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2021年  第45卷  第4期

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2021-04期封面+目录+封底
2021, (4): 1-2.
摘要:
为什么NCEP-CFSv2模式对11月西伯利亚高压强度的预测性能较好
杨洪卿, 范可, 田宝强, 华维
2021, 45(4): 697-712. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20106
摘要:
作为东亚冬季风的关键系统,西伯利亚高压的变化对欧亚大陆冬季天气及气候异常产生重要影响。本文系统地评估了美国国家环境预测中心第二代气候预测系统(NCEP-CFSv2,National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System, version 2)对冬半年(11~2月)及逐月西伯利亚高压强度的预测效能。结果表明,NCEP-CFSv2模式仅对11月西伯利亚高压强度的预测效能较好,研究其成因发现11月西伯利亚高压强度主要受该地区热力、动力过程以及西伯利亚地区积雪状况的影响。在热力过程方面,NCEP-CFSv2模式可以较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区表层土壤温度、对外长波辐射等热力因素;在动力过程方面,模式能较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区对流层低层辐散环流、中高层下沉运动;同时,模式也能较好地再现11月西伯利亚高压强度与该地区积雪覆盖率之间的相互作用。因此,与11月西伯利亚高压相联的热力、动力过程和该地区积雪状况可能是11月西伯利亚高压强度的可预测来源,且NCEP-CFSv2模式能较好地再现这些可预测来源。
1961~2018年西北地区降水的变化特征
王澄海, 张晟宁, 李课臣, 张飞民, 杨凯
2021, 45(4): 713-724. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20216
摘要(860) HTML (161) PDF (7684KB)(389)
摘要:
邻接青藏高原地区的中国西北地区是最大的欧亚干旱区,其降水变化对全球变化的响应和对干旱环境及其青藏高原气候变化都具有特殊的指示意义。基于1961~2018年中国西北地区144个站的逐日降水、逐月气温观测资料,分析了西北地区的降水变化特征及趋势。结果表明:(1)近60年以来,西北地区92%站点的年降水量呈现增加的趋势,只有甘肃东南部不到10%的站点呈下降趋势;(2)季节尺度上,春、夏、秋季中超过75%站点的降水呈现增加的趋势,但最显著的是,几乎所有站点在冬季的降水为增加趋势,秋、冬季降水的增加相对较少,反映了冬季风对西北地区降水影响的特点;(3)进入21世纪以来,西北地区夏季和年降水量仍然维持准3 a周期特征,春、秋季的周期具有阶段性、冬季降水量具有较稳定的约3 a周期,因此,自然周期变化对降水增加的贡献并不大。西北地区降水量在过去60年来确实呈现出增加趋势,尤其21世纪以来降水量持续增加,但增加的量是有限的,不足以改变其干旱半干旱的气候特征。
CAS-ESM模式对欧亚大陆逐日降水特征的数值模拟:物理参数化方案和水平分辨率的影响
孔祥慧, 王爱慧, 毕训强, 李星雨, 张贺
2021, 45(4): 725-745. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20171
摘要:
本文利用中国科学院大气物理研究所地球系统模式CAS-ESM和NCAR CESM中的气候系统模式开展了一系列不同物理参数化方案和水平分辨率的模拟试验,并针对欧亚大陆逐日降水特征模拟性能进行分析研究。本研究进行了四组时长为19年(1998~2016年)的AMIP(Atmospheric Model Intercomparison Project)数值积分试验:在1.9°×2.5°的低分辨率下NCAR CESM模式使用CAM5物理参数化方案组合(记为CESM),在1.4°×1.4°的低水平分辨率下CAS-ESM模式使用CAM4与CAM5两种不同物理参数化方案组合(依次记为Lcam4和Lcam5),在0.5°×0.5°的高水平分辨率下CAS-ESM模式使用CAM5物理参数化方案(记为Hcam5)。通过与GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)、CMORPH(CPC MORPHing technique)观测资料比较,两个模式较好地再现了平均降水特征和极端降水的气候态,但模式的降水频率偏大、降水强度偏弱。CESM的大雨日数与观测较为接近,Hcam5模拟的日最大降水量与观测最接近。针对CAS-ESM模式,不同物理参数化方案和水平分辨率均对降水特征产生影响,其中提高分辨率对降水特征的模拟有显著的改进。Lcam4和Lcam5相比,Hcam5显著提高了极端降水的模拟性能。在欧亚大陆中高纬地区,Lcam4的降水频率高于Lcam5;而在中国东部,Hcam5的降水频率比Lcam5小,与GPCC偏差更小。进一步分析的结果表明,与Lcam5相比,在欧洲地区Lcam4中的大尺度降水较多,水汽输送更强。在中国东部,Hcam5中对流性降水频率比Lcam5更小,而大尺度降水和水汽输送更大,使得高分辨率的模拟试验性能提高。
高黎贡山复杂地形下局地环流的数值模拟研究
邢雯雯, 孙绩华, 刘辉志, 许鲁君
2021, 45(4): 746-758. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20112
摘要:
本文利用中尺度模式WRF(weather research and forecasting)模拟了2016年干季和湿季高黎贡山南段(腾冲—保山地区)山谷风环流,分析YSU、MYJ、MYNN3、ACM2和BouLac五种边界层参数化方案在高黎贡山复杂下垫面的适用性。研究结果表明YSU方案对温度模拟的效果最好;ACM2模拟的风速平均绝对误差最小;MYNN3方案模拟的风向绝对误差最小,YSU方案和MYJ方案模拟的风向日变化趋势与观测更加一致。高黎贡山南段地区上午09时(北京时,下同)出现谷风环流,夜间19时转为山风环流。白天多为偏南风,夜间为偏北风和偏西风。白天山顶气流辐合而山谷气流辐散,夜间相反。白天风速大于夜间。干季西风风力较弱,有利于低层局地环流的发展;而湿季受较强的偏东背景风影响时,局地环流的发展受到抑制,边界层高度也就低于干季。干季西风遇到高黎贡山,在西坡下沉并形成涡旋,西侧湍流混合充分,边界层高度高;湿季偏东风使高黎贡山西侧谷风减弱,腾冲与保山的边界层高度相差不大。
大气冰核:研究进展与挑战
吴志军, 陈洁, 陈景川, 顾文君, 唐明金, 丁德平, 银燕, 胡敏
2021, 45(4): 759-776. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20121
摘要(204) HTML (52) PDF (5524KB)(126)
摘要:
大气冰核参与初始冰晶的异质形成,影响冰云的微物理过程和辐射性质。阐明大气冰核浓度、来源、性质及活化成冰的微观机制,是深入认识气溶胶与云相互作用的关键。本文梳理了近年来国内外在冰核测量技术、冰核活化机制、外场观测及其参数化方案等几个方面取得的进展,明晰了冰核研究存在的挑战。此外,本文也指出了我国加强大气冰核研究的必要性和迫切性。
观测分析El Niño衰减早晚对南亚与青藏高原夏季降水和气温的影响
梁涵洲, 吴其冈, 任雪娟, 姚永红, 刘师佐
2021, 45(4): 777-798. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.20141
摘要:
El Niño(厄尔尼诺)事件对东亚和南亚次年夏季降水影响及其机理已经得到充分研究,但其对夏季青藏高原降水是否有显著影响还不清楚。本研究根据1950年后El Niño事件次年衰减期演变速度,对比分析衰减早型与晚型El Niño事件对南亚季风区与青藏高原夏季(6~9月)季节平均和月平均气候影响差异。结果显示在衰减早型次年夏季热带太平洋海温转为La Niña(拉尼娜)型且持续发展,引起Walker环流上升支西移,印度洋和南亚季风区上升运动加强,同时激发异常西北太平洋反气旋(NWPAC),阿拉伯海异常气旋和伊朗高原异常反气旋性环流响应,增加7~9月对流层偏南气流和印度洋水汽输送,导致南亚和高原西南侧降水偏多。衰减晚型次年6~8月热带太平洋El Niño型海温仍维持,印度洋暖异常海温显著,对应的印度洋和南亚季风区上升运动较弱,NWPAC西伸控制南亚季风区,阿拉伯海和中西亚分别呈现异常反气旋和气旋性环流,导致青藏高原西风加强,水汽输送减少,南亚北部和高原降水一致偏少。结果表明:(1)El Niño显著影响次年青藏高原西南部夏季季节和月平均降水与温度,是印度和高原西南部夏季降水显著相关的重要原因;(2)El Niño衰减快慢速度对南亚和青藏高原西南部夏季季节内降水的影响有着重要差异。
中国地区土壤湿度记忆性及其与降水特征变化的关系
赵家臻, 王爱慧, 王会军
2021, 45(4): 799-818. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20149
摘要:
本文首先利用中国气象局国家气象信息中心提供的中国732个站点观测的土壤体积含水量,评估了CLM4.5(Community Land Model version 4.5)在CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)近地面大气数据驱动下模拟的逐月土壤湿度(记为CLM4.5-CFSR),然后基于CLM4.5-CFSR比较了皮尔逊相关法和自相关法计算得到的1980~2009年中国地区土壤湿度记忆性的区域及季节分布特征,量化了土壤湿度的记忆能力,研究了降水频率、降水强度和近地表气温分别对土壤湿度记忆性的影响。结果表明:CLM4.5-CFSR能较好地反映出大部分地区月时间尺度上土壤湿度的变化特征。两种方法描述的土壤湿度记忆性的空间分布特征相似,但季节特征不同。不同深度土壤湿度的记忆时长相差不大,在0.85~2.2个月不等,其中内蒙古东北部较大,新疆西南部较小。春季,较湿的土壤记忆性也较强。当降水频率较低时,其对蒸发速率较大的地区土壤湿度的记忆性影响很小,当降水强度较大时,它会迅速补充土壤散失的水分,破坏初始时刻土壤的干湿状态,引起其记忆性减弱。近地表气温变化主要通过影响土壤的蒸发过程减弱土壤湿度的记忆性。未来可利用气候模式开展数值敏感性试验对本文得到的结论进行机理研究,为进一步提高季节和季节内尺度的降水预报提供依据。
华北典型农业区PM2.5组分分析与来源解析
曹宇坤, 温天雪, 张小玲, 司瑞瑞, 武欣蕊, 李安娜, 刘光静, 马永翔, 刘子锐, 辛金元
2021, 45(4): 819-832. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20159
摘要:
华北大气污染区域化正在对农业生态区域产生显著影响,为了了解华北农业地区大气细颗粒物PM2.5的季节分布特征,2017年7月、9月、12月以及2018年4月在中国科学院禹城农业生态综合实验站进行分季节PM2.5样品采集,并测定分析了样品中31种化学成分。结果表明,碳质气溶胶总体的浓度水平为13.11±8.37 μg m−3,有机碳(OC)冬春季节浓度较高,元素碳(EC)浓度在秋冬季节较高。同时OC/EC的比值在秋季明显偏低,表明在秋季二次碳质气溶胶对PM2.5贡献较小。水溶性离子浓度总体在冬季最高。\begin{document}${\rm{NO}}^-_3 $\end{document}/\begin{document}$ {\rm{SO}}^{2-}_4$\end{document}比值在夏季明显偏低为0.69,华北地区夏季固定点源对大气污染的贡献相对较高。PM2.5中金属元素以Na、Mg、Al、Ca、K、Fe等地壳元素为主,具有致癌风险的Co、Cr、Ni、Pb、As等金属元素年均浓度为0.32±0.24 ng m−3、5.40±5.42 ng m−3、10.23±7.46 ng m−3、42.23±27.75 ng m−3、5.66±3.79 ng m−3。受体模型(PMF)计算结果表明,PM2.5的主要来源为二次污染源、生物质燃烧源、燃煤燃油源、柴油车尾气和土壤源,贡献率分别达37.1%、18.2%、14.2%、9.4%和7.9%,表明农业区细颗粒物污染受到华北工业、农业与自然排放的多重影响。
西北太平洋副热带高压的不同指数及其与中国东部夏季降水关系的探讨
聂俊, 刘鹏, 赵灿
2021, 45(4): 833-850. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20160
摘要:
本文利用再分析资料与台站降水资料,比较了不同副高指数的变化特征,分析了不同指数与中国东部夏季降水的关系及相应环流变化。结果表明,副高指数可分为三类:绝对强度指数、相对强度指数和南北指数。绝对强度指数有上升趋势,对应5870 gpm等值线向西的扩张;相对强度指数有下降趋势,对应扰动位势0线的缩小;南北指数无明显趋势变化,表现为副高脊线基本围绕25°N振荡。不同副高指数对应的环流与降水异常表明,绝对强度指数虽然不能较好的描述副高局地的涡度变化,但其与东亚EAP(East Asia–Pacific,东亚—太平洋)型遥相关关系较好,在这种情况下,该指数与长江流域降水存在高相关,指数正异常时,华北偏干,长江中下游水汽辐合降水增加;反之降水型相反。相对强度指数能较好的描述副高局地的涡度变化,但其与EAP型遥相关关系较弱,因此相对强度指数与降水关系较弱,指数正异常时,降水中心仅出现在长江中游;反之,受异常偏北风影响,我国降水体现为北旱南涝。南北指数对副高局地的涡度变化以及EAP型遥相关都有较好表征,该指数与长江以南以及华北的降水有较好的相关性,指数正异常时,水汽大量向北运输,造成华北多雨而长江干旱;反之,相反的环流型使雨带移至华南。
增强副热带高压对西南涡影响的数值试验
卢萍, 李跃清
2021, 45(4): 851-862. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20161
摘要:
本文通过对伴随副热带高压(简称“副高”)东退而东移的一次典型西南涡天气过程(简称“20150721”过程)进行数值模拟,采用数值敏感性对比试验探讨了增大副高强度对这次东移西南涡的影响,得到以下结论:(1)副高强度增大以后,可长时间稳定维持,能对西南涡中尺度天气系统整个发展演变过程造成持续影响。西南涡路径和强度的变化直接改变了降水的落区和强度。(2)副高强度增大率先改变了环流场,使入侵的北风偏弱,西南引导气流偏强,最终导致西南涡发展偏弱、移速偏快。(3)环流场的改变直接影响到水汽输送、辐合辐散,从而进一步影响西南涡的发展演变过程。(4)副高强度增大以后,西南涡移速过快,导致了低涡中心与低层热力中心偏离,使得动力和热力中心不完全匹配,由此削弱西南涡发展强度。
基于FY-4A卫星资料的四川盆地MCC初生和成熟阶段特征
张琪, 任景轩, 肖红茹, 王佳津, 肖递祥
2021, 45(4): 863-873. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20143
摘要:
利用高频次FY-4A数据资料,研究了四川盆地2018年中尺度对流复合体MCC(mesoscale convective complex)初生和成熟阶段的卫星云图特征。结果表明,MCC对流云团面积在初生阶段和成熟阶段分别以0~50 pixels (15 min)−1和150~200 pixels (15 min)−1的速率增长,最强可达7000~10000 pixels左右。亮温梯度大值区位于初生阶段的低空入流区一侧,集中在云顶纹理最为丰富的240 K等值线附近,最大值为30°C~40°C,基本消失于成熟阶段。云顶红外IR1(infrared radiation 1 channel)和水汽通道IR3(water vapor channel)最低亮温值在初生和成熟阶段变化趋势一致,均为初生阶段迅速下降至190 K左右的最低谷,而成熟阶段维持最低值基本无变化。初生和成熟阶段的IR1和IR3降温率R(cloud top cooling rate)分布形态相似,初始阶段低空入流区一侧的240 K等值线附近的降温率达−40 K (15 min)−1,为显著降温区,成熟阶段的降温幅度普遍升至−25~−10 K (15 min)−1。MCC主体云区初生和成熟阶段的亮温差正负值区分界线基本与221 K等值线重合,最大值分别为6~10 K和0–6 K,且初始阶段低层入流区的降温最为剧烈,达15~20 K (15 min)−1之多,而成熟阶段基本无变化。
GRAPES-GEPS全球集合预报系统湿奇异向量的时空尺度敏感性研究
王静, 刘娟娟, 王斌, 陈静, 刘永柱
2021, 45(4): 874-888. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20164
摘要:
湿奇异向量(Moist Singular Vectors,简称MSVs)是包含了湿物理切线性过程计算得到的奇异向量。研究MSVs对最优化时间间隔(optimization time interval,简称OTI)及模式水平分辨率的敏感性对提高集合预报效果至关重要。本文基于中国气象局数值预报中心自主研发的全球/区域同化和预报系统(Global/Regional Assimilation and Prediction System,简称GRAPES)——全球集合预报系统(Global ensemble prediction system,简称GEPS)业务版本研究了4组不同时空尺度(不同OTI和水平分辨率)下的MSVs,从能量模、能量谱、空间剖面等方面分析热带外MSVs特征,并从等压面变量评分、降水评分、降水概率预报等方面评估不同初值的集合预报效果。结果表明:提高MSVs水平分辨率可使其扰动具有较大的增长率,缩短OTI后MSVs能量向上传播的趋势更明显,并可以在中尺度范围产生较大SVs扰动。不同OTI下初始MSVs相似性较低,结构差异较大。从集合预报的结果来看,OTI为24 h试验的集合扰动能量增长较大,集合离散度在预报的0~96 h有明显提升,特别是2 m温度,且近地面要素的outlier评分也有明显改进。进一步分析发现,提高水平分辨率和缩短OTI的MSVs能够提高降水概率预报,而降水评分显示,同一水平分辨率下,OTI越短评分越好,但是提高MSVs的水平分辨率并不一定会提升小雨到中雨量级的降水评分。
冬季亚洲中纬度极端低温事件与巴伦支—喀拉海异常增暖的关系及联系机制
李言蹊, 陈海山
2021, 45(4): 889-900. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20168
摘要:
利用1979~2019年NCEP-DOE再分析资料,分析了亚洲中纬度冬季极端低温事件发生频次与巴伦支—喀拉海异常增暖的联系及可能机制。研究表明:巴伦支—喀拉海异常增暖通常对应西伯利亚高压异常增强及亚洲中纬度极端低温频发。进一步分析发现,伴随巴伦支—喀拉海异常增暖,新地岛、乌拉尔山附近出现位势高度正异常,在位势高度正异常的东侧、南侧对应显著的冷平流及下沉运动异常,并在近地面出现异常辐散气流,使得西伯利亚高压增强且向东南延伸。热力学方程诊断的结果表明:西伯利亚高压异常南侧东北风导致的异常冷平流、偏东风异常经过地形造成的异常上升运动以及辐射、感热、潜热交换造成的异常非绝热冷却导致亚洲中纬度近地面温度季节循环振幅增大,有利于极端低温频发。
云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化效果评估
王业桂, 张斌, 李娟, 蔡其发, 兰伟仁, 郭贤鹏, 王广杰
2021, 45(4): 901-914. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20187
摘要:
本文基于T799L91全球数值天气预报模式及其四维变分同化系统,构建了云海-2掩星探测资料的同化流程,并以2019年7月开展了为期一个月的云海-2掩星探测资料同化预报试验。对东亚区域、北半球和南半球的同化预报结果评估表明:在全球数值天气预报模式中,同化云海-2掩星探测资料能够有效提高预报场的准确性,提高的幅度随着预报时效和预报日数的增加逐渐增大;在更长时效的72 h、120 h、168 h预报中,云海-2掩星探测资料与GPS(Global Positioning System)掩星探测资料的同化效果在中前期相当,在中后期,同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料;随着预报日数的增加,联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的优势逐步显现。
“暖北极—冷欧亚”模态的年代际变化及其与北大西洋海温的联系
王婧, 吕俊梅
2021, 45(4): 915-930. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20205
摘要:
本文利用美国航空航天局戈达德空间研究所地表气温、美国国家海洋和大气局—环境科学协作研究所20世纪再分析资料,以及第六次国际耦合模式比较计划的多模式Historical试验结果,去除外强迫影响后,研究1910/1911~2019/2020年冬季(DJF)欧亚中高纬地区“暖北极—冷欧亚”(WACE)模态的年代际变化特征及其物理原因。结果表明:WACE具有显著的年代际变化,在WACE正位相时期,乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于热量向极区输送使得极区出现异常暖平流,且水汽向极区输送导致极区水汽辐合,向下长波辐射增加,另外对流活动增强导致潜热释放,进而极区温度上升。与此同时,极涡及欧亚大陆西风减弱且乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于冷空气侵袭欧亚大陆造成异常冷平流,且欧亚地区水汽辐散,向下长波辐射减少,对流活动减弱进而潜热释放减少,导致欧亚大陆温度降低。最后利用CAM3.0大气环流模式模拟了北大西洋海温正异常对WACE的影响,模式结果与统计结果相符合,进一步说明了北大西洋海温正异常可以通过强迫低层与高层大气环流异常,导致极区水汽辐合,欧亚大陆水汽辐散,进而影响WACE的年代际变化。