摘要:基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析，使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明，此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别，层云区的粒子形状组成比较复杂，包含针状、柱状和辐枝状等，而积云区主要以辐枝状粒子为主，聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征，包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明，云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强，产生的雪在低层融化为雨水，为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水，能发展成对流较强的积云区，存在播种—供给机制。在积云区，水成物的比例从大到小依次为雪（51.9%）、霰（31.0%）和雨水（16.0%）；雪的主要源项包括淞附增长（56.8%）和凝华增长（40.1%），霰的主要源项包括凇附增长（46.6%）、雨水碰并雪成霰（42.6%）和凝华增长（16.1%），雨水的主要源项是霰（77.6%）和雪（22.4%）的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态，层云区水成物的比例从大到小依次为雪（90.4%）、雨水（6.1%）、冰晶（3.5%）；高层冰晶和雪通过凝华过程增长，雪在零度层下融化为弱的降水。

摘要:1978～2018年全国夏季降水实时业务预测技巧显示东北地区明显偏低，尤其是近几年在对全国夏季旱涝的总体分布预测效果明显提高的情况下，对东北地区的预测却与实况相反，因此有必要分析该区域预测技巧偏低的原因。利用站点资料、再分析格点数据、实时预测历史数据及统计诊断等方法，探讨了动力气候模式预测能力以及东北夏季降水预测的认识缺陷。通过系统地回顾东北夏季旱涝的气候特征、影响因子及预测方法等方面的研究进展，以及东北夏季降水实时预测检验，得出预测技巧偏低的可能原因：（1）东北初夏降水主要受东北冷涡活动的影响，盛夏主要受西太平洋副热带高压、东北南风和中高纬环流型的共同作用，而业务常用的国内外主要动力气候模式无法准确反映与东北初夏和盛夏降水相联系的关键环流系统；（2）东北夏季降水与全球海温的关系较弱且不稳定，尤其是与ENSO的关系较为复杂，年际关系随年代际变化而波动，即ENSO不是预测东北夏季降水的强信号；（3）东北夏季降水具有明显的季节内、年际和年代际等多时间尺度变率，夏季降水受到多种时间尺度信息的叠加和调控，不同尺度变率的贡献相当，且影响系统不同，导致预测难度较大。最后，进一步探讨了东北夏季降水预测存在的科学问题及可能的解决途径，以期为夏季业务预测提供参考。

摘要:利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案，采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响，结果表明：（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段，不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著，24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s^-1及241 mm；（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近，GBM、YSU和MYJ方案分别次之，ACM2和UW方案再次之，而QNSE方案最差；UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近；不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征，这与实况一致，但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况，而台风登陆后却又不及实况；（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优，MYJ方案次之；而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快，各量级降水TS评分均较差；（4）综合台风路径、强度和降水模拟，Boulac和MYJ方案相对最优，其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优，而MYJ方案在台风强度模拟上更优；YSU和GBM方案次之，而QNSE、UW和ACM2方案相对较差；（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同，进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言，QNSE方案潜热通量相对异常偏高，MYJ和Boulac方案量值适中，其余方案相对偏低；QNSE方案感热通量相对略偏高，MYJ方案适中，其他方案则相对显著偏低；（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同，其中Boulac方案具有较明显优势，尤其是对日间边界层结构的模拟。

摘要:东亚冬季风具有南北一致变化和南北反相变化两种主要模态。与第一模态反映的南北贯穿的冬季风整体强弱变化不同，第二模态体现了低纬度（中国南方地区）冬季风强弱变化不依赖于中高纬度（中国北方地区）冬季风强弱、甚至与之相反的变化状态。本文利用经验正交函数分析、相关分析、偏相关分析等方法重点研究了在第二模态背景下，低纬度（中国南方地区）冬季风强弱变化对应的热带和副热带环流异常特征。研究发现：热带辐合带是影响低纬度冬季风的一个重要系统。当热带辐合带加强并向北推进时，热带西太平洋及南海地区对流上升运动相应加强。这一上升支可能强迫出低层偏北风异常，从而引起低纬度冬季风加强。此外，副热带高空急流是影响低纬度冬季风的另一个重要系统。急流轴上风速加强会造成入口区准地转偏北风的异常，它强迫出的正次级环流也会相应加强，对应急流北侧的异常下沉和南侧的异常上升，并促使低层产生偏北风异常，也即促进了低纬度冬季风加强。进一步考察热带辐合带对流活动和副热带急流风速异常对低纬度冬季风的独立和协同影响发现，前者的影响相对更为重要。而在二者同时增强的综合作用下，可引起中国南部35°N以南地区的偏北风异常显著增强，反之亦然。上述结果揭示，冬季低纬度风场的变化不仅受到北方冷空气爆发的影响，它还受制于热带、副热带环流系统异常的共同调控作用。

摘要:在非均匀分层下，目前GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式中使用的垂直差分方案只能达到一阶精度。本文设计了一种适用于非均匀分层的二阶精度垂直差分方案，并将它应用于改进GRAPES模式动力框架的垂直离散化过程。一维廓线理想试验结果表明：二阶精度方案可以减少差分计算误差，而这种改进的幅度相对于差分计算本身引起的误差来说仍然是比较小的。通过密度流试验对修改后的模式动力框架进行测试，结果表明二阶方案可以保持模式动力框架的准确性和稳定性。进一步利用实际资料开展批量测试，发现二阶方案可以降低模式高空要素场的预报误差，而且这种改进随着预报时间的延长变得更为明显。最后选择一次典型的华南暴雨过程进行模拟，同样发现二阶精度方案对于48小时之后的降水会有一定程度的改进。

摘要:降水数值预报有很大的不确定性，与降水预报密切相关的物理过程参数化方案中关键参数的不确定性是降水数值预报误差来源之一，对这些参数引入随机扰动的随机参数扰动方法（Stochastically Perturbed Parameterization，简称SPP方法）可以代表模式降水预报的不确定性，是国际集合预报前沿研究领域。为了认识该方法能否代表中国冬季降水数值预报的不确定性，为业务应用提供科学依据，基于中国气象局中尺度区域集合预报模式（Global/Regional Assimilation and Prediction System-Regional Ensemble Prediciton System，简称GRAPES-REPS），从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等四个参数化方案中选取了16个与降水密切相关的关键参数，引入了随机参数扰动方法，并通过2018年12月12日至2019年1月12日总计31天的冬季集合预报试验，对比分析了SPP方法对等压面要素及降水的集合预报效果。结果显示：在冬季应用SPP方法时，等压面要素的概率预报技巧总体来说优于无SPP方法扰动的对比试验，且对于低层、近地面要素的改进效果优于对中高层等压面要素的改进；但对降水概率预报而言，尽管检验评分数值略优于对比预报试验，但并未通过显著性检验，这表明，在东亚冬季风影响下，随机参数扰动方法对中国冬季降水概率预报技巧没有明显的改进。究其原因，可能是由于SPP方法主要代表对流性降水预报的不确定性，而中国冬季降水过程主要与斜压不稳定发生发展有关，模式降水以大尺度格点降水为主，对流性降水较少，故对冬季降水预报改进不明显，这为业务集合预报模式中应用随机参数扰动方法提供了科学依据。

摘要:红色精灵是发生在雷暴云上空的一种大尺度瞬态放电发光现象，它们通常出现在地面上空40～90 km之间，是由地闪回击和随后可能存在的连续电流产生的。目前，由于综合同步观测资料较少，与夏季红色精灵相比，全世界对冬季红色精灵的研究屈指可数。2008年12月27～28日，受高空槽及低层暖湿气流的影响，北美阿肯色州地区爆发了一次冬季雷暴天气过程，搭载于FORMOSAT-2卫星上的ISUAL（Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning）探测器有幸在这次雷暴上空记录到了两例红色精灵事件。本文利用ISUAL获取的红色精灵观测资料、多普勒天气雷达资料、美国国家闪电定位资料、超低频磁场数据、美国国家环境中心/气候预测中心提供的云顶亮温和探空数据等综合观测数据，对产生红色精灵的这次冬季雷暴特征和相关闪电活动规律进行了详细研究。结果表明，在两例红色精灵中，ISUAL均未观测到伴随的“光晕（halo）”现象，第一例为“圆柱状”红色精灵，第二例红色精灵由于发光较暗，无法判断其具体形态。产生红色精灵的母体雷暴是一次中尺度对流系统，该系统于27日15:00（协调世界时，下同）左右出现在阿肯色州北部附近，并自西向东移动。23:59系统发展到最强，最大雷达反射率因子（55～60 dBZ）的面积达到339 km²，之后开始减弱。03:03雷暴强度有所增加，随后云体便逐渐扩散，雷暴开始减弱，并在11:00完全消散。两例红色精灵发生分别在04:46:05和04:47:14，此时雷暴处于消散阶段，正负地闪频数均处于一个较低水平且正地闪比例显著增加，并且多位于云顶亮温-40℃～-50℃的层状云区上空。红色精灵的出现伴随着30～35 dBZ回波面积的增加。在红色精灵发生期间，雷达反射率大于40 dBZ的面积减少，10～40 dBZ的面积增加，表明红色精灵的产生与雷暴对流的减弱和层状云区的发展有关，这与已有的夏季红色精灵的研究结果类似。红色精灵的母体闪电为正地闪单回击，位于中尺度对流系统雷达反射率为25～35 dBZ的层状云降水区，对应的雷达回波顶高分别为2.5 km和5 km，峰值电流分别为+183 kA和+45 kA。根据超低频磁场数据估算两个母体闪电的脉冲电荷矩变化（iCMC）分别为+394 C km和+117 C km。超低频磁天线记录到了第一例红色精灵内部的电流信号，表明这例红色精灵放电很强。

摘要:卷云在大气辐射中扮演着重要角色，对天气系统和气候变化产生重要影响。相比传统地基观测手段，卫星遥感更容易探测到高层卷云的信息，本文利用CALIOP主动遥感仪器可获取较为准确的薄卷云特性的特点，针对MODIS被动遥感探测器反演的薄卷云云顶高度的偏差开展订正研究。研究选取2013～2017年京津冀地区MODIS云产品，结合CALIPSO卫星的卷云云顶高度数据，基于交叉验证的方法得到线性拟合方案，对MODIS卷云云顶高度进行订正。订正后的MODIS与CALIPSO卷云云顶高度差值的分布区间由-3～2 km变为-2.0～2.5 km，峰值由-0.8 km左右变为0.2 km左右。订正效果随云顶高度和云光学厚度的不同有所变化，其中较低层卷云和光学薄卷云的订正效果更明显。

摘要:利用机载Ka波段云雷达（Airborne Ka-Band Precipitation Cloud Radar, KPR）和粒子测量系统（Droplet Measurement Technologies, DMT），分析了2018年4月22日黄淮气旋背景系统下积层混合云中对流泡的动力和微物理特征。首先，对Ka波段云雷达观测的山东地区春季36个对流泡样本按照回波强度、水平尺度、回波顶高三个参量进行统计，结果表明平均回波强度为20～30 dBZ的对流泡占69%。对流泡水平尺度为15～30 km，占61%。对流泡最大回波顶高集中在6～8 km，比周边层云高2～4 km。之后，对4月22日积层混合云中的对流泡个例微物理参数进行统计，结果表明对流泡内部以上升气流为主，最大上升气流速度达到1.35 m s^-1，平均上升气流速度为0.22 m s^-1；对流泡内过冷水含量比较高，最大含水量为0.34 g m^-3，平均含水量为0.15 g m^-3。对流泡内冰晶数浓度是泡外的5.5倍，平均直径是泡外的1.7倍。结合云粒子图像探头，发现对流泡前沿和尾部冰粒子以柱状和辐枝状为主，而对流泡核心区域冰粒子以聚合体形式存在。冰粒子通过凇附过程和碰并过程增长，过冷水含量不足时冰粒子的凇附增长形成柱状粒子，含量充足时可迅速凇附成霰粒子。对流泡内降水形成的微物理机制不完全相同，主要依赖过冷水含量。当云中有充足的过冷水分布时，高层冰晶通过凇附增长形成霰粒子，通过融化层后形成降水；当云中缺少过冷水时，降水的形成主要通过水汽凝华过程形成冰雪晶，然后雪晶通过聚合过程实现增长。

摘要:大气可预报性研究是开展天气、气候预测的基础科学问题。全球变暖背景下，近年暴雨和强对流等中小尺度灾害性天气频发，如何深入认识其可预报性问题成为了天气领域研究热点，也是制约数值天气预报模式能力提升的重要因素。本文在简要回顾国内外大气可预报性研究历程的基础上，重点对近二十年（1999～2018）国际上关于暴雨和强对流可预报性方面的最新研究进展进行了系统的综述和归纳。主要包括：中小尺度可预报性研究的主要方法和评估手段及其与传统大尺度天气可预报性研究的差异，初始误差增长机制的几种主要观点及其争论（误差升尺度、误差降尺度、升降尺度并存），数值模式误差和对流环境误差对实际预报性的影响，以及最近的中尺度可预报性科学观测试验进展等。最后，对暴雨、强对流可预报性研究存在的问题、未来发展方向进行了简要的讨论和展望。

摘要:海洋盐度变化为研究气候变化的机制提供了一个新的视角。本文通过对比1997/1998年、2015/2016年两次强厄尔尼诺（El Niño）事件和2014/2015年特殊El Niño事件，对盐度变化及其影响海表面温度异常（SSTA）的物理过程进行了比较分析。研究表明，El Niño和南方涛动（El Niño–Southern Oscillation, ENSO）发展的强弱与热带西太平洋大范围海表层盐度异常（SSSA）及其向东扩散的差异有明显关联。1997/1998、2015/2016年赤道东太平洋SSTA的增暖，对应两次强El Niño事件，在发生年4月，中西太平洋海域出现了明显的负SSSA，之后东移至日期变更线以西，SSSA引发的混合层深度（MLD）变浅、障碍层厚度（BLT）变厚，导致热带中—西太平洋表层升温增强，促使了赤道中太平洋的早期变暖；2014/2015年弱El Niño事件虽然在发生年4月，位于赤道中西太平洋出现了负SSSA，但没有发展东移，导致BLT的增厚过程减弱，对表层温度的调制作用减弱甚至消失。三次事件对应的盐度变化过程中，水平平流和淡水通量（FWF）引起的表层强迫是影响盐度收支的主要因子，水平平流影响盐度异常的前期变化，触发事件的发生；热带太平洋西部降水引起的FWF负异常的影响最为显著，对ENSO异常信号出现后SSSA的维持起决定性作用。相比较两次强El Niño事件，2014/2015年El Niño对应的早期FWF负异常没有发展和东移，并且之后迅速减弱，导致中西太平洋盐度负趋势减缓，MLD加深，BLT变薄，促使上表层海水冷却，抑制了赤道东太平洋的早期变暖和ENSO发展。研究结果表明，盐度变化与ENSO密切相关，热带中西太平洋海域早期表层盐度变化可能可以作为SSTA的指数。特别地，SSSA在调节SSTA时，不仅影响它的强度，而且可以作为判断ENSO是否发展及其强弱的前兆因子。

摘要:为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量，本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合，建立混合三维变分分析系统（GRAPES Hybrid-3DVar）。通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性，并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验，结果表明：用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的，动力场和质量场的离散度在台风中心处最大，因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息；其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar，24 h内降水强度和落区预报也更准确，混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况，台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测。

摘要:城市化对高温热浪的频次和强度具有重要影响，但目前对于城市化影响高温热浪过程的机理了解还不充分。本文利用WRF模式，对2010年7月2～6日（北京时）北京一次高温过程进行了模拟，分析了城市化对此次高温过程的影响机理。采用优化后的WRF模式，能够模拟出北京连续5日高温的特征和城市热岛强度的变化。城市下垫面的不透水性决定了城区2 m高度处相对湿度低于乡村，削弱了城区通过潜热调节城市气温的能力。日落后，城市感热通量下降缓慢，城区降温速率小于乡村，夜间边界层稳定、高度低，风速小，抑制了城乡之间能量的传输，形成了夜间强的城市热岛强度，造成夜间城市气温明显高于乡村。日出后城乡地面感热通量、潜热通量迅速上升，边界层稳定性下降。午后，城市下垫面分别为地表感热通量和潜热通量的高、低值中心，通过潜热调节气温的能力被削弱；边界层稳定性降低，有利于能量的垂直扩散；此时，城市热岛强度小于夜间。因此，北京城市下垫面形成了明显的城市热岛效应，加重了城区极端高温事件的强度。此外，在这次高温热浪期间，中国东部大部分地区受到大陆暖高压控制，晴空少云，西北气流越山后形成焚风效应，是北京地区高温热浪形成的天气背景。

摘要:利用美国NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的CMAP（Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation）月平均降水资料、NCEP/DOE（National Centers for Environmental Prediction/Design of Experiments）II的月平均再分析资料和中国气象局国家信息中心提供的中国160站逐月降水和平均气温资料，通过定义一个亚洲急流纬向非均匀性指数（I_Aja），分析了1979～2019年夏季亚洲西风急流纬向非均匀性的年际变化特征，揭示了夏季亚洲急流纬向非均匀性变化异常的成因及其对东亚夏季降水和气温的影响。结果表明：夏季亚洲西风急流纬向非均匀性具有显著的年际变化特征，并存在6～8年和2年左右的振荡周期。当急流纬向非均匀性典型偏强（弱）年，东亚东部地区从低纬到高纬，降水异常主要呈现出偏多—偏少—偏多（偏少—偏多—偏少）的经向分布；气温则在中国西部地区和日本北部偏高（低），贝加尔湖地区偏低（高）。引起夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的可能原因如下：由大气非绝热加热异常而引起的热带和中纬度地区辐合/辐散运动造成的涡度源强迫，和来自西风带中波扰动能量的注入，两者共同作用形成并维持了与急流纬向非均匀性强弱变化相联系的异常环流，从而使亚洲急流东、西段强度差异增强（减弱），进而有利于急流纬向非均匀性异常偏强（偏弱）。而上述西风带中波扰动能量的东传可能与北大西洋海表面温度异常有关。这对于深刻理解夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的形成机理提供了有用的线索。

摘要:前人在研究极端气温时，大多关注其长期变化趋势，而对其年代际变化的研究较少。本文利用1961～2016年全国839个台站的逐日最高气温、最低气温和日平均气温资料，重点分析了我国冬季极端低温指数的年代际变化特征。本文采用谐波分解提取了每个台站冬季极端低温指数前四波分量，将其作为年代际变化分量，并将其累计方差贡献大于25%的台站认为发生了明显的年代际变化的台站。结果表明：呈明显年代际变化的台站主要位于长江以北地区、新疆北部以及青藏高原东部地区。其中，长江以北地区及新疆北部地区的年代际变化在1979年后较为一致，据此可将1979年之后的时段大致划分为前冷期（1979～1986年）、暖期（1987～2007年）和后冷期（2008～2016年）三个时期。上述两个地区的冬季极端低温指数的年代际变化与东大西洋/西俄罗斯遥相关型联系在一起，该遥相关型的年代际变化对应着乌拉尔山阻塞型环流频次和东亚大槽强度的年代际变化。

摘要:IAP AGCM4.1（Institute of Atmospheric Physics Atmospheric General Circulation Model, version 4.1）是中国科学院大气物理研究所自主研发的大气环流模式，也是中科院地球系统模式CAS-ESM1（Chinese Academy of Sciences Earth System Model, version 1）的大气分量模式。本文利用极端气候分析软件TECA（Toolkit for Extreme Climate Analysis），对IAP AGCM4.1模拟的1979～2012年西北太平洋热带气旋（TC）进行了识别与评估。结果表明IAP AGCM4.1模拟的TC空间分布、路径走向与生成源地与观测基本一致，但模拟的TC个数有所低估，仅为观测的36%。基于K-均值聚类方法的分类评估显示，这种低估主要体现在模式对于西北行转向类和西行类TC没有模拟能力。对于近海西—西北行类、西转向类和东转向类TC，模式模拟的个数可分别达到观测的39%，48%和85%，模拟的季节变化与观测的相关系数在0.89～0.91之间，周期误差在1～2天。就TC路径而言，模式对于近海西—西北行类和东转向类TC模拟效果较好，质心经度误差、质心纬度误差和经纬向标准差的模拟误差分别为1%～5%、4%～16%和5～15%。此外，环流合成分析表明模式很好地再现了东转向类TC发生、发展期间环境流场的演变以及副热带高压的变化情况，模拟的副热带高压强度和面积指数与观测的相关系数可达0.89。模式对西北行转向类和西行类TC模拟能力较差的原因可能与模式对副热带高压的模拟偏差有关。