摘要:模式地形与观测站地形高度差异一直是地面资料同化面临的棘手问题,合理的同化方案能够将地面自动站资料有效的同化到中尺度数值模式中。本文首先采用Guo et al.(2002)的方案实现了在WRF模式中应用集合Kalman滤波方法同化地面自动站资料;然后对方案进行调整,对10 m高度风场、2 m高度位温、2 m高度露点和地表气压进行同化。通过均方根误差分析,模拟结果和同化增量分析来确定集合平方根滤波(EnSRF)同化地面自动站资料的有效性,并进行敏感性试验分析检验模式对各要素物理量的响应状况。结果表明:在EnSRF同化系统中应用Guo et al.(2002)的方案将地面自动站资料进行同化到数值模式中,能够部分改善模拟结果;地面观测资料(温度、湿度、风场、地表气压)中各物理量分别同化到数值模式都能影响18小时降水预报,但各物理量所起作用大小不同,其中对结果影响最大的是露点;使用位温、露点分别代替温度、比湿进行同化模拟效果更好,对自动站资料的同化也更加有效。

摘要:东亚季风气候受到自然因素和人类活动的共同影响,而人类活动因子中气溶胶的作用尤为关键,采用诊断分析的手段研究东亚地区气溶胶的特征及其与云和降水的相互关系具有重要的科学意义。本文利用MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)气溶胶和云资料以及TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)降水数据,分析了东亚夏季气溶胶、云、降水的时空分布特征,研究了气溶胶与云和降水的相互关系。结果表明:中国四个典型地区(珠三角、长三角、四川盆地、京津唐)2001～2011年夏季(6～8月)平均气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)变化范围为0.40～0.68,云光学厚度平均值为18.7～23.6,水云云滴有效粒子半径在20.2～25.6 μm,冰云有效粒子半径在12.9～15.3 μm,云水路径为222.2～243.8 g m^-2,降水强度平均值3.6～8.6 mm d^-1;珠三角气溶胶光学厚度有显著降低趋势,年倾向为-3.31%,四川盆地云滴有效粒子半径(冰云、水云)和云水路径年变化趋势为-0.42%、-0.49%和-1.26%,京津唐夏季降水量年增幅为3.24%。气溶胶光学厚度和云光学厚度呈正相关,相关系数最大为0.77;在相对湿度较低(30%～50%)情况下,气溶胶光学厚度与云滴有效粒子半径呈负相关;气溶胶光学厚度与云水路径呈正相关,相关系数最大为0.92;相对于低污染情况(AOD<0.5),高污染情况(AOD>0.5)下出现大雨(>10 mm d^-1)的频率增加了6.6%～19.1%,小雨(<1 mm d^-1)的频率减少了0.72%～7.3%。在水汽含量较少的情况下,气溶胶的增加导致云滴有效粒子半径的减少;气溶胶增强了南方地区的对流性降水,抑制了北方地区层云降水。

摘要:利用美国普林斯顿大学高分辨率的全球陆面同化数据集和美国国家环境预测中心的辐射再分析数据,根据Thornthwaite和Penman-Monteith公式分别计算了1948～2008年中国区域潜在蒸散发量;而后,使用降水和两套潜在蒸散发数据分别计算得到标准化降水蒸散发指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),并以此研究了1949～2008年中国区域干湿变化时空特征以及两种SPEI结果之间的差异;最后,给出了两种SPEI在中国的适用区域。结果表明:两种SPEI均显示中国地区整体上存在变干趋势,季节上以春季的变干趋势最为显著;空间上表现为以长江为界的南涝北旱,显著变干的区域有内蒙古中部、华北、东北以及四川东部地区,显著变湿的地区主要位于新疆北部和西部。同时,各种不同等级干旱也呈增加趋势,其中以中等干旱增加最为显著。1990年代中后期以来是中等和极端干旱发生最多的时期,空间上与SPEI显著减小的区域相对应。两种SPEI在 冬、春季差异最大,这主要是由于期间两种潜在蒸散发的计算结果之间存在很大差异。在Penman-Monteith公式中,由于空气动力项对冬、春季北方潜在蒸散发的贡献显著增加,基于该公式的SPEI相对而言能更合理地描述干湿变化特征。

摘要:本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。

摘要:利用2007年冬季南京信息工程大学对雾的综合观测资料,包括能见度仪、雨滴谱仪、雾滴谱仪、宽范围颗粒粒径谱仪(WPS)观测资料,并结合地面常规气象观测资料和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料,分析2007年12月南京六次雨雾过程的宏、微观结构演变特征。结果显示:(1)南京2007年12月的六次雨雾过程主要是受天气系统的影响,以雨中雾为主,最低能见度均大于250 m。雨雾多出现在偏东气流的作用下,南京地区先发生弱降水,空气近饱和,随后受到来自北方的弱冷空气影响,水汽凝结,雾形成。(2)雨雾发生前贴地层多有逆温,雨雾过程中2 m高度与地表温度差由正转为负,逆温消失。但900 hPa以下,雨雾发生前和过程中,都少有逆温层,雨雾结束后均无逆温结构。雨雾前中低层有云,云状为高积云Ac或高层云As及层积云Sc或碎雨云Fn,低云高0.3～2.5 km,雨雾过程中,600 hPa以下都是饱和层,多伴有Fn,低云高度明显下降,雨雾过后,近饱和层仍然有可能存在。雨雾前900 hPa附近有明显的风切变。(3)雨雾形成初期,大粒子(粒子直径D≥10 μm)和小粒子(1 μm<D<10 μm)数浓度均有明显增加。南京冬季雨雾过程对气溶胶粒子的湿清除,主要是核模态气溶胶粒子的核化过程。气溶胶粒子数浓度的减少程度与风向和风速密切相关,在较大的北风作用下,气溶胶粒子浓度明显减少。

摘要:自动雨量计资料是对降水的直接测量,在流域面雨量计算、气候研究、气象服务等方面具有重要意义。但是,由于风力、蒸发、灌溉、校准、漏斗堵塞、机械故障、信号传输等原因往往造成其存在不同类型的系统误差和随机误差, 自动雨量计数据在定量使用前需要进行质量控制。目前,天气雷达以其高时空分辨率的优势已经成为监测降水的重要手段,本文首先采用两步校准法改善雷达估测降水,然后对雷达—雨量计对之间的差异进行统计学的分析,确定自动雨量计质量控制的一些标准,从而对雨量计进行质量控制。最后用两个降水过程对自动雨量计质量控制的结果进行了检验,结果表明:两步校准法改善了雷达估测降水的系统性偏差,并减小了雨量计站点上的相对误差;可以利用雷达估测降水实现对自动雨量计的实时质量控制,就整个数据集而言,约0.1%的数据被怀疑为误判,误判的自动雨量计主要位于雨带的边缘。但该质量控制算法同时也存在一定的局限性:在雨带的边缘或没有天气雷达覆盖的区域,以及雷达资料存在数据质量问题的情况下,往往会造成对雨量计的误判。

摘要:本文应用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting—Chemistry)模式研究中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°～42.6°N,110.2°～120.3°E)平均PM_2.5近地面浓度(40～80 μg m^-3)高于南方区域(22.3°～29.9°N,109.7°～120.2°E,30～47 μg m^-3)。气溶胶对地面2 m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上08:00(北京时,下同)和下午17:00左右最为显著,最高可降低约0.2～1 K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本文还通过对2006年8月23～25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3 W m^-2和-5.8 W m^-2,导致地面气温分别降低了0.074 K和0.039 K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4 W m^-2和-12.4 W m^-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035 K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0 W m^-2和-10.5 W m^-2,对地面气温的影响为-0.062 K和-0.074 K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5 W m^-2和5.8 W m^-2,而地表气温则分别增加了0.053 K和0.017 K,相比于间接效应,黑碳气溶胶的直接效应的影响更加显著。

摘要:利用耦合Morrison 2-mon(MOR)双参数微物理方案的中尺度天气研究与预报模式(WRF)中的单气柱模式,对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比,检验MOR方案对热带对流云系的微物理特征的模拟能力。模拟结果显示:MOR方案能够较好地模拟出热带云系中液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征。地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级和时间演变趋势同观测也非常接近。对与冰晶和雪有关的云微物理特征分析之后发现:季风活跃期,冰晶主要的源汇项有凝华增长过程、沉降过程、冰晶向雪的自动转化以及冰晶被雪碰并的过程。由于冰晶主体位于温度低于―20℃的高空,因而它对雨水的形成主要是间接贡献。同时期雪的主要源汇项中,凝华增长和沉降过程占据着主导地位。雪的凝华过程消耗了大量的水汽,可能抑制了冰晶的增长。另外雪的融化过程非常强盛,是产生降水的重要因子。季风抑制期,冰相的微物理过程变得相对简单且整体削弱,以凝华升华和沉降过程为主。凝华凝冻核的数浓度(N_dep)的气溶胶敏感性试验表明:季风抑制期,高空的冰晶云的宏观和微观性质对凝华凝冻核数浓度的响应情况呈现显著的线性特征。冰晶的含量随着N_dep的增加而增加,反之降低。该时期微物理过程主要同冰晶有关,水分的分配较为简单,N_dep增加时,高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高,使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小,反之冰云主体中冰晶有效半径增加,高空的冰云更加透明,云顶更低,对 OLR值增加起促进作用。而季风活跃期,微物理过程复杂,冰晶云的宏微观特征对N_dep的响应表现出一定的不规律特征。

摘要:利用三维数值云模式和雷达资料四维变分(4DVar)同化技术,通过对京津冀地区4部新一代多普勒天气雷达观测资料进行快速更新同化和云尺度模拟,初步分析了弱天气系统强迫下两次发生在北京地区对流风暴的低层动力和热力影响机制。这两次风暴过程处于弱天气系统强迫和弱层结背景下,局地冷池和环境风场的相互配合是造成山上对流风暴是否能够顺利传播下山的关键机制。起初,两个个例平原局地热、动力不均衡形成平原冷池,而冷池的“障碍物”作用进而阻碍环境风场的传播配置。在此机制下,导致在冷池东南边缘形成较强的辐合上升、垂直风切变和螺旋度。在6月26日个例中,由于冷池强度较强且位置偏南,因此阻断了东南暖湿气流向山区的输送,形成由平原至山区的辐散区使得山区的对流风暴不断减弱。但是,随着已经消散的对流风暴下沉气流,覆盖至冷池边缘东南气流上空形成了较强的风切变和垂直螺旋度,进而促使在冷池边缘形成新的对流风暴。而且,在新对流风暴生成后,由于平原地区整体切变强度较弱,因此形成了冷池扩张强度大于对流风暴传播速度的态势。这种配置会切断暖湿入流,从而导致对流风暴快速消亡。对于8月1日个例,冷池位置偏北,因而不受冷池阻挡作用的偏南风在山脚形成较强的辐合上升,同时与下山的偏西风形成明显辐合上升区,有利于山区对流风暴的不断增强;进而,受此影响,山上风暴降水产生若干冷池,新生冷池和原有冷池的相互挤压,在迫使中、北部风暴增强的同时,最终也导致这些风暴互相靠近,最终合并组织成带状对流系统。同时,北部冷池边缘形成的辐合带也为对流风暴向山下传播提供有利条件,而回波产生的冷池进一步增强,并明显扩展。低层风场指示冷池出流(阵风锋)更加强烈且存在明显的“前冲”特征,显现出部分飑线系统的热动力特征。但是由于此时平原地区处于弱切变环境中,风切变强度不能与冷池出流强度相平衡,同样冷池扩展将领先于对流风暴移动,切断东南暖湿入流,导致原有风暴快速减弱。在文章的最后,基于观测和模拟结果,对比分析这两个个例,初步得出了与对流风暴传播下山发展演变密切相关的低层热、动力配置概念模型。

摘要:本文利用NCEP-FNL再分析资料、FY-2E卫星TBB数据、CMORPH降水资料,通过热力学和动力学诊断分析并结合中尺度天气模式WRF的数值模拟试验,研究了2012年6月下旬青藏高原一次东移对流系统的生成发展机制以及与地面加热相互作用的物理过程。结果表明,高原中西部地面感热加热是高原低涡生成、发展和东移的主导因子。而东移的高原低涡通过加强偏北、偏南气流形成的辐合带,进而触发高原东部对流系统的生成。同时,高原对流系统降水产生的凝结潜热释放也加强了东移高原低涡的强度,这表明地面加热与高原低涡和对流系统之间存在一种正反馈机制。数值试验结果进一步表明,除了适当的背景环流外,高原地面潜热通量能够增强中低层大气的不稳定性,为对流系统的发生发展积累能量,造成有利于对流降水的热力环境。

摘要:本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m²;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m²。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m²;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m²,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m²。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 hPa到地表之间的低层大气以及50 hPa到100 hPa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。

摘要:利用1979～2002年ERA-40、ERA interim、JRA-25和NCEP-DOE AMIP-Ⅱ(简称为NCEP-2)再分析资料,采用扩展经验正交分解(EEOF)、相关分析等方法,对比分析了不同资料所揭示的东亚夏季风异常活动的多模态特征,在此基础上探讨了东亚夏季风异常活动各模态对应的大气环流异常分布型及其与中国夏季降水的可能联系。结果表明:(1)四套再分析资料所揭示的东亚夏季风异常活动均存在三种差异显著的空间模态,且各套资料对东亚夏季风异常活动空间多模态特征具有很好的一致性,仅NCEP-2的结果与其他资料略有差异。(2)第一模态体现了夏季风年际异常在中国南方和北方的反相变化,并具有显著的3～6年和准8年周期;与正(负)时间系数相对应,850 hPa风场、500 hPa高度场、SLP均显示东亚沿岸存在从西北太平洋经过日本以南到达鄂霍次克海的“-+-”(“+-+”)经向三极型结构;相应的降水变化在长江中下游为显著的负(正)异常,而在我国东北东部、东南沿海及云南西部则为正(负)异常。(3)第二模态反映了夏季风活动主导模态的一致性变化且在1993年左右发生年代际转折,并呈现准12年周期的强弱交替分布。当对应的时间系数为正(负)时,850 hPa风场在环贝加尔湖地区受强大的异常反气旋(气旋)控制;500 hPa高度场上,中高纬地区表现为异常的纬向波列结构,具体表现为起源于欧洲大陆西部经西西伯利亚平原向东南方向延伸至东北亚地区的“+-+”(“-+-”)的波列;SLP在我国大陆主要为正(负)异常,东亚夏季风整体减弱(加强);对应的夏季降水异常场呈现“南涝北旱”(“南旱北涝”)的分布形势。(4)第三模态表明了夏季风异常活动的东西反相变化,且有12～16年的准周期变化。对应正(负)的时间系数,115°E 以东地区盛行异常偏南(北)风,而115°E 以西地区主要盛行异常偏北(南)风;500 hPa高度场、SLP均显示出东亚沿岸地区、鄂霍次克海至日本以南洋面的“-+”(“+-”)波列以及欧亚大陆北部的准纬向遥相关波列;夏季降水在我国大部分地区偏多(偏少),显著变化主要位于黄淮及附近地区。

摘要:本文利用四川地区1971～2012年29个气象站逐小时降水资料,计算四川地区雨季(5～9月)夜雨比例、夜雨强度和夜雨频次,并通过区域平均与趋势分析等统计方法,分析了其空间差异与时间变化特征,结果表明:(1)四川地区雨季夜雨占日降水量的比例较大,且具有显著的区域性差异,盆地西南部的夜雨占日降水量的比例最大,川西高原东北与川东北则为明显的两个低值区;(2)川东北地区雨季具有夜雨占日降水量的比例较小、夜雨发生概率也较低、但其夜雨强度却较大的特征,川西高原则与之相反,而盆地西南部的夜雨发生频次虽然不是很高,但夜雨强度和夜雨比例都较大;(3)42年平均四川地区雨季逐日变化,夜雨占日降水量的比例表现为先下降、后上升的特征,夜雨强度与夜雨比例相反,呈先上升、后下降的波动趋势,而夜雨频次的逐日变化呈现出明显的双峰特征;(4)四川地区夜雨比例、夜雨强度和夜雨频次的年变化具有一定差异。20世纪70、80年代,其夜雨频次和夜雨比例均较大,但呈减少趋势,而夜雨强度20世纪70年代较小,80年代较大,呈增大趋势。20世纪90年代,夜雨强度、频次和比例都处于较低状态;21世纪,夜雨强度和夜雨比例都开始明显增大,而夜雨频次增大相对滞后,其中,21世纪夜雨频次和夜雨比例波动明显。

摘要:使用中国科学院大气物理研究所研制的全球海洋环流模式(LASG/IAP Climate system Ocean Model,LICOM),通过设计三个试验,即以德国马克斯—普朗克气象研究所整理的海洋模式比较计划(OMIP)资料和美国国家海洋资料中心(NODC)发布的《世界海洋图集2009》(WOA09)资料为强迫场的试验W,用美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的NCEP/NCAR再分析资料(简称NCEP资料)中的风应力资料代替试验W中的风应力资料的试验M,以及用NCEP资料中的热力强迫代替试验M中的热力强迫资料的试验N,来研究不同的热力和动力强迫场对模式的影响。三个试验的模拟结果均模拟出了水团和流场的分布型和极值区。从三个试验的结果对比可以看出,NCEP资料较弱的风应力使得试验M环流场明显偏弱,减弱了大洋内部的温盐输送,加大了深海温盐模拟结果与观测资料的偏差,但对原模式过强的南极中层水的输送有所改善。NCEP的短波辐射通量和非短波热通量弱于OMIP,且在两极区域NCEP资料的海表温度比WOA09资料最多低 4℃以上。试验N的模拟结果改善了南大洋60°S以南海区试验W 模拟的海表温度偏高问题,减小了北冰洋部分海域以及副热带大洋东部海表温度的偏差。此外,试验N高纬度较低的海表温度增强了北大西洋深水以及南极底层水的输送,因而改善了深海的温盐模拟结果。三个试验在一些关键海区得到的经向热输送在观测估计及前人模拟结果的范围中,总体上试验M的输送最弱。综合三个试验的模拟结果,可以认为OMIP风应力资料和NCEP海表温度资料更适合作为LICOM模式的强迫场。

摘要:本文评估了国家气候中心发展的BCC_CSM模式对全球海冰的模拟能力,结果表明:该气候系统模式能够较好地模拟出全球海冰面积和厚度的时空分布特征,且南半球海冰模拟能力优于北半球。通过对比分析发现:年平均海冰面积模拟误差最大的区域位于鄂霍次克海、白令海和巴伦支海等海区,年平均海冰厚度分布与观测相近,在北半球冬季模拟的厚度偏薄;从海冰季节变化来看,模拟的夏季海冰面积偏低,冬季偏高;从海冰年际变化来看,近60年南北半球海冰面积模拟都比观测偏多,但南半球偏多幅度较小,然而北半球海冰年际变化趋势的模拟却好于南半球。另外,通过对海冰模拟误差成因分析,发现模拟的净辐射能量收入偏低使得海温异常偏冷,是导致北半球冬季海冰模拟偏多的主要原因。

摘要:本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,研究了中国大范围持续性极端低温事件(EPECE)的平流层前兆信号及其对对流层环流异常的影响。结果表明,在52个EPECE中,有17个EPECE具有一类共同的平流层前兆信号:(1)在EPECE发生前10天左右,在巴伦支海一带的100 hPa位势高度场呈现较强的正距平特征;(2)随后,该正异常环流逐渐向东移动,并在EPECE发生的前5天左右,使贝加尔湖西北侧200 hPa纬向风显著减弱。本文据此提出了关于EPECE平流层前兆信号的两个判别条件,并以这两个判别条件对1949～2009年冬季(11月至次年3月)所有逐日低频场进行了后查和检验。结果表明,上述两个判别条件对EPECE的发生日期具有一定的预测能力。本文进一步通过位涡(PV)反演探讨了平流层前期异常环流如何影响EPECE发生的物理机制。分析表明,巴伦支海附近的平流层中低层PV异常有利于该地区对流层中上层正高度异常的维持,后者强度的25%来源于前者的作用。

摘要: