减小而减小。AI与BI中感热通量小波能量谱尺度一致,但是BI中强度比AI小。潜热通量的频散高度依赖于感热通量,且潜热通量能量谱随高度减小。空间滞后相关系数的结果表明由于灌溉前地表加热较强,感热通量对地表热通量的响应高度在灌溉之前(BI)比灌溉后(AI)更高。灌溉后的通量模态的飘移距离小于灌溉前的。
中国干湿变化的高分辨率区域气候模式预估
王恺曦, 姜大膀, 华维
2020, 44(6): 1203-1212. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19176
摘要:
本文使用三个全球气候模式驱动下的高分辨率区域气候模式RegCM4的试验数据,首先评估了RegCM4对参考时段(1986~2005年)中国干燥度指数(AI)的模拟能力,而后根据典型浓度路径中等排放(RCP4.5)情景下RegCM4试验对中国未来干湿变化进行了预估研究。结果表明,RegCM4能够合理模拟中国区域AI的空间分布。两种潜在蒸散发计算方法得到的参考时段AI在空间分布和数值上存在一定差异,尤其是在中国西部高海拔地区和北方地区。在三个全球气候模式驱动场作用下的RegCM4预估试验中,21世纪中期(2046~2065年)和末期(2081~2098年)中国区域平均AI较参考时段分别减小2%~4%和2%~5%,其中西北中部变湿,其他地区均变干。不同地区未来干湿变化的主要影响因素存在差异,西北中部降水变化为主导因素,其他地区主要受控于升温所引起的潜在蒸散发变化。
气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析
陶昕宇, 黄建平, 谢晓金, 王咏薇, 包云轩, 刘诚, 张潇艳, 徐家平
2020, 44(6): 1213-1223. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19180
摘要:
2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM2.5(直径小于2.5微米的颗粒物)浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物(如臭氧和PM2.5)浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。
基于多源陆面通量数据相融合的新资料及其在中国夏季风影响过渡区的应用
李宏宇, 张强, 王春玲, 马贵东, 井元元, 岳平, 张良
2020, 44(6): 1224-1242. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.19192
摘要:
夏季风影响过渡区是陆面能量交换与区域气候相互作用显著的热点区域。然而,目前缺乏适用于该区域的高精度长期通量数据集,这限制了陆面水热交换与气候相互作用的研究。如何融合目前已有的多源通量资料进行重构建以及应用显得十分必要。本研究综合包括中国北方协同观测试验和中国通量网的多种下垫面通量观测以及多种格点资料,试图重构中国夏季风影响过渡区的陆面能量通量数据集。在筛选具有优良下垫面代表性站点并考察模拟和观测散点分布规律的基础上,利用多元回归模型构建了一套适用于夏季风影响过渡区并且受观测资料约束的月平均感热、潜热和净辐射数据集。交叉验证结果表明构建的数据集相对于几种原始格点数据集精度有一定提高,最大程度上消除了原始格点资料的系统偏差。进一步分析表明在地表能量平衡分量中,陆面湍流通量对夏季风的响应更为显著,并且夏季风影响过渡区陆面湍流热通量对夏季风持续时间呈现对数分布的年际变化规律;当夏季风处于低持续影响状态时陆面湍流热通量年际变化更为显著,偏弱的夏季风系统可能导致陆面过程对气候变化更强的影响。本文基于多源通量数据融合构建的新数据集可以为气候变化研究提供数据支撑,同时增加了对陆面过程与季风系统相互作用的认识。
在线连续流量扩散云室对华北冬季大气冰核的观测分析
毕凯, 黄梦宇, 马新成, 田平, 陈羿辰, 丁德平
2020, 44(6): 1243-1257. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19194
摘要:
利用国内首台在线连续流量扩散云室,2017年冬季在华北地区高山站开展了大气冰核观测;结合常规气象要素、降水滴谱、气溶胶观测,分析了大气冰核数浓度特征,并对冰核活化参数化方法以及降雪对冰核的影响进行了研究。结果表明:(1)大气冰核在不同时间的浓度差异较大,−20°C时数浓度变化范围为2.50~76.8 L−1,平均值为18.347 L−1;(2)大气冰核浓度随活化温度降低呈指数增加趋势,随过饱和度增加呈指数增加,凝华核化所占比例约为18.64%;(3)大气冰核与粒径大于0.5 μm的气溶胶数浓度的关系可用参数化表示,相关性大于仅基于活化温度建立的参数化公式;(4)降雪过程大气冰核具有先增加后减少的特征。降雪开始后大气冰核数浓度增加,降雪后期系统过境伴随的大风,对气溶胶的清洗作用明显,大气冰核随之减少。本研究为在线连续流量扩散云室类型的冰核观测仪在国内首次使用,所建立的冰核参数化公式有助于华北地区冬季地形云及其降水的微物理特征研究,同时在云模式的发展和人工影响天气研究中也有重要的参考意义。
2014年南京青奥会开幕式日降水过程数值模拟研究
查思佳, 张慧娇, 李逍潇, 花少烽, 陈宝君
2020, 44(6): 1258-1274. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2002.19200
摘要:
为评估2014年南京青奥会开幕式日的人工催化消减雨作业效果,利用中尺度数值模式WRF对当日的云降水过程和催化作业开展数值模拟。本文系第一部分工作。首先对常用的八种云微物理方案的降水模拟效果进行评估,进一步选取Thompson和Milbrandt-Yau两个微物理方案对此次降水过程的云系结构和降水形成机制进行对比分析。模拟结果表明,采用Thompson和Milbrandt-Yau两个方案模拟的云系结构和降水形成的微物理机制是一致的。开幕式当天影响奥体场馆的降水由弱的积层混合云系产生,降水过程以冰相微物理过程为主。雪的融化是雨水的主要源项,Thompson方案中雪的融化对雨水的贡献率为72%,Milbrandt-Yau方案为60%,蒸发则是雨水的主要汇项,Thompson方案中蒸发对雨水的消耗率达94%,Milbrandt-Yau方案为95.6%。
一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究
汤欢, 傅慎明, 孙建华, 麦子, 靳双龙, 张元春
2020, 44(6): 1275-1290. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19206
摘要(4209) HTML (46) PDF (3503KB)(3503)
摘要:
基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时(协调世界时,下同)一次青藏高原(简称高原)中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究(四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm)。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积(相当黑体亮度温度TBB≤−52°C)可以有效地指示西南低涡强度(涡度)的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。
基于骨架的线状对流系统客观量化识别算法研究
盛杰, 郑永光, 沈新勇, 张小雯
2020, 44(6): 1291-1304. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.19210
摘要:
本文将计算机图形学骨架概念应用到气象学领域,发展了回波图像预处理、骨架修剪处理以及长宽比量化处理技术,该方法能自动识别出雷达回波拼图中符合气象学标准的线状对流系统(quasi-linear convective systems,QLCSs)。首先结合2016年黄淮地区一次双QLCSs过程给出了基于骨架的QLCSs客观量化算法的具体技术流程,然后利用该方法对2016年6月安徽地区的QLCSs进行客观筛选,并进一步量化识别QLCSs的移动特征,结合灾害天气实况与主观识别进行对比评估,结果表明:结合气象学标准改造的骨架图像识别算法,较好保留了气象回波形状信息,在准确量化对流系统长短轴的基础上,实现QLCSs的有效识别。而获得的量化移动矢量等特征,一方面可应用于致灾QLCSs的分类研究,为开展长序列统计及致灾机理分析提供个例识别方法和量化特征,另一方面也为QLCSs的短临监测预警业务提供新的思路。
1961~2016年中国春季极端低温事件的时空特征分析
艾雅雯, 孙建奇, 韩双泽, 张梦琪, 华维
2020, 44(6): 1305-1319. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19223
摘要:
利用1961~2016年中国529个台站逐日最低气温资料,研究了中国春季极端低温事件的时空变异特征。旋转经验正交分解结果显示,中国春季极端低温事件的频次在空间上可以分为5个区域,即东北—华北东部地区、江南地区、西北东部—华北西部地区、西南地区和新疆北部地区。小波分析表明,这5个区域春季极端低温事件的频次在年际尺度上呈现出2~4年的振荡周期,其中江南地区、西北东部—华北西部地区和新疆北部地区2~4年的振荡周期在整个研究时段都显著,但东北—华北东部地区和西南地区2~4年的显著周期分别出现在20世纪80年代之前和80年代到90年代中期。在长期变化上,这5个区域春季极端低温事件的频次总体均呈减少趋势,但突变年份具有明显差异。Mann-Kendall和滑动t检验结果表明,东北—华北东部地区春季极端低温事件频次的突变时间为1987/1988年、江南地区为1995/1996年、西北东部—华北西部地区为1990/1991年、西南地区为1987/1988年、新疆北部地区为1997/1998年。伴随着春季极端低温事件频次的降低,5个区域春季极端低温事件的强度在过去半个多世纪也呈现出显著的下降趋势。但近10年来,中国东部地区春季极端低温事件的频次和强度却有所增加,需要引起关注。
“威马逊”(1409)强降水物理过程模拟诊断研究
薛一迪, 崔晓鹏
2020, 44(6): 1320-1336. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2003.19224
摘要:
利用WRF模式,结合三维降水诊断方程和降水效率定义,针对1409号超强台风“威马逊”临岸迅速加强为超强台风并登陆我国华南沿海这一时段的强降水物理过程开展了高分辨率数值模拟诊断研究。结果表明,“威马逊”主体环流区域内一直维持很强的平均降水强度(PS),陆地和海洋PS的相对贡献基本呈反向变化,登陆期间陆面摩擦辐合增强,有利于水汽更多地向陆地区域辐合(QWVA代表垂直积分的三维水汽通量辐合/辐散率,此时段QWVA为正值),造成登陆前短时段内陆地上空局地大气增湿(QWVL代表垂直积分的水汽局地变化率的负值,此时段Q WVL为负值),借助云微物理过程快速转化为液相和固相云水凝物(QCLLQCIL分别代表垂直积分的液相和固相云水凝物局地变化率的负值,此时段QCLLQCIL为负值),促使陆地上空降水云系快速发展和降水强度增强,而当环流中心位于北部湾洋面时,海洋QWVA的相对贡献显著增强,登陆期间下垫面的变化导致水汽相关物理过程明显变化,进而造成降水云系和强降水中心的显著变化;与陆地相比,海洋表面蒸发的作用更强,变化更明显;“威马逊”影响华南沿海期间,主体环流圈内平均的QCLLQCIL均基本呈现“正—负—正”的变化特征,当环流中心位于北部湾洋面(三次登陆时期)时水凝物含量以增加(减少)为主;“威马逊”主体环流区域内一直维持高降水效率,从主体环流圈接触陆地开始,陆地降水效率迅速升高,而海洋降水效率在绝大多数积分时段内维持较高数值,只在第二和第三次登陆后有所降低。
一次粤西南暴雨过程的预报误差来源分析
卢楚翰, 林琳, 周菲凡
2020, 44(6): 1337-1348. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20130
摘要:
本文基于WRF模式研究了2015年5月16~17日广东西南地区的一次暴雨过程的预报误差来源。首先比较了以NCEP_FNL为初始资料的WRF模式的模拟预报(记为WRF_FNL)和ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)关于该次暴雨过程的确定性预报。结果表明,ECMWF具有较高的预报技巧,因此,认为ECMWF的模式和初始场都较为准确。进一步,以ECMWF的初值作为初始场,选用相同的物理参数化方案,再次用WRF模式进行预报(预报结果记为WRF_EC)。结果表明相对WRF_FNL,WRF_EC的预报结果有明显改善。这表明,初始场的改进对预报有较大的影响,初始误差是预报误差的重要来源。进一步,分析了初始误差的主要来源区域和来源变量。结果表明,南海北部湾至广西西南区域为本次暴雨预报初始误差的主要来源区域,而初始温度场和初始湿度场则为此次暴雨预报初始误差的主要来源变量。同时改进初始温度场和湿度场可以较大程度提高本次暴雨过程的预报技巧。
集合变分混合同化方案在快速循环同化系统中的应用研究
张涵斌, 李玉焕, 陈敏, 冯琎, 范水勇, 沈海波
2020, 44(6): 1349-1363. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20118
摘要:
基于北京市气象局快速循环同化系统RMAPS-ST以及对流尺度集合预报系统RMAPS-EN,构建了En-3DVAR集合变分混合同化系统,将该系统应用到业务快速循环同化系统中并进行试验,分别在冷启动与循环启动环境下对比了混合同化系统(Hybrid)与三维变分(3DVAR)的同化预报效果。获得的结论如下:单点试验结果表明,混合同化系统分析增量的分布与集合预报离散度分布具有较好的对应关系;在冷启动和循环启动中,三维变分的分析增量都表现出各向同性的特点,混合同化分析增量均表现出一定的流依赖特征;降水个例分析表明,在冷启动环境中,Hybrid与3DVAR效果相当,而在循环启动中,Hybrid的降水预报相对于3DVAR有较明显的改进效果;批量试验检验结果表明,冷启动中,Hybrid与3DVAR的评分大致相当,而在循环启动中,Hybrid相对于3DVAR的评分有明显改进;集合离散度和背景场误差的相关性分析表明二者在循环启动环境下具有更好的相关性。
El Niño衰减年夏季西太平洋副热带高压的季节内变化
段欣妤, 薛峰, 郑飞
2020, 44(6): 1364-1376. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.19196
摘要:
本文分析了El Niño衰减年夏季西太平洋副热带高压(副高)的季节内变化,发现其季节内变化存在两种模态,一种是6~8月的一致偏西,另一种是6~7月偏西,而8月逆转为偏东,其中偏西模态的异常要远大于偏东模态。对偏西模态而言,由于热带北大西洋海温正异常的强迫影响,激发出一个从北大西洋经过欧亚大陆高纬度到东亚的遥相关,抑制了暖池地区的对流,东亚地区位势高度增加,从而导致副高加强西伸。在偏东模态下,热带印度洋海温异常演变与偏西模态类似,但强度偏低,同时热带北大西洋海温正异常在4月达到峰值后衰减,导致两大洋对8月暖池地区对流的抑制作用减弱。此外,由于6~7月暖池海温持续升高,在局地海气相互作用下,8月暖池对流发展,位势高度场降低,从而造成副高减弱东退。因此,副高8月异常主要取决于热带北大西洋海温异常。在预测El Niño 衰减年副高异常变化时,要综合考虑两大洋海温异常的影响。
2020zML 目录
2020, 44(6): 1-8.
摘要: