2022年 第46卷 第3期
2022, 46(3): 507-519.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.20212
摘要:
北京冬季降雪云系存在丰富的可开发利用的云水资源。出于人工增雪研究和充分开发云水资源的需要，文中对北京2019年11月29日发生的年度首场降雪进行了观测，对其资料做了分析和中尺度数值模拟，研究了降雪过程的宏观特征、水凝物输送及降雪的微物理机制。结果表明：影响本次北京降雪的是稳定性层状冷云云系，水凝物主要从北京区域的西边界和南边界输送到区域内，而从东边界和北边界流出，具有西向和南向分量的湿气流是降雪云系水物质的输送通道。降雪云中的水凝物基本全为冰晶和雪，有少量的云水，整层云系都含有非常丰富的水汽并且贯穿整个降雪时段。在冰面过饱和环境中，水汽凝华（Prds）是雪的主要增长过程；其次是云冰增长成雪（Prci）和云冰聚合成雪（Prai）的过程。
北京冬季降雪云系存在丰富的可开发利用的云水资源。出于人工增雪研究和充分开发云水资源的需要，文中对北京2019年11月29日发生的年度首场降雪进行了观测，对其资料做了分析和中尺度数值模拟，研究了降雪过程的宏观特征、水凝物输送及降雪的微物理机制。结果表明：影响本次北京降雪的是稳定性层状冷云云系，水凝物主要从北京区域的西边界和南边界输送到区域内，而从东边界和北边界流出，具有西向和南向分量的湿气流是降雪云系水物质的输送通道。降雪云中的水凝物基本全为冰晶和雪，有少量的云水，整层云系都含有非常丰富的水汽并且贯穿整个降雪时段。在冰面过饱和环境中，水汽凝华（Prds）是雪的主要增长过程；其次是云冰增长成雪（Prci）和云冰聚合成雪（Prai）的过程。
2022, 46(3): 520-540.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.20213
摘要:
慢特征分析（SFA）方法可以从非平稳时间序列中提取出慢变的外强迫信息。近年来，SFA方法被应用于气候变化研究领域，用于探究气候变化的潜在驱动力及相关的动力学机制。本文基于SFA方法，提取全球陆地表面气温（LSAT）的慢变外强迫信息，研究全球LSAT慢变驱动力的空间结构特征及低频变率的主要驱动因子。SFA方法提取的LSAT慢变驱动力与历史时期全球辐射强迫（GRF）和全球海表温度（SST）的主模态（大西洋多年代际振荡AMO、热带太平洋ENSO变率和太平洋年代际振荡PDO）有显著的相关关系，表明全球大部分地区LSAT的变率受到GRF和三个SST模态的显著影响。GRF对LSAT变率的影响有全球一致性的特征，而三个SST模态对LSAT变率的影响则呈现出明显的区域特点。此外，由于SFA方法可以有效降低原始LSAT序列中随机噪声的干扰，GRF和SST模态对LSAT变率的解释方差显著提高，进一步表明GRF和SST模态是全球LSAT低频变率主要的驱动因子。最后，利用历史海温驱动AGCM试验（即AMIP试验）的结果，验证了三个SST模态对区域LSAT变率的显著影响。
慢特征分析（SFA）方法可以从非平稳时间序列中提取出慢变的外强迫信息。近年来，SFA方法被应用于气候变化研究领域，用于探究气候变化的潜在驱动力及相关的动力学机制。本文基于SFA方法，提取全球陆地表面气温（LSAT）的慢变外强迫信息，研究全球LSAT慢变驱动力的空间结构特征及低频变率的主要驱动因子。SFA方法提取的LSAT慢变驱动力与历史时期全球辐射强迫（GRF）和全球海表温度（SST）的主模态（大西洋多年代际振荡AMO、热带太平洋ENSO变率和太平洋年代际振荡PDO）有显著的相关关系，表明全球大部分地区LSAT的变率受到GRF和三个SST模态的显著影响。GRF对LSAT变率的影响有全球一致性的特征，而三个SST模态对LSAT变率的影响则呈现出明显的区域特点。此外，由于SFA方法可以有效降低原始LSAT序列中随机噪声的干扰，GRF和SST模态对LSAT变率的解释方差显著提高，进一步表明GRF和SST模态是全球LSAT低频变率主要的驱动因子。最后，利用历史海温驱动AGCM试验（即AMIP试验）的结果，验证了三个SST模态对区域LSAT变率的显著影响。
2022, 46(3): 541-556.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20215
摘要:
已有研究表明辐射对热带气旋发生发展具有明显调制作用，高原涡与热带气旋有类似的暖心低压结构，辐射在高原涡发生发展过程中的作用也值得探讨。本文利用ERA-Interim再分析资料，通过中尺度数值模式WRF-ARW研究了辐射日变化对高原涡个例发展的影响机制。模拟结果表明，太阳短波辐射对高原涡的发生发展具有明显的调制作用。控制试验（CTL；即保留太阳辐射日变化）较好的再现了高原涡的发展过程。在去掉短波辐射过程的夜间试验（All_night）中，前期高原涡发展速度较快。而在白天（All_day）试验中，短波辐射过程抑制了高原涡的发展。诊断分析表明，夜间长波辐射冷却加强对流层温度递减率，减弱大气静力稳定度；同时，大气温度的降低使得夜间相对湿度增大，有利于对流层低层出现位势不稳定，进而促使高原涡的形成和发展。反之，太阳短波辐射有利于对流层高层增温，加强大气静力稳定度，从而抑制对流活动发展。夜间低层辐合更为强盛，有利于上升运动的加强并诱发高原涡形成；非平衡项结果显示，在高原涡环流中心区域存在正值区，而低涡四周为明显的负值区。从动力学和热力学特征来看，高原涡的发展与热带气旋具有一定的相似性。
已有研究表明辐射对热带气旋发生发展具有明显调制作用，高原涡与热带气旋有类似的暖心低压结构，辐射在高原涡发生发展过程中的作用也值得探讨。本文利用ERA-Interim再分析资料，通过中尺度数值模式WRF-ARW研究了辐射日变化对高原涡个例发展的影响机制。模拟结果表明，太阳短波辐射对高原涡的发生发展具有明显的调制作用。控制试验（CTL；即保留太阳辐射日变化）较好的再现了高原涡的发展过程。在去掉短波辐射过程的夜间试验（All_night）中，前期高原涡发展速度较快。而在白天（All_day）试验中，短波辐射过程抑制了高原涡的发展。诊断分析表明，夜间长波辐射冷却加强对流层温度递减率，减弱大气静力稳定度；同时，大气温度的降低使得夜间相对湿度增大，有利于对流层低层出现位势不稳定，进而促使高原涡的形成和发展。反之，太阳短波辐射有利于对流层高层增温，加强大气静力稳定度，从而抑制对流活动发展。夜间低层辐合更为强盛，有利于上升运动的加强并诱发高原涡形成；非平衡项结果显示，在高原涡环流中心区域存在正值区，而低涡四周为明显的负值区。从动力学和热力学特征来看，高原涡的发展与热带气旋具有一定的相似性。
2022, 46(3): 557-572.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21030
摘要:
本文基于观测和再分析资料，采用Brubaker二元模型评估了第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中19个模式对中国东部季风区气候态水循环过程的模拟能力，并分析了模拟误差来源。结果表明，CMIP6模式集合平均（MME）能够合理再现观测降水和蒸发的年平均气候态空间分布及年循环特征，与观测值的空间相关系数分别为0.92和0.87。较之观测，MME高估了华北地区降水（0.55 mm d−1），低估了华南沿海地区降水（−0.3 mm d−1）。所有CMIP6模式均高估蒸发强度（偏差0.03～0.98 mm d−1），使得模拟的降水与蒸发之差偏少。模式整体能够模拟出我国东部季风区降水再循环率及不同边界水汽来源的贡献率，但低估了由南边界进入季风区的水汽贡献，导致东亚季风区偏干。通过分析模式对影响水汽通量的两个气象要素（风速和大气比湿）的模拟能力，发现研究区南边界的风速大小决定了模式间水汽输送差异。南边界风速越大的模式，由南边界进入的水汽通量越大，模式模拟的降水越多。西北太平洋辐合带的东西位置是影响南边界南风速的重要系统之一，辐合带位置偏东的模式模拟的南风强度较弱，使得水汽输送偏弱、降水偏少；反之，南边界水汽输送偏强、降水偏多。本文通过评估最新一代CMIP6模式在东亚水循环方面的模拟性能，指出了当前气候模式在模拟西太平洋辐合带位置方面存在的偏差及其对东亚水循环的影响。
本文基于观测和再分析资料，采用Brubaker二元模型评估了第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中19个模式对中国东部季风区气候态水循环过程的模拟能力，并分析了模拟误差来源。结果表明，CMIP6模式集合平均（MME）能够合理再现观测降水和蒸发的年平均气候态空间分布及年循环特征，与观测值的空间相关系数分别为0.92和0.87。较之观测，MME高估了华北地区降水（0.55 mm d−1），低估了华南沿海地区降水（−0.3 mm d−1）。所有CMIP6模式均高估蒸发强度（偏差0.03～0.98 mm d−1），使得模拟的降水与蒸发之差偏少。模式整体能够模拟出我国东部季风区降水再循环率及不同边界水汽来源的贡献率，但低估了由南边界进入季风区的水汽贡献，导致东亚季风区偏干。通过分析模式对影响水汽通量的两个气象要素（风速和大气比湿）的模拟能力，发现研究区南边界的风速大小决定了模式间水汽输送差异。南边界风速越大的模式，由南边界进入的水汽通量越大，模式模拟的降水越多。西北太平洋辐合带的东西位置是影响南边界南风速的重要系统之一，辐合带位置偏东的模式模拟的南风强度较弱，使得水汽输送偏弱、降水偏少；反之，南边界水汽输送偏强、降水偏多。本文通过评估最新一代CMIP6模式在东亚水循环方面的模拟性能，指出了当前气候模式在模拟西太平洋辐合带位置方面存在的偏差及其对东亚水循环的影响。
2022, 46(3): 573-589.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21027
摘要:
利用1951～2020年中国观测站气温资料、NCEP/NCAR再分析资料和统计方法，分析了不同年代际时间尺度背景下我国冬季气温的季节内变化特征及相联系的大气环流异常。结果表明，1986年前、后为两个年代际时间尺度阶段，各阶段内前冬（12月）与后冬（1～2月）气温异常反位相年的比例均高于同位相年。1986年之前，季节内的优势空间模态为前冬全国冷（暖）转为后冬南方暖（冷）的可能性大，即南方地区季节内变率大；而1986年之后的优势空间模态为前冬北方冷（暖）转为后冬全国明显暖（冷）的可能性大，即北方地区季节内变率大。冬季气温的季节内变化显著受到冬季风系统关键环流季节内变化的影响。对应优势模态的正异常年份，1986年之前，欧亚中高纬地区对流层环流异常信号从前冬到后冬显著性减弱，其中西北太平洋地区对流层中高层的环流调整更明显，副热带高度场增强，热带东风急流北扩，前冬到后冬的环流调整有利于前冬全国大范围偏冷而后冬我国南方地区气温升高，造成南方地区季节内反位相变率增大。1986年之后，欧亚高中低纬地区的环流异常从前冬到后冬显著性增强，欧亚中高纬度环流发生较大调整，而低纬度的环流变化不大，北方地区前冬冷到后冬全国明显转暖，造成北方地区季节内反位相变率大。即副热带环流和中高纬度环流分别在两个年代际尺度阶段南方和北方的冬季气温季节内变率中起到主导作用。
利用1951～2020年中国观测站气温资料、NCEP/NCAR再分析资料和统计方法，分析了不同年代际时间尺度背景下我国冬季气温的季节内变化特征及相联系的大气环流异常。结果表明，1986年前、后为两个年代际时间尺度阶段，各阶段内前冬（12月）与后冬（1～2月）气温异常反位相年的比例均高于同位相年。1986年之前，季节内的优势空间模态为前冬全国冷（暖）转为后冬南方暖（冷）的可能性大，即南方地区季节内变率大；而1986年之后的优势空间模态为前冬北方冷（暖）转为后冬全国明显暖（冷）的可能性大，即北方地区季节内变率大。冬季气温的季节内变化显著受到冬季风系统关键环流季节内变化的影响。对应优势模态的正异常年份，1986年之前，欧亚中高纬地区对流层环流异常信号从前冬到后冬显著性减弱，其中西北太平洋地区对流层中高层的环流调整更明显，副热带高度场增强，热带东风急流北扩，前冬到后冬的环流调整有利于前冬全国大范围偏冷而后冬我国南方地区气温升高，造成南方地区季节内反位相变率增大。1986年之后，欧亚高中低纬地区的环流异常从前冬到后冬显著性增强，欧亚中高纬度环流发生较大调整，而低纬度的环流变化不大，北方地区前冬冷到后冬全国明显转暖，造成北方地区季节内反位相变率大。即副热带环流和中高纬度环流分别在两个年代际尺度阶段南方和北方的冬季气温季节内变率中起到主导作用。
2022, 46(3): 590-598.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21048
摘要:
印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋秋季最强的年际变率，它会通过大气遥相关来影响世界许多地区的气候。目前耦合气候模式对IOD预报技巧仍非常有限，远低于热带太平洋的厄尔尼诺事件的预报技巧。鉴于深度学习具备高效的数据处理能力，本文使用深度学习中的卷积神经网络（CNN）与人工神经网络中的多层感知机（MLP）处理再分析观测资料，从而进行IOD预报。由于当预报初始时刻为北半球冬春季时，对IOD事件的预报技巧较低。因此，为探索CNN的预报能力，本文仅使用三种（1～3月、2～4月、3～5月）初始时刻的海表温度异常（SSTA）作为CNN的输入数据，来预报其后续七个月的印度洋偶极子指数（DMI）、东极子指数（EIOI）和西极子指数（WIOI）。结果表明：CNN对DMI、EIOI和WIOI的有效预测时效均超过了6个月。与现在耦合动力模式相比，CNN模型能够显著提升DMI和EIOI的预报技巧，但对WIOI的预报技巧提升有限。当预报提前时间为7个月时，CNN模型能够比较准确地预报1994、1997与2019年的IOD事件。由于CNN模型能够更好地抓住印度洋海温的空间结构特征，它对IOD事件的预报技巧比传统神经网络MLP高。
印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋秋季最强的年际变率，它会通过大气遥相关来影响世界许多地区的气候。目前耦合气候模式对IOD预报技巧仍非常有限，远低于热带太平洋的厄尔尼诺事件的预报技巧。鉴于深度学习具备高效的数据处理能力，本文使用深度学习中的卷积神经网络（CNN）与人工神经网络中的多层感知机（MLP）处理再分析观测资料，从而进行IOD预报。由于当预报初始时刻为北半球冬春季时，对IOD事件的预报技巧较低。因此，为探索CNN的预报能力，本文仅使用三种（1～3月、2～4月、3～5月）初始时刻的海表温度异常（SSTA）作为CNN的输入数据，来预报其后续七个月的印度洋偶极子指数（DMI）、东极子指数（EIOI）和西极子指数（WIOI）。结果表明：CNN对DMI、EIOI和WIOI的有效预测时效均超过了6个月。与现在耦合动力模式相比，CNN模型能够显著提升DMI和EIOI的预报技巧，但对WIOI的预报技巧提升有限。当预报提前时间为7个月时，CNN模型能够比较准确地预报1994、1997与2019年的IOD事件。由于CNN模型能够更好地抓住印度洋海温的空间结构特征，它对IOD事件的预报技巧比传统神经网络MLP高。
2022, 46(3): 599-620.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21064
摘要:
本文以ERA5（ECMWF Reanalysis v5）再分析资料为初始场，利用WRF（The Weather Research and Forecasting）模式对2020年4月19～20日的一次大范围暴雪天气过程进行数值模拟研究。模式采用不同云微物理参数化方案进行敏感性试验，并与实测数据（自动站降水数据、雷达基数据）进行对比，分析了此次暴雪天气过程不同阶段的降水、雷达反射率、动热力和水凝物的时空演变和三维细致结构特征。研究表明：Morrison方案更好的模拟出了本次暴雪天气过程，表现在模拟的雷达回波强度、范围及形态更与实况一致，模拟出的降水量的相关系数和均方根误差都优于其他方案；其微物理细致结构表现为强上升运动和低层正涡度的长时间维持，以及7 km以上高层较多的冰晶、中低层较少的霰粒子和雨水粒子。从热动力场上看，bin（SBM fast）方案在600 hPa高度以下存在明显的涡度波列，这主要是因为bin方案将粒子群分档处理，没有捆绑不同粒子类型运动，更能细致描述出不同粒子的下沉拖曳作用。从云微物理特征上看，不同方案模拟的雪、霰、云水以及雨水粒子的比质量都较为接近，而对冰晶比质量的模拟不管在量级还是在分布范围上都存在很大的差异，这种差异决定了不同微物理方案模拟的雷达回波和降水量级和相态的差异。
本文以ERA5（ECMWF Reanalysis v5）再分析资料为初始场，利用WRF（The Weather Research and Forecasting）模式对2020年4月19～20日的一次大范围暴雪天气过程进行数值模拟研究。模式采用不同云微物理参数化方案进行敏感性试验，并与实测数据（自动站降水数据、雷达基数据）进行对比，分析了此次暴雪天气过程不同阶段的降水、雷达反射率、动热力和水凝物的时空演变和三维细致结构特征。研究表明：Morrison方案更好的模拟出了本次暴雪天气过程，表现在模拟的雷达回波强度、范围及形态更与实况一致，模拟出的降水量的相关系数和均方根误差都优于其他方案；其微物理细致结构表现为强上升运动和低层正涡度的长时间维持，以及7 km以上高层较多的冰晶、中低层较少的霰粒子和雨水粒子。从热动力场上看，bin（SBM fast）方案在600 hPa高度以下存在明显的涡度波列，这主要是因为bin方案将粒子群分档处理，没有捆绑不同粒子类型运动，更能细致描述出不同粒子的下沉拖曳作用。从云微物理特征上看，不同方案模拟的雪、霰、云水以及雨水粒子的比质量都较为接近，而对冰晶比质量的模拟不管在量级还是在分布范围上都存在很大的差异，这种差异决定了不同微物理方案模拟的雷达回波和降水量级和相态的差异。
2022, 46(3): 621-644.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21068
摘要:
本文系统地介绍了基于约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型，并将模型首次应用于青藏高原那曲试验区。该模型可融合不同时空分辨率的多来源数据，通过利用地面降水和地面、大气顶部的热通量等大气上下边界的观测资料来约束调整探空观测变量，从而尽可能保证气柱内的质量、热量、水汽和动量收支平衡。对模型及其产生的第三次青藏高原大气科学试验那曲试验区2014年8月期间的大气分析数据集进行评估分析，结果表明模型生成的常规状态量很好地保留了观测特征，模型生成的重要大尺度衍生量（如，垂直速度、散度、温度/水汽平流、视热源、视水汽汇等）可以较好地反映试验期内大气柱的动力、热力和水汽结构特征，有利于对大气降水过程的分析研究。分析发现，350～400 hPa高度层是该时期那曲试验区的动力、热量和水汽的重要变化中心。从各种观测资料对模型生成的分析场的影响来看，探空观测对高空风场的影响最大，但这种影响的幅度在1 m/s以内；降水和上下边界通量观测主要影响大尺度衍生量，如垂直速度，其中降水主要影响降水时期的上升运动，通量观测主要影响弱/无降水时期的下沉运动。总体而言，物理协调大气变分客观分析模型具备较好的稳定性和合理性。
本文系统地介绍了基于约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型，并将模型首次应用于青藏高原那曲试验区。该模型可融合不同时空分辨率的多来源数据，通过利用地面降水和地面、大气顶部的热通量等大气上下边界的观测资料来约束调整探空观测变量，从而尽可能保证气柱内的质量、热量、水汽和动量收支平衡。对模型及其产生的第三次青藏高原大气科学试验那曲试验区2014年8月期间的大气分析数据集进行评估分析，结果表明模型生成的常规状态量很好地保留了观测特征，模型生成的重要大尺度衍生量（如，垂直速度、散度、温度/水汽平流、视热源、视水汽汇等）可以较好地反映试验期内大气柱的动力、热力和水汽结构特征，有利于对大气降水过程的分析研究。分析发现，350～400 hPa高度层是该时期那曲试验区的动力、热量和水汽的重要变化中心。从各种观测资料对模型生成的分析场的影响来看，探空观测对高空风场的影响最大，但这种影响的幅度在1 m/s以内；降水和上下边界通量观测主要影响大尺度衍生量，如垂直速度，其中降水主要影响降水时期的上升运动，通量观测主要影响弱/无降水时期的下沉运动。总体而言，物理协调大气变分客观分析模型具备较好的稳定性和合理性。
2022, 46(3): 645-652.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21069
摘要:
大气二氧化碳（CO2）探测仪（ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）搭载于中国全球二氧化碳观测科学试验卫星（TanSat），通过探测0.76 μm、1.61 μm、2.06 μm波段的反射太阳光谱，采用最优估计算法反演大气CO2浓度。满足高光谱分辨率和高精度CO2浓度反演需求，精确探测光谱波长的变化非常重要。本文以高分辨率太阳参考光谱的夫朗禾费吸收线作为参考基准，利用ACGS对太阳的观测光谱计算了ACGS三个谱段通道中心波长位置在一年内的变化情况。结果显示，三个谱段的波长变化在光谱分辨率10%以内，满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于仪器在轨状态变化引起，特别是在轨运行温度变化引起的。ACGS波长的微小变化需要在产品反演中进行修正。基于独立太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标方法不仅可以有效监测ACGS的光谱稳定性，还可以为L2产品的处理的提供参考信息。
大气二氧化碳（CO2）探测仪（ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）搭载于中国全球二氧化碳观测科学试验卫星（TanSat），通过探测0.76 μm、1.61 μm、2.06 μm波段的反射太阳光谱，采用最优估计算法反演大气CO2浓度。满足高光谱分辨率和高精度CO2浓度反演需求，精确探测光谱波长的变化非常重要。本文以高分辨率太阳参考光谱的夫朗禾费吸收线作为参考基准，利用ACGS对太阳的观测光谱计算了ACGS三个谱段通道中心波长位置在一年内的变化情况。结果显示，三个谱段的波长变化在光谱分辨率10%以内，满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于仪器在轨状态变化引起，特别是在轨运行温度变化引起的。ACGS波长的微小变化需要在产品反演中进行修正。基于独立太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标方法不仅可以有效监测ACGS的光谱稳定性，还可以为L2产品的处理的提供参考信息。
2022, 46(3): 653-665.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21193
摘要:
雷达比是激光雷达反演气溶胶光学特性的重要参数和影响因素。利用北京地区2016年一次清洁过程（12月10日）和两次污染过程（11月15～18日和12月16～19日）的微脉冲激光雷达、机载浊度计和黑碳仪以及多种地基观测设备，综合研究基于飞机观测订正雷达比的方法及其分布特征。清洁过程地面PM2.5浓度低于40 μg m−3；污染严重时期的PM2.5均高于150 μg m−3且能见度低于5 km，污染过程1存在高空传输的特征。研究结果表明相较于采用单一的柱平均雷达比，利用本文方法获得的雷达比垂直廓线反演得到的气溶胶消光系数和光学厚度更接近原位跟踪观测，精度均有提升。基于此方法获得的雷达比在污染发展不同时期垂直分布差异较大，主要分布在19～76 sr之间，清洁时期雷达比较小且垂直分布差异不大。污染过程1雷达比随高度波动增加至边界层顶（19～45 sr）；污染过程2严重期边界层内雷达比随高度由70 sr降低到20 sr；边界层以上均呈现小幅波动变化。边界层内雷达比垂直分布与气溶胶来源特别是高空气溶胶传输有密切联系，混有沙尘的区域传输显著提升了所在高度的雷达比值。边界层以上雷达比受少量大粒子或者强吸收性的气溶胶粒子的影响波动变化。边界层内消光系数增大时雷达比呈增加趋势；当相对湿度高于40%，边界层内雷达比随相对湿度增加而增大。
雷达比是激光雷达反演气溶胶光学特性的重要参数和影响因素。利用北京地区2016年一次清洁过程（12月10日）和两次污染过程（11月15～18日和12月16～19日）的微脉冲激光雷达、机载浊度计和黑碳仪以及多种地基观测设备，综合研究基于飞机观测订正雷达比的方法及其分布特征。清洁过程地面PM2.5浓度低于40 μg m−3；污染严重时期的PM2.5均高于150 μg m−3且能见度低于5 km，污染过程1存在高空传输的特征。研究结果表明相较于采用单一的柱平均雷达比，利用本文方法获得的雷达比垂直廓线反演得到的气溶胶消光系数和光学厚度更接近原位跟踪观测，精度均有提升。基于此方法获得的雷达比在污染发展不同时期垂直分布差异较大，主要分布在19～76 sr之间，清洁时期雷达比较小且垂直分布差异不大。污染过程1雷达比随高度波动增加至边界层顶（19～45 sr）；污染过程2严重期边界层内雷达比随高度由70 sr降低到20 sr；边界层以上均呈现小幅波动变化。边界层内雷达比垂直分布与气溶胶来源特别是高空气溶胶传输有密切联系，混有沙尘的区域传输显著提升了所在高度的雷达比值。边界层以上雷达比受少量大粒子或者强吸收性的气溶胶粒子的影响波动变化。边界层内消光系数增大时雷达比呈增加趋势；当相对湿度高于40%，边界层内雷达比随相对湿度增加而增大。
2022, 46(3): 666-676.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21214
摘要:
大气污染物的垂直梯度观测是识别区域输送和本地贡献的必要手段。基于此，2020年8月在拉萨市利用光学粒子计数器（the Printed Optical Particle Spectrometer，简称POPS）在地面和系留气艇分别对0.13～3.39 μm粒径范围的气溶胶数浓度进行了测定。结果表明：（1）拉萨近地面气溶胶数浓度在16 cm−3到870 cm−3范围之间，比华北和珠江三角洲地区小2～3个量级；（2）气溶胶数浓度呈现两峰两谷的日变化结构，峰值通常以0.13～0.4 μm的小粒径粒子为主，且对应北京时间早（10:00）、晚（21:00）高峰时段；（3）气溶胶数浓度垂直分布与边界层演变密切相关，稳定边界层中的气溶胶随高度递减，粒子数浓度为194±94 cm−3，对流边界层和残留层中的气溶胶分布均一，数浓度分别为165±99 cm−3和123±95 cm−3，且显著低于稳定边界层。以上研究结果表明，拉萨的污染源主要为局地机动车排放，机动车污染物减排是打造高原生态旅游城市的必由之路。
大气污染物的垂直梯度观测是识别区域输送和本地贡献的必要手段。基于此，2020年8月在拉萨市利用光学粒子计数器（the Printed Optical Particle Spectrometer，简称POPS）在地面和系留气艇分别对0.13～3.39 μm粒径范围的气溶胶数浓度进行了测定。结果表明：（1）拉萨近地面气溶胶数浓度在16 cm−3到870 cm−3范围之间，比华北和珠江三角洲地区小2～3个量级；（2）气溶胶数浓度呈现两峰两谷的日变化结构，峰值通常以0.13～0.4 μm的小粒径粒子为主，且对应北京时间早（10:00）、晚（21:00）高峰时段；（3）气溶胶数浓度垂直分布与边界层演变密切相关，稳定边界层中的气溶胶随高度递减，粒子数浓度为194±94 cm−3，对流边界层和残留层中的气溶胶分布均一，数浓度分别为165±99 cm−3和123±95 cm−3，且显著低于稳定边界层。以上研究结果表明，拉萨的污染源主要为局地机动车排放，机动车污染物减排是打造高原生态旅游城市的必由之路。
2022, 46(3): 677-690.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.22008
摘要:
本文通过深入分析伴随敏感性（ADS）方法、第一奇异向量（LSV）方法、以及条件非线性最优扰动（CNOP）方法在目标观测敏感区识别方面的原理，提出了非线性程度的概念和计算方法，考察了转向型和直线型台风的非线性程度，分析了上述三种方法在不同非线性程度下识别的敏感区的异同，同时对比了转向型和直线型台风的敏感区的差异，并通过敏感性试验探讨了在不同非线性程度下以及在转向型与直线型台风中，预报对敏感区内初值的敏感性程度，进而探讨台风目标观测在不同情况下的有效性。结果表明，转向型台风的非线性程度差别比较大，或者特别强，或者特别弱；而直线型台风非线性程度居中，不同台风个例之间的非线性程度差别较小。对于非线性较弱的台风，三种方法识别的敏感区较为相似，而对于非线性较强的台风，LSV方法与ADS方法识别的敏感区较为相似，但是与CNOP方法识别的敏感区具有较大的差别。对于转向型台风，敏感区主要位于行进路径的右前方，而对于直线型台风，敏感区主要位于初始台风位置的后方。敏感性试验表明，不论台风非线性强弱，转向还是直行，CNOP敏感区内的随机扰动发展最大，而LSV敏感区内叠加的随机扰动发展次之，ADS敏感区内叠加的扰动发展最小；此外，非线性弱的台风，扰动的发展大于非线性强的台风的扰动的发展，表明非线性弱的台风预报受初值影响更大，目标观测的效果可能会更明显。
本文通过深入分析伴随敏感性（ADS）方法、第一奇异向量（LSV）方法、以及条件非线性最优扰动（CNOP）方法在目标观测敏感区识别方面的原理，提出了非线性程度的概念和计算方法，考察了转向型和直线型台风的非线性程度，分析了上述三种方法在不同非线性程度下识别的敏感区的异同，同时对比了转向型和直线型台风的敏感区的差异，并通过敏感性试验探讨了在不同非线性程度下以及在转向型与直线型台风中，预报对敏感区内初值的敏感性程度，进而探讨台风目标观测在不同情况下的有效性。结果表明，转向型台风的非线性程度差别比较大，或者特别强，或者特别弱；而直线型台风非线性程度居中，不同台风个例之间的非线性程度差别较小。对于非线性较弱的台风，三种方法识别的敏感区较为相似，而对于非线性较强的台风，LSV方法与ADS方法识别的敏感区较为相似，但是与CNOP方法识别的敏感区具有较大的差别。对于转向型台风，敏感区主要位于行进路径的右前方，而对于直线型台风，敏感区主要位于初始台风位置的后方。敏感性试验表明，不论台风非线性强弱，转向还是直行，CNOP敏感区内的随机扰动发展最大，而LSV敏感区内叠加的随机扰动发展次之，ADS敏感区内叠加的扰动发展最小；此外，非线性弱的台风，扰动的发展大于非线性强的台风的扰动的发展，表明非线性弱的台风预报受初值影响更大，目标观测的效果可能会更明显。
2022, 46(3): 691-706.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21145
摘要:
为避免直接同化时反射率非线性观测算子线性化带来的线性近似误差问题，目前许多研究和业务中还常采用间接同化方式来同化雷达反射率因子，其通过背景场温度判定水凝物类型及比例。基于一种实时天气背景依赖的雷达反射率因子间接同化方案，进行了4次暴雨过程（2次强对流，2次锋面）的循环同化及预报试验。结果表明：对于强对流暴雨个例，相对于传统温度判定方案，天气背景依赖方案的温度预报误差更小、降水预报评分更高，而对于锋面过程区别不明显；进一步机理分析表明，对于强对流暴雨个例，由于背景依赖方案在同化反射率因子时引入了实时天气背景信息，使得分析场水凝物结构能够更好表征实际对流特征且与其它模式变量更为协调，进而改善了模式预报的热、动力及水汽条件，从而改善了降雨预报效果；而锋面暴雨由浅对流过程占主导，水凝物以低层的雨水为主导，冰相水凝物对于该过程的影响较小，由于两种方案反演的雨水结构和量级均相似，因此降雨预报差异较小。
为避免直接同化时反射率非线性观测算子线性化带来的线性近似误差问题，目前许多研究和业务中还常采用间接同化方式来同化雷达反射率因子，其通过背景场温度判定水凝物类型及比例。基于一种实时天气背景依赖的雷达反射率因子间接同化方案，进行了4次暴雨过程（2次强对流，2次锋面）的循环同化及预报试验。结果表明：对于强对流暴雨个例，相对于传统温度判定方案，天气背景依赖方案的温度预报误差更小、降水预报评分更高，而对于锋面过程区别不明显；进一步机理分析表明，对于强对流暴雨个例，由于背景依赖方案在同化反射率因子时引入了实时天气背景信息，使得分析场水凝物结构能够更好表征实际对流特征且与其它模式变量更为协调，进而改善了模式预报的热、动力及水汽条件，从而改善了降雨预报效果；而锋面暴雨由浅对流过程占主导，水凝物以低层的雨水为主导，冰相水凝物对于该过程的影响较小，由于两种方案反演的雨水结构和量级均相似，因此降雨预报差异较小。
2022, 46(3): 707-724.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21187
摘要:
在全球增暖背景下，中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发，严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组（ETCCDI）定义的10个降水指数，利用中国台站日降水资料，系统分析了1961～2017年中国及九大流域片降水变化情况，并利用空间场显著性检验考察不同降水指数的显著变化是否与外强迫作用有关。结果表明，各降水指数的变化具有区域性特征。整体而言，全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势的台站数多于呈减弱趋势的台站数，呈显著增强趋势的台站占比不可能仅由气候系统内部变率引起，还受到外强迫的影响。此外，中国大部分站点连续干旱日数（CDD）减少，观测中CDD呈显著减弱趋势的台站占比也与外强迫作用有关。九大流域片中，内陆河片能够观测到平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水的增多以及连续干旱日数的减少，有洪涝灾害增多的风险，且上述变化可归因为外强迫的作用。长江流域片、东南诸河片和珠海流域片平均降水、极端强降水和连续性强降水均增强，其中强降水的变化与外强迫作用有关。西南诸河片极端强降水增强，但大部分站点CDD呈增加趋势，有干旱增加的风险。黄河流域片、海河流域片、淮河流域片及松辽河流域片的大部分站点及区域平均结果中，降水指数多无显著变化趋势。增暖背景下，不同流域片呈现出不同的降水变化特征，将面临不同的气候灾害风险。
在全球增暖背景下，中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发，严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组（ETCCDI）定义的10个降水指数，利用中国台站日降水资料，系统分析了1961～2017年中国及九大流域片降水变化情况，并利用空间场显著性检验考察不同降水指数的显著变化是否与外强迫作用有关。结果表明，各降水指数的变化具有区域性特征。整体而言，全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势的台站数多于呈减弱趋势的台站数，呈显著增强趋势的台站占比不可能仅由气候系统内部变率引起，还受到外强迫的影响。此外，中国大部分站点连续干旱日数（CDD）减少，观测中CDD呈显著减弱趋势的台站占比也与外强迫作用有关。九大流域片中，内陆河片能够观测到平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水的增多以及连续干旱日数的减少，有洪涝灾害增多的风险，且上述变化可归因为外强迫的作用。长江流域片、东南诸河片和珠海流域片平均降水、极端强降水和连续性强降水均增强，其中强降水的变化与外强迫作用有关。西南诸河片极端强降水增强，但大部分站点CDD呈增加趋势，有干旱增加的风险。黄河流域片、海河流域片、淮河流域片及松辽河流域片的大部分站点及区域平均结果中，降水指数多无显著变化趋势。增暖背景下，不同流域片呈现出不同的降水变化特征，将面临不同的气候灾害风险。
2022, 46(3): 725-744.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21226
摘要:
本文重点分析了2021年“7.20”河南暴雨水汽输送特征、水汽来源以及关键天气尺度系统。双台风“烟花”和“查帕卡”以及西太平洋副热带高压共同为“7.20”河南暴雨提供了充足的水汽条件。然而，就暴雨的水汽供应而言，仅以台风和西太平洋副热带高压的作用难以解释2021年7月20日发生的日降水量663.9 mm和1小时最大降水量201.9 mm的极端暴雨事实。水汽通量分析和LAGRANTO模式轨迹分析结果表明，20日在河南南侧形成了一个很强的经向水汽通量带（850 hPa以上），它与台风和西太平洋副热带高压引起的低层水汽通量带在河南附近汇合，为暴雨提供了最为充沛的水汽条件。我们强调，20日在河南以西地区上空发生了对流层顶反气旋式波破碎事件，它与台风协同作用，引发了河南南侧的强经向水汽通量，从而导致此次极端暴雨事件。
本文重点分析了2021年“7.20”河南暴雨水汽输送特征、水汽来源以及关键天气尺度系统。双台风“烟花”和“查帕卡”以及西太平洋副热带高压共同为“7.20”河南暴雨提供了充足的水汽条件。然而，就暴雨的水汽供应而言，仅以台风和西太平洋副热带高压的作用难以解释2021年7月20日发生的日降水量663.9 mm和1小时最大降水量201.9 mm的极端暴雨事实。水汽通量分析和LAGRANTO模式轨迹分析结果表明，20日在河南南侧形成了一个很强的经向水汽通量带（850 hPa以上），它与台风和西太平洋副热带高压引起的低层水汽通量带在河南附近汇合，为暴雨提供了最为充沛的水汽条件。我们强调，20日在河南以西地区上空发生了对流层顶反气旋式波破碎事件，它与台风协同作用，引发了河南南侧的强经向水汽通量，从而导致此次极端暴雨事件。
2022, 46(3): 745-761.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21194
摘要:
针对2021年6月15～17日发生在昆仑山脉北坡的南疆极端暴雨过程，本文综合考虑地形对暴雨发生、发展的作用后，利用地形追随坐标控制方程并采用Boussinesq近似推导建立了地形追随坐标的非静力平衡广义垂直运动方程。诊断结果表明，经向气压梯度力耦合经向散度项（项一）、垂直气压梯度力耦合纬向散度项（项二）和非绝热加热经向梯度项（项三）是激发暴雨垂直运动发展演变的三个主要强迫项。项一体现了偏北风逐渐增强，在昆仑山脉的阻挡下导致经向辐合增强，触发了垂直上升运动。经向气流辐合始终是对流活动最主要的强迫过程，其次为纬向气流辐合。在地形追随坐标形式下，经向和垂直气压梯度能够增强项一和项二。对流发展阶段，水汽辐合与非绝热加热过程增强了非绝热加热经向梯度，促进了垂直上升运动发展。在地形的影响下，对流层中高层西风过山气流波动特征明显。重力波活动导致的高层辐散进一步促进了山脉迎风坡对流活动。经向和纬向气流辐合、非绝热加热过程以及重力波活动等多个因素共同造成了此次南疆极端暴雨。
针对2021年6月15～17日发生在昆仑山脉北坡的南疆极端暴雨过程，本文综合考虑地形对暴雨发生、发展的作用后，利用地形追随坐标控制方程并采用Boussinesq近似推导建立了地形追随坐标的非静力平衡广义垂直运动方程。诊断结果表明，经向气压梯度力耦合经向散度项（项一）、垂直气压梯度力耦合纬向散度项（项二）和非绝热加热经向梯度项（项三）是激发暴雨垂直运动发展演变的三个主要强迫项。项一体现了偏北风逐渐增强，在昆仑山脉的阻挡下导致经向辐合增强，触发了垂直上升运动。经向气流辐合始终是对流活动最主要的强迫过程，其次为纬向气流辐合。在地形追随坐标形式下，经向和垂直气压梯度能够增强项一和项二。对流发展阶段，水汽辐合与非绝热加热过程增强了非绝热加热经向梯度，促进了垂直上升运动发展。在地形的影响下，对流层中高层西风过山气流波动特征明显。重力波活动导致的高层辐散进一步促进了山脉迎风坡对流活动。经向和纬向气流辐合、非绝热加热过程以及重力波活动等多个因素共同造成了此次南疆极端暴雨。
2022, 46(3): 762-774.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21247
摘要:
中尺度涡旋可以持续激发新对流，是造成局地持续性降水的重要系统。基于经典涡度方程的诊断无法描述热力信息对于涡旋发展的贡献。本文采用Boussinesq近似对涡度方程进行整理，将方程唯一强迫项定义为垂直速度位涡，其形式与位涡类似，利用垂直速度替换位温。进一步在垂直速度位涡倾向方程中，以气压水平梯度的形式引入热力过程的间接作用，定量描述动热力配置的贡献。以2021年6月15日发生在南疆的一次极端暴雨为例，利用高分辨率数值模拟资料，初步分析了低层动热力强迫作用向垂直涡度的传递。结果表明，垂直速度位涡的局地变化主要来自热力强迫项中低层垂直风切变与低层冷池的耦合作用，两者在降水区前侧产生大范围的正值区。该区域与垂直速度位涡的正值区重叠，促进垂直速度位涡的增长，进而维持降水前缘的正涡度，有利于产生较强的上升运动，触发新对流并造成持续性降水。
中尺度涡旋可以持续激发新对流，是造成局地持续性降水的重要系统。基于经典涡度方程的诊断无法描述热力信息对于涡旋发展的贡献。本文采用Boussinesq近似对涡度方程进行整理，将方程唯一强迫项定义为垂直速度位涡，其形式与位涡类似，利用垂直速度替换位温。进一步在垂直速度位涡倾向方程中，以气压水平梯度的形式引入热力过程的间接作用，定量描述动热力配置的贡献。以2021年6月15日发生在南疆的一次极端暴雨为例，利用高分辨率数值模拟资料，初步分析了低层动热力强迫作用向垂直涡度的传递。结果表明，垂直速度位涡的局地变化主要来自热力强迫项中低层垂直风切变与低层冷池的耦合作用，两者在降水区前侧产生大范围的正值区。该区域与垂直速度位涡的正值区重叠，促进垂直速度位涡的增长，进而维持降水前缘的正涡度，有利于产生较强的上升运动，触发新对流并造成持续性降水。
