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2018年  第42卷  第2期

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冬季北大西洋涛动与中国北方极端低温相关性的年代际变化
韩方红, 陈海山, 马鹤翟
2018, 42(2): 239-250. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1705.17101
摘要(2221) HTML (4) PDF (9694KB)(1845)
摘要:
本文基于中国地面气温日值网格数据集(V2.0),采用滑动相关和相关分析等方法,揭示了冬季北大西洋涛动(NAO)对中国北方极端低温影响的事实,进一步证实了东北后冬(1、2月)冷日(夜)与同期NAO相关性的年代际变化。研究发现:在20世纪80年代中期前,东北后冬冷日(夜)频发,与NAO的相关性较好,而在80年代中期后东北后冬冷日(夜)少发,与NAO的相关性减弱。其中,1月在1969~1988阶段,东北冷日(夜)与NAO的相关性最好,相关区域显著,相关系数可达-0.68(-0.66),而在1989~2009阶段二者相关性最弱,相关区域不显著。进一步分析发现,在不同年代际背景下,NAO引起的大气环流异常是导致东北1月冷日(夜)与1月NAO相关性年代际变化的重要原因。相关性较好的年代,NAO引起的环流异常有利于冷涡等天气系统维持在贝加尔湖到东北一带,使东北地区气温偏低,冷日(夜)频发;相关性较弱的年代,不利于冷空气南下,使东北地区气温偏高,冷日(夜)少发。
近30年全球干旱半干旱区的蒸散变化特征
张霞, 李明星, 马柱国
2018, 42(2): 251-267. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1709.16288
摘要(1931) HTML (6) PDF (16188KB)(1782)
摘要:
全球变暖加剧了气候系统能量和水分循环相互作用的变化,水分平衡变化导致极端旱涝事件频发。地表蒸散是能量水分循环的重要过程,是理解气候变化的关键环节。本文基于1982~2011年FLUXNET-MTE观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了全球干旱半干旱区蒸散的时空变化特征及典型区域的变幅、趋势和季节变化。结果表明:(1)干旱半干旱区多年平均蒸散量小于300 mm。冬季蒸散量最小,夏季最大且变率也最强。1990年代前后,干旱半干旱区蒸散发生了明显的年代际转变,暖季的年代际差异尤为明显。(2)近30年来,东半球干旱半干旱区蒸散量呈增加趋势,西半球呈减小趋势。典型区域来看,南非呈显著增加趋势[25.14 mm(10 a)-1],美国西南部呈显著减小趋势[-19.86 mm(10 a)-1];萨赫勒、中国北部和澳大利亚呈增加趋势,阿根廷及智利南部呈减小趋势。(3)蒸散变化与温度、降水的变化联系密切,三者具有相似的年循环变化,但三者间相关性在干旱半干旱区具有显著的差异性。
黄山层状云和对流云降水不同高度的雨滴谱统计特征分析
李慧, 银燕, 单云鹏, 金祺
2018, 42(2): 268-280. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1705.16291
摘要(1770) HTML (5) PDF (1978KB)(1774)
摘要:
根据2011年6~7月在黄山不同高度采用PARSIVEL雨滴谱仪测得的雨滴谱数据,对不同海拔高度上两类(层状云和对流云)降水粒子谱的微物理特征量、Gamma函数拟合以及雨滴的下落速度进行对比分析,结果表明:对流云降水的雨水含量和降水强度、雨滴的各类尺度参数和数浓度都比相同位置上层状云降水的大,同类降水中,山腰的雨滴尺度大于山顶和山底,这可能与各观测点和云底相对位置的不同有关;随降水强度增加,雨滴的质量加权平均直径Dm逐渐增大,广义截距参数(log10Nw)的标准差逐渐减小。拟合结果表明各高度的雨滴谱都比较符合Gamma分布,由拟合参数分析雨滴谱的演变,发现相对于对流云降水,层状云降水粒子谱随高度的变化较小,雨滴谱的演变较为稳定。此外,本文还对两类降水中雨滴的下落速度及影响落速的因素进行了分析。
位涡倾向在Muifa台风路径转折中的应用
袁敏, 平凡, 李国平
2018, 42(2): 281-291. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1709.17111
摘要(1717) HTML (4) PDF (7147KB)(1478)
摘要:
利用ECMWF资料诊断分析了位涡倾向方程中的水平平流项和非绝热加热项分别在Muifa台风两次路径转折中的作用。结果表明:第一次路径转折过程中,非绝热加热项的量级比水平平流项小一个量级,水平平流项所表征的外部大尺度环流因素是第一次路径转折的主要原因;第二次路径转向过程由水平平流项和非绝热加热项共同控制,其中水平平流项控制台风的移向,非绝热加热项表征的内部非对称结构对台风转向有抑制作用。
基于地面短波辐射观测资料计算淡积云的辐射强迫及水平尺度方法研究
施红蓉, 陈洪滨, 夏祥鳌, 范学花, 张金强, 曹杨, 朱彦良, 王姝
2018, 42(2): 292-300. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1707.17115
摘要(1500) HTML (0) PDF (5459KB)(1638)
摘要:
本文根据不同类型云影响地面短波辐射的差异,提出利用地面短波总辐射变化检测识别淡积云以及计算淡积云水平尺度的方法,并对该算法进行误差分析,统计内蒙古草原地区夏季淡积云的水平尺度及其辐射强迫。结果表明:淡积云检测方法能比较好地识别、筛选出淡积云天。淡积云水平尺度和淡积云所在高度的风速成正比,风速测量的准确性直接影响淡积云水平尺度估算准确性;淡积云水平与垂直尺度比对计算淡积云水平尺度影响最大;云移动经过遮挡太阳直射辐射的时段内,太阳天顶角变化的影响可以忽略不计。内蒙古草原地区夏季淡积云短波辐射强迫小时平均为-134.1 W m-2,水平尺度平均值为1129 m,水平尺度的概率密度呈幂指数分布。
三种温湿参数下昆明准静止锋锋面位置及锋生函数诊断的对比分析
段旭, 张亚男, 梁红丽
2018, 42(2): 301-310. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1709.17116
摘要(1471) HTML (2) PDF (8870KB)(1215)
摘要:
针对2008年1~2月昆明准静止锋天气过程,讨论了位温、相当位温和广义位温三个温湿参数及其对应的锋生函数,对比分析结果表明:(1)广义位温因其湿度因子权重过大,不适用于分析以温度梯度定义的昆明准静止锋锋面位置和强度;(2)理想状态下的干大气位温和饱和大气相当位温仅与气压和温度有关,均能较好地反映大气温度场特征,适用于昆明准静止锋的分析,比较而言相当位温对温度锋区的描述更为显著;(3)用位温或相当位温计算锋生函数所得结果直接表达了因温度场变化导致的锋面生消状况,而用广义位温计算锋生函数所得结果同时包含温度锋生(消)和湿度锋生(消)两种情况,不能简洁地判断昆明准静止锋锋面生消状况。
基于CCSM4.0长期积分试验评估不同辐射强迫对中国干旱半干旱区降水的影响
赵天保, 从靖
2018, 42(2): 311-322. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1706.16167
摘要(1411) HTML (0) PDF (10239KB)(1447)
摘要:
本文基于气候系统模式CESM4.0长期积分试验,分析评估了工业革命前(1850年)及当前(2000年)两种辐射强迫作用(分别为太阳活动和温室气体)对中国北方干旱半干旱区降水的影响。结果表明,模拟结果与观测之间尽管存在一定的偏差,但仍能再现降水气候态的空间分布以及季节变化特征;两种辐射强迫下的降水长期变化均无明显趋势,但二者的差异却呈现出70~100年的准周期振荡;由人类活动引起的当前辐射强迫作用对降水的多年际变率幅度有一定影响,造成极端强降水事件出现的概率增多,而由太阳活动引起的辐射强迫作用主要对降水多年代际周期具有一定的调制作用。进一步分析表明,两种辐射强迫下中国北方干旱半干旱区降水年多年代际变率的主要模态基本一致,但人类活动引起的辐射强迫作用会影响降水多年代际变率与热带海温异常的相互作用的强度,从而改变降水多年代际变率的幅度。
黄土高原半干旱区典型日吸收性气溶胶综合观测分析
孙乃秀, 张镭, 徐丽丽, 王雯璟
2018, 42(2): 323-338. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1707.17120
摘要(1230) HTML (0) PDF (13610KB)(1301)
摘要:
利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的太阳光度计、激光雷达、微波辐射计综合观测资料,结合辐射传输模式分析了该地区秋季典型日2012年9月3~4日、21日和28日气溶胶物理特性、垂直分布特征,及其与气象条件的关系。研究时期的气溶胶主要为局地沙尘与人为污染混合气溶胶,吸收性明显,尺度较小。其中,4日西北风增强,远距离传输沙尘气溶胶,气溶胶光学厚度最大,粒子尺度明显增大。尝试利用灰色关联度法确定参考高度,分别为7.41 km、8.47 km、7.13 km和7.66 km,反演气溶胶消光系数,由此积分得到的光学厚度与太阳光度计观测值相关性可达0.975,反演效果较好。研究时期气溶胶的抬升主要受白天热力湍流作用,边界层发展,气溶胶向上传输,每日12时(当地时间,下同)至14时传输至最大高度,气溶胶抬升的高度对应大气加热率的高值区,低层加热率可达1 K d-1。气溶胶在大气层顶和地面造成负辐射强迫,分别为-12.707 W m-2、-25.398 W m-2,大气中表现为正辐射强迫,为12.692 W m-2,大气层顶的辐射强迫对气溶胶的物理特性最为敏感,当气溶胶吸收性明显时,大气层顶的瞬时辐射强迫会出现正值。
一次飑线过程对流稳定度演变的诊断分析
周围, 包云轩, 冉令坤, 王勇
2018, 42(2): 339-356. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17126
摘要(1741) HTML (3) PDF (26922KB)(1461)
摘要:
针对2016年5月2日发生在华东地区的一次飑线过程,利用WRF模式进行高分辨率数值模拟。在成功模拟飑线发生、加强和移动的基础上,对此次过程中对流不稳定特征以及引起对流稳定度变化的原因进行诊断分析。结果表明:(1)在降水发生前,低层大气表现为对流不稳定;降水发生后,对流不稳定能量得到释放,大气趋于稳定。为了分析引起对流稳定度变化的原因,推导了局地直角坐标系中相当位温垂直梯度的倾向方程,其中位势散度是引起位势稳定度局地变化的主要强迫项。在弱降水区,低层位势散度为负值,有利于增强位势不稳定;强降水区及其前沿为位势散度正值区,倾向于抑制位势不稳定。在强降水区低层,位势散度的主要分量为垂直风切变项,代表垂直风切变和大气湿斜压性的综合作用;高层的主要分量为散度项,代表水平散度和位势稳定度的耦合作用。(2)位势散度能综合表征降水区上空垂直风切变、大气湿斜压性、水平辐合辐散和大气位势稳定度变化等特征,因而与降水联系紧密。本文利用位势散度对飑线降水进行预报,结果表明,位势散度与小时观测降水在时间和空间上吻合较好,对降水区有一定的指示意义,可以为飑线降水业务预报提供参考。
影响广东省的热带气旋特征分析及灾害损失研究
丑洁明, 班靖晗, 董文杰, 胡川叶, 代如锋
2018, 42(2): 357-366. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1708.17140
摘要(1782) HTML (2) PDF (3560KB)(1544)
摘要:
本文基于1990~2015年影响广东省的热带气旋(Tropical cyclone,TC)数据,分析了影响广东省TC的时空特征、灾情年际变化以及灾害强度特征等。并利用灾害指标核算出灾害损失的经济价值,改进综合灾情指数模型。主要得出以下结论:26年来登陆广东省的TC共93个(占登陆我国TC总数的29.6%),其中有67个对广东省造成了人员伤亡或者经济损失;影响广东省TC频次整体随时间变化不大,强度低的TC频次随年际呈现较为明显地减少变化趋势,而强度高的TC频次呈现较为明显的逐年上升趋势;粤西与珠江三角洲地区受TC侵袭频次明显高于粤东和粤北地区;热带气旋各项灾情指标造成的经济损失(以2015年为可比价)均在1997年出现转折,经济损失急速下滑;各项损失相对值与TC强度之间存在较好的指数正相关关系,低强度等级的热带气旋造成的综合灾情指数呈现较为明显的年际减小趋势,而高强度等级的热带气旋变化趋势不显著。
GRAPES区域集合预报模式的初值扰动增长特征
王婧卓, 陈静, 庄照荣, 张涵斌, 王静
2018, 42(2): 367-382. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1708.17141
摘要:
基于GRAPES-REPS(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System)区域集合预报模式和集合变换卡尔曼滤波(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)初值扰动方法,对2015年6月1~15日10 km与15 km水平分辨率分别进行集合预报试验,通过分析ETKF初值扰动分量、初值扰动方差准确率、动能谱、扰动能量演变、日变化及集合离散度、均方根误差等特征,揭示GRAPES-REPS区域集合预报ETKF初值扰动结构及增长特征。结果表明:(1)ETKF初值扰动方案产生的扰动能够保持所有正交、不相关方向的误差方差,且ETKF分量α参数值及放大因子具有较好的稳定性。(2)ETKF初值扰动方法生成的扰动场以大尺度扰动为主,扰动结构及能量具有随流型依赖特征,低层以内能扰动为主,高层以动能扰动为主,且集合扰动可以有效捕捉预报误差的结构。(3)GRAPES区域集合预报初值扰动总能量和集合离散度随预报时效的延长均呈发展趋势,但离散度增长率小于均方根误差增长率,即集合预报总体存在集合离散度不足的问题。(4)水平分辨率提高可以增加中高层大尺度扰动波谱能量,明显改进等压面及近地面风场及温度场的集合预报效果。值得指出的是,GRAPES-REPS区域集合预报低层内能扰动能量存在明显的日变化特征,特别是青藏高原地区更加显著,需要进一步研究青藏高原初值扰动结构的合理性。
2016年01号台风"尼伯特"对一次梅雨期降雨影响的数值试验
田亚杰, 黄泓, 王春明
2018, 42(2): 383-397. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1705.17149
摘要:
本文应用分段位涡反演方法和中尺度WRF模式研究了2016年01号台风“尼伯特”对一次梅雨锋降水的影响,研究结果表明:减弱(增强)台风之后,降雨区的水汽通量增加7.34%(减少6.67%),动能增加7.78%(减少5.36%),对流有效位能增加6.66%(减少5.71%)。江淮地区降雨量出现累积降雨量增加10.21%(减少8.13%)。台风“尼伯特”在其加强、靠近中国大陆的过程中,迫使西太平洋副热带高压(简称副高)北抬东撤,阻碍了沿副高边缘输送至江淮地区的水汽和热量,间接导致该地区降水显著减少至消失;此外台风增强过程中,本体环流对于水汽和能量的消耗增大,导致孟加拉湾输送至江淮降雨区的水汽和能量的减少,直接导致梅雨锋降水过程中止。
不同卫星微波遥感资料同化对台风路径模拟的影响
王业桂, 张斌, 蔡其发, 黄勇, 兰伟仁
2018, 42(2): 398-410. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1709.17150
摘要:
本文以2015年13号超强台风“苏迪罗”为个例,利用WRF模式及其3DVar同化系统对NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A微波遥感资料分别同化及组合同化,探究同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟效果的影响。结果表明:同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟具有不同的调整,本文中NOAA15的同化效果最好,其次是NOAA18,最后是NOAA19;同时同化NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A资料并没有取得最好的同化效果,而组合NOAA15和NOAA18则取得了最好的同化效果,即不是同化的卫星数量越多,同化效果越好;同化试验3个时刻的增量场表明同化不同卫星的同一种微波遥感资料对物理场具有不同的调整,这与其对台风模拟路径的调整有着较好的对应,相对于温度场、海平面气压场、位势高度场和风场的增量结构与模拟台风路径的调整更为密切。
基于卫星辐射率资料的两种三维云反演方法对比研究
许冬梅, 沈菲菲, 闵锦忠, 张备
2018, 42(2): 411-420. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1709.17157
摘要:
基于格点统计插值分析系统(Gridpoint Statistical Interpolation analysis system,简称GSI),利用粒子滤波(Particle Filter,简称PF)方法对卫星红外辐射率资料进行了云覆盖、云高等三维云图产品的反演研究。选取了具有高时空分辨率的静止卫星GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)-Imager辐射率资料进行了云反演试验,初步评估了PF云反演方法的可行性及其与多元极小残差(Multivariate and Minimum Residual,简称MMR)云反演方法的异同。结果表明:两种方法反演得到的云覆盖和云顶气压与NASA基于CO2切片法反演得到的GOES云产品一致性较高。PF和MMR方法反演产品的优点是云图信息是三维分布的,相对于NASA提供的GOES云产品能提供更全方位立体的云信息。MMR方法需要利用一维变分逐步拟合观测来反演三维云图产品;PF方法采用不同模式垂直层的云覆盖比例作为不同粒子来近似后验概率分布,计算效率大大提高。进一步提出了一种新的基于“扰动粒子”的粒子滤波云反演方法,结果表明:在滤波过程中采用足够多的粒子样本(样本数量约为250)可以改进后验概率密度函数的估计,有效地避免了粒子发散问题,改善了云反演的结果。
南亚高压与邻近地区臭氧变化的相互作用
覃皓, 郭栋, 施春华, 李震坤, 周顺武, 黄莹, 苏昱丞, 王琳玮
2018, 42(2): 421-434. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1710.17159
摘要:
利用ERA-interim月平均再分析资料、相关分析和信息流方法,分析了1979~2015年夏半年(5~9月)100 hPa上南亚高压与邻近地区臭氧变化的相互作用。结果表明:除7月外,夏半年南亚高压与南亚高压区臭氧低值(简称臭氧低值)存在相互作用。6月和9月南亚高压和臭氧低值强度变化相互影响,而在5月和8月二者的作用仅仅是单向的。在6月南亚高压和臭氧低值的中部和西部边缘,以及9月南亚高压北部和臭氧低值中心区,臭氧低值增强(减弱)可能是南亚高压增强(减弱)的部分原因,南亚高压增强(减弱)也可能是臭氧低值增强(减弱)的部分原因。在6月南亚高压和臭氧低值的东南部、8月南亚高压和臭氧低值的西部和东部,以及9月南亚高压的西部,南亚高压增强(减弱)可能导致臭氧低值增强(减弱)。在5月南亚高压西部和臭氧低值南部,臭氧低值的增强(减弱)可能导致了南亚高压的增强(减弱)。根据相关分析,推测臭氧变化对南亚高压变化的可能影响机制如下:当南亚高压区臭氧浓度出现正异常时,辐射加热在其上部(下部)为负异常(正异常),导致高层(低层)异常辐合(辐散),从而导致下沉异常。高层异常辐合与下沉异常最终使南亚高压异常减弱。而臭氧浓度负异常导致南亚高压呈现正异常的过程与上述过程相反。
激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用
李霞, 权建农, 王飞, 盛久江, 高扬, 赵德龙, 程志刚
2018, 42(2): 435-446. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1710.17173
摘要:
边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00(北京时)左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为-0.340。