摘要:本文利用ECMWF逐日再分析资料 (1961～2000年), 主要从结构和水平传播包括经向传播和纬向传播方面对南海和南亚两个季风区的30～60天振荡进行了比较分析。研究结果发现, 两个季风区的大气季节内振荡都存在明显的年际变化, 但并没有出现同相或反相的变化关系。两个季风区ISO在结构上既有相似的地方也有不同点, 在垂直结构上都有“斜压”特征, 但南海大气季节内振荡的风场和温度场随高度西倾都要比南亚地区大气季节内振荡更明显; 在水平结构上南海低频 (30～60天) 季风槽也要比印度低频季风槽显著。另外以1996年夏季为例比较分析了两个季风区的大气ISO的经向传播和纬向传播特征, 结果发现两个季风区ISO在经向上的传播都是在5月初开始, 且以向北传播为主, 但在南海季风区向北传播开始的时间比在印度季风区要稍早, 起始纬度更高, 北传到达的纬度更低, 传播特征也不如印度季风区典型。纬向传播上在不同时间传播特点不同, 传播方向也不同。但无论是向东还是向西传播, 南海地区ISO相对比南亚地区的ISO要强, 传播速度也相对要快一些。

摘要:西澳大利亚州西南部 (SWWA) 是西澳大利亚州首府Perth的所在地, 也是西澳州政治、经济、文化、教育和旅游的中心。自20世纪中期以来, SWWA地区雨季降水持续减少。本文利用近60年的观测及再分析数据, 分析了已知的影响澳大利亚降水的热带海洋模态: 厄尔尼诺—南方涛动 (ENSO)、 印度洋偶极子 (IOD) 和ENSO Modoki (EM) 对SWWA地区降水的影响, 发现它们均不能解释SWWA地区前冬 (5～7月) (全文季节均指南半球) 和后冬 (8～10月) 降水的长期变化趋势。特别地澄清了南半球环状模 (SAM) 对SWWA地区冬季降水的影响, 揭示了前人所指出的两者之间的显著关系是由于极端事件造成的。这表明, 已知的影响澳大利亚降水的气候模态并不能解释SWWA地区冬季降水的长期变化趋势。通过对SWWA地区降水、大尺度大气环流的动力、 热力结构和季节循环特征的分析, 发现其表现出类似季风环流的特征, 也即干湿季节的交替出现、风向的季节性反转和明显的海陆热力差异。基于此提出了SWWA地区类季风环流 (SWAC) 的概念, 并分析了其与SWWA地区冬季降水之间的关系, 指出SWAC环流的减弱是SWWA地区降水减少的可能原因。

摘要:文章的第I部分 (徐道生等, 2011) 将基于SVD (singular value decomposition) 技术和预报集合的三维变分同化方法 (SVD-En3DVar) 用于同化模拟的雷达速度观测资料, 试验表明, 通过3DVar (three-dimensional variational technique) 方法产生预报集合的初始扰动场, 可以缩短SVD-En3DVar中预报样本的积分时间, 同化对改进暴雨的短期预报有一定好处。本文进一步将这一方法用于同化实际观测资料。选择2008年6月华南地区和2003年7月江淮地区的两个暴雨个例进行同化试验, 并将其与WRF-3DVar (3DVar based on the weather research forecasting model) 的同化结果进行比较。结果表明, 同化雷达径向风资料以后, 在模式初始场中包含了更多的中小尺度信息。对于使用了13部雷达资料的第一个个例, 经SVD-En3DVar同化以后对18小时内每6小时一次的累计降水预报都有所改进, 而WRF-3DVar的同化效果则不明显。对于只同化1部雷达观测资料的第二个个例, WRF-3DVar和SVD-En3DVar方法同化以后对前6小时的降水预报都有所改进, 但对于第6~18小时的降水预报, 两种方法都没有改进。

摘要:利用台站观测和NCEP/NCAR大气再分析等资料, 通过与历史同期降水事件比较, 分析了2009年冬季发生在我国新疆阿勒泰地区持续的水汽和环流异常特征以及北极涛动 (Arctic Oscillation, AO) 和ENSO现象对该地区持续性暴雪的影响。结果发现, 位于贝加尔湖以西的对流层持续性异常冷性低槽活动是影响2009年冬季新疆北部持续性暴雪的重要环流系统, 该异常低槽导致冷空气南下路径偏西, 并与来自里海的水汽输送在新疆北部地区交汇, 导致了持续性寒潮天气和暴雪的发生。其中, 贝加尔湖地区的异常低槽的维持与AO指数异常偏弱密切相关, 当AO指数处于负位相时, 贝加尔湖一带位势高度出现负异常, 北半球盛行经向环流异常, 有利于乌拉尔山阻塞高压的维持和冷空气沿贝加尔湖向南侵袭, 导致新疆北部持续性寒潮和大暴雪天气发生。分析冬季ENSO事件对新疆北部的影响中发现, El Niño年冬季, 同期西太平洋副热带高压偏强偏北, 低纬度海洋水汽大多沿着副高边缘向东南输送, 其北上分量无法到达新疆地区, 因此El Niño对新疆北部的持续性大暴雪的影响并不明显。

摘要:在CAM3.0模式中, 通过设计一系列数值模拟试验来研究北半球大气环流对北极海冰密集度 (Sea Ice Concentration, 简称SIC) 强迫的响应。将海冰密集度EOF第二模态 (EOF2) 的时间系数回归到原场, 并把这个空间异常场逐月的加到SIC春季气候态上, 作为敏感性试验的外强迫。试验结果表明: 在季节尺度上, 大气环流由春季逐渐向夏季演变, 春季SIC异常与春、 夏季北半球大气环流、 地表温度以及降水异常有显著关系, 尤其是对春季中国东部降水负异常, 夏季东北部、 东南沿海降水正异常有很大贡献。在逐日和逐周时间尺度瞬态演变上, 局地高、 低层大气环流对海冰强迫的响应呈现斜压结构, 两周之后大气由斜压结构逐渐转变为正压结构, 强迫响应可以通过遥相关波列传播到北极以外地区, 到了第6周大气的响应基本达到正压平衡状态。这种遥相关的产生与极区热通量异常所激发的波活动通量有关: 北极SIC异常首先通过直接热力强迫过程来改变表层热通量空间分布, 这种表面热通量异常通过与大气环流的相互作用可以激发出大尺度罗斯贝波。在初始斜压区的低层有波动能量向上传播, 并在对流层中高层向南传播, 最后通过直接热力强迫和大气内部动力学相互作用引发的遥相关过程将能量频散到东亚地区, 进而影响东亚地区的天气和气候。

摘要:利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2007年4～11月微脉冲激光雷达 (MPL-4B) 观测资料, 统计分析了卷云的高度、 厚度及其变化特征。采用透过率方法计算了卷云光学厚度, 得到了卷云光学厚度与卷云厚度和云底高度的相关关系。结果表明, SACOL卷云出现的平均海拔高度为10.16±1.32 km; 卷云厚度分布范围为0.30～2.80 km,平均值为1.10±0.49 km; 光学厚度分布范围为0.003～1.057, 平均值为0.17±0.16, SACOL卷云以光学厚度小于0.3的薄卷云为主; 6、7、8月卷云出现高度较其他月大, 厚度和光学厚度较小; 卷云光学厚度与卷云厚度呈正的线性相关关系。

摘要:本文分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 发展的大气环流格点模式 (GAMIL1.0) 对1980～1999年西北太平洋夏季风的模拟, 讨论了阵风参数化方案对模拟效果的影响。结果表明: GAMIL1.0能合理再现西北太平洋夏季风气候态和年际变率的主要特征, 不足之处在于其模拟的平均态及年际变率的强度都较之观测偏弱。引入阵风参数化方案后, 模拟得到明显改进: 区域平均的气候态降水由5.71 mm/d增加到8.35 mm/d, 与观测值9.11 mm/d更为接近; 模拟的季风指数与观测的相关系数由0.66上升到0.82; 年际变率的振幅也显著增强, 与观测更一致; 模拟的“季风—ENSO”关系与观测几乎完全一致。对潜热通量、加热率和辐散环流的分析表明: 降水平均态的改进来自阵风方案带来的潜热通量增加, 年际变率模拟的改进与平均态的改进有关。引入阵风方案后, 暖池地区的表面风速增加、潜热通量增强、 降水增加, 平均态更接近观测; 合理的平均态降水使得模式对El Niño型海温异常的响应更为合理。这在加热场、 对流层上层的异常辐合中心上都有清楚体现。

摘要:本文利用法国国家科研中心 (CNRS) 动力气象实验室 (LMD) 发展的变网格大气环流模式LMDZ4, 对1998年夏季东亚季节内振荡 (ISO) 现象进行了模拟研究。分析表明, 该模式能准确模拟出1998年夏季东亚地区ISO的准周期信号, 并能较好地再现30～60天振荡经向上北传、 纬向上西传的传播特征, 对ISO动能强度的模拟在低纬地区稍强, 中纬地区较弱。模式能再现降水季节内振荡的主周期, 但仍存在一定的偏差。观测资料表明, 东亚降水30～60天振荡在北传过程中, 大约在15°N、27°N以及37°N附近会出现明显的高值中心, 分别对应我国东部地区三条雨带。模式能再现其北传特征, 但30°N以南地区模拟偏弱, 30°N以北地区偏强, 导致ISO高值中心分布在30°N以北。这可能是由于对降水强度和雨带位置的模拟偏北有关。

摘要:夏季亚洲季风区是对流层低层水汽和污染物进入全球平流层的一个重要通道, 自然或人为污染物通过该通道进入平流层后对臭氧层的破坏以及全球气候环境的影响, 成为目前国际科学界关注的热点问题。早先观点认为: 夏季青藏高原是对流层低空物质向平流层输送的一个重要渠道。然而, 越来越多的观测表明: 包括青藏高原在内的整个亚洲夏季风通过强对流的快速输送以及大尺度输送过程可以把低层大气物质输送到全球平流层。在地面物质进入平流层的过程中有两个关键过程, 一是垂直快速输送的对流活动, 这对于短寿命化学成分非常重要, 二是缓慢的大尺度反气旋输送和限制作用。但是, 目前对于亚洲季风区不同源区的贡献还有很大的争议。

摘要:基于卫星资料观测和反演降水是当前监测全球尺度降水的主要方式, 而其中一大难题就是如何将降水云与非降水云在像素尺度进行有效分离, 这也是准确反演地表降水量的基本前提。为建立一套适用于常见星载可见光/红外探测仪器的降水云识别方法, 本文利用热带测雨卫星 (TRMM) 可见光/红外辐射计 (VIRS) 和测雨雷达 (PR) 的融合观测资料, 针对选定的代表性区域, 统计分析了较长时间尺度上降水云与非降水云的典型云属性差异。在此基础上, 提出了一种基于云光学厚度和云滴有效半径的白天降水云识别方案 (IPCτRe)。由于用来获取上述云参数的可见光/红外信号无法透过降水性云层, 此方案不受下垫面条件的影响, 适用于陆地和海洋区域。为验证IPCτRe方案的降水云识别效果, 本文以PR瞬时降水探测结果为真值, 采用三种二元预报评价因子对识别结果进行了定量评估, 并与Inoue and Aonashi (2000) 和Nauss and Kokhanovsky (2006) 提出的降水云识别方案进行了比较。研究表明, IPCτRe方案的降水云识别性能均高于其它两种方案。特别是在洋面上, 降水云识别比例达到84%, 而对非降水云的误判率只有6%, 到达了降水卫星监测和预报业务所要求的精度。

摘要:中尺度天气系统的初值敏感性, 导致了中尺度系统预报极限的存在。中尺度系统的初始误差的快速增长及其中尺度可预报性依赖于系统流的特征。梅雨暴雨形成是多尺度天气系统共同作用的结果, 决定了梅雨期暴雨的形成机制的多样性, 也决定了其初值敏感性的差异性。本文重点对比分析了五种不同类型的梅雨暴雨的误差增长特征及其机制。冷空气抬升、低层涡旋、边界层冷池、重力波等在梅雨期暴雨系统的误差增长发挥着重要作用, 它们通过不同方式促使初始误差由小尺度向大尺度传递。利用初始随机扰动和系统扰动方法构造的初始误差试验表明, 系统扰动试验中误差的初始调整较小, 能够快速到达误差最优增长尺度。 冷槽推进型的误差扰动尺度大, 冷空气抬升控制不稳定区域的误差尺度, 可预报性强; 西南涡移出型和北槽南涡型的低层涡旋平流作用抵消涡旋内的正负偏差, 加快了误差能量向大尺度传递, 提高了暖季降水的预报技巧; 自组织型中重力波、冷池强迫抬升等拟连机制使得误差能量快速频散, 出现误差在多个尺度上共同增长, 且误差饱和尺度小于上述三种类型, 可预报性略差; 受局地地形和热力条件影响, 非组织局地型的中小尺度误差能量很难饱和, 可预报性最差。 梅雨期暴雨的误差结构主要决定于暴雨形成中起主要作用的系统。冷空气抬升使得冷槽推进型暴雨中误差沿锋面垂直倾斜; 冷空气侵入致使冷槽推进型和北槽南涡型的中层温度误差出现显著性增长; 在西南涡移出型、 北槽南涡型、 自组织型、 非组织局地类型中, 冷池的形成导致出现了低层的高动量偏差; 在所有的暴雨类型中, 在对流发展后期, 误差向高层传递并增大, 导致在高层出现大误差带。

摘要:使用NCEP/NCAR再分析资料计算了冬季北大西洋瞬变涡旋活动强度与北大西洋涛动 (NAO) 逐日指数的时间序列, 结果发现: 当涡旋活动强度出现峰值后会伴随NAO模态增强现象; 而随着NAO的增强, 涡旋能量回落。为了判断是否涡流相互作用将天气尺度的能量转换为低频尺度的能量, 使用瞬变涡度通量来研究涡度与能量的传输。通过分析瞬变涡旋与低频环流随时间的演变, 发现瞬变涡旋可以激发出低频异常, 其对涡度的输送可以加强低频异常, 使得NAO指数增强。由于涡旋与低频流以及涡度通量均随时间变化, 不一定总能达到平衡, 因此从方程稳定性解的角度来分析在足够长的时段各种随机涡旋对于激发类似NAO模态的响应所起到的综合作用, 结果显示瞬变涡旋使得稳定性解更接近于NAO模态。

摘要:利用耦合了新的暖云参数化方案的中尺度模式 (MM5), 研究了暖云降水中巨核的作用。在这个暖云方案里, 先假定一个三模态的气溶胶正态对数分布, 然后考虑对流、 扩散、 云滴和雨滴的核化 (非核化) 过程, 再由气溶胶质量的预报量显式地计算出气溶胶的数浓度。选择了华北地区2005年6月25～26日的一次弱冷锋过程, 并以此研究了巨核对云和降水的影响。研究表明, 巨核具有增强雨滴的凝结、 碰并和云雨自动转化过程的作用, 使得云滴数减少高达40%, 云水减少达20%, 云滴有效半径增加高达30%左右。在污染和清洁环境下巨核均可增加降水。

摘要:利用常规观测资料、FY2C卫星TBB资料以及NCEP再分析资料对2005年7月22～24日发生在华北地区的大到暴雨天气过程进行了观测分析和模拟研究。结果表明, “海棠”台风减弱的低压倒槽内发生发展的两个中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统, 中尺度对流系统发展到成熟阶段首先在对流层中层形成中尺度低涡, 然后向低层发展。水汽辐合中心主要集中在边界层附近, 偏东风入流将水汽向暴雨区集中, 次级环流的上升支将水汽向中高层输送; 虽然边界层的水汽辐合对降水的形成很重要, 但降水量的大小取决于整层水汽通量辐合的大小。在暴雨发展过程中高层明显有干冷空气侵入, 干侵入存在于600～300 hPa之间, 且在高层超前于低层。干冷空气侵入有利于位势不稳定的增强, 促进了对流运动的发展和中尺度低涡的形成, 继而引起降水增幅。由于华北地形夜间边界层降温等局地热力作用诱生出中尺度边界层急流, 降水及干侵入等因素使边界层急流加强, 相应的在高空出流处产生高层风速大值区, 急流和暴雨之间通过次级环流存在着正反馈的相互作用。边界层急流、 低空急流和高空风速大值区三者的上下耦合是此次强暴雨发生发展的重要原因。

摘要:本文在分析中国夏季降水典型模态与前期春季对流层中上层温度主要分布类型、 北大西洋涛动 (简称NAO) 之间关系的基础上, 提出基于前春对流层温度和NAO的中国夏季降水统计预测模型, 并对利用该模型预报的2004～2009年中国160站夏季降水进行检验。结果表明: 中国大范围夏季降水多寡主要与5月NAO变化有关, “南多 (少) 北少 (多) 型”降水异常分布主要与5月NAO异常以及前春中国东北、 华北地区上空对流层温度的冷异常有关。NAO对中国夏季降水的影响既包括年际尺度的, 也包括年代际尺度的, 而对流层温度异常的影响主要体现在年代际尺度上。这两个因子通过影响夏季大气环流和季风水汽输送, 从而影响中国夏季降水的趋势分布。基于这样的联系, 本工作以中国夏季降水量原始场EOF分解前3个模态对应的时间系数为预测对象, 以前期春季平均的对流层中上层温度距平REOF分解前4个模态对应的时间系数以及逐月NAO指数序列作为预报因子, 并结合降水序列本身、 对流层温度、 NAO指数的多时间尺度分量建立了我国夏季降水的统计预测模型, 取得了较好的预报效果。2004～2009年预报降水与观测降水之间的6年平均距平相关系数达到0.335, 表明该预报方案对我国夏季降水具有较高的预报技巧。

摘要:气溶胶粒子大小分布是地球环境科学研究中最重要的方向之一。由数学物理模型来估计气溶胶的粒子分布是一个不适定的反问题, 反演的目的就是用适定的问题来代替不适定问题, 并获得原问题解的近似。本文研究气溶胶粒子分布的约束优化反演方法。首先探讨了问题的病态性, 接着基于对待反演参数施加先验约束给出了正则化模型。在正则化的具体实现上, 研究了带线搜索技巧的BFGS算法。数值试验表明了本文的算法可以用来稳定地求解气溶胶粒子分布的反演问题, 基于正则化模型的BFGS方法可以很好地反演气溶胶粒子分布函数。

摘要:本文利用1979～2008 年美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)第二套再分析资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的向外长波辐射(OLR)资料及1979～2007年全球降水资料(CMAP), 分析了南海地区热带大气的低频振荡及其对南海夏季风的可能影响。结果表明, 夏半年南海地区存在显著的30～60天的周期振荡。当30～60天低频振荡处于活跃位相时, 南海及其周围地区的低层大气为低频西南风, 南海和菲律宾北部为低频气旋流场且为正的位涡度, 对应着增强的南海夏季风槽和南海夏季风; 当 30～60天低频振荡处于不活跃位相时, 情形正好相反。进一步的研究揭示出, 夏半年30～60天低频振荡变化的空间型与夏半年平均场的年际变化的空间分布非常相似, 并且南海及其附近地区的 30～60天低频振荡活动的年际变化对夏半年平均场的年际变化有显著的贡献。强、弱南海夏季风年30～60天低频振荡活动的比较也说明, 强的南海夏季风年30～60天低频振荡活跃状态发生的概率大于不活跃状态发生的概率, 而弱的南海夏季风年则是不活跃状态发生的概率大于活跃状态发生的概率。因此, 南海地区30～60天低频振荡对南海夏季风很可能有重要影响, 当30～60天低频振荡的活跃状态处于主导时, 南海夏季风往往会偏强; 反之, 如果不活跃状态处于主导时, 南海夏季风往往会偏弱。