2022年 第27卷 第4期
2022, 27(4): 447-457.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21038
摘要:
利用1989～2018年ERA5地面太阳辐射资料，分析了不同季节主要大气环流特征指数与中国地面太阳辐射异常的关系。结果表明：（1）在春季，东亚槽位置对中国中东部大面积的地面太阳辐射异常有一致性的影响，其位置偏东时，地面太阳辐射异常显著偏少。冬季风强度和ENSO（El Niño–Southern Oscillation）分别对长江流域南北、中国南方东部和西部有反位相的影响。（2）夏季的影响因子比较复杂，NAO（North Atlantic Oscillation）和夏季风是两个较主要的影响因子，NAO对中国北方较多地区的地面太阳辐射异常的影响较为显著，而夏季风主要与江淮地区的地面太阳辐射异常相关联。当NAO指数偏大（小）时，北方大部分地区地面太阳辐射异常偏少（多）。当夏季风偏强（弱）时，江淮流域的地面太阳辐射异常显著偏少（多）。（3）在秋季，地面太阳辐射异常主要受到东亚槽位置、冬季风和NAO的影响，冬季风和东亚槽主要影响北方地区，当东亚槽偏西或冬季风偏强时，中国北方除东北地区外的大部分地区地面太阳辐射偏多。NAO主要与中国西部的地面太阳辐射异常关联，当NAO指数偏大时，西部地区北方地面太阳辐射异常偏少而南方大部分地区偏多。（4）在冬季，ENSO和冬季风是较重要的影响因子，但其显著影响区域并不对称。在ENSO负位相或冬季风较强时，中国北方大部分地区的地面太阳辐射异常显著偏多，而ENSO正位相或冬季风较弱最有利于中国南方地面太阳辐射异常偏少，但显著影响范围较小。
利用1989～2018年ERA5地面太阳辐射资料，分析了不同季节主要大气环流特征指数与中国地面太阳辐射异常的关系。结果表明：（1）在春季，东亚槽位置对中国中东部大面积的地面太阳辐射异常有一致性的影响，其位置偏东时，地面太阳辐射异常显著偏少。冬季风强度和ENSO（El Niño–Southern Oscillation）分别对长江流域南北、中国南方东部和西部有反位相的影响。（2）夏季的影响因子比较复杂，NAO（North Atlantic Oscillation）和夏季风是两个较主要的影响因子，NAO对中国北方较多地区的地面太阳辐射异常的影响较为显著，而夏季风主要与江淮地区的地面太阳辐射异常相关联。当NAO指数偏大（小）时，北方大部分地区地面太阳辐射异常偏少（多）。当夏季风偏强（弱）时，江淮流域的地面太阳辐射异常显著偏少（多）。（3）在秋季，地面太阳辐射异常主要受到东亚槽位置、冬季风和NAO的影响，冬季风和东亚槽主要影响北方地区，当东亚槽偏西或冬季风偏强时，中国北方除东北地区外的大部分地区地面太阳辐射偏多。NAO主要与中国西部的地面太阳辐射异常关联，当NAO指数偏大时，西部地区北方地面太阳辐射异常偏少而南方大部分地区偏多。（4）在冬季，ENSO和冬季风是较重要的影响因子，但其显著影响区域并不对称。在ENSO负位相或冬季风较强时，中国北方大部分地区的地面太阳辐射异常显著偏多，而ENSO正位相或冬季风较弱最有利于中国南方地面太阳辐射异常偏少，但显著影响范围较小。
2022, 27(4): 458-468.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21031
摘要:
为更科学地量化大气对污染物的清除能力，使用WRF-NAQPMS模式对2017年12月进行模拟，对比分析影响大气清除能力的主要关键物理因子，修正A值法和大气自净容量算法的差异，进一步计算大气自净容量余量及各关键物理化学过程的贡献量。结果表明，边界层高度、风廓线、湿清除系数等3个关键物理参数较混合层高度、10 m高度风速、雨洗强度等更适用于量化清除过程；修正A值法和大气自净容量算法虽均能表征大气清除能力的强弱，但前者受目标城市面积影响较大，结果远高于大气自净容量算法；大气自净容量余量与细颗粒物（PM2.5）浓度变化趋势呈负相关，污染越重，大气自净容量亏空越多，其中平流扩散对大气自净容量贡献最大，化学转化过程次之，湿沉降等过程也不可忽视。
为更科学地量化大气对污染物的清除能力，使用WRF-NAQPMS模式对2017年12月进行模拟，对比分析影响大气清除能力的主要关键物理因子，修正A值法和大气自净容量算法的差异，进一步计算大气自净容量余量及各关键物理化学过程的贡献量。结果表明，边界层高度、风廓线、湿清除系数等3个关键物理参数较混合层高度、10 m高度风速、雨洗强度等更适用于量化清除过程；修正A值法和大气自净容量算法虽均能表征大气清除能力的强弱，但前者受目标城市面积影响较大，结果远高于大气自净容量算法；大气自净容量余量与细颗粒物（PM2.5）浓度变化趋势呈负相关，污染越重，大气自净容量亏空越多，其中平流扩散对大气自净容量贡献最大，化学转化过程次之，湿沉降等过程也不可忽视。
2022, 27(4): 469-479.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21144
摘要:
基于WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）分析2020年超长梅汛期内11次强降水事件的预报误差来源。分别以FNL（Final Global Data Assimilation System）、TIGGE_EC（THORPEX Interactive Grand Global Ensemble from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）作为初始场进行预报，对比预报结果发现，TIGGE_EC初始场的预报结果普遍优于FNL，这说明初始条件的不确定性对预报结果有重要影响。进一步探究初始条件不确定性（初始误差）来源的区域（敏感区）和变量（敏感变量）发现，敏感区集中分布于降水区西侧上游，相对应的敏感变量为水汽场。分别考察动能、有效位能以及比湿能在初始误差总能量中的占比，结果表明，扰动比湿能占比最小，但敏感性试验 表明比湿场扰动对预报效果的影响最大。选取比湿场扰动对预报效果影响最大且WRF_EC具有更好预报效果的6个暴雨事件，通过HYSPLIT后向轨迹模式分别追踪其累计降水量最大值点的水汽来源及路径发现，有6个事件均有向降水区西侧上游延伸的水汽来源通道，进一步表明了敏感区的初始水汽场的准确性对暴雨预报的影响。因此降水区西侧上游的水汽场的误差是这11次梅汛期暴雨过程重要的预报误差来源，对其准确描述可有助于预报效果的提升。
基于WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）分析2020年超长梅汛期内11次强降水事件的预报误差来源。分别以FNL（Final Global Data Assimilation System）、TIGGE_EC（THORPEX Interactive Grand Global Ensemble from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）作为初始场进行预报，对比预报结果发现，TIGGE_EC初始场的预报结果普遍优于FNL，这说明初始条件的不确定性对预报结果有重要影响。进一步探究初始条件不确定性（初始误差）来源的区域（敏感区）和变量（敏感变量）发现，敏感区集中分布于降水区西侧上游，相对应的敏感变量为水汽场。分别考察动能、有效位能以及比湿能在初始误差总能量中的占比，结果表明，扰动比湿能占比最小，但敏感性试验 表明比湿场扰动对预报效果的影响最大。选取比湿场扰动对预报效果影响最大且WRF_EC具有更好预报效果的6个暴雨事件，通过HYSPLIT后向轨迹模式分别追踪其累计降水量最大值点的水汽来源及路径发现，有6个事件均有向降水区西侧上游延伸的水汽来源通道，进一步表明了敏感区的初始水汽场的准确性对暴雨预报的影响。因此降水区西侧上游的水汽场的误差是这11次梅汛期暴雨过程重要的预报误差来源，对其准确描述可有助于预报效果的提升。
2022, 27(4): 480-494.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21075
摘要:
利用非均匀地表加热的大涡模拟试验，研究了不稳定条件下地表热力非均匀性对近地层相似理论适用性的影响。结果发现，边界层的平均廓线基本不受地表热力非均匀性的影响。进一步分析发现，较大尺度的地表非均匀加热可以激发出有组织的大尺度次级环流，冷暖斑块的通量直到边界层上部才混合均匀；而当地表非均匀尺度较小时，次级环流难以形成有组织的结构，冷暖斑块的通量很快就可以混合均匀。然而，不管是哪种尺度的非均匀地表，非均匀斑块间的平流都对各斑块近地层结构产生重要影响，进而斑块近地层通量—梯度关系与相似理论产生偏差，其中风速梯度关系的偏差更为明显。最后，对目前大气模式中常用的基于相似理论的次网格非均匀地表通量参数化方法——Mosaic方法提出了改进思路。
利用非均匀地表加热的大涡模拟试验，研究了不稳定条件下地表热力非均匀性对近地层相似理论适用性的影响。结果发现，边界层的平均廓线基本不受地表热力非均匀性的影响。进一步分析发现，较大尺度的地表非均匀加热可以激发出有组织的大尺度次级环流，冷暖斑块的通量直到边界层上部才混合均匀；而当地表非均匀尺度较小时，次级环流难以形成有组织的结构，冷暖斑块的通量很快就可以混合均匀。然而，不管是哪种尺度的非均匀地表，非均匀斑块间的平流都对各斑块近地层结构产生重要影响，进而斑块近地层通量—梯度关系与相似理论产生偏差，其中风速梯度关系的偏差更为明显。最后，对目前大气模式中常用的基于相似理论的次网格非均匀地表通量参数化方法——Mosaic方法提出了改进思路。
2022, 27(4): 495-503.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21010
摘要:
基于银川高空站2008～2017年的L波段秒级数据和地面观测数据，利用干绝热法计算银川2008～2017年逐时大气混合层高度，分析其变化特征，同时利用银川6种污染物的质量浓度和AQI指数，分析大气混合层高度与空气污染物的关系。结果表明：银川市的大气混合层高度（MLH）大部时间在600 m以下，占比为68%；银川MLH具有明显的单峰型日变化特征，07:00（北京时间，下同）最低，16:00最高；各月MLH值在282～936 m，4～6月MLH值最高，12月MLH值最低；季节变化方面，春季最高，夏季次之，冬季最低；年变化方面，2012年MLH平均值最高为621 m，2015年最低为566 m；银川市6种污染物除O3外，其余5种污染物的质量浓度与MLH值都为负相关，O3与MLH值的相关性最好；四季中，冬季污染物浓度与MLH值的相关性最好，夏季最差，秋季好于春季;银川MLH值与AQI指数呈负相关。
基于银川高空站2008～2017年的L波段秒级数据和地面观测数据，利用干绝热法计算银川2008～2017年逐时大气混合层高度，分析其变化特征，同时利用银川6种污染物的质量浓度和AQI指数，分析大气混合层高度与空气污染物的关系。结果表明：银川市的大气混合层高度（MLH）大部时间在600 m以下，占比为68%；银川MLH具有明显的单峰型日变化特征，07:00（北京时间，下同）最低，16:00最高；各月MLH值在282～936 m，4～6月MLH值最高，12月MLH值最低；季节变化方面，春季最高，夏季次之，冬季最低；年变化方面，2012年MLH平均值最高为621 m，2015年最低为566 m；银川市6种污染物除O3外，其余5种污染物的质量浓度与MLH值都为负相关，O3与MLH值的相关性最好；四季中，冬季污染物浓度与MLH值的相关性最好，夏季最差，秋季好于春季;银川MLH值与AQI指数呈负相关。
2022, 27(4): 504-512.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21065
摘要:
对河南省2009~2018年地面太阳短波辐射量与降水量和云量的关系进行了分析，结果表明，地面太阳短波辐射量与降水量、云量具有显著的负相关关系，但在不同季节其相关关系差异较大。为了定量表征三者之间的关系，基于多年再分析资料，利用降水量和云量与地面太阳短波辐射量的关系对日辐射量进行拟合，并对拟合后的日辐射量进行检验。验证结果显示，此考虑季节性变化的回归模型对河南省地面太阳短波辐射有较好的拟合能力，可以作为基于气象预报的日辐射量短期变化评估基础，为光伏发电量的短期预报提供参考。
对河南省2009~2018年地面太阳短波辐射量与降水量和云量的关系进行了分析，结果表明，地面太阳短波辐射量与降水量、云量具有显著的负相关关系，但在不同季节其相关关系差异较大。为了定量表征三者之间的关系，基于多年再分析资料，利用降水量和云量与地面太阳短波辐射量的关系对日辐射量进行拟合，并对拟合后的日辐射量进行检验。验证结果显示，此考虑季节性变化的回归模型对河南省地面太阳短波辐射有较好的拟合能力，可以作为基于气象预报的日辐射量短期变化评估基础，为光伏发电量的短期预报提供参考。
2022, 27(4): 513-522.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21028
摘要:
开展城市建筑物方位、高度等建筑布局要素对局地热环境时空变化的影响研究，对于合理的城市规划布局具有重要理论意义与实践参考价值。采用ENVI-met 微气候模式，在南京江北新区顶山街道某区域微气候模拟的基础上，选择一个二类居住用地并设计不同的建筑布局要素作为规划场景，模拟分析了建筑物高度与建筑间距之比（H/W）、建筑布局变化对区域热环境的影响。结果表明：ENVI-met 能够以较高精度模拟2 m高度气温；H/W与建筑布局形式都会影响区域热环境，适当增加H/W可在一定程度上降低夏季气温，H/W为1.4时的热环境更为舒适，而不同建筑布局形式下的不同区域温度差异较大。
开展城市建筑物方位、高度等建筑布局要素对局地热环境时空变化的影响研究，对于合理的城市规划布局具有重要理论意义与实践参考价值。采用ENVI-met 微气候模式，在南京江北新区顶山街道某区域微气候模拟的基础上，选择一个二类居住用地并设计不同的建筑布局要素作为规划场景，模拟分析了建筑物高度与建筑间距之比（H/W）、建筑布局变化对区域热环境的影响。结果表明：ENVI-met 能够以较高精度模拟2 m高度气温；H/W与建筑布局形式都会影响区域热环境，适当增加H/W可在一定程度上降低夏季气温，H/W为1.4时的热环境更为舒适，而不同建筑布局形式下的不同区域温度差异较大。
2022, 27(4): 523-532.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21071
摘要:
民航华北空管气象中心自主研发了第一代快速更新循环同化数值预报系统（NMC-RAP）和更新的第二代快速循环同化数值预报系统（NMC-HRRR）。针对2020年和2021年6~8月华北区域3次大范围雷雨天气过程的雷达反射率的预报结果，从雷达回波的空间分布、航空雷暴临近预报系统（Aviation Thunderstorm Nowcasting System, ATNS）评分、主要机场对流预警的预报效果等角度，对两代快速更新循环同化数值预报系统的预报性能进行了对比分析。结果表明：1）两代系统均能较好体现雷达回波的空间分布特征，回波强度也与区域雷达拼图实况资料比较接近。对于强回波中心落区这样的关键预报，NMC-HRRR总能体现出更大的优势，与实况更吻合。2）两代系统的弱回波预报的ATNS评分均优于强回波。其中，NMC-HRRR 0~9 h内预报的强、弱回波评分整体较高，特别是0~360 min和第540分钟的强回波预报，显著优于NMC-RAP。3）NMC-HRRR在预报对飞行有影响的回波开始出现的时间方面优势明显。对5个主要机场强对流预警的整体评估，定量证明了NMC-HRRR相较NMC-RAP，在强、弱回波的定时、定点预报准确率及其时空分布的改进都是有显著效果的。
民航华北空管气象中心自主研发了第一代快速更新循环同化数值预报系统（NMC-RAP）和更新的第二代快速循环同化数值预报系统（NMC-HRRR）。针对2020年和2021年6~8月华北区域3次大范围雷雨天气过程的雷达反射率的预报结果，从雷达回波的空间分布、航空雷暴临近预报系统（Aviation Thunderstorm Nowcasting System, ATNS）评分、主要机场对流预警的预报效果等角度，对两代快速更新循环同化数值预报系统的预报性能进行了对比分析。结果表明：1）两代系统均能较好体现雷达回波的空间分布特征，回波强度也与区域雷达拼图实况资料比较接近。对于强回波中心落区这样的关键预报，NMC-HRRR总能体现出更大的优势，与实况更吻合。2）两代系统的弱回波预报的ATNS评分均优于强回波。其中，NMC-HRRR 0~9 h内预报的强、弱回波评分整体较高，特别是0~360 min和第540分钟的强回波预报，显著优于NMC-RAP。3）NMC-HRRR在预报对飞行有影响的回波开始出现的时间方面优势明显。对5个主要机场强对流预警的整体评估，定量证明了NMC-HRRR相较NMC-RAP，在强、弱回波的定时、定点预报准确率及其时空分布的改进都是有显著效果的。
2022, 27(4): 533-546.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21106
摘要:
利用第三次青藏高原大气科学观测试验数据，对高原不同地区感热、潜热交换等湍流输送特征进行了分析，并进一步对比研究了其与气象环境因子的相关关系。结果表明：（1）高原各站之间感热和潜热的差异性较大，但大多在雨季潜热会大于感热。干燥的狮泉河站属于高寒荒漠地区，降水极少，全年感热都远大于潜热，波文比年平均值可达到20.0；湿润的比如站和嘉黎站潜热在4～10月均显著大于感热，波文比在4～10月的数值范围在0.27～0.88。（2）高原感热和潜热通量的季节变化与高原季风所处的地理位置有密切关系，高原中部的感热通量在3～5月达到最大值，而高原西部则在4～6月最大，可能与高原季风的活动有关。（3）通过与气象要素的相关分析表明，高原西部狮泉河站感热与地气温差的正相关关系最为显著，全年的相关系数可以达到0.905，在4个季节相关系数也均大于0.79，这可能与下垫面是裸地有关；高原中部安多站和那曲站感热与风速的正相关在夏季最为显著，比如站感热与风速的正相关在冬季最为明显，而狮泉河站感热与风速在春、夏季均有着十分显著的正相关。
利用第三次青藏高原大气科学观测试验数据，对高原不同地区感热、潜热交换等湍流输送特征进行了分析，并进一步对比研究了其与气象环境因子的相关关系。结果表明：（1）高原各站之间感热和潜热的差异性较大，但大多在雨季潜热会大于感热。干燥的狮泉河站属于高寒荒漠地区，降水极少，全年感热都远大于潜热，波文比年平均值可达到20.0；湿润的比如站和嘉黎站潜热在4～10月均显著大于感热，波文比在4～10月的数值范围在0.27～0.88。（2）高原感热和潜热通量的季节变化与高原季风所处的地理位置有密切关系，高原中部的感热通量在3～5月达到最大值，而高原西部则在4～6月最大，可能与高原季风的活动有关。（3）通过与气象要素的相关分析表明，高原西部狮泉河站感热与地气温差的正相关关系最为显著，全年的相关系数可以达到0.905，在4个季节相关系数也均大于0.79，这可能与下垫面是裸地有关；高原中部安多站和那曲站感热与风速的正相关在夏季最为显著，比如站感热与风速的正相关在冬季最为明显，而狮泉河站感热与风速在春、夏季均有着十分显著的正相关。
2022, 27(4): 547-558.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22059
摘要:
中国是自然灾害频发的国家，气象灾害造成的损失占自然灾害造成损失的70%。2020年夏季出现超长梅雨期，长江和淮河发生洪水；2021年夏季，华北雨季开始早，结束晚，期间发生了“21·7”河南地区特大暴雨事件。这些气象灾害都对人民生命财产造成严重损失。因此，有必要提前对气候异常进行预测，以提高国家的防灾减灾能力。2022年3月，中国科学院大气物理研究所开展汛期（6～8月）的全国汛期气候趋势预测会商会。通过综合大气所各个数值模式和统计模型的结果，在未来4～6个月全球短期气候仍处在La Niña事件恢复到ENSO正常状态的背景下，预计2022年汛期（6～8月），东北东部和中部、华北大部分地区、黄河中下游、东南沿海、西北地区中部、西藏大部分地区、西南地区东部和云南大部分地区降水正常略偏多，其中环渤海湾地区降水偏多2～5成，可能发生局地洪涝灾害。全国其他大部分地区降水正常略偏少，其中长江下游地区和新疆北部降水偏少2～5成。预计今年登陆台风数正常略偏多。由于未来ENSO的趋势演变具有一定的不确定性以及夏季降水受到中高纬大气环流季节内变化的影响，因此，此次汛期预测结果具有一定的不确定性。我们将根据2022年春末、夏初大气环流和海洋等因子的实际演变趋势，做进一步补充订正预测。
中国是自然灾害频发的国家，气象灾害造成的损失占自然灾害造成损失的70%。2020年夏季出现超长梅雨期，长江和淮河发生洪水；2021年夏季，华北雨季开始早，结束晚，期间发生了“21·7”河南地区特大暴雨事件。这些气象灾害都对人民生命财产造成严重损失。因此，有必要提前对气候异常进行预测，以提高国家的防灾减灾能力。2022年3月，中国科学院大气物理研究所开展汛期（6～8月）的全国汛期气候趋势预测会商会。通过综合大气所各个数值模式和统计模型的结果，在未来4～6个月全球短期气候仍处在La Niña事件恢复到ENSO正常状态的背景下，预计2022年汛期（6～8月），东北东部和中部、华北大部分地区、黄河中下游、东南沿海、西北地区中部、西藏大部分地区、西南地区东部和云南大部分地区降水正常略偏多，其中环渤海湾地区降水偏多2～5成，可能发生局地洪涝灾害。全国其他大部分地区降水正常略偏少，其中长江下游地区和新疆北部降水偏少2～5成。预计今年登陆台风数正常略偏多。由于未来ENSO的趋势演变具有一定的不确定性以及夏季降水受到中高纬大气环流季节内变化的影响，因此，此次汛期预测结果具有一定的不确定性。我们将根据2022年春末、夏初大气环流和海洋等因子的实际演变趋势，做进一步补充订正预测。
