当期目录
2020年 第44卷 第4期
2020,
44(4):
679-694. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1907.18254
摘要:
风云四号A星（Fengyun-4A，简称FY-4A）作为我国最新一代静止气象卫星，各方面技术指标都体现了“高、精、尖”特色，处于国际领先地位。其上搭载的多通道扫描成像辐射计（Advanced Geosynchronous Radiation Imager，简称AGRI）较上一代静止卫星风云二号的可见光红外自旋扫描辐射仪观测精度更高、扫描时间更短，充分体现AGRI观测资料将有效提高“一带一路”沿线国家和地区的天气预报和灾害预警水平。偏差订正是卫星资料处理的重要环节之一，因此本文通过在WRFDA v3.9.1（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation v3.9.1）搭建AGRI同化接口，利用RTTOV v11. 3辐射传输模式和GFS全球预报系统（Global Forecast System）分析场研究了FY-4A AGRI红外通道8～14晴空辐射率资料的偏差特征并进行偏差订正对比试验，分析了卫星天顶角对AGRI资料偏差订正的影响，为将来实现AGRI红外通道辐射率资料在中尺度模式中的同化应用奠定基础。结果表明：（1）通道8～10及14为正偏差，通道11～13为负偏差。水汽通道9和10偏差及其标准差相对较小，偏差海陆差异不明显。通道11～14探测高度较低，陆地上观测受地表发射率影响大，质量控制时可剔除这些通道陆地上的观测。（2）各通道偏差随卫星天顶角变化的拟合直线斜率都小于0.035，对比试验结果表明偏差与卫星天顶角的关系不明显，预报因子中无需考虑卫星天顶角的作用。（3）通道8及11～14的偏差随着目标亮温的变化比水汽通道9～10明显，偏差有较强的目标亮温依赖特征。（4）根据分析的偏差特征对2018年5月13日18时（协调世界时，下同）至15日18时进行变分偏差订正试验，系统性偏差得到了有效的订正。
风云四号A星（Fengyun-4A，简称FY-4A）作为我国最新一代静止气象卫星，各方面技术指标都体现了“高、精、尖”特色，处于国际领先地位。其上搭载的多通道扫描成像辐射计（Advanced Geosynchronous Radiation Imager，简称AGRI）较上一代静止卫星风云二号的可见光红外自旋扫描辐射仪观测精度更高、扫描时间更短，充分体现AGRI观测资料将有效提高“一带一路”沿线国家和地区的天气预报和灾害预警水平。偏差订正是卫星资料处理的重要环节之一，因此本文通过在WRFDA v3.9.1（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation v3.9.1）搭建AGRI同化接口，利用RTTOV v11. 3辐射传输模式和GFS全球预报系统（Global Forecast System）分析场研究了FY-4A AGRI红外通道8～14晴空辐射率资料的偏差特征并进行偏差订正对比试验，分析了卫星天顶角对AGRI资料偏差订正的影响，为将来实现AGRI红外通道辐射率资料在中尺度模式中的同化应用奠定基础。结果表明：（1）通道8～10及14为正偏差，通道11～13为负偏差。水汽通道9和10偏差及其标准差相对较小，偏差海陆差异不明显。通道11～14探测高度较低，陆地上观测受地表发射率影响大，质量控制时可剔除这些通道陆地上的观测。（2）各通道偏差随卫星天顶角变化的拟合直线斜率都小于0.035，对比试验结果表明偏差与卫星天顶角的关系不明显，预报因子中无需考虑卫星天顶角的作用。（3）通道8及11～14的偏差随着目标亮温的变化比水汽通道9～10明显，偏差有较强的目标亮温依赖特征。（4）根据分析的偏差特征对2018年5月13日18时（协调世界时，下同）至15日18时进行变分偏差订正试验，系统性偏差得到了有效的订正。
2020,
44(4):
695-715. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1906.18265
摘要:
2018年8月30~31日一条超长生命期的中尺度线状对流（线状β-MCS）引发了华南沿海一次极端降水事件[1056.7 mm（24 h）−1]，刷新广东省24小时雨量历史纪录，造成严重洪涝并引起社会极大关注。文章采用多源观测资料与NCEP/NCAR_FNL分析资料，首先从观测分析角度提炼该次过程的降水特点与卫星、雷达的基本演变特征，然后分析了极端降水的天气尺度背景与中尺度环境条件，最后从中尺度大气动力学角度探讨超长生命期线状β-MCS的触发演变与海陆边界风向旋转维持的关系，并揭示线状对流组织与维持的可能物理机制。结果表明：季风低压作为稳定的天气尺度背景，大气层结表现为深厚暖湿与持续不稳定，季风云团北推上岸造成华南沿海大范围暴雨，一条超长生命期、准静止、低顶高、低质心并具备后向传播特征的线状β-MCS造成高潭持续性强降雨，降水强度大、持续时间极长是累积雨量破纪录的主要原因。对流触发及线状β-MCS组织发展与地面风场有密切关系，海陆边界风向旋转率方程定性分析发现地面风场受多尺度调节影响，季风低压的天气尺度项、局地地形摩擦项与中尺度气压梯度项对地面风场协同形成的反向强迫及平衡机制，是偏南气流长时间维持的关键。斜坡地形与黄江河谷一侧偏南气流增强并建立“暖脊”，致使山脉一侧冷池出流边界无法向南扩展，形成强烈的水平温度梯度，基于中尺度动力学方程定量诊断表明β-MCS的线状组织过程及对流维持的动力机制来源于局地垂直风切变，这种局地垂直风切变有别于环境垂直风切变，其显著增强是对地面强烈纬向水平温度梯度响应的结果。
2018年8月30~31日一条超长生命期的中尺度线状对流（线状β-MCS）引发了华南沿海一次极端降水事件[1056.7 mm（24 h）−1]，刷新广东省24小时雨量历史纪录，造成严重洪涝并引起社会极大关注。文章采用多源观测资料与NCEP/NCAR_FNL分析资料，首先从观测分析角度提炼该次过程的降水特点与卫星、雷达的基本演变特征，然后分析了极端降水的天气尺度背景与中尺度环境条件，最后从中尺度大气动力学角度探讨超长生命期线状β-MCS的触发演变与海陆边界风向旋转维持的关系，并揭示线状对流组织与维持的可能物理机制。结果表明：季风低压作为稳定的天气尺度背景，大气层结表现为深厚暖湿与持续不稳定，季风云团北推上岸造成华南沿海大范围暴雨，一条超长生命期、准静止、低顶高、低质心并具备后向传播特征的线状β-MCS造成高潭持续性强降雨，降水强度大、持续时间极长是累积雨量破纪录的主要原因。对流触发及线状β-MCS组织发展与地面风场有密切关系，海陆边界风向旋转率方程定性分析发现地面风场受多尺度调节影响，季风低压的天气尺度项、局地地形摩擦项与中尺度气压梯度项对地面风场协同形成的反向强迫及平衡机制，是偏南气流长时间维持的关键。斜坡地形与黄江河谷一侧偏南气流增强并建立“暖脊”，致使山脉一侧冷池出流边界无法向南扩展，形成强烈的水平温度梯度，基于中尺度动力学方程定量诊断表明β-MCS的线状组织过程及对流维持的动力机制来源于局地垂直风切变，这种局地垂直风切变有别于环境垂直风切变，其显著增强是对地面强烈纬向水平温度梯度响应的结果。
2020,
44(4):
716-725. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1907.18257
摘要:
本文利用WRF模式，通过开展敏感性试验讨论了单个热带气旋（Tropical Cyclone, TC）——“鲇鱼（Megi）”影响下不同等压面上西太平洋副热带高压脊线的移动特征，并分析了Megi活动影响副高脊线垂直分布的可能机理。结果表明，Megi活动期间，副高脊线在TC的影响下总体发生了向南移动，且TC活动所导致的脊线南移在高层相对较大，而在低层相对较小。TC影响副高脊线垂直分布的可能机理为，副高脊线的经向运动受其附近纬向风异常的直接影响，而Megi活动所导致的脊线附近纬向风异常与温度异常总体满足热成风关系，当Megi活动造成副高脊线附近出现温度经向梯度异常时，纬向风异常会随高度增加而发生切变，因此会导致副高脊线的垂直分布状况发生改变。另外，利用温度倾向方程的诊断分析结果表明，TC活动所激发的脊线附近不同物理过程项的异常在时空剖面上有很大区别，其中温度水平平流异常和非绝热加热异常的作用主要可使大气温度异常升高，而温度的垂直输送异常则可使温度降低。总之，TC的热力效应对西太平洋副热带高压脊线垂直分布的影响十分显著。
本文利用WRF模式，通过开展敏感性试验讨论了单个热带气旋（Tropical Cyclone, TC）——“鲇鱼（Megi）”影响下不同等压面上西太平洋副热带高压脊线的移动特征，并分析了Megi活动影响副高脊线垂直分布的可能机理。结果表明，Megi活动期间，副高脊线在TC的影响下总体发生了向南移动，且TC活动所导致的脊线南移在高层相对较大，而在低层相对较小。TC影响副高脊线垂直分布的可能机理为，副高脊线的经向运动受其附近纬向风异常的直接影响，而Megi活动所导致的脊线附近纬向风异常与温度异常总体满足热成风关系，当Megi活动造成副高脊线附近出现温度经向梯度异常时，纬向风异常会随高度增加而发生切变，因此会导致副高脊线的垂直分布状况发生改变。另外，利用温度倾向方程的诊断分析结果表明，TC活动所激发的脊线附近不同物理过程项的异常在时空剖面上有很大区别，其中温度水平平流异常和非绝热加热异常的作用主要可使大气温度异常升高，而温度的垂直输送异常则可使温度降低。总之，TC的热力效应对西太平洋副热带高压脊线垂直分布的影响十分显著。
2020,
44(4):
726-747. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1906.19110
摘要:
利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析，同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明，强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程，而弱极涡事件的建立非常迅速；和强极涡事件相比，弱极涡事件的峰值强度更强，异常中心的位置更高。此外，强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件，发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波；当平流层西风达到一定强度，上传的行星波受到强烈抑制，使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件，发展阶段一波型的异常增强了行星波上传，通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态，更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明，有SSW发生的弱极涡事件发展阶段，平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常，通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃；无SSW发生的弱极涡事件发展阶段，平流层缺乏向上的一波通量，二波活动起到重要作用，其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件，其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常，伴随着强的向极的EP通量异常，导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常，其后期的对流层效应更加滞后也不连续，对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。
利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析，同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明，强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程，而弱极涡事件的建立非常迅速；和强极涡事件相比，弱极涡事件的峰值强度更强，异常中心的位置更高。此外，强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件，发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波；当平流层西风达到一定强度，上传的行星波受到强烈抑制，使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件，发展阶段一波型的异常增强了行星波上传，通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态，更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明，有SSW发生的弱极涡事件发展阶段，平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常，通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃；无SSW发生的弱极涡事件发展阶段，平流层缺乏向上的一波通量，二波活动起到重要作用，其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件，其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常，伴随着强的向极的EP通量异常，导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常，其后期的对流层效应更加滞后也不连续，对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。
2020,
44(4):
748-760. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1907.19118
摘要:
利用探空火箭、新一代天气雷达和气象探测资料对2015年7月17日延安宝塔区冰雹云进行了综合探测，结果表明：（1）当日08:00（北京时，下同）500 hPa河套低涡分裂东移，有较强冷平流且移动速度较快，地面14:00升温明显造成了这次降雹。（2）偏后位置的冰雹云内部温、湿条件以及对流指数（Tg）、整层比湿积分（IQ）、总指数（TT）均小于外部的自然大气；层结稳定度指数（K）、抬升指数（LI）、沙氏指数（SI）冰雹云内部比外部自然大气偏小；热力参数风暴强度指数（SSI）冰雹云内部低于外部自然大气；冰雹云内部能量参数（CAPE）明显低于自然大气；冰雹云内部0°C层高度低于冰雹云外部自然大气。（3）火箭探测的位置偏冰雹云后部，冰雹云由低层到高层风向呈逆时针变化，探空仪摆动明显，−20°C温度层偏高，气流较强，整层偏下沉气流。（4）冰雹云0°C附近，在温度区间−1.8～5.0°C、厚度1.0 km范围内有最大湿度区，湿度达80%以上，最大湿度87.1%，为冰雹的形成提供了水汽条件。（5）紧贴0°C下正温区，有最大水平风速为19 m s−1急流，厚度为0.022 km。在温度区间−4.8～5.0°C、厚度1.6 km范围内维持13 m s−1以上水平风速，为冰雹的形成提供了动力场条件。（6）在温度区间−8.7～−9.2°C、厚度0.2 km，有小于或等于2 m s−1弱风区；弱风区下方，在温度区间−4.6～−8.8°C、厚度0.889 km有上升气流，平均上升速度1.79 m s−1，最大上升速度4 m s−1，这种配置为冰雹的生长提供了环境场。
利用探空火箭、新一代天气雷达和气象探测资料对2015年7月17日延安宝塔区冰雹云进行了综合探测，结果表明：（1）当日08:00（北京时，下同）500 hPa河套低涡分裂东移，有较强冷平流且移动速度较快，地面14:00升温明显造成了这次降雹。（2）偏后位置的冰雹云内部温、湿条件以及对流指数（Tg）、整层比湿积分（IQ）、总指数（TT）均小于外部的自然大气；层结稳定度指数（K）、抬升指数（LI）、沙氏指数（SI）冰雹云内部比外部自然大气偏小；热力参数风暴强度指数（SSI）冰雹云内部低于外部自然大气；冰雹云内部能量参数（CAPE）明显低于自然大气；冰雹云内部0°C层高度低于冰雹云外部自然大气。（3）火箭探测的位置偏冰雹云后部，冰雹云由低层到高层风向呈逆时针变化，探空仪摆动明显，−20°C温度层偏高，气流较强，整层偏下沉气流。（4）冰雹云0°C附近，在温度区间−1.8～5.0°C、厚度1.0 km范围内有最大湿度区，湿度达80%以上，最大湿度87.1%，为冰雹的形成提供了水汽条件。（5）紧贴0°C下正温区，有最大水平风速为19 m s−1急流，厚度为0.022 km。在温度区间−4.8～5.0°C、厚度1.6 km范围内维持13 m s−1以上水平风速，为冰雹的形成提供了动力场条件。（6）在温度区间−8.7～−9.2°C、厚度0.2 km，有小于或等于2 m s−1弱风区；弱风区下方，在温度区间−4.6～−8.8°C、厚度0.889 km有上升气流，平均上升速度1.79 m s−1，最大上升速度4 m s−1，这种配置为冰雹的生长提供了环境场。
2020,
44(4):
761-775. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1905.19119
摘要:
利用1959～2013年台站逐日降水观测资料和JRA-55逐6小时再分析资料，分析了长江中下游地区夏季强降水对应的前期三维环流结构。通过对长江中下游地区373个强降水样本的大气环流场合成分析发现，在长江中下游地区对流层中上层存在暖异常，暖中心位于300 hPa。在静力平衡和准地转平衡的作用下，高层暖异常上层存在反气旋式环流，下层存在气旋式环流。一方面，暖异常通过高层的反气旋式环流异常，使得其北侧的200 hPa西风增强，并促使高层急流东伸、南移到长江中下游地区北侧附近，增强了长江中下游地区高空辐散；另一方面，暖异常通过低层的气旋式环流异常，加强了吹向长江中下游地区的西南风，使低层水汽输送及辐合增强。暖异常所引起的高低空环流异常的有利配置，对长江中下游地区夏季强降水形成有重要作用。300 hPa 暖异常在降水前48小时已经存在于青藏高原东部的400～300 hPa 高空，700 hPa 气旋式环流提前24小时出现在四川盆地中低层。高低层的环流要素相互配合并随时间东移，暖异常率先到达长江中下游地区，并配合低层气旋式环流和水汽辐合区，导致了长江中下游地区的强降水。
利用1959～2013年台站逐日降水观测资料和JRA-55逐6小时再分析资料，分析了长江中下游地区夏季强降水对应的前期三维环流结构。通过对长江中下游地区373个强降水样本的大气环流场合成分析发现，在长江中下游地区对流层中上层存在暖异常，暖中心位于300 hPa。在静力平衡和准地转平衡的作用下，高层暖异常上层存在反气旋式环流，下层存在气旋式环流。一方面，暖异常通过高层的反气旋式环流异常，使得其北侧的200 hPa西风增强，并促使高层急流东伸、南移到长江中下游地区北侧附近，增强了长江中下游地区高空辐散；另一方面，暖异常通过低层的气旋式环流异常，加强了吹向长江中下游地区的西南风，使低层水汽输送及辐合增强。暖异常所引起的高低空环流异常的有利配置，对长江中下游地区夏季强降水形成有重要作用。300 hPa 暖异常在降水前48小时已经存在于青藏高原东部的400～300 hPa 高空，700 hPa 气旋式环流提前24小时出现在四川盆地中低层。高低层的环流要素相互配合并随时间东移，暖异常率先到达长江中下游地区，并配合低层气旋式环流和水汽辐合区，导致了长江中下游地区的强降水。
2020,
44(4):
776-791. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1907.19137
摘要:
本文使用美国伍兹霍尔海洋研究所发布的客观分析海气通量项目数据集及日本海洋科学技术中心的Ishii次表层温盐数据，利用经验正交函数分析方法、小扰动展开、线性回归、海水热力学方程2010等方法，主要研究在增温停滞背景（1979～2000年，升温阶段；2001～2013年，停滞阶段）下，北半球两支西边界流区域即黑潮及其延伸区域（简称黑潮区域）和墨西哥湾流区域（简称湾流区域）海表潜热通量的年代际趋势转变和影响因子，以及内部热含量的年代际变化。结果表明，两支西边界流在增温停滞背景下都发生了年代际尺度的趋势反转，而反转的时间节点以及前后的反转趋势都不相同：黑潮区域潜热通量年代际趋势于2001年左右由正转负；而湾流区域潜热通量年代际趋势于1993年左右由负转正。其影响因子在前后阶段也有不同：通过影响海表饱和比湿进而影响海气比湿差，海表温度是影响黑潮区域全时间段以及湾流区域1993～2013年时间段潜热通量变化的主要因素；而风速通过直接的影响以及对空气湿度的影响也会对潜热通量变化产生间接影响，主要在湾流区域的1979～1992年时间段体现。黑潮及湾流区域0～1000 m海水热含量的年代际变化同样存在差异：黑潮区域表层热含量年代际变化同混合层一致；湾流区域表层热含量年代际变化同深层相异，而表层以下的变化较为一致；两个区域的深层热含量变化都体现了增温停滞的现象，黑潮区域可能存在下层至上层的影响；而湾流区域可能存在上层至下层的影响。黑潮与湾流区域表面的差异可以归结为海洋与大气因素的影响差异，而内部热含量年代际变化的垂直差异可能归结为两区域的结构差异。增温停滞对两区域的变化影响显著，而区域的变化可能存在对增温停滞的反馈。
本文使用美国伍兹霍尔海洋研究所发布的客观分析海气通量项目数据集及日本海洋科学技术中心的Ishii次表层温盐数据，利用经验正交函数分析方法、小扰动展开、线性回归、海水热力学方程2010等方法，主要研究在增温停滞背景（1979～2000年，升温阶段；2001～2013年，停滞阶段）下，北半球两支西边界流区域即黑潮及其延伸区域（简称黑潮区域）和墨西哥湾流区域（简称湾流区域）海表潜热通量的年代际趋势转变和影响因子，以及内部热含量的年代际变化。结果表明，两支西边界流在增温停滞背景下都发生了年代际尺度的趋势反转，而反转的时间节点以及前后的反转趋势都不相同：黑潮区域潜热通量年代际趋势于2001年左右由正转负；而湾流区域潜热通量年代际趋势于1993年左右由负转正。其影响因子在前后阶段也有不同：通过影响海表饱和比湿进而影响海气比湿差，海表温度是影响黑潮区域全时间段以及湾流区域1993～2013年时间段潜热通量变化的主要因素；而风速通过直接的影响以及对空气湿度的影响也会对潜热通量变化产生间接影响，主要在湾流区域的1979～1992年时间段体现。黑潮及湾流区域0～1000 m海水热含量的年代际变化同样存在差异：黑潮区域表层热含量年代际变化同混合层一致；湾流区域表层热含量年代际变化同深层相异，而表层以下的变化较为一致；两个区域的深层热含量变化都体现了增温停滞的现象，黑潮区域可能存在下层至上层的影响；而湾流区域可能存在上层至下层的影响。黑潮与湾流区域表面的差异可以归结为海洋与大气因素的影响差异，而内部热含量年代际变化的垂直差异可能归结为两区域的结构差异。增温停滞对两区域的变化影响显著，而区域的变化可能存在对增温停滞的反馈。
2020,
44(4):
792-807. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19140
摘要:
本文利用日本第二次全球大气再分析项目（JRA-55）提供的逐日积雪深度数据、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的全球再分析数据及Hadley海温数据分析了春季欧亚大陆积雪异常模态及其与北大西洋海温的遥相关关系，并通过模式模拟分析验证。结果表明：春季欧亚大陆雪深前两种模态差异显著，分别表现为东、西区域同向变化及反向变化两种非对称形态。其中，同期北大西洋“三极子型”海温模态与“马鞍型”海温模态分别与雪深第一、第二模态具有显著相关关系，这两种海温模态下对应的北半球中高纬波动作用通量分别呈丝绸之路（SRP）型和欧亚波列（EU）型两种传播特征，对中高纬西风气流的位置、强度产生了不同影响，进而对欧亚雪深分布产生遥相关作用。通过局地多尺度能量涡度分析法（Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis，简称MSE-VA）表明，北大西洋源区有自下向上的动能传输，另外，西风急流出口的平均动能转化增加，使得高层动能累积并向外辐散，从而对下游产生遥相关作用。通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋“三极子型”和“马鞍型”两种海温模态下的波作用通量传播特征，结果较好地验证了来自北大西洋的波动作用通量传播呈“SRP”型和“EU”型两种特征，对应的降雪分布表明两种模态下气候场要素的变化与对应雪深模态的分布特征一致。
本文利用日本第二次全球大气再分析项目（JRA-55）提供的逐日积雪深度数据、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的全球再分析数据及Hadley海温数据分析了春季欧亚大陆积雪异常模态及其与北大西洋海温的遥相关关系，并通过模式模拟分析验证。结果表明：春季欧亚大陆雪深前两种模态差异显著，分别表现为东、西区域同向变化及反向变化两种非对称形态。其中，同期北大西洋“三极子型”海温模态与“马鞍型”海温模态分别与雪深第一、第二模态具有显著相关关系，这两种海温模态下对应的北半球中高纬波动作用通量分别呈丝绸之路（SRP）型和欧亚波列（EU）型两种传播特征，对中高纬西风气流的位置、强度产生了不同影响，进而对欧亚雪深分布产生遥相关作用。通过局地多尺度能量涡度分析法（Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis，简称MSE-VA）表明，北大西洋源区有自下向上的动能传输，另外，西风急流出口的平均动能转化增加，使得高层动能累积并向外辐散，从而对下游产生遥相关作用。通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋“三极子型”和“马鞍型”两种海温模态下的波作用通量传播特征，结果较好地验证了来自北大西洋的波动作用通量传播呈“SRP”型和“EU”型两种特征，对应的降雪分布表明两种模态下气候场要素的变化与对应雪深模态的分布特征一致。
2020,
44(4):
808-815. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1908.19144
摘要:
为了获得更加准确的冬季降水数据，针对PARSIVEL2（Particle Size and Velocity）测量降雪时近地面水平风的影响进行了订正及误差计算。订正结果表明：一定风速下，不考虑风的影响会造成小粒子直径的明显低估，而对于同一粒径段的粒子，风速越大，计算过程中对于粒子直径的低估越明显。风速不超过2 m s−1时，其降雪粒子下落末速度计算误差在3%左右，直径计算误差在7%以内（水平偏转角度45°）。在对2018年1月4日南京一次降雪过程中获取的真实雪花谱的分析中可以看出，忽略风的影响会导致雪花谱峰值的偏移和谱的缩窄，这会造成小粒子数浓度的高估和大粒子数浓度的低估，进而影响微物理量的计算。具体表现在雷达反射率因子Z和降雪强度I的低估，及Z–I关系拟合系数a值的实际数值会大于计算值，b值则偏小。但当风速较大时，近地面流场比较复杂，垂直向湍流运动不可忽略，此种订正方法很可能不再适用。建议在以后的业务观测中增设防风圈或在后续的数据处理中增加针对风的订正，以排除风对降雪测量的影响。
为了获得更加准确的冬季降水数据，针对PARSIVEL2（Particle Size and Velocity）测量降雪时近地面水平风的影响进行了订正及误差计算。订正结果表明：一定风速下，不考虑风的影响会造成小粒子直径的明显低估，而对于同一粒径段的粒子，风速越大，计算过程中对于粒子直径的低估越明显。风速不超过2 m s−1时，其降雪粒子下落末速度计算误差在3%左右，直径计算误差在7%以内（水平偏转角度45°）。在对2018年1月4日南京一次降雪过程中获取的真实雪花谱的分析中可以看出，忽略风的影响会导致雪花谱峰值的偏移和谱的缩窄，这会造成小粒子数浓度的高估和大粒子数浓度的低估，进而影响微物理量的计算。具体表现在雷达反射率因子Z和降雪强度I的低估，及Z–I关系拟合系数a值的实际数值会大于计算值，b值则偏小。但当风速较大时，近地面流场比较复杂，垂直向湍流运动不可忽略，此种订正方法很可能不再适用。建议在以后的业务观测中增设防风圈或在后续的数据处理中增加针对风的订正，以排除风对降雪测量的影响。
2020,
44(4):
816-834. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1908.19154
摘要:
为了对比分析降水过程中不同表达形式热力学变量和位涡时空分布特点，本文针对2017年7月13～14日吉林省强降水过程，利用模式输出资料对常规位温（θ）、相当位温（θe）、包含凝结概率函数的广义位温（θGao）、包含冻结概率函数的广义位温（θWang）和同时涵盖凝结过程与冻结过程（θGu）五种不同形式位温进行计算，并分析五种对应位涡[PV(θ)、PV(θe)、PV(θGao)、PV(θWang)、PV(θGu)]与降水的关系。结果表明，引入冻结概率函数的广义位温（θWang）和对应的广义湿位涡PV(θWang)与强降水的对应性更好。θWang与θGao差异集中在降水区对流层中高层5～11 km，前者始终高于后者，最大差异达2.5 K，说明冻结概率函数的引入扩大了广义位温的适用范围，更适合描述降水区湿大气非均匀饱和热力状态。五种位涡的差异主要在降水区上空12 km以下，由θGao和θWang定义的位涡PV(θGao)和PV(θWang)的正负异常中心更为明显。相比于PV(θGao)和PV(θWang)异常值更大，差异可达±0.2 PVU，这主要是由于冻结概率函数的引入增大降水区上空广义位温，促使冻结区的湿位涡异常增强。
为了对比分析降水过程中不同表达形式热力学变量和位涡时空分布特点，本文针对2017年7月13～14日吉林省强降水过程，利用模式输出资料对常规位温（θ）、相当位温（θe）、包含凝结概率函数的广义位温（θGao）、包含冻结概率函数的广义位温（θWang）和同时涵盖凝结过程与冻结过程（θGu）五种不同形式位温进行计算，并分析五种对应位涡[PV(θ)、PV(θe)、PV(θGao)、PV(θWang)、PV(θGu)]与降水的关系。结果表明，引入冻结概率函数的广义位温（θWang）和对应的广义湿位涡PV(θWang)与强降水的对应性更好。θWang与θGao差异集中在降水区对流层中高层5～11 km，前者始终高于后者，最大差异达2.5 K，说明冻结概率函数的引入扩大了广义位温的适用范围，更适合描述降水区湿大气非均匀饱和热力状态。五种位涡的差异主要在降水区上空12 km以下，由θGao和θWang定义的位涡PV(θGao)和PV(θWang)的正负异常中心更为明显。相比于PV(θGao)和PV(θWang)异常值更大，差异可达±0.2 PVU，这主要是由于冻结概率函数的引入增大降水区上空广义位温，促使冻结区的湿位涡异常增强。
2020,
44(4):
835-850. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1909.19160
摘要:
本文利用2001～2017年ERA5再分析资料以及CERES卫星资料，探究夏季白天中国中东部不同类型云的云量及其光学厚度的时空变化特征，并利用一维辐射对流模式定量分析不同类型云对近地表气温的影响。观测结果表明：夏季白天中国中东部总云量及其光学厚度整体呈由南向北逐渐减小的分布特征，且中高云量占主导地位。总云量整体呈−0.3% a−1显著减少趋势，其中低云的贡献（−0.27% a−1）最大；总云光学厚度为0～0.1 a−1增加趋势，其中低云光学厚度（0.06 a−1）和中低云光学厚度（0.03 a−1）呈增加趋势，而中高云光学厚度（−0.08 a−1）和高云光学厚度（−0.03 a−1）呈减少趋势。模式结果表明：四种不同类型云的温度效应（Cloud Effect Temperature, CET）均为负值，表现为降温效应。低云、中低云、中高云和高云的年均CET值分别为−2.9°C、−2.7°C、−2.2°C和−1.7°C。其中，低云在华北平原降温可达−5°C；中低云和中高云在四川盆地和云贵高原降温可达−7.8°C。不同类型云温度效应与近地表气温的年际变化具有较好的一致性，具体表现为：2004年前（后）近地表气温呈现下降（上升）趋势，不同类型云的CET在此期间呈下降（上升）趋势，表现为云的降温效应增强（减弱）与近地表气温下降（上升）相对应，体现了夏季白天中国中东部4种不同类型云温度效应与近地表气温都呈正相关关系。特别地，夏季白天中国中东部中高云量占主导地位，其CET与近地表气温的相关系数高达0.63。综上，夏季白天中国中东部不同类型云温度效应对近地表气温的影响不同，但均呈正相关关系。定量分析不同类型云对近地表气温的影响可以为定量研究云反馈对区域增暖的作用以及合理预估未来区域增暖情景提供必要的科学参考。
本文利用2001～2017年ERA5再分析资料以及CERES卫星资料，探究夏季白天中国中东部不同类型云的云量及其光学厚度的时空变化特征，并利用一维辐射对流模式定量分析不同类型云对近地表气温的影响。观测结果表明：夏季白天中国中东部总云量及其光学厚度整体呈由南向北逐渐减小的分布特征，且中高云量占主导地位。总云量整体呈−0.3% a−1显著减少趋势，其中低云的贡献（−0.27% a−1）最大；总云光学厚度为0～0.1 a−1增加趋势，其中低云光学厚度（0.06 a−1）和中低云光学厚度（0.03 a−1）呈增加趋势，而中高云光学厚度（−0.08 a−1）和高云光学厚度（−0.03 a−1）呈减少趋势。模式结果表明：四种不同类型云的温度效应（Cloud Effect Temperature, CET）均为负值，表现为降温效应。低云、中低云、中高云和高云的年均CET值分别为−2.9°C、−2.7°C、−2.2°C和−1.7°C。其中，低云在华北平原降温可达−5°C；中低云和中高云在四川盆地和云贵高原降温可达−7.8°C。不同类型云温度效应与近地表气温的年际变化具有较好的一致性，具体表现为：2004年前（后）近地表气温呈现下降（上升）趋势，不同类型云的CET在此期间呈下降（上升）趋势，表现为云的降温效应增强（减弱）与近地表气温下降（上升）相对应，体现了夏季白天中国中东部4种不同类型云温度效应与近地表气温都呈正相关关系。特别地，夏季白天中国中东部中高云量占主导地位，其CET与近地表气温的相关系数高达0.63。综上，夏季白天中国中东部不同类型云温度效应对近地表气温的影响不同，但均呈正相关关系。定量分析不同类型云对近地表气温的影响可以为定量研究云反馈对区域增暖的作用以及合理预估未来区域增暖情景提供必要的科学参考。
2020,
44(4):
851-864. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1910.19161
摘要:
北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork，简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年，对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级，提高了传感器的灵敏度，提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能，也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位，以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明，这次雷暴过程一共观测到11902次闪电，以云闪为主，地闪占总闪的28%，正地闪较少，仅占总地闪的5%，在雷暴成熟期，最大闪电频数高达927 flashes (6 min)−1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波，发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明，该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程，闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km，随后通道向上发展，在约10 km高度，通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明，初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发，通道向南水平发展，同时部分负先导分支向下发展，约38 ms后，通道短暂停止发展，17 ms后，通道始发处重新激发。以上结果表明，BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测，而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。
北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork，简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年，对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级，提高了传感器的灵敏度，提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能，也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位，以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明，这次雷暴过程一共观测到11902次闪电，以云闪为主，地闪占总闪的28%，正地闪较少，仅占总地闪的5%，在雷暴成熟期，最大闪电频数高达927 flashes (6 min)−1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波，发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明，该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程，闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km，随后通道向上发展，在约10 km高度，通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明，初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发，通道向南水平发展，同时部分负先导分支向下发展，约38 ms后，通道短暂停止发展，17 ms后，通道始发处重新激发。以上结果表明，BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测，而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。
2020,
44(4):
865-884. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19203
摘要:
为了推动新型探测资料在数值预报模式中的应用，本文进行了往返式探空资料同化应用前重要的基础性研究工作。基于国内首次往返式探空观测资料，首先建立了面向业务化应用的往返式探空资料质量控制方案，通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征，论证了质量控制方案的合理性，质量控制后探测要素抽样分布更为合理，要素间一致性得到提高。进而以数值天气预报高时间分辨率的模式预报场和同站址业务常规探空观测资料为参考，分析质量控制后资料的不确定性，结果表明往返探空探测精度达到了世界气象组织WMO（World Meteorological Center）规定的突破目标，部分探测要素甚至实现了理想目标，探测资料具有可用性。最后结合数值模式背景场探讨往返探空资料的可同化性，研究表明往返探空的风场观测和夜间温度观测满足变分同化系统的高斯、无偏假定，可直接同化；气压、湿度和日间温度观测在资料同化前需要开展偏差订正工作，从而更有效的发挥资料价值。本文的研究工作为今后往返探空资料在模式中的同化应用奠定了基础。
为了推动新型探测资料在数值预报模式中的应用，本文进行了往返式探空资料同化应用前重要的基础性研究工作。基于国内首次往返式探空观测资料，首先建立了面向业务化应用的往返式探空资料质量控制方案，通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征，论证了质量控制方案的合理性，质量控制后探测要素抽样分布更为合理，要素间一致性得到提高。进而以数值天气预报高时间分辨率的模式预报场和同站址业务常规探空观测资料为参考，分析质量控制后资料的不确定性，结果表明往返探空探测精度达到了世界气象组织WMO（World Meteorological Center）规定的突破目标，部分探测要素甚至实现了理想目标，探测资料具有可用性。最后结合数值模式背景场探讨往返探空资料的可同化性，研究表明往返探空的风场观测和夜间温度观测满足变分同化系统的高斯、无偏假定，可直接同化；气压、湿度和日间温度观测在资料同化前需要开展偏差订正工作，从而更有效的发挥资料价值。本文的研究工作为今后往返探空资料在模式中的同化应用奠定了基础。
2020,
44(4):
885-898. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19213
摘要:
利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料，根据时间尺度分解的局地能量诊断方法，本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时，下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团，得到了以下主要结论。本次事件中，高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前，其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响，随着云团移出高原，高原涡消亡，而高原短波槽则随时间发展加强，成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征，自西向东引发了一系列的降水，移出高原后，其对流重心显著降低，降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段），背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量，这是此阶段扰动流动能维持的主要方式；云团移出高原过程中（第二阶段），降水凝结潜热明显增强，由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下，扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源；云团移出高原后（第三阶段），背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强，但是不同于第一阶段的直接影响方式，该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能，然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外，本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈），但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。
利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料，根据时间尺度分解的局地能量诊断方法，本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时，下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团，得到了以下主要结论。本次事件中，高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前，其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响，随着云团移出高原，高原涡消亡，而高原短波槽则随时间发展加强，成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征，自西向东引发了一系列的降水，移出高原后，其对流重心显著降低，降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段），背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量，这是此阶段扰动流动能维持的主要方式；云团移出高原过程中（第二阶段），降水凝结潜热明显增强，由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下，扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源；云团移出高原后（第三阶段），背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强，但是不同于第一阶段的直接影响方式，该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能，然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外，本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈），但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。
