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原创性论文
东亚副热带季风季节循环年际变化对华北夏季降水的影响
孙婉怡, 祝从文
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21184
摘要:
由于受到东亚副热带夏季风复杂变化的影响,华北夏季降水的年际变化预测一直是我国季节气候预测的难点。本文采用1979-2020年中国站点日降水数据和CRA-40大气再分析资料,通过谐波分解、MV-EOF分析等统计方法,研究了东亚副热带季风季节循环年际变化对华北夏季降水的影响。结果表明:在气候态上,华北降水相关的季节循环在850hPa风场上主要表现为东南风和西南风主导两种模态,其中,西南风主导的降水在7月初达到峰值,而东南风主导的降水在7月底达到峰值。在年际尺度上,季节循环前两个主模态中的华北降水虽然表现为区域一致性变化特点,但在夏季先后受到西南风和东南风的影响。通过对季节循环华北夏季风雨季的开始时间(P1)、峰值时间(P2)、结束时间(P3)、持续时间(D)和振幅(A)与夏季(6-8月)降水年际变化分析,我们发现东南风主导的季节循环的开始时间、结束时间、振幅与华北夏季降水异常呈显著正相关,而峰值时间和持续时间与华北夏季降水异常呈负相关。西南风主导的季节循环的峰值时间、结束时间和振幅与华北夏季降水异常均呈显著正相关。其中,东南风季节循环的位相(P1、P2、P3)变化与夏季西南风的强度有关,而其幅度(A)变化主要取决于东南风的强度。由于东南风主导的夏季降水开始于每年的4-5月份,其建立的早晚为6-8月夏季降水的季节预测提供了一个新的参考指标。
东天山哈密地区典型暴雨事件对流触发机制对比分析
刘晶, 张晋茹, 刘凡, 刘兆旭, 李建刚, 曾勇, 仝泽鹏, 杨莲梅, 周玉淑
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21095
摘要:
本文选取2018年7月31日和2016年8月8日两次东天山哈密地区强降水天气过程,利用NCEP/NCAR FNL0.25°×0.25°、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星红外和水汽图像,通过对暴雨期间锋生函数计算诊断,证实了两次强降水过程中尺度对流系统触发因子差异,取得如下主要结果:(1)“7.31”强降水期间,500hPa西太副高位置异常偏北,700hPa暖舌沿副高南侧偏东急流向西北伸展,低层增暖增湿,暴雨区上空形成不稳定大气层结,多个中尺度对流系统在700hPa低空急流前生成,向东北方向移动和发展。“8.8”强降水期间,500hPa西太副高位置异常偏西,对流云团在对流层低层西南急流前生成向东北方向移动。(2)对流层低层暴雨区暖锋锋生是“7.31”暴雨中尺度对流云团的触发因子,云团初生阶段对流触发主要是锋生水平散度项和由垂直运动发展引起的倾斜项决定,成熟阶段暖锋锋生主要由锋生变形项和倾斜项所致。低空东南急流的维持加强利于锋面次级环流发展,是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因;(2)“8.8”暴雨对流云团由对流层低层弱冷锋触发,对流云团发展初始阶段,对流层低层冷锋锋生主要由水平辐散项决定,对流云团成熟阶段,对流层低层冷锋锋生主要由倾斜项决定。低层切变线长时间维持和加强利于低层冷锋进一步锋生,是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。
新疆温度和降水变化的CMIP6模式预估
张晓璐, 王晓欣, 华丽娟, 姜大膀
, 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℃/10a、0.3℃/10a和0.7℃/10a;2080~2099年区域平均分别升温1.3℃、2.6℃和5.3℃,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%/10a、2%/10a和4%/10a;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。
大气国十条以来我国夏季大气OH浓度变化的数值模拟
张丹瑜婷, 廖宏, 李柯, 代慧斌
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21218
摘要:
利用GEOS-Chem模式量化了2014–2017年《大气污染防治行动计划》执行以来,人为排放和气象因素变化对中国夏季大气OH浓度变化的贡献。模拟结果表明,2014–2017年间夏季整个中国OH浓度呈现上升趋势,最大上升出现在30°N附近的华南地区。在华北平原地区,OH浓度也呈明显的上升趋势(0.1×106 molec cm?3/year),而OH浓度比较高的珠江三角洲地区的OH变化趋势较小。敏感性试验结果表明,气象和人为排放变化都对2014–2017华北平原OH浓度上升有促进作用,但人为排放的贡献(OH增加10.0%)远大于气象的贡献(OH增加1.5%);OH浓度变化最大的南方地区主要是气象条件控制。进一步对气象因素分析发现,影响全国OH 变化最重要的气象要素是太阳短波辐射,决定了2014–2017中国OH浓度增长趋势最大的区域。但在华北地区,2014–2017短波辐射略微减少的影响被边界层高度明显降低带来的OH增加所抵消。
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
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.20191
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,通过ARPS云分析模块处理反射率数据,考虑同化间隔、频次、云分析中不同参数调整,采用1h同化窗口,设计不同同化方案,最后用天气研究与预报模式WRF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12min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。
黑河流域降水统计-动力降尺度问题研究
苏海锋, 戴新刚, 熊喆, 延晓冬
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21081
摘要:
本文利用区域气候模式RIEMS输出的3公里高分辨率格点数据和站点降水记录分析了中国西北黑河流域降水的动力降尺度和统计-动力降尺度问题,检验了多种不同因子组合下的多元线性回归(MLR)和贝叶斯模式平均(BMA)降尺度模型,在评估了其降尺度降水误差、与观测值相关系数、方差百分率和“负降水”偏差等方面的统计特征。结果表明,动力降尺度降水相关系数最高,但误差也最大,降水方差过大,达到观测值的1.5~2倍;而仅用700hPa 位势高度场、经向风和比湿等构建的统计降尺度模型估计降水的相关系数较低,误差较大,当在统计降尺度模型中引入动力降尺度降水因子后降水估计得到明显改善。MLR类型降水相关系数和方差百分率明显高于BMA模型,降水估计误差和“负降水”出现频次也明显大于后者。在黑河流域的“负降水”偏差主要出现在降水稀少冬半年,且中、下游出现频次较高,上游较低, 其中MLR类模型“负降水”频次较高,BMA模型频次较低,后者仅出现在黑河中、下游地区。包含动力降尺度降水因子的模型在一定程度上减少了“负降水”出现的频次。此外,降尺度模型估计降水的误差、方差百分率和相关系数等都随季节变化,其中动力降尺度降水误差最大,7种降尺度模型的降水相对误差在黑河中下游及冬半年最大,夏季最小。这说明极端干旱区或降水稀少季节的降水降尺度仍然需要进一步改进。这些评估表明,即使高分辨率的动力降尺度降水也存在明显偏差,需要用统计降尺度模型等对其订正,以便进一步降低站点降水估计的不确定性。
近几十年中国西北夏秋季干湿年代际变化及成因初步分析
马潇祎, 范可
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21115
摘要:
本文利用观测和再分析资料,分析了1961~2014年中国西北地区(35°-50°N,75°-95°E)夏秋季节干湿线性变化趋势特征,定量计算了蒸散量和降水量对干湿变化趋势的贡献,同时分析了其年代际变化特征及其相关的大尺度环流和水汽收支变化。结果表明,西北夏季和秋季干旱变率在四季中最大,是干旱最易发生季节。西北地区在1961~2014年夏秋季显著变湿,其中蒸散和降水在西北地区的线性变湿趋势中占主要作用,降水量的增加和蒸散量的减少对西北变湿都有正贡献,二者趋势总贡献率夏季为93.4%,秋季为67.5%。夏秋季西北干湿变化的年代际转折在1987年前后,自1987年后,夏季西北年代际变湿,主要受到蒸散量和降水量变化影响,地面风速减小所造成的蒸散量降低有利于该地区年代际变湿;西北地区水汽输送通量异常辐合导致其降水量增加。水汽诊断分析进一步表明,夏季降水量的增加主要来自于局地蒸发的增强,贡献率达到约80%,表明局地蒸发是降水的重要水汽源。此外,夏季水汽平流项为正值(即水汽通量辐合加强),有利于降水量增加,该贡献主要由与风速有关的动力学分量引起。而秋季,1987年后西北地区的净辐射通量和地面风速减小共同导致该地区蒸散量降低,进而造成西北地区的年代际变湿。
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
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21082
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,其维持的内动力学过程值得深入讨论。本文以2020年7月5日-7月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,该系统有助于阻挡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。
南极海冰涛动对北半球夏季大气环流影响研究
王爽, 吴其冈, 刘师佐, 梁涵洲, 户元涛, 康彩燕, 包晓军, 高艳
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21051
摘要:
南极海冰经验正交分解(EOF)首要模态表现为偶极子型异常,即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,被称作南极海冰涛动。过去研究显示南半球冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动型大气环流有显著影响,本文利用观测资料进一步分析5-7月(May-July,MJJ)南极海冰涛动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,南极偶极型海冰异常从MJJ到JAS有很好的持续性,首先通过冰气相互作用有利于在南半球激发持续性的南极涛动(Antarctic Oscillation, AAO)型大气环流异常,即绕极低压带加深和副热带高压带加强,高中纬度之间的气压梯度加大,有利于高纬西风加强;同时在滞后海冰异常一到两个月时,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。在对流层中层位势高度场上,从澳大利亚北部,一直延伸到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,日本附近出现显著的正异常中心,鄂霍次克海-阿留申群岛一带出现带状的负异常,这种位势高度正负中心的相间分布,即东亚沿岸从低纬到高纬南北走向的“-+- ”Pacific-Japan(PJ)波列,是经向遥相关除纬向风场外的另外一种表现形式;另外,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。从物理机制来看,南极海冰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。以上两种通道将南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球经热带地区传递到北半球中高纬地区。
大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟研究
师 正, 林晓彤, 谭涌波, 郭秀峰, 汪海潮
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21101
摘要:
利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气,并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明:随着大气冰核浓度的增加,雷暴云发展提前,上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强,冰晶在高温区大量生成,而同质核化过程被抑制,因此冰晶整体含量降低,引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中,正极性非感应起电率逐渐减小,负极性非感应起电率逐渐增大。由于液水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低,高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中,由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗,感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电,不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期,随着冰核浓度增加,空间电荷结构由三极性转变为复杂四级性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构,且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。
印度洋偏暖对春末夏初西天山极端降水的影响研究
牛苗苗, 张杰, 马茜蓉, 陈志恒
, 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)影响天山极端降水的机制。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。
中国地基GNSS/MET水汽产品质量控制及与再分析产品的对比评估
远芳, 廖捷, 周自江
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21139
摘要:
本文研究并提出中国地基全球导航卫星系统(GNSS)水汽产品的综合质量控制(CQC)算法。CQC算法由质量检查和综合决策两个环节组成。质量检查环节主要对待检观测数据与其参考数据的差异进行分析,包括界限值检查、考察时间一致性的临近点检查和低通滤波检查,考察空间一致性的邻近站检查、距平值检查和峰谷值检查,以及基于背景场的粗大误差检查等7个模块。每个检查标记出超过阈值的观测数据,随后利用综合决策算法对数据的标记情况进行综合评分,最终给出数据的质量控制码。基于质量控制后的数据,评估了中国第一代全球大气再分析产品(CRA)、ERA-Interim和ERA5等五套再分析数据在中国地区的水汽模拟效果。结果表明几套再分析资料模拟的大气可降水量(PWV)在冬季整体略高于观测,夏季则明显低于观测。在空间上,中国南方地区和西部地区模拟的PWV低于观测,这种情况在夏半年更加明显。相对于观测,CRA的平均偏差(O-B)为0.633mm,均方根误差为3.650mm。CRA相对于观测的误差略高于ERA5,但略低于ERA-Interim,明显优于JRA55和NCEP2结果。
北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于FGOALS-g3的诊断分析
邱慧, 周天军, 陈梓明, 张文霞, 陈晓龙, 李立娟, 林鹏飞
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21141
摘要:
本文基于参加第六次“国际耦合模式比较计划”(CMIP6)的IAP/LASG 气候系统模式FGOALS-g3的耦合(Historical)与非耦合(AMIP)试验结果,通过与观测和再分析资料的比较,评估了FGOALS-g3模式Historical与AMIP试验对北非地区7-9月降水气候态和年际变率的模拟能力;利用水汽收支方程与回归分析研究了模式模拟降水偏差的原因;通过比较耦合与非耦合试验的模拟结果,分析了海气耦合过程对非洲季风模拟偏差的影响。结果表明,在气候平均态上,Historical与AMIP试验模拟的降水均较观测偏少且位置偏南,模拟的北非夏季西南季风环流偏弱。AMIP试验模拟的萨赫勒和北非季风区降水与观测降水的空间相关系数分别为0.80、0.62,均大于Historical试验,对应的均方根误差为2.58、3.23,小于Historical试验,说明与Historical试验相比,AMIP试验的模拟偏差更小。水汽收支分析表明,Historical与AMIP试验均低估了北非季风区水汽辐合,同时低估了水汽垂直平流项与蒸发项,高估了水平水汽平流项,导致模式模拟的降水偏少,且Historical试验的偏差大于AMIP试验。在年际变率方面,观测中,北非夏季风降水-ENSO呈负相关关系。AMIP试验能够模拟出ENSO正位相时北非夏季降水的负异常,且较观测负异常偏强,而Historical试验模拟的负相关关系并不显著。AMIP试验高估了北非地区垂直运动、热带东风急流与低层季风环流对ENSO的响应强度,导致降水异常偏强,而Historical试验低估了上述响应强度,产生弱降水负异常。水汽收支表明,北非夏季降水-ENSO的负相关关系由垂直水汽平流项异常引起,其中垂直动力项异常主导。AMIP试验高估了垂直平流项及其动力项的贡献,但Historical试验高估水平平流项与垂直热力项异常的贡献,说明Historical试验模拟的北非夏季降水-ENSO相关关系偏差与水平平流项异常的抑制作用有关。
基于湍能耗散率的航空颠簸集成预报方法
蔡雪薇, 万子为, 吴文辉, 杨波, 蚁志鸿
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21147
摘要:
为提升对飞机颠簸的客观预报能力,设计一种新的基于湍能耗散率(Energy Dissipation Rate,EDR)的航空颠簸集成预报算法,预报结果可实现与机载探测到的新型颠簸实况直接对比验证,且预报强度不受机型差异的影响。该算法利用中国气象局中尺度天气数值预报(CMA-MESO)的基本气象要素计算多个代表晴空颠簸(Clear air Turbulence,CAT)和山地波 (Mountain wave Turbulence,MWT)的预报指数,在颠簸实况EDR和各预报指数的概率密度函数均基本符合正态分布的假设条件下,利用前期各指数和实况之间的概率密度匹配关系,将原预报指数在实时数值预报中转换为以EDR为单位的预报值;再将其根据预报评分给予不同权重,集成为包含晴空颠簸和山地波的EDR颠簸预报产品。主客观检验结果均显示这种颠簸预报产品能够大致反映不同区域和类型的颠簸情况,多种算法的集成预报报效果总体好于单一指数预报;相对作用特征检验(ROC)表明轻度以上颠簸的预报结果可以提高命中率并降低空报率,具有较高的预报正技巧。
拉萨夏季大气边界层气溶胶垂直结构特征
李若羽, 卞建春, 唐贵谦, 李丹, 白志宣, 毛文书
, 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, 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,且对应早(10::00 LT, Local Time)晚(21:00 LT)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。

2013—2020年北京市城区PM2.5及其化学组分正增长机制研究
江 琪, 张碧辉, 赵有龙, 王飞, 孙业乐
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21142
摘要:
2013年以来,北京市城区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(1-24h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62μg m-3,2017年后,该阈值严苛至45μg 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,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%),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,温度有所降低(0.2—1.2℃),而湿度和气压明显升高。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%)。
双75 m3膨胀云室研制及成云测试实验
邓育鹏, 周学思, 赵利伟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21091
摘要:
云室是开展云物理和人工影响天气室内实验研究的重要设备。河北双75 m3膨胀云室是我国研制和建造的重要大中型综合云室。文章介绍了该云室的主体、主要配套系统结构和实验测试情况。通过实验测试,研究了大体积云室在成云过程中内部实验样气的温压湿变化特点,并测试了该云室优越的综合性能指标和温压湿等可控的关键环境技术参数。实验结果表明:该云室温度控制范围从室温到-40℃,最大降温速率达0.36℃·min-1,压力控制范围从常压到1 Pa,具有四种湿度调节方式。可以实现动态膨胀生成冷云或暖云。合适的条件下,云雾维持时间可持续30 min以上,具备了开展基本云物理的实验条件。
气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风:版本比较和海气耦合过程影响分析
张星, 周天军, 张文霞, 左萌, 张丽霞
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21099
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 Ni?o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 Nin ?o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 Nin ?o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。
X波段相控阵偏振雷达观测墨脱地区云降水宏观特征的统计研究
张蔚然, 刘黎平, 吴翀
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21050
摘要:
第二次青藏高原综合科学考察研究项目在墨脱布设了一部X波段相控阵偏振雷达(X-PAR),实现了首次对河谷地区云降水的雷达连续观测。为了揭示高原东南河谷地区云降水的宏观特征,本文利用墨脱X-PAR 2019年11月—2020年10月的观测数据定量分析了墨脱地区云降水回波强度、回波顶高等参数的月变化、日变化和高度变化,并与那曲地区夏季季风时期多普勒雷达观测数据进行了比较。研究发现:(1)墨脱地区回波顶高、面积在4~9月大于10~3月,说明4~9月降水频次高、对流性降水多,其中以6月最为显著,而进入4月后弱回波比例的大量增加导致了回波强度与强回波发生频率小于10~3月。根据云降水逐月变化特征将一年分为旱季和雨季。(2)雨季降水回波频次、顶高、面积均大于旱季,说明雨季降水频次更高、对流性活动更旺盛。降水回波频次、顶高、面积的日变化表明,两季日最强对流发生在下午,旱季日降水主要发生在下午与上半夜,雨季主要发生在下半夜。(3)墨脱降水回波强度大部分小于30dBZ,旱季在海拔高度3 km以上回波发生频次高,雨季3 km以下高。(4)夏季季风期间墨脱回波顶高低于那曲,其顶高、面积日变化趋势与那曲不同。
川渝地区夏季极端降水日变化特征分析
董新宁, 吴遥, 黄安宁, 唐红玉
, 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,总降水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PF则呈西高东低的相反分布,高原地区PF较高;降水强度PI的分布与PA较为一致,自西向东逐渐增强。极端降水PA、PF、PI的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、攀枝花地区的降水量大主要是由于降水强度大。西昌地区北方小部分西南山地区的降水量大主要是由于降水频率大。川西高原区降水量小是因为降水强度小。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存在自西向东传播的特征。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,极端降水频率占总降水频率的比重几乎都在40%左右,无明显差异。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。总降水时空分布特征和极端降水相似。四类站点的典型形态降水日变化曲线分析表明,川西大部分高原区和部分山地区为类型一,该地区降水量最少,但是降水频率最高;川西南部攀枝花市附近的小部分山地区以及四川盆地的成都、眉山、资阳、内江一带为类型三,该地区降水量较多;四川盆地中东部地区,以及重庆东部边缘地区为类型四,该地区降水量也较多,且具有明显的过渡特征,三个变量的相对大小表现的较为复杂;最后剩下的高原山地区和四川盆地西部为类型二,包括了降水量最大的乐山、雅安地区,该地区夏季降水充沛,且易发生暴雨;区域的海拔越高,夜间PF日峰值就越大;位于高海拔地区的类型一区PI明显偏弱;三个变量的分布都和其空间分布吻合度较高;三者日峰值的出现时间均自西向东从第一天晚上推迟到第二天清晨,极端降水PA、PF日变化均呈现凌晨单峰结构,“夜雨”特征明显,日峰值均出现在凌晨3:00左右,谷值均出现在午后13:00左右,PI则呈锯齿状波动结构,5:00-11:00时较低,其他时间较高。PA谷值主要受PF影响,而峰值则主要受PI和PF都较高的影响。
中国西北5月和9月地表气温的年际变率机理及其预测
姚梦莹, 朱志伟, 卢睿, 姚俊强
, 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。
中国北方未来沙尘起沙通量变化的数值模拟研究
赵剑琦, 马晓燕, 田蓉
, 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。
基于DART+WACCM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
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21014
摘要:
本论文基于Whole Atmosphere Community Climate Model模式最新版本WACCM6和Data Assimilation Research TestBed(DART)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月北极平流层臭氧变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5 ppmv,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 ppmv。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)为~3 K和~4m/s。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。
东北地区春季透雨早晚与2-3月热带印度洋海温异常的联系
徐士琦
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21003C
摘要:
利用1961~2019年中国东北地区测站逐日降水资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的月平均再分析资料、NOAA重构的月平均海温(SST)和向外长波辐射(OLR)资料,采用统计诊断方法,从年际时间尺度上分析了东北春季透雨早晚环流特征和前期海温,尤其是热带印度洋海温强迫的联系。结果表明:春季透雨日期与4月降水量的变化具有显著的一致性,典型透雨偏早年的开始时间集中在4月中下旬,偏晚年的开始时间集中在5月中下旬;4月东北亚上空500hPa位势高度场上,若呈自西向东的“-、+”异常环流分布,东北地区以偏南风和气旋性环流为主,有利于水汽输送,春季透雨开始偏早,反之,春季透雨开始偏晚;2-3月热带印度洋暖海温异常是中国东北地区春季透雨偏早的重要稳定影响源之一,其可能机制是,若热带印度洋全区一致海温模态(IOBW)呈正位相,有利于4月西北太平洋地区呈异常反气旋,东北亚地区500hPa环流异常类似春季透雨偏早年形势,东北地区位于200hPa西风急流出口区右侧,垂直上升运动增强,呈现出多雨形势。
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
, 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。
对流层增暖热带放大现象:基于FGOALS-g3的模拟研究
刘士嘉, 周天军, 江洁, 左萌, 巫明娜
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21083
摘要:
热带地区的湿绝热过程会放大地表的增暖幅度,在约200hPa高度上产生增暖峰值,该现象被称为“热带对流层放大”。热带对流层放大是气候变化的显著特征之一,是检验气候模式性能的重要指标。本文基于RSS4.0卫星数据和ERA5.1再分析资料,系统分析了FGOALS-g3模式对气温变化特别是热带对流层放大的模拟能力,并通过新旧版本模式(FGOALS-g3与FGOALS-g2)的比较指出了新版本模式模拟技巧的提升;通过比较FGOALS-g3历史模拟试验与GAMIL3单独大气模式AMIP试验结果,研究了海气耦合过程对模拟结果的影响。结果表明,FGOALS-g3能够合理再现观测中的全球对流层显著增温趋势,但模拟的增温趋势偏强,这与气候系统内部变率以及两代气候系统模式所使用的历史气候外强迫差异有关。其对于观测中热带平均增温廓线以及热带对流层放大的空间分布均表现出良好的模拟性能,模拟的热带对流层放大现象的量值大小存在正偏差,与模拟的对流层低层温度变化偏强有关。FGOALS-g3较之FGOALS-g2在性能上有一定提升,主要表现为增加了对于火山气溶胶强迫的响应,并在热带对流层放大的空间分布及平均气温趋势廓线的刻画方面更加合理。由于缺少海气耦合过程,GAMIL3 AMIP试验无法有效体现外强迫变化对于对流层增温趋势的作用,故在长期趋势的模拟上存在结构性偏差,但由于受观测海温驱动其在年际变率方面表现合理。
夏季青藏高原非绝热加热准双周振荡强度的年际变化及其与中国东部降水异常的联系
田佳, 杨双艳, 刘雅舒
, 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。
中国冬季气温不同年代的季内变化特征及成因分析
马锋敏, 陈丽娟, 李想, 李维京, 许彬
, 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,即北方地区季内变率大。冬季气温的季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的显著性减弱,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的显著性增强,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内变率中起到主导作用。
我国冬季干、湿低温灾害的时空分布特征分析
虞越越, 张伶俐, 管兆勇, 杨汶雯
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21143
摘要:
基于1980—2019年11月至翌年3月全国低温灾害性天气文字信息,结合高精度再分析资料NASA MERRA2,构建了我国低温灾害(低温、降温、冰冻、雨雪、雪灾)的精细化格点数据,采用线性趋势分析、集合经验模态分解(EEMD)和小波分析等方法研究了我国低温灾害的时空分布特征,初步描绘了我国低温灾害图谱。研究表明:干低温灾害(低温、降温、冰冻)往往不单一灾种致灾,而湿低温灾害(雨雪、雪灾)多为单一灾种致灾。不同灾种的发生频次具有显著的区域和季节内差异:1月低温的致灾范围最广,发生频次由南向北呈现“高-低-次高”的三极型分布;降温灾害在12月发生频次最多,呈“东高西低”分布;雨雪灾害在1-2月的南方地区发生最多;雪灾发生频次明显多于前四个灾种,多分布在牧区等高敏感地带。就全国而言,干低温和雨雪灾害的发生频次和受灾面积呈现长期增加趋势,而雪灾则在前后冬有相反趋势,其受灾面积的上升趋势主要来自1月,发生频次的减少趋势来自3月;干低温和雨雪灾害的灾情指数的年代际变率在2000s之后波动增加,而雪灾则在2000s之前变率较大;大部分低温灾种(除雪灾)发生频次的年际变率在2005年后均有显著增加。单一灾种中,仅降温受灾面积有显著的增加趋势,主要归因于1月。复合灾种中,降温与湿低温的组合呈显著上升。
NUIST地球系统模式模拟ENSO对西北太平洋热带气旋活动的影响分析
吴启蒙, 吴立广, 曹 剑
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.20248
摘要:
地球系统模式已经逐步成为研究热带气旋(TC)活动气候变化的重要工具之一,之前的研究发现南京信息工程大学地球系统模式(NESM)高分辨率版本可以较好地模拟全球海温分布及TC活动的气候特征。本研究进一步分析了NESM地球系统模式模拟西北太平洋TC活动的年际变化,并与1967-2016年观测的TC活动进行对比。NESM模式高分辨率版本能够较好地模拟西北太平洋平均海温及与ENSO事件联系的海温异常变化特点,对El Ni?o事件发生时西北太平洋TC的生成频数和路径分布的模拟较好,也能模拟El Ni?o年TC生成位置比La Ni?a年偏东的特征,但是未能模拟出TC平均生命周期和NINO3.4地区海温的相关性。并且模式模拟的La Ni?a年TC的生成位置偏东,主要原因是模拟La Ni?a年季风槽平均位置偏东。研究结果有助于进一步改进NESM模式和利用NESM模式研究TC活动。
面向资料同化的FY - 4A GIIRS偏差特征分析和偏差订正
刘娟娟, 徐兰, 成巍, 巩欣亚, 邓中仁, 李亚云, 狄迪
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21034
摘要:
干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,简称GIIRS)是国际上第一部对地静止卫星平台上的高光谱红外大气垂直探测仪,能为对流尺度区域模式预报提供所需的高时空和高光谱分辨率的大气状态信息。本文利用高分辨率区域模式WRF及其同化系统WRFDA对GIIRS观测的偏差(观测亮温减去模拟亮温,记为O – B)分布特征进行了全景分析,结果表明:长波通道O – B偏差和标准差普遍小于中波通道,且都存在一段受污染的通道。O – B偏差的日变化和偏差与卫星天顶角的关系相对较弱,而所有筛选通道的偏差都与亮温值及卫星的扫描阵列位置有关,偏差的水平分布主要表现出“阵列偏差”的特征。2020年重新定标后,GIIRS观测数据质量比2019年有明显提高。在此基础上进一步进行了偏差订正试验,试验发现选取扫描阵列作为偏差订正的主要因子,都能有效地改进2019年和2020年筛选出的GIIRS通道的偏差,订正后O – B和O – A的系统性误差(偏差)都变小。该研究结果可为在全球/区域模式中同化GIIRS长波及中波通道的辐射资料提供参考。
地形对华南飑线升尺度前期可能影响机制的数值模拟研究
沈新勇, 王林, 乔娜, 尹宜舟, 李焕连
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21045
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。
中国东南地区热带气旋大风及其伴随天气的统计特征
刘婧茹, 李英, 孟青, 王洁
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21136
摘要:
利用2010-2016年中国地面站重要天气报文、中国气象局(CMA)热带气旋最佳路径数据集以及地面站逐小时降水资料,对热带气旋(TC)影响下我国东南地区地面大风及其伴随天气特征进行统计分析,结果表明:1)该区域TC大风主要沿海岸线分布,至内陆频次递减;TC大风多以东北风向为主,登陆前大风站点居多,12级以上的强风速基本分布在距TC中心300km范围内;2)强热带风暴(STS)和台风(TY)强度TC引起的站点大风最多,但16级以上大风主要出现在强台风(STY)和超强台风(Super TY)强度等级。慢速TC引起的站点大风主要出现其移向右前侧,快速主要出现在其右后侧。TC大风中向岸风均值略大于离岸风,其中12级以上风速向岸风站点多于离岸风,但16级以上大风则是离岸风站点明显多于向岸风;3)约89.8%的TC大风伴随降水,分布于TC中心附近,东北风为主,峰值出现在8月。约10.2%的TC大风无降水,主要分布在TC外围,北风和东南风为主,风速较弱,多出现于5月和12月。12级以上TC大风几乎均伴随着降水,而无降水TC大风风速达12级以上样本很少;4)约23.8%的TC大风伴随强对流天气,以东北风为主,平均风速大于非强对流TC大风。TC大风伴随的强对流天气包括短时强降水和雷暴,以短时强降水居多(约占该类TC大风的79.5%),主要分布在TC中心附近东北象限,而雷暴TC大风则主要出现在TC外围(约占该类TC大风的28.0%),东南象限相对较少;5)同时出现短时强降水和雷暴的TC大风仅占强对流TC大风的7.5%,TC大风的1.8%,说明TC大风伴随的短时强降水中不常见雷暴现象。
FY4A闪电与ADTD闪电资料在四川冕宁暴雨中的对比分析及数值模拟研究
赵婥, 徐国强, 黄守友
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21110
摘要:
FY-4A卫星闪电与地基ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer)闪电资料对于研究暴雨强对流天气具有一定的指示意义,通过对四川冕宁暴雨个例的研究,对比分析了这两种闪电资料的差别,设计了将两种闪电资料引入数值预报模式的多组数值试验。结果表明,(1)两种闪电资料在不同地区有不同的探测效果,ADTD闪电资料范围更广且分散,FY-4A卫星监测到的闪电数量更密集、分布更集中;两种闪电资料在进入模式之后所转化成的代理雷达回波具有很好的一致性;对于低频次的闪电来说,ADTD闪电定位仪可能比FY-4A闪电成像仪探测效率更高;(2)引入任何一种闪电资料都对降水预报具有正效果,其中ADTD闪电资料的应用对于短时降水预报准确率的提高更为有效。(3)两种闪电资料对于云微物理量的调整作用,在不同的区域有不同效果,说明这两种闪电资料的分布不完全一致,揭示出这两种闪电资料具有一定的互补性。
对流层平流层往返式平漂探空气球系统的动力热力过程理论分析与数值试验
柳士俊, 杨荣康, 曹晓钟, 郭启云, 程凯琪, 谌志鹏, 王金成
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.20252
摘要:
往返式平漂探空观测是我国正在研究实施的一种新型探空观测方式,可有效提高观测效率和经济效益,对克服常规探空观测缺陷、改善数值预报质量具有重要的意义。本文针对平漂探空上升和平漂阶段的热力、动力过程特点及其主要影响因子,构建了平漂探空系统的热动力理论模型,并结合实际观测试验进一步分析验证了理论模型的可靠性。研究结果对往返平漂式探空系统的设计和完善具有重要的理论支撑和实用价值。
北京地区一次降雪系统大气水凝物输送特征及降雪微物理机制的数值模拟研究
刘香娥, 何晖, 陈羿辰, 高茜, 王永庆, 杨燕
, 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。
飑线系统中的闪电活动与雷达回波特征的相关性研究
于函, 张鸿波, 刘冬霞, 陈志雄, 田野, 袁善锋, 王东方, 卢晶雨, 周筠珺, 郄秀书
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20243
摘要:
基于北京宽频带闪电网(Beijing Broadband Lightning Network, BLNet)获得的全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了2015~2017年北京暖季7次强飑线过程的闪电活动与雷达回波强度之间的关系。结果表明,闪电主要发生于前部线状对流云区内且集中分布在30 dBZ以上的强回波区域,少部分的闪电分布在后部的层状云区域内。从闪电辐射源三维分布结构可以发现,闪电活动大部分处在6~11 km的高度范围。将能够同时反映强回波深度和面积的0~-30℃温度区域内大于30 dBZ雷达回波体积(V30dBZ)作为强回波指标,并与闪电活动进行统计分析发现,整体上在7次飑线过程中,总闪频数和V30dBZ存在较好的相关性,其中5次过程的闪电频数峰值同时或提前于V30dBZ的峰值出现,二者的时滞相关系数超过0.61,提前时间为0~96 min。另外两次过程中闪电峰值落后于V30dBZ峰值,落后时间分别为30和60 min。研究结果不仅对认识闪电与对流活动的关系有重要的科学意义,也可为闪电资料在数值模式中的同化应用提供科学依据。
夏季热带大西洋海温变化对华南前汛期降水的影响
覃皓, 伍丽泉, 何慧
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21108
摘要:
利用1979-2019年全国160站逐月降水资料、Hadley中心海表面温度资料、NOAA的向外长波辐射资料以及NCEP/NCAR再分析资料,结合相关分析、信息流以及合成分析方法,分析了夏季热带大西洋海温变化对华南前汛期降水的影响。结果表明:前一年夏季热带大西洋海温升高(降低)在一定程度上导致了华南前汛期降水的减少(增多)。关键区(35°W-10°E,10°S-5°N)海温偏暖增强了Walker环流导致赤道太平洋下沉辐散增强,造成赤道中西部太平洋上空的东风异常,在海气相互作用下促进了随后秋冬季La Ni?a的发展。海温负异常时形势则大致相反,促进了El Ni?o的发展。冬季太平洋La Ni?a(El Ni?o)发展到最盛期,西太平洋的对流增强(减弱)在其北侧低对流层激发出异常气旋(反气旋)。直到第二年的前汛期,仍存在残余的海温异常形势,这一方面使得西北太平洋异常气旋(反气旋)依然维持,有利于西太平洋副热带高压减弱东退(加强西伸),减少(增多)了南海水汽向华南的输送;另一方面有利于热带地区对流活跃(抑制)从而增强(减弱)了局地Hadley环流,造成华南地区为下沉(上升)运动异常,抑制(增强)了对流。除此之外,赤道东太平洋的海温负(正)异常激发了指向北美洲的类太平洋-北美波列,北大西洋的海温异常在其基础上进一步激发了向下游传播的欧亚波列,使得欧亚中高纬呈现负(正)-正(负)-负(正)的位势高度异常特征,不利于(有利于)冷空气南下影响华南,最终造成前汛期降水负(正)异常。
崇左和防城港两地的台风韦帕(201907)降雨雨滴谱对比分析
毛家燊, 陈逸伦, 张奡祺, 陈淑敏, 方容, 黎伟标, 李明学
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21116
摘要:
利用崇左国家气象观测站、防城国家基准气候站的雨滴谱观测数据,结合观测站雨量数据及雷达观测资料,分析2019年8月2日至3日台风“韦帕”影响期间内陆背风侧(LSI)、近海岸迎风侧(WSC)不同降水阶段的雨滴谱结构特征及其差异。结果显示,台风“韦帕”降雨以中、小雨滴贡献为主,尤其中雨滴贡献率稳定在70%以上。LSI处以层状云降水为主,雨强相对平缓,WSC处表现为积层混合云降水,雨强较大且波动剧烈。因强烈的对流上升运动导致WSC的雨滴数浓度、雨滴直径明显大于LSI。LSI处在台风登陆后雨势增强的主要因素是雨滴直径增大,WSC处由台风眼墙转变为强对流螺旋雨带影响后其雨势增强则主要是由于雨滴数浓度增加。台风“韦帕”对流降水的质量加权平均直径均值为1.85 mm,对数标准化数浓度均值为3.95 mm-1·m-3;LSI处对流降水位于海洋性对流区域内,而WSC处则介于海洋性和大陆性对流之间。
2020年夏季川渝地区洪涝灾害及暴雨过程研究
熊德方, 孙淑清, 彭京备, 巩远发
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21133
摘要:
本文针对2020年夏季川渝地区的强降水产生的洪涝过程及相应的15次暴雨过程进行了分析,并与川渝大旱年同期情况进行了对比。2020年夏季,西太平洋副热带高压(以下简称副高)较气候平均位置偏西、强度偏强,其西伸脊点可达110°E以西;青藏高压东伸、偏强,上下层共同作用使副高稳定维持。中纬度小波动活动频繁,使得冷空气活动往往维持在川渝上空。副高西侧气流与北方偏北风的汇合使川渝地区形成较大的水汽通量辐合区,为暴雨的发生提供十分必要的水汽条件。此外,来自印度的季风气流从印度北部至高原东侧,经由高原南侧向东输送水汽,成为另一支重要的水汽通道。2006年夏季,川渝地区为重要的干旱年,暴雨个例也最少。在这一年,副高偏东,中纬西风带短波槽不活跃,西南季风偏弱,川渝地区水汽辐合较少,这些与2020年形成了鲜明的对比。
亚洲季风降水季节演变特征的气候系统模式模拟:基于FGOALS-g3和FGOALS-g2的比较评估
王泽毅, 陈晓龙, 周天军, 邹立维, 李立娟, 林鹏飞, 何林强
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21144
摘要:
亚洲季风降水的季节演变对亚洲农业生产和社会经济有重要的影响。本文通过与观测资料对比,评估了中国科学院大气物理研究所研发的最新版本的气候系统模式FGOALS-g3相对于上一版本FGOALS-g2对亚洲季风降水季节演变的模拟能力,并通过与FGOALS-g3海温驱动的大气模式结果对比,研究海气相互作用对季风降水年循环模拟的影响。结果表明,FGOALS-g3提高了对南亚和西北太平洋降水年循环的模拟能力,部分源于大气模式的改进,但对其他区域模拟性能改进不明显。FGOALS-g3对西北太平洋季风爆发、撤退、峰值和持续时间、阿拉伯海东部季风撤退和持续时间以及印度半岛至南海季风峰值时间的模拟偏差有所改进,且考虑模式自身海气耦合过程后,可显著改善西北太平洋区域降水年循环等模拟偏差。与FGOALS-g2相比,在南亚和中南半岛区域,FGOALS-g3模拟的季风爆发更晚,这是由非洲大陆降水干偏差导致索马里越赤道急流减弱,加剧该区域5月负降水偏差导致。在西北太平洋,FGOALS-g3显著改善了季风爆发西侧推迟而东侧提前的模拟偏差,原因是太平洋东暖西冷的海温偏差显著减小,局地Hadley环流增强,在该区域产生异常下沉运动,减小了西侧1月降水湿偏差,使5月相对于1月的降水量增加,而东侧5月降水与1月降水的干偏差得以互相抵消。研究表明热带大尺度海温型模拟偏差的改进对提高亚洲季风降水年循环的模拟能力有重要作用。
西天山地区一次冷锋暴雪微物理特征分析
刘凡, 张晋茹, 刘晶, 杨莲梅
, 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。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淞附过程,同时聚并增长有利于淞附过程的发生;(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,有利于淞附过程的发生。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。
加利福尼亚附近海温的独特性及其与PDO短周期的可能联系
张海燕, 陶丽, 徐川
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21012
摘要:
本文利用1958-2018年期间海表面温度(SST)异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了与北太平洋年代际振荡(PDO)相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区(KOE)表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气。在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷(暖)海温对应其上有反气旋(气旋)型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。
近百年及未来百年PDO位相年代际转变检测及其早期预警信号研究
吴浩, 颜鹏程, 侯威, 封国林, 赵俊虎
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.20127
摘要:
本文基于临界慢化的理论,采用PDO近百年历史监测数据(1900~2019年)及未来百年模式模拟数据(2006~2100年),首先通过滑动t检验确定PDO位相转变的时间,进而借助于表征临界慢化现象的方差和自相关系数,研究了PDO年代际位相转折的早期预警信号。结果表明:(1)近百年来PDO发生了4次显著的位相转变,每次位相转变前的5~10年可以提取到位相转变的早期预警信号;(2)未来百年检测结果表明,PDO将分别在2040年和2080年前后发生年代际转折,同样可提前5~10年检测到位相转变的早期预警信号;(3)通过对近百年和未来百年PDO序列的位相转变检测及早期预警信号的研究,论证了表征临界慢化现象的方差和自相关系数作为突变早期预警信号的可靠性,为该方法的广泛应用提供了实验基础。
一次基于风廓线雷达的北京夏季降水的垂直观测研究
黄钰, 郭学良
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.20245
摘要:
本文利用风廓线雷达数据反演了降水云体的大气垂直速度、雨滴下落末速度等云动力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理参数,并结合天气雷达、探空、自动站、雨滴谱仪和微波辐射计等数据对2020年5月7日-8日发生在北京海淀的一次夏季降水过程进行垂直综合观测,结果表明:垂直探测仪器观测及其反演的数据可以获得降水云体的详细动力参数和微物理特征。站点位于主体降水回波边缘,降水为层状云类型,整体回波较弱(主要在0-20dBZ),4km高度的水平风垂直切变贯穿整个降水过程,降水分为两个阶段:前期7日20时-8日02时低层存在浅对流结构,云顶较高(平均高度8207m),低层水平风切变促进了对流发展,10-20dBZ的比重较大,粒子谱较窄,直径<1mm,雨强较弱,但粒子数浓度值大,最大值26305 m-3,2-3km处存在暖平流,水汽和液水值大,雨水混合比0.02-0.15g/kg,云水混合比0.5-2g/kg,且强值区域大,雨滴下落末速度3.2-4.2m/s,大气垂直速度在 0.6m/s之间,上升气流和下沉气流变换剧烈;后期8日02时-10时转为典型层状云降水,云顶较低(平均高度7831m),<10dBZ的比重较大,3100m处形成亮带的强值中心,粒子谱展宽,最大直径接近1.5mm,粒子数浓度值减小,最大值<3000 m-3,雨水和云水值比对流期小了一个量级,且强值范围变窄,雨滴下落末速度减小为2.8-3.6m/s,大气垂直速度也比对流时期小了一个量级,并且在亮带高度以下(2.5-2.8km)范围内出现明显横向带状的上升和下沉气流区。
基于飞机观测的美国落基山地区冬季混合相态层状云与夏季对流云的微物理特征
范雯露, 景晓琴, 杨璟, 周思雨
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21046
摘要:
混合相态层状云与对流云的微物理特征有很大的差异性,但现阶段数值模式中并没有充分考虑两者的区别,这是导致云降水的模拟有较大不确定性的原因之一。为了加深对层状云与对流云的微物理特征差异的理解,并为模式的验证和参数化开发提供支撑,本文基于在中落基山地区进行的Ice in Clouds Experiment—Layer Clouds(ICE-L)项目和High Plain Cumulus(HiCu)项目的飞机观测资料,定量对比分析了该地区大陆性混合相态冬季较浅薄的层状云与较弱及中等强度的夏季对流云的微物理特征。其中,粒子图像和粒子谱通过2D-Cloud和2D-Precipitation探头得到,液水含量通过热线式King探头测量得到,冰水含量基于粒子谱计算得到。主要结论有:(1)在-30°C~0°C的温度层范围内,夏季对流云内的液水含量比冬季层状云高一个数量级,冰水含量高一到两个数量级,并且在对流云云顶附近观测到更多的过冷水。此外,夏季对流云中液水含量在-20°C~0°C上随温度降低而升高,而冬季层状云则相反。夏季对流云中更活跃的冰晶生成和生长过程使得云内液水质量分数小于层状云。(2)冬季层状云与夏季对流云内相态空间分布极不均匀。随着温度从0°C降低到-30°C,在冬季层状云中冰晶发生贝吉龙过程,云中的过冷水为主的区域向混合相态和冰相转化。而夏季对流云中相态结构更为复杂,体现了对流云中复杂的冰水相互作用。(3)在-30°C~0°C的温度范围内,夏季对流云的粒子谱宽度大于冬季层状云。随着温度的降低,冬季层状云与夏季对流云均存在粒子谱增宽的现象。(4)冬季层状云中,温度低于-20°C时冰晶主要为无规则状,在-20°C~-10°C观测到了辐枝状和无规则状冰晶,在-10°C以上观测到了柱状和无规则状冰晶,说明冰晶的生长主要为凝华增长和碰并增长。而夏季对流云以冻滴、霰粒子与不规则冰晶为主,说明主要为液滴冻结、淞附增长和碰冰增长为主。(5)在夏季对流云较强的上升气流中存在较高的液水含量,但垂直速度与云内冰水含量没有明显的相关性。
基于拉格朗日方法的中国东部雨季水汽输送垂直特征
施逸, 江志红, 李肇新
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20236
摘要:
利用基于拉格朗日轨迹追踪模式(HYSPLIT),结合区域源汇归属法,追踪1961-2010年中国东部地区雨带推进过程中各雨季后向轨迹,定量确定各雨季不同垂直层上的水汽输送路径与水汽贡献。结果表明在南海夏季风爆发前的华南前汛期,低层最主要水汽通道为太平洋通道,轨迹占比达到52.3%,中高层最主要的水汽通道为印度洋通道,占比超过37%;水汽主要源自低层的西太平洋和中国东部地区,水汽贡献均在20%以上。南海季风爆发后的华南前汛期,低层到高层最强水汽通道均为印度洋通道,特别是中层,轨迹数量达到了65.6%;印度洋源地的贡献明显增加,中高层水汽主要源自印度洋,低层最主要的水汽源地为中国东部和南海。江淮梅雨时低层最主要通道为太平洋通道,中高层最主要通道为印度洋通道,相比华南前汛期,在中高层印度洋通道减弱,而西风通道增强。华北雨季中,低层最主要水汽通道为太平洋通道,而中高层最主要的水汽通道为欧亚大陆中纬西风通道。江淮梅雨和华北雨季中,最主要的源地为中低层的中国东部地区和西太平洋地区,特别是华北雨季中,来自中国东部局地低层的水汽达到了43.1%,表明低层局地蒸发对华北雨季降水起到至关重要的作用。
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
, 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,500hPa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,550hPa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(p<0.0001),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。
辐射对高原涡形成和发展影响的模拟研究
邓中仁, 葛旭阳, 姚秀萍, 陈明诚
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20215
摘要:
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。上述结论与前人研究辐射对强对流日变化调制作用相符。
人工增雨效果物理检验方法的建立及应用
沙修竹, 黄毅梅, 褚荣浩
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20237
摘要:
本文针对基于多源探测数据的人工增雨效果物理检验,建立对比区选取的相似性度量系数APC,建立人工增雨效果物理检验的无量纲化PIDI指数方法。结果表明:(1)人工增雨效果物理检验PIDI指数方法,能够实现以相似性度量系数APC最大程度削减增雨作业催化云体及降水的自然变率影响,以无量纲化处理方法综合多种具有量纲差异的云物理探测参数,最终以一个百分数变化率的数值形式综合度量多种云物理参数的整体变化趋势及程度。(2)应用PIDI指数方法对2014~2019年24架次飞机增雨作业进行增雨效果物理检验。人工增雨催化引起作业后3h的云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、组合反射率、≥30dBZ回波面积、垂直累积液态含水量7项指标平均变化率3.4%~19.6%。18次作业呈降水量变化率0~58.3%的增雨效果,6次作业呈降水量变化率-37.5%~0的减雨效果。多数增雨作业引起的云物理参数变化明显小于降水变化。(3)具有增雨正效果的18次增雨作业,人工催化引起多数作业的云顶温度、组合反射率、垂直累积液态含水量呈增加趋势,多数作业的云粒子有效半径、光学厚度、液水路径呈减小趋势。(4)利用飞机增雨个例对比PIDI指数方法与K值方法异同。对于降水量变化趋势的检验二者具有一致性。二者差别在于PIDI指数方法能够反映人工催化引起的所有检验指标平均变化率。
华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与CCN和云滴转化关系的飞机观测研究
李义宇, 郭学良, 金莲姬, 李培仁, 孙鸿娉, 赵德龙, 马新成
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20255
摘要:
气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013-2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核(CCN)及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率(CCN/CN)与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x-616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x-473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。
北京和邢台新粒子生成的差别及其对CCN活性的影响
高颖, 王玉莹, 李占清, 金筱艾, 王靖凌, 胡嵘, 曾思琪, 张睿, 陈曦, 许嘉璐
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21013
摘要:
基于2016年冬季和2017年夏季在北京、2016年夏季在邢台的三次气溶胶外场观测实验,选取三次观测期间典型的新粒子生成事件,分析其对气溶胶吸湿和云凝结核(CCN)活化特性的影响。两地分别位于华北平原北部超大城市区域和中南部工业化区域,两地不同季节新粒子形成机制不同,对应的凝结汇(CS)、生长速率(GR)以及气溶胶化学组分也不同。北京站点新粒子生成事件的发生以有机物的生成主导,而邢台站点新粒子生成事件的发生则以硫酸盐和有机物的生成共同主导。邢台站点新粒子生成过程中气溶胶吸湿性及云凝结核活化能力明显强于北京站点,此特点在核模态尺度粒子中表现尤为明显。以上结果表明,在估算新粒子生成对CCN数浓度的影响时,应充分考虑气溶胶吸湿和活化特性的差异。
FGOALS-g3模拟的南亚夏季风:气候态和年际变率
何林强, 周天军, 李立娟, 林鹏飞, 陈晓龙, 邹立维
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21042
摘要:
南亚夏季风的变化决定着印度半岛的旱涝状况,气候系统模式则是研究南亚夏季风变化规律的重要工具。本文基于观测和JRA55再分析资料,系统评估了FGOALS-g3模拟的南亚夏季风气候态和年际变率,并重点关注FGOALS-g3与FGOALS-g2以及是否考虑海气相互作用的模拟差异。结果表明,由于局地海温模拟的变化,相比于FGOALS-g2,FGOALS-g3模拟的南亚夏季风在气候态热带印度洋信风和El Nin ?o期间沃克环流下沉支上有明显改进。同时,由于对流层系统性冷偏差持续存在并且中心位于副热带300hPa附近,造成气候态上经向温度梯度减弱,使季风环流减弱,导致FGOALS-g3中陆地季风槽的水汽辐散偏差和降水干偏差仍然存在;在年际变率上,FGOALS-g3模拟的El Nin ?o期间赤道西太平洋海温冷异常偏弱,印度洋偶极子偏强,导致印度半岛下沉运动减弱,FGOALS-g3中ENSO—印度降水负相关关系也依然偏弱。研究表明,耦合过程导致的气候态海温偏差通过改变环流和水汽输送,有效补偿了大气模式中印度半岛中部和中南半岛的降水湿偏差;在年际变率上,耦合模式由于考虑了SST—降水—云短波辐射的负反馈过程,能够减小大气模式模拟偏差的强度,但印太暖池区海温模拟偏差导致沃克环流下沉支偏西,使得印度半岛的降水响应出现更大的湿偏差。
华北雨季降水年代际变化与水汽输送的联系
崔童, 张若楠, 郝立生, 孙丞虎
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21059
摘要:
本文基于1961~2018年华北地区均一化逐日降水资料和ECMWF(欧洲中期天气预报中心)ERA5全球再分析环流资料,采用一种综合考虑降水量和西太平洋副热带高压脊线影响的雨季监测标准,计算了华北雨季起讫日期和降水量,在此基础上讨论了华北雨季季节内进程的水汽输送特征。重点分析了降水量与水汽收支的年代际变化关系,揭示了水汽输送的时空变化规律及其对华北雨季降水的影响。研究结果表明:(1)华北雨季每年的起讫日期不同,从而每年雨季发生时段和季节内进程不同。(2)降水的形成与水汽输送及其辐合密切相关,有四个水汽通道维持华北雨季降水,即印度季风水汽、东亚季风水汽、110°E~120°E之间越赤道气流向北的水汽输送和40°N附近中纬度西风带水汽。(3)华北雨季降水和净水汽收支具有相似的年代际变化特征,分别在1977、1987、1999年发生突变,总体呈现“减–增–减”的阶段性变化趋势,两者位相转变相关性很强。(4)水汽输送的强弱和到达华北时间的早晚均对雨季降水多寡有重要影响。华北多雨年代与少雨年代水汽通量有明显的差异,主要表现在:在多雨年代,西北太平洋为反气旋式环流异常,偏南水汽强盛,并且与中高纬西风带异常偏西水汽汇聚于华北,华北地区水汽辐合偏强;考虑季节内进程,水汽到达华北的时间早、强度大,停留时间长、辐合强,减弱的时间晚;而在少雨年代,我国东北地区、朝鲜半岛及日本海附近为气旋式环流异常,华北地区由南向北的水汽输送偏弱,水汽辐散明显加强;季节内进程表现出与多雨年代相反的特征。(5)考虑华北地区四个边界的水汽收支,南边界和西边界有最大、次大水汽输入,二者的年代际变化是影响雨季降水年代际变化的重要因素。在多雨年代,南边界和西边界水汽净输入很强,但北边界的输出也很强;在少雨年代,南边界和西边界水汽净输入很弱,但北边界转为输入,这是区别于多雨年代的重要特征。
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
, 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。
夏季南亚高压两类东–西振荡过程的联系及其天气效应对比
祝传栋, 任荣彩
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21075
摘要:
夏季南亚高压(SAH)中心呈青藏高原和伊朗高原双模态分布,表现为东–西振荡的形式。同时,SAH的东缘还存在规律性的向东亚地区东伸或西退至青藏高原,表现为另一种形式的东西振荡。本文利用NCEP1逐日再分析资料、APHRODITE逐日降水数据以及印度地区逐日降水数据,研究了SAH这两类东–西振荡的联系以及它们对亚洲地区环流和天气影响的差异。结果表明,SAH中心的双模态东–西振荡位相可显著影响其东缘东伸/西退的发生及其幅度。尽管在SAH中心呈青藏高原和伊朗高原模态时,均可以出现SAH东缘的向东亚东伸,但青藏高原模态下发生东伸的频率明显高于伊朗高原模态;在伊朗高原模态时则更容易出现SAH东缘的西退。而且,在青藏高原模态下发生的SAH东缘东伸的幅度也比伊朗高原模态时更大。进一步研究发现,SAH中心的双模态东–西振荡主要与印度北部及整个青藏高原地区的降水异常型密切联系,并与异常降水有关的热力和动力作用变化相耦合。而SAH东缘的东伸/西退则通过引起西太副高的西进/东退,与东亚地区偶极子型的降水异常(青藏高原中东部、长江与黄河之间的中下游地区的降水异常与长江以南地区的相反)相联系。此外,SAH中心为青藏高原模态且东缘发生东伸时,与SAH中心为伊朗高原模态且东缘发生西退时,青藏高原西部与中东部的降水异常总是呈显著反位相变化。
雷暴电荷分布对正极性云闪放电特征影响的数值模拟研究
郑天雪, 谭涌波, 罗林洁
, 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。
热带大气对流垂直结构与降水模拟偏差的关系:基于GAMIL3的分析
任子坤, 周天军, 郭准, 陈晓龙, 李立娟, 吴波
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21098
摘要:
针对 LASG/IAP 发展的大气环流模式 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,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。
中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究
刘宇佳, 满文敏, 周天军, 彭冬冬
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21119
摘要:
大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽δD数据,针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,El Ni?o年夏季中国东部水汽δD较高,La Ni?a年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Ni?a年较之El Ni?o年偏多,表明La Ni?a年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年际变化的主要影响因素,热带对流活动增强(减弱)将降低(增加)目标区域的水汽δD。
基于多源资料的积层混合云降水微物理特征
王洪, 张佃国, 王文青, 王俊, 王烁
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21043
摘要:
基于地基云雷达、地基微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5~6km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;零度层以上,5~6km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。
理想模拟的温带气旋中冷暖输送带特征分析
王迪, 张熠, 储可宽, 王新敏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20190
摘要:
本文利用WRF理想斜压波模式模拟了理想湿大气中温带气旋的快速发展过程,采用拉格朗日轨迹筛选方法识别了气旋内部冷、暖输送带结构,分析了沿着输送带轨迹的物理量演变特征,探究了输送带气流对气旋降水结构的影响。本文在再现前人研究结论的基础上,发现了更精细的输送带结构特征,尤其是对冷输送带特征有了进一步认识。 研究表明,根据相对气旋中心运动特征可将暖输送带划分为“前倾上升”和“后倾上升”两支。两支气流均起始于对流层低层冷锋前暖区内,旋转上升到对流层中高层出流区后分别向气旋中心的下游和上游运动,并在中高层产生负位涡扰动,促进高空系统发展。同时,暖输送带向上层输送水汽,影响锋面附近降水中心的形成和维持。在对冷输送带的研究中,本文证实了前人研究描述的上升类和低层运动类特征,而且发现其可以更精细地呈现出四支气流结构。“前倾上升”和“后倾上升”两支气流的初始位置靠近暖锋,上升运动到对流层中层后分别向气旋中心的下游和上游运动,利于促进暖锋附近降水形成;而“环气旋前倾”和“环气旋后倾”两支气流始终在对流层低层运动,初始远离暖锋朝向气旋中心运动,水汽含量增加,随后环绕气旋中心缓慢上升运动到气旋西侧后分别向气旋下游和上游下沉,这两支气流导致了气旋西北侧弱降水的发生。
基于慢特征分析方法研究陆地表面气温变率的驱动力
朱丽飞, 孙诚, 李建平, 张静, 刘雨森, 宫湛秋
, 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IPO)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。
基于伴随敏感性的WPRD和MWR观测对模式预报的影响评估研究
唐兆康, 鲍艳松, 顾英杰, 范水勇, 齐亚杰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.20222
摘要:
同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果,但不同观测对预报的影响有着显著差异,合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性(Forecast Sensitivity to Observation,简称FSO)方法,构建WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达(Wind Profile Radar Detection,简称WPRD)和地基微波辐射计(Microwave Radiometer,简称MWR)观测数据,利用WRFDA-FSO系统,开展观测对WRF模式12h预报的影响试验,并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明:(1)同化的观测资料(MWR、WPRD、Sound、Synop和Geoamv)均减小了WRF模式12h预报误差,对预报为正贡献,其中MWR观测对预报的影响最大,WPRD风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。(2)WPRD的U、V观测和MWR的T、Q观测中,V观测和T观测对预报的正贡献值更高,对预报的改进效果更优。(3)WPRD和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差,对预报为正贡献,其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。
深度学习模型TAGAN在强对流回波临近预报中的应用
胡家晖, 卢楚翰, 姜有山, 何婧
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20225
摘要:
近年来深度学习模型在解决对防灾减灾影响巨大且极具挑战性的临近预报问题的应用中日益增多。本文中,我们把临近预报作为一个时空序列预测的任务,将雷达反射率因子作为试验对象,使用基于对抗神经网络(GAN)优化构建的TAGAN深度学习模型预测未来1h的雷达回波图像,并且与Rover光流法、基于卷积神经网络的3DUnet模型进行对比试验。选取2018年全球气象AI挑战赛雷达回波数据集进行训练与测试,检验结果表明TAGAN模型在命中率(POD),虚警率(FAR),临界成功指数(CSI)以及相关系数等多种评分上要优于传统的光流法和对比的3DUnet深度学习模型,TAGAN模型在以上的检验评分表现出色,并且随预测时间的增加较之传统光流模型效果更优,这为拓展和提升深度学习模型在临近天气预报中的应用提供了参考依据。
北京“7·20”特大暴雨降水物理过程模拟诊断研究
陆婷婷, 崔晓鹏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20232
摘要:
利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析,结果显示,降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大气中水汽含量明显减少;降水峰值时刻前,水汽辐合、凝结和液相水凝物辐合共同助力强降水云系快速发展,后期,动力辐合作用减弱以及水凝物持续消耗和辐散,导致水凝物含量显著减少,降水系统逐步瓦解;主降水时段,垂直上升运动强度和垂直扩展范围逐步增大,并在降水峰值时刻达最大,之后减弱收缩;上升运动峰值高度从初期位于零度层上逐步降到零度层附近,进而回落到零度层之下,伴随“弱-强-弱”的降水强度变化;上升运动控制下,水凝物含量变化明显,但不同水凝物变化幅度不一,霰粒子和雨滴增幅最显著,并于降水峰值时刻含量达最大,随后减小,其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等过程,导致其含量的变化幅度弱于上述两者。本文研究同时指出,不同微物理参数化方案对“7·20”特大暴雨强降水物理过程的可能影响以及不同强度降水物理过程的差异,值得深入研究。
不同微物理参数化方案对我国北方一次大范围暴雪天气过程的数值模拟研究*
王淑彩, 平凡, 孟雪峰, 李玉鹏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21064
摘要:
本文以ERA5再分析资料为初始场,利用WRF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实验,并与实测数据(自动站降水数据、雷达基数据)进行对比,分析了暴雪天气的降水、雷达反射率、动热力和水凝物的时空演变特征。研究表明:上述不同微物理参数化方案基本都模拟出了本次降雪的强度和范围,但其模拟的动力及云微物理细致结构存在明显差别,表现在不同云微物理方案模拟的垂直速度和水凝物的时空分布上。bin方案模拟的云水较强,有明显的下沉运动,对流范围较为集中,霰和冰晶过程明显偏弱;而bulk方案模拟的雨水和霰较强,呈现出大范围的上升运动,对流范围宽广。上述动力与云水凝物的分布与云微物理方案的特性有关,bulk方案由于采取了总体云群设计,捆绑了不同粒子类型的运动,不能细致的描述出不同粒子的下沉拖曳过程,反映出没有明显的垂直下沉运动,也造成霰粒子明显增多。对于不同的bulk方案,尽管其水凝物总含量时空分布相似,都有较大范围的时空分布,但其水凝物的各分量(云水、雨水、冰、雪、霰)有显著差异,这与各不同云微物理过程的描述有关。
昆明城市热岛效应的数值模拟研究
周晓宇, 王咏薇, 孙绩华, 杨大虎
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21062
摘要:
本文利用WRF(V3.9.1)模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control案例,研究土地利用类型(Md04案例)、陆面过程(NoUCM案例)和湖泊(Nolake案例)对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布特征的影响。主要结论如下:(1)四种案例城市热岛强度的平均日变化基本一致。白天城市热岛强度较弱、夜间较强,在20:00时左右达到最大值。城市冠层(湖泊)对城市热岛有较明显的减(增)温,Control-NoUCM(Nolake)案例中,平均日最大差值为-0.79oC(+1.07oC)。(2)从能量平衡方程分析Control-Md04案例,感热(潜热)通量的差值为+46.18(-79.71)W/m2,潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM案例中,感热(潜热)通量的差值为-40.88(+29.60)W/m2,NoUCM案例未考虑几何建筑物储热与遮挡,大部分被地表所吸收,导致感热通量较大。(3)四种案例中,15:00(07:00)时边界层高度达到最大(小)值。NoUCM(Nolake)案例中城市边界层高度分别降低103m(32m)左右,而Md04案例中城市边界层高度增加102m左右。(4)湖泊对城市热岛环流影响的试验表明,湖泊上空垂直运动较弱,而水平方向湖陆风较大,有利于向城市输送水汽,增加干空气湿度,使水汽含量较高;从而增加潜热能量释放,降低感热通量,温度梯度减小。
登陆台风影响下离地300 m高度内的强风特征研究
常蕊, 朱蓉, 赵大军
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21071
摘要:
利用台风山竹(1822)和利奇马(1909)登陆期间固定式风廓线雷达、WindCubeV2激光雷达和测风塔的梯度观测数据,结合山竹(1822)登陆前后精细化风场模拟资料,分析了登陆台风不同影响象限内,离地300 m高度内的强风参数及其随距离、海拔高度及下垫面的变化特征。结果表明:距离台风中心200 km水平范围内,最大风速所在高度及风切变指数沿台风半径向外增加,且陆地强风切变指数普遍高于0.12,而海洋下垫面拖曳作用弱,风切变较小,仅在岛屿群附近存在超出国标设计阈值的高切变区域;台风移动方向的右前象限内强风切变指数稳定维持在0.17左右,且对海拔高度不敏感,左后象限存在类似于急流的风廓线,而左前象限内强风的垂直变化在空间上具有较强的非线性特征,边界层低层强风结构较复杂;阵风因子和湍流强度随平均风速增大、离地高度升高而减小;过程最大风向变差角沿台风半径向外减小,且在空间上具有显著的非对称性,其中右后象限的风向变差角最大,半小时风向变化超过30°,且大多发生在台风登陆前或登陆时。研究成果可为我国近海及沿海风电场的微尺度风场模拟及台风风险防御提供帮助。
深度学习在印度洋偶极子预报中的应用研究
刘俊, 唐佑民, 宋迅殊, 孙志林
, 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,本文仅使用三种初始时刻,分别为1-2-3月(Jan-Feb-Mar,JFM)、2-3-4月(Feb-Mar-Apr,FMA)、3-4-5月(Mar-Apr-May,MAM),来预报其后续七个月的印度洋偶极子指数(DMI)、东极子指数(EIO)和西极子指数(WIO)。结果表明:CNN对DMI、EIO和WIO指数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指数和EIO指数的预报技巧,但对WIO指数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。
利用Ka波段云雷达对青藏高原三类重要天气系统云宏观参数日变化特征的观测研究
武静雅, 孙强, 毕永恒, 田玉芳, 王一楠, 吕达仁
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21061
摘要:
青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用,对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测手段,对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System)的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料,研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征,给出了统计回归方程。主要结论有:(1)西风槽系统日均有云频率为56.9%,切变线系统为50.8%,低涡系统达73%;(2)尽管西风槽和切变线系统的成因不同,但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似:日变化趋势基本为单峰单谷型,日出前最低,日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化,单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化;(3)低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同:日变化趋势表现为多峰多谷型,虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大,但频谱分布分散,云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8小时的波动;(4)给出了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。
中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究
李祥, 杨帅, 杨书运
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072
摘要:
由观测分析和数值模拟,发现2019年8月5-6日中国西南部的东传型致灾暴雨事件中存在三涡(南北双高原涡、西南涡)相继发展并导致暴雨加强和传播的现象。借助数值试验,研究了多尺度地形因子(青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形)各自对涡旋演变的作用。结果表明,横断山脉对西南涡的形成起关键作用,四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡(这里指南侧高原涡)的传播,四川盆地只影响涡旋强度演变,但不会改变高原涡的传播路径。一旦横断山脉被移除,高原涡的传播现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响,发现坡度越陡,高原涡传播速度越快,且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论,解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响:随着坡度变陡,倾斜涡度发展系数CD剧烈减小;陡坡时沿涡旋下滑路径快速减小的CD对垂直涡度局地倾向的强迫作用,加剧了涡旋的快速加强。
极端降水专刊(原创性论文)
近60年来中国主要流域极端降水演变特征
江洁, 周天军, 张文霞
, 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。
青藏高原专刊(原创性论文)
青藏高原大气热源年际变率及其驱动因子
段安民, 张萍
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21126
摘要:
青藏高原(以下简称高原)大气热源对亚洲夏季风爆发、演变、推进,乃至全球气候系统都有重要影响,因此近年来高原大气热源变异机理也日益受到关注。本文在回顾已有关于不同季节高原热源变异原因的研究基础上,利用1980~2018年日本气象厅再分析数据(Japanese 55-year Reanalysis,JRA55),对逐月高原大气总热源的年际变率进行分类,并进一步探究了影响不同类别高原大气总热源的异常大尺度环流系统及海温驱动因子。除了传统上受关注的“冬季型”和“夏季型”以外,本文还提出了“早春型”和“过渡型”两种高原大气热源变率模态。总体而言,高原大气总热源年际变率以降水引起的凝结潜热异常为主,其中“冬季型”及“早春型”高原大气热源异常中心位于高原西部,主要受到中高纬遥相关波列的影响。此外,“冬季型”还受到厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)及印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)的影响。“夏季型”高原大气热源呈东西偶极型反相变化,最大异常中心位于高原东南部,主要受北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)的影响;“过渡型”高原大气热源呈南北偶极型反相变化,受热带太平洋-印度洋海表温度异常的共同影响。因此,不同背景环流下高原热源年际变率的驱动因子存在明显差异。
1981-2020年青藏高原春季土壤湿度时空变化特征及其与高原季风的关系
索朗塔杰, 杜军, 卓嘎, 益西卓玛, 平措桑旦
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21131
摘要:
本研究利用欧洲中心ERA5再分析资料的逐日土壤湿度(土壤体积含水量)、降水量、位势高度场以及风场数据,重点分析了1981-2020年高原春季浅层(0-7cm)土壤湿度的时空变化特征,并探讨了青藏高原土壤湿度与高原季风的关系。青藏高原春季土壤湿度西北偏干,东南部相对偏湿的分布特征。对高原春季土壤湿度进行经验正交函数(EOF)分析后发现,其第一模态呈中部与东、西部反向变化特征,该模态存在准3年(2-4年)的振荡周期,这一周期特征在2000~2010年表现的更为显著;第二模态呈南北反向分布,较好地表征高原地区气候带与下垫面覆盖状况。研究发现,高原夏季风与高原春季土壤湿度变化之间存在密切的隔季相关,高原夏季风异常变化是翌年春季土壤湿度变化的主要原因。
基于MODIS白天地温产品的青藏高原海拔依赖型变暖特征分析
吴芳营, 游庆龙, 蔡子怡, 张玲, 康世昌, 翟盘茂
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21157
摘要:
基于2001~2018年中分辨率成像光谱仪(MODIS)探测的白天地面温度(简称MODIS 白天地温)资料,与青藏高原(简称高原)122个气象站点观测的最高气温资料,在年尺度上评估了MODIS 白天地温在高原的适用性,研究了高原五个干湿分区下MODIS 白天地温的海拔依赖型变暖特征,得到以下主要结论: (1)MODIS白天地温能够很好地捕捉到观测的最高气温的时空以及海拔依赖型变暖特征;(2)高原整体上,MODIS白天地温存在显著的海拔依赖型变暖特征,平均海拔每增加100m,其趋势增加0.02℃/10a,且受积雪-反照率反馈主导;(3)干湿分区下,海拔依赖型变暖特征在高原表现为偏湿润地区强于偏干旱地区;季风区强于西风区。海拔依赖型特征强弱:半湿润地区>湿润半湿润地区>半干旱地区>湿润地区>干旱地区。平均海拔每增加100m,以上区域的地温趋势分别增加0.06,0.03,0.03,0.01,0.01℃/10a。半湿润和湿润半湿润地区年均温在0℃左右,在气候变暖背景下积雪-反照率反馈作用最为强烈,是其海拔依赖型变暖的主导因素;干旱与半干旱地区年均温相对更低,气候变暖程度对积雪影响相对较小,积雪-反照率反馈作用被限制,但仍对上述地区的海拔依赖型变暖起主导作用;而湿润地区的积雪覆盖率的上升可能是由于降雪(固态降水)增加抵消了积雪融化损耗,云辐射、水汽等其他因素主导了其海拔依赖型变暖。
影响夏季青藏高原横切变线演变的动力和热力作用分析
高媛, 姚秀萍, 李山山, 王晓芳
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21053
摘要:
青藏高原横切变线(简称切变线)是引发青藏高原夏季暴雨的主要天气系统之一。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-5再分析资料,选取14个生成于6-8月、生命史为38小时且引发高原暴雨的切变线个例进行合成分析,探究动力和热力作用对夏季切变线生成和强度演变的影响。结果表明:(1)500hPa切变线生成于伊朗高压和西太平洋副热带高压两高之间的鞍形场中,处于580dagpm闭合低值中心和272K高温中心内、比湿大值区的北侧;200hPa南亚高压北部边缘、西风急流入口区南侧。(2)切变线强度表现出明显的日变化特征,在当地时间(LT=UTC+6h)23时最强,13时最弱。(3)涡度收支诊断表明,青藏高原上空高低层散度变化对切变线强度变化具有指示意义,500hPa涡度最大值(最小值)出现时间滞后于辐合作用最大值(最小值)3小时。(4)切变线演变过程中,切变线发展时位涡随之增大。位涡收支诊断表明,青藏高原上空的水汽和非绝热加热对切变线的生成和发展演变起到重要作用。当边界层感热加热增强时,低层辐合增强,上升运动增强,在充足的水汽配合下,凝结潜热释放使非绝热加热中心抬高至大气中层,有利于切变线生成及发展。
约稿(原创性论文)
中国南方大范围持续性低温、雨雪和冰冻组合性灾害事件:客观识别方法及关键特征
宗海锋, 布和朝鲁, 彭京备, 林大伟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21052
摘要:
摘要 组合性灾害事件是指同时出现的若干个天气灾害的组合,它的发生会明显加重致灾程度。本文利用1961-2013年冬季我国南方区域206个台站的日平均温度、日降水量及雨凇资料,建立了冬季大范围持续性低温、雨雪和冰冻组合性灾害事件的客观识别方法,并揭示了3类组合性灾害事件的关键特征。首先,基于低温、雨雪、冰冻天气的强度和面积阈值以及持续天数建立了大范围持续性低温事件、雨雪事件以及冰冻事件各自的客观判识方法。在此基础上界定出了3类常见组合性灾害事件,即低温-雨雪灾害事件(C-RS)、低温-冰冻灾害事件(C-F)以及低温-雨雪-冰冻灾害事件(C-RS-F)。3类组合性灾害事件常见于1月上旬-2月中旬。尽管3类组合性灾害事件在低温和降水等方面有相似之处,但其形成条件却明显不同。充沛的水汽供应和大范围强烈的水汽辐合是低温-雨雪灾害事件和低温-雨雪-冰冻灾害事件发生的关键条件,而逆温层和冷垫则是低温-冰冻灾害事件和低温-雨雪-冰冻灾害事件发生的必要条件。亚洲中高纬大型斜脊系统是低温-冰冻灾害事件和低温-雨雪-冰冻灾害事件的关键环流特征,为强冷空气活动提供了有利环流条件。低温-雨雪灾害事件期间亚洲中高纬则盛行波状环流,有利于适度冷空气活动。在水汽供应和逆温层形成方面,3类组合性灾害事件受控于不同的副热带异常环流系统。孟加拉湾南支槽和南海上空异常反气旋分别是低温-雨雪灾害事件和低温-冰冻灾害事件形成的副热带关键环流系统,而孟加拉湾南支槽和西北太平洋异常反气旋相结合为低温-雨雪-冰冻灾害事件形成的副热带关键环流系统。
基于高分辨率再分析风场的高原涡三维识别技术及初步应用
汤欢, 傅慎明, 孙建华, 周象贤
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21127
摘要:
高原涡是生成于青藏高原主体的一类浅薄中尺度涡旋系统,其发生频繁、影响范围广、造成灾害强,是我国最重要的致灾中尺度系统之一。全面揭示高原涡的统计特征是本领域研究的重要基础。其中,高原涡的精准识别是认识其统计特征的关键。随着高时空分辨率再分析资料的出现,高原涡的研究有了更好的数据基础,然而,无论是人工识别方法还是基于较粗分辨率的客观识别算法都难以高效地适用于当前的新再分析资料。因此,亟需发展一种高精度的、适用于高时空分辨率再分析资料的高原涡客观识别方法。本文提出了一种适用于高分辨率再分析资料、基于风场的限制涡度高原涡客观识别算法(Restricted-vorticity based Tibetan-Plateau-vortex identifying algorithm; 简称RTIA)。该方法首先判断高原涡候选点,然后以候选点为中心,划分多个象限,通过象限平均风场限定条件和象限组逆时针旋转(北半球)条件确定高原涡中心,无需复杂计算及对各气压层分别设定阈值,即可快速实现高原涡的水平和垂直追踪。基于1979-2020年共42个暖季(5-9月)、15466个高原涡(共计99090时次)大样本的评估表明,RTIA方法识别高原涡的平均命中率超过95%,平均空报率低于9%,平均漏报率少于5%,可以十分准确地对高原涡进行识别。此外,评估还表明RTIA方法应用于不同空间分辨率的再分析资料(如0.5o或0.25o)时,仍能保持高原涡识别的高准确率,其识别结果主要受涡旋自身强度的影响,对弱涡旋的识别精度比强涡旋偏低。该方法对其他中尺度涡旋识别也具有一定的借鉴意义。
2020年长江中下游地区梅汛期强降水特征及其与对流层上层斜压Rossby波的关系
孙思远, 管兆勇
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21006
摘要:
2020年梅汛期(6–7月)长江中下游地区发生了严峻的汛情。2020年梅雨期长度和强度均远超历史平均水平。本文利用逐日NCEP/NCAR再分析资料和全球降水量网格数据集,研究了本次梅汛期降水特征及其与对流层上层斜压波动活动的联系。结果表明:本次梅汛期,长江中下游地区的总降水量和降水异常大值区位于安徽南部,共有7次连续的降水过程发生。长江中下游地区在对流层中低层辐合、高层辐散,且该地区上空有强的异常上升运动,有利于异常强降水的发生发展。同时,水汽自孟加拉湾和中国南海地区输送至长江中下游地区,为强降水的发生提供了充足水汽。利用小波分析该地区的逐日降水标准化时间序列时,发现其存在2–4天和6–14天的显著周期。高频(2–14天)扰动所显示的Rossby波动在对流层上层表现出向下游频散的特征,波动源于贝加尔湖附近。波扰动能量和通量所显示的波动向下游的传播过程与波包的传播过程较为一致,分别源于地中海和贝加尔湖附近的波扰能向东或向东南频散至长江中下游地区,有利于该地区扰动加强并进而有利于强降水的发生和维持。以上结果加深了人们对2020年超长“暴力梅”成因的认识并可为有效预测类似事件提供线索。
中尺度涡旋客观识别与三维追踪的新方法及其效果评估
张敬萍, 傅慎明
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21178
摘要:
中尺度涡旋是引发强降水等一系列气象灾害的重要天气系统之一。中尺度涡旋识别是对其进行研究的重要基础。目前,如何客观准确地识别中尺度涡旋并对其进行较全面的评估仍是一项充满挑战的任务。本文从我国中尺度涡旋的基本特征出发,提出了一种基于风场和相对涡度的涡旋识别标准、并发展了适用于高分辨率格点数据的中尺度涡旋客观识别算法。该算法能准确识别出中尺度气旋性环流并定位涡旋中心,较现有常规中尺度涡旋识别方法而言,具有误判率低,定位精度高等特点。本文将该客观识别算法应用于长江流域频发的三类中尺度涡旋(高原涡,西南涡,大别山涡)的识别中,结果表明对于不同时间段、不同分辨率的再分析资料(逐6小时 0.5°×0.5°的 NCEP CFSR 再分析资料、逐小时 0.25°×0.25°的ERA5再分析资料),本识别算法对三类中尺度涡旋均有较好的识别效果。本文基于1979-2020年共42年暖季(5-9月)大别山涡的数据集(共计36357时次)对新发展的中尺度涡旋客观识别算法进行了定量评估,结果表明本算法能够长期稳定的识别涡旋,42年的平均命中率为95.5%。此外,本文提出了涡旋连续性判定和三维追踪方案,较现有常规中尺度涡旋追踪方法具有显著优势。
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
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21054
摘要:
本文利用国家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。得到以下主要结果:此次暖区山地突发性暴雨发生在西太副高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。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。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,导致模拟的过程累计降水量显著减少、强降水中心消失。
物理协调大气变分客观分析模型及其在青藏高原的应用(II):那曲试验区云-降水、热量和水汽的变化特征
张春燕, 王东海, 庞紫豪, 姜晓玲, 马千惠
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21078
摘要:
本文利用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,通过融合地面、探空、卫星等多源观测资料和ERA-Interim再分析资料,建立了青藏高原那曲试验区2013~2017年5年长时间序列的热力、动力相协调的大气分析数据集,并以此分析那曲试验区大气的基本环境特征与云-降水演变和大气动力、热力的垂直结构。分析表明:1)试验区350hPa以上风速的季节变化非常明显,风速在冬季11月~次年2月达到最大(>50m/s),盛夏7~8月风速的垂直变化最弱,温度的垂直变化最强,大气高湿区在夏秋雨季位于350~550hPa,在冬春干季升至300~400hPa。2)试验区6月~7月上旬降水最多;春、秋、冬三季,300~400hPa高度层作为大气上升运动和下沉运动的交界处,是云量的集中区,夏季,增多的水汽和增强的大气上升运动导致总云量和高云明显增多,中、低云减少。3)夏季的地表潜热通量与大气总的潜热释放最强,大气净辐射冷却最弱,高原地区较强的地面感热导致试验区500hPa以下的近地面全年存在暖平流,500hPa以上则由于强烈的西风和辐射冷却存在冷平流。此外,试验区整层大气全年以干平流为主,但在夏季出现了较弱的湿平流。4)视热源Q1具有明显的垂直分层特征:全年500hPa以下大气表现为冷源,300~500hPa和100~150hPa表现为热源,150~300hPa则在冬春干季表现为冷源,在夏秋雨季表现为热源,不同高度层的冷、热源的形成原因不同,其中夏季由于增强的上升运动、感热垂直输送和水汽凝结潜热以及高云的形成,因此几乎整层大气表现为热源。
碳卫星高光谱二氧化碳探测仪基于太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标
毕研盟, 王倩, 杨忠东, 刘成保, 蔺超, 田龙飞, 张乃强, 王雅澄
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21069
摘要:
大气二氧化碳(CO2)探测仪(Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer-ACGS)搭载于中国二氧化碳观测卫星(TanSat),通过探测0.76μm,1.61μm,2.06μm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,精确探测光谱中心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%的以内,满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于在轨仪器状态变化引起,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 。
近32年泰国降水的主要变化趋势研究
杨雯婷, 傅慎明
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21001
摘要:
基于泰国气象局提供的近32年(1981-2012)站点逐日降水观测资料,利用线性趋势和集合经验模态分解(Ensemble empirical mode decomposition, EEMD)等分析方法,本文重点研究了泰国及其五个地理分区内各等级降水量与降水日数出现正异常(第95%分位及以上)的站点比例变化,并深入分析了泰国逐年降水量与暴雨以上持续性和非持续性降水量相对贡献的变化。主要结论如下:(1)泰国东部和南部地区是其降水最强的区域,而泰国北部地区降水相对最弱,在研究的32年时段内,泰国境内有87%的站点出现了逐年降水增加的趋势(共有22个站通过了95%的信度检验),其中泰国南部是增加最快的区域,而泰国东部地区则是出现降水增加趋势最少的地区。位于泰国湾沿岸的曼谷站和洛坤站是整个泰国境内逐年降水增加最快的站点。(2)泰国北部地区的逐年降水量、逐年降水日数与平均降水强度出现正异常的站点比例显著增加,表明极端降水的影响范围在扩大,而泰国南部地区仅大暴雨以上的极端降水出现了范围扩大的趋势。(3)暴雨以上的降水在泰国不同地区存在着显著差异,其中泰国北部、东北部和中部地区,非持续性降水占主导地位,而在泰国东部和南部地区,持续性与非持续性降水的贡献相当。暴雨以上持续性降水出现正异常的站点比例在泰国北部和南部地区有显著的增加趋势,表明这些地区受稳定系统影响所发生强降水的范围有着显著的扩大趋势。
CMIP6模式对中国东部地区水循环的模拟能力评估
赵丹, 张丽霞, 周天军
, 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,低估了华南沿海地区降水(-0.3 mm day-1)。所有CMIP6模式均高估蒸发强度(偏差0.03~0.98 mm day-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。
物理协调大气变分客观分析模型及其在青藏高原的应用(I):方法与评估
王东海, 姜晓玲, 张春燕, 庞紫豪, 梁钊明, 张明华
, 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,350~400hPa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1m/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。
月内尺度上与冬季北太平洋大范围海温暖异常相联系的海气相互作用特征
陈宏莉, 徐海明, 马静, 邓洁淳
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21047
摘要:
本文采用1985~2015年美国气象环境预报中心及能源部(NCEP/DOE)再分析以及美国国家海洋大气管理局(NOAA)海温(SST)等资料,基于大范围SST异常的确定规则,在北太平洋区域选取了8个暖事件,采用跟随SST异常中心的动态合成方法,研究分析了冬季北太平洋生命史为50天左右的大范围SST暖异常在其盛期前后的月内尺度海气结构特征。结果表明:(1)大范围SST暖异常前期主要表现为大气对海洋的强迫作用,后期则主要表现为海洋对大气的强迫作用。(2)SST暖异常伴随的大气结构在前后期发生了明显的转变,前期SST暖异常上空伴随着相当正压的偶极型气压异常(即东北侧为异常高压而西南侧为异常低压),对应大气偏东风异常。后期SST暖异常区北侧上空伴随着相当正压的低压异常,南侧为弱高压异常,对应大气偏西风异常。(3)在SST暖异常后期大气出现了气旋式环流异常响应,这主要是因为高频瞬变涡旋反馈强迫在起关键作用,且瞬变涡度的强迫作用是主要贡献因子。(4)海流结构在前后期也发生了明显的转变,前期海洋动力过程不利于维持SST暖异常,后期异常暖平流和异常下沉流均有助于维持SST暖异常及其对大气的影响。
基于GRAPES-GFS次季节预报的误差诊断和预报能力分析
齐倩倩, 朱跃建, 陈静, 田华, 佟华
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20157
摘要:
基于GRAPES(Global and Regional Assimilation Prediction System)全球预报系统(GRAPES-GFS)的2018年9月至2019年8月的分析场和35天预报的试验数据,对该系统延伸期次季节预报进行误差诊断和预报能力分析。结果表明,该系统可描述2018冬季及2019年夏季2 m温度和500 hPa位势高度的空间分布特征,但在热力强迫作用显著的高原沙漠地区,尤其是非洲干旱区,GRAPES-GFS的2 m温度分析场存在较大的系统偏差。GRAPES-GFS模式的2 m温度在超前1~3周预报的均方根误差近似线型增长,最终趋于稳定。海洋区域2 m温度的预报技巧较陆地低,东亚及澳大利亚预报技巧较高。关于500 hPa位势高度,在超前1~3周预报时,东亚中低纬度预报技巧明显高于中高纬度地区,热带地区的远低于其它地区,北半球的高于南半球。关于MJO,GRAPES-GFS可描述高层和低层纬向风场的传播和模态特征,可抓住较强对流活动信号的具体位置,但地球向外长波辐射(OLR)在赤道地区正距平信号偏弱,负距平信号偏强。GRAPES-GFS模式对MJO的距平相关系数(ACC)有效预报技巧达到11天左右,与一般大气模式预报水平接近。对于选取的两次强MJO事件个例,在超前6天的预报上,GRAPES-GFS可准确地描述2次事件的传播过程,但MJO信号在发展和衰亡阶段强度偏强。
基于EOF迭代的自动气象站气温观测资料修复方法
沈王彬, 李昕, 秦正坤, 张冰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.21021
摘要:
全国目前已经建成了近7万个自动气象观测站点,然而自动气象站观测资料一直存在资料质量较低的问题,大量错误资料的存在极大影响了其在气象研究中的应用,因此对错误观测的数据进行准确的修复是一项重要工作。本文利用2019年12月1日00:00至7日23:00(北京时),共168个时次的地面自动站温度观测资料,在利用EOF(Empirical Orthogonal Function)质量控制方法识别异常观测资料的基础上,提出了一种基于迭代EOF分析方法的错误资料修复方法。通过理想修复试验的精度分析表明,新修复方法能够很好地修复错误的地面自动站观测气温,修复方法的误差约为0.48°C。而基于Cressman插值等这一类依赖单点观测信息进行修复的方法更容易受到小尺度信号干扰而引入非自然观测信息,对地面温度的修复误差可以达到1.55°C。实际的修复结果分析也证明新修复方法充分利用了EOF分析方法的时空分离作用和模态正交性特点,通过迭代方法逐步消除错误资料的影响,从而获得了与周边观测资料有更好时空连续性的修复结果。
一个基于Eta垂直坐标的新WRF动力框架及其数值试验
程锐, 宇如聪, 徐幼平, 刘娟, 黄静
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20173
摘要:
针对我国陡峭地形数值预报难题,本文在国际先进WRF(Weather Research and Forecasting)模式动力框架中引入阶梯地形垂直坐标,以期为改进复杂地形区域数值天气预报提供模式发展可选方案。设计气柱质量变换方法,实现阶梯地形和追随地形两种垂直坐标下动力方程组的形式一致,从而简化方程组离散及程序实现的复杂过程。阶梯地形的构造借鉴了AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)的设计思路,即首先构造参考大气,而后定义阶梯地形网格特征量,最后进行阶梯地形表达。在Eta坐标下的WRF动力框架搭建完成后,采用山脉波理想试验和实例试验对新动力框架的正确性和有效性进行了检验。结果表明:由于阶梯地形固有的孤立分布特征,可造成不同台阶处气流的分离,从而使得阶梯地形在较粗垂直分辨率情形下,不能很好模拟山脉波;但如果垂直分层足够精细,或模拟时间足够长,可通过减弱气流分离现象或调整气流分布状态,对地形波进行有效刻画。
南海暖季天气系统与中尺度对流过程研究进展
王东海, 曾智琳, 张春燕, 杨帅, 梁必骐
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21041
摘要:
本文总结了近几十年来暖季(5~10月)南海热带天气系统及中尺度对流过程的相关研究进展。聚焦暖季南海中尺度对流过程,概述性回顾了与南海中尺度对流过程相关的热带大气环流和夏季风的基本特征,影响南海中尺度对流发生、发展的重要天气系统,并着重归纳了南海中尺度对流系统的活动规律、结构特征与形成机理。在此基础上,探讨了当前及未来南海中尺度对流过程研究面临的机遇与挑战,并指明了未来该领域的研究方向。
2020年6~7月西南地区东部降水异常偏多的水汽输送特征
李永华, 周杰, 何卷雄, 卢楚翰, 向波
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21002
摘要:
利用1961~2020年西南地区东部118个气象站逐日降水量资料和1979~2020年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5逐月再分析资料以及美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的逐6 h全球再分析资料,采用相关、回归、聚类、混合单粒子拉格朗日综合轨迹(HYSPLITv5.0)模型模拟等方法对2020年6~7月西南地区东部降水异常偏多特征、大尺度水汽输送特征及水汽收支状况和主要水汽源地及贡献等进行了分析,定义了关键区水汽强度指标,分析了关键区水汽强度与海温的联系。结果表明,2020年6~7月西南地区东部平均降水量异常偏多5成,为1961年以来最多,除贵州中部和四川东北部的局部地区降水较常年略偏少外,其余地区降水均较常年明显偏多。2020年6~7月200 hPa上高空急流位置偏南,西南地区东部正好位于急流轴以南地区,高层强辐散流出,低层强辐合流入,配合从低层到高层的深厚的强烈的垂直运动,为降水提供了良好的动力条件,而西太平洋副热带高压(副高)明显西伸,有利于其西南侧的暖湿气流向西南地区东部输送,使得该区域降水偏多。采用拉格朗日方法计算的定量的水汽轨迹追踪结果表明2020年6~7月西南地区东部降水的水汽路径70.5%来自于孟加拉湾、南海和阿拉伯海等南方路径,17.6%来自于北方路径,11.9%来自于局地。前冬赤道中东太平洋海温偏高和热带印度洋全区海温偏高,西太平洋副高明显偏西、偏强,孟加拉湾和南海地区为东风距平,有利于南海地区向西的水汽偏强,不利于孟加拉湾地区向东的水汽输送;与此同时,菲律宾至我国南海附近为异常反气旋,使得中南半岛北部地区为偏南风距平,有利于中南半岛北部地区向北的水汽输送偏强,共同造成该地区降水偏多。