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原创性论文
IPO、 AMO和全球变暖对北美地区降水的相对贡献
徐川, 张昊, 陶丽
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20228
摘要:
本文研究了1934-2018年期间太平洋年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation,IPO)、大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)以及全球变暖(Global Warming,GW)对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬(12-2月)、夏季(6-8月)北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO(42.33%)和AMO(23.21%),夏季则为AMO(32.66%)和IPO(21.60%)。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。
2020年江淮流域超强梅雨年际异常的驱动因子分析
赵俊虎, 张涵, 熊开国, 左金清, 陈丽娟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21011
摘要:
利用观测诊断和数值模拟相结合的方法,研究了2020年江淮流域6~7月超强梅雨年际异常的环流特征和驱动因子。结果表明:(1)2020年梅雨期长度和江淮流域总降水量均为1961年以来第一位,超强梅雨主要与西北太平洋异常反气旋(WNPAC)的异常偏强和异常西伸有关,WNPAC为江淮流域梅雨期持续的强降水提供了充沛的水汽来源;(2)2019年11月~2020年3月,赤道中东太平洋发生一次弱的中部型El Ni?o事件,本次事件持续时间短、强度偏弱,不足以激发和维持2020年梅雨期异常偏强的WNPAC,而春、夏季热带印度洋和热带北大西洋海温异常持续偏暖是WNPAC异常偏强和西伸的主要驱动因子;(3)热带印度洋暖海温在其东部的西太平洋激发出大气Kelvin波响应,造成了纬向风变化的不均匀分布,通过埃克曼抽吸,抑制了局地对流活动,驱动了WNPAC的生成;而热带北大西洋暖海温则引起局地对流活动增强,导致热带北大西洋上空上升运动和热带中部太平洋下沉运动增强,在西北太平洋上空激发异常的低空反气旋;热带印度洋和热带北大西洋暖海温对2020年6~7月WNPAC异常偏强均有显著的正贡献。
江西地区层状暖云微物理结构特征及云雨自动转化阈值函数的研究
靳雨晨, 牛生杰, 吕晶晶, 王元, 谢勇, 林文
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20166
摘要:
本文利用机载云粒子探测设备对2014年11月06日-12月25日期间在江西地区探测获得的七次暖云飞行个例资料,详细分析降水云和非降水云的微物理结构特征。云雨自动转化阈值函数(T)是描述云内碰并强度的重要微物理参量。我们发现T值在云内分布呈现云底较小,随着云内高度的增加T值逐渐增大,并且在云中部和上部达到最大值;研究还发现降水云的T值在0.6以上的频率远大于非降水云,表明降水云中的碰并过程更强,云滴更易通过凝结和碰并过程形成雨滴,符合暖云降水机制。降水云中云滴谱相对离散度(ε)和云滴数浓度(Nc)的负相关程度较非降水云更为显著,随着T的增大,二者的负相关程度增强;相比于云滴平均半径(ra)的变化,云滴谱标准差(σ)的变化主导ε- Nc负相关程度的增强。
“暖北极-冷欧亚”模态的年代际变化及其与北大西洋海温的联系
王婧, 吕俊梅
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20205
摘要:
本文利用美国航空航天局戈达德空间研究所地表气温,美国国家海洋和大气局-环境科学协作研究所二十世纪再分析资料,以及第六次国际耦合模式比较计划的多模式Historical试验结果,去除外强迫影响后,研究1910/1911~2019/2020年冬季(DJF)欧亚中高纬地区 “暖北极-冷欧亚”(WACE)模态的年代际变化特征及其物理原因。结果表明:WACE具有显著的年代际变化,在WACE正位相时期,乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于热量向极区输送使得极区出现异常暖平流,且水汽向极区输送导致极区水汽辐合,向下长波辐射增加,另外对流活动增强导致潜热释放,进而极区温度上升。与此同时,极涡及欧亚大陆西风减弱且乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于冷空气侵袭欧亚大陆造成异常冷平流,且欧亚地区水汽辐散,向下长波辐射减少,对流活动减弱进而潜热释放减少,导致欧亚大陆温度降低。最后利用CAM3.0大气环流模式模拟了北大西洋海温正异常对WACE的影响,模式结果与统计结果相符合,进一步说明了北大西洋海温正异常可以通过强迫低层与高层大气环流异常,导致极区水汽辐合,欧亚大陆水汽辐散,进而影响WACE的年代际变化。
东亚-西北太平洋海平面气压场的动力特征分析
孙宇, 韩琳, 李建平, 丁瑞强
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20254
摘要:
东亚-西北太平洋地区的海平面气压(sea-level pressure,SLP)直接反映了低层大气的环流特征,其动力特征对于大气环流形势,气压系统的演变和天气、气候系统的发展等都有显著的影响。因此,深入分析东亚-西北太平洋地区海平面气压场的时空演变特征,对于提高我国的天气和气候预报具有重要意义。为了从非线性动力学的角度进行深入研究,文中使用了一种新方法来定量估算海平面气压吸引子的两个瞬时指标:瞬时维度和瞬时稳定度。瞬时维度表征了吸引子轨道在局部空间上的离散程度,瞬时稳定度则表征了轨道在局部时间上的稳定程度,它们共同反应了海平面气压吸引子的瞬时(逐日)动力特性。本文利用不同大小的指标值与海平面气压场的对应关系,筛选出了东亚-西北太平洋地区逐日海平面气压场的不同时空特征。主要结论为:(1)海平面气压吸引子的两个指标都是低值时,对应逐日环流场的空间特征表现为:气压结构单一,通常有几个强大的高低气压中心东西对峙;时间特征表现为:环流模态可以稳定的持续10天左右。(2)相反,当两个指标都是高值时,逐日环流场的空间特征表现为:多个弱的气压中心同时存在,空间结构混乱;时间特征为:环流场极不稳定,持续性仅在1天左右。(3)此外,发现东亚-西北太平洋海平面吸引子的两个指标具有一致的年代际变化趋势:从上世纪70-90年代呈现明显的下降趋势,90年代末快速上升,2000年后波动变化。
珠三角关键大气挥发性有机物的模拟精度评估
张佩文, 唐晓, 陈科艺, 陈多宏, 朱莉莉, 沈劲, 叶斯琪, 孔磊, 韩丽娜, 吴倩, 王自发
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20201
摘要:
大气挥发性有机物(VOCs)是导致臭氧污染的关键前体物,是城市空气质量建模不可或缺的重要组成部分,但由于其非常复杂的构成和来源以及监测数据缺乏,目前对其模拟精度的了解仍非常有限。本文利用嵌套网格空气质量模式预报系统(NAQPMS)对珠三角地区2017年9月21日至11月20日的VOCs开展了模拟试验,并利用光化学监测网8个地面站点的VOCs浓度监测数据,对模式模拟的关键VOCs组分进行了精度评估。结果发现,模式对强活性的甲苯、乙烯和二甲苯具有较高的模拟精度,模拟浓度偏差百分比为0.4~26.6%,模拟能较好再现其日均浓度变化趋势和日变化的双峰特征。但是模式对化学反应活性强且与植物排放密切相关的异戊二烯具有很大的模拟偏差,偏差比近100%,无法再现其白天浓度高、夜间浓度低的观测日变化特征。通过分析发现,现有模拟系统主要考虑人为污染物排放而未考虑生物排放可能是导致这一模拟偏差的关键原因。同时,评估结果也表明模式在VOCs空间分布模拟上仍面临很大的不确定性。本文结果揭示了珠三角VOCs模拟面临的关键不确定性,表明融合VOCs观测数据来揭示并减小VOCs模拟的不确定性具有非常迫切的需求。
汾渭平原空气质量及气象要素对其日变化和年际变化的影响
秦卓凡, 廖宏, 陈磊, 朱佳, 钱静
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20240
摘要:
汾渭平原因其封闭的地形条件以及煤炭为主的能源结构,大气污染问题一直存在,并于2018年被列入大气污染防控的重点区域。文章利用2015年以来PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3质量浓度的观测数据和空气质量指数(Air Quality Index, AQI),分析了汾渭平原AQI及大气污染物质量浓度的时空分布特征;使用多元线性回归模型研究了气象条件对冬季PM2.5和夏季O3浓度日最大8h滑动平均值(MDA8_O3)日变化和年际变化的影响。研究发现,汾渭平原的空气质量在2015~2017年间逐年变差,在2018~2019年有所好转,污染较重的城市为西安、渭南、咸阳、临汾、运城、三门峡、洛阳,集中在汾河平原与渭河平原交界处。汾渭平原的首要大气污染物多为PM2.5、PM10或O3,三者占比之和约90%。重污染时期主要集中在天气条件不利及污染物排放量大的冬季供暖期,但夏季O3浓度的升高趋势使得汾渭平原夏季污染情况越来越严重。影响汾渭平原冬季PM2.5浓度和夏季MDA8_O3日变化最主要的气象要素都是2米气温(T2M),相对贡献分别是45.5%、35.3%,都表现为正相关;第二主要的气象要素都是2米相对湿度(RH2M),相对贡献分别是41.5%(正相关)、25.4%(负相关)。影响汾渭平原冬季PM2.5浓度年际变化最主要的2个气象要素及其相对贡献分别为T2M(43.6%)、RH2M(31.9%),且都呈正相关,2015~2019年汾渭平原冬季气象条件的变化会导致PM2.5浓度上升,部分削弱了人为减排导致的下降趋势(-8.3 μg m-3 yr -1)。影响汾渭平原夏季MDA8_O3年际变化最主要的2个气象要素及其相对贡献分别为T2M(71.7%,正相关)和850 hPa风速(WS850,16.3%,负相关)。2015~2019年汾渭平原夏季气象条件的变化导致O3污染呈上升趋势(1.2 μg m-3 yr -1),但O3污染的总上升趋势(8.7 μg m-3 yr -1)中,人为排放变化的贡献更大(7.5 μg m-3 yr -1)。本研究表明,汾渭平原大气污染形势严峻,其颗粒物污染问题尚未解决,还面临着新的臭氧污染的挑战,汾渭平原内的11个地级市分属陕西、山西、河南三省管辖,三省交界处又是重污染区域,所以需要三省联合防治防控,协同改善汾渭平原的空气质量。
利用星载和地基激光雷达分析2019年5月东亚沙尘天气过程
黄 悦, 陈 斌, 董 莉, 张芝娟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.19249
摘要:
2019年5月中旬,中国北方出现大范围沙尘暴天气,此次天气过程持续时间较长,影响范围较大。利用星载激光雷达CALIPSO和地基激光雷达AD-NET数据,对此次沙尘天气过程中沙尘气溶胶的分布特征以及沙尘传输过程进行分析;利用国家气象信息中心提供的小时天气实况数据对星载激光雷达资料得到的传输路径进行验证,同时结合空气质量数据分析此次天气过程对空气质量的影响;利用ERA-Interim再分析资料对此次沙尘天气成因进行分析。结果表明:(1)世界时间2019年5月10-16日沙尘天气主要分为两阶段,第一阶段为世界时间5月10日至12日,第二阶段为13日至16日;(2)通过CALIPSO垂直特征层产品,发现在太平洋地区5-10km的较高高度上,存在沙尘气溶胶,到达日本地区时,沙尘气溶胶的退偏比和色比平均值分别为0.14和1.29;(3)经过星载和地基激光雷达数据的综合分析,发现世界时间5月13日至18日期间,沙尘气溶胶对日本长崎站点和韩国济州岛地基激光雷达站点的平均贡献率均值分别为42.16%和39.25%;(4)筛选了星载激光雷达经过日本和韩国站点的轨迹,对比分析两种数据的衰减后向散射系数以及表观散射比,发现两种数据的表观散射比廓线分布具有相近的变化趋势;(5)在沙尘天气期间,颗粒物浓度显著增加,PM10浓度最大值超过1500μg/m3,是国家一级浓度标准的30倍;而世界时间5月11日PM2.5浓度在甘肃省最大,最大值达到国家一级浓度标准的7倍,14日最大值甚至达到12倍;PM10/PM2.5值也在甘肃新疆多地达到6以上;(6)内蒙古西部的小槽的加深以及南压,使得西北冷空气稳定南下;在世界时间14日,不稳定层结加深导致沙尘天气再一次爆发。
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-2019年8月的分析场和 35天预报的历史回算数据,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2m温度和500hPa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2m温度分析场存在较大的系统偏差。GRAPES-GFS模式的2m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2m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500hPa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。
GRAPES-GEPS湿奇异向量的时空尺度敏感性研究
王静, 刘娟娟, 王斌, 陈静, 刘永柱
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20164
摘要:
湿奇异向量(Moist Singular Vectors,简称Moist SVs)是包含了湿物理切线性过程计算得到的奇异向量。研究Moist SVs对最优化时间间隔(optimization time interval: OTI)及模式水平分辨率的敏感性对提高集合预报效果至关重要。本文基于中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)业务版本研究了4组不同时空尺度(不同OTI和水平分辨率)下的Moist SVs,从能量模、能量谱、空间剖面等方面分析热带外Moist SVs特征,并从等压面变量评分、降水评分、降水概率预报等方面评估不同初值的集合预报效果。结果表明:提高Moist SVs水平分辨率可使其扰动具有较大的增长率,缩短OTI后Moist SVs能量向上传播的趋势更明显,并可以在中尺度范围产生较大SVs扰动。不同OTI下初始Moist SVs相似性较低,结构差异较大。从集合预报的结果来看,OTI为24h试验的集合扰动能量增长较大,集合离散度在预报的0-96h有显著提升,特别是2米温度,且近地面要素的outlier评分也有明显改进。进一步分析发现,提高水平分辨率和缩短OTI的Moist SVs能够提高降水概率预报,而降水评分显示,同一水平分辨率下,OTI越短评分越好,但是提高Moist SVs的水平分辨率并不一定会提升小雨到中雨量级的降水评分。
一个基于Eta垂直坐标的新WRF动力框架及山脉波数值试验
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。我们首先设计一种变换方法,可以实现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。本文推导的Eta坐标,与原Sigma坐标下WRF模式相比,主要差别在于模式参考面与模式顶之间空气质量的表达形式。在Eta坐标下的WRF动力框架搭建完成后,采用2D山脉波理想试验对新动力框架进行了检验,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。
吉林一次极端降水发生发展动热力过程的数值模拟分析*
迟静, 周玉淑, 冉令坤, 周括, 沈新勇
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20183
摘要:
利用ERA-Interim再分析资料、常规气象观测资料、CMORPH融合降水资料以及WRF高分辨率数值模拟结果,对2017年7月13日-14日吉林地区的极端降水天气过程的环流背景和触发机制进行了分析。结果表明:(1)东北冷涡环流控制下,副高北抬与中纬度锋区形成了有利的大尺度环流背景。降水发生在冷涡底部与副高之间的平直纬向环流中,东北冷涡南部的低槽、低空切变线、高低空急流是影响此次降水的重要天气系统;(2)在高层辐散低层辐合的有利动力条件下,极端的水汽输送与吉林地区西低东高地形的阻挡和强迫抬升是极端降水产生的重要原因;(3)中高层有干冷空气入侵,伴随高空动量下传至低空,加强了低空急流发展,低空急流发展至地面附近产生超低空急流后,加强了上升运动。南北经向动量输送交汇加强了低层风辐合切变,切变线上对流发展配合小地形抬升,导致永吉县产生极端降水。
中国西南地区5月降水与阿拉伯海季风关系的年代际变化
经皓童, 孙建奇, 于水, 华维
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.20195
摘要:
本文利用1960~2017年中国西南地区115个台站观测降水资料和日本气象厅发布的55年再分析资料集,研究了中国西南地区5月降水变异的主导模态及其与阿拉伯海季风的关系。结果显示,中国西南地区5月降水的第一主导模态主要表现为全区一致的变异特征;该模态与同期5月阿拉伯海季风强度异常关系密切,但两者的关系在20世纪70年代后期发生了显著的年代际变化。在1960~1976年,阿拉伯海季风异常所引起的低层大气环流和水汽输送异常主要集中在阿拉伯海到孟加拉湾一带;此时,阿拉伯海季风异常所引起的大气环流不能到达中国西南地区,因此它对中国西南地区5月降水的影响偏弱。但在1981~2017年,阿拉伯海季风异常可以导致整个北印度洋到南海地区的大气环流异常,进而引起中国西南地区水汽和垂直运动的变化,最终对该地区5月降水产生显著的影响。进一步的研究显示,阿拉伯海季风与中国西南地区5月降水关系的变化可能与季风自身的年代际变率有关。阿拉伯海季风在20世纪70年代末之前变率偏弱,其引起的环流异常也偏弱;相反在20世纪70年代末之后,其变率增强,它引起的大气环流异常也偏强可以延伸到中国西南地区,进而影响到西南地区的5月降水。因此,季风变率的强弱可能在其影响中起着非常重要的作用。
2016年和1998年长江中下游梅雨季风环流 异同点及物理机制对比分析
鲍媛媛
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20174
摘要:
摘 要 对比强厄尔尼诺次年2016年和1998年长江中下游梅雨季风环流异同点,并探讨其物理机制,结果表明:(1)2016年梅雨期和1998年两段梅雨期季风环流有诸多相似特征: 副高(西北太平洋副热带高压)偏强偏西, 南亚高压偏强偏东,孟加拉湾到南海西南季风偏弱;此外,华北东部到江淮均有冷槽维持; 副高持续稳定地将西南季风引导至长江中下游形成强西南暖湿气流,并与来自冷槽的北方南下干冷空气辐合,在高层辐散形势配合下形成强降雨。(2)3段梅雨期,青藏高原附近均为高压脊控制,受暖平流及高原热源、梅雨凝结潜热等因素影响,青藏高原到江南、华南一带大气中高层呈大范围强温度正距平;印度尼西亚群岛附近洋面为海温正距平,对流和热源偏强;此两因素是季风环流相似特征形成的重要原因。(3)2016年梅雨期,青藏高原暖脊最强,东部冷槽最浅,海温正距平范围最大最北,因而南亚高压和副高位置最北,梅雨雨带也最北;梅雨结束后,中高纬地区无持续冷空气南下,菲律宾以东洋面、南海及东海海域海温正距平增强,对流活跃,因此,副高显著偏北,不再出现第2段梅雨。(4)1998年7月中旬至8月初,青藏高原上空高压脊较浅,北部呈位势高度负距平,冷空气势力较强,温度偏低,东部冷槽深,西北太平洋海温正距平区域维持不变,故南亚高压和副高异常偏南,从而出现第2段梅雨。
ECMWF驱动场谱逼近对浙江超强台风“利奇马”(2019)精细化数值预报的影响研究
董美莹, 陈锋, 邱金晶, 冀春晓
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20193
摘要:
为提升高分辨率区域数值天气预报模式性能,基于高质量的ECMWF全球预报模式产品和动力谱逼近方法优势,本文以2019年重创浙江的超强台风“利奇马”为例,探讨了ECMWF驱动场水平风场谱逼近技术对浙江台风精细化预报性能的影响。结果表明:(1)谱逼近对路径预报影响较明显,逐小时路径误差最大修正可达80 km。谱逼近的垂直层次选取对于谱逼近效果有一定影响,总体上800hPa高度以上谱逼近对台风路径和强度预报改进最佳。(2)谱逼近对浙江台风大风和强降水精细化预报均有大幅改进,对于8级以上大风ETS评分平均改进率为8.0%,最大改进率达20.8%;对最强日降水的暴雨、大暴雨以上降水TS评分改进幅度达11.8%、26.2%。(3)谱逼近对台风路径西偏和浙西南风雨高估的改进主要与对流层形势场及台风引导气流修正、近地层风力减弱、局地山脉地形降水增幅作用减弱有关。
BSISO演变特征及其与华北夏季降水的关系
郝立生, 马宁, 何丽烨, 梁苏洁
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20239
摘要:
本文采用1981-2010年夏季5-10月逐日的10°S-50°N、40-160°E范围内向外长波辐射OLR资料和850 hPa层纬向风速u资料作经验正交分解(简称EOF),重新定义计算了北半球夏季大气低频振荡(boreal summer intraseasonal oscillation,简称BSISO)BSISO指数,并分析了其演变特征及其与对华北夏季降水的影响规律。结果如下:(1)在北半球夏季印度洋-西北太平洋地区存在两种明显的低频信号,一种是BSISO1,空间分布呈西北-东南倾斜状,从热带印度洋向东北方向传播,振荡周期约为45d左右;另一种是BSISO2,空间分布呈西南-东北倾斜状,从西北太平洋向西北方向传播,振荡周期约为15d左右。(2)BSISO主要是通过影响环流异常和水汽输送异常来影响华北夏季降水过程。在500hPa层,BSISO信号会造成华北地区东部副热带高压位置南北移动和强度发生变化来影响华北夏季降水过程的;在850 hPa层,BSISO信号会通过伴随的气旋性或反气旋性异常环流影响向华北的水汽输送以及辐合辐散来影响华北夏季降水过程的。(3)虽然MJO信号在全年都存在,但其变化在冬半年尤其冬季振幅最大,在夏季最小。而BSISO信号变化在夏半年尤其夏季振幅最大。因此,利用热带大气低频信号开展延伸期预测,冬半年可以重点考虑MJO的影响,夏半年重点考虑BSISO的影响。
东亚气温前、后冬反相的变化特征及可能影响因子
祁莉, 泮琬楠
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20181
摘要:
东亚冬季气温除了季节平均外,其显著的季内起伏也对国民生活及经济活动有着深远影响。本文利用1959-2018年台站及再分析资料,使用S-EOF(season-reliant Empirical Orthogonal Function)方法提取东亚冬季气温季内起伏的主要年际变化模态,其主要模态表现为前冬暖(冷)、后冬冷(暖),即为前、后冬反相,其方差贡献达到31.1%。这种前后冬反相的特征并非局地现象,在北半球大尺度均存在。环流场上它表现为欧亚遥相关型波列(Eurasian teleconnection, EU)从前冬12月的负位相(正位相)向后冬2月正位相(负位相)的转变,相伴随的是低层西伯利亚高压与阿留申低压的强度在前、后冬转折,高层副热带急流的变化也与之匹配。分析发现,欧亚遥相关型的季内转向可能与北大西洋涛动(North Atlantic oscillation, NAO)在前冬12月与后冬2月的转向有关,后者通过北大西洋热通量作用进而影响下游EU波列的转向。此外,宽窄厄尔尼诺—南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)事件也有一定贡献,当厄尔尼诺(El Ni?o)发生时,经向上更宽(窄)的海温异常利于前冬气温偏高(低)向后冬气温偏低(高)的转向;而当拉尼娜(La Ni?a)事件发生时,情况与厄尔尼诺年相反。
结合Ka和X波段双偏振雷达对北京一次锋面降雪过程雪带的观测分析
武静雅, 毕永恒, 孙强, 吕达仁
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20103
摘要:
本文设计了中国科学院大气物理研究所位于同一观测站内的一部单发双收Ka波段双偏振雷达和一部双发双收X波段双偏振雷达高效结合观测的方法,并首次将Ka和X波段双偏振雷达结合应用在降雪过程的观测中,对2019年2月14日锋面气旋系统在北京地区降雪过程中雪带的形成、发展、消亡过程的宏微观结构进行了分析。结果表明,雪带的垂直结构符合以往对层状云垂直分层的物理认识,类似但不同于雨带由凝结增长层、丛集层、淞附层、融化层组成的四层结构,雪带只包含由上层“播种”至下层的冰晶形成的凝结增长层、丛集层和淞附层三层。由于各层水平风速不同,雪带的三层结构并非垂直排列。多个雪带不断生成发展维持降雪,直至冰晶凝结生长层变空,云从冰晶凝结生长层分裂为多层云后各自消散。证明了Ka和X波段双偏振雷达结合的必要性和高效性,丰富了对锋面气旋系统雪带的认识,补充了Ka波段和X波段雷达对降雪的观测研究。
两次不同季风强度背景下的西行台风登陆过程降水特征对比分析
吴天贻, 周玉淑, 王咏青
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20101
摘要:
本文使用CMORPH卫星反演降水资料和日本再分析资料JRA-55等,选取了登陆前后季风强度不同,路径形似且登陆后均在湘南地区引发强降水的0604号台风“碧利斯”和0708号台风“圣帕”,从对流发展的不稳定能量来源、抬升机制和环境风垂直切变方面进行对比。分析表明,在下垫面和地形基本一致的情况下,两台风导致强降水的主要成因却不同,主要体现在引发对流并使对流维持的主要影响因子不同。与强季风背景密切相关的低层强烈辐合抬升和对流不稳定层结是导致“碧利斯”暴雨形成的主要因素,而弱季风背景下“圣帕”的暴雨则主要是局地地形抬升和斜压不稳定导致的。而且与“圣帕”相比,“碧利斯”降水存在明显的非对称性,季风气流间接通过改变环境风垂直切变导致这种降水分布特征。
基于X波段双线偏振雷达的贵州威宁雹胚演变特征观测研究
黄海迅, 周筠珺
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.20105
摘要:
为探究威宁地区雹暴过程中雹胚粒子的演变特征,本文在对X波段双线偏振雷达数据经过退折叠、滤波、自适应衰减订正后,运用Barnes插值方法对偏振参量进行插值,并结合模糊逻辑算法进行水成物粒子识别,然后对威宁县的两次典型雹暴过程进行了系统的分析,得到以下结论:(1)两次过程中高密度霰的来源均为冰晶聚合物和冻滴,低密度霰粒子的来源均为冰晶粒子;单体雹暴过程中高密度霰粒子对冰雹的产生贡献最大,多单体雹暴过程中低密度霰粒子对冰雹的产生贡献最大。(2)多单体雹暴中,衰减单体的高空辐合以及低空辐散对发展单体的雹胚形成有促进作用。(3)单体雹暴降雹前:低密度霰粒子数量近乎不变;由于冰晶聚合物增多使得消耗过冷水粒子速度加快,导致过冷水粒子减少,而且有部分高密度霰粒子坠落至地面,导致高密度霰粒子数量减少,变化率为-10库/分钟(库为单体的粒子识别结果中水成物粒子的所占的库数);降雹时:高密度霰粒子淞附过冷水粒子增长形成冰雹,导致高密度霰粒子减少,变化率为-12.1库/分钟;而在‘贝吉龙过程’以及冰晶聚合物的淞附作用下,低密度霰粒子迅速增多,变化率为36库/分钟;降雹后:低密度霰粒子坠落,数量快速减少,变化率为-36.6库/分钟;低密度霰粒子在下降过程中淞附过冷水、冰晶聚合物等粒子转化成高密度霰粒子,导致高密度霰粒子总量几乎不变,变化率为2库/分钟。(4)多单体雹暴降雹前与单体雹暴类似,不同的是在消散单体的促进作用下,发展单体的发展速度、雹胚数量、回波强度均高于单体雹暴;降雹时:低密度霰粒子在下落过程中淞附过冷水滴增长形成冰雹,导致数量迅速减少,变化率为-62.6库/分钟;高密度霰粒子数量增加,变化率为16.5库;由成熟到降雹的时间比单体雹暴长15分钟左右;降雹后与单体雹暴类似。(5)通过对威宁地区雹暴机制的分析,分别建立了单体雹暴、多单体雹暴的概念模型。本文针对两种典型雹暴的各个过程中雹胚的演变特征研究得到了初步结果,这对于雹暴预警、预报以及人工消雹具有较高的应用价值。
一次梅汛期极端降雨过程雨带位置模式预报性能对比分析
马杰, 尹姗, 金荣花, 李勇, 任宏昌, 梅双丽
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20116
摘要:
2016年6月30日-7月4日出现了当年入汛以来最强降雨过程,然而业务预报却出现了明显误差。为此,本文首先对比和分析了当今预报性能最优越的欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasting ,简称ECMWF)模式和美国环境预报中心/全球预报系统(National Centers for Environmental Prediction / Global Forecast System,简称NCEP)的确定性和集合预报差异及误差原因。结果显示,针对雨带位置,NCEP模式预报较为准确,ECMWF模式存在明显的偏北误差。基于集合预报的进一步分析表明,前者预报偏差小,源于误差在逐日变化中呈现偏北、偏南交替出现所致。而后者偏北误差却呈稳定维持的特征。接着,将集合预报成员划分为了准确组和偏差组,通过二者合成分析揭示出,当雨带位置的预报偏北时,对应降雨较强,反之亦然。最后,讨论了500hPa层西风槽与雨带位置之间的联系。结果表明,当西风槽强度预报偏强时,雨带位置偏北、降雨强度偏强。ECMWF模式的西风槽持续偏强,因而雨带位置稳定偏北。NCEP模式的西风槽偏强、偏弱交替出现,导致了雨带位置的偏北、偏南误差。研究结果对在实际业务中开展误差订正具有很好的参考意义,也有助于提高梅汛期预报准确率。
云微物理对一次吉林暖区降水过程的影响
祁璇, 平凡, 沈新勇
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20128
摘要:
本文运用WRF3.9区域数值模式模拟了2017年7月13日吉林省永吉县暖区暴雨,较好地再现了此次暴雨过程的中尺度对流系统的单体触发、线状对流群触发、组织化发展以及弓状回波等典型阶段的细致过程;在此基础上,分析了造成暖区降水的中尺度对流系统的云微物理特征,探讨了其影响暖区降水的可能机制。结果表明:吉林永吉暖区降水发生在东北冷涡主导的有利的多尺度环境配置下,引发暖区降水的中尺度系统主要是冷云系统,暖区范围大,过冷水分布位置高,冰晶粒子与过冷水并存,并存区的“播种”效应使得其下方生成大量霰。雨水质量收支及热量收支分析表明:暖区降水系统的触发及组织化阶段,雨水的主要来源是云滴碰并增长,主要汇项是冰晶对雨水的收集;而弓状回波阶段,降水的主要源项除了云滴碰并增长之外,霰融化作用也起到关键的作用,降水主要汇项在低层为雨水蒸发,高层为霰对雨滴的收集;暖区降水的主要热源是水汽凝结潜热释放,主要冷却项是雨水和云水的蒸发。弓状回波阶段,其前部的入流与地面冷垫上方的后向入流汇合后将水汽带入高层;“播种”效应使距地面8km高度附近的霰粒子含量显著增多,该高度与水汽凝结释放大量潜热形成的高温区重合,故霰粒子大量融化为雨水,产生强降水过程。
重力波与对流耦合作用在一次山地突发性暴雨触发中的机理分析
谢家旭, 李国平
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20137
摘要:
利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)开发的新一代ERA5再分析资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐小时降水资料以及国家卫星气象中心FY-2G卫星云图资料,对2018年5月21-22日发生在四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨过程中的重力波特征进行天气动力学分析。得到以下结果:此次山地突发性暴雨受到了波长约为150km,周期为5h的重力波活动的影响,是典型的β中尺度天气系统诱发的暴雨事件。此过程中的重力波主要是在地形和切变不稳定的共同作用下触发的。切变不稳定先于重力波的传播出现在下游降水区域,可表征切变不稳定的理查逊数对重力波传播方向及降水落区有很好指示作用。此次暴雨发生前,重力波中的上升支气流输送低层水汽到高空助力对流发展,而下沉支气流使得低层不稳定能量不断累积。随着东北低空急流的发展,在大气低层(700-800hPa)东西风切变的过渡带内形成临界层,临界层不断吸收高空波动能量造成重力波能量下传,触发低层不稳定能量释放,促使对流不断加强,最终引发此次山地突发性暴雨。
南亚高压季节内变化与热带季节内振荡之间关系
林爱兰, Tim LI, 王璐, 李春晖
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20144
摘要:
采用观测分析和数值试验等方法,分析夏季南亚高压与热带季节内振荡(ISO)之间的关系,并对两者之间的相互作用进行量化诊断,探讨其物理过程。主要结果表明:南亚高压ISO与热带ISO活动关系密切,当热带ISO处于印度洋位相(第1、2、3位相),则南亚高压东脊点位置偏西,当ISO处于太平洋位相(第5、6、7位相),则南亚高压东脊点位置偏东。与热带ISO关系最密切的是南亚高压东部附近区域,即东亚-西太平洋地区(110o-140oE,15o-25oN),该关键区也是南亚高压ISO最显著区域。在热带ISO的调制下,关键区对流层大气垂直结构产生斜压性异常变化,导致高层南亚高压东脊点的东伸(西退)对应中低层西太平洋副热带高压西脊点的东退(西伸)。在南亚高压与热带ISO之间关系中,主要是热带ISO对南亚高压的影响,南亚高压东部关键区ISO强度40%来源于热带ISO的贡献,而南亚高压对热带ISO平均强度的影响很弱。热带ISO影响南亚高压的物理过程如下,热带ISO从印度洋向东传播至西太平洋时,强对流产生分支,部分由于东亚-西太平洋的有利夏季风背景转为向北传播,ISO向北传播过程中对流强度进一度加强,这就相当于存在一赤道非对称热源。在热源的作用下,大气产生异常响应,在热源的西北侧,即东亚-西太平洋地区,对流层低层为气旋性环流异常、位势高度负异常,对流层高层为反气旋性环流异常、位势高度正异常,从而导致南亚高压东脊点偏东。而当热带ISO处于印度洋位相时,大气异常响应与上述相反,南亚高压东部位势高度降低,南亚高压东脊点西撤。
亚洲中纬度冬季极端低温事件对巴伦支-喀拉海异常增暖的响应及可能机制
李言蹊, 陈海山
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20168
摘要:
利用1979-2019年NCEP-DOE再分析资料,分析了亚洲中纬度冬季极端低温事件发生频次对巴伦支-喀拉海异常增暖的响应及可能机制。研究表明:巴伦支-喀拉海异常增暖通常对应西伯利亚高压异常增强及亚洲中纬度极端低温频发。进一步分析发现,伴随巴伦支-喀拉海异常增暖,新地岛、乌拉尔山附近出现位势高度正异常,在位势高度正异常的东侧、南侧对应显著的冷平流及下沉运动异常,并在近地面出现异常辐散气流,使得西伯利亚高压增强且向东南延伸。热力学方程诊断的结果表明:西伯利亚高压异常南侧东北风导致的异常冷平流、偏东风异常经过地形造成的异常上升运动以及辐射、感热、潜热交换造成的异常非绝热冷却导致亚洲中纬度近地面温度季节循环振幅增大,有利于极端低温频发。
2016年秋季中国南方降水异常的环流特征及海温影响
蒋子瑶, 徐海明, 马静
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20180
摘要:
本文利用中国气象台站观测降水、英国Hadley中心海温和NCEP/NCAR再分析数据集等资料,研究了2016年秋季中国南方降水异常偏多的环流特征及其海温影响。结果表明,2016年秋季东亚副热带西风急流偏强,我国南方地区位于急流入口区的右侧,有利于产生上升运动;同时西太平洋副热带高压强度偏强、面积偏大、位置偏北偏西,对应副高西南侧的东南风将热带太平洋的暖湿气流向我国南方输送,有利于降水偏多。另外,2016年秋季登陆我国的台风异常偏多,频繁活动的台风给我国南方带来了大量降水,也是导致我国南方降水异常偏多的原因之一。进一步研究表明,2016年秋季南方降水异常偏多主要与同期赤道西太平洋和东南太平洋海温异常偏高有关,上述海区的海温异常通过激发向下游传播的遥相关波列或通过Gill响应对东亚环流产生影响,进而有利于中国南方降水增多。通过CAM5.3(Community Atmosphere Model Version 5.3)一系列的敏感性试验,验证了上述的结果。
高黎贡山复杂地形下局地环流的数值模拟研究
邢雯雯, 孙绩华
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20112
摘要:
本文利用中尺度模式WRF模拟了2016年干季和湿季高黎贡山南段(腾冲-保山地区)山谷风环流,分析不同边界层参数化方案在高黎贡山复杂下垫面的适用性。研究结果表明YSU方案对温度模拟的效果最好;ACM2模拟的风速平均绝对误差最小;MYNN3方案模拟的风向绝对误差最小,YSU和MYJ方案模拟的风向日变化趋势与观测更加一致。高黎贡山南段地区上午9:00时出现谷风环流,夜间19:00时转为山风环流。白天多为偏南风,夜间为偏北风和偏西风。白天山顶气流辐合而山谷气流辐散,夜间相反。白天风速大于夜间。干季西风风力较弱,有利于低层局地环流的发展;而湿季受较强的偏东背景风影响时,局地环流的发展受到抑制,边界层高度也就低于干季。干季西风遇到高黎贡山,在西坡下沉并形成涡旋,西侧湍流混合充分,边界层高度高;湿季偏东风使高黎贡山西侧谷风减弱,腾冲与保山的边界层高度相差不大。
中国地区土壤湿度记忆性及其与降水特征变化的关系
赵家臻, 王爱慧, 王会军
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20149
摘要:

本文首先利用中国气象局国家气象信息中心提供的中国732个站点观测的土壤体积含水量,评估了CLM4.5 (Community Land Model version 4.5) 在CFSR近地面大气数据驱动下模拟的逐月土壤湿度(记为CLM4.5-CFSR),然后基于CLM4.5-CFSR比较了Pearson相关法和自相关法计算得到的1980-2009年中国地区土壤湿度记忆性的区域及季节分布特征,量化了土壤湿度的记忆能力,研究了降水频率、降水强度和近地表气温分别对土壤湿度记忆性的影响。结果表明:CLM4.5-CFSR能较好地反映出大部分地区月时间尺度上土壤湿度的变化特征。两种方法描述的土壤湿度记忆性的空间分布特征相似,但季节特征不同。不同深度土壤湿度的记忆时长相差不大,在0.85-2.2个月不等,其中内蒙古东北部较大,新疆西南部较小。春季,较湿的土壤记忆性也较强。当降水频率较低时,其对蒸发速率较大的地区土壤湿度的记忆性影响很小,当降水强度较大时,它会迅速补充土壤散失的水分,破坏初始时刻土壤的干湿状态,引起其记忆性减弱。近地表气温变化主要通过影响土壤的蒸发过程减弱土壤湿度的记忆性。未来可利用气候模式开展数值敏感性试验对本文得到的结论进行机理研究,为进一步提高季节和季节内尺度的降水预报提供依据。

大气冰核:研究进展与挑战
吴志军, 陈洁, 陈景川, 顾文君, 唐明金, 丁德平, 银燕, 胡敏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20121
摘要:

大气冰核参与初始冰晶的异质形成过程,影响冰云的微物理过程和辐射性质。阐明大气冰核浓度、来源、性质及活化成冰的微观机制,是深入认识气溶胶与云相互作用的关键。本文梳理了近年来国内外在冰核测量技术、冰核活化机制、外场观测及其参数化方案等几个方面取得的进展,明晰了冰核研究存在的挑战。此外,本文也指出了我国加强大气冰核研究的必要性和迫切性。

冬季全国性持续低温事件过程中的平流层—对流层相互作用
吴嘉蕙, 任荣彩
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20125
摘要:

利用1959–2017年ERA40/ERA-Interim逐日再分析资料和国家气候中心的逐日站点资料,针对发生在冬季(NDJFM)的全国性持续低温事件(EPECEs),分析了热带外环流的变化特征,以及平流层—对流层相互作用。结果表明,全国性EPECEs可划分为冷空气在乌拉尔山–西伯利亚关键区堆积和冷空气爆发以及消亡三个阶段,分别与对流层中层乌拉尔山–西伯利亚一带大型斜脊的建立、发展和崩溃以及平流层极涡强度的恢复、维持和再次减弱相对应,其中伴随着显著的平流层—对流层相互作用。首先,以大西洋地区异常扰动为主的热带外对流层形成2波型行星波异常,并上传影响平流层;随后在平流层2波调整为1波型的过程中,出现了行星波的异常下传以及平流层极涡强度的恢复,在对流层形成的1波型的高度正异常中心位于东欧地区,有利于乌拉尔山高度脊的建立以及源于北冰洋的冷空气在高压脊前形成堆积;随后由于平流层极涡强度维持,对流层行星波上传持续受到抑制,并主要在欧洲一带出现显著的异常向下反射,对应对流层1波型高度正异常中心逐步东移至中西伯利亚地区,从而有助于乌拉尔山脊向下游发展成一个横跨西伯利亚地区的大型斜脊,冷空气堆积区也东移到中西伯利亚地区。进入冷空气爆发阶段,随着斜脊前的大型横槽与上游移来的短波槽形成阶梯槽形势,横槽很快转竖引导低层冷空气向我国大范围爆发;同时大型斜脊的维持也使行星波再次出现1波型异常上传,影响平流层极涡再次减弱。最后,随着冷空气爆发,大型槽脊迅速崩溃,对流层波动减弱,低层气团的经向输送也随之减弱,EPECEs消亡。

增强副热带高压对西南涡影响的一次数值试验研究
卢萍, 李跃清
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20161
摘要:

本文通过对伴随副高东退而东移一次典型西南涡天气过程(“20150721”)进行数值模拟,采用数值敏感性对比试验探讨了增大副高强度对这次东移西南涡的影响,得到以下结论:1)副高强度增大以后,可长时间的稳定维持,能对西南涡中尺度天气系统整个发展演变过程造成持续影响。西南涡路径和强度的变化直接改变了降水的落区和强度。2)副高强度增大率先改变了环流场,使入侵的北风偏弱,西南引导气流偏强,最终导致西南涡发展偏弱移速偏快。3)环流场的改变直接影响到水汽输送、辐合辐散,从而进一步影响西南涡的发展演变过程。4)副高强度增大以后,西南涡移速过快,导致了低涡中心与低层热力中心偏离,使得动力和热力中心不完全匹配,由此削弱西南涡发展强度。

为什么NCEP-CFSv2模式对11月西伯利亚高压强度的预测性能较好?
杨洪卿, 范可, 田宝强, 华维
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20106
摘要:

作为东亚冬季风的关键系统,西伯利亚高压的变化对欧亚大陆冬季天气及气候异常产生重要影响。本文系统地评估了美国国家环境预测中心第二代气候预测系统(NCEP-CFSv2,National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System, version 2)对冬半年(11~2月)及逐月西伯利亚高压强度的预测效能。结果表明,NCEP-CFSv2模式仅对11月西伯利亚高压强度的预测效能较好,研究其成因发现11月西伯利亚高压强度主要受该地区热力、动力过程以及西伯利亚地区积雪状况的影响。在热力过程方面,NCEP-CFSv2模式可以较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区表层土壤温度、对外长波辐射等热力因素;在动力过程方面,模式能较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区对流层低层辐散环流、中高层下沉运动;同时,模式也能较好地再现11月西伯利亚高压强度与该地区积雪覆盖率之间的相互作用。因此,与11月西伯利亚高压相联的热力、动力过程和该地区积雪状况可能是11月西伯利亚高压强度的可预测来源,且NCEP-CFSv2模式能较好地再现这些可预测来源。

基于高分辨率数值天气模式的往返平飘式探空轨迹预测方法及初步评估
王金成, 王丹, 杨荣康, 曹晓钟, 郭启云
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.20186
摘要:
为了开展往返平飘式探空组网观测的仿真和模拟,以及评估组网观测对数值天气预报的影响,并实现往返平飘式探空在目标观测中的应用,本文提出了一种基于高分辨率数值天气模式的往返平飘式探空轨迹模拟和预报方法。基于我国自主研发的GRAPES区域高分辨率模式,初步建立了往返平飘式探空的轨迹预报系统。该系统将往返平飘式探空的上升段、平漂段和下降段的轨迹方程,以及下降段降落伞的动力学方程,直接嵌入到高分辨率数值天气模式中,实现对往返平飘式探空轨迹的模拟和预报。利用轨迹预测系统对63个往返平飘是探空轨迹进行轨迹预报试验和评估,试验结果表明,该系统的轨迹预测结果合理可信,6 h的轨迹预报平均误差小于40 km。
云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化效果评估
王业桂, 张斌, 李娟, 蔡其发, 兰伟仁, 郭贤鹏, 王广杰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20187
摘要:
本文基于T799L91全球数值天气预报模式及其四维变分同化系统,构建了云海-2掩星探测资料的同化流程,并以2019年7月开展了为期一个月的云海-2掩星探测资料同化预报试验。对东亚区域、北半球和南半球的同化预报结果评估表明:在全球数值天气预报模式中,同化云海-2掩星探测资料能够有效提高预报场的准确性,提高的幅度随着预报时效和预报日数的增加逐渐增大;在更长时效的72 h、120 h、168 h预报中,云海-2掩星探测资料与GPS(Global Positioning System)掩星探测资料的同化效果在中前期相当,在中后期,同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料;随着预报日数的增加,联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的优势逐步显现。
观测分析El Niño衰减早晚对南亚与青藏高原夏季降水和气温的影响
梁涵洲, 吴其冈, 任雪娟, 姚永红, 刘师佐
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.20141
摘要:
El Niño(厄尔尼诺)事件对东亚和南亚次年夏季降水影响及其机理已经得到充分研究,但其对夏季青藏高原降水是否有显著影响还不清楚。本研究根据1950年后El Niño事件次年衰减期演变速度,对比分析衰减早型与晚型El Niño事件对南亚季风区与青藏高原夏季(6~9月)季节平均和月平均气候影响差异。结果显示在衰减早型次年夏季热带太平洋海温转为拉尼娜(La Niña)型且持续发展,引起Walker环流上升支西移,印度洋和南亚季风区上升运动加强,同时激发异常西北太平洋反气旋(NWPAC),阿拉伯海异常气旋和伊朗高原异常反气旋性环流响应,增加7~9月对流层偏南气流和印度洋水汽输送,导致南亚和高原西南侧降水偏多。衰减晚型次年6~8月热带太平洋El Niño型海温仍维持,印度洋暖异常海温显著,对应的印度洋和南亚季风区上升运动较弱,NWPAC西伸控制南亚季风区,阿拉伯海和中西亚分别呈现异常反气旋和气旋性环流,导致青藏高原西风加强,水汽输送减少,南亚北部和高原降水一致偏少。结果表明:(1)El Niño显著影响次年青藏高原西南部夏季季节和月平均降水与温度,是印度和高原西南部夏季降水显著相关的重要原因;(2)El Niño衰减快慢速度对南亚和青藏高原西南部夏季季节内降水的影响有着重要差异。
西南夏季降水多因子降维客观预测方法研究
庞轶舒, 周斌, 祝从文, 秦宁生, 杨严
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.20120
摘要:
本文改进了现有的多模态时间稳定性判别标准,提出一种筛选稳定高相关预测信号的思路,对1981~2016年西南夏季降水多模态的时间稳定性、时空特征、可预测模态关键信号等进行了分析研究,在此基础上构建了多因子降维预测模型。结果表明,前9个模态在预测时效为3年和近10年内稳定,累计方差贡献率占70%,是西南夏季降水的主要模态。结合稳定高相关概念和最优子集方法得到主模态PC(Principal Component)系数的最优预测信号和预测方程。回报检验结果表明,各方程对PC系数有较好的拟合效果,复相关系数为0.62~0.84,均通过了99.99%的显著性检验,同号率均大于69%。构建的多因子降维预测模型对西南夏季降水的空间分布,正负趋势和异常级有较好的回报效果:距平相关系数(Anomaly Correlation Coefficient,简称ACC)平均值为0.58;时间相关系数(Temporal Correlation Coefficient,简称TCC)在除零星站点外的整个区域通过90%的显著性检验,且大部分区域通过99.9%的显著性检验;趋势异常综合评分(PS)平均分为84,其中区域降水最异常的十年,PS平均分为87.1。经过13年(1971~1980年和2017~2019年)的预报检验,该模型的PS平均分为72。其中2017~2019年的PS均分为77,优于发布预测评分。
辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析
邹荣士, 何文英, 王普才, 茆佳佳, 陈洪滨, 李军, 南卫东, 常越
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20134
摘要:
提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障。一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易。辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量。本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MWRT,结合北京探空观测资料、北京观象台和河北香河站同类型的德国RPG地基微波辐射计观测资料,分析比较了三个模式的模拟与观测亮温差异,评估不同辐射传输模式对地基微波辐射计观测的模拟能力。地基微波辐射计14个通道观测亮温与模式模拟的差异统计比较发现:三个模式的模拟结果与地基微波辐射计大部分通道的观测亮温都很接近,与观测结果具有很好一致性(如相关系数高达0.99),而对温度通道ch8(51.26 GHz)和ch9(52.28 GHz),三个模式模拟与观测相关系数明显较低(<0.80),并且存在显著的绝对偏差(4~5 K),表明模式在这两个通道的模拟能力有待提高。三个模式中,MonoRTM模式在温度通道ch8、ch9和ch10(53.86 GHz)存在明显的系统性偏差,尤其是ch8高达5 K;ARTS模式对水汽通道ch1(22.24 GHz)的模拟能力相对较弱;MWRT模拟与观测亮温在多个通道上相对更为接近和稳定,尤其系统性偏差最小。此外,探空廓线与地基观测站的空间位置不一致,对地基微波辐射计水汽通道的模拟结果影响较为显著,而对水汽不敏感的温度通道影响甚微。两地观测亮温与模式模拟的比对,初步表明北京观象台地基微波辐射水汽通道的观测质量有待改进。
夏季长白山天池站降水量年际变化特征及其对应的环流异常
凌思宁, 陈卫, 陆日宇, 高枞亭
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20117
摘要:
长白山地处吉林省东南部,作为国家级重点生态功能区,其降水变化特征对该地森林生态系统和水资源结构变化有重要影响。本文基于1979~2016年吉林省47个台站逐月降水资料,探究了长白山天池站夏季降水的气候特征及其相关的环流异常,并与吉林省降水进行对比。分析结果表明天池夏季降水量以及年际变率高出吉林省其它站点一倍左右。此外,天池降水年际变化对应的环流异常与吉林省降水一致,即6月东北亚气旋式异常和东亚高空急流的增强,以及7、8月西太平洋副热带高压增强和东亚高空西风急流偏北,均可引起吉林省和天池降水偏多。另一方面,天池降水变异还表现出其独特的环流异常,与吉林省降水对应的环流异常显著不同或者甚至近乎相反,究其原因为长白山地形所致。本文的结果说明山地的气候和大气环流的关系复杂、多变。
GRAPES区域集合预报对2019年中国汛期降水预报评估
王婧卓, 陈法敬, 陈静, 刘雪晴, 李红祺, 邓国, 李晓莉, 王远哲
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20146
摘要:
2019年,数值预报中心开发了以GRAPES全球模式为驱动场,集合变换卡尔曼滤波为初值扰动方法,随机物理过程倾向项为模式扰动方法的10 km水平分辨率GRAPES-REPS V3.0区域集合预报模式,并投入业务运行。基于该模式,作者开展了2019年7~9月夏季降水不确定性的集合预报实时试验,并从统计检验和个例分析角度,与GRAPES-REPS V2.0和ECMWF全球集合预报模式进行对比,由此对GRAPES-REPS V3.0区域集合预报模式的降水预报能力给予客观评价,并分析了引起中尺度强降水预报不确定性的物理机制,研究结论可为诊断集合预报模式及改进集合预报方法提供依据。结果表明:(1)GRAPES-REPS V3.0区域集合预报系统的降水ETS评分在所有预报时效和量级内均优于GRAPES-REPS V2.0区域集合预报模式,降水成员具有明显等同性,且概率预报技巧FSS评分较高,GRAPES-REPS V3.0区域集合预报模式降水预报效果全面优于GRAPES-REPS V2.0区域集合预报模式。(2)GRAPES-REPS V3.0区域集合预报的集合平均降水BIAS评分及小雨和暴雨ETS评分均明显优于ECMWF全球集合预报系统,降水概率预报与ECMWF降水概率具有一定可比性。(3)个例分析结果表明,不同集合预报模式通过刻画中尺度特征物理量不确定性来捕捉降水预报不确定性,初始时刻,GRAPES-REPS V3.0区域集合预报模式和ECMWF全球集合预报模式环流形势分布较为相似,随预报时效演变,GRAPES-REPS V3.0区域集合预报模式对中尺度动力、热力场捕捉更为准确,相应地对降水落区与量级预报较好,概率预报技巧较优。(4)与ECMWF全球集合预报模式相比,GRAPES区域集合预报模式集合成员能很好地预报降水发生、发展、消亡整个过程,故GRAPES-REPS V3.0区域集合预报系统对中国汛期降水具有较强的预报能力。
高阶精度有限差分方案下的非跳点网格试验:基于浅水波方程
徐道生, 陈德辉, 吴凯昕
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.19236
摘要:
非跳点网格在模式动力—物理过程的耦合方面具有独特的优势,但是由于二阶精度差分方案下非跳点网格频散误差较大而很少被使用于数值天气预报模式。随着近年来数值模式计算精度的不断提高,非跳点网格在频散关系方面的计算误差是否会发生变化还有待研究。本文在高阶精度差分格式下通过浅水波方程对跳点网格和非跳点网格的频散关系进行理论分析和数值试验,主要得到以下结论:(1)在低波数区跳点网格的频散关系基本不随计算精度的提高而变化,但是非跳点网格下的频散关系则随着计算精度的提高而更加接近真实解。在四阶精度下,非跳点网格的频散关系已经非常接近跳点网格。(2)差分精度提高以后,在高波数区非跳点网格仍然存在频率极大值,而且极值中心随着计算精度的提高而逐渐向更高波数区移动。跳点网格在计算精度提高以后高波数区的频率仍然随波数单调增加,且更接近真实解。(3)在高阶精度非跳点网格模拟试验的基础上,结合高阶扩散项对高频短波进行滤除,可以得到与二阶精度跳点网格相接近的模拟结果。总之,在高阶精度有限差分方案下利用非跳点网格构造模式动力框架是一种比较可行的做法。
2019年广东前汛期连续暴雨与大气季节内振荡的联系
纪忠萍, 源艳芬, 徐艳虹, 韩浦城, 方一川, 谢炯光
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20136
摘要:
为了做好连续回流暴雨的中期与延伸期预报,采用小波分析、Lanczos时间滤波器等方法研究了2019年广东前汛期降水与大气季节内振荡的关系,分析了4~5月发生在西南部的两次连续回流暴雨的平均环流场及其低频传播特征的差异,并与6月广东北部锋面型连续暴雨进行对比分析。结果表明,4~5月两次以阳江为中心的西南部连续暴雨及前汛期降水均具有准23 d振荡,它们分别为有、无明显冷空气影响的连续回流暴雨且对应的大气环流场及低频传播特征具有明显的不同:4月12~14日连续回流暴雨期间,500 hPa中高纬度具有稳定的“西阻”和“东阻”,使冷空气不断地从东海入海高压的南部东移南下,925 hPa形成以阳江为中心相对干冷的强东南风与来自南海中南部从中南半岛转向的暖湿偏南风的辐合渐近线;而5月23~26日连续回流暴雨期间,500 hPa华东—东海—黄海为稳定高压坝,广东长时间处于高原槽前西南气流中,地面上处于东海出海变性高压脊西南部及北部湾西南低槽前,925 hPa形成以阳江为中心来自孟加拉湾的强偏南风与珠江口以东东南风的辐合渐近线。来自我国中部(东海以东)低频反气旋南侧(西南侧)逐渐加强南传的低频东北风(东南风)与从140°E附近的西太平洋西传(孟加拉湾东传)到广东并加强的低频北风(南风)汇合在广东西南部,并有(无)与从南海中北部北传的低频气旋北侧低频东风相遇,导致4月12~14日(5月23~26日)有(无)明显冷空气影响的连续回流暴雨发生。而6月广东北部为东亚深槽引导的冷空气与来自孟加拉强盛西南风交汇所产生的锋面型连续暴雨,来自我国中部、孟加拉湾分别逐渐加强向南、向东传播到达广东的低频西南风,与来自中纬度低频反气旋外围的干冷东北风交汇在江南或南海北部,导致广东北部6月9~13日连续暴雨的发生。
1961~2018年西北地区降水的变化特征
王澄海, 张晟宁, 李课臣, 张飞民, 杨凯
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20216
摘要:
邻接青藏高原地区的中国西北地区是最大的欧亚干旱区,其降水变化对全球变化的响应和对干旱环境及其青藏高原气候变化都具有特殊的指示意义。基于1961~2018年中国西北地区144个站的逐日降水、逐月气温观测资料,分析了西北地区的降水变化特征及趋势。结果表明:(1)近60年以来,西北地区92%站点的年降水量呈现增加的趋势,只有甘肃东南部不到10%的站点呈下降趋势;(2)季节尺度上,春、夏、秋季中超过75%站点的降水呈现增加的趋势,但最显著的是,几乎所有站点在冬季的降水为增加趋势,秋、冬季降水的增加相对较少,反映了冬季风对西北地区降水影响的特点;(3)进入21世纪以来,西北地区夏季和年降水量仍然维持准3 a周期特征,春、秋季的周期具有阶段性、冬季降水量具有较稳定的约3 a周期,因此,自然周期变化对降水增加的贡献并不大。西北地区降水量在过去60年来确实呈现出增加趋势,尤其21世纪以来降水量持续增加,但增加的量是有限的,不足以改变其干旱半干旱的气候特征。
台风“山竹”(2018)远距离暴雨的成因分析
陈淑琴, 李英, 范悦敏, 徐哲永, 李帆
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20126
摘要:
热带气旋远距离暴雨(TRP)往往成为高影响天气,是业务预报难点。本文用地面、探空观测资料、雷达遥感资料以及NCEP一日四次0.5°×0.5°再分析资料,对2018年第22号台风“山竹”登陆广东期间在长江三角洲(简称长三角)地区引起的远距离暴雨过程进行分析。结果表明:(1)这是一次发生在副热带高压(简称副高)控制范围内的热带气旋远距离暴雨,低层受台风倒槽影响。(2)这次过程第一阶段暴雨主要是在强的对流不稳定条件下,由对流层低层“山竹”倒槽中的辐合线触发对流产生,同时对流层高层“山竹”的极向流出汇入加大了中纬度西风风速,在长三角地区上空产生辐散,有利于上升运动的维持。第二阶段,对流不稳定条件有所减弱,但前一阶段强回波产生的低层偏北外出气流与东南风形成辐合线,辐合线上还有中γ尺度的涡旋产生,又促进了对流发展。850 hPa台风倒槽北端形成一个低涡,500 hPa副高边缘发展出一个短波槽,暴雨的动力条件更为有利。(3)长三角的3个强降水中心分别在长江口、杭州湾北岸的嘉兴沿海及宁波沿海,都是在水陆边界附近。(4)远距离暴雨区的涡度收支诊断发现:暴雨的初始扰动主要由近地层水平辐合辐散项提供,850 hPa的水平辐合辐散项和扭曲项共同作用形成和加强低涡,并通过垂直运动上传使中层700~500 hPa附近涡度增长,进而发展出500 hPa短波槽。850 hPa涡度来自于台风倒槽和副高边缘的偏南急流。(5)在这次远距离暴雨过程中,台风“山竹”与海上西太平洋副高之间形成偏南低空急流,向长三角输送水汽,这与典型TRP事件相似。不同之处在于:典型TRP中暴雨的初始扰动一般由西风槽提供,而这次过程主要由低空台风倒槽和偏南急流提供,涡度上传形成高空短波槽,是不同于典型TRP事件的一个物理过程。
中国东部夏季极端降水年代际变化特征及成因分析
杨涵洧, 龚志强, 王晓娟, 封国林
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.19247
摘要:
本研究利用逐日降水资料对中国东部夏季极端降水进行检测,并对转变前后的特征进行对比分析,进而从海、陆对增温的响应不同导致的环流调整给出成因分析。结果表明,(1)中国东部夏季极端降水在1990年前后出现显著的年代际转变,极端降水由偏少转为偏多。转折后与转折前相比,中国东部夏季极端降水落区南移,南方偶极子分布型加强,南方极端降水增加、北方极端降水减少,其中华南和华东地区,极端降水量和降水日数增加,对夏季降水的贡献率增大;华北地区,极端降水量和降水日数减少,对夏季降水的贡献率减小。(2)西太平洋暖池区异常升温造成的海陆温差减小是中国东部夏季极端降水1990年前后转变的重要驱动因素之一。它造成1990年之后低纬度季风强度减弱、西太平洋副热带高压增强并南移、南海副高增强,而中高纬度气旋性环流异常被破坏、东亚大槽增强,进而导致华北经向水汽输送减弱,下沉运动显著加强,极端降水量和降水日数减少。于此同时,华南和华东地区则水汽输送加强,上升运动显著,有利于降水偏多,并伴随极端降水量和降水日数有所增加。