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2022年  第46卷  第6期

封面
2022-06期封面+目录+封底
2022, 46(6).
摘要:
论文
雷达资料同化对一次飑线过程的模拟影响
邹玮, 沈晗, 袁慧玲
2022, 46(6): 1281-1299. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20191
摘要:
雷达资料同化能够改善强对流天气的预报,但是不同的模式方案配置会得到不同的结果。本文针对中国南部2018年3月4日一次飑线过程,以全球预报模式GFS分析场和预报场为背景场,采用中尺度区域气象预报模式ARPS 3DVAR系统同化多普勒雷达径向速度,用云分析处理反射率数据,考虑同化间隔、频次、云分析中不同参数调整,采用1 h同化窗口,设计不同同化方案,最后用WRF模式进行预报,研究雷达资料同化对飑线系统触发及发展机制的影响。结果表明,同化间隔过短时,由于模式热动力变量没有平衡产生虚假回波,同化间隔过长时,系统触发和发展的特征普遍偏弱;采用12 min间隔同化得到了最好的初始场,并且同化频次越高得到的降水预报结果越好。此外,ARPS云分析能大大改善初始场,减少模式自调整时间,其中湿度调整、温度调整、雨水调整及水汽调整对系统动力过程和水凝物初始场分布都有较大的影响,而垂直速度相关参数调整影响较小。
基于DART +WACCM模式搭建的平流层同化、天气预报和气候预测模型研究
谢飞, 田文寿, 郑飞, 张健恺, 陆进鹏
2022, 46(6): 1300-1318. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21014
摘要:
本论文基于WACCM(Whole Atmosphere Community Climate Model)模式最新版本WACCM6和DART(Data Assimilation Research TestBed)同化工具最新版本Manhattan,开发了中高层大气温度、臭氧和水汽卫星资料的同化接口,搭建了一个包含完整平流层过程的数值同化、天气预报和短期气候预测模型(此后简称模型);本模型对2020年3~4月平流层大气变化进行了同化观测资料的模拟,并以同化试验输出的分析场作为初值,对5~6月的平流层大气进行了0~30天天气尺度预报以及31~60天短期气候尺度预测的回报试验。结果表明:本模型能较好地重现2020年3、4月北极平流层出现的大规模臭氧损耗事件随时间的演变特征,模拟结果和Microwave Limb Sounder(MLS)卫星观测结果很接近;而未进行同化的模拟试验,虽然可以模拟出北极臭氧损耗现象,但是模拟的臭氧损耗规模相比MLS卫星观测结果要低很多;利用同化试验4月末输出的分析场作为初值,预报的5月北极平流层臭氧体积混合比变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5,预测的6月北极平流层臭氧变化只在10~30 hPa之间的区域,与观测之间的差异达到了1 ppm(ppm=10−6)。本模型不但改善了北极平流层化学成分变化的模拟,也显著地提升了北极平流层温度和环流的模拟。本模型同化模拟的3~4月、预报预测的5~6月北极平流层温度和纬向风变化与Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA2)再分析资料结果具有很好的一致性,仅在北极平流层顶部,预报预测的温度和纬向风分别与再分析资料之间的均方根误差(RMSE)约为3 K和4 m s−1。未进行同化的试验模拟的3~4月、预报预测的5~6月北极平流层的温度和纬向风与MERRA2再分析资料之间的RMSE在大部分区域都达到6 K及5 m s−1以上。从全球范围来看,本模型对平流层中低层模拟性能改善最为显著,其预报预测结果与观测值之间的差异,比未进行同化试验的结果,减少了50%以上。
地形对华南飑线升尺度影响机制的数值模拟研究
沈新勇, 王林, 乔娜, 尹宜舟, 李焕连
2022, 46(6): 1319-1331. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21045
摘要(371) HTML (71) PDF (9966KB)(157)
摘要:
本文利用NCEP/NCAR提供的1°×1°的再分析资料,应用WRF4.0中尺度数值模式对2016年4月13日华南地区的一次飑线升尺度过程进行模拟,并设计一系列的敏感性试验,详细研究了南岭对飑线升尺度增长的影响以及可能的机制。结果表明:WRF模式较好的模拟了本次飑线过山前后的变化以及其降水的分布。强对流在过山后比过山前发展要强烈,水平的尺度增长快。但不同高度的地形敏感性试验表明,适宜的地形高度对于风暴的发展更有利。地形影响了飑线的尺度和组织,地形过高会使得广东北部的对流分散。地形可以通过改变水平流场、水汽场、垂直运动以及低层的垂直风切变等来间接影响飑线中的对流单体的分布和对流单体的强度。无地形阻挡时,有利于急流的北进,水汽输送更为有利。但是,一定的地形高度对低层的垂直运动是有利的。地形较高,则会利于高层的垂直运动,低层更多的可能以绕流为主。当地形超过一定高度时,低层的辐合场也相应的减弱。
内蒙古呼包鄂区域冬季大气细颗粒物污染成因解析
杨颖川, 叶倩, 魏颖, 陈学舜, 陈焕盛, 王威, 吴林, 王自发
2022, 46(6): 1332-1348. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21049
摘要:
利用气象模式WRF和中科院大气所自主发展的大气气溶胶与大气化学模式IAP-AACM对2016年冬季内蒙古中部呼包鄂地区大气细颗粒物(PM2.5)的典型污染过程进行了模拟分析。结果表明,呼包鄂地区的空气质量变化主要受大范围天气形势影响。污染累积阶段,500 hPa高度上该区域受阻塞高压或弱高压脊前平直的偏西气流控制,地面为弱高压或均压场,风速较小,边界层高度低,污染物不易扩散,且气温和相对湿度较高,利于二次颗粒物生成;污染消散阶段,天气形势发生明显变化,550 hPa高度以下有强冷平流,地面易形成大风天气,利于污染物消散,伴随着冷空气的南下,下游地区的污染物也得到清除。呼包鄂区域PM2.5主要来源于本地排放,鄂尔多斯本地排放贡献大于60%,呼和浩特本地排放贡献大于80%,包头本地排放贡献达到90%,该区域空气质量的变化可以反映区域大气污染气象条件的变化。交叉相关分析发现,呼包鄂区域的PM2.5浓度与其下游的山西、河北、河南地区的PM2.5浓度具有高度的时间相关性,相位差在6~24小时。呼包鄂区域PM2.5污染的改善有赖于本地污染源的管控,该区域冬季空气质量变化可作为下游地区空气质量变化的前兆因子,有助于下游地区空气质量的预报预警。
南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响
王爽, 吴其冈, 刘师佐, 梁涵洲, 户元涛, 康彩燕, 包晓军, 高艳
2022, 46(6): 1349-1365. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21051
摘要:
南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5~7月(May–July,MJJ)到8~10月(August–October, ASO)有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“− + −”太平洋—日本(Pacific–Japan,PJ)遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关(Western Atlantic,WA)的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。
四川盆地西部一次暖区山地暴雨事件的动力过程分析与局地环流数值模拟
付智龙, 李国平, 姜凤友, 郭洁
2022, 46(6): 1366-1380. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21054
摘要(374) HTML (99) PDF (6138KB)(187)
摘要:
本文利用国家基本站和区域自动站逐小时雨量、FY-2G卫星TBB、ERA5再分析等资料,对2017年7月23日发生在四川盆地西部的一次暖区山地暴雨事件进行动力诊断分析和数值模拟试验。主要得到以下结果:(1)此次暖区山地突发性暴雨发生在西太平洋副热带高压边缘的弱天气形势背景下,盆地西部前期高温、高能的环境条件与伸入盆地的东南风受到龙门山脉的强迫抬升是这次暴雨触发的诱因。(2)山地—平原环流在夜间的转换使背景东南风形成深厚的倾斜上升运动,是暴雨增强和中尺度对流云团重组发展的原因。(3)进一步通过数值模拟得出,山地—平原环流受近地面热力扰动驱动。在白天,盆地西部山坡为正虚温扰动区,而同一高度的平原则是负虚温扰动,山地—平原环流从平原吹向山地;到了夜晚,虚温扰动在山地、平原两侧的分布发生反转,山地—平原环流因此转为从山地吹向平原;当去除模式地面热源时,近地面的热力扰动几乎消失,盆地西部山地—平原环流无法形成,与山地—平原环流对应的辐合区随之消失,导致模拟的过程累积降水量显著减少、强降水中心消失。
太平洋上云水路径反演产品及其气候变化特征分析
钱小立, 秦正坤, 张文君
2022, 46(6): 1381-1393. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21063
摘要:
基于极轨卫星NOAA-15上的微波温度计AMSU-A(Advanced Microwave Sounding Unit-A)多年亮温观测资料,建立了全球海洋上的云液态水路径反演产品,并通过对比ERA5和FNL/NCEP再分析资料的云水路径产品,分析了反演产品对云液态水路径气候变化特征的再现能力,进一步通过线性回归和EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)方法分别分析了太平洋地区大气云水路径的线性和非线性气候变化趋势特征。结果表明,云水路径反演资料可以很好的再现多年平均空间分布特征及相应的气候变化趋势,云水路径气候趋势表现出明显的纬度带特征,增多和减小趋势随纬度带间隔出现,而且在北半球东太平洋地区,云水路径气候趋势的纬度带特征有向北迁移的现象。相比而言,反演产品的气候趋势与ERA5再分析资料有更好的相似性,而FNL资料对趋势的纬度带特征,尤其是纬度带特征的北移现象未能很好的再现,只是表现为赤道地区水汽减少,而两侧云水路径显著增加的特征。
长江流域梅雨期大范围持续性强降水事件的自维持机制:2020年一次暴雨过程的个例分析
马骄, 魏科, 陈文
2022, 46(6): 1394-1406. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21082
摘要(341) HTML (52) PDF (6507KB)(141)
摘要:
长江流域梅雨期降水强度大、范围广、持续时间长,经常导致大范围严重洪涝灾害。该类强降水事件的内动力学过程值得深入讨论。本文以2020年7月5~9日长江流域一次大范围持续性降水为例,通过WRF数值试验分析了降水过程中的凝结潜热与环流系统的相互作用过程。结果表明:在此次大范围持续性强降水事件中,由于凝结潜热的释放,在高层形成高压异常,有利于南亚高压(SAH)加强东伸,SAH东伸的同时与西太平洋副热带高压(WPSH)相互作用,加强WPSH西伸。在潜热释放中心的中低层形成低压异常,有助于阻挡WPSH北上,从而形成稳定的WPSH,有利于降雨系统在长江流域的维持。东亚夏季风演变表现为明显的停滞与北跳特征,其中WPSH的活动是季风雨带演变的核心。本文研究表明,大尺度凝结潜热释放可以通过调节天气系统形成稳定的环流系统,从而有利于雨带加强和维持。这种大尺度雨带凝结潜热释放与环流的相互作用机制可能是夏季风雨带停滞的重要过程。
雷暴电荷分布对正极性云闪放电特征影响的数值模拟
郑天雪, 谭涌波, 罗林洁
2022, 46(6): 1407-1424. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21079
摘要:
本研究将云闪随机放电参数化方案植入到偶极电荷结构中,固定主负电荷区的参数和位置,通过不断调整上部正电荷区的参数(电荷浓度和水平范围)和位置以此来模拟不同高度处起始的正极性云闪,进而探讨正云闪放电特征与雷暴电荷分布之间的关系。模拟结果表明在偶极电荷结构中,抬升上部正电荷区的高度,能够产生如观测所示的高海拔正云闪,不同于普通正云闪起始于向上传播的负先导及水平或稍向下延伸的正先导,高海拔处起始的正云闪以大范围向下传播的正先导及水平或轻微向上延伸的负先导为主要特征。随着上部正电荷区位置的抬升,正云闪起始高度也随之升高,当上部正电荷区抬升到一定高度后(本研究中当上部正电荷区下边界超过12 km),云闪通常起始于主正电荷区内,且上部正电荷区的浓度以及水平半径对于云闪的起始高度没有显著影响。此外,云闪正、负先导通道的长度与电荷区的浓度、水平半径以及起始点和负、正电荷区之间的距离存在显著的正相关关系。
雷达强降水数据小波域统计特征及其与环境参数的关系研究
杨春生, 寇蕾蕾, 蒋银丰, 陈垚, 毛赢, 王振会
2022, 46(6): 1425-1436. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21080
摘要:
为了得到最优的强降水估计,基于雷达强降水数据多尺度统计特性建立的先验模型显得非常重要。本文基于南京市S波段多普勒天气雷达2013~2016年共180次独立降水事件数据进行小波分解,研究强降水雷达回波数据小波域小波系数尺度内非高斯边缘分布特征以及尺度间分形特征,并基于强降水的先验统计特征建立相应的数学模型。研究结果表明:对于不同降水结构呈现不同形态的雷达回波来说,它们的分形参数差别并不大,方向性不明显,可对强降水小波系数统一建模,其尺度内的非高斯特征可用广义高斯分布表示,尺度间的分形特征可用指数形式表示。为进一步说明强降水小波域统计特征与降水物理参数的关系,讨论了强降水小波域小波系数分形参数与环境参数的关系,发现环境参数中的对流有效位能与分形参数(一阶水平向)相关系数为0.5535、每小时降水量与分形参数(二阶各方向小波系数分形参数的平均)相关系数为0.3848,而其它环境参数与分形参数相关系数低于0.28。强降水小波域统计特征及其与环境参数的先验信息可用于强降水数据的参数化建模,并对后续的强降水最优估计、数据同化、数据降尺度、多源数据融合等应用具有重要的参考价值。
华东区域中尺度集合预报系统的改进及2020年梅雨期降水试验
谭燕, 黄伟, 杨玉华, 张旭, 陈葆德
2022, 46(6): 1437-1453. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21097
摘要:
考虑区域模式预报中不确定性的各种来源,分别引入初始场误差、侧边界误差和模式误差构建新一代华东区域中尺度集合预报系统,并对2020年梅雨期降水开展为期一个月的集合预报试验。通过不同时空尺度典型个例的分析可以看出,所选取的随机物理倾向扰动方案中的参数具备一定的通用性,且在参数调优中加强随机过程的影响,系统中低层的风场和湿度场有明显的反馈,集合系统的离散度得到较大改善,对预报的影响大小依次为:格点方差、随机扰动场的去相关空间和随机扰动场的去相关时间。一个月的梅雨期降水评估结果显示:集合系统升级后对各时次各量级的降水TS(Threat Score)评分均有所提升,但仍然存在着降水强度偏大的问题;从概率预报的角度来看,系统升级后,对中到大雨预报的准确率和可信度提升明显,对强降水事件的描述更准确;形势场的检验结果表明,系统的预报偏差问题得到了部分程度地改善,对大气中低层风场、湿度场和地面变量的预报效果较好。相比原华东区域中尺度集合预报系统,升级后的系统,其整体优势可概括为:预报误差减小、集合离散度明显增加,降水预报的能力在各时段各量级均有提升,其中物理过程的不确定性对于捕捉强降水事件有明显的影响,使得系统的预报可信度增加。
四川盆地夏季降水年际变化的主模态分析
郑然, 陈丽娟, 李维京, 王顺久, 马振峰, 梁宁, 刘嘉慧敏
2022, 46(6): 1454-1468. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21167
摘要:
利用1979~2018年四川盆地134站夏季降水观测资料、ERA-Interim再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海表温度及海冰资料,对比分析了四川盆地夏季降水异常主模态及其同期大气环流和前期海温海冰演变特征的差异,以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明:四川盆地夏季降水存在两类优势空间模态:全区一致型和东西反相型,在20世纪80年代多出现东西反相型,90年代到21世纪初以一致型为主,进入21世纪10年代后又多表现为东西反相型。不同模态所对应的大气环流和海温海冰的演变具有明显差异,全区一致型降水分布受低纬系统影响显著,在500 hPa高度场上主要表现为西太平洋副热带高压的位置及强度异常;850 hPa风场为辐合或辐散特征,受到来自孟加拉湾、南海、西太平洋三条水汽通道的共同影响,其中与南海水汽通道的相关性最高,一致型降水多/少年水汽在盆地区域南北边界为同收/同支;环流可能受到前期ENSO事件衰减的显著影响。东西反相型降水分布受中高纬环流的影响较大,在500 hPa高度场上的特征类似于极地欧亚型(POL)遥相关;水汽在区域南北边界为一收一支,西多东少型为南收北支,而西少东多型为北收南支,与西太平洋水汽通道关系显著;环流可能受到前期北极海冰异常的影响。
面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星现状与发展趋势分析
姚璐, 杨东旭, 蔡兆男, 朱思虹, 刘毅, 邓剑波, 田龙飞, 尹增山, 卢乃锰
2022, 46(6): 1469-1483. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.22096
摘要:
甲烷(CH4)是辐射强迫仅次于二氧化碳(CO2)的重要温室气体,减少CH4排放是控制全球增温,实现碳中和目标的必要手段。面对碳中和战略需求,快速定位排放源并定量监测CH4排放量,准确估算全球和区域CH4源汇分布,对减排措施的制定、实施和评价均具有重要的现实意义。此外,结合长期CH4观测数据和气候系统模型探索大气CH4浓度变化规律,是预测和积极应对气候变化的前提。IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版正式提出了利用“自上而下”方法计算通量、核验排放清单的方法,表明获取全球范围内的高精度高时空分辨率CH4观测数据势在必行。为了实现碳中和目标,本文首先从大气CH4研究需解决的几个关键科学问题入手,分析了CH4的星载探测需求,总结了CH4星载探测的现状和发展趋势,并简要介绍了中国第二代碳卫星的设计思路。同时,星载CH4探测还依赖于高精度的反演算法提供可靠的数据产品,以实现监测和实际应用的目的。因此,本文进一步阐述了卫星遥感CH4反演算法及相应数据产品在排放量监测和通量反演中的应用,论述了提升反演算法计算效率和精度,开发甲烷烟羽快速识别算法和建立通量反演算法的必要性。最后,本文从探测、数据获取和应用的角度进行总结,表明了CH4卫星观测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。
“高影响天气”专题
2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态
虞越越, 李亚飞, 任荣彩, 崔正飞
2022, 46(6): 1484-1504. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.21250
摘要:
平流层爆发性增温(SSW)超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979~2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模(NAM)负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。
“青藏高原气象学”专题
梅雨期长江中下游地区湿位涡的特征及其与青藏高原的联系
由丽蓉, 姜继兰, 陈笑晨, 马婷婷, 刘屹岷, 吴国雄
2022, 46(6): 1505-1522. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.21266
摘要:
本文基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, 简称ECMWF)提供的ERA-Interim再分析数据集和FGOALS-f3-L海气耦合模式,分析了1980~2017年梅雨期长江中下游地区对流层大气湿位涡(MPV)的分布特征及其与青藏高原的联系。研究发现,梅雨期湿等熵面在长江中下游地区呈自下而上向北倾斜的分布特征,湿位涡正压项(MPV1)和斜压项(MPV2)的大值带均沿倾斜的湿等熵面分布在梅雨区上空,且随雨带的北移而北移。对流层中层MPV1和MPV2大值带均分布在梅雨雨带的北侧,而对流层低层MPV2负值带与梅雨雨带近乎重合。这主要是由于入梅前后MPV2的分布结构满足倾斜涡度发展的必要条件,有利于暖湿空气沿湿等熵面上滑,从而导致暖湿空气的垂直涡度显著增强,造成梅雨降水。进一步分析发现MPV2负值带西起青藏高原向东经过江淮地区一直延伸到西北太平洋地区。数值试验结果表明青藏高原大地形条件对MPV2负值带的形成有重要影响,当去掉高原地形时,长江中下游地区的MPV2负值带显著减弱甚至消失。
“极端降水”专题
基于雷达—雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力
李梦迪, 戚友存, 张哲, 管晓丹
2022, 46(6): 1523-1542. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21201
摘要:
高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水(QPE,quantitative precipitation estimation)产品估测精度易受雷达观测偏差和ZR(雷达反射率—降水率)关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达—雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达—雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度;最后,结合降水类型,通过雷达—雨量计降水融合算法,产生高时空分辨率、高精度的雷达—雨量计降水融合产品。通过郑州“21·7”暴雨、台风“烟花”和2021年8月随州暴雨三个典型的极端降水个例,对雷达—雨量计降水融合算法产生的雷达—雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水个例和不同的降水时段,雷达—雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达—雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好地捕捉和监测能力。
“21·7”河南暴雨水汽源地追踪和定量贡献分析
崔晓鹏, 杨玉婷
2022, 46(6): 1543-1556. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.22016
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摘要:
2021年7月19~22日,河南省部分地区出现极端暴雨(简称“21·7”河南暴雨),造成严重城市内涝和人员伤亡。本文借助降水观测资料和再分析数据,分析了此次暴雨过程的大尺度环流形势,并利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART及水汽源区定量贡献分析方法,考察了暴雨过程的水汽源地、输送路径和源区水汽定量贡献。结果表明:此次暴雨期间以及暴雨发生前数天,东亚地区500 hPa环流形势极为稳定,西太平洋副热带高压(简称副高)异常偏北,与北侧高压脊连通、位置少动,欧亚大陆高空槽偏西,东亚中高纬环流显著平直,暴雨过程期间,热带气旋“烟花”和“查帕卡”与副高等持续协同影响,建立明显水汽输送通道,提供充足水汽,河南暴雨区维持显著近地面湿区和高可降水量;向前追踪数天发现,暴雨区目标气块主要来自西北太平洋和中国南海等地,且所处大气高度较低,此外,还有少量气块来自日本海附近和欧亚大陆中部(所处高度相对较高);定量贡献分析显示,水汽主要来自河南南侧中国中东部大陆(D)和西北太平洋(F),前者水汽贡献率(52.59%)达后者(25.51%)2倍以上,此外,河南暴雨区(T,3.68%)、中南半岛—中国南海(E,3.32%)和暴雨区北侧亚洲大陆(B,2.28%)也有一定贡献;目标气块在D区域水汽摄取量最大,略高于F区域,但前者沿途损耗率明显低于后者,造成D区域水汽贡献显著高于后者;B区域水汽摄取量略高于E区域,但其沿途损耗和未释放部分占比之和高于后者,导致后者水汽贡献相比略高;此外,T区域也有不可忽视的降水再循环率;延长向前追踪天数后,目标气块轨迹和各源区水汽摄取与贡献率相对变化不大,但所有源区水汽总贡献明显提升,可见,对于类似此次河南极端特大暴雨的强降水过程的水汽来源追踪而言,适当延长追踪天数十分必要。
基于波作用方程的南疆西部干旱区暴雨的组织化机理研究
李娜, 冉令坤, 焦宝峰, 常友治, 谢越
2022, 46(6): 1557-1576. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21245
摘要:
本文采用位涡波作用密度和波作用方程,对一次南疆西部干旱区暴雨的组织化过程和机制进行了诊断研究,对影响暴雨对流系统组织化的关键物理过程进行了分析和讨论。位涡波作用密度耦合了多种影响对流云体演变的大气动热力扰动,能够良好描述对流系统的组织化过程。以此为基础,描述位涡波作用密度变化的波作用方程能够用来研究驱动对流系统组织化发展的物理因素。研究发现,波作用方程诊断得到的多个物理过程与扰动斜压性、扰动风切变和扰动涡度的发展演变有关,表明它们对对流组织化有重要作用,多条东西向的对流线发展为东北—西南向的带状对流系统过程中,包含强对流的维持和南北尺度的增大。对流线在东北向弱对流的发展增强与基本态气流对强对流区的热力输送引起扰动斜压性增强有关。影响对流线中部强对流的维持和南北向发展的关键过程包括:上升、下沉气流引起的热力输送导致对流线内扰动斜压性增强,扰动西风与扰动东风形成气旋性环流引起经向切变环流增强,及扰动经向风将扰动纬向风切变向对流中心区输送引起纬向切变增强、垂直环流增强。该研究表明,对流系统的组织化是大气多种动热力扰动演变和配合的结果,通过波作用演变方程能够比较清晰体现其中的关键过程,且波作用方程为波作用密度倾向,未来可探讨其对对流系统组织化的预报意义。
近海台风对“21·7”河南极端暴雨过程水汽通量和动、热力条件影响的模拟
饶晨泓, 毕鑫鑫, 陈光华, 喻自凤
2022, 46(6): 1577-1594. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21255
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摘要:
本文利用WRF模式对近海台风“烟花”及“查帕卡”影响2021年7月19日至21日河南极端暴雨的过程进行数值模拟。控制试验(CTL)对台风路径、强度、大尺度环流形势,以及河南暴雨的强度和空间分布型等均给出合理的模拟,基本再现了本次河南极端暴雨的发展过程。敏感性试验表明,在移除台风“烟花”后,副热带高压系统显著南压并在南侧形成东南风急流,河南地区的南风分量减弱、东风增强,东西方向的水汽输送占主导,有利于降水分布型由CTL试验的南—北向转变为东—西向;另一方面,由于低层东南风急流相较于移除“烟花”前的东风急流偏弱,河南降雨区的局地辐合减弱,水汽通量净流入值较CTL试验降低5.81%,且中纬度冷气团西移减慢,引起局地相当位温梯度减弱,最终导致移除台风“烟花”试验的降雨强度偏弱。移除台风“查帕卡”后,大尺度环流形势几乎未受影响,河南南侧的水汽输送略有减弱,因此强降水分布基本与CTL试验类似,降雨强度略有减小。与台风“烟花”相比,“查帕卡”对河南暴雨的影响较弱。
海表温度的增暖趋势和自然变率对长江中下游夏季极端降水强度的影响
欧立健, 余锦华, 钟校尧, 张旭煜, 王璐, 罗京佳
2022, 46(6): 1595-1606. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21221
摘要:
极端降水引起的洪、涝等灾害每年给我国带来极大的人员伤亡和经济损失。全球增暖使极端降水事件发生的频率增加,强度增强。但是针对不同区域极端降水事件,其贡献究竟如何还有待于进一步认识。本文以我国长江中下游地区的极端降水事件为研究对象,通过典型年份夏季区域极端降水过程的水汽收支特征,探讨海表温度(SST)的增暖趋势和自然变率强迫对该区域典型极端降水强度的影响效应。结果表明:(1)极端降水过程及其夏季都伴随着区域整层大气的水汽辐合,且水汽辐合发生在经向方向。西北太平洋异常反气旋式环流,在区域南边界形成了稳定的西南风异常的水汽输送。(2)典型极端降水过程发生的夏季,SST在赤道印度洋和热带大西洋为强正异常,主要为增暖趋势的贡献,赤道中东太平洋SST异常表现为La Niña型。(3)SST增暖趋势和自然变率的数值敏感性试验表明,1998、2017和2020年的SST增暖趋势强迫的区域水汽辐合分别是其自然变率强迫的83%、210%和107%,SST增暖趋势比自然变率的影响更为重要。(4)SST增暖趋势和自然变率都是通过强迫西北太平洋异常反气旋式环流,引起长江中下游区域南边界异常的西南水汽输送,是导致极端降水发生的主要过程。