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2014年  第38卷  第5期

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复杂地形下北京雷暴新生地点变化的加密观测研究
张文龙, 崔晓鹏, 黄荣
2014, 38(5): 825-837. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13102
摘要:
2008 年8 月14 日北京发生了雷暴群形式的局地暴雨,雷暴新生地点复杂多变,形成了多个γ 中尺度的强降水中心。本文利用近年来北京气象现代化建设取得的加密地面自动站、多普勒雷达、风廓线仪、微波辐射计等多种新型高时空分辨率观测资料及雷达四维变分同化系统(VDRAS)反演资料,通过精细分析地面(边界层)风场、温度场等的演变特征,讨论了雷暴新生地点变化的机制。结果表明:复杂地形与雷暴冷池出流作用相结合,主导了雷暴新生地点的变化,进而影响γ 中尺度强降水中心的变化;天气尺度高低空涡、槽的配合不一致,并且系统移动缓慢,以及对流层低层的弱的环境垂直风切变,是雷暴冷池结合复杂地形发挥雷暴新生地点主导作用的重要前提;复杂地形使得冷空气在一定范围内流动,在边界层产生碰撞和辐合,起到触发和增强对流作用,并使得对流风暴的形态和走向与地形呈现出紧密相关性;一定强度的冷池出流、边界层前期的暖湿空气和对流不稳定能量的积累,是冷池出流触发雷暴新生和演变的必要条件;北京周边地区的雷暴,通过其雷暴冷池出流沿着沟谷地形或向平原地区流动,与北京山谷或城区的边界层暖湿空气形成辐合抬升机制,触发雷暴新生。
垂直湍流输送对大洋的重力位能和混合过程的影响
张宇, 林一骅, 王辉
2014, 38(5): 838-844. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13105
摘要:
利用WOA09(World Ocean Atlas 2009)全球大洋温盐客观分析数据,计算了不同湍流垂直混合系数下全球大洋重力位能的变化,并分析了混合系数、浮力频率和重力位能变化之间的关系。在此基础上,进一步探讨了湍流混合造成的能量转换对湍流参数化的影响。结果表明,大洋中的垂直湍流运动不仅仅是动能能汇,而且是一个重要的外部能量转化为重力位能的途径。垂直湍流增加的重力位能在混合系数取0.1 cm2 s-1 时为0.08 TW,参考前人研究结果,外部能量输入甚至可引起等效于全球平均12 cm2 s-1 的垂直混合系数。一般而言,层结越稳定、混合系数越大,垂直湍流对重力位能的影响也越大。考虑湍流动能可转化为重力位能后,参数化方案可以得到和实际观测更接近的湍流动能耗散率和混合系数。
一次超级单体雹暴观测分析和成雹区识别研究
蔡淼, 周毓荃, 蒋元华, 刘黎平, 李静
2014, 38(5): 845-860. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13107
摘要:
利用多普勒雷达资料,结合探空和常规资料,对2011 年4 月17 日一次超级单体雹暴的流场和回波结构演变特征进行了详细研究,主要结果:该雹暴是在条件性不稳定和垂直风切变较大的环境条件下产生的右移风暴。雹云初生发展阶段,垂直剖面显示逐渐形成有组织化的斜上升气流促进雹云发展。成熟降雹阶段,雹云内形成一支强的斜上升气流和深厚的中气旋,主上升气流对应雹云的弱回波区。雹云维持典型的弱回波区—悬挂回波—回波墙特征结构。根据雷达径向速度和雹云移速订正得出的“零线”演变发现,随着雹云的发展,“零线”逐渐向悬挂回波靠近,并穿过悬挂回波,“零线”的走向为上翘式,附近“穴道”的汇集力较强,有利于降雹。通过对“零线”位置的判断可分析有利成雹的区域。根据高低空两层强回波的水平错位,利用两高度强中心连线所作剖面能快速准确得出特征剖面,并将0℃ 层以上6 km 高度处降雹潜势达到100%的45 dBZ 的区域识别为成雹区,与降雹实况对比发现识别效果良好。
500 hPa温度场时间序列的年代际突变过程统计特征
颜鹏程, 封国林, 侯威, 吴浩
2014, 38(5): 861-873. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13106
摘要:
本文利用Logistic 模型,推导出描述均值突变的分段函数,用该函数对可能存在突变的时间序列进行拟合,并结合概率分布理论,确定突变幅度最大的时段即为发生突变的过程,由此确定并分析序列中突变的开始时刻、突变幅度、突变变率、突变持续时间、系统不稳定特性等参数。对全球500 hPa 温度场单点时间序列的突变持续过程展开研究:(1)对突变过程的开始时刻进行统计,发现1956~1959、1970~1979、1986~1994、1994~2004 年开始的突变所占比重较大,几次突变过程中,平均来看除了1986~1994 年开始的突变表现为降温,其余几次突变均表现为增温;并且每次突变时,增温幅度比较大的突变,其变率也较大;(2)从突变先后的空间分布上看,1956~1959、1970~1979 年检测到发生突变的格点在海洋上空的突变偏早、欧亚大陆上空偏晚,而1986~1994 和1994~2004 年突变期间这一情况正好相反;(3)针对每次突变过程中的突变幅度,低纬度区域温度发生突变的变化幅度较小、高纬度区域较大;(4)对突变持续时间的检测结果表明,在全球增暖背景下,完成一次突变的持续时间正在逐渐变短;(5)当系统突变正在进行时,系统的不稳定性较强。
卫星(IASI 探测仪)观测云顶高与地基云雷达观测的对比验证
张艳品, 章文星, 吕达仁, 毕永恒
2014, 38(5): 874-884. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13161
摘要:
IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)是搭载在欧洲METOP-A 卫星上,采用干涉分光技术的新一代超高光谱红外大气探测仪器,其光谱测量范围涵盖了多个吸收带,可用于反演大气、海洋、云和大气成分,为地球大气遥感、气象业务和科学研究提供了丰富的遥感资料,是各国学者关注的又一热点。为深入了解IASI 在国内的云产品情况,本文利用2008 年10 月15 日~12 月15 日期间IASI 在安徽寿县地区的云参数观测资料和中美 [美国能源部大气辐射测量(ARM)计划] 联合在安徽省寿县进行大气辐射综合观测试验期间,相同时段云雷达[ARM W-band(95 GHz)Cloud Radar,WACR]的观测资料进行了对比分析和验证。在以寿县ARM 移动观测设施(AMF)为中心,半径为20 km 的范围内,IASI(2 次/d)共有有效观测129 次,其中与WACR(1 次/2 s)匹配的IASI 有效观测共80 时次。结果表明:对于单层云,二者云高相关系数为0.8312,标准差为1.8423 km;对于双层及多层云,IASI 反演云顶高结果绝大多数在WACR 的最上和最下层云之间,且靠近较厚的云层。对比结果显示,一般情况下,IASI 反演云顶高结果明显低于WACR;IASI 反演云顶高结果受到视场中云量、云层厚度及云层中粒子浓度大小的影响:视场中云量越大,云层越厚,云层中粒子浓度越大,IASI 反演云高的结果越接近真实云高。
北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析
周玉淑, 刘璐, 朱科锋, 李建通
2014, 38(5): 885-896. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895. 2013.13185
摘要:
在2012 年7 月21 日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF 模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的“西冷东暖”的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与“列车效应”现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。
硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风进程的影响
王东东, 朱彬, 江志红, 杨修群
2014, 38(5): 897-908. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13193
摘要:
本文利用全球气候—大气化学模式CAM5 并结合NCEP/NCAR(National Centers for EnvironmentalPrediction/National Center for Atmospheric Research)1950~2009 年再分析资料,讨论硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风爆发、发展和结束进程的影响。模拟结果表明:硫酸盐气溶胶通过直接辐射效应引起东亚大陆大部分地区近地面降温,进而降低了中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力对比,延迟春初、提早夏末海陆纬向热力差异逆转时间,由此引发东亚副热带季风爆发时间延后了4 候左右,结束时间提前了3 候左右;减小的海陆热力差异导致东亚大陆偏南风减弱、东亚季风减弱以及季风降水的区域调整。我们通过NCEP/NCAR 再分析资料分析亦发现,1980 年以后中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异逆转时间比1980 年以前在春初延迟、夏末提前,导致了副热带季风爆发时间比1980 年之前延后,结束时间提前,东亚大陆偏南风减弱,副热带夏季风系统性减弱,硫酸盐直接辐射效应可能是造成这一结果的原因之一。以往的观测和模拟都表明,由于人为活动的增加,导致1980 年后东亚大陆硫酸盐气溶胶负荷较之前大幅增加,而东亚夏季风减弱,本文的研究进一步确认了两者间关系。
利用TMI反演的水汽凝结物对热带气旋潜热结构分布的探索研究
姚小娟, 黎伟标, 陈淑敏
2014, 38(5): 909-923. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13188
摘要:
本文利用热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)微波成像仪TMI(TRMM Microwave Imager)2A12 水汽凝结物(Hydrometeor)反演资料,对西北太平洋地区从1998~2009 年的236 个热带气旋个例的1776 个“快照”(snapshot)的水汽凝结物的结构特征进行了分析,并探讨了水汽凝结物的时空变化与热带气旋强度演变联系。研究结果表明:(1)TMI 2A12 水汽凝结物资料显示出了热带气旋内部的细致结构及变化特征,水汽凝结物的峰值集中于数十公里到一百多公里的热带气旋眼壁及云墙区;在热带气旋发展过程中,随着热带气旋强度的增强,水汽凝结物增多且往其中心靠拢,从发展阶段到成熟阶段,水汽凝结物的大值中心基本上集中在距离热带气旋中心约50 km 区域,而且强度越强的热带气旋,水汽凝结物的大值中心与热带气旋中心的距离越近;在热带气旋消亡的过程中,水汽凝结物不断减弱且往外围扩散,逐渐扩展到远离中心的区域;(2)热带气旋强度与水汽凝结物的分布关系密切,热带气旋强度变化与热带气旋中心附近200 km 范围内的水汽凝结物含量存在显著的正相关,而200 km 以外的外围水汽凝结物含量存在负相关;(3)热带气旋强度变化与水汽凝结物的变化存在时间差,水汽凝结物的变化超前于热带气旋强度的变化,在热带气旋迅速发展之前数小时,热带气旋中心0~50 km 环状区域的水汽凝结物含量就已经提前增加了,在热带气旋减弱前数小时到十数小时,即使热带气旋还处于它强度的鼎盛时期,其中心0~50 km 环状区域的水汽凝结物含量就已经提前显著减少了,这种水汽凝结物的变化超前于热带气旋强度的变化的现象,可能是热带气旋强度预报的潜在线索。
CMIP5全球气候模式对青藏高原地区气候模拟能力评估
胡芩, 姜大膀, 范广洲
2014, 38(5): 924-938. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13197
摘要:
青藏高原是气候变化的敏感和脆弱区,全球气候模式对于这一地区气候态的模拟能力如何尚不清楚。为此,本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的历史模拟试验数据,评估了44 个全球气候模式对1986~2005 年青藏高原地区地表气温和降水两个基本气象要素的模拟能力。结果表明,CMIP5 模式低估了青藏高原地区年和季节平均地表气温,年均平均偏低2.3℃,秋季和冬季冷偏差相对更大;模式可较好地模拟年和季节平均地表气温分布型,但模拟的空间变率总体偏大;地形效应校正能够有效订正地表气温结果。CMIP5 模式对青藏高原地区降水模拟能力较差。尽管它们能够模拟出年均降水自西北向东南渐增的分布型,但模拟的年和季节降水量普遍偏大,年均降水平均偏多1.3 mm d-1,这主要是源于春季和夏季降水被高估。同时,模式模拟的年和季节降水空间变率也普遍大于观测值,尤其表现在春季和冬季。相比较而言,44 个模式集合平均性能总体上要优于大多数单个模式;等权重集合平均方案要优于中位数平均;对择优挑选的模式进行集合平均能够提高总体的模拟能力,其中对降水模拟的改进更为显著。
准全球陆表干旱严重程度的多传感器遥感监测方法研究
陈洪萍, 贾根锁, 冯锦明, 董燕生, 张安治
2014, 38(5): 939-949. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13219
摘要:
在全球气候变暖的背景下,持续的干旱事件将对生态系统和人类社会产生不利影响。尽管存在多源卫星遥感资料及多种干旱指数,然而区域和全球尺度干旱事件的监测仍具有挑战。采用TRMM(Tropical RainfallMeasuring Mission)数据量化降水异常、MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和陆表温度(Land Surface Temperature,LST)数据表征植被生长异常,构建了一种兼顾降水异常和植被生长状况异常的多传感器陆表干旱严重程度指数(Multi-sensorsDrought Severity Index,MDSI)。结果表明:MDSI 能够准确检测准全球范围(50°S~50°N,0°~180°~0°)的气象干旱事件,如亚马逊流域2005 和2010 年干旱、中国川渝地区2006 年干旱、中国云南2010 年干旱、非洲东部2011 年干旱、2012 年美国中部干旱等;MDSI 与PDSI(Palmer Drought Severity Index)呈现出大致相同的干湿空间格局,并且MDSI 有助于湿润地区干旱程度的检测。
月动力延伸预测模式业务系统DERF2.0对中国气温和降水的预测性能评估
何慧根, 李巧萍, 吴统文, 唐红玉, 胡泽勇
2014, 38(5): 950-964. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13166
摘要:
基于国家气候中心第二代月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)开展的1982~2010 年的回报试验结果和国家气象信息中心提供的669 个台站气象观测资料,利用距平相关系数ACC、平均方差技巧评分MSSS、距平符号一致率R 和短期气候预测业务分级检验Pg 等4 种方法综合评估了DERF2.0 系统对中国的气温和降水的预测性能。结果表明,DERF2.0 模式对气温的总体预测效果较好,对气温的预测性能较DERF1.0 模式有了较明显的提升。与过去全国的短期气候预测业务评分相比,DERF2.0 对气温和降水的预测都有所提高。与气温相比,DERF2.0对降水的预测性能相对较差,对降水的预测水平与DERF1.0 相接近。DERF2.0 对发生在1998 年和2006 年的极端旱、涝个例年也有一定的预测能力,且对气温的预测明显好于降水。从空间上来看,DERF2.0 在西南地区的确定性预测效果较差,模式仍然有很大的改进空间。
基于拉格朗日法的水汽输送气候特征分析——江淮梅雨和淮北雨季的对比
杨浩, 江志红, 刘征宇, 张强
2014, 38(5): 965-973. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13228
摘要:
利用基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT_4.9),结合海量气块追踪分析法,对比了江淮梅雨和淮北雨季平均水汽输送特征,从水汽来源及源地贡献方面探讨二者的相对独立性,对比两雨季降水异常年水汽输送特征。结果表明,气候态上,江淮梅雨的水汽输送主要来自印度洋、太平洋、孟湾—南海,其中来自印度洋的水汽输送贡献最大,超过50%;淮北雨季来自印度洋、欧亚大陆、孟湾—南海、太平洋的水汽贡献差异不大,但与江淮梅雨的水汽源地对比,淮北雨季来自印度洋的水汽输送贡献少20%,而欧亚大陆偏多19%。对比降水异常年发现,来自印度洋、孟湾—南海以及欧亚大陆水汽贡献的变化对江淮梅雨和淮北雨季降水异常有重要影响。江淮梅雨偏多年,印度洋的水汽输送贡献比梅雨偏少年减少17%,孟湾—南海则增加了11%。在淮北雨季偏多年,印度洋的水汽输送贡献比偏少年多19%,孟湾—南海和欧亚大陆的水汽输送则分别减少6%和17%。
近50年中国大陆冬季气温和区域环流的年代际变化研究
梁苏洁, 丁一汇, 赵南, 孙颖
2014, 38(5): 974-992. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13234
摘要:
利用中国大陆468 个站点1960~2013 年逐日气温资料,本文首先对中国冬季气温的年代际变化特征进行分析。通过气候跃变检验分析发现,中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动,可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。本文对比三个时期的冬季大气环流发现,冷/停滞期(暖)期西风环流减弱(增强)而东亚大槽增强(浅薄),槽后的辐合下沉增强(削弱),西伯利亚高压增强(减弱),这加强(削弱)了东亚冬季风,冷空气更多(少)侵入中国大陆地区,冬季气温偏低(高)。北半球环状模/北极涛动(Northern Hemisphere Annular Mode,NAM/Arctic Oscillation,AO)正是通过东亚冬季风系统对中国冬季气温,尤其是冬季最低气温有很强的年代际影响。太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)与中国冬季气温在年代际上也有很好的正相关关系。进一步将PDO 的年代际变化分量作为背景,分析NAM/AO 和厄尔尼诺—南方涛动(El Nino Southern Oscillation,ENSO)不同配置下的东亚冬季风环流场可以发现,两者的配置作用不仅影响着中国冬季气温一致变化型的年代际波动,而且也可以影响到冬季气温南北反相振荡型的变化,这从一个方面解释了1980 年代和1990年代北方变暖较强及最近十年北方降温趋势较为明显的原因。
一个新的湖—气热传输模型及其模拟能力评估
任晓倩, 李倩, 陈文, 刘辉志
2014, 38(5): 993-1004. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13243
摘要:
基于原有模型,采用温度为预报变量,改进了数值计算方法,并为模型中的浅湖部分加入了底部沉积层模块,建立了一个新的湖泊一维涡扩散水热传输模型。利用德国Kossenblatter 湖的观测资料(2003 年5~10 月)对模型进行了验证,并与其他四个湖泊模式的模拟结果进行了对比。进一步应用本模型和洱海水上观测站的资料(2012 年1~12 月)详细分析了湖泊水热状态的季节变化和日变化。模拟结果表明:模型可以很好地模拟出洱海水温的季节变化以及日变化,湖泊表面温度和剖面温度的模拟值与观测值吻合很好,最大误差均在2℃ 范围内;湖泊表面通量的模拟效果比温度略差,尤其对感热通量有明显低估,差值约为实测值的33%。这部分偏差可能是由观测误差、缺测数据的填补与订正方法以及模型表面参数化过于简单所共同导致。
华北水资源年代际变化及其与全球变暖之间的关联
张书萍, 祝从文, 周秀骥
2014, 38(5): 1005-1016. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13231
摘要:
本文利用1951~2011 年期间中国台站资料、东亚地区的探空资料、NCEP/NCAR 和ERA40 等大气再分析资料,通过对水分平衡方程诊断探讨了华北地区过去60 年中水资源和可利用降水量的变化特征及其与大尺度环流变化之间的关系。结果发现,华北地区69%的降水量被蒸发,可利用降水仅仅为降水量的31%。夏季可利用降水是华北水资源的主要来源,华北夏季可利用降水量在80 年代初发生突变减少,进入21 世纪初,伴随蒸发量的增加该地区可利用降水量进一步减少。西风带水汽与东亚夏季风水汽是华北可利用降水的主要来源。NCAR/NCEP 和EAR40 再分析资料的结果均显示贝加尔湖一带的位势高度偏低和西太平洋高压的偏强有利于该地区降水增多。利用探空资料进一步证明,蒙古以及贝加尔湖地区的温度在对流层低层变暖和位势高度场的加强导致了过去几十年华北可利用降水量减少。由于贝加尔湖地区温度变化与全球变暖存在密切关联,监测该地区温度的变化对预测华北水资源和东亚夏季风的长期变化具有重要的意义。
ATOVS资料同化方案对暴雨模拟效果的影响
张斌, 张立凤, 熊春晖
2014, 38(5): 1017-1027. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13215
摘要:
本文利用WRF 模式及其3DVar 同化系统,以2009 年6 月29 日00 时到30 日00 时的湖北鹤峰暴雨为研究个例,对ATOVS 探测器的AMSU-A、AMSU-B 和HIRS 三类资料进行了不同的同化方案试验。结果表明:同化ATOVS 三类资料对暴雨模拟的影响不同,HIRS 资料对暴雨模拟效果改进最大,AMSU-B 次之,AMSU-A 最小。同时同化ATOVS 三类资料时,AMSU-A 资料起主要作用,其同化效果与同时同化ATOVS 三类资料相近,优化组合同化AMSU-B 和HIRS 资料的效果最好。同化ATOVS 不同资料对初始要素场的影响不同,AMSU-A 资料主要影响大气温度场,AMSU-B 资料对中高空要素场的影响较大,HIRS 资料对低空湿度场及风场的协同改变最有利于降水模拟的改善。同时ATOVS 资料的稀疏分辨率也是影响同化效果的一个因子,在模式分辨率不变时,同化资料稀疏分辨率可能存在最佳选择。