2023年 第47卷 第2期
2023, 47(2): 239-258.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21098
摘要:
针对LASG/IAP发展的大气环流模式GAMIL（Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG）的两个版本GAMIL2（G2）和GAMIL3（G3），评估了其对热带降水气候态以及对流垂直结构的模拟能力，在此基础上探究了新版本模式降水模拟改进的原因以及热带对流垂直结构与降水模拟偏差的关系。两个版本的GAMIL模式都较好地捕捉到了热带降水的主要特征，且G3的模拟结果整体优于G2。新版本的主要改进在于显著减小了热带西北太平洋正降水偏差。水汽收支诊断显示，模式降水偏差主要来源于蒸发项和水汽垂直平流动力项，而后者的偏差则来自于对流强度和对流垂直结构的共同作用。对流垂直结构偏差主要存在于赤道印度洋与赤道大西洋区域，表现为大气低层辐合分量偏小，对流卷出层高度偏高；在热带西北太平洋与赤道东太平洋区域，模式较好地还原了典型的“头重型”和“脚重型”对流垂直结构，但依然存在有整体性的对流偏深。湿静力能（MSE）收支显示，热带西北太平洋区域过量的净能量通量是模式垂直运动偏差的主要来源。而对流垂直结构偏深造成的总湿稳定度（Gross Moist Stability，简称GMS）偏大，在一定程度上抵消了模式中的净能量通量偏差，抑制了模拟的对流强度。诊断结果显示，G3中热带西北太平洋区域的降水改善主要源于对流强度正偏差的减小。G3中对流阈值和层云阈值的下调，使得对流发生频率增加，从而抑制了过大的对流强度。热带对流垂直结构与降水偏差有着紧密且多样的联系，在未来模式发展中应当予以重视。
针对LASG/IAP发展的大气环流模式GAMIL（Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG）的两个版本GAMIL2（G2）和GAMIL3（G3），评估了其对热带降水气候态以及对流垂直结构的模拟能力，在此基础上探究了新版本模式降水模拟改进的原因以及热带对流垂直结构与降水模拟偏差的关系。两个版本的GAMIL模式都较好地捕捉到了热带降水的主要特征，且G3的模拟结果整体优于G2。新版本的主要改进在于显著减小了热带西北太平洋正降水偏差。水汽收支诊断显示，模式降水偏差主要来源于蒸发项和水汽垂直平流动力项，而后者的偏差则来自于对流强度和对流垂直结构的共同作用。对流垂直结构偏差主要存在于赤道印度洋与赤道大西洋区域，表现为大气低层辐合分量偏小，对流卷出层高度偏高；在热带西北太平洋与赤道东太平洋区域，模式较好地还原了典型的“头重型”和“脚重型”对流垂直结构，但依然存在有整体性的对流偏深。湿静力能（MSE）收支显示，热带西北太平洋区域过量的净能量通量是模式垂直运动偏差的主要来源。而对流垂直结构偏深造成的总湿稳定度（Gross Moist Stability，简称GMS）偏大，在一定程度上抵消了模式中的净能量通量偏差，抑制了模拟的对流强度。诊断结果显示，G3中热带西北太平洋区域的降水改善主要源于对流强度正偏差的减小。G3中对流阈值和层云阈值的下调，使得对流发生频率增加，从而抑制了过大的对流强度。热带对流垂直结构与降水偏差有着紧密且多样的联系，在未来模式发展中应当予以重视。
2023, 47(2): 259-272.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21032
摘要:
利用川渝地区1991～2012年夏季逐小时降水资料，分析该地区总降水、极端降水时空分布特征，特别是极端降水的日变化特征。结果表明，川渝地区受西高东低的地形影响，降水量总量（precipitation amounts，简称PA）也呈西少东多分布，具体是川西北高原少、川西南山地及东部盆地多，盆周山区多、盆中丘陵区少；降水频率（precipitation frequency，简称PF）则呈西高东低的相反分布，高原地区PF较高；降水强度（precipitation intensity，简称PI）的分布与PA较为一致，自西向东逐渐增强。极端降水的PA、PF、PI空间分布特征与总降水的空间分布特征相似。东部的四川盆地乐山、雅安地区和达州、广元地区，以及西南山地区的西昌、攀枝花地区的PA大主要是由于PI大。西昌地区北方小部分西南山地区的PA大主要是由于PF大。川西高原区PA小是因为PI小。PA日峰值自西向东递增，PF日峰值呈相反变化趋势，自西向东递减。两者几乎全部都出现在夜间，“夜雨”特征显著。海拔较高的地区日峰值大多出现在前半夜，而海拔较低的地区大多出现在后半夜，自西向东日峰值出现时间逐渐推迟，因此川渝地区的降水系统可能存在自西向东传播的特征。聚类得到四类区域站点的典型形态降水日变化曲线分析表明，一区主要为川西高原地区，二区主要为高原向盆地过渡的南部山区，三区为盆地区域，四区为盆地向东部过渡的丘陵地区，PA、PF和PI的日变化曲线均有“一峰一谷”的特征，区域一到四的PA峰值在午夜到凌晨，谷值在午后到傍晚，且自西向东逐渐推迟，PF峰谷值时间均与PA峰谷值接近，PI日变化波动较PA和PF的曲线大。位于高海拔地区的第一区PA小，主要是其PI小，高原向盆地过渡的南部山区的PA较大主要是PF较大，盆地区域及其向东部过渡的丘陵地区的PA的主要贡献是PI大。极端降水日峰值及其出现时间的分布特征都与总降水相似。川渝地区夏季小时极端降水的阈值西低东高，自西向东逐渐增大，极端降水量占总降水量的比重自西向东呈增大趋势，极端降水量对川渝地区东部总降水量贡献大，对西部贡献较少。
利用川渝地区1991～2012年夏季逐小时降水资料，分析该地区总降水、极端降水时空分布特征，特别是极端降水的日变化特征。结果表明，川渝地区受西高东低的地形影响，降水量总量（precipitation amounts，简称PA）也呈西少东多分布，具体是川西北高原少、川西南山地及东部盆地多，盆周山区多、盆中丘陵区少；降水频率（precipitation frequency，简称PF）则呈西高东低的相反分布，高原地区PF较高；降水强度（precipitation intensity，简称PI）的分布与PA较为一致，自西向东逐渐增强。极端降水的PA、PF、PI空间分布特征与总降水的空间分布特征相似。东部的四川盆地乐山、雅安地区和达州、广元地区，以及西南山地区的西昌、攀枝花地区的PA大主要是由于PI大。西昌地区北方小部分西南山地区的PA大主要是由于PF大。川西高原区PA小是因为PI小。PA日峰值自西向东递增，PF日峰值呈相反变化趋势，自西向东递减。两者几乎全部都出现在夜间，“夜雨”特征显著。海拔较高的地区日峰值大多出现在前半夜，而海拔较低的地区大多出现在后半夜，自西向东日峰值出现时间逐渐推迟，因此川渝地区的降水系统可能存在自西向东传播的特征。聚类得到四类区域站点的典型形态降水日变化曲线分析表明，一区主要为川西高原地区，二区主要为高原向盆地过渡的南部山区，三区为盆地区域，四区为盆地向东部过渡的丘陵地区，PA、PF和PI的日变化曲线均有“一峰一谷”的特征，区域一到四的PA峰值在午夜到凌晨，谷值在午后到傍晚，且自西向东逐渐推迟，PF峰谷值时间均与PA峰谷值接近，PI日变化波动较PA和PF的曲线大。位于高海拔地区的第一区PA小，主要是其PI小，高原向盆地过渡的南部山区的PA较大主要是PF较大，盆地区域及其向东部过渡的丘陵地区的PA的主要贡献是PI大。极端降水日峰值及其出现时间的分布特征都与总降水相似。川渝地区夏季小时极端降水的阈值西低东高，自西向东逐渐增大，极端降水量占总降水量的比重自西向东呈增大趋势，极端降水量对川渝地区东部总降水量贡献大，对西部贡献较少。
2023, 47(2): 273-294.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21065
摘要:
2018年1月3～5日江苏省第一次暴雪过程中降雪量大、积雪效率偏低，而1月24～28日第二次暴雪过程降雪量小、积雪效率高。基于ERA-Interim再分析资料和中国气象局积雪、近地气温等观测资料，利用等熵大气质量环流理论从温度、水汽条件差异对2018年1月江苏省两次暴雪过程积雪效率差异进行了深入分析。研究表明：（1）第一次过程前期，深厚且强盛的向极地暖支将大量暖空气输送至江苏南部，导致该地区整层增温；第二次过程中，低层强大的向赤道冷支输送使地面温度在整个降雪期间均低于0°C，低温条件使得积雪效率偏高。（2）第一次过程，江苏地区深厚、强盛的水汽质量流入层配合大范围上升运动，将水汽携带至高层产生更大降雪量，低层经向水汽质量输送强，纬向水汽质量流出较弱，使得近地面比湿相应增加，积雪效率偏低；第二次过程，低层深厚的水汽质量流出层不利于水汽在江苏省汇聚，低湿条件利于积雪累积，贡献于偏高的积雪效率。因此，异常强的经向干冷空气质量输送和弱的经向和纬向水汽质量输送引起的低温、低湿环境条件是造成第二次暴雪过程比第一次过程积雪效率偏高的主要原因。积雪效率与温度和湿度空间分布型的对比分析还表明：在相对高温、高湿的环境条件下，积雪效率对局地温度和湿度的响应更为敏感。
2018年1月3～5日江苏省第一次暴雪过程中降雪量大、积雪效率偏低，而1月24～28日第二次暴雪过程降雪量小、积雪效率高。基于ERA-Interim再分析资料和中国气象局积雪、近地气温等观测资料，利用等熵大气质量环流理论从温度、水汽条件差异对2018年1月江苏省两次暴雪过程积雪效率差异进行了深入分析。研究表明：（1）第一次过程前期，深厚且强盛的向极地暖支将大量暖空气输送至江苏南部，导致该地区整层增温；第二次过程中，低层强大的向赤道冷支输送使地面温度在整个降雪期间均低于0°C，低温条件使得积雪效率偏高。（2）第一次过程，江苏地区深厚、强盛的水汽质量流入层配合大范围上升运动，将水汽携带至高层产生更大降雪量，低层经向水汽质量输送强，纬向水汽质量流出较弱，使得近地面比湿相应增加，积雪效率偏低；第二次过程，低层深厚的水汽质量流出层不利于水汽在江苏省汇聚，低湿条件利于积雪累积，贡献于偏高的积雪效率。因此，异常强的经向干冷空气质量输送和弱的经向和纬向水汽质量输送引起的低温、低湿环境条件是造成第二次暴雪过程比第一次过程积雪效率偏高的主要原因。积雪效率与温度和湿度空间分布型的对比分析还表明：在相对高温、高湿的环境条件下，积雪效率对局地温度和湿度的响应更为敏感。
2023, 47(2): 295-310.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21102
摘要:
利用NOAA（美国国家海洋和大气管理局）气候预测中心的逐日格点降水资料分析了春末夏初（5、6月）天山极端降水时空变化以及印度洋海盆一致模（IOBM）影响极端降水的机制。结果表明：春末夏初天山极端降水变化具有明显的空间差异，西天山地区极端降水显著增加，其他区域极端降水变化不显著。诊断分析和数值模式模拟结果表明，春末夏初西天山地区极端降水增加与同期IOBM正异常促进冷暖气流在西天山地区交汇有关。IOBM正异常，一方面有利于东欧至中亚北部反气旋异常加强，促进冷空气向南输送。另一方面使得印度洋海温非均匀增暖，产生异常垂直环流，其下沉支使阿拉伯海和印度半岛产生反气旋异常，异常反气旋和偏南气流共同促进印度洋暖湿水汽向西天山输送，从而有利于西天山地区极端降水增加。
利用NOAA（美国国家海洋和大气管理局）气候预测中心的逐日格点降水资料分析了春末夏初（5、6月）天山极端降水时空变化以及印度洋海盆一致模（IOBM）影响极端降水的机制。结果表明：春末夏初天山极端降水变化具有明显的空间差异，西天山地区极端降水显著增加，其他区域极端降水变化不显著。诊断分析和数值模式模拟结果表明，春末夏初西天山地区极端降水增加与同期IOBM正异常促进冷暖气流在西天山地区交汇有关。IOBM正异常，一方面有利于东欧至中亚北部反气旋异常加强，促进冷空气向南输送。另一方面使得印度洋海温非均匀增暖，产生异常垂直环流，其下沉支使阿拉伯海和印度半岛产生反气旋异常，异常反气旋和偏南气流共同促进印度洋暖湿水汽向西天山输送，从而有利于西天山地区极端降水增加。
2023, 47(2): 311-326.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21104
摘要:
利用Thies激光雨滴谱仪观测的两次极端雨强暴雨的雨滴谱资料，结合CINRADA/SA多普勒雷达观测资料，分析了极端雨强对流降水雨滴谱和积分参数特征、以及地面雨滴谱的形成机制，主要结论为：（1）两次过程都是受副热带高压外围西南气流与西风槽共同影响，具有高温高湿的特点，有利于强降水的产生。（2）强对流降水（雨强R＞20 mm h−1）雨滴谱参数lgNw、D0与雨强R关系显示，2015年8月3日参数D0随着R增大很快增大，线性拟合线的斜率较大，lgNw随着R增大逐渐减小，线性拟合线的斜率为负值；2017年7月26日D0和lgNw与R都是正相关，但D0和lgNw随着R增大较缓慢地增大，线性拟合线的斜率较小。强对流降水雨滴浓度NT与雨强R之间的关系可以用幂函数拟合，8月3日有较大系数和较小指数，7月26日有较小系数和较大指数。（3）不同雨强的对流降水平均雨滴谱分布显示，8月3日随着雨强增大（R＞50 mm h−1），直径1～3 mm中小粒子数密度相差不大，直径3～6 mm大雨滴的粒子数密度明显增大，对流降水Z–R关系有较大指数（1.61）；7月26日随着雨强增大各直径档的粒子数密度基本同时增大，对流降水Z–R关系有较小指数（1.25）。综合各种参数与雨强关系和平均雨滴谱分布特征判断，8月3日强对流降水雨滴谱属于典型的尺寸控制雨滴谱特征，而7月26日对流降水属于浓度—直径混合控制的雨滴谱特征。（4）雨滴谱归一化Gamma函数参数Nw–D0分布显示，两次对流降水都具有典型大陆性对流降水雨滴谱特征，对流降水主要属于冰相对流降水雨滴谱，但8月3日过程有较多雨滴谱属于冰相—暖雨混合对流降水雨滴谱特征。
利用Thies激光雨滴谱仪观测的两次极端雨强暴雨的雨滴谱资料，结合CINRADA/SA多普勒雷达观测资料，分析了极端雨强对流降水雨滴谱和积分参数特征、以及地面雨滴谱的形成机制，主要结论为：（1）两次过程都是受副热带高压外围西南气流与西风槽共同影响，具有高温高湿的特点，有利于强降水的产生。（2）强对流降水（雨强R＞20 mm h−1）雨滴谱参数lgNw、D0与雨强R关系显示，2015年8月3日参数D0随着R增大很快增大，线性拟合线的斜率较大，lgNw随着R增大逐渐减小，线性拟合线的斜率为负值；2017年7月26日D0和lgNw与R都是正相关，但D0和lgNw随着R增大较缓慢地增大，线性拟合线的斜率较小。强对流降水雨滴浓度NT与雨强R之间的关系可以用幂函数拟合，8月3日有较大系数和较小指数，7月26日有较小系数和较大指数。（3）不同雨强的对流降水平均雨滴谱分布显示，8月3日随着雨强增大（R＞50 mm h−1），直径1～3 mm中小粒子数密度相差不大，直径3～6 mm大雨滴的粒子数密度明显增大，对流降水Z–R关系有较大指数（1.61）；7月26日随着雨强增大各直径档的粒子数密度基本同时增大，对流降水Z–R关系有较小指数（1.25）。综合各种参数与雨强关系和平均雨滴谱分布特征判断，8月3日强对流降水雨滴谱属于典型的尺寸控制雨滴谱特征，而7月26日对流降水属于浓度—直径混合控制的雨滴谱特征。（4）雨滴谱归一化Gamma函数参数Nw–D0分布显示，两次对流降水都具有典型大陆性对流降水雨滴谱特征，对流降水主要属于冰相对流降水雨滴谱，但8月3日过程有较多雨滴谱属于冰相—暖雨混合对流降水雨滴谱特征。
2023, 47(2): 327-342.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21106
摘要:
基于1979～2018年中国高分辨率格点降水资料、NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析资料，分析了夏季青藏高原（简称高原）非绝热加热准双周振荡（Quasi-Biweekly Oscillation，QBWO）的主要模态（南部集中型）强度的年际变化与中国东部降水异常之间的联系，并从环流异常演变的角度进行解释。在高原QBWO年际强度偏强年，长江以南地区夏季降水异常与高原南部QBWO扰动呈显著正相关。在高原QBWO强度偏弱年，江淮地区和华南地区降水异常呈偶极型分布。进一步分析揭示，在高原QBWO强度偏强（弱）年，起源于西北太平洋地区的低纬度季节内信号主要表现为向西（西北）方向传播的特征，中高纬度准正压的季节内信号主要表现为向南（西南）方向传播的特征，且低纬度西（西北）传的信号与中高纬南（西南）传的信号共同作用引起中国不同的异常降水型。低纬度向西（西北）方向传播的QBWO信号传播至阿拉伯海（高原东南侧）后减弱消失，中高纬地区向南（西南）传播的信号与低纬度西（西北）传的信号汇合后继续向西（西北）方向传播，最终减弱消失。
基于1979～2018年中国高分辨率格点降水资料、NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析资料，分析了夏季青藏高原（简称高原）非绝热加热准双周振荡（Quasi-Biweekly Oscillation，QBWO）的主要模态（南部集中型）强度的年际变化与中国东部降水异常之间的联系，并从环流异常演变的角度进行解释。在高原QBWO年际强度偏强年，长江以南地区夏季降水异常与高原南部QBWO扰动呈显著正相关。在高原QBWO强度偏弱年，江淮地区和华南地区降水异常呈偶极型分布。进一步分析揭示，在高原QBWO强度偏强（弱）年，起源于西北太平洋地区的低纬度季节内信号主要表现为向西（西北）方向传播的特征，中高纬度准正压的季节内信号主要表现为向南（西南）方向传播的特征，且低纬度西（西北）传的信号与中高纬南（西南）传的信号共同作用引起中国不同的异常降水型。低纬度向西（西北）方向传播的QBWO信号传播至阿拉伯海（高原东南侧）后减弱消失，中高纬地区向南（西南）传播的信号与低纬度西（西北）传的信号汇合后继续向西（西北）方向传播，最终减弱消失。
2023, 47(2): 343-358.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21124
摘要:
本文基于1961～2016年中国西北地区逐日地表气温观测资料以及全球大气再分析资料，通过统计诊断和数值模拟的方法，揭示了西北地区5月和9月地表气温年际变率规律及其机理，并在此基础上分别构建了季节预测模型。结果表明：（1）西北5月和9月地表气温年际变率经验正交函数分解第一模态均为全区一致型空间分布，但具有不同的变率特征。（2）西北5月地表气温正异常与拉尼娜衰减型海表温度异常所对应的热带纬向三极型对流（降水）异常强迫有关，对流异常激发的热带外遥相关波列导致西北地区上空受反气旋（高压）异常控制，造成局地向下太阳短波辐射增多，从而使得西北地表气温增加；而西北9月地表气温正异常与拉尼娜发展型海表温度异常所对应的热带纬向偶极型对流（降水）异常强迫有关，偶极型对流强迫能够在西北地区东西两侧激发反气旋（高压）异常，导致西北地表气温正异常。（3）基于物理机制，分别利用拉尼娜衰减和发展型的相关海表温度异常预测因子，建立针对西北地区5月和9月地表气温年际变率的季节预测模型，独立预报期间（2007～2016年）预测技巧相关系数分别可达0.74和0.62，可为西北地表气温短期气候预测提供参考。
本文基于1961～2016年中国西北地区逐日地表气温观测资料以及全球大气再分析资料，通过统计诊断和数值模拟的方法，揭示了西北地区5月和9月地表气温年际变率规律及其机理，并在此基础上分别构建了季节预测模型。结果表明：（1）西北5月和9月地表气温年际变率经验正交函数分解第一模态均为全区一致型空间分布，但具有不同的变率特征。（2）西北5月地表气温正异常与拉尼娜衰减型海表温度异常所对应的热带纬向三极型对流（降水）异常强迫有关，对流异常激发的热带外遥相关波列导致西北地区上空受反气旋（高压）异常控制，造成局地向下太阳短波辐射增多，从而使得西北地表气温增加；而西北9月地表气温正异常与拉尼娜发展型海表温度异常所对应的热带纬向偶极型对流（降水）异常强迫有关，偶极型对流强迫能够在西北地区东西两侧激发反气旋（高压）异常，导致西北地表气温正异常。（3）基于物理机制，分别利用拉尼娜衰减和发展型的相关海表温度异常预测因子，建立针对西北地区5月和9月地表气温年际变率的季节预测模型，独立预报期间（2007～2016年）预测技巧相关系数分别可达0.74和0.62，可为西北地表气温短期气候预测提供参考。
2023, 47(2): 359-372.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21128
摘要:
本研究利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model with online coupled Chemistry）模式对未来中国北方沙尘起沙过程变化进行了模拟预测。为了提高预测结果的准确度，研究综合考虑了气溶胶、温室气体和植被覆盖率等因素对天气、气候和起沙过程的影响。预测结果显示，2016～2029年西北部沙尘源地起沙量高于北部沙尘源地，地形和气候的差异是导致两地起沙过程及其季节变化差异的主要原因。两个沙尘源地四季起沙通量呈总体减少而部分季节增加的趋势，西北部沙尘源地起沙通量在春季总体呈上升趋势，在夏、秋和冬季呈下降趋势；北部沙尘源地起沙通量在春、夏和冬季呈下降趋势，在秋季呈微弱上升趋势。两个沙尘源地各季起沙通量的变化趋势由近地面风速主导，植被覆盖率、降水和地面温度等因素对起沙通量的年际波动有着重要影响。
本研究利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model with online coupled Chemistry）模式对未来中国北方沙尘起沙过程变化进行了模拟预测。为了提高预测结果的准确度，研究综合考虑了气溶胶、温室气体和植被覆盖率等因素对天气、气候和起沙过程的影响。预测结果显示，2016～2029年西北部沙尘源地起沙量高于北部沙尘源地，地形和气候的差异是导致两地起沙过程及其季节变化差异的主要原因。两个沙尘源地四季起沙通量呈总体减少而部分季节增加的趋势，西北部沙尘源地起沙通量在春季总体呈上升趋势，在夏、秋和冬季呈下降趋势；北部沙尘源地起沙通量在春、夏和冬季呈下降趋势，在秋季呈微弱上升趋势。两个沙尘源地各季起沙通量的变化趋势由近地面风速主导，植被覆盖率、降水和地面温度等因素对起沙通量的年际波动有着重要影响。
2023, 47(2): 373-386.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21142
摘要:
2013年以来，北京市城区细颗粒物（PM2.5）质量浓度年均值呈逐年降低趋势，但PM2.5重污染事件仍旧频发，污染出现快速甚至爆发增长的成因和理化机制仍存在诸多不确定性。基于北京市城区2013～2020年常规气象要素、PM2.5及其化学组分观测资料，分析了PM2.5在缓慢、快速和爆发三种增长机制下的颗粒物浓度和组分的阈值及其与气象条件的相关关系。结果表明，2013～2020年，北京市城区PM2.5在增长时段（1～24 h间隔）中平均累积速率呈逐年放缓的趋势，大气污染累积阶段中缓慢增长的比重逐年升高。在判别标准逐渐严苛的前提下，爆发增长的比重逐年变化不大（4%～7%）。2013～2016年爆发增长的PM2.5浓度阈值为62 µg m−3，2017年后，该阈值严苛至45 µg m−3。82 µg m−3为2018年以来极易出现PM2.5爆发增长的界限值，高于此值后爆发增长的概率将大幅提升。有机物（Org）在爆发增长中起到了至关重要的作用。同一时间间隔Org在亚微米气溶胶（PM1）增长浓度中的贡献缓慢增长＜快速增长＜爆发增长，其中一次有机气溶胶（POA）在快速和爆发增长中对Org增长浓度的贡献平均超过50%，高于研究时段40%的平均占比。无机组分中，硫酸盐（SO42−）在PM1增长浓度中的贡献爆发增长（13%）＞快速增长（11.8%）＞缓慢增长（11.1%），硝酸盐（NO3−）的贡献相反。二次气溶胶（SPM）在累积阶段的贡献高于一次气溶胶（PPM），但爆发增长中，PPM在污染增长中贡献（最高达45%）明显高于平均时段的33%，PPM在爆发增长中的贡献不可小觑。秋冬季的爆发增长开始后，温度和气压均有所降低，而湿度明显升高。北京城区爆发增长中主要的气团来向为偏南向（三个高度占比分布为69%～82%），其次为偏东方向（12%～20%）。
2013年以来，北京市城区细颗粒物（PM2.5）质量浓度年均值呈逐年降低趋势，但PM2.5重污染事件仍旧频发，污染出现快速甚至爆发增长的成因和理化机制仍存在诸多不确定性。基于北京市城区2013～2020年常规气象要素、PM2.5及其化学组分观测资料，分析了PM2.5在缓慢、快速和爆发三种增长机制下的颗粒物浓度和组分的阈值及其与气象条件的相关关系。结果表明，2013～2020年，北京市城区PM2.5在增长时段（1～24 h间隔）中平均累积速率呈逐年放缓的趋势，大气污染累积阶段中缓慢增长的比重逐年升高。在判别标准逐渐严苛的前提下，爆发增长的比重逐年变化不大（4%～7%）。2013～2016年爆发增长的PM2.5浓度阈值为62 µg m−3，2017年后，该阈值严苛至45 µg m−3。82 µg m−3为2018年以来极易出现PM2.5爆发增长的界限值，高于此值后爆发增长的概率将大幅提升。有机物（Org）在爆发增长中起到了至关重要的作用。同一时间间隔Org在亚微米气溶胶（PM1）增长浓度中的贡献缓慢增长＜快速增长＜爆发增长，其中一次有机气溶胶（POA）在快速和爆发增长中对Org增长浓度的贡献平均超过50%，高于研究时段40%的平均占比。无机组分中，硫酸盐（SO42−）在PM1增长浓度中的贡献爆发增长（13%）＞快速增长（11.8%）＞缓慢增长（11.1%），硝酸盐（NO3−）的贡献相反。二次气溶胶（SPM）在累积阶段的贡献高于一次气溶胶（PPM），但爆发增长中，PPM在污染增长中贡献（最高达45%）明显高于平均时段的33%，PPM在爆发增长中的贡献不可小觑。秋冬季的爆发增长开始后，温度和气压均有所降低，而湿度明显升高。北京城区爆发增长中主要的气团来向为偏南向（三个高度占比分布为69%～82%），其次为偏东方向（12%～20%）。
2023, 47(2): 387-398.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21182
摘要:
本文使用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中对新疆当代温度和降水模拟能力较好的20个模式的试验数据，在三种共享社会经济路径（SSPs）情景下，预估了新疆21世纪温度和降水的年和季节变化。根据多模式中位数，相对于1995～2014年，新疆21世纪不断升温，盆地增幅大于山区。在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2015～2099年年平均增温趋势分别为0.1°C (10 a)−1、0.3°C (10 a)−1和0.7°C (10 a)−1；2080～2099年区域平均分别升温1.3°C、2.6°C和5.3°C，其中夏季增幅最大。各模式预估的年和季节温度变化符号的区域平均一致性大于90%，模式结果间不确定性范围随时间增加，SSP5-8.5情景下的不确定性较SS1-2.6和SSP2-4.5的更大；除春季外，模式对其它季节温度预估的不确定性高于年平均。新疆21世纪降水不断增加，降水百分比变化的大值区位于塔里木盆地中部，末期SSP5-8.5情景下增幅超过50%。在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2015～2099年年降水增幅分别是0.2% (10 a)−1、2% (10 a)−1和4% (10 a)−1；2080～2099年区域平均降水分别增加5%、13%和25%，其中冬季降水增幅更大。各模式预估的新疆降水变化符号的一致性较好，且随时间有所提高，但仍较温度的小；对新疆降水百分比变化预估的不确定性范围随时间增加，其中在SSP5-8.5情景下的最大；各季节降水预估的不确定性较年平均偏大。
本文使用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中对新疆当代温度和降水模拟能力较好的20个模式的试验数据，在三种共享社会经济路径（SSPs）情景下，预估了新疆21世纪温度和降水的年和季节变化。根据多模式中位数，相对于1995～2014年，新疆21世纪不断升温，盆地增幅大于山区。在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2015～2099年年平均增温趋势分别为0.1°C (10 a)−1、0.3°C (10 a)−1和0.7°C (10 a)−1；2080～2099年区域平均分别升温1.3°C、2.6°C和5.3°C，其中夏季增幅最大。各模式预估的年和季节温度变化符号的区域平均一致性大于90%，模式结果间不确定性范围随时间增加，SSP5-8.5情景下的不确定性较SS1-2.6和SSP2-4.5的更大；除春季外，模式对其它季节温度预估的不确定性高于年平均。新疆21世纪降水不断增加，降水百分比变化的大值区位于塔里木盆地中部，末期SSP5-8.5情景下增幅超过50%。在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2015～2099年年降水增幅分别是0.2% (10 a)−1、2% (10 a)−1和4% (10 a)−1；2080～2099年区域平均降水分别增加5%、13%和25%，其中冬季降水增幅更大。各模式预估的新疆降水变化符号的一致性较好，且随时间有所提高，但仍较温度的小；对新疆降水百分比变化预估的不确定性范围随时间增加，其中在SSP5-8.5情景下的最大；各季节降水预估的不确定性较年平均偏大。
2023, 47(2): 399-416.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21229
摘要:
为了进一步认识热带气旋（TC）全生命期中闪电的活动特征，本文利用全球闪电定位网（WWLLN）资料、中央气象台的TC路径数据、风云四号A星（FY-4A）的相当黑体温度（TBB）数据和ERA5再分析资料，研究了2018年登陆中国的最强台风“山竹”从生成到消亡全生命期中闪电活动的时空分布和随强度的变化特征，探讨了闪电活动与风圈半径及下垫面的关系。结果表明：（1）“山竹”中的闪电活动有明显的三圈结构，内核闪电密度最大，内雨带几乎没有闪电，外雨带闪电数量最多。内核闪电与外雨带闪电的主要发生时间不同，外雨带在远海也能产生大量闪电。（2）闪电活动的方位分布与TC强度、所处地理位置及环境密切相关，不同时期闪电方位分布不同。（3）闪电活动与风圈半径没有明确的关系，闪电活动多发于风圈半径较小的东南和西南方位。（4）TC快速增强期间及前后，内核闪电活动对TC强度增强具有一定的指示作用。此外，内核闪电活动与对流强度呈现较好的相关性。（5）岛屿和陆地的存在对于强对流的发展有着极重要的作用。气流遇到较高地形被迫抬升，形成闪电。TC西南方位距岛屿东南侧约300 km的海面，水汽、热量充足且人为气溶胶较多，有利于上升气流的发展，进而产生闪电。这些认识有助于闪电资料在TC中小尺度强对流监测和预警中的应用。
为了进一步认识热带气旋（TC）全生命期中闪电的活动特征，本文利用全球闪电定位网（WWLLN）资料、中央气象台的TC路径数据、风云四号A星（FY-4A）的相当黑体温度（TBB）数据和ERA5再分析资料，研究了2018年登陆中国的最强台风“山竹”从生成到消亡全生命期中闪电活动的时空分布和随强度的变化特征，探讨了闪电活动与风圈半径及下垫面的关系。结果表明：（1）“山竹”中的闪电活动有明显的三圈结构，内核闪电密度最大，内雨带几乎没有闪电，外雨带闪电数量最多。内核闪电与外雨带闪电的主要发生时间不同，外雨带在远海也能产生大量闪电。（2）闪电活动的方位分布与TC强度、所处地理位置及环境密切相关，不同时期闪电方位分布不同。（3）闪电活动与风圈半径没有明确的关系，闪电活动多发于风圈半径较小的东南和西南方位。（4）TC快速增强期间及前后，内核闪电活动对TC强度增强具有一定的指示作用。此外，内核闪电活动与对流强度呈现较好的相关性。（5）岛屿和陆地的存在对于强对流的发展有着极重要的作用。气流遇到较高地形被迫抬升，形成闪电。TC西南方位距岛屿东南侧约300 km的海面，水汽、热量充足且人为气溶胶较多，有利于上升气流的发展，进而产生闪电。这些认识有助于闪电资料在TC中小尺度强对流监测和预警中的应用。
2023, 47(2): 417-429.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.20220
摘要:
基于二维视频雨滴谱仪联合毫米波云雷达、风廓线雷达、微波辐射计、GPS/MET水汽等垂直探测设备，对2020年2月18～19日西天山地区一次冷锋暴雪过程进行了微物理特征研究。本文设计了雪花及霰粒子分类算法，用于定量研究降雪微物理特征。结果表明：（1）冷锋入侵、动力强迫阶段，降雪粒子类型主要为雪花，微物理过程主要为凝华增长及聚并增长；（2）冷锋控制、大风降温阶段，降雪粒子类型主要为雪花、霰粒子，微物理过程主要是聚并增长及凇附过程，同时聚并增长有利于凇附过程的发生；（3）在冷锋过境阶段，由于云顶温度升高、大气冰核减少、充足的过冷水，有利于凇附过程的发生。不同于南京地区的降雪，西天山地区降雪，雪花直径及雪强偏小，但霰粒子对雪强有较大贡献。通过两种融化模型，拟合出相应的雨滴谱及其Gamma分布，发现与本地层状云降水的特征相似。
基于二维视频雨滴谱仪联合毫米波云雷达、风廓线雷达、微波辐射计、GPS/MET水汽等垂直探测设备，对2020年2月18～19日西天山地区一次冷锋暴雪过程进行了微物理特征研究。本文设计了雪花及霰粒子分类算法，用于定量研究降雪微物理特征。结果表明：（1）冷锋入侵、动力强迫阶段，降雪粒子类型主要为雪花，微物理过程主要为凝华增长及聚并增长；（2）冷锋控制、大风降温阶段，降雪粒子类型主要为雪花、霰粒子，微物理过程主要是聚并增长及凇附过程，同时聚并增长有利于凇附过程的发生；（3）在冷锋过境阶段，由于云顶温度升高、大气冰核减少、充足的过冷水，有利于凇附过程的发生。不同于南京地区的降雪，西天山地区降雪，雪花直径及雪强偏小，但霰粒子对雪强有较大贡献。通过两种融化模型，拟合出相应的雨滴谱及其Gamma分布，发现与本地层状云降水的特征相似。
2023, 47(2): 430-452.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21077
摘要:
效果评估仍是人工影响天气研究面临的困难问题，数值模式在催化效果的评估方面有望发挥更大作用，建立能够模拟真实催化过程的数值模式是一条可行的途径。本文对一套三维中尺度催化模式进行了改进，采用了新的碘化银核化计算方案，在模式中增加了人工冰晶预报量及相关微物理过程，并实现了对地面火箭和高炮作业方式的仿真模拟。使用改进后的模式，采用500 m的水平分辨率，模拟了2019年9月1日华北地区一次对流云系的人工消减雨作业过程，对催化作业的消减雨效果进行了数值评估，并对碘化银在对流云中的核化特征及其催化作用机制进行了分析。结果表明：（1）催化作业对目标云系的雷达回波强度产生了一些影响，催化导致较多降水粒子滞留在高空，使得云体上部的回波强度略有增加，云体中下部的回波强度减弱，但催化作业并未改变目标云系雷达回波的自然演变趋势。（2）催化作业达到了一定的消减雨效果，作业区下游出现大面积减雨区，降水总量减少，降水强度减弱，局地最大减雨量为0.27 mm，主要影响区的平均减雨率为5.1%。（3）碘化银催化剂主要的核化方式为凝结冻结核化，其次为接触冻结核化。（4）催化作业造成了过量播撒，人工冰晶的成长占据竞争优势，它抑制了过冷层中其他水成物的自然增长过程，人工冰晶的凝华增长是导致云中水汽和云水消耗量增加的主要原因，凝华潜热的释放最终也引起云中垂直气流发生变化。（5）冷云降水是此次降水的主要物理机制，受催化的影响，暖层中霰融化过程的减弱导致雨滴总质量减少，这是降水减弱的主要原因，落入暖层下部的雨滴数量减少则是降水减弱的另一原因。
效果评估仍是人工影响天气研究面临的困难问题，数值模式在催化效果的评估方面有望发挥更大作用，建立能够模拟真实催化过程的数值模式是一条可行的途径。本文对一套三维中尺度催化模式进行了改进，采用了新的碘化银核化计算方案，在模式中增加了人工冰晶预报量及相关微物理过程，并实现了对地面火箭和高炮作业方式的仿真模拟。使用改进后的模式，采用500 m的水平分辨率，模拟了2019年9月1日华北地区一次对流云系的人工消减雨作业过程，对催化作业的消减雨效果进行了数值评估，并对碘化银在对流云中的核化特征及其催化作用机制进行了分析。结果表明：（1）催化作业对目标云系的雷达回波强度产生了一些影响，催化导致较多降水粒子滞留在高空，使得云体上部的回波强度略有增加，云体中下部的回波强度减弱，但催化作业并未改变目标云系雷达回波的自然演变趋势。（2）催化作业达到了一定的消减雨效果，作业区下游出现大面积减雨区，降水总量减少，降水强度减弱，局地最大减雨量为0.27 mm，主要影响区的平均减雨率为5.1%。（3）碘化银催化剂主要的核化方式为凝结冻结核化，其次为接触冻结核化。（4）催化作业造成了过量播撒，人工冰晶的成长占据竞争优势，它抑制了过冷层中其他水成物的自然增长过程，人工冰晶的凝华增长是导致云中水汽和云水消耗量增加的主要原因，凝华潜热的释放最终也引起云中垂直气流发生变化。（5）冷云降水是此次降水的主要物理机制，受催化的影响，暖层中霰融化过程的减弱导致雨滴总质量减少，这是降水减弱的主要原因，落入暖层下部的雨滴数量减少则是降水减弱的另一原因。
2023, 47(2): 453-469.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21085
摘要:
利用1979～2019年NOAA（美国国家海洋和大气局）月平均OLR资料，1960～2019年NCEP/NCAR（美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心）和ECMWF（欧洲中期天气预报中心）ERA5月平均再分析资料，以及英国东安格利亚（East Anglia）大学CRU地表气温观测资料，采用合成分析方法，探讨了热带太平洋异常对流纬向位置不同的El Niño事件对区域气候的影响。结果表明：基于热带太平洋异常对流活动纬向位置，研究El Niño事件对大气环流和区域气候异常的影响，可避免SST异常反映大气对流活动异常存在局限性的缺陷。超强El Niño事件中，热带太平洋异常对流位置偏东，位于140°W附近。热带东西太平洋异常下沉区偏东，导致澳大利亚东北部和巴西东北部从9月到次年2月严重高温干旱，而秘鲁和厄瓜多尔沿岸降水偏多。9～11月PNA（太平洋—北美）遥相关波列位置偏东，北美大槽显著减弱，使冬季北美大陆气温明显偏高。格陵兰岛到欧洲西北部位势高度偏低，亚欧北部显著偏暖。一般东部型El Niño事件中，异常对流位于赤道160°W附近。热带东西太平洋异常下沉区较超强事件偏西，导致澳大利亚西北部和南美西北部从9月到次年5月持续干旱，澳大利亚东部降水正常偏多。PNA波列较超强事件偏西，北美大槽加深，秋冬季北美东部出现严寒。而El Niño Modoki事件中，异常对流位于180°附近，秘鲁和厄瓜多尔沿岸处于对流抑制区，降水偏少，受异常反气旋持续控制，澳大利亚大部分地区从9月到次年5月持续干旱。PNA波列更加偏西，冬季北美东南部偏冷。一般东部型事件和El Niño Modoki事件冬季，大西洋表现为NAO（北大西洋涛动）负位相，亚欧中纬度地区气温偏低。
利用1979～2019年NOAA（美国国家海洋和大气局）月平均OLR资料，1960～2019年NCEP/NCAR（美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心）和ECMWF（欧洲中期天气预报中心）ERA5月平均再分析资料，以及英国东安格利亚（East Anglia）大学CRU地表气温观测资料，采用合成分析方法，探讨了热带太平洋异常对流纬向位置不同的El Niño事件对区域气候的影响。结果表明：基于热带太平洋异常对流活动纬向位置，研究El Niño事件对大气环流和区域气候异常的影响，可避免SST异常反映大气对流活动异常存在局限性的缺陷。超强El Niño事件中，热带太平洋异常对流位置偏东，位于140°W附近。热带东西太平洋异常下沉区偏东，导致澳大利亚东北部和巴西东北部从9月到次年2月严重高温干旱，而秘鲁和厄瓜多尔沿岸降水偏多。9～11月PNA（太平洋—北美）遥相关波列位置偏东，北美大槽显著减弱，使冬季北美大陆气温明显偏高。格陵兰岛到欧洲西北部位势高度偏低，亚欧北部显著偏暖。一般东部型El Niño事件中，异常对流位于赤道160°W附近。热带东西太平洋异常下沉区较超强事件偏西，导致澳大利亚西北部和南美西北部从9月到次年5月持续干旱，澳大利亚东部降水正常偏多。PNA波列较超强事件偏西，北美大槽加深，秋冬季北美东部出现严寒。而El Niño Modoki事件中，异常对流位于180°附近，秘鲁和厄瓜多尔沿岸处于对流抑制区，降水偏少，受异常反气旋持续控制，澳大利亚大部分地区从9月到次年5月持续干旱。PNA波列更加偏西，冬季北美东南部偏冷。一般东部型事件和El Niño Modoki事件冬季，大西洋表现为NAO（北大西洋涛动）负位相，亚欧中纬度地区气温偏低。
2023, 47(2): 470-486.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21099
摘要:
本文基于观测和再分析资料，采用水汽收支诊断和合成分析方法，对新一代气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风进行了系统评估，给出其较之前版本FGOALS-g2的优缺点，并通过与其大气分量模式GAMIL结果的比较，讨论了海气耦合过程的影响。结果表明，FGOALS-g3能合理再现全球季风气候态的基本特征，包括年平均、年循环模态、季风降水强度和季风区范围等，但模式低估陆地季风区年平均降水，高估海洋平均降水，模拟的热带地区春秋非对称模态偏强。研究指出FGOALS-g3模拟的陆地季风区范围偏小，这与模式模拟的夏季水汽垂直平流（尤其是热力项）偏小有关。年际变率上，FGOALS-g3能再现El Niño年全球季风降水偏少的整体特征，其不足之处在于部分季风区的降水异常存在一定偏差，例如其模拟的El Niño年西非季风区降水偏多和西南印度洋的偶极子型降水异常，均与观测分布不一致，且模式中西北太平洋季风区降水较观测偏多。这是由于El Niño年，模式中西非高层无弱辐合中心，且海洋性大陆较观测偏暖，对流中心西移。相较于FGOALS-g2，FGOALS-g3对环流、季风降水的年际变率和季风–ENSO关系的模拟有改善。比较耦合和非耦合模拟结果，耦合模式的偏差大多源自大气模式本身，海气耦合过程部分提高了对亚澳季风区和热带印度洋的降水和环流的模拟，但耦合过程引起的海温偏差增强了气候态上印度半岛的干偏差和热带印度洋的湿偏差。
本文基于观测和再分析资料，采用水汽收支诊断和合成分析方法，对新一代气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风进行了系统评估，给出其较之前版本FGOALS-g2的优缺点，并通过与其大气分量模式GAMIL结果的比较，讨论了海气耦合过程的影响。结果表明，FGOALS-g3能合理再现全球季风气候态的基本特征，包括年平均、年循环模态、季风降水强度和季风区范围等，但模式低估陆地季风区年平均降水，高估海洋平均降水，模拟的热带地区春秋非对称模态偏强。研究指出FGOALS-g3模拟的陆地季风区范围偏小，这与模式模拟的夏季水汽垂直平流（尤其是热力项）偏小有关。年际变率上，FGOALS-g3能再现El Niño年全球季风降水偏少的整体特征，其不足之处在于部分季风区的降水异常存在一定偏差，例如其模拟的El Niño年西非季风区降水偏多和西南印度洋的偶极子型降水异常，均与观测分布不一致，且模式中西北太平洋季风区降水较观测偏多。这是由于El Niño年，模式中西非高层无弱辐合中心，且海洋性大陆较观测偏暖，对流中心西移。相较于FGOALS-g2，FGOALS-g3对环流、季风降水的年际变率和季风–ENSO关系的模拟有改善。比较耦合和非耦合模拟结果，耦合模式的偏差大多源自大气模式本身，海气耦合过程部分提高了对亚澳季风区和热带印度洋的降水和环流的模拟，但耦合过程引起的海温偏差增强了气候态上印度半岛的干偏差和热带印度洋的湿偏差。
2023, 47(2): 487-501.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21105
摘要:
本文基于1979～2019年ERA-interim逐日再分析数据和二维阻塞指数，探究了冬季两类（中部型和东部型）厄尔尼诺背景下热带季节内振荡（MJO）对太平洋地区阻塞频率的调节作用。本研究选取出现频次较高且平均振幅较强的位相3和7进行研究。结果表明，在两类厄尔尼诺背景下MJO第3位相期间，MJO激发的遥相关位置相似，均对应极地地区（白令海地区）正（负）的位势高度异常，从而使高纬度太平洋地区均出现正的阻塞频率异常。在东部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相（EP7）期间中高纬太平洋地区存在正的阻塞频率异常。但是在中部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相（CP7）期间没有大范围显著的异常阻塞频率。这是因为EP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区的西北部，使得MJO的遥相关可以传至50°N以北，引起中高纬度地区有利于阻塞频率增加的位势高度异常。然而CP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区内部，使得对应的遥相关仅在副热带急流中传播，对高纬度地区的位势高度影响较小，导致该时期内没有大范围显著的阻塞频率异常。最后本文使用ECHAM4.6气候模式验证了上述结论。
本文基于1979～2019年ERA-interim逐日再分析数据和二维阻塞指数，探究了冬季两类（中部型和东部型）厄尔尼诺背景下热带季节内振荡（MJO）对太平洋地区阻塞频率的调节作用。本研究选取出现频次较高且平均振幅较强的位相3和7进行研究。结果表明，在两类厄尔尼诺背景下MJO第3位相期间，MJO激发的遥相关位置相似，均对应极地地区（白令海地区）正（负）的位势高度异常，从而使高纬度太平洋地区均出现正的阻塞频率异常。在东部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相（EP7）期间中高纬太平洋地区存在正的阻塞频率异常。但是在中部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相（CP7）期间没有大范围显著的异常阻塞频率。这是因为EP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区的西北部，使得MJO的遥相关可以传至50°N以北，引起中高纬度地区有利于阻塞频率增加的位势高度异常。然而CP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区内部，使得对应的遥相关仅在副热带急流中传播，对高纬度地区的位势高度影响较小，导致该时期内没有大范围显著的阻塞频率异常。最后本文使用ECHAM4.6气候模式验证了上述结论。
2023, 47(2): 502-516.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2210.22143
摘要:
流函数和速度势能很好反映流体的涡度和散度特征，一直广泛应用于全球和区域大气和海洋环流分析、污染物扩散和资料同化等研究领域。近年发现，有限区域流函数速度势常用算法计算中小尺度系统复杂流场和复杂下垫面驱动的边界层流场时，精度显著下降。本文全面回顾上世纪五十年代以来的五类常用算法，从数学原理和物理意义两方面简述优缺点，总结其适用范围；指出常用的调和—余弦法在可解性条件方面的科学问题，并设计订正方案，以提高其在求解复杂流场问题中的适用性和计算精度；通过理想函数和实际天气过程复杂流场的多组数值试验，直观定量显示并归纳总结适于不同分辨率资料的算法。本文旨在为流函数速度势及其相关变量在极端天气气候事件机理分析和数值预报等领域的有效应用，提供科学依据。
流函数和速度势能很好反映流体的涡度和散度特征，一直广泛应用于全球和区域大气和海洋环流分析、污染物扩散和资料同化等研究领域。近年发现，有限区域流函数速度势常用算法计算中小尺度系统复杂流场和复杂下垫面驱动的边界层流场时，精度显著下降。本文全面回顾上世纪五十年代以来的五类常用算法，从数学原理和物理意义两方面简述优缺点，总结其适用范围；指出常用的调和—余弦法在可解性条件方面的科学问题，并设计订正方案，以提高其在求解复杂流场问题中的适用性和计算精度；通过理想函数和实际天气过程复杂流场的多组数值试验，直观定量显示并归纳总结适于不同分辨率资料的算法。本文旨在为流函数速度势及其相关变量在极端天气气候事件机理分析和数值预报等领域的有效应用，提供科学依据。
2023, 47(2): 517-533.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.21251
摘要:
基于河南省119个国家自动站逐小时降水观测资料、欧洲中期天气预报中心逐小时大气再分析资料（ERA-5）、美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海温资料对2021年7月17～22日河南省发生的一次历史罕见的极端强降水事件（简称“21·7”暴雨）的降水特征、大气环流和物理量场进行了较为详细的分析，并对比了河南历史上三次暴雨过程。结果表明：（1）“21·7”暴雨过程在1 h最大降水量、3 h最大降水量、6 h最大降水量、1 d最大降水量、3 d最大降水量和过程累计降水量方面均表现出显著极端性。（2）高层南亚高压与东海附近低涡稳定共存，中层副高稳定偏北偏强，与大陆高压形成对峙，使得天气形势稳定，为河南地区极端强降水的发生提供了背景条件。低层西太平洋副热带高压南侧东风气流与台风“烟花”北侧的东风气流相叠加，使得西太平洋到河南地区形成深厚的水汽通道，继而为河南地区极端强降水提供了充沛的水汽。（3）在“21·7”暴雨期间，河南地区水汽通量散度值为负且大部分地区的整层可降水量可达100 mm，整层水汽十分充沛。涡度和垂直速度场的大值区主要出现在太行山东麓临近地区，与降水大值区相对应。（4）与河南历史上两次暴雨过程“75·8”（1975年8月上旬发生在河南的一次极端强降水事件）和“12·8”（2012年8月发生在河南的一次极端强降水事件）相比，其相似之处在于台风在北移过程中受到副热带高压的阻挡而停滞少动，从而将源源不断的水汽输送至河南，造成极端降水事件的发生。（5）“21·7”暴雨期间西北太平洋副热带高压能够稳定维持在台风北侧是多种因素综合影响的结果，包括中高纬度环流配置、西太暖池异常偏暖造成Hadley下沉支加强，以及增强的越赤道气流。这是造成“21·7”暴雨过程累计降水量量级大于“12·8”暴雨且最终降水量超过500 mm的可能原因之一。
基于河南省119个国家自动站逐小时降水观测资料、欧洲中期天气预报中心逐小时大气再分析资料（ERA-5）、美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海温资料对2021年7月17～22日河南省发生的一次历史罕见的极端强降水事件（简称“21·7”暴雨）的降水特征、大气环流和物理量场进行了较为详细的分析，并对比了河南历史上三次暴雨过程。结果表明：（1）“21·7”暴雨过程在1 h最大降水量、3 h最大降水量、6 h最大降水量、1 d最大降水量、3 d最大降水量和过程累计降水量方面均表现出显著极端性。（2）高层南亚高压与东海附近低涡稳定共存，中层副高稳定偏北偏强，与大陆高压形成对峙，使得天气形势稳定，为河南地区极端强降水的发生提供了背景条件。低层西太平洋副热带高压南侧东风气流与台风“烟花”北侧的东风气流相叠加，使得西太平洋到河南地区形成深厚的水汽通道，继而为河南地区极端强降水提供了充沛的水汽。（3）在“21·7”暴雨期间，河南地区水汽通量散度值为负且大部分地区的整层可降水量可达100 mm，整层水汽十分充沛。涡度和垂直速度场的大值区主要出现在太行山东麓临近地区，与降水大值区相对应。（4）与河南历史上两次暴雨过程“75·8”（1975年8月上旬发生在河南的一次极端强降水事件）和“12·8”（2012年8月发生在河南的一次极端强降水事件）相比，其相似之处在于台风在北移过程中受到副热带高压的阻挡而停滞少动，从而将源源不断的水汽输送至河南，造成极端降水事件的发生。（5）“21·7”暴雨期间西北太平洋副热带高压能够稳定维持在台风北侧是多种因素综合影响的结果，包括中高纬度环流配置、西太暖池异常偏暖造成Hadley下沉支加强，以及增强的越赤道气流。这是造成“21·7”暴雨过程累计降水量量级大于“12·8”暴雨且最终降水量超过500 mm的可能原因之一。
2023, 47(2): 534-550.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22029
摘要:
2021年7月17～22日，河南省发生一次大范围极端暴雨事件。本文利用ERA5再分析资料，基于湿位涡和倾斜涡度发展理论对此次暴雨过程进行诊断分析，并考察高分辨率全球模式天机系统及欧洲中期天气预报中心业务预报系统对此次降水过程的预报能力。结果表明此次事件是中高—低纬系统相互作用、协同影响的结果。18～19日，来自中高纬度的高湿位涡沿倾斜的湿等熵面自对流层中高层向下入侵，降温和相对湿度增加，导致河南省西北部高涡度带的形成及对流层低层倾斜湿等熵面在河南省北部建立。20日受低纬台风的影响南风增强，沿倾斜湿等熵面的上滑运动增强，导致相对涡度迅猛发展，强降水发生。天机系统对此次强降水过程的预报能力较欧洲中期天气预报中心的业务预报系统好，能为业务部门提前发布预警信号提供科学支撑。湿位涡和倾斜涡度发展理论是暴雨的诊断及预报的有力理论基础，在再分析资料及模式预报数据中与降水强度、降水落区及雨带的移动均有很好的对应。
2021年7月17～22日，河南省发生一次大范围极端暴雨事件。本文利用ERA5再分析资料，基于湿位涡和倾斜涡度发展理论对此次暴雨过程进行诊断分析，并考察高分辨率全球模式天机系统及欧洲中期天气预报中心业务预报系统对此次降水过程的预报能力。结果表明此次事件是中高—低纬系统相互作用、协同影响的结果。18～19日，来自中高纬度的高湿位涡沿倾斜的湿等熵面自对流层中高层向下入侵，降温和相对湿度增加，导致河南省西北部高涡度带的形成及对流层低层倾斜湿等熵面在河南省北部建立。20日受低纬台风的影响南风增强，沿倾斜湿等熵面的上滑运动增强，导致相对涡度迅猛发展，强降水发生。天机系统对此次强降水过程的预报能力较欧洲中期天气预报中心的业务预报系统好，能为业务部门提前发布预警信号提供科学支撑。湿位涡和倾斜涡度发展理论是暴雨的诊断及预报的有力理论基础，在再分析资料及模式预报数据中与降水强度、降水落区及雨带的移动均有很好的对应。
2023, 47(2): 551-566.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.21239
摘要:
2021年7月河南省遭遇突破历史极值的极端强降雨，造成极大人员伤亡和经济损失，同时此次事件暴露出对中国东部汛期降水预测存在一定不足，提示我们需要加强汛期降水和传统影响因子不匹配的机理研究。本文首先利用再分析ERA5月资料识别了与2021年7月有相似环流背景的中国东部夏季降水事件；进一步利用基于相似环流型的动力调整方法，对1979～2021年7月中国东部降水距平开展了大尺度环流动力影响和局地陆面作用分离；最后，量化研究了上述两个作用对此次极端降水事件的贡献。得到如下主要结论：2011年是2021年7月的500 hPa环流相似年，然而相应降水场在华北到长江中下游地区呈现显著差异。利用动力调整方法从降水距平中分离出大气环流的影响，相关分析表明余项反映局地陆—气反馈作用。降水余项是引起2021年7月江淮到长江下游地区的异常强降水的主要原因。归因分析表明，余项主要是由局地热力因子变化引起的，其中，蒸发加强，感热通量显著降低，增加了大气强对流不稳定能量，并通过影响大气相对湿度和边界层高度，使得降水增加。推广到1979～2021年7月降水的演变过程发现，中国东部降水余项的年际变率很强，极端降水异常主要体现在余项中，而环流分量相对稳定，结果强调了局地热力作用对夏季极端降水的重要影响。本研究表明，中国东部夏季降水的预测需要同时考虑大尺度大气环流特征和局地热力作用的贡献，后者对于极端降水预测的贡献尤为重要。
2021年7月河南省遭遇突破历史极值的极端强降雨，造成极大人员伤亡和经济损失，同时此次事件暴露出对中国东部汛期降水预测存在一定不足，提示我们需要加强汛期降水和传统影响因子不匹配的机理研究。本文首先利用再分析ERA5月资料识别了与2021年7月有相似环流背景的中国东部夏季降水事件；进一步利用基于相似环流型的动力调整方法，对1979～2021年7月中国东部降水距平开展了大尺度环流动力影响和局地陆面作用分离；最后，量化研究了上述两个作用对此次极端降水事件的贡献。得到如下主要结论：2011年是2021年7月的500 hPa环流相似年，然而相应降水场在华北到长江中下游地区呈现显著差异。利用动力调整方法从降水距平中分离出大气环流的影响，相关分析表明余项反映局地陆—气反馈作用。降水余项是引起2021年7月江淮到长江下游地区的异常强降水的主要原因。归因分析表明，余项主要是由局地热力因子变化引起的，其中，蒸发加强，感热通量显著降低，增加了大气强对流不稳定能量，并通过影响大气相对湿度和边界层高度，使得降水增加。推广到1979～2021年7月降水的演变过程发现，中国东部降水余项的年际变率很强，极端降水异常主要体现在余项中，而环流分量相对稳定，结果强调了局地热力作用对夏季极端降水的重要影响。本研究表明，中国东部夏季降水的预测需要同时考虑大尺度大气环流特征和局地热力作用的贡献，后者对于极端降水预测的贡献尤为重要。
2023, 47(2): 567-584.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21153
摘要:
新疆塔里木盆地是世界著名干旱区，年均降水量不足100 mm，2021年7月19日前后盆地出现罕见暴雨过程，最大累积雨量和日雨量为107.3 mm和78.5 mm（均达新疆大暴雨量级），通过分析此次暴雨水汽特征得出以下结论：（1）首次提出南亚高压“匀双体”概念，100 hPa南亚高压“西高东低”转“匀双体”过程中，500 hPa伊朗高压与高原反气旋、中亚低压与印度低压以及高原涡共同架构了“两高夹一低”环流形势。（2）揭示了在伊朗高压稳定反气旋环流下，阿拉伯海与孟加拉湾北部洋面的水汽进入盆地的大尺度环流及物理机制。阐明盆地暴雨水汽主源地为地中海及以西洋面、中亚地区、阿拉伯海和孟加拉湾，水汽输送有西方、东转西、西南+南方三条路径与轨迹，指出伊朗高压南侧东风和中亚地区西风在“东转西”水汽输送中具有关键作用，阿拉伯海和孟加拉湾的东风北上后与西风带汇合形成的水汽输送带是此次暴雨发生的重要条件。（3）水汽由西、南、东三个边界输入，东边界水汽收入主要源于低层东风，西和南两个边界水汽收入源于中高层三条路径，“西南+南方”路径水汽输送致使南边界水汽输入贡献明显大于西边界。塔里木盆地暴雨既要重视中亚低压，更要关注能否出现中亚低压与印度低压、高原涡共存并影响的大气环流场。
新疆塔里木盆地是世界著名干旱区，年均降水量不足100 mm，2021年7月19日前后盆地出现罕见暴雨过程，最大累积雨量和日雨量为107.3 mm和78.5 mm（均达新疆大暴雨量级），通过分析此次暴雨水汽特征得出以下结论：（1）首次提出南亚高压“匀双体”概念，100 hPa南亚高压“西高东低”转“匀双体”过程中，500 hPa伊朗高压与高原反气旋、中亚低压与印度低压以及高原涡共同架构了“两高夹一低”环流形势。（2）揭示了在伊朗高压稳定反气旋环流下，阿拉伯海与孟加拉湾北部洋面的水汽进入盆地的大尺度环流及物理机制。阐明盆地暴雨水汽主源地为地中海及以西洋面、中亚地区、阿拉伯海和孟加拉湾，水汽输送有西方、东转西、西南+南方三条路径与轨迹，指出伊朗高压南侧东风和中亚地区西风在“东转西”水汽输送中具有关键作用，阿拉伯海和孟加拉湾的东风北上后与西风带汇合形成的水汽输送带是此次暴雨发生的重要条件。（3）水汽由西、南、东三个边界输入，东边界水汽收入主要源于低层东风，西和南两个边界水汽收入源于中高层三条路径，“西南+南方”路径水汽输送致使南边界水汽输入贡献明显大于西边界。塔里木盆地暴雨既要重视中亚低压，更要关注能否出现中亚低压与印度低压、高原涡共存并影响的大气环流场。
2023, 47(2): 585-598.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.21149
摘要:
利用多源观测数据，结合ERA5再分析资料，从环流背景、水汽条件、局地探空特征、对流系统演变以及地形影响等方面，分析了“6.26”冕宁暴雨的可能成因。结果表明：（1）暴雨期间，500 hPa环流形势相对稳定，伴随中纬度槽东移和副热带高压西进，二者间西南气流显著增强，影响四川地区；盆地低涡北部非地转风风向随时间顺时针变化，使夜间向低涡中心辐合的气流增强，促进低涡发生、发展；盆地低涡西部的偏北气流和攀西高原的西南气流同时增强，使局地环流发生变化，改变降水区低层动力和水汽条件，决定降水起止。（2）冕宁暴雨过程分为两个阶段：前期，受地形和冷池出流抬升影响，以及叠加其上的中层辐合的接力抬升作用，西南暖湿气流冲破对流抑制，在灵山寺西南侧山前形成强对流单体，强对流单体随引导气流向东北移动到灵山寺站，带来强降水；后期，受山前地形阻挡和山后源自盆地的冷空气的共同作用下，西南暖湿气流辐合上升运动的强度和伸展高度同时增加，灵山寺站附近不断有质心（回波强度超过50 dBZ）高度较低的强回波单体生消，降水强度显著增强。
利用多源观测数据，结合ERA5再分析资料，从环流背景、水汽条件、局地探空特征、对流系统演变以及地形影响等方面，分析了“6.26”冕宁暴雨的可能成因。结果表明：（1）暴雨期间，500 hPa环流形势相对稳定，伴随中纬度槽东移和副热带高压西进，二者间西南气流显著增强，影响四川地区；盆地低涡北部非地转风风向随时间顺时针变化，使夜间向低涡中心辐合的气流增强，促进低涡发生、发展；盆地低涡西部的偏北气流和攀西高原的西南气流同时增强，使局地环流发生变化，改变降水区低层动力和水汽条件，决定降水起止。（2）冕宁暴雨过程分为两个阶段：前期，受地形和冷池出流抬升影响，以及叠加其上的中层辐合的接力抬升作用，西南暖湿气流冲破对流抑制，在灵山寺西南侧山前形成强对流单体，强对流单体随引导气流向东北移动到灵山寺站，带来强降水；后期，受山前地形阻挡和山后源自盆地的冷空气的共同作用下，西南暖湿气流辐合上升运动的强度和伸展高度同时增加，灵山寺站附近不断有质心（回波强度超过50 dBZ）高度较低的强回波单体生消，降水强度显著增强。
