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2015年  第39卷  第6期

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春季青藏高原表面感热加热的年际变化特征及其对印度夏季风爆发时间的影响
张盈盈, 李忠贤, 刘伯奇
2015, 39(6): 1059-1072. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1410.14226
摘要:
本文基于日本气象厅(JMA)的JRA-25再分析资料,分析了春季青藏高原表面感热加热年际变化的时空特征,及其对印度夏季风爆发过程的影响。EOF分析结果表明,春季高原感热加热的年际变化在高原中西部最为明显,这主要与局地地-气温差的年际变率有关。统计分析表明,当春季高原中西部表面感热偏强(弱)时,印度夏季风爆发偏早(晚),且高原中西部表面感热与ENSO事件无显著相关。春季高原中西部感热能够通过改变印度季风区对流层高层和低层的经向热力结构来影响印度夏季风的爆发时间。当春季高原中西部感热偏强时,造成的上升气流在高原以西的印度季风区北部下沉,通过绝热增暖引起局地对流层中上部的异常暖中心,令印度季风区对流层中上部平均温度经向梯度由冬至夏的季节性反转提早。同时,印度季风区北部的下沉运动能够抑制当地降水,令陆面温度升高,并通过非绝热过程造成对流层低层的异常暖中心,进一步增强了印度季风区的海陆热力对比。在印度季风区以北地区对流层高、低层异常增暖的共同作用下,印度夏季风提前爆发。
基于CloudSat卫星资料分析青藏高原东部夏季云的垂直结构
张晓, 段克勤, 石培宏
2015, 39(6): 1073-1080. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1502.14196
摘要:
本文利用CloudSat卫星资料,对青藏高原东部2006~2010年6~8月云垂直结构的空间分布进行分析,结果表明:(1)夏季青藏高原东部云发展可达到平流层,且高原东部云在5km以下以水云存在,5~10km以液相和固相共存的混态存在,在垂直高度10km以上以冰云存在。由于CloudSat卫星资料云相的反演问题,可能会造成水云和混态云的发展上限偏低,冰云的发展下限抬升。(2)研究区整层水汽输送和云水平均路径空间分布存在一定的差异性,云水含量纬向分布表现为在26.5°~30.5°N附近存在一个明显的峰值区,经向分布表现为95°E以西云水含量低于以东。(3)研究区以单云层为主,尤其在青藏高原主体。单云层平均云层厚度4182 m,云顶高度、云厚限于水汽的输送,表现为由南向北波动下降。多层云发生频率在27°N以北明显减少,说明强烈的对流运动更容易激发多层云的产生。
大气对春季东海黑潮锋响应的气压调整机制分析
李智, 刘宣飞, 李传浩
2015, 39(6): 1081-1094. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14257
摘要:
采用美国国家环境预测中心的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料和QuickSCAT(Quick Scatterometer)、AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)、TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)高分辨率卫星资料,研究了大气对春季东海黑潮锋响应的气压调整机制及其年际变化。结果表明,春季东海黑潮锋位于黑潮暖舌的西北侧,呈西南-东北走向,与大尺度气压背景场的等压线走向一致,锋区东南侧暖水与西北侧冷水之间产生的局地气压梯度与大尺度气压梯度形成同向叠加,使得锋区附近西北指向东南的气压梯度达到最大,造成该处的海表面10 m矢量风速也最大,在摩擦作用下形成东北偏北风(NNE)。锋区与其东南侧的NNE风之间沿锋区走向(跨锋区走向)的分量差,会在暖舌附近产生气旋性切变涡度(风速辐合),由此产生上升运动和强降水;而在锋区西北侧的冷水区情况正好相反,有反气旋性切变涡度(风速辐散),并伴有下沉运动和弱降水,从而形成跨锋区的次级环流圈。东海黑潮锋区偏强(弱)年,锋区东南侧暖水与西北侧冷水之间的局地气压梯度也偏强(弱),与大尺度气压梯度同向叠加后形成偏强(弱)的NNE风,造成锋区东南侧暖舌附近的气旋性切变涡度、风速辐合、上升运动和降水均偏强(弱),而锋区西北侧冷水区的反气旋性切变涡度、风速辐散和下沉运动均偏强(弱),跨锋区次级环流圈偏强(弱),这表明在年际时间尺度上气压调整机制仍起作用。
雷暴中雷电活动与WRF模式微物理和动力模拟量的对比研究
黄蕾, 周筠珺, 谷娟, 柳臣中, 向钢
2015, 39(6): 1095-1111. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1412.14260
摘要:
利用WRF模式模拟发生在成都地区的典型雷暴天气过程,得到相应雷电活动过程中微物理和动力输出场,将其与雷电监测定位网所探测到的地闪资料进行对比分析,在电荷分离的微物理学基础上讨论了WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出的不同微物理及动力因子与地闪的相关性。结果表明:-10℃到-20℃之间的电荷分离区域内,冰晶粒子与霰粒子质量混合比最大值与地闪频数随时间变化趋势基本保持一致。在雷电活动中后期,霰、冰晶及雪晶粒子最大值位置与地闪密度大值中心位置对应性较好,空间上均能指示地闪发生区域。最大上升速度与风暴相对螺旋度可以指示地闪频数变化,风暴相对螺旋度空间上可指示地闪密度大值中心。模拟结果表明WRF模式微物理及动力输出场可以指示地闪活动的发生时间和位置,表现了日益成熟WRF模式进行雷电数值预报与研究的潜能。
三维变分同化机载雷达资料对飓风预报的影响研究——2012年Isaac试验
陆续, 马旭林, 王旭光
2015, 39(6): 1112-1122. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14262
摘要:
随着气旋内部资料(Inner core data)在热带气旋预报中的使用,其重要性逐渐受到人们越来越多的关注。为了研究该资料中尾部机载雷达(Tail Doppler Radar,TDR)资料在业务系统中的应用效果,本文利用2012年飓风等级热带气旋Isaac期间的TDR资料,采用业务HWRF(Weather Research and Forecasting model for Hurricane)数值模式与业务GSI(Grid-point Statistical Interpolation system)三维变分同化(Three-Dimensional Variational Data Assimilation, 3DVar)系统对TDR资料进行了同化,展开了一系列预报试验,并对其效果进行了分析和研究。结果表明与HWRF的业务预报相比,GSI系统同化TDR资料后对热带气旋的路径和强度预报有明显改进;但其同化效果同时也表明业务三维变分中的静态背景误差协方差在TDR资料的应用中仍需要进一步的改进。
不同升温阈值下中国地区极端气候事件变化预估
陈晓晨, 徐影, 姚遥
2015, 39(6): 1123-1135. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1502.14224
摘要:
本文基于耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的18个全球气候模式的模拟结果,预估了全球平均气温在不同典型浓度路径(RCPs)下达到2℃、3℃和4℃阈值时,中国地区气温和降水的变化,并采用了具有稳定统计意义的27个极端气候指标定量评估了全球平均气温达到不同阈值时,中国地区极端气候事件的可能变化。结果表明,未来我国平均气温增幅将高于全球平均增暖,极端暖事件(如暖夜、暖昼、热带夜)明显增多,达到4℃阈值时,暖夜指数相比参考时段增加约49.9%。极端冷事件(如冷夜、冷昼、霜冻)减少。随全球气温升高,中国北方平均降水增多。在不同升温阈值下,中国地区降水的极端性都体现出增强的趋势,强降水事件发生频率(如中雨日数、大雨日数)和强度(如五日最大降水量、极端强降水量)都明显增加。随升温阈值的升高,这些变化幅度更大,在 RCP8.5 情景下全球升温 3℃和4℃时,中国平均五日最大降水分别增加 12.5mm和17.0mm。我国西南地区极端降水强度的增幅高于其他地区。
大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征
董元昌, 李国平
2015, 39(6): 1136-1148. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1502.14263
摘要:
从能量角度分析了发生于2010年7月21~25日的一次高原低涡天气过程及降水特征。定量讨论了高原低涡发展不同阶段显热能、潜热能和对流有效位能(CAPE)的时空分布特征以及各能量分量变化的原因。发现:(1)显热能在高原低涡生成初期是总能量变化的主导因素,潜热能则在高原低涡东移下坡之后对总能量的变化起主要作用;(2)潜热能的空间分布证实高原低涡在成熟阶段出现与台风类似的螺旋结构;(3)标准化对流有效位能(NCAPE)在高原低涡发展最强盛时呈现明显的空心结构;(4)高原低涡的降水主要分布在低涡中心的东南侧或南侧,这与高原低涡的环流以及能量分布特征有密切关系。
中尺度涡旋混合参数空间变化对物理场以及CFC-11模拟的影响
刘波, 李阳春, 徐永福, 范广洲
2015, 39(6): 1149-1164. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1502.14297
摘要:
本文选用中国科学院大气物理研究所全球海洋模式(LICOM),对中尺度涡旋参数化方案(GM90方案)中等密度扩散系数和等密度面厚度扩散系数(统称为涡旋扩散系数Aρ)对物理场及CFC-11(一氟三氯甲烷)分布的影响进行了研究。本文做了两个试验,即涡旋扩散系数采用常系数方式(对照试验)和采用在非绝热层以下Aρ随海洋浮力频率垂直变化的参数化方案(浮力试验)。模拟结果表明,依浮力频率垂直变化的方案对模式物理场的模拟能力有一定程度的提升,如南极绕极流的输送强度比常系数方案增大了约20%~30%,与观测事实更接近;浮力试验对对照试验中过强的南极中层水有一定的削弱作用,使得模式对南大洋高纬次表层位密度的模拟有一定的改善。稍有不足的是,浮力试验对南极底层水也有一定的削弱,使得2000~3000 m深度位密度模拟较常系数方案偏低。通过对CFC-11分布、存储以及输送的研究发现,次网格参数取值的不同对南大洋CFC-11模拟情况有较大影响。浮力试验加大了南北高纬CFC-11海表的吸收通量,对南极大陆周边海域向南大洋主储藏区(34°S~60°S)的CFC-11输送能力有一定的增强,使得南大洋对CFC-11储藏量增大,大部分海区与观测资料更接近。通过CFC-11断面分析,浮力试验对南大洋上层海洋位密度模拟的改善使得CFC-11垂直结构与观测更接近。
GRAPES_MESO中时间步长和空间分辨率对于预报效果的影响
刘德强, 冯杰, 李建平, 王金成
2015, 39(6): 1165-1178. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1501.14307
摘要:
基于GRAPES区域中尺度数值预报系统(GRAPES_MESO),针对700 hPa、500 hPa和200 hPa的位势高度场H,温度场T,风场纬向分量U,经向分量V和地面降水场,在给定的模式物理过程下,分别考察了时间步长和空间分辨率对于模式预报效果的影响。研究结果表明,空间分辨率(0.3°×0.3°)相同时,各变量在不同层次的预报几乎都存在最优时间步长使得预报技巧最高,初步说明最优时间步长理论在复杂的偏微分方程组中的适用性。随后,将空间分辨率为0.3°×0.3°时最优时间步长(240 s)的预报结果与当前业务中(空间分辨率为0.15°×0.15°、时间步长为90 s)的预报结果进行比较,发现前者的变量H、T、U、V和地面降水场的预报技巧均高于后者,表明并不是空间分辨率越高预报效果越好。
2000年以来福州地区夏季极端高温的新特征及成因探讨
谭红建, 蔡榕硕
2015, 39(6): 1179-1190. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14343
摘要:
近几十年来,全球气候变暖背景下夏季中国大陆大中城市的极端高温事件趋于频繁,其时空格局发生了显著变化,并对社会经济环境造成了严重的影响。中国气象局最近发布的数据表明,福州市因高温天数最多而被称为中国"第一火炉",一度引起热议。本文利用逐日的观测资料建立了多个极端高温指数(极端高温天数、极端最高气温、平均最高气温和炎热指数等)序列,综合分析了在1960~2013年间夏季福州市极端高温的变化趋势,并与传统的"四大火炉"城市(重庆、武汉、南昌和南京)做了比较。结果表明:福州市的高温指数在20世纪60、70年代并不突出,但在1970年代末和1990年代初经历两次转折后,均有显著的上升过程,其中,极端高温天数、日最高平均气温和相对湿度在2000年左右均发生了一次显著的突变;进入21世纪后,除了在年平均极端最高气温不如重庆高外,其他各项极端高温指数均超过传统的"四大火炉"。分析还表明,21世纪初以后,中国东部沿海地区特别是福州市的极端高温是由大气环流变异引起的,其贡献主要源自低层水平和垂直温度平流的异常,而局地非绝热加热的贡献较小。此外,近十年来,西太平洋副热带高压的明显西伸也有利于夏季中国南方城市的极端高温事件的频繁发生。
四川盆地低涡的月际变化及其日降水分布统计特征
李超, 李跃清, 蒋兴文
2015, 39(6): 1191-1203. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1502.14270
摘要:
利用ERA-interim再分析资料和全国824个气象基准站的日降水资料,统计分析了1983年1月1日~2012年12月31日发生在四川盆地的低涡天气过程及其降水特征,结果表明:盆地涡初生位置主要位于盆地的西南部和东北部,盆地涡夏季出现最多,冬季出现最少,其中初生位置位于盆地西南部的低涡7月出现最多,12月和1月出现最少;位于东北部的低涡6月出现最多,1月出现最少;盆地涡具有明显的日变化,西南型盆地涡3~10月夜晚发生概率均大于白天,其他月份低涡夜发性不明显,而东北型盆地涡只在5~9月期间夜晚发生概率大于白天,其他月份低涡夜发性不明显;盆地涡生命史与对流程度具有相关性,对流发展有利于盆地涡长时间维持,然而,夏季西南型盆地涡即使对流没向上发展也能长时间维持;盆地涡夏季移出最多,尤其以7、8月最明显,冬季移出最少,7月前以偏东路径为主,7月后以东北路径为主;盆地涡频数的月际变化与川西高原西南涡源地的风场扰动移出有密切联系,九龙地区夏季风场扰动移出活跃,冬季移出不活跃。小金地区春季风场扰动移出活跃,冬季移出不活跃。九龙地区风场扰动移出对盆地涡频数的月际变化贡献明显,小金地区风场扰动移出对盆地涡频数的月际变化贡献不明显;夏半年(5~10月)西南型盆地涡和东北型盆地涡引起的日降水区域分布的月际变化特征不同,前者的日降水最大值中心随月份先由盆地东北部向西南部移动,之后再由盆地西南部向东北部折回,后者的日降水最大值中心会一直稳定维持在盆地的东北部达州地区。东北型盆地涡虽然出现频次低,但各月的日降水强度要远大于西南型盆地涡。
闪电和固、液态降水关系差异的数值模拟
郭凤霞, 吴鑫, 梁梦雪, 江涛, 陆干沂
2015, 39(6): 1204-1214. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1412.14264
摘要:
为了进一步认识闪电和固、液态降水的关系,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过设置敏感性试验组,模拟了一次雷暴过程,分析雷暴中闪电和降水的特征,以及闪电和固、液态降水对垂直风速的依赖关系,探讨闪电与固、液态降水的时空分布关系和单次闪电表征的降水量(RPF:rainyields per flash)。结果表明:对流云降水中,液态降水占主要部分,但固态降水比液态降水对于垂直风速的依赖性更强。随着对流的增强,固态降水在总降水中占的比重越来越大。首次放电时间不断提前,闪电峰值落后垂直风速峰值,总闪数一开始随对流的增强而增加,对流一旦增强到一定程度,总闪数则逐渐减小。固态降水和液态降水的开始时间和峰值时间均随着对流的增强而不断提前,而液态降水出现时间和峰值时间均提前于固态降水。雷暴云首次放电的时间滞后于液态降水,而闪电峰值提前固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。雷暴云中的放电活动集中在强降水区域前缘的较弱降水区,强降水区对应的闪电较少,对流的增强会使降水区域面积、降水量和降水强度增加。由于液态降水总量远大于固态降水总量,固、液态RPF的数值相差达到一个量级,但单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。在单位时间内闪电次数越多,RPF则越小,而固态RPF和闪电次数的线性相关性明显好于液态RPF,所以利用固态降水可以更好地预报闪电。这些结果有助于进一步认识闪电和降水的关系,并可为闪电预报提供新的思路。
影响辽东半岛两个台风Meari和Muifa暴雨环流特征的对比分析
梁军, 李英, 张胜军, 刘晓初
2015, 39(6): 1215-1224. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14191
摘要:
Meari(1105)和Muifa(1109)是两个路径相似并在辽东半岛产生强降水的热带气旋。但Meari强降水持续时间长,而Muifa时间短。利用中国气象局热带气旋年鉴、FY_2D(0.1°×0.1°)云顶亮温资料、大连地区逐时自动气象站降雨量资料、常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对两个台风影响辽东半岛的降水过程进行了对比分析。结果表明:(1)Meari影响辽东半岛时强度较弱,但与低空东南急流相连获得丰富水汽供应,衰减缓慢;Muifa影响时强度较强但与低空急流水汽通道快速断开而衰减迅速。(2)两个台风均进入西风槽区而变性,但两者影响辽东半岛时处于不同的变性阶段。Meari为半冷半暖结构,其北侧中尺度对流活动发展旺盛,非对称结构明显;Muifa低层环流已变性为冷中心,云系结构孤立且无发展。(3)两次过程中辽东半岛位于台风不同的对流发展区域是其降水强度差异的原因之一。辽东半岛位于Meari北侧,低层的水平辐合较强,水平风垂直切变较大,深厚的上升运动维持;Muifa影响下辽东半岛位于其西侧,受偏北风下沉气流控制,不稳定度和动力抬升条件减弱。
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Ⅱ:动力与统计混合平衡约束方案的应用
王瑞春, 龚建东, 张林, 陆慧娟
2015, 39(6): 1225-1236. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1412.14234
摘要:
研究I的结果表明:线性平衡方程(LBE)在热带地区不适用,而进一步改进方向是削弱LBE在该区域的约束程度。本文以此为基础,在GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球变分同化系统中引入动力与统计混合平衡约束方案。新方案在逐层求解LBE的基础上增加垂直方向的线性回归,回归系数随纬度和高度变化。针对背景误差协方差的分析表明,新方案可以更好的保证独立分析变量间预报误差不相关的基本要求,并大幅度减小热带地区平衡气压预报误差方差的量值和占总方差的比例。单点试验结果表明,与LBE方案相比,新方案对中、高纬影响很小,但在热带地区成功实现了风、压场分析的解耦,两者分析更为独立。并且,虽未考虑具体波动模态,但新方案给出的风、压场协相关结构与研究I的理论分析结果相近。一个月的同化循环与预报结果表明,引入新方案后,赤道外地区的同化预报效果为中性偏正,而热带地区风场的同化预报效果显著提高,LBE方案中平流层低层的风场同化预报异常被基本消除。
东亚海陆表面温度季节性增温差异对东亚夏季风强度的影响
刘鹏, 陈海山, 于华英, 秦怡, 钱永甫
2015, 39(6): 1237-1249. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1502.14228
摘要:
本文通过对比几种不同的东亚夏季风强度指数,发现东亚及附近地区海陆表面温度的变化与东亚夏季风强度有密切联系。在此基础上,根据强、弱夏季风年东亚表面温度差值的逐候数据做EOF分析,结果发现:第一模态可以揭示从春到夏的季节转换,中国东部陆地增温相对较快,而西太平洋及孟加拉湾海温增温较慢,季节转换提前,有利于夏季风偏强;第二模态则反映了春季中高纬度地区增温快、中低纬增温慢的情形,有利于夏季风增强。在5月份两种模态的综合作用显示:陆地较冷、海洋较暖,夏季陆地的快速增温、海洋增温慢,有利于夏季风增强。将上述影响因素引入到改进的东亚夏季风强度指数中,修正后的指数可以反映东亚地区5月到夏季的海陆增温特点以及季节转换的早晚,并更好地描述了季风区中、高纬度的热力差异,合理地解释夏季风强度与西北太平洋副高及低空急流的关系,因此新指数能够更好地反映全国范围内夏季降水的特点。
全球变暖背景下青藏高原夏季气温在对流层上下反相变化及其与降水和环流的关系
朱丽华, 范广洲, 华维
2015, 39(6): 1250-1262. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14249
摘要:
本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国596个测站月降水资料,采用线性倾向估计、经验正交函数分解(EOF)、相关分析、合成分析等方法,对青藏高原夏季对流层气温垂直变化及其与降水和环流的关系进行了分析。气温垂直变化特征分析表明:自1971年以来,青藏高原夏季对流层低层至对流层中上部气温呈现显著增暖趋势,对流层上部气温呈现显著变冷趋势,高原对流层低层至中上部气温及对流层上部气温在年际、年代际尺度上均呈较显著负相关,且均存在2~4 a及8~13 a的周期;夏季青藏高原地区沿27.5°N~40°N平均的气温距平垂直分布的EOF分解第一模态特征向量在对流层表现为"下降温上增温"的反相变化,其时间系数呈显著负趋势,且存在1978年及1994年的突变点。高原夏季气温在对流层的上下反相变化与我国夏季降水的关系在年际、年代际尺度上均显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时,我国夏季降水表现为南方型,其中以江南至华南地区降水显著偏多而我国东北地区降水显著偏少为主要分布特征;另外,长江流域的局部地区及我国西北的部分地区降水也明显偏少,而华北东部的局部地区、青藏高原中部及东部地区以及新疆西北部地区降水明显偏多;降水异常分布在年代际尺度上比年际尺度更显著。环流分析显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时东亚中高纬度地区为异常高压控制,中低纬度地区受异常低压影响。环流场与降水分布有较好的配置关系。