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2007年  第31卷  第4期

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利用大气环流模式模拟北大西洋海温异常强迫响应
李建, 周天军, 宇如聪
2007, 31(4): 561-570. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.01
摘要:
北大西洋地区的海温异常能够在多大程度上对大气产生影响,一直是一个有争议的问题。作者利用伴随北大西洋涛动出现的海温异常对大气环流模式CAM2.0.1进行强迫,考察了模式在冬季(12月、1月和2月)对三核型海温异常的响应。通过与欧洲中期天气预报中心提供的再分析资料的对比,发现该模式可以通过海温强迫在一定程度上再现具有北大西洋涛动特征的温度场和环流场。在北大西洋及其沿岸地区,模式模拟出了三核型的准正压响应,与经典的北大西洋涛动型大气异常是一致的。模式结果与北大西洋地区大气内部主导模态的差别主要体现在两个方面:一是异常中心位置多偏向于大洋上空,在陆地上的异常响应强度很弱;二是高纬地区对海温异常的响应不显著,没有强迫出与实际的大气模态相对应的异常中心,表明该地区海洋的反馈作用较弱。
误差非线性的增长理论及可预报性研究
丁瑞强, 李建平
2007, 31(4): 571-576. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.02
摘要:
对非线性系统的误差发展方程不作线性化近似,直接用原始的误差发展方程来研究初始误差的发展,提出了误差非线性的增长理论。首先,在相空间中定义一个非线性误差传播算子,初始误差在这个算子的作用下,可以非线性发展成任意时刻的误差;然后,在此基础上,引入了非线性局部Lyapunov指数的概念。由平均非线性局部Lyapunov指数可以得到误差平均相对增长随时间的演变情况;对于一个混沌系统,误差平均相对增长被证明将趋于一个饱和值,利用这个饱和值,混沌系统的可预报期限可以被定量地确定。误差非线性的增长理论可以应用于有限尺度大小初始扰动的可预报性研究,较误差的线性增长理论有明显的优越性。
大气季节内振荡的数值模拟 II. 全球变暖的影响
俞永强, 蒋国荣, 何金海
2007, 31(4): 577-585. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.03
摘要:
利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的耦合气候模式FGOALS1.0_g控制试验、二氧化碳(CO2)浓度加倍试验模拟结果及实测结果(NCEP/NCAR逐日再分析资料)研究了全球变暖对大气季节内振荡(ISO)特征变化的影响。通过对比分析控制试验、二氧化碳浓度加倍试验模拟结果及观测结果发现:(1)FGOALS1.0_g耦合气候模式具有一定的模拟季节内振荡的能力,主要表现为模式能够模拟出ISO活跃区的位置、中心位置的季节变动以及强度的季节变化,其缺陷是模拟的ISO强度偏弱,模拟的ISO周期不显著且偏高频;(2)实测资料诊断分析得到的近六十年来偏暖阶段ISO活跃区强度增强及范围扩大可能不是人类活动影响使温室气体增加所导致的,它可能是大气ISO本身的年代际尺度变化;(3)近六十年来纬向东传波(西传波)的能量的存在增长(减少)趋势的主要原因可能是人类活动影响引起温室气体增加所导致的;(4)由于FGOALS1.0_g耦合气候模式在模拟ISO主周期及强度方面时存在不足,因此实测结果诊断分析得到的偏暖阶段ISO小波能量强,主周期范围大,偏冷阶段反之的结论用FGOALS1.0_g耦合气候模式尚难以证实。
夏季东亚西风急流Rossby波扰动异常与中国降水
杨莲梅, 张庆云
2007, 31(4): 586-595. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.04
摘要:
利用1958~2003年NCAR/NCEP再分析和中国160 站月降水资料,探讨沿东亚西风急流Rossby波扰动动能异常对东亚夏季风环流和中国夏季(6~8月)降水的影响及其响应机理。研究发现:(1)夏季东亚西风急流Rossby波扰动动能加强(减弱), 东亚西风急流位置偏南(北)、强度偏强(弱)。(2)该扰动动能具有显著的年际和年代际变化特征, 1958~1978年处于年代际偏弱阶段,1979~1998年处于年代际偏强阶段。(3)该扰动动能加强(减弱), 200 hPa 辐合区位于30?N以南(以北)西太平洋地区,此时,500 hPa 西太平洋副热带高压位于30?N以南(以北), 850 hPa 反气旋性距平环流出现在东亚30?N以南(以北)地区,而30?N以北(以南)为气旋性距平环流,东亚热带季风环流加强(减弱), 梅雨锋加强(减弱), 夏季中国东部降水中间多、南北少(中间少、南北多)。(4)东亚高、中、低层大气环流对高层东亚西风急流Rossby波扰动动能强弱响应由对流层上层散度场及垂直速度场变化完成。
2003年8~9月北京及周边地区云系微物理飞机探测研究
张佃国, 郭学良, 付丹红,
2007, 31(4): 596-610. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.05
摘要:
对2003年8~9月北京及周边地区4次飞机探测结果,特别对资料较完整的8月15日的层积云(Sc)和9月4日的层状云(St)系进行了较详细的分析。结果表明,FSSP-100测量的小云粒子(云滴、冰晶)最大浓度的变化范围从Sc云的120 cm-3到深厚高层云(As)的183 cm-3,平均直径7.22~16.05 μm。2D-GA2探头观测的冰粒子最大浓度变化范围从2.25×10-3 cm-3到3.29×10-1 cm-3。机载King热线液态水含量仪(King-LWC)的最大含水量变化范围为0.42~0.69 g/m3。St云垂直和水平分布不均匀特性很明显,高空(-10℃层以上)有较大的小云粒子浓度,达到120 cm-3以上,尺度也比较大,最大值为20 μm。云中液态水含量随高度缓慢减小,基本处于0.1~0.2 g/m3的范围。在-5.9~-8℃层,主要是柱状冰晶和少量结淞体,-8~-12℃层显示基本为结淞粒子,-20℃层左右表现出较多的枝状冰粒子。大冰粒子浓度基本在0.01~1 L-1左右。Sc云和St云的平均谱存在明显的差异。Sc云系的大粒子不同层的平均谱很相似,为单峰分布,谱宽达到1500 μm。越到云低层,云粒子浓度越低。St云系的大粒子不同层的谱分布差异比较大,云中在0~-8℃和-8~-12℃层,直径小于400 μm的粒子谱型基本相似,大于400 μm的大粒子谱分布差异较大,-8~-12℃层有明显的双峰分布特征,而0~-8℃呈现多峰特征,谱宽达到1300~1400 μm。
精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究
周荣卫, 蒋维楣, 刘罡,
2007, 31(4): 611-620. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.06
摘要:
运用南京大学城市尺度边界层模式(UBLM)以100 m水平网格距的精细高分辨率,诊断分析小规模城市(水平范围在一二十公里)的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:(1)在模式中引入热力粗糙度,就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比,结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好,能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季,白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2,而对乡间农作物地区约10 W/m2。(2)以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析,结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征,表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃;风速明显低于乡村地区;湍能高于乡村地区,白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右;白天混合层发展较乡村迅速,且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中,为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。
一次东北冷涡中对流云带的宏微物理结构探测研究
齐彦斌, 郭学良, 金德镇
2007, 31(4): 621-634. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.07
摘要:
利用2003年7月8日的东北冷涡中对流云带的飞机穿云观测资料,结合雷达、卫星云图及天气图等资料,详细分析了此次冷涡对流云带的宏观特征、微物理结构,并对降水形成机制进行初步探讨。此次东北冷涡对流云系具有明显的带状水平回波结构,中等强度,垂直尺度小(小于6 km),云过冷液态水含量丰富,最大可达3.3 g/m3,云的上部过冷水含量也达到2.0 g/m3。对流云带的上部存在冰粒子高浓度区,最大值为1062 L-1,出现在5242 m(-6.8℃) 处,这些冰粒子在高过冷水含量区的快速长大对降水产生起到重要作用。云滴直径与云滴浓度在0℃层附近呈现负相关性;通过分析解释了上升气流强的区域有更小的云滴粒子和冰晶粒子的原因,上升气流的作用造成了0℃层以下粒子浓度的积累。在弱上升气流区,2-DC观测的粒子浓度,高浓度区对应小粒子多,低浓度区对应大粒子多。并初步探讨了冷涡对流云带可能存在冰晶繁生过程。
积云并合在强对流系统形成中的作用
付丹红, 郭学良
2007, 31(4): 635-644. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.08
摘要:
利用中尺度非静力平衡模式(MM5V3),模拟研究了积云并合过程在北京2001年8月23日一次产生强降水和冰雹对流天气形成中的作用。研究结果表明,积云并合在此次强中尺度对流系统(MCS)形成中有非常重要作用。整个形成过程经历了从单体并合、积云团并合和强中心并合的多尺度并合过程。首先,相邻孤立对流单体之间通过在中层形成云桥并合成为积云团,接着相邻积云团之间也通过中层云桥并合形成具有多个强中心的中尺度对流系统,最后,中尺度对流系统内强中心实现并合。而强中心并合过程伴随着强降水、大风等剧烈天气的产生。积云下沉气流对于积云并合有着重要作用,由强辐散出流形成的上升气流及与环境风相互作用有利于并合的形成和发展。并合过程导致云内上升-下沉气流增强,对流运动发展加强,有利于水汽转化,形成大量过冷云水和冰相粒子。大量冰晶和霰的形成有利于强降水的产生。
三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究
肖艳姣, 刘黎平
2007, 31(4): 645-654. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.09
摘要:
基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征,提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数,它们分别是:组合反射率及其水平梯度,反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图,用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区,统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征;最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数,利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验,并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较,结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云;由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征,它容易把对流核的外围识别成层状云,把厚实的层状云识别成对流云,而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。
等熵面和湿等熵面倾斜发展的诊断分析
冉令坤, 楚艳丽
2007, 31(4): 655-665. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.10
摘要:
利用等压坐标系中的热力学方程和水汽方程推导出可以诊断分析等熵面(等位温面)和湿等熵面(等相当位温面) 倾斜变化的倾角方程。等熵面倾角的局地变化由倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项共同决定,而影响湿等熵面倾角局地变化的强迫项除倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项之外,还包括垂直热量通量切变项。NCEP/NCAR实时分析资料的分析结果表明,大气斜压性、相对垂直涡度与等熵面和湿等熵面的倾角密切相关,它们的正高值区互相重叠;垂直风速切变项,特别是垂直速度的经向切变项是影响等熵面倾斜发展的主要强迫项,而纬向和经向风速的垂直切变项对湿等熵面倾角演变的贡献最大。
中尺度大气波动的波谱和谱函数——数学模型和计算方法
张铭, 安洁
2007, 31(4): 666-674. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.11
摘要:
作者得到了准二维Boussinesq方程组,并用其研究了中尺度大气波动的波谱和谱函数。在一定条件下对该方程组线性化并取标准模后,可将其初边值问题转化为矩阵的广义特征值问题来进行数值求解,这样就可知原问题波谱和谱函数的性质。当无基本流且取地转参数、层结参数为常数时,可求得其波谱和谱函数的解析解。此时该模式中仅包含有一对重力惯性内波模态,且各模态均是简谐波;模态越高,垂直波数越大则波动传播得越慢,所有的模态均为离散谱,并存在聚点。对此作者用数值解作了验算,结果表明,该数值求解方案合理可行,对不太高的模态其精度也令人满意。在无基本流然而考虑层结的垂直变化后,则一般无法求取解析解,为此进行了数值求解。这时该模式仍仅包含有一对重力惯性内波的离散谱模态,不过由于层结参数的变化,各模态结构与简谐波出现了偏差。
一种基于预报集合的降维资料同化方法的数值试验研究
邵爱梅, 邱崇践
2007, 31(4): 675-684. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.12
摘要:
对Qiu和Chou(2006)提出的一种基于预报集合的降维资料同化方法(4DSVD)给出了可行的实施方案,利用中尺度模式MM5产生的模拟资料进行数值试验并将其与MM5/3DVAR的同化结果进行比较,分析了不同的观测误差和观测点密度对同化结果的影响。试验表明:(1)和3DVAR相比该方法能更好地从有观测的变量推断无观测的变量(从温度的观测推测风和比湿);(2)该方法可以相当有效地滤除观测噪音;(3)该方法具有更好的将观测信息扩展到资料空缺地区的能力。
中国夏季降水对南印度洋偶极子的响应研究
杨明珠, 丁一汇
2007, 31(4): 685-694. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.13
摘要:
分析了春季印度洋海表温度(SST)与中国160个站夏季降水的关系,得到:印度洋全海盆的增温趋势与我国夏季降水的气候线性变化趋势是十分一致的。另外,热带外南印度洋出现西南印度洋为正(负)、其东北部出现(负)正海温异常的分布模态时,定义为正(负)南印度洋偶极子PSIOD(NSIOD)事件。SIOD事件对中国夏季降水具有重要影响,PSIOD年,5月份中国江南和西南以及长江中下游的降水偏多;6~8月份华北、东北区域、长江中游以及华南地区降水增多,华南与华北之间的区域降水偏少,即主要为两条雨带的分布。NSIOD年,5月份中国大部降水偏少; 6~8月中国西南、江南地区以及黄淮地区降水偏多。不同时段SIOD所起的作用是不同的,5月,SIOD主要通过改变马斯克林局地环流的变化,影响印度洋低层越赤道的水汽通量输送;6~8月,通过改变海洋大陆下垫面SST热状态,改变其上空对流强度以及水汽输送方向,并间接影响西北太平洋副热带高压的强度和南北位置,进而对中国雨带的分布产生影响。
在华北玉米生育期观测的16 m高度CO2浓度及通量特征
郭建侠, 卞林根, 戴永久
2007, 31(4): 695-707. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.14
摘要:
利用中国气象局固城农业气象生态试验站2004年玉米生育期通量观测资料,分析了CO2浓度和通量随玉米生长的变化,并估算了玉米生育期陆地与大气CO2净交换量。结果表明:CO2浓度变化对农户活动和作物生长极其敏感;浓度在整个生育期始终有明显的日变化规律,峰值(谷值)出现在日出(日落)前后,通量仅在7月中旬至10月上旬之间出现明显的日变化特点,且位相超前于浓度,开花期通量最大;玉米播种期、苗期和成熟后地面向大气净排放碳, 拔节至成熟前地面从大气净吸收碳;开花期碳吸收最强,其后依次为吐丝-乳熟期和拔节期。比较分析了目前流行的通量计算方法对碳吸收估计的影响,结果显示不同计算方法能产生高达160%的碳吸收估计偏差,应当引起重视。生态系统碳平衡分析结果表明,玉米地在生长季表现为弱碳汇(大约660 kg/hm2),但这一结果可能低估了实际的碳汇强度,低估程度有待研究。
大气酸沉降的自组织临界性
朱建林, 曾光明, 赵星,
2007, 31(4): 708-716. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.15
摘要:
运用概率分布函数、矩分析、功率谱分析和无趋势波动分析(DFA)方法,分析了美国1978~2001年期间酸沉降数据, 发现大气酸沉降事件类似于沙堆模型中的崩塌事件,具有自组织临界性(SOC)。降水中氢离子沉降量(WHD)的频率分布符合双幂律分布,即在由临界WHD所区分的两个区间内,WHD的频率分布分别呈幂律分布;双幂律分布及临界WHD刻画了酸沉降事件的宏观特征。WHD时间序列具有1/fβ噪声特征,在时域上具有长程相关性(LRC)。降水中硝酸根离子和硫酸根离子沉降量与WHD表现为类似行为。此外,将正常降水的酸度值或环境容量作为大气酸沉降的临界状态,并以此类比为沙堆模型的临界稳态角度。因此,酸沉降的演化符合具有自组织临界性的复杂系统的三个基本特征。据此,作者认为酸沉降在频域上的幂律分布及在时域上的长程相关性是污染胁迫下大气自组织临界行为的标志,自组织临界行为是控制酸沉降演化趋势的内在机制之一。
近50年来夏季西风指数变化与中国夏季降水的关系
严华生, 胡娟, 范可,
2007, 31(4): 717-726. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.16
摘要:
使用1951~2002年夏季500 hPa高度月平均格点资料,运用多变量方差分析的方法,找到夏季不同雨带类型对应的西风指数变化关键区,再对关键区西风指数与夏季160个站的降水进行相关分析,找到降水显著高相关区。最后,采用NCEP/NCAR月平均再分析资料,通过合成风场检验的方法,找到高低西风指数年对应的风场显著差异区以及不同雨带类型对应的风场显著差异区,对高低西风指数和正常年西风指数各自对应的环流场以及三种类型雨带对应的环流场进行比较。研究发现,夏季西风指数差异最大的关键区在(35?N~55?N, 110?E~140?E)。在关键区内,I 类雨带对应高指数环流,II 类雨带对应多年平均环流形式,III 类雨带对应低指数环流。而降水场上的高相关区在长江和江南一带,为负相关。高低指数年的u、v风场显著性关键区和 I、III 类雨带的u、v风场的显著性关键区基本相同,经度在100?E~130?E, 纬度分别位于35?N~55?N(A关键区)和25?N~30?N(B关键区)。高指数年对应 I 类雨带,在关键区A南风加强,在关键区B东风加强。低指数年对应 III 类雨带,在关键区A东北风加强,在关键区B西风加强。而多年平均环流形式对应 II 类雨带,A、B两个关键区主要是西风控制。归结原因是由于西风带的南进北退导致冷空气南下北上的路径、强度发生变化,从而影响夏季雨带的分布。
西太副高影响下北京区域性暴雨的个例分析
刘还珠, 王维国, 邵明轩,
2007, 31(4): 727-734. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.17
摘要:
北京地区大降水(≥25 mm/d)天气有72%出现在7~8月份,其中直接受西太平洋副热带高压(副高)影响的大降水占46%,它们主要产生在西风槽与副高相互作用的天气形势下。通过对该类暴雨的典型个例分析表明,由于受副高的影响,对流层低层副高南面的偏东气流将海上充沛的水汽输送到大陆,并折向北与偏北气流相遇,汇集在北京附近。同时,副高西北边缘与西风槽之间形成较强的能量锋区,该锋区南面的高温高湿气团蕴藏了较深厚的湿有效位能,在湿位涡的斜压项作用下转化为动能,倾斜垂直涡度发展激发了强烈的上升运动。在斜压扰动作用下,对流层中层差动涡度平流和副高西侧的暖平流破坏了北京及邻近区域的准地转平衡,动力强迫和热力强迫共同作用激发了次级环流,该处的上升运动得到加强。暴雨就是产生在强的能量锋附近低层气旋性涡度发展、高层辐散显著的地方。此外,副高西侧低层的暖湿气流北上,较强的差动假相当位温平流促使大气层结向对流不稳定发展,这对于暴雨局地的再增强是不可忽视的因素。由此,形成对该类暴雨天气预报的着眼点。
初夏东亚-太平洋大气热源与长江流域及邻近地区7、8月降水异常的关系
简茂球, 乔云亭, 罗会邦,
2007, 31(4): 735-746. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.18
摘要:
用1958~2000年NCEP/NCAR再分析资料、中国160站降水量及1958~1998年月平均海温资料分析了中国夏季相邻月份降水异常型的相关特征,及其与大气热源的关系和相关物理过程。结果表明,7月长江流域的降水异常与8月长江和黄河之间地区的降水异常有很好的同号性。7、8月长江流域及附近地区持续性偏旱(涝)与太平洋洋盆尺度的大气热源异常有关,并与前期5、6月热带中、东太平洋大范围的热源异常、青藏高原热源异常也有密切的联系,即当5、 6月赤道东太平洋的大气热源正异常,而赤道中太平洋北侧的热源负异常,则中国7月长江中下游偏涝,8月长江中上游与江淮流域和内蒙古东部偏涝,华南偏旱;反之亦然。前期热带中、东太平洋上空的热源异常中心和与之联系的异常垂直运动中心的西扩和西移,以及青藏高原东部的热源异常中心是影响我国7、8月持续偏旱(涝)的重要环流异常特征。另外,南海-西太平洋海温在前期也已经具有我国夏季长江流域发生旱涝对应的同期海温异常分布型的特征。
近40年来东亚冬季风的年代际时空变化趋势
施晓晖, 徐祥德, 谢立安
2007, 31(4): 747-756. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.04.19
摘要:
利用经验正交函数-奇异值分解(EOF-SVD)综合分析方法和1961~2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对近40年来东亚冬季风和冬季表面气温的年代际变化特征及其相关关系进行了分析。研究结果表明, EOF得到的冬季海平面气压场主成分空间结构(第一特征向量)及其时间系数可以较好地反映出东亚冬季风的变化, 而且可以同时得到东亚冬季风强度和南扩程度的变化, 具有一定的优越性。通过对冬季海平面气压和表面气温年代际分量的EOF-SVD综合分析, 发现了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的年代际变化趋势, 冬季表面气温则表现出中高纬地区海陆热力差异减弱、低纬地区海陆热力差异加强的年代际变化特征, 两者之间存在很好的对应关系。另外, 大陆冬季表面气温与海平面气压的年代际对应关系比海洋的更加显著, 表明对温室效应的区域气候响应与东亚冬季风的年代际变化之间可能存在较为密切的联系。