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雷暴电荷分布对正极性云闪放电特征影响的数值模拟
郑天雪, 谭涌波, 罗林洁
, 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。
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。
近海台风对“21·7”河南极端暴雨过程水汽通量和动、热力条件影响的模拟
饶晨泓, 毕鑫鑫, 陈光华, 喻自凤
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21255
摘要:
本文利用WRF模式对近海台风“烟花”及“查帕卡”影响2021年7月19日至21日河南极端暴雨的过程进行数值模拟。控制试验(CTL)对台风路径、强度、大尺度环流形势,以及河南暴雨的强度和空间分布型等均给出合理的模拟,基本再现了本次河南极端暴雨的发展过程。敏感性试验表明,在移除台风“烟花”后,副热带高压系统显著南压并在南侧形成东南风急流,河南地区的南风分量减弱、东风增强,东西方向的水汽输送占主导,有利于降水分布型由CTL试验的南—北向转变为东—西向;另一方面,由于低层东南风急流相较于移除“烟花”前的东风急流偏弱,河南降雨区的局地辐合减弱,水汽通量净流入值较CTL试验降低5.81%,且中纬度冷气团西移减慢,引起局地相当位温梯度减弱,最终导致移除台风“烟花”(NOINFA)试验的降雨强度偏弱。移除台风“查帕卡”后,大尺度环流形势几乎未受影响,河南南侧的水汽输送略有减弱,因此强降水分布基本与CTL试验类似,降雨强度略有减小。与台风“烟花”相比,“查帕卡”对河南暴雨的影响较弱。
基于DART +WACCM模式搭建的平流层同化、天气预报和气候预测模型研究
谢飞, 田文寿, 郑飞, 张健恺, 陆进鹏
, 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月北极平流层臭氧体积混合比(ppmv)变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5,预测的6月北极平流层臭氧变化只在10~30 hPa之间的区域,与观测之间的差异达到了1 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)约为3 K和4 m s−1。未进行同化的试验模拟的3~4月、预报预测的5~6月北极平流层的温度和纬向风与MERRA2再分析资料之间的RMSE在大部分区域都达到6 K及5 m s−1以上。从全球范围来看,本模型对平流层中低层模拟性能改善最为显著,其预报预测结果与观测值之间的差异,比未进行同化试验的结果,减少了50%以上。
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:
本文利用国家基本站和区域自动站逐小时雨量、FY-2G卫星TBB、ERA5再分析等资料,对2017年7月23日发生在四川盆地西部的一次暖区山地暴雨事件进行动力诊断分析和数值模拟试验。主要得到以下结果:(1)此次暖区山地突发性暴雨发生在西太平洋副热带高压边缘的弱天气形势背景下,盆地西部前期高温、高能的环境条件与伸入盆地的东南风受到龙门山脉的强迫抬升是这次暴雨触发的诱因。(2)山地—平原环流在夜间的转换使背景东南风形成深厚的倾斜上升运动,是暴雨增强和中尺度对流云团重组发展的原因。(3)进一步通过数值模拟得出,山地—平原环流受近地面热力扰动驱动。在白天,盆地西部山坡为正虚温扰动区,而同一高度的平原则是负虚温扰动,山地—平原环流从平原吹向山地;到了夜晚,虚温扰动在山地、平原两侧的分布发生反转,山地—平原环流因此转为从山地吹向平原;当去除模式地面热源时,近地面的热力扰动几乎消失,盆地西部山地—平原环流无法形成,与山地—平原环流对应的辐合区随之消失,导致模拟的过程累积降水量显著减少、强降水中心消失。
太平洋上云水路径反演产品及其气候变化特征分析
钱小立, 秦正坤, 张文君
, 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。
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,500 hPa高度上该区域受阻塞高压或弱高压脊前平直的偏西气流控制,地面为弱高压或均压场,风速较小,边界层高度低,污染物不易扩散,且气温和相对湿度较高,利于二次颗粒物生成;污染消散阶段,天气形势发生明显变化,550 hPa高度以下有强冷平流,地面易形成大风天气,利于污染物消散,伴随着冷空气的南下,下游地区的污染物也得到清除。呼包鄂区域PM2.5主要来源于本地排放,鄂尔多斯本地排放贡献大于60%,呼和浩特本地排放贡献大于80%,包头本地排放贡献达到90%,该区域空气质量的变化可以反映区域大气污染气象条件的变化。交叉相关分析发现,呼包鄂区域的PM2.5浓度与其下游的山西、河北、河南地区的PM2.5浓度具有高度的时间相关性,相位差在6~24小时。呼包鄂区域PM2.5污染的改善有赖于本地污染源的管控,该区域冬季空气质量变化可作为下游地区空气质量变化的前兆因子,有助于下游地区空气质量的预报预警。
原创性论文
江淮流域暖切变型暖区暴雨的客观识别与分析
宋柳贤, 张玲, 马茜雅, 董甫, 智协飞
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.21220
摘要:
暖切变型暖区暴雨(WSWR)是存在暖式切变线作为天气背景的暖区暴雨(WR)类型。本研究基于WR与切变线的定义,综合中尺度暴雨团(CRA)、锋面、切变线等客观识别标准,利用中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐小时网格数据集以及ERA5的再分析资料对2010~2017年的江淮流域WSWR进行客观识别与验证。8年共确定WR雨团1268个,WSWR雨团451个,其高频区位于皖赣鄂三省交界处及江浙沿海区域,且WSWR雨团与WR雨团的频次大值区分布基本一致。WSWR雨团多出现在6月中旬到7月中旬,此期间WR雨团中40%以上是WSWR雨团,雨团出现的位置随主雨带一致向北推进,其平均最大降水量为29mm/h。WSWR出现频次的日变化呈现双峰结构,分别出现在08~13时、20~22时(LST),雨团的小时降水量高峰值主要出现在午后(13~19时LST)和清晨(01~05时LST)。
地球系统模式CAS-ESM 1.0对1月 热带太平洋大洋环流异常模态的评估
张东凌, 卢姁, 张铭, 吕庆平
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.21016
摘要:
本文利用中国科学院CAS-ESM 1.0地球系统模式historical(cmip6)试验模拟的1922-2005年共84年的结果,对1月份热带太平洋上层流场作了复经验正交函数(EOF)分解,并与SODA(Simple Ocean Data Assimilation)资料的相应结果作了对比讨论,以考察该模式对赤道大洋上层环流异常的模拟能力,得到主要结论如下:该复EOF分解前3模态方差贡献为53.5%、12.9%、9.5%,累积方差贡献为75.9%,该累积方差贡献比SODA资料的要高。第一、二模态空间场与该资料的相比总体相像,流场异常都为赤道所俘获,在俘获区内该异常均以偏纬向流为主;差异在于本文赤道俘获区范围要较该资料大,该异常的经向流分量及越赤道流也较该资料明显。第一、二模态实时间系数序列无线性变化趋势而该资料的则有;其年际变化都与该资料相近,均有3-5年周期,这是厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)循环的反映;第一、二模态年代际变化均不明显。第一、二模态次表层海温异常在太平洋赤道上呈纬向偶极子、三极子结构,并相应于东部型、中部型ENSO的海温异常;如此可称之为东部型、中部型ENSO模态;ENSO的非对称性在第一模态中表现明显,且与实况相符。该模式对热带太平洋上层流场异常模拟总的说来表现较佳。
一种优化的基于对流可分辨模式的飞机积冰潜势概率预报方法
毛 旭, 刘鑫华, 杨 波
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.21235
摘要:
本文对飞机积冰概率预报方法进行了优化,该算法主要基于对流可分辨率数值模式输出的温湿层结结构进行计算,可输出高时空分辨率,且符合中国积冰情况的积冰潜势。相较于原始算法,从云层判断、对流云积冰、隶属函数三方面进行了优化。首先,优化后算法采用了更切合中国积冰分布的隶属函数。其次,使用随高度变化而变化的相对湿度阈值来判断云层,可以有效减少低层云和高层云的空报、中层云的漏报。第三,增加对流云中积冰条件的预报,进一步提高积冰潜势算法的预报准确率。通过对近600份国内飞机积冰报告的系统性检验评估,结果表明优化后的潜势预报方法在高阈值与低阈值区间预报效果均优于原始预报方法及传统IC算法。通过2020年3月陕西中南部的三次飞机飞机积冰场外探测个例检验,不仅对积冰条件的有无预报准确,而且在积冰强度方面也符合实际观测结果。
近20年季风爆发前后珠三角地区前汛期短时强降水的时空演变特征与成因
江帆, 王东海, 曾智琳
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22102
摘要:
相较于暴雨这种日尺度强降水,短时强降水(≥20 mm h-1)是造成山洪滑坡与城市内涝等灾害更为直接的因素。本文利用地面气象观测站和ERA5再分析数据,重点研究南海季风爆发前后珠三角地区短时强降水的时空演变特征,并探索了短时强降水在季风爆发前后特征与差异的可能成因。研究表明:(1)相较于季风爆发前,珠三角地区季风爆发后的降水明显增多,其中短时强降水贡献的比例显著增加。对短时强降水本身而言,区域平均强度以及极端性在季风爆发前后差异总体较小,但短时强降水频次在季风爆发后增加70.0%。(2)短时强降水高发区主要集中在珠三角东北部和珠江口西侧沿海,季风爆发后上述两个地区的频次增多最明显。短时强降水频次由季风爆发前的单峰型(下午)转为季风爆发后的双峰型(早晨与下午)。(3)短时强降水具有明显的区域性变化特征,短时强降水在季风爆发后的平均雨强和极端性在珠江口西侧沿海较内陆地区明显增强,其频次峰值时间在沿海地区从季风爆发前的午后转为季风爆发后的早晨,内陆地区在季风爆发前后均集中在下午。(4)季风爆发后,短时强降水期间的低层环境水汽超过同期气候态水平的15.6%。充沛的水汽在夜间在季风加速作用下被输送至沿海,并与陆风作用增强了辐合,这解释了沿海短时强降水的在季风爆发前后频次峰值时间转换现象。(5)相较于季风爆发前,季风爆发后珠三角短时强降水频率与低层水汽通量的相关性明显升高。珠三角沿海地区夜间-早晨短时强降水的增多与中低层风场结构改变造成的动力强迫有关。内陆地区季风爆发前后短时强降水与环境热力和不稳定条件关系更大。这些结果有助于我们更好地了解珠三角地区在季风爆发前后短时强降水的时空分布特征和理解其产生机制。
利用地面观测评估ERA5云底高度产品
李丹, 刘玉芝, 邵天彬, 罗润, 谭子渊
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22109
摘要:
云底高度对天气预报和飞行保障有着重要作用,但目前十分缺乏高时空分辨率的云底高度资料。本文利用中国东部地区云底高度的地面观测对ERA5再分析资料的云底高度进行评估,基于地面观测和ERA云底高度的小时平均偏差对ERA进行了初步订正和验证,综合分析了中国地区的云底高度分布特征。分析发现,ERA5再分析数据中的云底高度比观测值整体偏低,其中高估了低云的云底高度,低估了中、高云云底高度,且中、高云云底高度的偏差较大。另外,在有降水的条件下,ERA5数据中低云云底高度的准确性比无降水条件下的相对较高,但中、高云云底高度的准确性却更低。综合地面观测和ERA5数据云底高度的日变化和月变化分析发现,在我国东部地区,白天的云底高度整体低于夜间,峰值出现在夜间22:00,谷值出现在上午9:00,秋季和冬季的ERA5云底高度月变化与地面观测资料较为一致。基于日变化分析获得的小时平均偏差对ERA5数据的云底高度进行订正和验证,分析发现,2010-2019年间,中国地区的云底高度呈现自西北向东南逐渐降低的分布特征;中国南部、东北地区和青藏高原区域的云底高度相对较低,其中,青藏高原夏季和秋季的云底高度较低,春季和冬季较高,而沙漠地区在四个季节的云底高度都较高。
青藏高原东北部祁连山一次降水性层状云微物理特征的飞机观测研究
黄颖, 付丹红, 郭学良, 张文煜
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.22019
摘要:
位于青藏高原东北部的祁连山是石羊河、黑河和疏勒河等多条重要河流的发源地,云微物理特征对于了解该区域大气降水形成过程具有重要作用,但关于祁连山地形云的飞机观测研究很少。本文利用青海省人工影响天气办公室空中国王飞机观测数据,分析研究了祁连山2020年8月16日的一次降水层状云的微物理特征。研究表明:祁连山地区此次降水层状云的形成,与偏南气流由低海拔河湟谷地区向高海拔山区运动过程中受地形强迫抬升过程密切相关,云中过冷液态水含量最大值为1.13 g m-3。低海拔山区和高海拔山区的云物理特征有明显差别,低海拔山区由于水汽相对丰富,地形抬升形成的过冷液态水含量较高。山区不同高度粒子形成机制存在显著差异:5600 m(-5.1 ℃)层过冷液态水含量较高,冰粒子主要通过凝华、聚并生长,也存在弱凇附过程;6560 m(-9.9 ℃)层存在大量聚合状冰粒子,粒子谱拓宽明显,凝华和聚并过程起主导作用;7850 m(-17.0 ℃)层基本为冰粒子,存在大量枝状冰粒子聚合体,说明冰粒子以凝华和聚并生长为主
土壤水力参数对全球中期数值天气预报系统的影响
王素霞, 赵文静
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.22040
摘要:
土壤湿度是控制陆-气界面潜热和感热通量分配的关键要素之一,而且由于其具有一定的记忆特性,可以对多种时空尺度的天气气候过程产生重要影响。在数值模式中,土壤水力参数的不确定性是导致土壤湿度模拟结果不确定性的主要原因之一。本文基于银河全球大气谱模式(YHGSM),引入了VG(van Genuchten)土壤水分特征曲线模型,并探讨了模型水力参数的两种不同取值方案对土壤湿度离线模拟以及全球中期数值天气预报的影响。其中,土壤水力参数所需要的土壤类型数据来源于GSDE(Global Soil Dataset for ESMs)全球土壤数据集。陆面模块的离线试验结果表明,除了冻土和有机土壤的模拟偏差较大外,YHGSM的陆面模块对全球大部分地区土壤湿度的模拟能力较好,模拟精度与ERA5土壤湿度再分析产品的精度近似。土壤水力参数的不同取值方案对土壤湿度有一定影响,其影响程度与土壤类型和局地气候条件密切相关,粗结构土壤对模型参数的敏感性更强。从全球中期数值预报结果来看,土壤水力参数通过改变土壤湿度,不仅对近地层温、湿度的短期预报结果产生重要影响,而且可以导致预报系统积分6天后的大尺度环流场发生显著变化。因此,对于全球中期数值预报系统而言,优化土壤水力参数、提高土壤湿度模拟能力是非常重要的。
η坐标系下假不可压大气模式动力框架改进
胡文豪, 孙继明
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.22059
摘要:
发展高分辨区域中尺度天气预报模式是改进暴雨落区预报的一个重要途径。区域中尺度模式空间分辨率达到100米,对当前计算资源提出了严峻挑战。一种可行的解决方案是发展滤除声波的模式替代全弹性模式。滤除声波的模式可以使用较大的时间步长积分,能显著提高积分效率。我们在2018年利用一种声波滤除理论—假不可压理论,初步在地形追随质量坐标系(η坐标系)下建立了假不可压模式。数值试验表明模式的结果是合理可信的,然而关键问题是没有滤除声波。本文我们改进了假不可压模式,建立新的假不可压模式干动力框架。新的动力框架控制方程中最为关键的改进是使用椭圆方程求解扰动气压,理论上保证了声波的滤除。新建立的动力框架在数值求解方案方面的改进在于时间积分格式不再依赖时步分裂算法。对比改进的假不可压模式和WRF模式的干热泡对流数值试验结果,发现假不可压模式获得了与WRF模式相似的动力场和热力场分布,且模拟的气压扰动时间序列平滑,说明声波已被滤除,相比2018版本的假不可压模式,这是较大的改进。
基于多雷达观测和数值模拟的中天山北坡夏季降水过程研究
刘恩弘, 杨璟, 银燕, 景晓琴, 杨军, 李斌, 杨玲, 佘勇, 袁亮, 林彦君, 姜冬昕
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21196
摘要:
基于微雨雷达、Ka波段云雷达、C波段天气雷达和微波辐射计等仪器的观测资料对2019年7月27日中天山地区一次地形云降水过程的精细结构及演变过程进行了分析,并结合WRF高分辨率数值模式模拟结果研究了此次过程的热力不稳定结构及风的垂直切变对云发展的影响。结果表明:此次降水过程中天山北坡区域受到地形热力作用,形成偏北方向的爬坡气流,并与翻越天山山脉的偏南气流辐合,在局部形成对流;雷达观测发现,由于天山山区受到高空西风的控制,局地产生的对流云团不足以突破中天山北坡上空的风速较大的西南气流或偏西气流,低层的偏北气流被高层气流夹带而转向形成风切变层。降水发生后,低层对流云团被限制在风切变层以下,云顶平整且高度较低,风切变层对对流云团存在明显的抑制作用。通过分析模式模拟结果,此次降水过程中风切变对中天山北坡降水云的发展及热力不稳定变化影响十分重要,高层西南风对相当位温的平流输送使得风切变层上空更倾向于热力不稳定,同时使其下方更倾向于热力稳定从而抑制低层对流而促进高层对流的发展。当低层对流云团强度不足以突破其上空因垂直风切变导致的稳定层结,对流便会被局限于垂直风切变层以下,使得降水强度减弱。
不同降水产品及WRF-Hydro模式在黄河源区的适用性分析
陈亚玲, 文军, 杨传国, 龙银平, 李光伟, 贾何佳, 刘正
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.22057
摘要:
黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面-水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteorological Forcing Dataset, CMFD)、全球高分辨率降水数据集(CPC Morphing Technique, CMORPH)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)及全球陆地数据同化系统(Global Land Data Assimilation System, GLDAS)降水,评估了四类降水产品在黄河源区的降水精度,在此基础上,利用最优降水数据驱动独立运行的天气研究预报及水文耦合模型系统(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system, WRF-Hydro)模式,探究该模式在黄河源区径流模拟的适用性。结果表明:四类降水产品均能够反映出降水的分布特征,但在量值及细节捕捉上存在显著差异。CMFD在不同时空尺度上都能很好地捕捉到降水的演变特征,其与日观测降水的相关系数达到0.99,均方根误差仅为0.25 mm。在表征降水能力方面,四类降水产品总体表现为CMFD> CMORPH> TRMM> GLDAS,CMFD的平均探测成功率(Critical Success Index, CSI)在0.93以上。经参数率定后的WRF-Hydro模式在黄河源区月径流模拟方面表现较好,率定期纳什系数(Nash efficiency coefficient, NSE)均在0.92以上,而验证期丰水年模拟结果明显好于枯水年(NSE=0.15),这与降水和径流的非线性程度有关。本研究方案和结果为亚寒带半干旱气候区大尺度流域水文模拟及径流预测提供了一定的参考价值。
机器学习在西北太平洋热带气旋生成前期大尺度环流场分型与识别中的应用
赵宇慧, 陈光华, 王紫清, 方荻
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22074
摘要:
基于1979-2020年6-11月的热带气旋最佳路径(IBTrACS)和欧洲中期天气预报中心的第五代再分析(ERA5)资料,本文根据以热带气旋(TC)生成位置为中心的850hPa水平风场特征,采用自组织映射网络(SOM)将西北太平洋TC生成前期的低层大尺度环流场分为5型:季风辐合型(MC)、季风涡旋型(MG)、强季风槽型(SMT)、弱季风槽型(WMT)及东风波型(EW)。MC型TC生成于副热带高压南侧辐合带中,占比最高;MG、SMT与WMT三型的TC生成受季风槽相关的气旋性切变或辐合区影响;EW型TC由东风波增幅发展生成,占比最小。在对历史资料分型的基础上,为选取合适的机器学习方法用于TC环流型的自动识别,本文还对比分析了支持向量机(SVM)、k近邻(KNN)及随机森林(RF)三种方法的识别效果,结果表明:SVM的准确率达0.965,对五类环流型识别的召回率和精确率均达到0.94以上,对样本不均衡问题不敏感,并且对样本量的敏感性分析显示其在有限样本量下即可充分学习各型的环流场特征,识别效果明显优于KNN和RF。
1961~2020年中国区域不同等级降水的变化趋势及其可能成因
薛媛, 杨庆
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22033
摘要:

已有的研究表明,增暖背景下全球降水的格局发生了变化,弱降水总体呈减小趋势,而强降水在一些区域呈明显的增加趋势。但在区域尺度上不同等级强度降水的变化还缺乏系统的研究。本文基于中国838个气象站点的降水资料,研究了1961~2020年来中国不同等级降水长期变化趋势及其年代际分量与年代际海温振荡型的关联性。结果表明:中国不同等级降水变化的空间分布差异较大。弱降水仅在西北西部和青藏高原地区以增加为主,在华南和西南地区以显著减少为主;中等强度降水在西南地区东部以显著减少为主,在其余地区以增长为主;强降水在大部分地区呈现增长趋势,仅在京津冀和重庆部分地区呈现减少趋势。中国大部分地区的弱降水量(日数)对总降水的贡献率以减少为主,中等强度降水日数、强降水量(日数)的贡献率以显著增长为主,各区域强降水贡献率与中等强度降水和弱降水贡献率呈相反的年代际变化。其中,弱降水日数和中等强度降水日数的变化主导了总降水日数的变化,中等强度降水量和强降水量的变化主导了总降水量的变化。进一步研究发现,在年代际尺度上,中国大部分地区的不同等级降水与太平洋年代际振荡(PDO)的相关系数随等级增大而趋于负值,与大西洋多年代际振荡(AMO)的相关系数则随等级增大而趋于正值。各区域不同等级降水与PDO/AMO相关关系的年代际突变主要发生在1980年代~1990年代。

德国气候预测系统中东亚冬季风的季节预测及可预报性
吴昱树, 陈权亮, 龚海楠, 周涛, 皇彦
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.22072
摘要:

本研究使用德国气候预测系统(German Climate Forecast System,GCFS2)输出的回报数据(1993~2016年)对东亚冬季风(EAWM)的预测性能进行全面评估。GCFS2很好的预测了EAWM气候态的主要特征,包括西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽、东亚高空急流及东亚上空的地表气温和降水,并可以熟练地预测东亚大槽及东亚地表气温的年际变化。GCFS2对一个海平面气压定义的EAWM指数(EAWMI)显示出了预测技巧,同时可以很好的预测与EAWM相关的位于海洋上的大气环流、地表气温及降水异常。GCFS2中EAWM的预测技巧主要得益于对观测中的EAWM-ENSO关系及ENSO遥相关的成功再现,模式中增强的EAWM-ENSO(强于观测,观测中整个24年(1993~2016)EAWM与ENSO的相关系数为-0.46)关系,有助于提前2个月或更长时间预测EAWM。GCFS2中12月初始化的EAWMI在去除ENSO信号后仍有0.42的预测技巧,说明有另一预测源,为冬季巴伦支—喀拉海区域海冰覆盖度(BK_SIC)。观测中BK_SIC减少,增强西伯利亚高压,EAWM从而增强;模式中BK_SIC的变化可以增加西伯利亚高压东北部的可预测性,使得12月初始化的EAWM预测技巧增加。

基于飞机观测的华北降水云系上升气流区微结构研究
王心怡, 牛生杰, 吕晶晶, 王元, 靳雨晨, 邬昊鹏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.21244
摘要:
上升气流是成云致雨的基本条件之一。本文利用河北省2017年5月一次层积混合云的机载云物理探测系统测量资料,研究了云中上升气流速度分布,云微结构特征以及二者的相关性。结果表明:云中上升气流速度随高度呈抛物线型分布,云底部较小(0.75±0.52m s-1),云中部最大(3.64±2m s-1),云顶部最小(0.32±0.29m s-1);发现随高度增加,云中上升气流区内冰粒子形状依次以片状、针状、柱状为主;暖云上升气流区中,上升气流速度与液态含水量正相关,相关系数为0.61;强垂直气流条件下云滴数浓度、最大云滴直径大于弱上升气流相应的数值,强垂直气流云粒子谱更符合Г函数分布。
微波辐射计反演温度对湿度的敏感性及其对地形影响的反馈
邱玉珺, 舒志亮, 陆春松, 林彤, 党张利
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.22042
摘要:
利用2018年4月-2019年11月的六盘山隆德站微波辐射计探测资料与平凉站探空资料,研究了微波辐射计反演温度(TM)对空气湿度的敏感性,首次提出湿度敏感性系数(HSR)和零度漂移度(ZDD)概念,利用这两个参量在不同高度层的分布特征,研究了六盘山地形对空气湿度和温度的影响,主要结论如下:①非降水天气条件下,空气湿度越大,HSR与1.0的差别越大,ZDD也越大。②六盘山地形对气层湿度垂直分布影响较大。爬坡气流或抬升气流明显增加了3km以下气层湿度水平,晴天和阴天条件下空气湿度分别在山顶以上500m气层和1.0-2.0km气层达到最大,TM比实际温度最大能偏低2.7℃。③地形对气层湿度的影响进一步影响了空气温度的垂直分布,阴天条件下的大气逆辐射加热使得3km以下气层平均升温2.3℃,因湿度敏感性产生的温度影响平均达到0.9℃,最高能达到1.7℃。
GRAPES对流尺度集合预报不同尺度初始扰动能量的演变特征
马雅楠, 陈静, 徐致真, 王婧卓, 刘昕
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21242
摘要:
对流尺度数值预报对初始场的微小扰动非常敏感,且初始扰动的演变具有模式依赖、环流依赖和尺度依赖特征,如何构建合理的初始扰动场是国内外对流尺度集合预报领域尚未解决的难点问题和研究前沿。本文基于中国气象局3km水平分辨率的GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,GRAPES)对流尺度模式,利用其同化分析系统的背景误差和一个二维随机型,构建大、中、小三个尺度的初始扰动场,并选取中国夏季一次典型的多区域强降水天气个例,开展对流尺度集合预报试验,对比分析了大、中、小尺度初始扰动能量的时空演变和谱分解特征,以期为构建适用于GRAPES对流尺度集合预报的初始扰动场提供依据。研究结果表明,在GRAPES 3km对流尺度模式中:(1)大、中、小尺度初始扰动总能量的增长过程具有明显差异:大尺度初始扰动总能量随着模式积分呈增长趋势,尤以对流层中高层的持续增长为甚;而中、小尺度初始扰动总能量随着模式积分以日变化为主,表现为下午至傍晚(夜晚至清晨),扰动总能量显著增加(减小),且扰动总能量小尺度分量的日变化占主导,这可能是由于太阳辐射引起地表加热,使得白天的对流活动比夜晚活跃,且对流直接影响了扰动总能量小尺度分量的变化。此外,大、中、小尺度初始扰动总能量增长均以扰动动能增长为主,且扰动位能在对流层低层的增长不可忽略。(2)大、中、小尺度初始扰动总能量增长具有环流依赖特征:对北支气流控制的中高纬天气区,在斜压不稳定较强的低槽区,大尺度初始扰动总能量增长突出,而在槽后西北气流区,大、中、小尺度初始扰动总能量均不增长;对南北气流交汇区,仍以大尺度初始扰动总能量增长最为明显;对南海夏季风影响区,大、中、小尺度初始扰动总能量发展均较弱,扰动位能增长与区域降水大值率演变有较好的对应关系。(3)大、中、小尺度初始扰动总能量的谱分析结果显示,不同积分时段扰动总能量的多尺度串级特征有差异:在积分前3h主要为扰动总能量的大尺度分量向小尺度分量的降尺度串级,积分6h后则为中、小尺度分量的升尺度串级。上述研究结果表明,在天气系统复杂、动力不稳定时空分布不均匀的区域(如中国区域)发展对流尺度集合预报时,有必要针对不同的不稳定天气区,构建具有尺度依赖和环流依赖的初始扰动结构。
非纬向基流上的斜压扰动
林一骅
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.22073
摘要:
本文基于能量方法研究了时间平均的非纬向基流的稳定性以及该基流上斜压扰动的发展,并探讨了经向基本气流对于扰动发展的作用。从广义能量方程得到了时间平均的非纬向基流的稳定性条件,并用扰动能量方程研究了正压发展(衰减)和斜压发展(衰减)的扰动的结构以及其与基流的配置关系。研究发现,以急流轴为中心,对于正压发展的扰动,其流线在水平面上向基本气流来流方向的上游倾斜,而对于正压衰减的扰动,其流线在水平面上向基本气流来流方向的下游倾斜。对流层大气中,斜压发展的扰动,其流线在垂直剖面上随高度增加向基本气流来流方向的上游倾斜,而斜压衰减的扰动,其流线在垂直剖面上随高度增加向基本气流来流方向的下游倾斜。经向基本气流的存在会促进并加强扰动的发展,令扰动更加不稳定。
1979-2017年冬季新疆北部各区域型暴雪日水汽输送特征分析
李亚云, 杨莲梅, 成巍, 邓志武, 李欣
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21137
摘要:
北疆地处内陆干旱半干旱区,降水的多少对其影响十分巨大。尤其在全球变暖背景下,北疆地区的降水异常增多。本研究利用1979-2017年北疆40个站点冬季降水资料、ECMWF ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析资料,基于HYSPLIT v4.9模式讨论北疆4个区域型暴雪日的水汽输送特征及可能影响机制。研究发现:(1)各区域型水汽以西边界输入为主,但西天山型有少量水汽从北边界输入,天山型有部分水汽从高层南边界输入;(2)北部型、西部型和西天山型的水汽通道均位于中纬西风带,但具体位置有所差异。北部型以地中海和黑海水汽输送为主,贡献率为58.8%;西部型以里海西南侧水汽输送为主,贡献率为70.8%;西天山型以黑海和里海东南侧水汽输送为主,总贡献率为72.9%;天山型的水汽源地主要位于印度、伊朗附近,贡献率为64.2%;(3)各区域型位势高度的距平南北均呈现“正-负”分布,西东均呈现“负-正-负”分布,但中心强度、位置及范围有所不同,这种差异导致影响区域的不同。
气候变化影响中国东北地区降水侵蚀力的高分辨率区域模式预估
辛羽婷, 张文霞, 邹立维, 周天军, 赵勇
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.22006
摘要:
土壤侵蚀是生态环境和农业生产的重要影响因子。我国东三省土地面积79.33万平方公里,占我国国土面积的9.3%,是重要的商品粮基地,同时也是世界四大黑土区之一。在气候变化背景下,我国东北地区的土壤侵蚀情况及其未来风险,目前仍不清楚。影响土壤侵蚀力的重要因素之一是降水侵蚀力,其与强降水有关。本研究利用CN05.1和APHRODITE观测降水资料揭示了我国东北地区降水侵蚀力的观测特征。在气候平均态上,东北东南部地区降水侵蚀力最强。降水侵蚀力存在明显的年循环,以夏季为主导,占全年总侵蚀的80%以上。在观测分析基础上,对RegCM4动力降尺度模式进行了评估和订正,并预估了未来不同共享社会经济路径(SSP1-2.6和SSP5-8.5)下中国东北地区降水侵蚀力的变化。随着未来增温,到21世纪末,两种排放情景下东北地区平均的降水侵蚀力分别增加9.90%和26.70%。高排放情景下将面临更严重的降水侵蚀风险,SSP5-8.5情景下降水侵蚀力的增强幅度约为SSP1-2.6情景下变化的2.7倍,同时77.69%的区域面积上降水侵蚀力将更强。因此,采取切实有效的减排措施,走可持续发展路径,对于减缓我国东北地区黑土地的土壤侵蚀风险,进而保障粮食安全,具有重要意义。
1991-2020年中国地面气候值数据集研制
赵煜飞, 廖捷, 张强, 陈杰, 龚玺, 石岩, 石明远, 杨笛, 范邵华, 周学东, 曹丽娟, 胡开喜
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.22010
摘要:

基于国家气象信息中心归档的中国地面观测数据,研制了1991-2020年中国地面气候值数据集。数据集研制期间,对1991年以来的地面台站观测数据集元数据进行了系统的质量检查和核实订正。在基于站址迁移信息对所有要素进行了分段处理基础上,基于非均一性检验结果完成了气温序列的分段处理。依据人工、自动观测调整信息完成了能见度观测数据的分段处理,提供了一套与当前能见度观测方式一致、代表性更好的气候背景场。采用傅里叶级数理论对气温、降水累年日值序列进行了谐波处理,在体现气象变量季节性转换的同时,避免了日与日之间的异常突变特征,具有更好的气候代表性。最终建立的1991-2020年中国地面气候值数据集提供了中国2438个站点的气温、降水、气压、风向风速、相对湿度、水汽压、云、天气现象、能见度、蒸发、积雪、地温、冻土、日照共14个要素的气候背景信息,为天气气候业务提供了数据支撑。

华东区域中尺度集合预报系统的改进及2020年梅雨期降水试验
谭燕, 黄伟, 杨玉华, 陈葆德
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21097
摘要:
考虑区域模式预报中不确定性的各种来源,分别引入初始场误差、侧边界误差和模式误差构建新一代华东区域中尺度集合预报系统,并对2020年梅雨期降水开展为期一个月的集合预报试验。通过不同时空尺度典型个例的分析可以看出,所选取的随机物理倾向扰动方案中的参数具备一定的通用性,且在参数调优中加强随机过程的影响,系统中低层的风场和湿度场有明显的反馈,集合系统的离散度得到较大改善,对预报的影响大小依次为:扰动振幅、随机扰动场的去相关空间和随机扰动场的去相关时间。一个月的梅雨期降水评估结果显示:集合系统升级后对各时次各量级的降水TS评分均有所提升,但仍然存在着降水强度偏大的问题;从概率预报的角度来看,除小雨量级外,系统升级后,对中到大雨预报的准确率和可信度提升明显,对强降水事件的描述更准确;形势场的检验结果表明,系统的预报偏差问题得到了部分程度地改善,对大气中低层风场、湿度场和地面变量的预报效果较好。相比原华东区域中尺度集合预报系统,升级后的系统,其整体优势可概括为:预报误差减小、集合离散度明显增加,降水预报的能力在各时段各量级均有提升,其中物理过程的不确定性对于捕捉强降水事件有明显的影响,使得系统的预报可信度增加。
基于Ka/Ku双波段回波强度差约束和多普勒功率谱的微物理和动力参数反演方法和应用
刘黎平
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21199
摘要:
回波强度定标误差、天线水膜衰减和雨区衰减造成的回波强度偏差对云雷达反演微物理和动力参数有非常重要的影响,准确分析这些偏差对提高反演精度至关重要。为了消除云雷达因定标和天线罩等引起的回波强度和功率谱大小的影响,实现高精度和雷达全观测范围的反演,本文提出了基于Ka/Ku双波段云雷达回波强度差约束和回波强度谱密度数据的降水内空气垂直运动速度和雨滴谱反演方法(DWR-SZ),并将该方法应用到2020年6月8日和 2021年6月1日华南二次对流性云降水垂直结构观测数据,利用雨滴谱仪数据分析了该方法反演结果的改进程度,分析了上升速度对反演的回波强度和微物理参数的影响。该方法首先融合双波段云雷达反演(DWSZ)和单波段小粒子跟踪方法(ST)方法反演的云内空气垂直速度Vair,形成全观测域的Vair,然后利用DWSZ方法得到微物理参数初估值,并计算衰减影响,最后利用双波段回波强度差(DWR)调整回波强度系统偏差和反演的微物理参数,使DWR-SZ方法正演得到的DWR与雷达观测值差到达极小。结果表明:(1)采用脉冲压缩技术的高雷达灵敏度模式与采用短脉冲的低灵敏度模式相比,DWSZ方法反演的Vair与雷达灵敏度相关性非常小,结果稳定,但这种方法只能应用于含有大粒子的液体降水区(粒子直径大于1.8mm);小粒子跟踪ST方法通常低估Vair,但在低层的35dBZ以下降水Vair低估程度不大,且灵敏度提高会极大改进Ka波段雷达反演能力;两种方法融合的Vair比较合理;(2)雨区衰减和距离是造成ST方法 低估Vair的主要原因;而固态降水的功率谱非常窄而且陡,灵敏度对固态降水区Vair影响不大;(3)采用DWR作为约束,有效减小了回波强度的系统偏差和天线水膜影响,提高了微物理参数的反演准确率;(4)ST方法反演的Vair高估了粒子数密度,液体含水量(LWC)和衰减系数,低估了粒子大小,但对天线水膜引起的回波强度系统偏差影响不大。
植被覆盖度增加对辽宁地区气温变化的影响研究
易雪, 李得勤, 杨森, 李涛, 公颖, 潘晓, 崔锦
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.22005
摘要:
植被覆盖度(Fraction Vegetation Coverage,FVC)是陆面参数中重要的参数之一,植被覆盖度变化直接影响地表能量的再分配进而影响区域乃至全球气候变化,研究植被覆盖度增加对区域气候的影响对未来区域气候变化的预估具有重要意义,这对适应和缓解全球气候变暖至关重要。本文利用2001-2018年MODIS-NDVI指数制作植被覆盖度,在辽宁地区分别进行了WRF模式默认植被覆盖度和实际植被覆盖度的长时间(2001-2018年)模式模拟试验,结论如下:(1)辽宁地区因植被覆盖度增加全省年平均气温降低了0.48℃,其中夏季降温幅度最大,降温0.71℃,春、秋两季平均降温0.35和0.66℃,冬季降温幅度最小0.2℃。植被覆盖度增加对最高、最低气温也有明显的降温作用,其中最低气温对植被覆盖度增加的响应大于最高气温,且植被覆盖度增加与气温降温具有较好的空间一致性。(2)2001-2018年年和四季植被覆盖度的显著增加对年和四季平均气温、最高气温、最低气温均有降温趋势,尤其是对最低气温降温作用更明显。(3)植被覆盖度增加导致气温降低的主要原因是由于蒸散发的增加导致潜热通量增加,进而感热通量减少;而对于最低气温,主要是由于植被覆盖度增加导致的地表气温降低夜间向上长波辐射减少引起的。总体而言,植被覆盖度增加越多降温效果越明显,且植被覆盖度的增加可以减缓辽宁省气候变暖。
正极性人工触发闪电的向上负先驱脉冲放电过程研究
吕冠霖, 蒋如斌, 李宗祥, 袁善锋, 张鸿波, 李晓, 刘昆, 陈睿凌, 刘明远
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.22009
摘要:
利用人工触发正极性闪电的综合同步探测资料,对引雷火箭上升过程中发生于金属导线顶端的向上负先驱脉冲放电过程进行了研究。除常规认识的峰值电流为十几到几十安培的先驱脉冲放电以外,高垂直分辨率电流探测系统记录到丰富的弱脉冲放电过程。所有孤立发生的脉冲放电,均为弱脉冲,且在所有常规强度的先驱脉冲(簇)放电之前约20 μs,均识别到这种弱脉冲。对测量到的弱脉冲、脉冲型脉冲和波纹型脉冲进行统计,得到了各自的峰值电流(3.6 A、32.2 A、11.1 A)、上升时间(0.39 μs、0.9 μs、3.2 μs)、持续时间(2.8 μs、5.1 μs、12.7 μs)和转移电荷量(4.7 μC、50.8 μC、83.2 μC)。常规强度的先驱脉冲形成了可探测的发光通道,簇状先驱脉冲的放电通道具有与自持先导初始阶段相一致的梯级发展传输特征,二维平均速度在105 m/s量级。分析相邻先驱脉冲发光通道的时空关系,发现后一次先驱脉冲放电通道的起始高度一般位于前一次先驱脉冲放电通道的顶端,通道梯级延伸时电荷分布的调整降低了通道区域的电场强度。先驱脉冲放电是金属导线顶端形成了先导但又由于条件不足而熄灭的过程。
冬季东亚高空急流与近地层空气污染物相互作用的初步分析
魏雯, 庄炳亮, 蔺慧娟, 束宇, 王体健, 陈慧敏, 高依曼
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21125
摘要:
研究表明东亚地区严重的近地层空气污染与高空急流之间存在着一定的联系。本文利NCEP/NCAR逐日风场、垂直速度资料以及Science Data Bank的地面污染物和气象要素数据,运用统计分析法研究了冬季东亚高空急流与近地面空气污染物高浓度区的关系并初步探讨了两者之间的作用机制。结果表明:2013-2018年冬季我国华北平原是颗粒物的高值区。华北平原污染物PM2.5、PM10的平均浓度分别为80.65μg/m3、118.62μg/m3,超标天数分别共计459、489天。这段期间内颗粒物浓度均呈逐年缓慢下降趋势,PM2.5/PM10平均约为0.65,该比值保持多年稳定。其中该地区的空气污染物浓度与东亚高空温带急流的强度关系显著,两者可能通过地面温度以及经向风进而产生联系。当东亚温带急流强度减弱时,华北平原内地面温度降低、地面经向风减弱进而使得华北平原内中部的PM10、北部的PM2.5浓度均较低;当东亚温带急流强度增强时,华北平原内地面温度升高、地面经向风增强进而使得华北平原内中部的PM10、北部的PM2.5浓度均较高。
耦合Lorenz模型的吸引子特性及其可预报性分析
张铭, 王伟, 钟权加, 丁瑞强, 李建平
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21236
摘要:
本文主要探究了耦合Lorenz系统的混沌吸引子特性及其可预报性随耦合强度的变化特征。结果表明:随着耦合强度增加,快系统中的低频变化分量增大,其吸引子也随之变大;而慢系统自身的不稳定分量变大,导致其变率增强,吸引子轨道变得更加密集。在此基础上,利用非线性局部Lyapunov指数(NLLE)方法定量分析了耦合系数变化对耦合Lorenz系统可预报性的影响。随着对快系统的耦合强度增加,快/慢两个不同尺度系统的可预报性都会减少。然而,增加对慢系统的耦合强度却只能提高快系统的可预报上限,对慢系统的可预报性改变不大。
西太平洋台风活动对中国西北地区东部夏季降水的影响
王顼, 张立凤, 王羱
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.22011
摘要:
基于1979-2020年共42年资料,利用常用的统计方法和随机森林方法,研究了西太平洋台风对我国西北地区东部(33°N-45°N,93°E-110°E,ENWR)降水的影响,结果发现:在台风频数和降水量都出现峰值的7、8、9月,出现在西北太平洋的台风对台风期间的ENWR平均日降水(TP)有影响。7月份台风的位置和强度影响显著,8月份台风的位置、强度和频数都有影响,9月份影响较小。台风的影响具有地域选择性,不同的月份这种选择性不同,对不同等级降水的影响也不同。其影响主要表现在EOF分解的第二模态以及强降水和极强降水等级上,这说明了台风不是影响TP的主要因素,这种影响是间接的和非线性的,台风的出现是通过影响东亚地区中高纬度的槽脊系统、西太平洋副热带高压以及低纬度低涡的强度和位置来形成有利于降水的条件,从而影响降水的分布和强度。相对于多元线性回归方法,基于随机森林方法建立的降水模型能更好的拟合出降水分布和强度,这说明台风对TP的影响主要是非线性的,且降水强度越强,非线性作用随越明显。同时,随机森林模型也显示出台风的位置是影响ENWR降水的最关键因素。
乌拉尔阻塞高压的维持发展及其与2020/2021年冬季强寒潮活动的关系
彭京备, 孙淑清, 陈伯民
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21166
摘要:
2020年岁末至2021年初前后两次强寒潮侵入我国,引起大范围的强烈而持续的降温。本文对于其相应的环流特点及成因进行了分析研究,主要结论是:1)从环流形势看,两次寒潮的发展过程,都是属于“横槽转竖”的类型。但是,自2020年的12月中旬至第二次寒潮结束,乌拉尔地区始终维持着宽广的高压脊(阻高),并未出现阻塞崩溃或不连续后退的现象。这与多数东亚地区寒潮爆发时的环流特点有差别。2)乌拉尔阻塞高压及其脊前北风的加强和维持,使其前侧的斜压性大大加强。下游槽底的等高线日益密集,冷平流也不断发展,增强和向南推进。这些都推动了西伯利亚高压的加强和南扩。3)在两次寒潮过程发生之前,源自0°E附近的低频静止波能量向东传播,有利于乌拉尔高压脊的维持、加强以及其下游低槽发展,为冷空气的向南爆发提供有利条件。
植被覆盖率对内蒙古沙尘天气影响的模拟研究
衣娜娜, 姜学恭, 董祝雷, 樊茹霞, 史金丽
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.22017
摘要:
利用WRF-chem模式及不同植被覆盖率的敏感试验,模拟了内蒙古地区一次典型沙尘过程,研究了植被覆盖率对沙尘天气强度演变及远距离传输的影响。结果表明:耦合Shao_04起沙参数化方案的WRF-chem模式能较好地再现实际沙尘输送过程。当沙源地植被覆盖率增加5%,起沙总量削减50%,下游地区地面沙尘浓度的削减>80%,PM10与PM2.5浓度的削减接近或超过80%,空气质量由严重污染降低到轻度污染,有效改善了大气环境;当植被覆盖率增加≥15%,大粒径沙粒贡献率逐渐增加,沙尘输送过程中沉降速率增加,导致下游地区沙尘天气峰值浓度提前。可以初步得出结论,植被覆盖率增加,叶面积指数增大,植被对细粒子的捕获作用增强。所以,植树造林等荒漠化治理工作应该首先在细粒子为主的半荒漠化地区开展。
X波段双偏振雷达物理量时间-高度剖面的重构方法改进及应用研究
贾烁, 杨洁帆, 雷恒池, 韩辉邦, 周万福
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.22058
摘要:

如何利用现有雷达体扫数据重构反射率或其它物理量的时间-高度剖面,提高雷达体扫垂直分辨率并使其适用于云微物理结构的分析,是近几年来雷达气象学的重点研究内容之一。本文基于分辨率更高的X波段双偏振雷达体扫数据,对目前最新的Columnar Vertical Profile (CVP) 重构算法从目标区范围的选取方面进行改进,使其能够应用于水平尺度较小的局地降水云以及发展演变迅速的对流云。结果显示:对于高原地区局地降水云个例,目标区选取5km (径向范围)×10°(方位角范围) 组成的较小扇形区域,与云雷达的对比显示,改进的CVP方法重构的基本反射率(ZH)垂直廓线体现了回波的垂直结构,尤其是中高层对流泡的结构特点,相应的时间-高度序列能够较好地反映回波顶高的变化以及中高层强度逐渐减弱、低层强度逐渐增加的特点;对于华北地区发展旺盛且局地水平不均匀的对流云个例,本文改进了原始的CVP重构目标区选取方法,对高、低仰角层采用变化的径向范围并调整插值参数,改进后重构的ZH垂直廓线有效避免了低层回波水平分布相对不均匀导致的重构分层结构,显示出高、低层回波特征以及不同阶段目标区云结构的转变。进一步对比改进前后CVP方法重构建立的各偏振量时间-高度序列,改进后准确显示了个例云系微物理特征及其随时间的变化,揭示了高原地区局地降水云中对流泡的形成及其播撒作用机制,华北地区对流云成熟阶段的各偏振量垂直分布特征及其演变。

大别山对一次冷涡对流的加强作用分析
郑淋淋
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2205.21023
摘要:
2017年5月14日江淮地区的一次冷涡后部对流过程造成了短时强降水、冰雹和大风天气过程,采用集合卡曼滤波技术同化雷达径向风、雷达反演风、GPS水汽资料、探空和逐小时地面加密观测资料,能较好模拟出大别山对此次对流系统发展的作用。冷涡后部对流在东移南压过程中遇到大别山地形,在大别山北部触发局地对流并随后出现大别山局地对流的两次加强过程。冷涡对流南下过程中,其冷池遇到大别山地形形成抬升,太阳辐射加热作用造成大别山上的不稳定层结,触发大别山局地对流。触发多个局地对流后,旧单体消亡形成的冷池和冷涡对流冷池的叠加造成冷池加强,加强的冷池促进了新单体的发展,这是局地对流第一次加强过程。第二次加强过程是边界层抬升、大别山热力作用和冷池共同作用的结果:随着天气尺度系统南压,边界层锋区(850hPa和925hPa)南压,其位置与地面冷池出流的位置重叠,边界层抬升增强,同时大别山午后加热作用,一方面形成热力抬升,另一方面形成大别山南坡的上坡风,偏南风上坡风与冷池偏北风在大别山东部形成辐合,加强地面抬升。
基于新型往返式探空观测的大气湍流特征提取及其分析
杨晨义, 曹晓钟, 郭启云, 袁源
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21103
摘要:
利用2018年6月2日到2019年11月14日,安庆、长沙、赣州、南昌、宜昌、武汉6个站点的往返式探空试验数据,使用Thorpe分析方法计算了湍流层厚度、对数湍流耗散率、Thorpe尺度、浮力频率并进行概率、水平、垂直等分布特征的分析。这些探空数据观测精度较高,且垂直分辨率约为6-10米,延伸至大约30公里的高度,可以在整个对流层和平流层下部估计湍流。本研究基于湍流特征分析,比较了各个站点之间以及上升段与下降段之间的差异。对数湍流耗散率〖log〗_10 ε具有两个模态,分别以-35和-5附近为峰值中心并向两侧递减。对流层的分布相对于平流层更加集中,且对流层的峰值中心的数值略大于平流层中心,这说明平流层的湍流强度稍弱于对流层。从对数湍流耗散率〖log〗_10 ε、Thorpe尺度L_T、浮力频率N^2 三个参数的水平和垂直分布可以看出,在L_T较大且N^2较小的位置湍流强度更大。本研究揭示了高分辨率的往返式探空组网观测数据用于自由大气湍流特征研究的潜力,以及其相对于传统探空数据的时空加密观测优势。
福建省冬季持续低温事件多尺度特征及海气背景
池艳珍, 郑伟鹏, 王彦明, 何芬, 鲍瑞娟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21188
摘要:
利用1960-2020年福建省66个国家气象站逐日观测资料、太平洋年代际振荡(PDO)和厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)月指数以及美国气象环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐日再分析数据,采用功率谱分析、小波分解、合成分析等方法,讨论了福建省冬季持续低温事件的多尺度特征及影响因子,结果表明:(1)1961-2020年福建省冬季共出现114次持续低温事件,20世纪80年代中期以前为持续低温多发期,其后为少发期,持续低温的强度亦呈现前强后弱的分布;持续时间以5~11天居多,最长可达40天。(2)福建冬季低温指数存在显著的10-20天和30-60天低频周期,年际尺度上以2~8年为显著周期。(3)福建冬季持续低温事件和PDO、ENSO、热带大气季节内振荡及冷空气活动密切相关;PDO和ENSO为冷位相时,有利于持续低温的出现和持续时间偏长;当热带对流位于海洋大陆至西太平洋时,福建省冬季易出现持续低温事件;强盛的西伯利亚高压的存在,使得偏北气流可贯穿至华南南部,引发持续低温事件的发生。(4)对比不同持续时长低温事件的冷空气影响路径,“偏短型”、“中等型”和“偏长型”事件分别以西路、东路和中路路径为主要特征。
2000~2019年东北冷涡统计特征及其影响期间的降水分布
黄丽君, 崔晓鹏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21227
摘要:
东北冷涡是影响我国东北地区天气和气候的重要环流系统。本文在前人研究工作基础上,构建了本文的东北冷涡识别与追踪方法。利用2000~2019年NCEP/NCAR再分析资料,对东北冷涡开展客观识别与追踪,进而分析东北冷涡的时空分布特征、持续时间、强度和尺度等,最后利用国家地面气象站小时降水观测数据,探讨了东北冷涡影响期间东北区域的暖季降水分布特征。东北区域内,东北冷涡频数和影响天数无明显长期变化趋势,但存在明显的年际变化和月际变化,东北冷涡更易发生在暖季;东北冷涡的持续时间主要集中在48~72小时,半径尺度范围主要分布在600~1200 km,冷季平均尺度大于暖季,冷季冷涡中心强度也强于暖季;东北冷涡中心活动高频区沿45~55°N呈东-西走向带状分布;东北冷涡影响期间的暖季降水量占比基本在20%以上,不同强度降水档(0.1~5 mm/h,5~10 mm/h,10~20 mm/h和≥20 mm/h)中,占比空间分布不同,强降水局地性特征显著;东北冷涡影响期间的暴雨日降水量占比最大可超过70%。
北半球夏季30~60天季节内振荡的年代际变化及其对中国东部降水和气温的影响
王熙乔, 李健颖, 李双林
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21228
摘要:
本文利用1979~2020年基于中国台站观测的高分辨格点化逐日降水和气温资料以及NECP Ⅱ 大气再分析资料,探讨了亚洲季风区夏季30~60天大气季节内振荡(BSISO1)的年代际变化及其对中国东部降水和气温的影响。在1997~2008年(P1阶段),BSISO1年代际偏强,而在2009~2018年(P2阶段),BSISO1年代际偏弱。在P1阶段,BSISO1仅对江淮流域的降水和气温具有显著的调控作用,对华南地区的影响较弱;而在P2阶段,BSISO1对江淮流域的降水和气温的调控作用减弱,但对华南地区的降水和温度具有显著的调控作用。在P1阶段,BSISO1有关的异常抑制(活跃)对流可从赤道西太平洋北传至南海?西北太平洋,激发出一个连接南海和江淮流域的经向垂直次级环流圈,引起江淮流域强烈的异常上升(下沉)运动和低层水汽辐合(辐散),造成局地降水的持续性偏多(偏少),气温的持续性偏低(偏高)。相比P1阶段,在P2阶段江淮流域的季节平均水汽显著减少,BSISO1有关的水汽垂直输送减弱,削弱了江淮流域季节内降水变化。但在P2阶段,BSISO1相关的异常抑制(活跃)对流可进一步北传到达相对偏北的华南地区,其伴随的异常下沉(上升)运动造成局地降水减少(增加);同时绝热增温(冷却),使得局地出现持续性气温偏高(偏低)。因此,在P2阶段,更容易出现江淮流域持续性强降水和华南地区持续高温热浪同时发生的复合型极端事件。
再论地转流的正压不稳定
林一骅
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.22004
摘要:
文章研究了考虑地转约束的情况下,正压不稳定的必要条件。并基于能量学和位涡动力学理论,对正压不稳定的必要条件的物理含义进行了诠释。对于满足地转平衡的基本流,Rayleigh—Kuo定理修正为:若地转流动可能出现不稳定,基本流的位涡梯度需在某个纬度取极值。Fjortoft定理相应地成为:若地转可能出现不稳定,需满足Qy与U-Us同号。即由原结论中的绝对涡度修正为位涡。这是地转约束也是位涡约束的结果。指出满足能量关系是正压不稳定可能出现的能量学要求,Rayleigh—Kuo定理是正压不稳定可能出现的位涡动力学条件,而Fjortoft定理则是能量学与位涡动力学两种要求的协调,三者均须满足,正压不稳定才有可能发生。
三江源地区冬季降水年代际变化特征及相关物理机制
王腾, 孙博, 王会军, 多典洛珠, 卓永
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.22034
摘要:
本文主要利用1961/1962~2006/2007年CN05.1资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究三江源地区(以下简称三江源)冬季降水的年代际变化特征及相关物理机制。结果表明:三江源冬季降水在20世纪80年代末期经历了一次由少到多的年代际增多。三江源冬季降水的年代际变化受乌拉尔山上空异常低压和贝加尔湖―中国东北部上空异常高压影响,与中高纬北大西洋海气相互作用有关。从20世纪80年代末期开始,中高纬北大西洋海温异常增暖可以导致海表面上空上升运动异常,对流活动增强,激发向东传播的大气环流波列,引起乌拉尔山上空的异常低压和贝加尔湖―中国东北部上空的异常高压。在异常低压与异常高压的影响下,极锋急流南移加强,引起三江源高空辐散,对流活动增强,导致三江源冬季降水增多;另一方面,贝加尔湖―中国东北部上空异常高压还可以通过引起三江源上空异常东风,引起三江源水汽通量辐合异常,导致冬季降水增多。此外,印度洋海温异常增暖可能通过影响南支槽强度变化,进一步调制三江源冬季降水。
正压地转流的空间不稳定
林一骅
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.22037
摘要:
与时间不稳定一样,空间不稳定也是地球流体中扰动发生发展的重要机制。基于标准模方法,研究了正压地转流对于小扰动的空间不稳定问题,并得到发生空间不稳定的必要条件。该必要条件指出,若正压地转流可能发生空间不稳定,其位涡对于纬度的偏微商与小扰动相对于该地转流的相速必须在某些纬度带异号。在附加适当的限制的情况下,空间不稳定与时间不稳定满足相同的必要条件,即Rayleigh—Kuo定理和Fjortoft定理。
公里尺度分辨率WRF模拟梅雨暴雨对积云对流参数化的敏感性试验研究
王丹, 余贞寿
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21259
摘要:
本文利用中尺度模式WRF V4.0.2(Weather Research and Forecasting Model)对浙江省两次梅雨暴雨过程进行数值模拟,分别选用WSM6和Thompson云微物理方案、YSU和MYJ边界层方案、以及11种对流参数化方案进行试验对比分析,探究不同积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨的1 km高分辨率预报的影响,结果表明:(1)在对各试验的降水预报评估过程中,传统点对点方法和邻域法都能客观表现出各试验的预报水平,而FSS检验法能更加客观地评估模式对小范围的强降水预报水平。(2)三类积云对流方案(无积云方案、传统积云对流方案和尺度自适应积云对流方案)都能较好地模拟出小雨降水的发生情况,但随着降水强度增强至暴雨、大暴雨强度,此时尺度自适应的积云对流方案对降水的预报结果有明显改善。(3)尺度自适应积云对流方案对微物理和行星边界层方案的反应更为敏感,在不同微物理和边界层组合方案下尺度自适应积云方案的模拟结果差异更为显著,而传统积云方案的模拟结果的效果不明显。(4)在1-10 km的“灰色区域”范围内,随着网格分辨率提高到1 km时,尺度自适应的积云对流方案较传统积云对流方案对模式的预报结果有明显改善。本研究的结果在一定程度上可为高精度业务预报工作中对尺度自适应对流参数化方案的应用提供参考。
1961~2017年华南区域性持续高温过程年际变化成因分析
董少柔, 林爱兰, DONG Yantong
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21123
摘要:

本文利用近60年我国气象站的日最高气温、降水资料以及NCEP/NCAR大气多要素等全球格点资料,基于华南区域性持续高温历史过程定义夏季区域性持续高温指数(RPH),分析影响华南夏季区域性持续高温年际异常的大气环流及下垫面海温因子。主要结果表明,在华南夏季持续高温偏重年,华南区域对流层高、中、低层均受反气旋性环流异常控制,在华南上空垂直方向上表现出深厚的大气动力和热力异常,华南夏季持续性高温的年际异常也与欧亚东传波列和热带大范围环流异常密切联系。热带印度洋、热带太平洋以及北大西洋三大洋海温异常共同影响华南区域性持续高温的年际异常,其中热带印度洋、太平洋海温异常主要有利于南海-西太平洋反气旋性环流异常的形成,使副热带高压偏西偏强,北大西洋海温异常则有利于高层欧亚波列的加强,使南亚高压在东亚地区加强东伸。在各区域海温异常共同作用下,华南在对流层高、低层反气旋性环流的控制下,大气产生强烈的下沉运动,一方面大气绝热增温,另一方面使大气晴空少云、地面接收更多的太阳辐射,从而有利于高温偏重。

共享社会经济路径(SSPs)下未来30年长江流域夏季降水预估
郑衍欣, 李双林, 何源
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21154
摘要:
本文利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中22个全球气候模式试验数据,通过MR评分(Comprehensive Rating Metrics)方法进行评估,择优选取了GFDL-CM4、EC-Earth3、MIROC6等10个模式,使用这些模式在SSP245和SSP585两种共享社会经济路径下的预估试验数据,对未来30年(2021-2050年)长江流域夏季降水,特别是极端降水事件的时空演变特征,进行了预估。结果显示,两种不同排放情景下,相对于1980-2010年的平均,流域总降水量(PRCPTOT)、降水强度(SDII)均呈现显著增加趋势,特别是在上游高原和中下游平原地区;降水频次(R1mm)上游减少,中下游增加,二者相抵导致了流域降水频次整体变化不明显;强降水(R95p)增加约9.6%、16.5% (SSP245、SSP585),极端降水(R99p)增加约10.2%、15.5%,最大5日降水量(RX5day)也为增长趋势;连续无降水日数(CDD)在整个流域呈现增多,特别是上游地区。两种排放情景相比较,高情景(SSP585)下的变化强度要比中低情景(SSP245)大。这些结果意味着,未来30年长江流域降水气候可能变得更为极端,不仅总降水量增加,暴雨、大暴雨易于出现,而且连续无雨日长度也增加,干旱变得更为频繁。特别地,中下游地区要警惕发生极端暴雨、极端洪涝的风险,而上游地区要警惕发生干旱、极端干旱的风险。
2020/2021年冬季三次全国型强冷空气过程及其低频特征
袁媛, 申乐琳, 晏红明, 洪洁莉
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21222
摘要:
2020/2021年冬季,东亚地区的强冷空气过程多次爆发,持续强降温及伴随的大风、雨雪天气给人民生产生活造成了严重影响。利用日尺度大气环流格点数据和地面气温站点资料,从次季节变化角度揭示了西伯利亚高压的低频振荡特征及对三次全国型强冷空气过程(2020年12月13-15日、2020年12月29日-2021年1月1日、2021年1月6-8日)的重要影响。研究显示,2020/2021年冬季,西伯利亚高压和中国东部地区气温变化都表现出明显的准双周(10-30 d)和30-60 d低频振荡特征,并且低频特征在冬季前期明显强于冬季后期。但是,三次强冷空气过程中低频振荡的特征各不相同,其中,第一次过程中准双周振荡有显著的正贡献,但30-60 d低频振荡为负贡献;而第二次和第三次过程兼有准双周和30-60 d低频振荡的共同作用,尤其第三次过程处于这两个低频波段的最强时期,这也导致第三次冷空气过程的降温幅度最大、低温影响范围最广,西伯利亚高压也发展最强。10-30 d低频西伯利亚高压的增强超前一候(5天)左右对冷空气爆发和中国东部地区强降温均有显著的负相关关系,其中与冷空气爆发的关系超前1-2天最显著,与中国东部地区低温的关系超前2-3天最为显著。
青藏高原东南局地山谷风环流在一次地形云和降水形成中的作用
李嗣源, 郭学良, 任婧, 唐洁, 亓鹏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21257
摘要:
利用第二次青藏高原科学考察及其他数据,结合5层网格嵌套、高分辨率(最高333 m)的WRF可分辨云数值模拟,研究了局地山谷风环流在青藏高原东南林芝地区2019年9月17-18日一次地形云和降水形成过程中的作用。结果表明,此次降水过程由西风槽天气过境造成,林芝位于西风槽底部,具有弱不稳定层结,云和降水过程呈现明显的午后、傍晚和凌晨三个阶段的变化特征,并且发现局地山谷风环流在这三个阶段的变化中具有重要作用。午后阶段,由于山区强烈的太阳辐射加热,首先在山脉阳面产生明显的上坡风,产生了强上谷风环流,在山坡迎风坡受阻挡抬升,并激发出强的地形波,产生了强对流云和降水;傍晚阶段,由于山脉强烈的长波辐射冷却效应,产生的强下坡风在谷底辐合抬升,促进了山谷上空的弱对流、层状云发展;凌晨阶段,下坡风达到最强,产生了强下谷风环流(山风),下坡风在谷底产生强的抬升作用,形成深厚的层状云降水过程。午后阶段的对流云微物理过程主要表现为霰粒子含量高,雨水的来源主要是暖雨过程和霰粒子融化过程,雪粒子很少。傍晚和凌晨的弱对流云和层状云微物理结构相似,主要是雪粒子含量高,雪的融化和暖雨过程是雨水的主要来源。
有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的进展及挑战
丁伟钰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21176
摘要:
摘要:云与高影响天气有着密切的联系,卫星红外波段提供了大量的云区的观测信息,然而云参数的初始误差以及云对辐射过程的非线性影响造成的观测算子模拟误差偏大,并且误差呈非高斯分布给云区卫星红外资料直接同化带来困难。文章针对有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的关键技术问题,回顾和总结了近二十年来国内外在同化方法、辐射传输模式、控制变量、背景误差、云检测、观测误差设置、质量控制及偏差订正等方面的研究进展。已有成果表明卫星资料直接同化的趋势是在晴空区同化技术基础上进一步补充云雨的信息,完善相应的技术,从而实现“全天候”的卫星资料直接同化。文章指出云区卫星红外资料直接同化在如何构造与云参数相关的控制变量及其背景误差、如何消除云对观测和观测算子的非线性影响等方面面临挑战。随着观测技术、同化技术、模式技术的共同发展,卫星红外资料必然在数值预报领域发挥更大的作用。 关键词:有云环境;卫星红外波段亮温;同化
异常对流经度差异对El Ni?o影响区域气候的分析
陈君杰, 孙即霖
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21085
摘要:
利用1979~2019年NOAA(美国国家海洋和大气局)月平均OLR资料,1960~2019年NCEP/NCAR(美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心)和ECMWF(欧洲中期天气预报中心) ERA5月平均再分析资料,以及East Anglia大学CRU地表气温观测资料,采用合成分析方法,探讨了热带太平洋异常对流纬向位置不同的El Ni?o事件对区域气候的影响。结果表明:基于热带太平洋异常对流活动纬向位置,研究El Ni?o事件对大气环流和区域气候异常的影响,可避免SST异常反映大气对流活动异常存在局限性的缺陷。超强El Ni?o事件中,热带太平洋异常对流位置偏东,位于140°W附近。热带东西太平洋异常下沉区偏东,导致澳大利亚东北部和巴西东北部从9月到次年2月严重高温干旱,而秘鲁和厄瓜多尔沿岸降水偏多。9~11月PNA(太平洋-北美)遥相关波列位置偏东,北美大槽显著减弱,使冬季北美大陆气温明显偏高。格陵兰岛到欧洲西北部位势高度偏低,亚欧北部显著偏暖。一般东部型El Ni?o事件中,异常对流位于赤道160°W附近。热带东西太平洋异常下沉区较超强事件偏西,导致澳大利亚西北部和南美西北部从9月到次年5月持续干旱,澳大利亚东部降水正常偏多。PNA波较超强事件偏西,北美大槽加深,秋冬季北美东部出现严寒。而El Ni?o Modoki事件中,异常对流位于180°附近,秘鲁和厄瓜多尔沿岸处于对流抑制区,降水偏少,受异常反气旋持续控制,澳大利亚大部分地区从9月到次年5月持续干旱。PNA波列更加偏西,冬季北美东南部偏冷。一般东部型事件和El Ni?o Modoki事件冬季,大西洋表现为NAO(北大西洋涛动)负位相,亚欧中纬度地区气温偏低。
基于微雨雷达的降水参数反演和粒子相态识别
王洪, 杨洁帆, 龚佃利, 王俊, 张佃国, 孙莎莎, 陈澍
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21210
摘要:
本文基于微雨雷达原始的后向散射信号,在功率谱计算、噪声去除、退模糊等处理的基础上计算了雷达基本参量, 并反演了液态降水参数,例如雷达反射率因子、雨强等, 同时采用RaProM算法对粒子相态进行识别。算法综合考虑粒子下落速度、等效雷达反射率因子、不同相态粒子的尺度特征以及是零度层亮带位置等信息,可识别的粒子相态包括雪、毛毛雨、雨、冰雹以及混合相态。选取了三个山东地区较为典型的个例对反演算法进行验证,即2021年7月2日典型层状云降水个例、2019年12月25日雨雪转换个例以及2018年3月4日零度层高度逐渐降低的降水个例。结果显示:粒子识别方法应用于典型层状云降水,垂直方向上不同相态粒子的分层较为明显,过冷层里的固态降水雪花、零度层附近冰水转换区的混合相态降水以及零度层以下的液态降水符合现有认识,验证了反演算法以及粒子识别算法的有效性。将结果进一步在雨雪转换降水相态识别中和零度层高度的检测,该反演算法均能得到较好应用,与同址同步观测的微波辐射计、云雷达、二维视频雨滴谱仪等观测结论一致。另外,与微雨雷达标准反演算法对比,RaProM算法的优势是没有粒子相态的原始假设,且考虑降水粒子向上的速度,反演结果与的微波辐射计、云雷达在垂直结构上有较高的一致性。与地面激光雨滴谱仪观测数据对比显示,该算法也有效提升了微雨雷达对雨滴谱和雨强的反演能力。
SR型与EAP型“结合模态”对2020年江淮入梅初期强降水的影响
郭紫薇, 王黎娟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21215
摘要:
利用ERA5逐日再分析资料和中国气象局提供的逐日站点降水资料,分析了丝绸之路型(Silk-Road, SR)与东亚-太平洋型(East Asia-Pacific, EAP)遥相关的“结合模态”对2020年江淮梅雨入梅的影响,结果表明“结合模态”可以触发江淮流域的持续性降水。2020年6月初,负SR型(Silk-Road)和正EAP型(East Asia-Pacific)同时出现,并且位相差达到6月份最大值,二者协同作用下导致2020年入梅时间异常偏早。主要表现为:(1)负SR型引起西风急流加速,促使急流入口区南侧的江淮流域上空出现强的高层辐散。(2)负SR型有利于南亚高压东移,正EAP型有利于西太平洋副热带高压西移,二者相向而行。负SR型和正EAP型于6月9日位相差达最大,此时南亚高压和西太副高重叠于120°E左右,有利于江淮流域持续性降水。(3)低层东亚中、低纬度有一对与正EAP型相关的异常“气旋-反气旋”环流,使低空(20~35°N, 100~125°E)盛行强西南气流,中纬度的偏北气流有利于干冷空气向南输送,与西南暖湿气流汇合于江淮流域上空,带来强烈的水汽辐合,也使得大气的局地上升运动更为强烈。
春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征
符诗怡, 施宁, 张东东
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21238
摘要:
本文利用1958~2019年日本气象厅逐日再分析资料(JRA-55),基于热力学方程,详细研究了北亚地区春夏季节转换前(第19至28候)平稳增温过程的热力学特征。结果表明,非绝热加热和气候温度平流有相反的变化趋势,它们交替主导着北亚春夏季节转换前的温度变化。在第22候之前,绝热的气候温度平流主导着北亚地区的增暖过程。但随着欧亚大陆中高纬度上的非绝热加热逐步增强,气候温度平流逐渐变为冷平流,使得非绝热加热成为主导项。线性斜压模式结果表明,非绝热加热除直接加热局地大气外,它还会在北亚地区强迫出气旋式环流异常和上升运动,从而引导着原位于新地岛附近的低压系统向北亚地区移动,进而在水平和垂直方向上引起绝热的冷平流。该冷平流部分抵消了非绝热的加热作用,最终在北亚地区形成平稳的增温过程。
赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控
姚彬彬, 施春华, 郭栋
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21254
摘要:
平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧亏损有重要指示意义。在1979-2020年ERA-5再分析资料中,早春北极平流层极涡年际变率与热带太平洋海温第二模态(主要空间型为赤道西太平洋海温异常)有关。通过CAM5数值模拟,进一步揭示了赤道西太平洋海温异常影响平流层极涡的途径:冬春季赤道西太平洋增暖时,在暖海温区深对流降水加强,异常的潜热加热通过Matsuno-Gill响应在其西北侧激发了Rossby波(对流层上层的高压异常)。该Rossby波沿大圆路径在北太平洋调整了北半球最强的槽脊系统的强度和位置,从而使得经向风1波分量的振幅减小,经向风3波和温度3波分量的位相差增大。两者分别减弱了下平流层的1波和3波的波作用通量上传,更少的涡动热量通量向极输送促进了春季北极平流层极涡增强。
超强台风“山竹”(1822)的闪电活动特征
张志伟, 郭凤霞, 初雨, 邹迪可, 鲁鲜, 吴泽怡, 刘舟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21229
摘要:
为了进一步认识热带气旋(TC)全生命期中闪电的活动特征,本文利用全球闪电定位网(WWLLN)资料、中央气象台的TC路径数据、FY-4A的相当黑体温度(TBB)数据和ERA5再分析资料,以2018年登陆中国的最强台风“山竹”为例,研究了其从生成到消亡全生命期中闪电活动的时空分布和随强度的变化特征,探讨了闪电活动与风圈半径及下垫面的关系。结果表明:(1)“山竹”中的闪电活动有明显的三圈结构,内核闪电密度最大,内雨带几乎没有闪电,外雨带闪电数量最多。内核闪电与外雨带闪电的主要发生时间不同,外雨带在远海也能产生大量闪电。(2)闪电活动的方位分布与TC强度、所处地理位置及环境密切相关,不同时期闪电方位分布不同。(3)闪击活动与风圈半径没有明确的关系,闪击活动多发于风圈半径较小的东南和西南方位。(4)TC快速增强前后,内核闪电活动对 TC 强度增强具有一定的指示作用。此外,内核区闪电活动与对流强度呈现较好的相关性。(5)岛屿和陆地的存在对于强对流的发展有着极重要的作用。气流遇到较高地形被迫抬升,形成闪电。TC西南方位距岛屿东南侧约300km的海面,水汽、热量充足且人为气溶胶较多,有利于上升气流的发展,进而产生闪电。这些认识有助于闪电资料在TC中小尺度强对流监测和预警中的应用。
华南冬季雾日年际变化特征及其与ENSO的关系
植炫惠, 徐海明, 马静, 植石群
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21159
摘要:
本文基于1979-2016年华南地区52个台站逐日雾观测数据和ERA5再分析资料等,采用EOF分解等多种统计方法,研究了ENSO对华南冬季雾日年际变化的影响,并进一步探讨了华南冬季雾日年际变化与ENSO关系的年代际转变。结果表明:(1)华南地区冬季雾日具有区域一致的变化特征,呈现出明显的年际变化和线性增加的趋势。在冬季,华南地区近地面层北风减弱,大气层结更加稳定,同时温度露点差降低,空气中水汽含量增加,为雾的形成提供了有利的背景场条件。(2)ENSO与华南地区冬季雾日的年际变化存在显著相关关系,在El Nino年的冬季,菲律宾海上空存在一个异常的反气旋环流,反气旋西侧的异常暖湿西南气流给华南地区带来充沛的水汽,有利于雾日的形成。La Nina年雾日的变化则与El Nino年相反。这种显著相关关系主要取决于大雾日数,而非轻雾日数。(3)ENSO与华南地区冬季雾日年际变化的关系在1996年前后出现明显年代际转折,在1979-1996年期间,两者相关性较弱,1997年之后相关性显著增强。这种关系的转变可能受到北大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO)的调控。
新疆山地锋面暴雨的锋生分析
申冬冬, 冉令坤, 杨帅, 李娜, 焦宝峰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21252
摘要:
本文充分考虑新疆复杂地形效应及锋面暴雨区湿大气的凝结潜热加热,1)发展了地形追随坐标下基于位温、相当位温、广义位温的热力学锋生函数和基于变形场的动力学锋生函数,阐述地形追随坐标下的锋生函数在研究复杂地形锋面过程的优势;2)从锋生过程更本质的温湿度梯度增大过程角度讨论四种锋生的优劣势,发现广义位温锋生和变形锋生与降水过程有更好的对应关系;3)借助新疆一次北天山到南天山的移动型锋面降水的WRF数值模拟,对广义位温锋生函数和变形锋生函数的主要强迫和对降水的作用进行诊断分析,结论表明动力学锋生在降水触发和减弱阶段有重要作用,由涡度散度变形的能量转换引起,热力学锋生主要作用于降水发展阶段,潜热加热是其主要强迫。实际应用中,近地层至中低对流层两类锋生的重叠区可指示未来降水移动方向。
基于雾微物理观测改进能见度诊断方案
芮雪, 陆春松, 银燕, 吕晶晶, 陈魁, 薛宇琦, 王元, 许潇锋, 王静
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21138
摘要:
为进一步提高雾中能见度的预报准确度,本研究基于安徽黄山光明顶2008年4~7月、2009年5~8月、2011年5~9月和湖北恩施山顶2009年1~3月的雾微物理等观测资料,建立了新的雾中能见度诊断方案,并加以检验。首先,对已有的能见度诊断方案进行比较,验证了能见度方案同时包含数浓度和含水量的重要性。其次,在已有的方案中,能见度与微物理量之间函数关系式的系数往往取作常数,但研究发现这些系数与微物理量本身紧密相关。本研究利用黄山2008年一半的雾观测数据建立了拟合系数与数浓度之间的关系,改进了能见度的诊断方案。最后,把黄山2008年另一半、2009、2011年和恩施2009年的数据作为独立数据,对改进后新方案进行验证,结果均表明新方案能更好的计算能见度。
冬季中尺度降雪系统暖输送带云微物理垂直特征的飞机观测研究
闫非, 杨洁帆, 董晓波, 王晓青, 薛学武, 张丹, 吕峰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21180
摘要:
本文利用飞机云物理探测系统观测数据,分析了2017年河北南部一次暖锋影响下的降雪云系微物理特征。受到西南涡暖锋暖湿输送带WCB(Warm Conveyor Belt)的影响,降雪前期云系可分为三层结构,上层为比较稀疏的冰云,冰雪晶单晶为主且粒径较小;中间层云厚与暖输送带厚度相当(0.9km),其中液水含量最大可达0.51g.m-3,冰晶非常稀少, 云内液态含水量廓线与绝热含水量非常接近;下层云为纯冰云,冰雪晶粒子数浓度比云系上部高两个量级,粒子谱宽显著大于云系上部,冰雪晶粒子形状以柱状、柱状束和霰粒子为主,霰粒子是云系高层的单晶在过冷水丰富的云层中凇附增长下落形成的,并通过Hallett-Mossop繁生机制产生大量柱状冰晶;暖湿输送带中丰富的过冷水对降雪前期冰晶凇附、繁生等微物理过程有极为重要的影响。降雪后期,700hPa急流轴移出观测区,云系垂直混合较为均匀,此时云中观测到的粒子以片状冰雪晶为主,在云系上部片状聚合体粒径较小,越向下片状聚合体粒径越大,体现了冰雪晶粒子在下落过程中的碰连增长。
不同强度环境垂直风切变影响下热带气旋外核区冷池特征
程晶晶, 李青青, 陈锦鹏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.21216
摘要:
本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析了不同强度的环境垂直风切变影响下热带气旋外核区近地面冷池特征。结果表明:外核区对流型和非对流型冷池在不同切变环境中表现出相似的特征。两类冷池均伴随局地位温、相当位温和水汽混合比的降低和近地面高压扰动,冷池厚度通常低于400m,平均强度4~6m/s,均远小于中尺度系统冷池,其中非对流型冷池的厚度和强度显著大于对流型冷池,表明外核区不同类型的冷池强度不仅和位温扰动有关,还取决于冷池厚度;冷池内普遍存在下沉运动,对流型冷池中向下垂直质量输送约为非对流冷池的两倍;下沉运动导致冷池局地高压的主要原因为云下降水粒子的蒸发冷却和雨滴拖曳作用,对流云中的凝结潜热释放则不利于地面高压发展,其中对流型冷池中次云层蒸发冷却和降水拖曳作用较强,导致该类冷池地面增压也较大。不同强度的环境垂直风切变对不同类型冷池特征也有一定影响。弱切变环境中外核区冷池多表现为尺度较小且分布离散的对流型冷池,随切变增强,冷池总数目和对流型冷池数目减少,而尺度较大且多位于层云降水区域的非对流型冷池增多,同时厚度加深、强度增强。环境风切增大还导致对流型和非对流型冷池造成的局地辐散出流均有所减弱但气旋式流速增强。
台风利奇马(1909)海温变化特征分析
李肖霞, 张雨潇, 曹晓钟, 张志龙
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.20247
摘要:
本文采用多源卫星融合数据、海洋气象漂流观测仪直接测量数据、Argo浮标的数据以及HYCOM分析数据集,分析2019年超强台风利奇马过境时海面温度(SST)以及海温垂直剖面的时空变化。结果表明,“利奇马”过境前后,SST最大降温可达5℃以上,并且降温区域集中在台风路径的右侧;“利奇马”过境导致近表层与次表层水体的垂直混合,次表层水体被加热,使混合层深度增加,深层海水温度升高。通过各类数据分析,发现“利奇马”过境后引起的SST降温核心区域的形成滞后于“利奇马”台风中心区域约1~2天。在各类数据的对比分析中,由于海洋气象漂流观测仪的数据是直接测量的,且采样频次高,能够更加细致和准确的捕捉到温度的变化,且可以作为用于卫星数据校正的重要参考。另外,不同海洋区域的降温还与海洋环境有关,台风靠近黑潮,降温主要集中在混合层,台风远离黑潮,降温可以延伸到温跃层。
青藏高原冬春积雪异常对中国东部夏季降水频次和强度变化的影响
李延, 陈斌, 徐祥德
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.22018
摘要:
基于多种大气再分析和降水资料、青藏高原台站、卫星观测等高原冬春积雪资料,采用合成分析、相关分析、回归分析等多种数理统计以及理想数值模拟试验等方法,分析了青藏高原冬春积雪异常与中国东部夏季降水频次和强度变化的关联及可能原因。分析表明:1)基于站点观测的高原积雪年际变化特征显著,大气再分析数据、卫星反演资料分析呈现出一致性变化趋势;2)高原积雪异常对中国夏季降水频次与强度分布的影响具有显著的空间差异。高原冬春积雪偏多,使得我国华北、长江中下游地区夏季降水发生频次增加,但华北中雨和小雨类型的增加占比较大,而长江中下游地区则主要表现为大雨和暴雨发生频次增加的贡献;3)积雪异常偏多年,高原热源作用减弱,500hPa位势呈现清晰的“负—正—负”异常波列结构,西风急流位置偏南并加强,副高脊线偏南;在上述环流条件下,西北太平洋异常反气旋北侧的气旋性环流使得水汽输送停滞在长江中下游流域,伴随大气垂直运动增强,导致该区域强降水的强度增强、频次偏多;华北地区受“鞍型”场环流结构控制,虽然较小量级降水频次增加,但水汽输送较弱,降水强度变化不显著。上述研究结果,可为高原积雪异常相关的中国夏季降水变化及其短期预测提供预示性信号。
利用改进的GoogLeNet深度学习模型识别COSMIC-2掩星信号中的反射信号
罗文杰, 项杰, 杜华栋
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21096
摘要:
GPS掩星探测技术作为一种先进的大气探测手段,已广泛用于数值天气预报,气候和空间天气研究。掩星探测存在的问题之一是容易受到地球表面反射信号的干扰,识别和分离掩星探测信号中的反射信号有助于将掩星数据同化到数值天气预报系统中去,具有重要意义。本文提出一种基于改进的GoogLeNet(Im-GNet)深度学习模型,并应用于COSMIC-2掩星探测数据来识别反射信号。本文选择了2020年1月1日至9日的COSMIC-2掩星数据(conPhs文件),进行质量控制后,利用无线电全息方法得到掩星信号的无线电全息功率谱密度图像,然后训练得到Im-GNet深度学习模型,Im-GNet模型测试的准确率达到了96.4%,显著高于支持向量机(SVM)方法的结果。本文还分析了反射信号对掩星数据的影响,掩星事件的地理分布以及掩星反演数据(atmPrf文件)与NCEP 12小时预报值(avnPrf文件)的折射率比较表明:有反射信号的掩星事件数据质量更好,所包含的大气信息更丰富。
西南地区一次典型冰冻雨雪复合极端灾害天气事件的环流特征及降水相态差异分析
陈媛, 周玉淑, 杨帅, 冉令坤, 颜玲
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21224
摘要:
在全球变暖气候背景下,复合型极端灾害天气事件频发。2008年以来我国南方冬季频发的雨雪冰冻,就是一种典型的复合型致灾极端天气事件。因此,本研究(1)分析了西南地区一次典型大雪冻雨复合天气事件的大雪与冻雨期环流特征及降水相态差异,揭示了二者的关联特征。冻雨发生在贵州境内的云贵准静止锋锋面强斜压环境中,降雪主要发生在四川北部,位于静止锋以北的冷区。降雪区和冻雨区的垂直环流存在显著差异:降雪区以上升运动为主,温度基本随高度递减;冻雨区大气中低层存在逆温层,导致温度层结出现冷-暖-冷的分布,垂直运动呈两层环流模态,低层的上升运动受到中层下沉运动抑制,强上升运动不易发展。(2)借助可综合表征环流特征和水汽相变的广义湿位涡理论,分别诊断大雪和冻雨发生发展时期的广义湿位涡分布特点,发现其斜压项的异常能更好体现准静止锋附近的大气斜压性,也可指示出大雪冻雨降水的落区及变化,可作为大雪冻雨区的动力识别特征量之一。(3)气压扰动方程计算表明,向下的扰动气压梯度力与浮力的平衡差异,是降雪与冻雨垂直环流特征差异的主要原因。本研究从环流特征入手开展雨雪冰冻复合极端灾害天气分析,可为复合降水相态预报和发电企业电力运行保障提供参考。
冬季12月和2月热带太平洋海温与东亚水汽输送关系的年代际变化机制研究
张胜龙, 孙博, 陈平
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21129
摘要:
利用1950~2019年NCEP/NCAR大气再分析资料、NOAA海表面温度资料以及ERA5垂直积分水汽通量资料,分析了冬季12月和2月热带中东太平洋海温与东亚水汽输送关系的年代际变化。结果表明,12月东亚上空经向水汽输送与热带中东太平洋海温的相关性在1980年代中期之前较弱,1980年代中期之后二者呈显著正相关;2月二者关系在1950~70年和1990~2010年呈显著正相关。12月东亚经向水汽输送与热带中东太平洋海温在1980年代中期之后呈显著正相关。包括两个原因,一方面是1986~2019年期间,热带中东太平洋海温通过太平洋-东亚(PEA)遥相关机制对12月东亚经向水汽输送的影响增强;另一方面是1986~2019年期间,12月热带中东太平洋海温通过影响环北半球遥相关型影响东亚水汽输送,当热带中东太平洋海温偏暖(冷)时,影响环北半球遥相关波列,导致东亚自南向北的水汽输送增强(减弱),该机制可增强PEA机制对东亚水汽输送的影响。2月东亚经向水汽输送与热带中东太平洋海温在1950~70年和1990~2010年呈显著正相关关系,主要是由于1950~70和1990~2010期间二者关系主要受PEA遥相关机制影响;而在1971~1989期间,2月热带中东太平洋海温可通过影响环北半球遥相关型影响东亚水汽输送,该机制可以部分抵消PEA机制对东亚水汽输送的影响,导致二者关系在此期间不显著。
基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究
张晋茹, 杨莲梅, 刘凡, 李建刚
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21112
摘要:
利用Ka毫米波云雷达与自动气象站降雨资料,研究了西天山地区2019年和2020年5-8月的降雨云宏微观特性。结果表明:(1)降雨主要发生在夜间,累积降雨量集中在21:00至次日07:00,降雨频次和累积降雨量相关系数为0.71。大雨强频次虽最少,但对总累积降雨量贡献较显著;(2)小雨强、中雨强、大雨强平均反射率因子最大值分别为30 dBZ、35.8 dBZ和39.5 dBZ,最大平均液态水含量分别为1.5 g·m-3、4.2 g·m-3和7.3 g·m-3;(3)不同降雨强度对应的反射率因子都有两个集中区域,2.0~4.4 km反射率因子集中在15~26 dBZ,地面附近的小雨强、中雨强、大雨强对应的反射率因子分别集中在24~32 dBZ、29~38 dBZ和31~42 dBZ。1.75 km以下中雨强和大雨强液态含水量小于1 g·m-3的频率明显少于小雨强,降雨强度的越大降雨粒子径向速度越集中。
2018年1月江苏两次暴雪过程积雪效率差异及其机理研究
韩汶君, 虞越越, 周雨蒙, 陈圣劼, 管兆勇, 黄蔚, 吴雯璐, 廖良梦
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21065
摘要:
2018年1月3-5日江苏第一次暴雪过程中降雪量大、积雪效率偏低,而1月24-28日第二次暴雪过程降雪量小、积雪效率高。基于ERA-Interim再分析资料和中国气象局积雪、近地气温等观测资料,利用等熵大气质量环流理论从温度、水汽条件差异对2018年1月江苏两次暴雪过程积雪效率差异进行了深入分析。研究表明:(1)第一次过程前期,深厚且强盛的向极地暖支将大量暖空气输送至江苏南部,导致该地区整层增温;第二次过程中,低层强大的向赤道冷支输送使地面温度在整个降雪期间均低于0℃,低温条件使得积雪效率偏高;(2)第一次过程,江苏地区深厚、强盛的水汽质量辐合层配合大范围上升运动,将水汽携带至高层产生更大降雪量,低层经向水汽质量输送强,纬向水汽质量辐散较弱,使得近地面比湿相应增加,积雪效率偏低;第二次过程,低层深厚的水汽质量辐散层不利于水汽在江苏汇聚,低湿条件利于积雪累积,贡献于偏高的积雪效率。因此,异常强的经向干冷空气质量输送和弱的经向和纬向水汽质量输送引起的低温、低湿环境条件是造成第二次暴雪过程比第一次过程积雪效率偏高的主要原因。积雪效率与温度和湿度空间分布型的对比分析还表明:在相对高温、高湿的环境条件下,积雪效率对局地温度和湿度的响应更为敏感。
两类厄尔尼诺背景下MJO对太平洋阻塞频率的调节作用
高铭祥, 杨双艳, 王强, 李天明
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21105
摘要:
本文基于1979–2019年ERA-interim逐日再分析数据和二维阻塞指数,探究了两类(中部型和东部型)厄尔尼诺背景下热带季节内振荡(MJO)对太平洋地区阻塞频率的调节作用。本研究选取出现频次较高且平均振幅较强的位相3和7进行研究。结果表明,在两类厄尔尼诺背景下MJO第3位相期间,MJO激发的遥相关位置相似,均对应极地地区(白令海地区)正(负)的位势高度异常,从而使高纬度太平洋地区均出现正的阻塞频率异常。在东部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相(EP7)期间中高纬太平洋地区存在正的阻塞频率异常。但是在中部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相(CP7)期间没有大范围显著的异常阻塞频率。这是因为EP7期间副热带西风急流偏北,使得MJO的遥相关可以传至50°N以北,引起中高纬度地区有利于阻塞频率增加的位势高度异常。然而CP7期间西风急流偏南,使得对应的遥相关仅能传至40°–50°N之间,对高纬度地区的位势高度影响较小,导致该时期内没有大范围显著的阻塞频率异常。最后本文使用ECHAM4.6气候模式验证了上述结论。
中国和印度主要地区黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究
蔺惠娟, 李沐阳, 庄炳亮, 陈慧敏, 魏雯, 高伊曼, 王体健, 李树, 陈璞珑
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21163
摘要:
黑碳 (BC) 气溶胶对区域和全球气候变化具有重要影响。中国和印度是世界上最大的人为BC排放国。本文使用新一代的区域气候模式 RegCM4 研究了在冬季来自印度和中国主要地区的 BC 排放对于东亚气候的直接影响。结果表明:来自两地的总BC柱含量、大气顶和地表有效辐射强迫在东亚分别为1.784 mg/m2 、+1.982 W/m2和-2.170 W/m2。中国大陆和印度BC对区域气候的影响各不相同。印度BC会导致区域850 hPa附近和地表气温降低,而中国BC会导致区域850 hPa附近变暖和地表气温降低。此外,中国大陆BC由于排放更多、分布范围更广,因此造成东亚地区的气候响应更强,在调节东亚区域气候方面发挥着主导作用。总体来看,两地BC会造成850 hPa附近云量减少0.21%,850hPa附近气温升高 0.014 K,日照时数减少0.135 h/day,地表气温下降约0.091 K,感热通量下降1.161 W/m2,地表蒸发量下降0.027 mm/day,边界层高度降低7.072 m,一次有机碳柱含量下降0.027 mg/m2,硫酸盐气溶胶柱含量上升0.035mg/m2。研究结果进一步反映了东亚冬季气候对不同排放BC 的直接响应表现出了一定的非线性。
不同污染背景下云滴谱离散度对云降水模拟的影响机理
李丹, 徐晓齐, 贾星灿, 陆春松, 邱玉珺, 邵乃父, 邹沁垚
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21190
摘要:
云滴谱离散度是云雨自动转化过程参数化中不可忽视的重要参数,对地面降水有着重要的影响。本文利用WRF-Chem (The Weather Research and Forecast coupled with Chemistry) 模式,对发生在2019年1月3日至6日长江中下游地区的一次降水过程进行了模拟。在清洁和污染的气溶胶背景下,设定不同的云滴谱离散度的数值(0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0),研究云降水微物理的变化。结果表明,该个例的降水主要来源于云雨自动转化以及云雨碰并过程。在清洁条件下的地面累计降水量大于在污染条件下的累计降水量,这是因为在清洁条件下云滴数浓度小,有利于云雨自动转化以及云雨碰并过程。虽然云雨自动转化以及云雨碰并过程占主导,但导致地面累计降水量随云滴谱离散度增大而增大的主要原因是:随着云滴谱离散度的增大,冰粒子质量浓度增大,导致融化过程增强,产生更多的雨滴,从而增强地表降水。所得结果将提高云降水对气溶胶和离散度响应过程的理论认识。
山东夏季两次极端雨强暴雨雨滴谱特征研究
王俊, 姚展予, 侯淑梅, 王洪, 张秋晨, 龚佃利
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21104
摘要:
利用Thies激光雨滴谱仪观测的两次极端雨强暴雨雨滴谱资料,结合CINRADA/SA多普勒雷达观测资料,分析了极端雨强对流降水雨滴谱和积分参数特征、以及地面雨滴谱的形成机制,主要结论为:(1)两次过程都是受副热带高压外围西南气流与西风槽共同影响,具有高温高湿的特点,有利于强降水的产生。(2)强对流降水(雨强R>20 mmh-1)雨滴谱参数lgNw、D0与雨强R关系显示,2015年8月3日参数D0随着R增大很快增大,线性拟合线的斜率较大,lgNw随着R增大逐渐减小,线性拟合线的斜率为负值;2017年7月26日D0和lgNw与R都是正相关,但D0和lgNw随着R增大较缓慢地增大,线性拟合线的斜率较小。强对流降水雨滴浓度NT与雨强R之间的关系可以用幂函数拟合,8月3日有较大系数和较小指数,7月26日有较小系数和较大指数。(3)不同雨强的对流降水平均雨滴谱特征显示,8月3日随着雨强增大(R>50 mmh-1),直径1-3mm中小粒子数密度相差不大,直径3-6mm的大雨滴粒子数密度明显增大,对流降水Z-R关系有较大指数(1.61);7月26日随着雨强增大各直径档的粒子数密度基本同时增大,对流降水Z-R关系有较小指数(1.25)。综合各种参数与雨强关系和平均雨滴谱分布特征判断,8月3日强对流降水雨滴谱属于典型的尺寸控制雨滴谱特征,而7月26日对流降水属于浓度-直径混合控制的雨滴谱特征。(4)雨滴谱归一化Gamma函数参数Nw-D0分布显示,两次对流降水具有典型大陆性对流降水雨滴谱特征,对流降水主要属于冰相对流降水雨滴谱,但8月3日过程有较多雨滴谱属于冰相-暖雨混合对流降水雨滴谱特征。
基于热带和热带外独立影响途径的中国东部 冬季阴天频次的季节预测
谭辉, 朱志伟, 蒋薇, 郝立生, 李琳菲
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21117
摘要:
本文利用中国东部1078个测站1961-2003年逐日云量数据资料,揭示了中国东部冬季阴天频次主模态的时空分布特征,探讨了其形成的两条独立影响途径,并根据影响机理建立了季节预测模型。结果表明:(1)中国东部冬季阴天频次的经验正交函数分解第一模态独立且显著,解释了其59%的总方差。该模态基本呈现空间一致型的分布,表现出显著的年际变率特征。当该模态为正位相时,北太平洋对流层低层存在显著的大尺度反气旋环流异常,其西侧异常偏南风能够将热带海洋的水汽输送至中国东部地区,导致该地区阴天频次增多;(2)前期8月和9月北太平洋副热带持续性海温异常的纬向偶极型分布(NPD)和副热带北大西洋海平面气压9至11月的短期变化(LPA)是该模态的两个主要驱动因子。当NPD中的西极为冷异常时,在局地低层气旋性异常环流的作用下冷海温异常向南平流,发展至热带西太平洋。而当热带西太平洋冷海温异常形成后,皮耶克里斯反馈作用能够发展和维持太平洋“西冷东暖”海表温度异常分布。“西冷东暖”的海表温度异常导致的热带纬向偶极型对流异常能够进一步激发北太平洋“北正南负”的偶极型高度场异常。北部反气旋异常西侧的偏南风有利于水汽输送至中国东部,从而导致阴天频次增多;LPA主要反映的是中高纬准定常罗斯贝波列由秋季至冬季的迅速转变。当副热带北大西洋海表面气压在前秋由正转负时,罗斯贝波列在东北亚上空冬季形成准正压的异常反气旋,其西侧偏南风异常同样能够导致中国东部阴天频次增多;(3)依据以上热带和热带外的两条独立影响机理途径,我们建立了具有物理意义的季节预测模型,利用2004-2013年间数据进行独立预测获得良好预测效果,可供业务预测部门参考和借鉴。
中南半岛和华南地区极端降水时空特征
成泽伦, 谢作威, 布和朝鲁, 巩远发, 简俊, 赖晟
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21120
摘要:
全球变暖使得极端降水事件的强度和频率均呈上升趋势,位于亚洲季风区的中南半岛和华南(INCSC)地区更易受到极端降水影响而发生洪涝灾害。本文利用逐日降水资料对1951~2015年INCSC地区湿季(5~10月)的极端降水事件进行客观分类,并对每一类极端降水事件的环流特征及年际、年代际和长期趋势特征进行了分析。结果表明:(1)根据降水中心位置,INCSC地区的极端降水可客观分为华南类、中南半岛类、缅甸—云南类和华南南部—越南北部类,它们所联系的大尺度流型(Large-scale meteorological pattern,简称LMP)以中高纬波列和热带偶极子环流为主。其中,华南类的LMP在对流层高层为类似于东亚—太平洋(East Asia-Pacific,简称EAP)遥相关型的“+ ? +”经向型波列,但中心位置较典型EAP型偏西南,中东部的负异常环流为关键系统,低层为位于低纬度地区的“+ ?”经向型波列。中南半岛类LMP特征为热带偶极子异常环流,对流层低层较高层更为显著宽广。其余两类极端降水LMP在对流层高层受Rossby波列影响,低层主要为偏弱的热带偶极子环流特征。(2)INCSC地区极端降水的频次呈显著上升的趋势,主要来自于华南类和中南半岛类极端降水的贡献。经向型波列的LMP频发是造成华南类极端降水增多的原因。(3)中南半岛与华南地区极端降水的空间分布具有反对称特征,从中南半岛类的角度看,阿拉伯海经中南半岛至南海的低压环流稳定维持不利于在华南地区形成极端降水。
四川盆地夏季降水年际变化的主模态分析
郑然, 陈丽娟, 李维京, 王顺久, 马振峰, 梁宁, 刘嘉慧敏
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21167
摘要:
利用1979-2018年四川盆地134站夏季降水观测资料、ERA-Interim再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海表温度及海冰资料,对比分析了四川盆地夏季降水异常主模态及其同期大气环流和前期海温海冰演变特征的差异,以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明:四川盆地夏季降水存在两类优势空间模态:全区一致型和东西反相型,在20世纪80年代多出现东西反相型,90年代到21世纪初以一致型为主,进入21世纪10年代后又多表现为东西反相型。不同模态所对应的大气环流和海温海冰的演变具有明显差异,全区一致型降水分布受低纬系统影响显著,在500hPa高度场上主要表现为西太平洋副热带高压的位置及强度异常;850hPa风场为辐合或辐散特征,受到来自孟加拉湾、南海、西太平洋三条水汽通道的共同影响,其中与南海水汽通道的相关性最高,一致型降水多/少年水汽在盆地区域南北边界为同收/同支;环流可能受到前期ENSO事件衰减的显著影响。东西反相型降水分布受中高纬环流的影响较大,在500hPa高度场上的特征类似于极地欧亚型(POL)遥相关;水汽在区域南北边界为一收一支,西多东少型为南收北支,而西少东多型为北收南支,与西太平洋水汽通道关系显著;环流可能受到前期北极海冰异常的影响。
春季北大西洋三极型海温异常模态与中国东部极端低温事件频次年际变化关系的年代际增强
梁静, 孙建奇, 洪海旭, 艾雅雯, 华维
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21172
摘要:
本文研究了春季北大西洋海温异常与中国东部极端低温事件频次年际变化之间的关系。结果表明,北大西洋三极型海温异常模态(NATSST)在20世纪80年代末后可以显著影响中国东部极端低温事件频次第一主导模态的变化,但在80年代末之前却不能。进一步的机制分析表明,这两者关系之所以发生年代际变化,可能与NATSST激发的遥相关波列在20世纪80年代末前后期不同有关。在1960-1987年,NATSST激发的遥相关波列从北大西洋向中亚南部地区传播,路径偏南,对东亚地区大气环流的影响较弱,从而不能显著影响中国东部地区极端低温事件的变化。但在1992-2019年,NATSST能够激发南、北两支遥相关波列到达东亚。其中,北支波列与北大西洋涛动(NAO)有关,该波列从北大西洋出发沿欧亚中高纬向东传播,可以在蒙古地区造成异常气旋/反气旋性环流;南支波列从北大西洋出发沿欧亚中低纬向东传播,可以在中国中南部造成异常气旋/反气旋性环流。上述气旋/反气旋性环流有利/不利于中高纬冷空气南下,同时改变中国东部地区地表热通量,从而造成有利/不利于极端低温事件发生的气候背景条件,使得中国东部地区极端低温事件频次增加/减少。通过上述物理过程,NATSST在20世纪80年代末之后可以显著影响中国东部春季极端低温事件频次的年际变化,而在80年代末之前则不能。
四川盆地一次暴雨过程中的穿透性对流形成机理分析
赖子洋, 周玉淑, 葛旭阳, 邓国
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21174
摘要:
2019年8月18日至22日,高原东侧到四川盆地西部发生的一次暴雨过程与穿透性对流的发生发展密切相关。为揭示此次穿透性对流的形成机理和过程,本文利用欧洲中心再分析资料ERA5以及高分辨数值模式(WRF)的模拟结果进行了分析。结果表明,此次穿透性对流过程发生在中国沿海地区大范围对流层顶折叠导致盆地以东的上空出现平流层位涡(PV)下传的特殊天气背景下。穿透性对流的形成主要分为三个阶段:(1)中低层对流的触发。由于大陆高压西伸,四川盆地附近气压梯度加强引起低空急流发展,在其左侧产生气旋性切变,同时引起与高原东南侧大地形正交的抬升气流分量增强。地形动力抬升叠加气流辐合抬升在不稳定层结下触发对流。(2)对流层高层上升运动发展。这主要与湍流扩散导致的平流层持续下传的PV气团在非绝热加热作用下的发展有关。高层东风气流背景下,正PV异常的右侧为上升运动,使得300 hPa以上至下平流层出上升运动的发展增强。(3)盆地附近的高中低层上升运动垂直耦合叠加,形成穿透性对流。中尺度对流系统层状模态的发展以及干燥环境下水汽的蒸发冷却导致300 hPa至600 hPa出现下沉运动。下沉运动造成的局地干冷侵入,既加强了上空“下湿上干”的不稳定层结,也加强了中低层的气流辐合,导致原中层300-600 hPa附近的下沉运动转为上升运动。低层由于正涡度倾斜发展,上升运动得以维持。由此,四川盆地上空的上升运动出现整层的垂直叠加耦合,表现为从对流层低层到平流层底的一致性上升运动,穿透性对流形成,导致后期降水增强。
雨滴谱分布参数化对改进新疆强降水过程预报的评估研究
舒未希, 范水勇, 黄颖, 任婧, 沈淑婧
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21204
摘要:
本文利用2018年7月3日-2018年10月3日新疆乌鲁木齐的雨滴谱观测资料,改进了乌鲁木齐区域高分辨率数值预报系统中WRF模式的WSM6单参数方案,对新疆2021年6月15日12时-17日00时一次强降水过程的预报改进效果进行评估研究。结果表明:观测显示,乌鲁木齐地区雨滴平均直径(D0)、最大直径(Dmax)和质量加权平均直径(Dm)分别为0.65 mm、1.60 mm和0.93 mm。引入新疆地区参数lgNw和Dm拟合关系的WSM6-new方案对降水强度和强中心范围的预报能力均有一定提高。从TS、BR、ETS和TSS四个指标的评分结果上看,随着降雨等级的增加,WSM6-new方案预报能力相比WSM6方案明显提高,对于大雨和暴雨的预报显示出明显的优势。不同雨滴谱分布参数化方案对降水云系结构特征、垂直速度、大气层结和散度场都有着一定的影响,对于云微物理过程的影响主要体现在雨水含量和分布上。WSM6-new方案引入了新疆雨滴谱统计特征,在模式中对雨滴谱分布的描述更接近实际。雨滴谱的大雨滴数浓度明显增加,雨滴下落末速度增加,拖曳作用增强,有利于零度层以下的下沉气流增强和维持。强下沉气流在近地层形成更强的辐散出流,加强了近地面对流区气流的辐合,有利于上升气流的发展加强,从而地面产生更强的降水,对暴雨的预报能力明显增强。
西北太平洋7-8月热带气旋累积能量的统计预报
周洁安, 陶丽, 谢子璜
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21207
摘要:
本文主要利用信息流特有的因果关系,从海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)场和各种海气指数中挑选引起西北太平洋(Western North Pacific,WNP)1979-2020年7-8月份热带气旋累积能量(Accumulated Cyclone Energy,ACE)主导模态年际变化的因子,利用多元线性逐步回归方法进一步筛选预报因子并建立预报方程。由经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解得到的7-8月ACE前两个主导模态分别是海盆一致型和偶极型,海盆一致型主导模态对应的主成分时间序列(Principal Component,PC)预报因子为:超前3个月的海洋性大陆和北太平洋中部SST、超前5个月的准两年振荡指数(Quasi-biennial Oscillation,QBO)以及超前11个月的热带印度洋偶极子指数(Tropical Indian Ocean Dipole,TIOD);偶极型主导模态对应的PC预报因子为:超前2个月的北大西洋北部SST、超前12个月的日本海沟SST、超前7个月的大西洋经向模指数(Atlantic Meridional Mode,AMM)和超前8个月的北大西洋涛动指数(North Atlantic Oscillation,NAO)。根据这些预报因子建立PCs预报方程,预报的PCs和观测PCs的相关系数分别达到0.75和0.77,均通过α=0.01的置信水平。进而运用交叉验证法检验预报模型的后报技巧及稳定性,发现所建的两个模型预报效果较好。1980-2020年间预报和观测的WNP区域平均ACE距平值的时间相关系数达到0.76,WNP范围内ACE距平场的空间相关系数平均达到0.35,预报模型对主导模态重构拟合较好的年份预报技巧也较高。
新冠疫情防控措施对昆山市空气质量的影响
吴珂, 陈慧敏, 汪婷, 庄炳亮, 王体健, 夏蕴玉, 吴俊梅
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21171
摘要:

为了应对新冠疫情,昆山市严格遵守国家防疫规定,自2020年1月24日开始采取了严格的封锁管控措施。以机动车活动为首的人为排放量因而减少,空气质量也因此发生变化。利用昆山市环境监测网络,并结合气象观测系统,综合运用数理统计和空间分析方法,针对疫情防控前期(2020年1月1日-1月20日)和疫情管控期间(2020年1月27日-2月15日)两个阶段,调查人类活动模式变化对昆山市空气质量的影响。结果表明,昆山市污染治理工作取得良好进展,与过去3年同期(1月1日至2月15日)相比,颗粒物(PM2.5和PM10)超标天数减少了4天,但日最大8小时臭氧浓度(MDA8 O3)升高了14%,表明严重的O3污染已不局限于夏季,而即将成为全年多发性问题。由于疫情期间以交通部门为首的排放量减少,O3的重要前体物二氧化氮(NO2)以及颗粒物浓度均显著下降,疫情管控期间内MDA8 O3的升高(62%)。选取污染个例研究发现,即使在减排的情况下也可能发生严重的污染事件,因而气象条件对空气质量的影响是不可忽视的。本研究进一步了解了昆山市主要污染物在冬季的浓度特征,并探究了人为源及气象要素对污染物的影响,也将为长三角城市尺度的气溶胶的模拟和预测结果提供科学参考。

基于火箭和高炮真实催化轨迹的一次对流云消减雨的数值模拟
刘卫国, 史月琴, 党娟, 陶玥, 周毓荃
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21077
摘要:
效果评估仍是人工影响天气研究面临的困难问题,数值模式在催化效果的评估方面有望发挥更大作用,建立能够模拟真实催化过程的数值模式是一条可行的途径。本文对一套三维中尺度催化模式进行了改进,采用了新的碘化银核化计算方案,并在模式中增加了人工冰晶预报量及相关微物理过程,实现了对地面火箭和高炮作业方式的仿真模拟。使用改进后的模式,采用500m的高水平分辨率,模拟了2019年9月1日华北中部一次对流云系的人工消减雨作业过程,对催化作业的消减雨效果进行了数值评估,并对碘化银在对流云中的核化特征及其催化作用机制进行了分析。结果表明:1)催化作业对目标云系的雷达回波强度产生了一些影响,催化导致更多降水粒子漂浮在高空,使得云体上部的回波强度略有增加,云体中下部的回波强度减弱,但催化作业并未改变目标云系雷达回波的自然演变趋势。2)催化作业达到了一定的消减雨效果,作业区下游出现大面积减雨区,降水总量减少,降水强度减弱,最大减雨量0.27mm,主要影响区的平均减雨率为5.1%。3)碘化银催化剂主要的核化方式为凝结冻结核化,其次为接触冻结核化。4)催化作业造成了过量播撒,人工冰晶的成长占据竞争优势,它抑制了过冷层中其他水成物的自然增长过程,人工冰晶的凝华增长是导致云中水汽和云水消耗量增加的主要原因,凝华潜热的释放最终也引起云中垂直气流发生变化。5)冷云降水是此次降水的主要物理机制,受催化的影响,暖层中霰融化过程(Mgr)的减弱导致雨滴总质量减少,这是降水减弱的主要原因,落入暖层下部的雨滴数量减少则是降水减弱的另一原因。
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。
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。
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。
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。

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%)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
山东地区一次夏季极端暴雨中尺度系统发展演变过程及机理分析
龚琬丁, 周玉淑, 钟珊珊, 沈新勇, 李小凡, 邓国
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.21261
摘要:
对2020年7月22日山东半岛一次极端暴雨天气过程开展观测分析,并利用中尺度模式WRF对此次局地降水过程进行了高分辨率数值模拟,对暴雨过程进行了天气背景和中尺度降雨的诊断。WRF模式较好地再现了此次极端暴雨过程,结果表明:此次极端暴雨过程短时降水强度大且局地性强,在时空上具有明显中尺度特征。降水发生在北抬副高与华北低涡底部之间的西南气流中,强低涡与低空急流是影响此次降水的重要天气系统。西南急流为本次暴雨过程极端水汽的主要输送载体;在弱高空辐散场下,从地表延伸至500hPa高空的深厚低涡是造成本次暴雨的主要影响因子,其时空演变特征与中尺度云团变化一致,与暴雨的发生直接相关。低涡、低空急流和副高之间的相互作用使低涡加强发展,低涡南北部分别有暖湿和干冷气流入流,比湿梯度基本呈现为自南向北递减分布,是典型的伴有低空急流的中尺度低涡流场分布;低涡辐合及其与副高边缘强风速带的共同作用,导致强垂直运动发展并维持,是该次造成本次山东半岛极端暴雨的重要原因。
新疆塔里木盆地2021“7.19”暴雨水汽特征的初步分析
张俊兰, 李如琦, 李海花, 李娜, 施俊杰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21153
摘要:
新疆塔里木盆地是世界著名干旱区,年均降水量不足100 mm,2021年 7月19日前后盆地出现罕见暴雨过程,最大累积雨量和日雨量为107.3 mm和78.5 mm(均达新疆大暴雨量级),通过分析此次暴雨水汽特征得出以下结论:(1)首次提出南亚高压“匀双体”概念,100 hPa南亚高压“西高东低”转“匀双体”过程中,500 hPa伊朗高压与高原反气旋、中亚低压与印度低压以及高原涡共同架构了“两高夹一低”环流形势;(2)揭示了在伊朗高压稳定反气旋环流下,阿拉伯海与孟加拉湾北部洋面的水汽进入盆地的大尺度环流及物理机制。阐明盆地暴雨水汽主源地为地中海及以西洋面、中亚地区、阿拉伯海和孟加拉湾,水汽输送有西方、东转西、西南+南方3条路径与轨迹,指出伊朗高压南侧东风和中亚地区西风在“东转西”水汽输送中具有关键作用,阿拉伯海和孟加拉湾的东风北上后与西风带汇合形成的水汽输送带是此次暴雨发生的重要条件。(3)水汽由西、南、东3个边界输入,东边界水汽收入主要源于低层东风,西和南2个边界水汽收入源于中高层3条路径,“西南+南方”路径水汽输送致使南边界水汽输入贡献明显大于西边界。塔里木盆地暴雨既要重视中亚低压,更要关注能否出现中亚低压与印度低压、高原涡共存并影响的大气环流场。
海表温度的增暖趋势和自然变率对长江中下游夏季极端降水强度的影响
欧立健, 余锦华, 钟校尧, 张旭煜
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21221
摘要:
极端降水引起的洪、涝等灾害每年给我国带来极大的人员伤亡和经济损失。全球增暖使极端降水事件发生的频率增加,强度增强。但是针对不同区域极端降水事件,其贡献究竟如何还有待于进一步认识。本文以我国长江中下游地区的极端降水事件为研究对象,通过典型年份夏季区域极端降水过程的水汽收支特征,探讨海表温度(SST)的增暖趋势和自然变率强迫对该区域典型极端降水强度的影响效应。结果表明:1)极端降水过程及其夏季都伴随着区域整层大气的水汽辐合,且水汽辐合发生在经向方向。西北太平洋异常反气旋式环流,在区域南边界形成了稳定的西南风异常的水汽输送。2)典型极端降水过程发生的夏季,SST在赤道印度洋和热带大西洋为强正异常,主要为增暖趋势的贡献,赤道中东太平洋SST异常表现为La Ni?a型。3)SST增暖趋势和自然变率的数值敏感性试验表明,1998、2017和2020年的SST增暖趋势强迫的区域水汽辐合分别是其自然变率强迫的83%、210%和107%,SST增暖趋势比自然变率的影响更为重要。4)SST增暖趋势和自然变率都是通过强迫西北太平洋异常反气旋式环流,引起长江中下游区域南边界异常的西南水汽输送,是导致极端降水发生的主要过程。
2020年“6.26”冕宁致灾暴雨成因观测分析
齐铎, 崔晓鹏, 邹强利
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.21146
摘要:
利用自动站、探空、雷达等观测数据,结合ERA5再分析资料,从环流背景、水汽条件、局地探空特征、对流系统演变以及地形影响等方面,分析了“6.26”冕宁致灾暴雨的可能成因。结果表明:(1)暴雨期间,500 hPa环流形势相对稳定,伴随中纬度槽东移和副高西进,二者间西南气流显著增强,影响四川地区;盆地低涡北部非地转风风向随时间顺时针变化,使夜间向低涡中心辐合的气流增强,促进低涡发展;盆地低涡西部的偏北气流和攀西高原的西南气流同时增强,使局地环流发生变化,改变降水区低层动力和水汽辐合条件,决定降水起止。(2)因对流触发原因不同,可将冕宁暴雨过程分为两个阶段:前期,受地形和冷池出流抬升影响,以及叠加其上的中层辐合的接力抬升作用,西南暖湿气流冲破对流抑制,在灵山寺西南侧山前形成强对流单体,强对流单体随引导气流向东北移动到灵山寺站,带来强降水;后期,受山前地形阻挡和山后源自盆地的冷空气的共同作用下,西南暖湿气流辐合上升运动的强度和伸展高度同时增加,水汽辐合加强,灵山寺站附近不断有质心高度较低的强回波单体生消,降水强度显著增强。
基于雷达-雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力
李梦迪, 戚友存
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21201
摘要:
高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。幸运的是,雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水(QPE)产品估测精度易受雷达观测偏差和Z-R关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达-雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达-雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度,最后,结合降水类型,通过雷达-雨量计降水融合算法,产生高时空、高精度雷达-雨量计降水融合产品。通过郑州21·7暴雨、台风烟花和2021年8月随州暴雨三个典型地极端降水事件,对雷达-雨量计降水融合算法产生的雷达-雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水事件和不同的降水时段,雷达-雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上能够较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达-雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好的捕捉和监测能力。
“21?7”河南暴雨水汽源地追踪和定量贡献分析
崔晓鹏, 杨玉婷
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2203.22016
摘要:
2021年7月19~22日,河南省部分地区出现极端暴雨(简称“21?7”河南暴雨),造成严重城市内涝和人员伤亡。本文借助降水观测资料和再分析数据,分析了此次暴雨过程的大尺度环流形势,并利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART及水汽源区定量贡献分析方法,考察了暴雨过程的水汽源地、输送路径和源区水汽定量贡献。结果表明:此次暴雨期间以及暴雨发生前数天,东亚地区500 hPa环流形势极为稳定,西太平洋副热带高压(简称副高)异常偏北,与北侧高压脊连通、位置少动,欧亚大陆高空槽偏西,东亚中高纬环流显著平直,暴雨过程期间,热带气旋“烟花”和“查帕卡”与副高等持续协同影响,建立明显水汽输送通道,提供充足水汽,河南暴雨区维持显著近地面湿区和高可降水量;向前追踪数天发现,暴雨区目标气块主要来自西北太平洋和中国南海等地,且所处大气高度较低,此外,还有少量气块来自日本海附近和欧亚大陆中部(所处高度相对较高);定量贡献分析显示,水汽主要来自河南南侧中国中东部大陆(D)和西北太平洋(F),前者水汽贡献率(52.59%)达后者(25.51%)2倍以上,此外,河南暴雨区(T,3.68%)、中南半岛-中国南海(E,3.32%)和暴雨区北侧亚洲大陆(B,2.28%)也有一定贡献;目标气块在D区域水汽摄取量最大,略高于F区域,但前者沿途损耗率较明显低于后者,造成D区域水汽贡献显著高于后者;B区域水汽摄取量略高于E区域,但其沿途损耗和未释放部分占比之和高于后者,导致后者水汽贡献相比略高;此外,T区域也有不可忽视的降水再循环率;延长向前追踪天数后,目标气块轨迹和各源区水汽摄取与贡献率相对变化不大,但所有源区水汽总贡献明显提升,可见,对于类似此次河南极端特大暴雨的强降水过程的水汽来源追踪而言,适当延长追踪天数十分必要。
基于波作用方程的南疆西部干旱区暴雨的组织化机理研究
李娜, 冉令坤, 焦宝峰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21245
摘要:
本文采用位涡波作用密度和波作用方程,对一次南疆西部干旱区暴雨的组织化过程和机制进行了诊断研究,对影响暴雨对流系统组织化的关键物理过程进行了细致分析和讨论。位涡波作用密度耦合了多种影响对流云体演变的大气动热力扰动,能够良好描述对流系统的组织化过程。以此为基础,描述位涡波作用密度变化的波作用方程能够用来研究驱动对流系统组织化发展的物理因素。研究发现,波作用方程诊断得到的多个物理过程与扰动斜压性、扰动风切和扰动涡度的发展演变有关,表明它们对对流组织化有重要作用,多条东西向的对流线发展为东北-西南向的带状对流系统过程中,包含强对流的维持和南北尺度的增大;其中对流线在东北向弱对流的发展增强与基本态气流对强对流区的热力输送引起扰动斜压性增强有关;影响对流线中部强对流的维持和南北向的发展的关键过程包括:上升、下沉气流引起的热力输送导致对流线内扰动斜压性增强,扰动西风与扰动东风形成气旋性环流引起经向切变环流增强,及扰动经向风将扰动纬向风切变向对流中心区输送引起纬向切变增强、垂直环流增强。该研究表明,对流系统的组织化是大气多种动热力扰动演变和配合的结果,通过波作用演变方程能够比较清晰体现其中的关键过程,且波作用方程为波作用密度倾向,未来可探讨其对对流系统组织化的预报意义。
诱发四川冕宁“6.26”山洪灾害的突发性暴雨特征及其形成机制
陈博宇, 谌芸, 孙继松, 陈涛, 陈朝平, 胡宁
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2201.21186
摘要:

基于多源观测、再分析和对流可分辨模式预报资料,运用物理量诊断、标准化异常、相似过程比较等方法,分析了2020年6月26日四川冕宁突发性暴雨过程的特征和形成机制。结果表明:(1)该过程是一次伴有多条带状γ-中尺度对流系统、“列车效应”产生极端小时雨量的局地突发性暴雨过程,其对流回波质心较低,对流云团具有中尺度对流复合体云团特征;(2)冕宁北部的对流冷池出流与较强的谷地偏南气流相遇形成的辐合抬升构成了对流的触发机制;(3)川西南低空偏南气流具有阶段性增强特征并提供了持续的暖湿空气输送,其在过程初期与下山冷池的相互作用及后期与盆地西部南下冷空气的汇合,使对流反复在冕宁站西侧和南侧初生,并在下游形成“列车效应”;(4)对比历史相似过程,环境大气的对流有效位能等物理量具有更显著的异常和异常持续性;(5)川西南北部的高海拔地形对延缓冷空气进入安宁河谷和维持河谷内的不稳定层结有显著作用,并且该区域地形强迫抬升形成了河谷上游地区潜在的对流触发条件。最后给出了此次暴雨过程形成机制的概念模型。

青藏高原专刊(原创性论文)
梅雨期长江中下游地区湿位涡的特征及其与青藏高原的联系
由丽蓉, 姜继兰, 马婷婷, 刘屹岷, 吴国雄
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.21266
摘要:
本文基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, 简称ECMWF)提供的ERA-Interim再分析数据集,分析了1980-2017年梅雨期长江中下游地区对流层大气湿位涡(MPV)的分布特征及其与青藏高原的联系。研究发现,梅雨期湿等熵面在长江中下游地区呈自下而上向北倾斜的分布特征,湿位涡正压项(MPV1)和斜压项(MPV2)的大值带均沿倾斜的湿等熵面分布在梅雨区上空,且随雨带的北移而北移。对流层中层二者均分布在梅雨雨带的北侧,而对流层低层MPV2负值带与梅雨雨带近乎重合。这主要是由于入梅前后MPV2的分布结构满足倾斜涡度发展的必要条件,有利于沿湿等熵面上滑的暖湿空气垂直涡度显著发展,造成梅雨降水。进一步分析发现该MPV2负值带西起青藏高原向东经过江淮地区一直延伸到西北太平洋。利用CMIP6高原季风试验FGOALS-f3-L模式输出的无高原试验结果表明青藏高原对MPV2负值带的形成有重要影响。在此基础上分析了早入梅年份MPV2的异常特征,发现青藏高原可以通过调控MPV2的分布影响梅雨形成。
青藏高原三江源和河湾区夏季降水变化特征及对高原夏季风的响应
杨浩, 李红莉, 王斌, 张文刚, 崔春光
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.22089
摘要:

本文利用1981-2020年观测数据和ERA5再分析资料,将青藏高原腹地三江源和东南重要水汽通道河湾区作为典型研究区域,分析了降水不同时间尺度变化特征及其典型强弱年对高原季风环流系统的响应,结果表明:(1)三江源和河湾区降水的季节变化均呈双峰型分布,峰值出现在7月初和8月下旬。夏季降水在21世纪初发生年代际转折,尤其是三江源降水量在近20年增加明显。两个高原季风指数DPMI(Dynamic Plateau Monsoon Index)和ZPMI(Zhou Plateau Monsoon Index)的夏季风爆发时间均超前于河湾区和三江源降水的明显增加期。三江源夏季降水年际变化与两个高原夏季风指数有较好的相关性。三江源与河湾区虽然相邻很近,但三江源夏季降水受高原季风影响程度远大于河湾区。当高原夏季风增强(减弱)时,三江源降水量偏多(少)。(2)三江源降水偏多年,南亚高压偏东偏强,低层高原主体低压异常,有利于西南风和东南风在三江源区域交汇,南方暖湿空气能够深入高原腹地导致水汽辐合偏强。河湾区降水偏多年,河湾区及整个高原主体附近高度场并没有明显异常,河湾区的水汽输送主要有两条路径,一条来自孟加拉湾沿高原南坡的西南路径,另一条来自中亚地区穿过高原上空的西北路径,两条路径在高原东侧汇合继续向东输送。

青藏高原六套陆面蒸散发产品的评估
袁令, 马耀明, 陈学龙, 王玉阳
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2204.21208
摘要:
因为基于卫星遥感和地面观测开发出的不同时空分辨率蒸散发(ET)产品在青藏高原(TP)仍存在不确定性,从而限制了这些产品在水文气象和气候评估方面的应用。本文基于涡动观测的ET对六种ET (PML、EB-ET_V2、GLEAM、GLDAS、ERA5_Land和MOD16)产品进行评估并比较各产品之间的差异,对TP区域ET产品不确定性做了分析。结果表明: (1)观测值与对应像元ET值之间存在较好的相关性、一致性,并能捕捉到季节性变化,GLEAM与观测值吻合度较高并拥有适用性,MOD16在大部分站点性能较差;(2) 在空间上,GLEAM与EB-ET_V2和GLDAS存在更高的相关性(相关系数R>0.88)和一致性(一致性指数IOA>0.89),各产品季节时空分布有较大的差异,尤其是春季,相对其他产品,MOD16在大部分区域夏季低估且冬季高估。(3) 除MOD16外的各产品年平均ET大小相差较大,多年平均的高原ET大小排序为ERA5_Land(401.46mm/年)>PML(334.37mm/年)>GLEAM(298.46mm/年)>EB-ET_V2(271.39mm/年) >GLDAS(249.67mm/年), 六套产品估算的青藏高原的总体年蒸发量为330.59mm/年。青藏高原不同蒸发产品的比较有助于对高原蒸发的动态变化有更深入的了解, 可以为青藏高原水资源评估和区域水管理提供参考。
1979-2020年北极和青藏高原臭氧低值区的动力输送特征比较
王启璐, 徐雯雯, 涂静怡, 于淑洋, 饶建, 郭栋
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21156
摘要:
摘要 基于ERA5月平均再分析资料,利用Lorenz环流分解方法从定常和瞬变以及基流和涡旋的角度对比了北极与青藏高原臭氧低值区的动力输送特征。结果表明:动力总输送在两地上平流层作用最强,均使其臭氧浓度降低,且定常输送均强于瞬变输送,纬向与经向输送的作用均大致相反。然而,动力输送在北极地区的作用强度远大于青藏高原地区。北极地区纬向输送使得平流层中上层臭氧浓度降低,平流层下层臭氧浓度升高,经向输送的作用与之相反且强度明显偏弱,二者均主要作用于上平流层。青藏高原地区纬向和经向输送除在上平流层均使得臭氧浓度降低外,二者作用大致相反且强度相当,输送大值区在垂直方向上存在双中心结构,分别位于上平流层与上对流层-下平流层(Upper Troposphere - Lower Stratosphere, UTLS)区。两地区纬向和经向输送的差异均主要由定常涡旋输送所造成。青藏高原地区定常与瞬变输送的强度差异没有北极地区大。此外,两地定常和瞬变输送中涡旋对臭氧纬向平均的输送均起到主要作用,体现出涡旋输送在两地臭氧浓度变化的动力输送过程中发挥着至关重要的作用。
约稿(综述)
面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星发展现状与趋势需求分析
姚璐, 杨东旭, 蔡兆男, 朱思虹, 刘毅, 邓剑波, 田龙飞, 尹增山, 卢乃锰
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2207.22096
摘要:
甲烷(CH4)是辐射强迫仅次于二氧化碳(CO2)的重要温室气体,减少CH4排放是控制全球增温,实现碳中和目标的必要手段。面对碳中和战略需求,快速定位排放源并定量监测CH4排放量,准确估算全球和区域CH4源汇分布,对减排措施的制定、实施和评价均具有重要的现实意义。此外,结合长期CH4观测数据和气候系统模型探索大气CH4浓度变化规律,是预测和积极应对气候变化的前提。IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版正式提出了利用“自上而下”方法计算通量核验排放清单的方法,表明获取高精度全球范围内的高时空分辨率CH4观测数据势在必行。为了实现碳中和目标,本文首先从大气CH4研究需解决的几个关键科学问题入手,分析了CH4的星载探测需求,总结了CH4星载探测的现状和发展趋势,并简要介绍了中国第二代碳卫星的设计思路。同时,星载CH4探测还依赖于高精度的反演算法提供可靠的数据产品,以实现监测和实际应用的目的。因此,本文进一步阐述了卫星遥感CH4反演算法及相应数据产品在排放量监测和通量反演中的应用,论述了提升反演算法计算效率和精度,开发甲烷烟羽快速识别算法和建立通量反演算法的必要性。最后,本文从探测、数据获取和应用的角度进行总结,表明了CH4卫星观测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。
垂直运动研究进展及新型垂直运动方程
周玉淑
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2109.21140
摘要:
垂直运动在天气系统(尤其是中小尺度系统)发生发展过程中有极其重要的作用,本文回顾并小结了大气垂直运动方程的研究进展。在质量守恒前提下,垂直运动可由连续方程积分计算得到,这个算法需要准确计算散度,不容易实现。基于大气绝热假设的绝热法,由于与实际天气过程热力变化有较大差别,计算的垂直运动也不准确。垂直运动的诊断与天气系统尺度有关。大尺度系统以涡旋运动为主,满足准水平,不必要过多考虑浮力和风切作用。因此,出现了准地转条件的垂直运动方程,且在大尺度运动中应用较好。中尺度系统运动中,辐合辐散运动与旋转运动同等重要,垂直运动不能忽略,垂直运动方程在形式上要复杂一些,但其强迫项仍是由涵差的涡度平流及温度平流的拉普拉斯所构成,本质与大尺度系统中的ω方程没有太大差别。小尺度强风暴运动以辐合辐散为主,浮力及风切起着主导作用,其垂直运动方程要复杂得多。但是,由于任何小尺度强对流系统都是在大中尺度背景下发生的,所以背景场强迫的垂直运动仍然存在,完整的垂直运动应考虑不同天气尺度系统调整产生的垂直速度,应联立垂直运动方程组进行计算。本文提出的多效应的新型垂直运动方程,可以较为准确地实现强对流运动中的垂直速度的诊断。
高影响天气
2020/21冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层-对流层耦合演变模态
虞越越
, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2206.21250
摘要:
平流层爆发性增温 (SSW) 超前于对流层环流异常, 是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性, 其中涉及的平流层-对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979–2021年ERA5再分析数据集, 研究了2020/21冬季 “偏心型” 强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征, 并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层-对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明, 伴随此次强SSW事件, 欧亚和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相 “加强—加强”、反位相 “加强—减弱” 以及反位相 “减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态又取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性, 主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶的弱斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态, 与历年北半球环状模 (NAM) 负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层-对流层耦合演变类型相一致, 其在波动尺度方面也存在共同特征, 即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传, 后期对流层二波加强但较难上传。
约稿(原创性论文)
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。
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。