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2014年  第38卷  第2期

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二维粒子形状分类技术在云微物理特征分析中的应用
王磊, 李成才, 赵增亮, 姚志刚, 韩志刚, 魏强
2014, 38(2): 201-212. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12176
摘要:
本文介绍了一种针对飞机粒子探测系统中云二维图像探头开发的二维粒子形状分类技术。该技术利用粒子形状几何参数特征把云粒子分为8种类型,分别为微小状、线形状、聚合状、霰状、球状、六角形状、不规则状和枝状。同时结合冰水质量关系,给出了探头液水含量和冰水含量的计算方法。最后应用该技术对2006年4月6日一次飞机探测获取的数据进行了云微物理结构分析,聚合状、霰状、六角形状、不规则状的总出现频率为78%,其中霰状粒子的出现频率随着温度的降低而增加。非降水云中的液水含量、液滴粒子浓度、冰晶浓度明显小于降水云,非降水云中液水含量的平均值为0.01 g m-3,冰水含量的平均值0.007 g m-3,冰晶粒子浓度的平均值为11.9 L-1
L波段探空判别云区方法的研究
蔡淼, 欧建军, 周毓荃, 杨棋, 蔡兆鑫
2014, 38(2): 213-222. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12193
摘要:
利用2008年1月到2009年12月的L波段探空资料,和与之时空匹配的Cloudsat云观测资料,首先分析了云内和云外相对湿度的累积频率分布,发现以75%作为相对湿度阈值判断云准确率可达81%。随后利用BS(Bias Score)和TS(Threat Score)评分方法,对不同相对湿度阈值进行评分分析,发现以81%作为相对湿度阈值TS评分可达0.66,为最高。接着利用BS和TS评分方法分不同高度对相对湿度阈值进行评分分析,发现随高度的增加该高度上具有最好TS评分的相对湿度阈值在减小。利用这些阈值对云判断时,总的TS评分高于0.6,且其准确率达到84%以上,比利用单一相对湿度阈值判断云准确率要高。最后对这些阈值进行优化,得到一套适合于我国L波段探空秒数据的云垂直结构的判别方法。
毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和在弱降水滴谱反演中的应用研究
刘黎平, 谢蕾, 崔哲虎
2014, 38(2): 223-236. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12207
摘要:
本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。
2012年我国夏季降水预测与异常成因分析
赵俊虎, 支蓉, 申茜, 杨杰, 封国林
2014, 38(2): 237-250. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12215
摘要:
本文对2012年我国夏季降水的实况和预测进行简要回顾,发现2012年夏季降水大体呈北方涝、长江旱的分布,主雨带位于黄河流域及其以北,降水异常偏多的区域主要位于西北大部、内蒙古和环渤海湾,黄淮与江淮地区降水偏少,江汉至淮河上游一带干旱严重;预测的主雨带位于华北南部至淮河,较实况偏南。对我国北方降水异常偏多的成因分析表明:2012年夏季欧亚中高纬地区阻塞高压(简称阻高)强盛,同时东北冷涡活动频繁,中高纬500 hPa高度场从西至东呈“+-+”的分布,这种环流形势没有造成长江洪涝是因为东亚夏季风异常偏强,同时西太平洋副热带高压(副高)偏北,冷暖空气对峙于我国北方地区,导致北方降水异常偏多。分析还表明阻高、东北冷涡、东亚夏季风和副高这四个系统的不同配置影响着冷暖气流的对峙位置,进而形成我国夏季的主雨带。最后通过定量和定性判断相结合的方法,选取了2012年夏季降水的最佳相似年和最佳相反年,对比分析了2012年夏季降水与其最佳相似年和最佳相反年的海温演变与东亚夏季风环流系统主要成员的差异:1959年夏季降水作为2012年夏季降水的最佳相似年,虽然海温及东亚夏季风系统关键成员异常不明显,但是和2012年也呈近似相反的特征;而1980年夏季降水作为2012年夏季降水的最佳相反年,海温及东亚夏季风环流系统关键成员和2012年呈显著的反向特征,这些观测事实反映了我国夏季降水与海温及东亚夏季风环流系统关键成员这些主要影响因子之间关系的年代际变化。
全球海洋海浪要素季节变化研究
庄晓宵, 林一骅
2014, 38(2): 251-260. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13109
摘要:
本文使用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium Range Weather Forecasting,ECMWF)近30年(1982~2011年)全球再分析资料(ECMWF 40 Year Re-analysis Interim)中的风场及海浪场资料,对全球海表10 m风场、有效波高、平均周期和平均波向进行了统计分析,并定义了一种计算季节变率的方法。研究发现,有效波高和平均周期均存在明显的季节变化,且北半球大洋比南半球大洋季节变化更为明显,印度季风区则例外。另外尝试用波龄揭示风浪、涌浪的分布特征,证实了全球海洋为涌浪占主导及太洋东部存在涌浪强化,同时发现了涌浪的分布在春夏季变化明显的特征。
基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区确定方案的比较研究
周菲凡, 张贺
2014, 38(2): 261-272. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13129
摘要:
在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动(CNOP)方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。
地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究
钟水新, 陈子通, 戴光丰, 徐道生, 黄燕燕, 张诚忠, 蒙伟光, 杨兆礼
2014, 38(2): 273-284. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13131
摘要:
本文在GRAPES_TMM(Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model)——中国南海台风模式版(面向南海和东南亚)中发展和引进了KA95(Kim and Arakawa,1995)地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数(Ric)的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风“SAOLA”和“DAMREY”试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准Ric对重力波拖曳力的计算较为敏感,当Ric取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;Ric取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,Ric取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。
江南南部初夏雨季的降水和环流气候特征
苗长明, 郭品文, 丁一汇, 刘樱, 沈杭锋
2014, 38(2): 285-296. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13140
摘要:
基于1961~2010年气象台站逐日降水资料、同期美国NCEP/NCAR的逐日再分析格点资料,通过气候平均、REOF分析、聚类分析等方法,分析了江南地区初夏降水的地域性和时段性特征,及西太平洋副高和高、低空急流等大气环流的相应演变过程。结果发现:(1)江南南部27.5°~29.5°N存在一个独立于华南前汛期和江淮梅雨的初夏雨季,该雨季平均发生时间为6月11~30日,比江淮梅雨早约8天左右。(2)西太平洋副高的西伸东退是江南南部初夏雨季发生发展的重要环流背景,6月第2候副高发生突变性加速西伸之后雨季开始,雨季期间850 hPa副高西伸脊点基本稳定在最西位置即133°E附近,6月第6候副高东退北抬后雨季结束。(3)低层急流大风带的形成和位置是江南南部初夏雨季阶段的重要动力条件,印度洋和孟加拉湾向东北延伸的低层急流与西太平洋副高西北侧的气流连通形成低层急流大风带,并与北侧上空的高空急流耦合,降水集中区位于低层急流大风带左侧、高空急流入口区右侧。
敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率参数化研究
郑志远, 韦志刚, 李振朝, 魏红, 刘慧
2014, 38(2): 297-308. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13147
摘要:
利用敦煌站观测资料,选取其中观测资料完整且连续性好的7个年份每年5~10月的地表净辐射四分量和土壤湿度资料,分析研究了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的关系,结果表明:地表反照率与太阳高度角呈e指数关系,随太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率趋于稳定。表层土壤含水量的增大可导致地表反照率的减小,地表反照率与5 cm深土壤湿度呈线性关系。另外,建立了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的双因子参数化公式,提出了一种更加适合该地区的地表反照率参数方案,并且选取2002年6~9月的实测资料对拟合的参数化公式进行模拟验证。本文所提出的地表反照率参数化方案能够很好地再现该地区裸土地表反照率的“U”型日变化特征,可准确地模拟出地表反照率的动态变化趋势。基于此参数化方案计算得到的地表反射辐射与实测值基本一致。
中国夏季和冬季极端干旱年代际变化及成因分析
刘珂, 姜大膀
2014, 38(2): 309-321. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12219
摘要:
依据1961~2009年中国区域540个气象站的夏、冬季气温和降水数据,首先采用气候变化趋势转折判别模型(简称PLFIM)分析了中国区域8个分区夏、冬季气温和降水的年代际变化,而后利用PDSI干旱指数研究了夏、冬季极端干旱在年代际尺度上的时空变化特征及其成因。结果表明:1961~2009年中国夏季极端干旱发生率北方大于南方,冬季则为在东部多而在西部少。夏季和冬季极端干旱发生概率在最后一次年代际转折后都呈增加趋势。在区域尺度上,夏季东北、华北和西北地区增加明显,冬季东北、华北、华南、西南地区增加显著。其中,降水在20世纪90年代以前的极端干旱变化中起主导作用,而后由于气候变暖所引起的极端干旱增加趋势逐渐增大,与降水变化的作用相互叠加。
区域气候模式与陆面模式的耦合及其对东亚气候模拟的影响
曹富强, 丹利, 马柱国
2014, 38(2): 322-336. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13112
摘要:
将大气—植被相互作用模式AVIM(Atmosphere-Vegetation Interaction Model)与区域环境系统集成模式 RIEMS2.0(Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)耦合,利用耦合后的AVIM-RIEMS2.0模式在东亚区域选定典型年份进行积分试验,通过模拟结果与观测资料对比分析,从整体上评估耦合模式对东亚区域的模拟能力。结果表明:模式能够较好地模拟850 hPa风场、500 hPa位势高度、气温、降水以及地表热通量空间分布型和季节变化。双向耦合具有动态植被过程的AVIM模式后,RIEMS2.0模拟能力有一定程度的提高。850 hPa风场在冬季的中国东北、华北地区以及夏季的中国东部地区,模拟偏差都减小;500 hPa高度场模拟在中国北方地区改进明显,而在中国南方地区的夏季并没表现出明显的改进趋势。耦合模式改进了RIEMS2.0模式冬季气温模拟偏低而夏季偏高的现象。从区域平均看,耦合模式改善了降水模拟偏多的现象,并使得潜热通量的模拟效果有明显的改进,对感热通量模拟在大部分地区也有改进。总的来看,AVIM-RIEMS2.0耦合模式对中国北方地区模拟改进较为明显,而对中国南方地区,特别是华南地区没有明显的改进。
青藏高原夏季土壤有机质及砾石影响水热传输特性的数值模拟
马琴, 刘新, 李伟平, 丁宝弘
2014, 38(2): 337-351. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13119
摘要:
本文针对青藏高原部分地区土壤有机质和砾石含量较高的特点,在前人工作的基础上,发展了一个新的参数化方案以描述土壤有机质和砾石对土壤导热率、导水率的影响。通过对通用陆面模式CoLM中的土壤水、热参数化方案以及地表蒸发阻抗三方面的逐步改进,对青藏高原藏东南站和纳木错站两种不同下垫面进行单点数值模拟分析。对比原方案与最终优化方案的模拟结果表明:采用新方案的CoLM模式对藏东南站土壤湿度模拟性能明显提高,平均偏差减小到0.04,而对纳木错站浅层20 cm以上土壤湿度的模拟偏差略微增大。新方案在藏东南站对土壤内部温度的模拟改善较为显著,平均偏差减小了0.2℃;而在纳木错站40 cm以上有所改进。新参数化方案较好地模拟了两个观测站表面能量通量的时间变化,纳木错站7、8月份的潜热通量改进尤为明显,比原方案减少大约20 W m-2,与观测结果较为接近。
春夏季青藏高原积雪对中国夏末秋初降水的影响及其可能机制
霍飞, 江志红, 刘征宇
2014, 38(2): 352-362. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13139
摘要:
本文首先利用最大协方差分析方法,探讨青藏高原积雪与中国降水之间的联系,发现中国夏末秋初(8~10月,简称ASO)降水与前期及同期高原积雪有着显著联系,当春夏季青藏高原西部多雪时,其后ASO中国长江及其以南地区多雨,而东部沿海的狭长区域少雨。
进一步引入最大响应估计等方法,研究中国区域降水对高原积雪异常的响应及其可能的物理机制,结果表明,冬春季高原多雪异常可持续到夏季,并通过改变地表热力状况,导致ASO南亚高压减弱,同时在高、低空激发出两支波列:高层200 hPa波列沿中高纬西风急流传播,自高原经蒙古到达日本呈现明显的“负—正—负”位势高度异常传播,日本上空为气旋性异常环流;低层850 hPa波列起于高原,经孟加拉湾至中国南海,沿着西南气流传播,导致台湾附近的反气旋性异常环流,其西侧的偏南气流,将南海丰富的水汽输送至中国南部湖南、广西;而高层中心位于日本的气旋性异常环流西侧的偏北气流利于北方天气尺度扰动向南移动,它们为长江中下游及其以南地区多雨提供了有利条件。进一步计算定常波波数也表明,高层西风急流与低层西南季风气流作为波导,有利于高原上空的扰动沿着高、低空2支通道向东传播。由于东部沿海浙江、福建为正位势高度异常区,低层反气旋性异常环流则抑制了该区域的降水。
西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究
杨玮, 王盘兴, 何金海, 李丽平, 成丽萍
2014, 38(2): 363-372. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13101
摘要:
利用1958~1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量(即u角动量)经向、垂直输送通量及其三个分量(平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量)的气候特征,特别是讨论了12~2月、6~8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:(1)包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。(2)发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季(夏季)的副热带西风急流主要由平均经圈环流(强度相当的定常波和瞬变涡)强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。(3)热带东风区是牵连角动量(即Ω角动量)的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。
我国西南地区秋季干湿分类及主要类型异常年环流特征分析
徐栋夫, 李栋梁, 王慧
2014, 38(2): 373-385. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12216
摘要:
本文使用我国西南地区97站1960~2009年逐日资料,计算了考虑降水和气温的干湿指数,分析了西南地区秋季及9、10、11月干湿指数的时空变化特征。采用相似方法,构造了综合相似指数,对历年干湿分布进行分类,并给出了秋季各月各类干湿出现的概率。此外还使用再分析资料分月探讨了干湿分布主要类型异常年的大气环流特征。分析结果表明:西南地区秋季存在显著的干旱化趋势,且该地区干湿变化存在全区一致、东西相反和南北相反的特征。根据干湿变化主要模态的空间型,利用综合相似指数可以将历年秋季干湿分为全区一致偏干型、全区一致偏湿型、东湿西干型、东干西湿型、南湿北干型、南干北湿型和非典型型,共7类。全区干湿一致型出现的次数最多(不低于50%),东西相反型次之(约25%),南北相反型较少(约15%),而出现非典型型次数极少(不足10%)。从季节内尺度来看,全区偏干(湿)的持续性较差,但10月份的东部偏湿区域则有较大几率(不低于50%)在下个月扩展到整个区域。全区偏干型异常年,东亚大槽偏弱或偏东,冷空气南侵困难;南海上空低层维持一个异常的气旋环流,西南地区暖湿气流输送偏弱;西太平洋副高偏强、西伸,南亚高压面积偏大,与西太副高重叠,西南地区长期受高压控制。这种异常环流形势的维持,使得该地区天气晴朗少雨,气温偏高,持续干旱。偏湿型异常年则基本呈相反的环流特征。而西南地区东、西部上空异常的垂直运动和东部低层的南、北风异常是造成东湿(干)西干(湿)型异常的重要原因。
新型扩散云室搭建及其对黄山地区大气冰核的观测研究
苏航, 银燕, 陆春松, 蒋惠, 杨磊
2014, 38(2): 386-398. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12211
摘要:
本研究利用自行搭建的大气冰核高压静电采样器和静力真空水汽扩散云室,并结合其他大气冰核及气象要素观测仪器,于2011年5~9月及2012年9~10月在黄山三层不同高度上同时进行大气冰核及相关气象要素的连续观测。结果显示:黄山地区总冰核数浓度平均为18.74 L-1,凝结冻结核化冰核数浓度平均为0.79 L-1,凝华核化冰核数浓度平均为0.19 L-1。黄山地区冰核数浓度,随着高度的增加而减小;且存在春季较高、秋季居中、夏季较少的季节变化规律;下午达到一天中的最高值,夜晚达到一天中的最低值;总冰核数浓度较北方少。黄山山顶冰核数浓度随活化温度的升高而减小,随过饱和度的升高而增大,随风速的增强而增大,长期主要由西南风向山顶的输送,且其主要由大粒子来充当。