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2015年  第39卷  第5期

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长江三角洲地区净生态系统二氧化碳通量及浓度的数值模拟
刁一伟, 黄建平, 刘诚, 崔健, 刘寿东
2015, 39(5): 849-860. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1409.14127
摘要:
净生态系统碳通量(NEE)的计算对于准确模拟区域碳通量和大气CO2浓度的时空变化至关重要。本文利用中尺度大气-温室气体耦合模式WRF-GHG(Weather Research and Forecasting Model with Greenhouse Gases Module),对2010年7月28日至2010年8月2日期间影响长江三角洲地区大气CO2浓度及时空分布的各种过程进行了详尽模拟。结果表明,植被光合呼吸模型(VPRM)能模拟不同植被下垫面NEE的日变化;WRF-GHG模拟的大气CO2浓度日变化与观测相吻合,但低估了大气CO2浓度5~15 ppm(ppm表示10-6),这可能与人为排放源的低估、VPRM参数的不确定性以及气象场模拟的不准确性有关。太湖和植被覆盖较好的地区如浙江北部山区是该地区的主要碳汇,而城市为CO2的主要排放源。太湖和陆地生态系统对区域内碳循环起到一定的调节作用,减缓区域大气CO2浓度的升高。此外,局地气象条件如湖陆风对太湖周边地区大气CO2浓度有显著影响。
黑潮延伸体中尺度涡年代际变化与北太平洋风暴轴变化之间的关系
冯劭华, 罗德海, 钟霖浩
2015, 39(5): 861-874. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1410.14142
摘要:
利用18年带通滤波的卫星高度计资料,通过引入黑潮延伸体中尺度涡能量(EKE)的面积指数,分析了黑潮延伸体中尺度涡EKE的强度和位置的年代际变化特征,并使用回归分析等方法分析了它们与北太平洋风暴轴之间的关系。结果表明,黑潮延伸体中尺度涡增强与北太平洋风暴轴的增强相对应,而EKE位置偏北(南)时对应的北太平洋风暴轴也偏北(南),同时当EKE的位置偏东(偏西)时北太平洋风暴轴则西退(东移)。此外,北太平洋风暴轴的变化对黑潮延伸体也可能有一定的反馈作用,黑潮延伸体中尺度涡EKE强度的变化与北太平洋风暴轴EOF第一和第三个模态(第二个模态)回归的海表面高度距平模态有明显的3~4年滞后的正(负)相关,而黑潮延伸体中尺度涡EKE位置的变化则相反。这种滞后相关可能是通过北太平洋风暴轴驱动的遥相关型环流改变海表面风应力旋度并强迫出的海表面高度距平的西传导致的。
两次强对流背景下的对流层向平流层输送特征模拟与分析?
曹治强, 吕达仁
2015, 39(5): 875-884. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1411.14175
摘要:
为了研究强对流及其背景大尺度天气系统在对流层向平流层输送(TST)过程的作用,分别对发生在低纬度和中纬度的两次强对流天气过程进行了模拟。对于发生在广西及其附近地区的低纬度强对流天气来说,云顶温度较低,强对流所带来的直接TST输送约占总输送数的18%,强对流所在的天气尺度或大尺度的系统造成的输送约占总输送数的82%。对于发生在河北及其附近地区的中纬度强对流来说,云顶温度略高,强对流所带来的直接TST输送约占总输送数的0.17%,强对流所在的天气尺度或大尺度的系统过程造成的输送约占总输送数的99.83%。从输送到平流层以后粒子的移动方向来看,这两次过程强对流引起的直接输送都向西南方向移动,而天气尺度或大尺度系统引起的输送都向偏东方向移动。总的来说,强对流所在的背景天气尺度或大尺度的系统所引起的TST都远大于强对流的直接输送。天气尺度或大尺度的系统引起的输送一般发生在强对流发生的2天后,在强对流发生8~9天后达到最大值。
近52年长江中下游地区夏季年代际尺度干湿变化及其环流演变分析
李淑萍, 侯威, 封泰晨
2015, 39(5): 885-900. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1412.14186
摘要:
利用中国气象局国家气象信息中心提供的长江中下游地区353站1961~2012年逐月降水资料,通过计算得到各站点夏季标准化降水指数(SPI)。根据长江中下游地区夏季中旱及以上等级站点数目及其突变检测(Mann-Kendall方法,MK)结果,将时间序列划分为三个时段。在此基础上,利用NCEP/NCAR再分析资料及NOAA海洋表面温度重建资料,分析了各个时段前冬至夏季环流背景场的异常特征及其演变过程,并建立了各时段的概念模型。结果表明:(1)长江中下游夏季在第一时段(1961~1973年)呈明显干旱状态;第二时段(1974~1986年)为干旱向湿润转变的阶段;第三时段(1987~2012年)基本转为湿润状态。(2)第二时段为第一时段与第三时段的过渡期,环流背景场在该时段发生明显变化,使得第一时段与第三时段所对应季节的环流距平场相位相反。(3)第一时段,前冬至夏季全球海温持续偏冷,印度洋海温冷异常在夏季尤为显著,南亚高压与西太平洋副热带高压偏弱;前冬,青藏高原北部脊偏弱,蒙古高压明显偏弱;夏季,印度低压偏强、南支槽加深,夏季风水汽输送偏强,而亚洲中高纬度为平直西风气流,北方冷空气不易南下至我国南方地区,冷暖空气交绥受阻,使得长江中下游夏季出现大范围的干旱。第三时段相对于第一时段,前冬至夏季全球海温暖异常,印度洋海温显著偏暖,西太平洋副热带高压偏强;前冬,青藏高原北部脊偏强,蒙古高压异常偏强;夏季,印度低压减弱、南支槽异常偏弱,夏季风水汽输送较弱,水汽滞留在长江流域,且贝加尔湖高压脊发展,脊前冷空气南下,使得长江中下游夏季降水偏多。
RCP4.5情景下中国季风区及降水变化预估
姜江, 姜大膀, 林一骅
2015, 39(5): 901-910. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1411.14216
摘要:
本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中共46个全球气候模式的数值试验结果,通过对中国区域的年、夏季和冬季降水气候态的模拟能力评估,择优选取了18个气候模式用来预估RCP4.5情景下21世纪中国季风区范围、季风降水及其强度变化。结果表明,相对于1986~2004年参考时段,RCP4.5情景下多数模式和所有模式集合平均在不同时段内均模拟出中国季风区面积、季风降水及其强度的增加趋势,最明显的时段出现在2081~2099年。其中,季风区面积扩张是导致季风降水增加的主要因素。在机制上,热力与动力条件变化均有利于季风降水强度的增加以及更多的水汽进入中国东部,从而引起季风区范围的扩大。
城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响研究
张珊, 黄刚, 王君, 刘永, 贾根锁, 任改莎
2015, 39(5): 911-925. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1411.14199
摘要:
本文利用京津冀地区24个气象站的日降水资料和耦合有单层城市冠层模式(SLUCM)的中尺度数值模式WRF的模拟结果,研究了城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响。结果表明,在京津冀城市面积迅速增长的近三十年(1981~2010),该地区大部分站点的降水量都呈现减少的趋势,减少最明显的站点主要集中在京津唐城市区域,其中≥50 mm的降水量减少趋势占总降水量减少趋势的50%以上。城市扩张可能是造成京津冀降水时空格局改变的因素之一。通过对比分析控制试验与敏感性试验的模拟结果,发现城市化引起的地表特征的改变使北京、天津、唐山主要城市地区的降水量和降水频次都有明显减少,而城市群下风向的降水量和降水强度则明显增加和增强,其中50 mm以上等级的降水量变化最为显著,贡献率在60%以上。城市地表特征使北京、天津和唐山地区50 mm以上等级降水量的百分比下降了6%~20%,下风向地区增加了8%。城市地表特征也影响了主要城市和城市群下风向地区降水量的日变化结构,使北京和唐山几乎所有时段的降水量都有所减少,而城市群下风向降水量的增加主要发生在白天。研究发现城市地表特征对深对流的抑制(加强)可能是造成京津冀地区降水减少(增多)的重要原因,而由于城市地表蒸发量的改变引起的潜热通量和对流有效位能的改变则可能是引起深对流变化的重要因素。
冬季北太平洋海温主模态在1990年前后调整及其成因初探?
刘凯, 祝从文
2015, 39(5): 926-940. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1411.14218
摘要:
太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋涡旋振荡(NPGO)是北太平洋(20°~60°N,120°E~120°W)海温(SST)的EOF前两个模态,本文通过比较1990年前后北太平洋冬季SST EOF前两个模态,揭示了PDO和NPGO在1990年前后特征,并从关键区海温变化、北太平洋涛动(NPO)、赤道太平洋中部变暖(CPW)和北极涛动(AO)的影响,揭示了北太平洋主模态在1990年之后调整的成因。我们发现,1990年之前,北太平洋SST场的EOF前两个模态与PDO和NPGO的空间结构类似,但是在1990年之后,SST的EOF第一模态的最大荷载中心向日界线移动,40°N以北的太平洋被正的SST异常控制,表现出与NPGO模态的负位相相似的空间分布特征,而EOF第二模态由偶极子演变成了三极子结构。北太平洋中部(28°~36°N,152°~178°W)和北太平洋北部(44°~49°N,151°~177°W)海温距平在1990年之后呈显著的负相关变化,是导致在1990年之后冬季NPGO成为主模态的内部原因,而NPO在1990年之后的显著增强则是重要的外部原因。分析显示,NPO在1980年开始表现出增强趋势,通过风生流机制,NPO可以增强北太平洋45°N附近的气压梯度和西风异常幅度,从而导致了1990年之后NPGO海温模态的加强。虽然CPW和AO对NPO的南支(夏威夷)和北支(阿拉斯加)的海平面气压异常中心加强有贡献,但是上述两个因子与NPGO之间的关系在1990年之前并不明显。因此,CPW和AO与NPGO之间并不存在稳定的物理联系。
气溶胶对雷暴云起电以及闪电发生率影响的数值模拟
师正, 谭涌波, 唐慧强, 杨忆, 彭琳, 郭秀峰, 陈浩然
2015, 39(5): 941-952. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1412.14230
摘要:
本文利用二维耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式,结合一次南京雷暴个例,进行250 m分辨率雷暴云起电模拟实验,探讨了气溶胶浓度对雷暴云空间电荷分布以及闪电发生率的影响。在这个气溶胶模块中,假定一个三模态的气溶胶对数分布,考虑了气溶胶活化过程。结果显示:(1)随着气溶胶浓度增大,雷暴云电荷结构保持为三极型。(2)当气溶胶浓度从50 cm-3增加至1000 cm-3时,水成物粒子浓度上升,雷暴云电荷量和闪电发生率增加明显。(3)气溶胶浓度在1000~3000 cm-3范围时,云水竞争限制了冰晶的增长,导致雷暴云上部主正电荷堆电荷量降低。云滴和霰粒子浓度缓慢上升促进中部主负电荷堆和底部次正电荷堆电荷量继续增大。闪电发生率保持稳定。(4)当气溶胶浓度大于3000 cm-3时,水成物粒子浓度稳定,云内的电荷量以及闪电发生率保持为一定量级。
热带风压场平衡特征及其对GRAPES系统中同化预报的影响研究I:平衡特征分析
王瑞春, 龚建东, 张林, 陆慧娟
2015, 39(5): 953-966. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1412.14233
摘要:
本文基于GRAPES全球模式的短期预报误差样本,利用赤道波动正规模态研究了热带风、压场平衡特征,并根据这些特征分析了线性平衡方程(LBE)在该区域应用时存在的问题。结果表明:(1)赤道波动能成功解释热带短期预报误差样本的大部分分量,对流层中层为60%~80%,对流层顶和平流层低层为80%以上。(2)在可解释的误差方差中,赤道罗斯贝波(ER)占比仅为30%~55%,其他赤道波动的作用不可忽视。(3)在ER模态基础上引入其他赤道波动会大幅削弱原有风、压场平衡约束,重力惯性波与Kelvin波的作用最为显著。此时,对流层中层位势高度hu风、v风间的约束接近于零,而平流层低层h-u的平衡特征由Kelvin波主导。(4)LBE主要表达了ER模态下的风、压场平衡特征,与实际情形相比高估了热带风、压场的耦合程度,进一步的改进中需削弱这一虚假平衡,使得热带风、压场分析变得更加独立。
副热带东南太平洋海温对东北夏季降水的影响及可能机制
高晶, 高辉
2015, 39(5): 967-977. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14246
摘要:
诊断分析表明,前期副热带东南太平洋海温尤其是前春海温与东北夏季降水存在持续稳定的负相关关系。无论是在年际时间尺度还是年代际尺度上,冬、春、夏季海温演变趋势与降水均呈反位相。尺度分离结果显示,关键区海温与降水的显著负相关主要依赖于其年代际分量,但年际分量也起到较重要贡献。相关分析和合成分析结果都发现,当副热带东南太平洋海温偏低时,其上空可激发出反气旋式距平风场,而在关键区海域西北部激发出气旋式距平环流。同时在所罗门群岛和菲律宾南部分别出现反气旋式和气旋式距平环流。西太平洋副热带高压(副高)位置较常年偏西,副高区为反气旋式距平环流。在东北地区西侧则为气旋式距平环流。在这样的环流背景下,副高西侧的南风加强了源自南海和西太平洋的暖湿气流和北方冷空气在东北地区的交汇,从而使东北夏季多雨。反之,当东南太平洋海温偏高时,其激发的气旋及反气旋距平中心和偏低年刚好相反,副高位置偏东,其西侧的南方水汽输送偏弱,同时东北冷涡也偏弱,冷暖空气汇合形成的低空辐合弱,东北降水因此偏少。这表明,副热带东南太平洋海温异常时确实能激发出一个从关键海区到东北地区的跨越南北半球的气旋-反气旋交替波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,从而影响东北夏季降水。
冬季北大西洋风暴轴异常对我国寒潮活动的可能影响
周星妍, 朱伟军, 顾聪
2015, 39(5): 978-990. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1501.14259
摘要:
基于1961~2011年国家气象信息中心整编的566站逐日平均温度资料以及NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料等,利用奇异值分解(SVD)等方法,首先分析了年际尺度上冬季北大西洋风暴轴与同期我国寒潮频次的联系。发现,北大西洋风暴轴位置异常与我国寒潮频次变化存在显著的相关关系,即当在40°W以西风暴轴较气候平均位置偏北(偏南)和在40°W以东风暴轴较气候平均位置偏东北(偏西南)时,同期我国大部分地区的寒潮频次异常偏少(偏多),而其强度异常与我国寒潮频次变化的年际关系并不显著。进一步的分析结果表明,风暴轴位置的改变会引起天气尺度瞬变涡动的传播出现异常,而这种传播异常既可以直接影响我国寒潮活动,也可以通过其反馈作用影响大气环流来间接影响我国的寒潮活动。具体的可能影响过程如下:当风暴轴偏东北(偏西南)时,其离亚洲西风急流的位置较远(较近),不利(有利)于将北大西洋上强的瞬变涡动通过亚洲西风急流波导直接传播到我国地区;此时,北大西洋西风急流偏北(偏南),相应地北大西洋涛动(NAO)出现正(负)位相异常,而传播到下游的瞬变涡动通过动力反馈作用,可使得高纬西风加速(减速),极涡加深收缩(减弱扩张),冷空气禁锢在极地不易(容易)南下,而中纬西风则减速(加速),经向环流加强(减弱),从而引起西伯利亚低层冷堆温度增高(降低);最后,所有上述环流异常形势以及瞬变波的异常传播可最终导致我国的寒潮活动频次减少(增多)。
土壤湿度和土壤温度模拟中的参数敏感性分析和优化
李得勤, 段云霞, 张述文, 文小航
2015, 39(5): 991-1010. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14276
摘要:
使用一种复杂洗牌算法 (SCE-UA, Shuffled Complex Evolution Algorithm) 对Noah陆面模式中的参数进行敏感性分析和优化,其中水文参数采取直接优化和优化土壤成份的形式,侧重于研究两种水文参数给出方法对土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性。结果表明:将土壤湿度和土壤温度作为判据,模式中水文参数敏感性最高,水文参数对土壤湿度的敏感性要高于对土壤温度的敏感性。表层土壤湿度作为判据对土壤水文参数优化后,可以改善土壤湿度和土壤温度的模拟,加入深层土壤湿度同时作为判据后,优化使土壤温度的模拟变差。当土壤成份作为优化的参数,表层和深层土壤湿度作为判据,优化能够同时改善土壤湿度和土壤温度的模拟。单独使用土壤温度作为判据不能达到优化水文参数的目的。将土壤成份作为优化的参数后,土壤湿度和土壤温度的多判据优化效果最好,且减少不敏感参数的个数后对优化结果的影响总体不大。基于以上结果,将土壤成份作为优化水文参数的方法能够更好的考虑不同水文参数之间的约束关系,优化后的水文参数具有很好的一致性,优化效果较直接优化水文参数更好。
中国最高、最低温度及日较差在海拔高度上变化的初步分析
董丹宏, 黄刚
2015, 39(5): 1011-1024. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1501.14291
摘要:
本文利用中国740个气象台站1963~2012年均一化逐日最高温度和最低温度资料,分析了中国地区最高、最低气温和日较差变化趋势的区域特征及其与海拔高度的关系。结果表明:近50年气温的变化趋势无论是年或季节变化,最低温度的增温幅度都高于最高温度,且其增温显著区域都对应我国高海拔地区。除了春季,其他季节最高、最低温度及日较差的升温幅度随着海拔高度的升高而增大,其中最高温度的变化趋势与海拔高度的相关性最好。同一海拔高度上,最高、最低温度在不同年代的增幅具有不一致性:20世纪80年代,二者变化幅度最小;20世纪90年代,二者增幅最大,尤以低海拔地区最为明显。2000 m以上高海拔地区:最高温度和最低温度的变化趋势在20世纪90年代以前变化较小,而在近十年增幅十分明显;日较差季节变化大:夏季减小,冬季增加。20世纪90年代以前,最高、最低温度随海拔高度变化不大,而近20年随海拔高度升高,最高、最低温度的变化趋势几乎都是先减小后增加。高海拔地区比低海拔地区对全球变化反应更明显。
梅雨锋上边界层中尺度扰动涡旋的个例研究
沈杭锋, 章元直, 查贲, 陈勇明, 翟国庆
2015, 39(5): 1025-1037. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1410.14212
摘要:
运用实况自动站、高时空分辨率的雷达和数值模拟资料,对2009年7月24日的梅雨锋暴雨过程进行了分析,结果表明:(1)锋面南侧的暖区弱降水环境内,近地面的风场会有扰动涡旋出现,随着扰动涡旋趋于稳定和向上发展,降水迅速加强,形成短时暴雨,并伴随有大风出现。(2)偏西气流从边界层开始发展并加强为急 流,在向东推进的过程中逐渐抬升,形成了一支从边界层倾斜入对流层低层的急流轴;而偏南气流与偏北风相遇之后,不仅形成风向的辐合和切变,而且在空间上被抬升,形成了一支斜升入流。(3)在近地面风场的切变和 辐合作用下,锋生与辐合同步加强,边界层内的涡度也逐渐增强,由此带动了扰动的发生发展,扰动涡旋在边界层内率先形成,随后,在急流的东传和抬升影响下,扰动涡旋也逐步向东移动、向上发展。(4)近地面风速的加强、风向的辐合切变导致了扰动涡旋的发生和形成,并逐渐发展,这是边界层中尺度扰动涡旋发生发展的动力 因子。
2011~2013年中国冻雨、冻毛毛雨和冻雾的特征分析
李杰, 郭学良, 周晓宁, 李兴宇
2015, 39(5): 1038-1048. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1501.14239
摘要:
研究冰冻天气的特征对于更好的认识冰冻天气,提高此类天气的预警预报能力,从而达到防灾减灾有重要意义。利用2011~2013年间中国民航机场的一小时或半小时一次的例行观测和特殊观测资料,分析了冻雨、冻毛毛雨和冻雾天气的时空分布、持续时间和气象条件等特征。研究结果表明:我国大部分地区均会发生冰冻天气。冻雨和冻毛毛雨的频发区与其持续时间较长区比较一致,而冻雾的少发区,其持续时间也可能较长。我国冰冻天气最容易在冬季(12~2月)发生,在1月出现的比例最高;在凌晨[00~07时(当地时间,下同)]出现频率相对较高,午后(13~14时)出现频率最低。一次冰冻天气的持续时间一般不超过2个小时。温度在-3~-1℃,露点温度在-4~-1℃,温度露点差在0~1℃时冰冻天气发生的频率最大。出现冰冻天气时的风向以东北风和北风为主,而平均风速在2~3.9 m s-1时冻雨和冻毛毛雨发生的频率最大。我国冻雨和冻毛毛雨发生时,同时常会有雾或轻雾;冻雾出现时,一般不会伴随其他天气。
春季北极涛动对盛夏长江流域地表气温的影响
张乐英, 徐海明, 施宁
2015, 39(5): 1049-1058. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1501.14238
摘要:
本文基于1958至2002年的ERA-40 月平均再分析资料,利用年际增量方法分析了春季北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)与我国夏季长江流域地表气温的关系。结果表明,在扣除前期冬季ENSO影响后,5月AO指数与8月长江流域地表气温存在显著正相关。通过回归分析发现,5月AO可通过影响中低纬度的海气相互作用进而影响8月长江流域地表气温。当5月AO处于正位相时,在(10°~15°N)及赤道附近产生异常下沉气流,对应着西太平洋局地Hadley环流减弱,对流层底层出现了异常的反气旋性辐散气流。与之对应,赤道西太平洋地区出现了显著的东风异常。由于该东风异常位于5月气候平均的局地海表面温度(SST)极大值中心位置上,该东风异常可通过平流作用使得高海温不断地向西堆积,最终造成赤道西太平洋SST出现显著正异常。当该SST正异常持续至8月时,它通过Gill响应(Gill,1980)在其西北侧激发出气旋性异常环流,它有利于西太平洋副热带高压在我国长江流域的维持,进而造成长江流域地表气温正异常。反之,则相反。