双月刊

ISSN 1006-9895

CN 11-1768/O4

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      2020年第44卷第5期

      • 高茜,郭学良,何晖,刘香娥,黄梦宇,马新成

        2020,44(5):899-912, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1908.19114

        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。

      • 赵俊虎,熊开国,陈丽娟

        2020,44(5):913-934, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19132

        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。

      • 王叶红,赵玉春

        2020,44(5):935-959, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.19135

        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。

      • 彭京备,刘舸,孙淑清,何柯俊

        2020,44(5):960-974, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19141

        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。

      • 徐道生,陈德辉

        2020,44(5):975-983, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1906.19145

        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。

      • 陈雨潇,徐致真,陈静,李红祺,陈法敬

        2020,44(5):984-996, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2001.19157

        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。

      • 钟丽华,杨静,陆高鹏,王庸平,何其佳,郄秀书

        2020,44(5):997-1012, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2002.19169

        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。

      • 杨冰韵,刘健,贾煦

        2020,44(5):1013-1022, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19181

        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。

      • 张佃国,王烁,郭学良,王洪,樊明月

        2020,44(5):1023-1038, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.19185

        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。

      • 闵锦忠,吴乃庚

        2020,44(5):1039-1056, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2003.19186

        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。

      • 石世玮,智海,林鹏飞,陈涛

        2020,44(5):1057-1075, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1912.19172

        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。

      • 庄照荣,李兴良,陈静,孙健

        2020,44(5):1076-1092, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1911.19193

        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。

      • 张雷,任国玉,苗世光,张爱英,孟凡超,朱士超,任玉玉,索南看卓

        2020,44(5):1093-1108, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.19229

        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。

      • 字冉,孔震,张启悦,夏阳

        2020,44(5):1109-1124, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.19232

        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(IAja),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。

      • 索朗塔杰,施宁,王艺橙,张东东

        2020,44(5):1125-1140, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2003.19242

        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。

      • 周颖,张贺,张珂玮

        2020,44(5):1141-1154, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2002.19252

        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。

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      • 胡家晖, 卢楚翰, 何婧

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20225

        摘要:近年来深度学习模型在解决对防灾减灾影响巨大且极具挑战性的临近预报问题的应用中日益增多。本文中,我们把临近预报作为一个时空序列预测的任务,将雷达反射率因子作为试验对象,使用基于对抗神经网络(GAN)优化构建的TAGAN深度学习模型预测未来1h的雷达回波图像,并且与Rover光流法、基于卷积神经网络的3DUnet模型进行对比试验。选取2018年全球气象AI挑战赛雷达回波数据集进行训练与测试,检验结果表明TAGAN模型在命中率(POD),虚警率(FAR),临界成功指数(CSI)以及相关系数等多种评分上要优于传统的光流法和对比的3DUnet深度学习模型,TAGAN模型在以上的检验评分表现出色,并且随预测时间的增加较之传统光流模型效果更优,这为拓展和提升深度学习模型在临近天气预报中的应用提供了参考依据。

      • 孔凡超, 连志鸾

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21057

        摘要:本文利用2018年11月-2019年3月、2019年11月-2020年3月期间的自动站资料,对发生在河北崇礼云顶冬奥赛场的夜间增温事件进行了统计分析,并基于地基微波辐射、激光测风雷达、风廓线仪以及NCEP/NCAR逐6小时再分析资料探讨了夜间增温事件可能的形成机制。研究得出:云顶赛场11月到次年三月,夜间增温事件的发生概率高达76.9%,揭示了冬季夜间增温在云顶赛场是一种常见现象,同时增温次数和增温幅度均随站点海拔高度增加而减小。云顶赛场夜间增温的形成机制可归为四类,分别为风垂直切变造成的逆温层混合增温、焚风增温、整层下沉增温、中低层暖平流增温。其中第二~四类增温过程中,增温开始前谷内存在逆温时,谷底增温幅度可能会明显大于山顶,从而导致增温幅度随高度增加而减小。此外,山顶仅受第三类和第四类形成机制影响,而四类增温机制均可引发山谷增温事件,这也是增温事件发生频次随高度升高而明显减少的原因。

      • 毕研盟, 王倩, 杨忠东, 刘成保, 蔺超, 田龙飞, 张乃强, 王雅澄

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21069

        摘要:大气二氧化碳(CO2)探测仪(Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer-ACGS)搭载于中国二氧化碳观测卫星(TanSat),通过探测0.76μm,1.61μm,2.06μm波段的反射太阳光谱,采用最优估计算法反演大气CO2浓度。满足高光谱分辨率和高精度CO2浓度反演需求,精确探测光谱中心波长的变化非常重要。本文以高分辨率太阳参考光谱的夫朗禾费吸收线作为参考基准,利用ACGS对太阳的观测光谱计算了ACGS三个谱段通道中心波长位置在一年内的变化情况。结果显示,三个谱段的波长变化在光谱分辨率10%的以内,满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于在轨仪器状态变化引起,特别是在轨运行温度变化引起的。ACGS波长的微小变化需要在产品反演中进行修正。基于独立太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标方法不仅可以有效监测ACGS的光谱稳定性,还可以为L2产品的处理的提供参考信息 。

      • 王淑彩, 平凡, 孟雪峰, 李玉鹏

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21064

        摘要:本文以ERA5再分析资料为初始场,利用WRF模式对2020年4月19-20日的一次大范围暴雪天气过程进行数值模拟研究。模式采用不同云微物理参数化方案进行敏感性实验,并与实测数据(自动站降水数据、雷达基数据)进行对比,分析了暴雪天气的降水、雷达反射率、动热力和水凝物的时空演变特征。研究表明:上述不同微物理参数化方案基本都模拟出了本次降雪的强度和范围,但其模拟的动力及云微物理细致结构存在明显差别,表现在不同云微物理方案模拟的垂直速度和水凝物的时空分布上。bin方案模拟的云水较强,有明显的下沉运动,对流范围较为集中,霰和冰晶过程明显偏弱;而bulk方案模拟的雨水和霰较强,呈现出大范围的上升运动,对流范围宽广。上述动力与云水凝物的分布与云微物理方案的特性有关,bulk方案由于采取了总体云群设计,捆绑了不同粒子类型的运动,不能细致的描述出不同粒子的下沉拖曳过程,反映出没有明显的垂直下沉运动,也造成霰粒子明显增多。对于不同的bulk方案,尽管其水凝物总含量时空分布相似,都有较大范围的时空分布,但其水凝物的各分量(云水、雨水、冰、雪、霰)有显著差异,这与各不同云微物理过程的描述有关。

      • 高媛, 姚秀萍, 李山山, 王晓芳

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21053

        摘要:青藏高原横切变线(简称切变线)是引发青藏高原夏季暴雨的主要天气系统之一。本文基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,简称ECMWF)提供的ERA-5再分析资料,选取14个生成于6-8月、生命史为38小时且引发高原暴雨的切变线个例进行合成分析,探究动力和热力作用对夏季切变线生成和强度演变的影响。结果表明:(1)500hPa切变线生成于伊朗高压和西太平洋副热带高压两高之间的鞍形场中,处于580dagpm闭合低值中心和272K高温中心内、比湿大值区的北侧;200hPa南亚高压北部边缘、西风急流入口区南侧。(2)切变线强度表现出明显的日变化特征,在当地时间(LT=UTC+6h)23时最强,13时最弱。(3)涡度收支诊断表明,青藏高原上空高低层散度变化对切变线强度变化具有指示意义,500hPa涡度最大值(最小值)出现时间滞后于辐合作用最大值(最小值)3小时。(4)切变线演变过程中,切变线发展时位涡随之增大。位涡收支诊断表明,青藏高原上空的水汽和非绝热加热对切变线的生成和发展演变起到重要作用。当边界层感热加热增强时,低层辐合增强,上升运动增强,在充足的水汽配合下,凝结潜热释放使非绝热加热中心抬高至大气中层,有利于切变线生成及发展。

      • 陆婷婷, 崔晓鹏

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20232

        摘要:利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析,结果显示,降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大气中水汽含量明显减少;降水峰值时刻前,水汽辐合、凝结和液相水凝物辐合共同助力强降水云系快速发展,后期,动力辐合作用减弱以及水凝物持续消耗和辐散,导致水凝物含量显著减少,降水系统逐步瓦解;主降水时段,垂直上升运动强度和垂直扩展范围逐步增大,并在降水峰值时刻达最大,之后减弱收缩;上升运动峰值高度从初期位于零度层上逐步降到零度层附近,进而回落到零度层之下,伴随“弱-强-弱”的降水强度变化;上升运动控制下,水凝物含量变化明显,但不同水凝物变化幅度不一,霰粒子和雨滴增幅最显著,并于降水峰值时刻含量达最大,随后减小,其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等过程,导致其含量的变化幅度弱于上述两者。本文研究同时指出,不同微物理参数化方案对“7·20”特大暴雨强降水物理过程的可能影响以及不同强度降水物理过程的差异,值得深入研究。

      • 唐兆康, 鲍艳松, 顾英杰, 范水勇, 齐亚杰

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.20222

        摘要:同化大量观测资料可以有效地改进模式预报结果,但不同观测对预报的影响有着显著差异,合理评估观测对预报的贡献是数值模式中最具挑战性的诊断之一。本文采用基于伴随的预报对观测的敏感性(Forecast Sensitivity to Observation,简称FSO)方法,构建WRFDA-FSO系统。基于2019年9月超大城市项目在北京地区获取的风廓线雷达(Wind Profile Radar Detection,简称WPRD)和地基微波辐射计(Microwave Radiometer,简称MWR)观测数据,利用WRFDA-FSO系统,开展观测对WRF模式12h预报的影响试验,并分析风温湿观测对预报的贡献。结果表明:(1)同化的观测资料(MWR、WPRD、Sound、Synop和Geoamv)均减小了WRF模式12h预报误差,对预报为正贡献,其中MWR观测对预报的影响最大,WPRD风场观测对预报的改进效果优于Sound的风场观测。(2)WPRD的U、V观测和MWR的T、Q观测中,V观测和T观测对预报的正贡献值更高,对预报的改进效果更优。(3)WPRD和MWR多数高度层的观测均减小了预报误差,对预报为正贡献,其中MWR的T观测对预报的正贡献主要位于近地面800 hPa以下。

      • 朱丽飞, 孙诚, 李建平, 张静, 刘雨森, 宫湛秋

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.20213

        摘要:慢特征分析(SFA)方法可以从非平稳时间序列中提取出慢变的外强迫信息。近年来,SFA方法被应用于气候变化研究领域,用于探究气候变化的潜在驱动力及相关的动力学机制。本文基于SFA方法,提取全球陆地表面气温(LSAT)的慢变外强迫信息,研究全球LSAT慢变驱动力的空间结构特征及低频变率的主要驱动因子。SFA方法提取的LSAT慢变驱动力与历史时期全球辐射强迫(GRF)和全球海表温度(SST)的主模态(大西洋多年代际振荡AMO、热带太平洋ENSO变率和太平洋年代际振荡IPO)有显著的相关关系,表明全球大部分地区LSAT的变率受到GRF和三个SST模态的显著影响。GRF对LSAT变率的影响有全球一致性的特征,而三个SST模态对LSAT变率的影响则呈现出明显的区域特点。此外,由于SFA方法可以有效降低原始LSAT序列中随机噪声的干扰,GRF和SST模态对LSAT变率的解释方差显著提高,进一步表明GRF和SST模态是全球LSAT低频变率主要的驱动因子。最后,利用历史海温驱动AGCM试验(即AMIP试验)的结果,验证了三个SST模态对区域LSAT变率的显著影响。

      • 王迪, 张熠, 储可宽, 王新敏

        优先出版日期:2021-09-09  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20190

        摘要:本文利用WRF理想斜压波模式模拟了理想湿大气中温带气旋的快速发展过程,采用拉格朗日轨迹筛选方法识别了气旋内部冷、暖输送带结构,分析了沿着输送带轨迹的物理量演变特征,探究了输送带气流对气旋降水结构的影响。本文在再现前人研究结论的基础上,发现了更精细的输送带结构特征,尤其是对冷输送带特征有了进一步认识。 研究表明,根据相对气旋中心运动特征可将暖输送带划分为“前倾上升”和“后倾上升”两支。两支气流均起始于对流层低层冷锋前暖区内,旋转上升到对流层中高层出流区后分别向气旋中心的下游和上游运动,并在中高层产生负位涡扰动,促进高空系统发展。同时,暖输送带向上层输送水汽,影响锋面附近降水中心的形成和维持。在对冷输送带的研究中,本文证实了前人研究描述的上升类和低层运动类特征,而且发现其可以更精细地呈现出四支气流结构。“前倾上升”和“后倾上升”两支气流的初始位置靠近暖锋,上升运动到对流层中层后分别向气旋中心的下游和上游运动,利于促进暖锋附近降水形成;而“环气旋前倾”和“环气旋后倾”两支气流始终在对流层低层运动,初始远离暖锋朝向气旋中心运动,水汽含量增加,随后环绕气旋中心缓慢上升运动到气旋西侧后分别向气旋下游和上游下沉,这两支气流导致了气旋西北侧弱降水的发生。

      • 李尚锋, 任航, 高枞亭, 尹路婷, 杨旭

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.20217

        摘要:利用1981—2019年吉林省气象局信息中心提供的吉林省51个测站逐时降水数据,系统分析了暖季吉林省地区冷涡降水的时空分布特征。结果表明:(1)吉林省地区降水量日变化和频次的峰值均发生在下午16—17时;0.1—5mm/h的降水频次大值区主要集中在吉林省东部山区,而5—10mm/h和>10mm/h降水的频次大值区则在吉林省中南部地区。(2)0.1—5mm/h降水占冷涡降水总量百分比(简称:降水贡献)的空间分布特征中,白天降水贡献的空间分布比较一致,夜间大值区在吉林省东部山区;5—10mm/h的降水贡献大值区集中在吉林省中部地区,且白天贡献大于夜间;>10mm/h的降水贡献大值区位于吉林省中西部地区,白天贡献也大于夜间。(3)0.1—5mm/h降水占暖季冷涡降水总量的60%,5—10mm/h和>10mm/h均在20%左右;0.1—5mm/h降水贡献随时间变化减弱趋势明显,而>10mm/h降水贡献增加趋势明显,且这两种量级降水年际变化呈反位相特征。

      • 白慧敏, 龚志强, 孙桂全, 李莉, 周莉

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20233

        摘要:植被覆盖对气候变化极其敏感,华北区地处我国半湿润地区,气象因子对该地区植被覆盖有重要的影响,但缺少有效的数理模型定量刻画气象要素对植被的影响。因此,本文基于华北区2000-2018年中分辨率成像光谱仪的植被覆盖数据和主要气象要素数据,开展了气象要素影响植被覆盖度模型的研究,初步建立了华北夏季植被覆盖度与气象要素的关系。研究表明:(1)华北夏季植被覆盖度与降水、相对湿度呈正相关,与气温、日照时数和地温则呈负相关,相关性强弱顺序依次为同期日照时数、前一月地温、同期相对湿度、前一月气温和同期降水。(2)结合多元回归法和最小二乘法两种统计方法,从区域平均和空间分布角度分别构建了气象要素对植被覆盖度的影响模型,定量描述气象要素变化对植被覆盖度的可能影响。其中,五变量影响模型对植被覆盖度的模拟的相关系数略偏高,基于最小二乘法构建的模型对植被覆盖度的拟合效果较多元线性回归模型更好。(3)去除相对湿度的模型对华北地区植被覆盖变化的模拟能力变化最大,即温度和降水协同作用对华北地区植被覆盖的影响较为重要。研究有利于了解气象要素如何影响植被生态系统,进而为国家生态文明建设提供理论依据。

      • 孙思远, 管兆勇, 金大超

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.20226

        摘要:利用NCEP/NCAR逐日再分析资料和中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集,研究了1979-2016年夏季江淮地区区域性极端日降水事件的统计特征及其与Rossby波活动的联系。结果表明:在38年夏季(6–7月)中,江淮地区区域性极端日降水量的95百分位阈值为33.95 mm/d,且共有63次极端日降水事件发生。江淮地区极端日降水事件发生时,在对流层中低层受气旋性异常环流控制,在对流层上层受反气旋性异常环流控制,为极端日降水事件的形成和维持提供了有利的斜压性环流背景。源于孟加拉湾和中国南海地区的水汽在江淮地区有较强的汇集,为极端日降水事件的发生发展提供了有利的水汽条件。在极端日降水事件发生期间,引起江淮地区扰动涡度拟能显著变化的主要是时间平均气流对扰动涡度的平流输送项和扰动气流中的水平散度项;在极端日降水事件发生当天,对流层上层的扰动涡度拟能迅速减弱,同时在低层快速增强。波动起源于里海和黑海附近,有明显的下游频散效应,传至江淮地区约需3–5天时间,为江淮地区极端日降水事件的形成提供了扰动能量。这些结果加深对极端日降水事件成因的认识,并为预报预测提供了思路。

      • 杨雯婷, 傅慎明

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2107.21001

        摘要:基于泰国气象局提供的近32年(1981-2012)站点逐日降水观测资料,利用线性趋势和集合经验模态分解(Ensemble empirical mode decomposition, EEMD)等分析方法,本文重点研究了泰国及其五个地理分区内各等级降水量与降水日数出现正异常(第95%分位及以上)的站点比例变化,并深入分析了泰国逐年降水量与暴雨以上持续性和非持续性降水量相对贡献的变化。主要结论如下:(1)泰国东部和南部地区是其降水最强的区域,而泰国北部地区降水相对最弱,在研究的32年时段内,泰国境内有87%的站点出现了逐年降水增加的趋势(共有22个站通过了95%的信度检验),其中泰国南部是增加最快的区域,而泰国东部地区则是出现降水增加趋势最少的地区。位于泰国湾沿岸的曼谷站和洛坤站是整个泰国境内逐年降水增加最快的站点。(2)泰国北部地区的逐年降水量、逐年降水日数与平均降水强度出现正异常的站点比例显著增加,表明极端降水的影响范围在扩大,而泰国南部地区仅大暴雨以上的极端降水出现了范围扩大的趋势。(3)暴雨以上的降水在泰国不同地区存在着显著差异,其中泰国北部、东北部和中部地区,非持续性降水占主导地位,而在泰国东部和南部地区,持续性与非持续性降水的贡献相当。暴雨以上持续性降水出现正异常的站点比例在泰国北部和南部地区有显著的增加趋势,表明这些地区受稳定系统影响所发生强降水的范围有着显著的扩大趋势。

      • 赵丹, 张丽霞, 周天军

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21030

        摘要:本文基于观测和再分析资料,采用Brubaker二元模型评估了第六次“国际耦合模式比较计划”(CMIP6)中19个模式对中国东部季风区气候态水循环过程的模拟能力,并分析了模拟误差来源。结果表明,CMIP6模式集合平均(MME)能够合理再现观测降水和蒸发的年平均气候态空间分布及年循环特征,与观测值的空间相关系数分别为0.92和0.87。较之观测,MME高估了华北地区降水,低估了华南沿海地区降水(-0.3 mm day-1)。所有CMIP6模式均高估蒸发强度(偏差0.03~0.98 mm day-1),使得模拟的降水与蒸发之差偏少。模式整体能够模拟出我国东部季风区降水再循环率及不同边界水汽来源的贡献率,但低估了由南边界进入季风区的水汽贡献,导致东亚季风区偏干。通过分析模式对影响水汽通量的两个气象要素(风速和大气比湿)的模拟能力,发现研究区南边界的风速大小决定了模式间水汽输送差异。南边界风速越大的模式,由南边界进入的水汽通量越大,模式模拟的降水越多。西北太平洋辐合带的东西位置是影响南边界南风风速的重要系统之一,辐合带位置偏东的模式模拟的南风强度较弱,使得水汽输送偏弱、降水偏少;反之,南边界水汽输送偏强、降水偏多。本文通过评估最新一代CMIP6模式在东亚水循环方面的模拟性能,指出了当前气候模式在模拟西太平洋辐合带位置方面存在的偏差及其对东亚水循环的影响。

      • 王东海, 曾智琳, 杨帅, 张春燕, 梁必骐

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21041

        摘要:本文总结了近几十年来暖季(5-10月)南海热带天气系统及中尺度对流过程的相关研究进展。聚焦暖季南海中尺度对流过程,概述性回顾了与南海中尺度对流过程相关的热带大气环流和夏季风的基本特征、影响南海中尺度对流发生发展的重要天气系统,并着重归纳了南海中尺度对流系统的活动规律、结构特征与形成机理。在此基础上,探讨了当前及未来南海中尺度对流过程研究面临的机遇与挑战,并指明了未来该领域的研究方向。

      • 周晓宇, 王咏薇, 孙绩华, 杨大虎

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21062

        摘要:本文利用WRF(V3.9.1)模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control案例,研究土地利用类型(Md04案例)、陆面过程(NoUCM案例)和湖泊(Nolake案例)对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布特征的影响。主要结论如下:(1)四种案例城市热岛强度的平均日变化基本一致。白天城市热岛强度较弱、夜间较强,在20:00时左右达到最大值。城市冠层(湖泊)对城市热岛有较明显的减(增)温,Control-NoUCM(Nolake)案例中,平均日最大差值为-0.79oC(+1.07oC)。(2)从能量平衡方程分析Control-Md04案例,感热(潜热)通量的差值为+46.18(-79.71)W/m2,潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM案例中,感热(潜热)通量的差值为-40.88(+29.60)W/m2,NoUCM案例未考虑几何建筑物储热与遮挡,大部分被地表所吸收,导致感热通量较大。(3)四种案例中,15:00(07:00)时边界层高度达到最大(小)值。NoUCM(Nolake)案例中城市边界层高度分别降低103m(32m)左右,而Md04案例中城市边界层高度增加102m左右。(4)湖泊对城市热岛环流影响的试验表明,湖泊上空垂直运动较弱,而水平方向湖陆风较大,有利于向城市输送水汽,增加干空气湿度,使水汽含量较高;从而增加潜热能量释放,降低感热通量,温度梯度减小。

      • 王东海, 姜晓玲, 张春燕, 庞紫豪, 梁钊明, 张明华

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21068

        摘要:本文系统地介绍了基于约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型,并将模型首次应用于青藏高原那曲试验区。该模型可融合不同时空分辨率的多来源数据,通过利用地面降水和地面、大气顶部的热通量等大气上下边界的观测资料来约束调整探空观测变量,从而尽可能保证气柱内的质量、热量、水汽和动量收支平衡。对模型及其产生的第三次青藏高原大气科学试验那曲试验区2014年8月期间的大气分析数据集进行评估分析,结果表明模型生成的常规状态量很好地保留了观测特征,模型生成的重要大尺度衍生量(如垂直速度、散度、温度/水汽平流、视热源、视水汽汇等)可以较好地反映试验期内大气柱的动力、热力和水汽结构特征,有利于对大气降水过程的分析研究。分析发现,350~400hPa高度层是该时期那曲试验区的动力、热量和水汽的重要变化中心。从各种观测资料对模型生成的分析场的影响来看,探空观测对高空风场的影响最大,但这种影响的幅度在1m/s以内;降水和上下边界通量观测主要影响大尺度衍生量如垂直速度,其中降水主要影响降水时期的上升运动,通量观测主要影响弱/无降水时期的下沉运动。总体而言,物理协调大气变分客观分析模型具备较好的稳定性和合理性。

      • 常蕊, 朱蓉, 赵大军

        优先出版日期:2021-08-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2108.21071

        摘要:利用台风山竹(1822)和利奇马(1909)登陆期间固定式风廓线雷达、WindCubeV2激光雷达和测风塔的梯度观测数据,结合山竹(1822)登陆前后精细化风场模拟资料,分析了登陆台风不同影响象限内,离地300 m高度内的强风参数及其随距离、海拔高度及下垫面的变化特征。结果表明:距离台风中心200 km水平范围内,最大风速所在高度及风切变指数沿台风半径向外增加,且陆地强风切变指数普遍高于0.12,而海洋下垫面拖曳作用弱,风切变较小,仅在岛屿群附近存在超出国标设计阈值的高切变区域;台风移动方向的右前象限内强风切变指数稳定维持在0.17左右,且对海拔高度不敏感,左后象限存在类似于急流的风廓线,而左前象限内强风的垂直变化在空间上具有较强的非线性特征,边界层低层强风结构较复杂;阵风因子和湍流强度随平均风速增大、离地高度升高而减小;过程最大风向变差角沿台风半径向外减小,且在空间上具有显著的非对称性,其中右后象限的风向变差角最大,半小时风向变化超过30°,且大多发生在台风登陆前或登陆时。研究成果可为我国近海及沿海风电场的微尺度风场模拟及台风风险防御提供帮助。

      • 徐小红, 余兴, 刘贵华, 岳治国, 朱延年

        优先出版日期:2021-08-17  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21010

        摘要:利用陕西、山东、贵州和新疆等地近十年日间降雹记录和对应极轨卫星数据,采用卫星云微物理反演技术,定量分析冰雹云微物理特征,比较不同地区间差异,并利用FY-4A静止卫星定量分析一次冰雹过程云微物理特征演变,探讨冰雹云卫星识别预警应用潜力。结果表明:(1)陕西、山东等地冰雹云微物理特征具有一致性,卫星早期识别指标为:晶化温度(Tg)较冷,均值为-33℃;全部冰晶化时Tg 对应的云粒子有效半径re(表征为re-g)未饱和(<40mm),均值37.2mm,且re-g越小冰雹云越强;云顶呈现re随高度减小带。(2)各地冰雹云早期识别指标在数值上存在一定差异,实际应用时应针对各地进行相应调整。(3)在静止卫星上,冰雹云微物理特征与极轨卫星相一致,将早期识别指标应用于FY-4A静止卫星,跟踪云团发展演变,实现自动预警。(4)经过4次降雹过程中应用,FY-4A卫星自动预警与实况吻合22次,漏报2次,自动预警平均提前约2小时。

      • 陈宏莉, 徐海明, 马静, 邓洁淳

        优先出版日期:2021-07-19  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106. 21047

        摘要:本文采用1985-2015年美国气象环境预报中心及能源部(NCEP/DOE)再分析以及美国国家海洋大气管理局(NOAA)海温(SSTs)等资料,基于大范围SST异常的确定规则,在北太平洋区域选取了8个暖事件,采用跟随SST异常中心的动态合成方法,研究分析了冬季北太平洋生命史为50天左右的大范围SST暖异常在其盛期前后的月内尺度海气结构特征。结果表明:(1)大范围SST暖异常前期主要表现为大气对海洋的强迫作用,后期则主要表现为海洋对大气的强迫作用。(2)SST暖异常伴随的大气结构在前后期发生了明显的转变,前期SST暖异常上空伴随着相当正压的偶极型气压异常(即东北侧为异常高压而西南侧为异常低压),对应大气偏东风异常。后期SST暖异常区北侧上空伴随着相当正压的低压异常,南侧为弱高压异常,对应大气偏西风异常。(3)在SST暖异常后期大气出现了气旋式环流异常响应,这主要是因为高频瞬变涡旋反馈强迫在起关键作用,且瞬变涡度的强迫作用是主要贡献因子。(4)海流结构在前后期也发生了明显的转变,前期海洋动力过程不利于维持SST暖异常,后期异常暖平流和异常下沉流均有助于维持SST暖异常及其对大气的影响。

      • 封秋娟

        优先出版日期:2021-07-14  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21004

        摘要:通过飞机直接进入降雪云进行探测,并配合MICPAS、雷达和卫星等资料,对2011年11月29日山西一次降雪云宏微观结构特征进行分析。研究发现:本次降雪过程的雷达回波以10~20dBZ大片层状云回波为主,镶嵌了超过30dBZ的块状强回波,雷达径向速度零线呈较强的“S”型弯曲,出现“牛眼”结构,从低层到高层有较强的风垂直切变。液水含量主要位于3.2km以下,最大值为0.0697g m-3,冰雪晶数浓度N50、N200和冰水含量主要产生于层积混合降雪云的上部,极大值出现在-9.3℃附近,分别为188.4L-1、33.5L-1和0.121g m-3。-14.4~-19.7℃冰晶图像以针状、柱状和不规则状为主,以冰晶的凝华增长为主。-9.3℃附近冰雪晶图像以辐枝状、不规则状为主,辐枝状冰晶的聚并碰撞和折裂繁生可能是造成此处冰雪晶高浓度的主要原因。利用指数形式能较好地拟合冰雪晶谱分布,谱拟合参数可以用幂函数Nos=1.021λ1.684表示,相关系数R2为0.86。3.2km以下存在三次逆温,逆温层的出现使云微物理特征量和拟合参数Nos减小,抑制了云内淞附增长和凝华增长,导致本次观测谱拟合参数Nos、λ随温度的变化规律与以往的观测不一致,逆温强度越大抑制作用越大。

      • 武静雅, 孙强, 毕永恒, 田玉芳, 王一楠, 吕达仁

        优先出版日期:2021-06-21  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21061

        摘要:青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用,对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测手段,对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System)的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料,研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征,给出了统计回归方程。主要结论有:(1)西风槽系统日均有云频率为56.9%,切变线系统为50.8%,低涡系统达73%;(2)尽管西风槽和切变线系统的成因不同,但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似:日变化趋势基本为单峰单谷型,日出前最低,日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化,单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化;(3)低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同:日变化趋势表现为多峰多谷型,虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大,但频谱分布分散,云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8小时的波动;(4)给出了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。

      • 刘俊, 唐佑民, 宋迅殊, 孙志林

        优先出版日期:2021-06-21  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21048

        摘要:印度洋偶极子(IOD)是热带印度洋秋季最强的年际变率,它会通过大气遥相关来影响世界许多地区的气候。目前耦合气候模式对IOD预报技巧仍非常有限,远低于热带太平洋的厄尔尼诺事件的预报技巧。鉴于深度学习具备高效的数据处理能力,本文使用深度学习中的卷积神经网络(CNN)与人工神经网络中的多层感知机(MLP)处理再分析观测资料,从而进行IOD预报。由于当预报初始时刻为北半球冬春季时,对IOD事件的预报技巧较低。因此,为探索CNN的预报能力,本文仅使用三种初始时刻,分别为1-2-3月(Jan-Feb-Mar,JFM)、2-3-4月(Feb-Mar-Apr,FMA)、3-4-5月(Mar-Apr-May,MAM),来预报其后续七个月的印度洋偶极子指数(DMI)、东极子指数(EIO)和西极子指数(WIO)。结果表明:CNN对DMI、EIO和WIO指数的有效预测时效均超过了6个月。与现在耦合动力模式相比,CNN模型能够显著提升DMI指数和EIO指数的预报技巧,但对WIO指数的预报技巧提升有限。当预报提前时间为7个月时,CNN模型能够比较准确地预报1994、1997与2019年的IOD事件。由于CNN模型能够更好地抓住印度洋海温的空间结构特征,它对IOD事件的预报技巧比传统神经网络MLP高。

      • 姚佳伟, 段晚锁

        优先出版日期:2021-06-15  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20256

        摘要:根据非线性强迫奇异向量(NFSV)型海温强迫误差识别的敏感性特征,通过观测系统模拟试验(OSSE)确定了12个热带气旋(TC)的强度模拟的海温目标观测最优布局。NFSV-型SST强迫误差敏感区一般沿着台风移动路径,主要位于台风快速增强阶段。结果表明,在NFSV-型SST强迫目标观测敏感区内以90km间隔加密海温观测,这些额外观测能够更加有效地改善TC强度的模拟技巧;与空间范围更大的非敏感区相比,在NFSV-型SST强迫目标观测敏感区内进行目标观测,能够更加有效地改进TC强度的模拟能力,而当非敏感区内的局地观测区域逐步接近目标观测敏感区时,该局地区域的加密观测对TC强度模拟改善程度也逐步提高。进一步研究表明,上述目标观测对台风强度模拟水平的改善尤以NFSV-型SST强迫误差大值区所对应的TC快速增强阶段最为明显。所以,在由NFSV-型SST强迫误差确定的目标观测敏感区和敏感时段内加密观测,对台风强度模拟能力的提高最有效,而且在敏感区内以合适的间隔实施外场观测是最经济的观测策略。

      • 杨阳, 戴新刚, 汪萍

        优先出版日期:2021-06-15  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20241

        摘要:借助第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)多模式集合数据及英国气候研究所(CRU)的格点降水资料,分析了多模式集合平均降水在亚洲的偏差分布特征,检验了三种减小偏差的方法,并预估了未来30年亚洲降水变化的趋势。结果表明,在CMIP5历史气候模拟中,多模式集合降水在亚洲存在明显偏差,在北方降水偏多,南方偏少,其中在青藏高原、内蒙古、蒙古国等地明显偏多达30%-40%,南亚偏少30%-40%,在越南和华南沿海偏少20-30%等。模式降水偏差型在2006-2015年预估与历史气候模拟中类似,具有准定常性,可以通过二者之差消去模式气候漂移。偏差订正检验表明,对数回归在北方较好,年际增量回归在南方更优,二者结合构成所谓区域组合回归偏差订正法,用其订正中等排放情景RCP4.5下24个CMIP5模式集合预估的2021-2050年亚洲降水,其相对于1976-2005的变化表明,随着气候暖化亚洲季风区降水格局会发生或多或少的变化,在暖季(5-10月),阿拉伯半岛东部、南亚西北部、伊朗南部、中亚北部及俄罗斯的远东地区,以及中国的西北东部、环渤海湾及东北部分地区降水可能增加6%-10%;中亚南部及伊朗北部等地降水可能减少10%左右,中国西南降水平均减少约3%。在冷季,亚洲北方降水普遍增加,南方降水有所减少,其中南亚降水明显减少,达6%-10%,中国西南部降水减少;中国西北大部、华北和东北等地, 以及蒙古国和亚洲高纬度地带降水明显增加,增幅可达10%或更多。这些预估结果表明,随着气候暖化,未来30年我国西南的旱情可能持续,冬半年北方雪灾会增加,随着南亚夏季风区的西扩,南亚西北部巴基斯坦等干旱地带出现洪水灾害的频率会增加,但里海南部周边地带可能出现持续几十年的严重干旱事件。对于未来30年中国的南方,尤其是西南地区可能出现持续、甚至加重的干旱气候事件,需要提前做好应对部署。

      • 李祥, 杨帅, 杨书运

        优先出版日期:2021-06-10  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2106.21072

        摘要:由观测分析和数值模拟,发现2019年8月5-6日中国西南部的东传型致灾暴雨事件中存在三涡(南北双高原涡、西南涡)相继发展并导致暴雨加强和传播的现象。借助数值试验,研究了多尺度地形因子(青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形)各自对涡旋演变的作用。结果表明,横断山脉对西南涡的形成起关键作用,四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡(这里指南侧高原涡)的传播,四川盆地只影响涡旋强度演变,但不会改变高原涡的传播路径。一旦横断山脉被移除,高原涡的传播现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响,发现坡度越陡,高原涡传播速度越快,且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论,解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响:随着坡度变陡,倾斜涡度发展系数CD剧烈减小;陡坡时沿涡旋下滑路径快速减小的CD对垂直涡度局地倾向的强迫作用,加剧了涡旋的快速加强。

      • 章鸣, 连志鸾, 平凡, 祝善友

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.21031

        摘要:夜间增温是河北冬奥赛区冬季频发的天气现象,对其进行准确的模拟与预报对赛区建设及比赛保障至关重要。本文针对河北冬奥赛区2020年2月8日夜间至9日凌晨发生的一次夜间增温过程,通过引入高分辨率地形数据,利用中尺度区域数值模式WRF4.1.5精细化再现了此次夜间增温过程,并探究了此次过程的气象特征及成因。研究结果表明:此次夜间增温过程受东北冷涡影响,中高空冷平流显著,高低层风切变较强,有明显的平流差异,同时,近地面气象要素变化特征明显,包括相对湿度降低、风速增大、海平面气压降低、地表热通量及长波辐射增强等;增温发生时,强冷平流在范围及强度上均明显增加,导致强烈的下沉运动,使得低层大气温度升高,并且高低层强风切变以及平流差异容易产生垂直混合,等熵面波动明显,湍流加强,进一步加强湍流垂直混合运动,运动热通量输送增强,产生夜间温度异常升高现象。

      • 吴诗晓, 陆春松, 朱磊, 高思楠, 吕晶晶

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20189

        摘要:夹卷混合过程作为影响云雾的主要物理过程之一,对云雾的生命周期、云雾降水的形成过程、辐射传输过程和气溶胶间接效应等都有着重要影响。本文从微物理和动力两个方面探讨辐射雾中的夹卷混合机制,既促进对夹卷混合机制的理论认识,又从新的角度来讨论辐射雾的发展消亡过程。利用2006年和2007年冬季在南京进行的雾综合观测的资料,研究了9个个例中的夹卷混合机制。首先,针对2007年12月10-11日这一次辐射雾过程进行详细分析,探讨了不同阶段微物理量的变化和夹卷混合机制。结果表明:成熟阶段主要为极端非均匀夹卷混合机制,数浓度和含水量同时减小,体积平均半径却基本保持不变;快速消散阶段主要为均匀夹卷混合机制,各微物理参量同时减小,互为正相关关系。除了微物理,本文也分析了夹卷混合机制的动力特征,计算了过渡尺度数,发现在成熟(快速消散)阶段,过渡尺度数小(大),有利于极端非均匀(均匀)夹卷混合机制的发生。其次,分析了其他8个个例中微物理量之间的相关关系,发现体积平均半径和含水量之间主要呈正相关关系,以均匀夹卷混合为主。所得结果有助于夹卷混合机制参数化方案的开发,同时为辐射雾的模拟预报提供参考。

      • 布和朝鲁, 林大伟

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21028

        摘要:亚洲中高纬环流春夏季节转换是亚洲大陆上发生的不同区域春夏季节转换中的一个重要组成部分,它为江淮流域梅雨形势的建立提供必要的中高纬环流条件。但是关于其独特性和关键特征,迄今为止尚没有系统性的总结。本文利用NCEP/NCAR再分析资料I的逐日数据,分析和总结了这一春夏季节转换过程的关键特征。亚洲中高纬环流春夏季节转换以500 hPa东北亚脊和“双阻型”环流形势的依次建立为重要标志。东北亚脊及其相关的海陆温度差异的形成主要归因于东北亚积雪融化和局地强烈增温过程。东北亚低压(850 hPa)的建立是亚洲中高纬环流春夏季节转换的另一个重要标志。当季节转换发生时,青藏高原上空的200 hPa急流轴从~35N向北跳到~37N,与此同时亚洲温带急流彻底消失。伴随着季节转换,亚洲中高纬地区近地面温度经向梯度减弱,高频瞬变斜压扰动随之减弱;与之形成鲜明对比,低频天气系统,包括亚洲阻塞高压和东北冷涡系统,则成为该地区主导天气系统。本文也从春夏季节转换早晚的角度,探讨了亚洲中高纬环流和天气系统的演变特征,由此进一步补充了春夏季节转换的关键信息。

      • 周志敏, 胡扬, 康兆萍

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21025

        摘要:梅雨锋暴雨中的云微物理过程对降水的演变有着重要影响。本文通过WRF(3.4.1)模式,针对2018年6月29日至30日一次梅雨锋背景下的暴雨过程进行数值模拟,分别采用了Morrison、Thompson和MY方案进行对比分析,结果发现:(1)三个方案模拟的背景场在天气尺度上,都与ERA5再分析资料一致,能够模拟出有利于强降水发生的环流场。云微物理过程对梅雨期暴雨的局地环流有着显著影响,不同方案存在明显差异,本次过程中,Thompson方案模拟出更强的局地环流系统变率和上升气流。三个方案的模拟降水均有所夸大,小时降水率始终大于观测值。冰相粒子融化或雨滴搜集云滴的高估可能是造成降水模拟值偏强的重要原因之一,总体来看,Morrison方案的模拟效果相对最优。(2)冰相粒子融化、雨滴收集云滴是雨滴增长的关键源项,蒸发则是其最重要的汇项。总的来说,雨滴对云滴的收集量大于冰相粒子融化。但上述过程在不同方案中存在空间上的差异,从而使得模拟降水的空间分布存在差异。(3)Thompson方案中,冰相粒子融化量最大,雨滴蒸发项显著大于其它两个方案,在底层表现得最为明显。同时,该方案水汽凝结效应最强,使得雨滴收集更多云滴。该方案模拟的雨滴最多,降水最强。该方案中凝华的主要产物为雪,且其在与过冷水碰并增长过程中占主导地位,故模拟的雪最多。4)Morrison方案中,水汽主要凝华为雪和少量霰(冰晶忽略不计);Thompson方案中水汽基本凝华为雪,其它冰相粒子极少;MY方案中,水汽主要凝华为雪和冰晶,冰晶总量略少于雪,但显著大于其它方案。5)云滴在凇附过程中的总体贡献大于雨滴。Morrison和 MY方案中,霰粒子收集云滴增长的量均最大。Morrison方案中,其它凇附过程不同程度发挥作用,而MY方案中,其它凇附过程几乎可忽略不计。并且,霰粒子收集云滴的增长量大于凝华过程产生的雪粒子总量。贝吉龙及凇附效应的差异,是不同方案中冰相粒子分布差异的关键原因之一。

      • 沈王彬, 李昕, 秦正坤, 张冰

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.21021

        摘要:全国目前已经建成了近7万个自动气象观测站点,然而自动气象站观测资料一直存在资料质量较低的问题,大量错误资料的存在极大影响了其在气象研究中的应用,因此对错误观测的数据进行准确的修复是一项重要工作。本文利用2019年12月1日00时至7日23时,共168个时次的地面自动站温度观测资料,在利用EOF(Empirical Orthogonal Function)质量控制方法识别异常观测资料的基础上,提出了一种基于迭代EOF分析方法的错误资料修复方法。通过理想修复试验的精度分析表明,新修复方法能够很好地修复错误的地面自动站观测气温,修复方法的误差约为0.48℃。而基于Cressman插值等这一类依赖单点观测信息进行修复的方法更容易受到小尺度信号干扰而引入非自然观测信息,对地面温度的修复误差可以达到1.55℃。实际的修复结果分析也证明新修复方法充分利用了EOF分析方法的时空分离作用和模态正交性特点,通过迭代方法逐步消除错误资料的影响,从而获得了与周边观测资料有更好时空连续性的修复结果。

      • 李永华, 周 杰, 何卷雄, 卢楚翰, 向 波

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21002

        摘要:利用1961-2020年西南地区东部118个气象站逐日降水量资料和1979-2020年ECMWF的ERA5逐月再分析资料以及NCEP/NCAR提供的逐6h全球再分析资料,采用相关、回归、聚类、拉格朗日轨迹模式HYSPLITv5.0模拟等方法对2020年6-7月西南地区东部降水异常偏多特征、大尺度水汽输送特征及水汽收支状况和主要水汽源地及贡献等进行了分析,定义了关键区水汽强度指标,分析了关键区水汽强度与前期冬季海温和青藏高原积雪的联系。结果表明,2020年6-7月西南地区东部平均降水量异常偏多5成,为1961年以来最多,除贵州中部和四川东北部的局部地区降水较常年略偏少外,其余地区降水均较常年明显偏多。2020年6-7月对流层高、中、低层环流场配置是西南地区东部典型多雨的环流形势:200hPa上高空急流位置偏南,致使冷空气活动较多且偏南,同时西南地区东部正好位于急流轴以南地区,高层强辐散流出,低层强辐合流入,配合从低层到高层的深厚的强烈的垂直运动,为降水提供了良好的动力条件,而西太平洋副高明显西伸,有利其西南侧的暖湿气流向西南地区东部输送,使得该区域降水偏多。采用欧拉方法计算的定性的水汽来源和采用拉格朗日方法计算的定量的水汽轨迹追踪结果,都表明2020年6-7月西南地区东部降水的水汽主要来自于孟加拉湾、南海和阿拉伯海等南方洋面的暖湿气流,而北方的干冷空气也有水汽向该区域输送,但相对于南方海洋的水汽输送要小得多。前冬青藏高原积雪偏多,印度洋和赤道中东太平洋海温偏高,引起孟加拉湾西风减弱,南海东风偏强,中南半岛北部南风偏强,形成西太平洋副高偏西偏强的典型风场特征,有利于孟加拉湾和南海地区水汽输送偏西偏强,中南半岛地区向北的水汽输送偏强,使得西太平洋副高西南侧的水汽能够源源不断输送到西南地区东部,造成该地区降水偏多。

      • 陈婉玲, 李秀珍

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20246

        摘要:采用1979~2015年ERA-Interim再分析资料和中国756个站点的逐日降水观测资料,利用百分位法定义了华南冬季强降水事件,通过聚类分析发现中国冬季强降水的中心主要集中在5个地区:长江中下游地区、华南中西部、华南东南部、淮河流域以及中国西南部。为了揭示华南南部大范围强降水的成因,对比分析了由西南地区自西向东移动至东南沿海的东移型强降水事件与西南地区局地型强降水事件。结果表明,南支槽槽前的暖湿气流与冷空气活动的强弱对峙是触发以及维持这两类强降水的关键。在局地型强降水中,活跃的冷空气活动抑制了南支槽的发展和东扩,强降水局限于西南地区;对于东移型强降水,由于冷空气活动偏弱,南支槽槽前西南暖湿气流东扩,降水落区随之东移。高纬度波列与南亚急流波列的协同作用是影响冷、暖气流相对强弱的关键环流系统。当高纬度波列与南亚急流波列同步发展时,冷、暖空气均较强形成强烈对峙,强降水主要局限在西南地区;当高纬度波列活动超前于南亚急流波列,冷空气活动与南支槽的加深错开,强降水可持续并东移,影响较大范围。

      • 程鹏, 常祎, 刘琴, 王研峰, 李宝梓, 陈祺, 罗汉

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20231

        摘要:祁连山是青藏高原东北部重要的生态屏障和冰川与水源涵养生态功能区,是黄河流域重要水源产流地,但针对该地区的云和降水过程研究很少。本文利用祁连山地区11个Parsivel2雨滴谱仪的观测数据,研究了祁连山地区春季一次层状云降水过程的雨滴谱分布及地形影响特征。此次降水过程主要受短波槽影响,降水时空差异较大。雨滴谱观测数据表明,此次降水过程的雨滴等效直径(D_m)较小,雨滴谱数浓度(N_T)与D_m随海拔高度升高分别呈增加和减小的趋势,低海拔站点〖logN〗_w和D_m分布有着明显的层状云降水特征,而整个祁连山地区在同样D_m下有着更高的N_w。低海拔站点由于碰并和小雨滴的蒸发,因此有着更少的小雨滴(<1 mm)和更多的大雨滴,而高海拔站点由于距离云底较近或位于云内,云滴尺度小且浓度大,D_m随R增大变化趋势不明显。Γ分布拟合的各个站点的参数明显偏大,M-P分布的N_0明显高于其他地区,Γ分布对于小雨滴的拟合效果较好,Γ分布和M-P分布在大粒子端分别有着明显的低估和高估。受海拔高度与云底的相对位置和地形的影响,祁连山地区的雨滴谱分布拟合结果、μ-Λ关系、Z-R关系等都与其他地区或研究有着较大的区别。

      • 马淑萍, 冉令坤

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20206

        摘要:利用WRF模式对2018年11月30日伊犁河谷和天山北坡强降雪过程进行数值模拟,并分析复杂地形强降雪过程垂直速度和垂直动能变化机制。研究表明,冷锋过境造成地表气压升高,干空气气柱质量增大,从而导致垂直气压梯度力和干空气气柱浮力发生变化,进而引起垂直运动发生发展。垂直速度局地时间变化主要取决于扰动垂直气压梯度力、水物质拖曳力和扰动干空气浮力。在天山北坡,气流过山时,迎风坡的扰动垂直气压梯度力较大,扰动干空气浮力较小,二者合力促进上升运动;在背风坡,扰动垂直气压梯度力和扰动空气浮力形成向下的合力,产生下沉加速度,导致背风坡下沉大风。扰动垂直气压梯度力做功和扰动干空气浮力做功情况基本相反,背风坡扰动垂直气压梯度力和综合强迫做功项抑制垂直动能,扰动干空气浮力和水物质拖曳力做功项增强垂直动能。此外,扰动垂直气压梯度力和扰动干空气浮力做功项主要出现在中低层,水物质拖曳力做功项主要位于低层,平缓地形处的综合强迫做功明显小于地形复杂处。

      • 王瑞春, 龚建东, 王皓

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20176

        摘要:公里尺度资料同化系统的框架设计和资料选择均侧重于中小尺度分析,常存在大尺度分析能力不足的问题。本研究在GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)区域3km三维变分同化目标泛函中增加大尺度约束,将全球系统的大尺度信息引入到分析框架中去,研究其对公里尺度同化预报的影响。一个月的数值试验结果表明,引入大尺度约束可以显著改进大尺度形势场的分析和预报,提高降水预报评分,减少2m温度和10m风场的分析预报误差。进一步的,定量降水敏感性试验结果表明,大尺度湿度场和温度场约束对于改进降水评分十分重要。这其中,湿度场约束对于减少降水空报以及提高短时临近降水的TS评分重要,而温度场约束对于改进较长时效的TS降水评分重要。此外,在均引入大尺度约束的条件下,采用完全循环(一个月中间无冷启)方案运行的试验获得了与局部循环(每日冷启)相当的分析预报结果。这为GRAPES区域公里尺度系统采用完全循环方案,进一步简化流程,减少计算消耗奠定了很好的基础。

      • 刘春文, 郭学良, 段玮, 李辰, 尹丽云

        优先出版日期:2021-06-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20152

        摘要:摘 要 冰雹形成的微物理机理是人工防雹的重要科学依据,但对我国西南地区冰雹形成的微物理机理研究很少。利用中国科学院大气物理研究所三维冰雹分档云模式对云南2016年7月11日一次冰雹云过程进行了数值模拟研究,揭示了冰雹形成的微物理机制。此次冰雹云生成发展快,强度大,是西南山区典型夏季冰雹云。数值模拟的降水、降雹和回波强度等物理量与对应的观测量基本一致。模拟的冰雹云的最大上升气流速度达到28.5 ms-1。通过对冰雹形成的微物理过程分析表明,雹/霰胚的主要来源是通过过冷雨滴的概率冻结产生的冻滴,占97.8%,而冰晶碰冻雨滴产生的雹/霰胚仅占2.2%,这与国外和我国其他地区雹/霰胚产生的来源和冻滴所占比例有明显差别;形成的雹/霰胚直径多数集中在0.5mm至1.0mm范围,雹/霰胚主要通过对过冷云水的碰并过程实现增长,直径小于0.5mm的雹/霰胚较难增长,而直径大于1.0mm的雹/霰胚易于增长,大雨滴冻结成较大直径的雹胚,可促成短时间内形成冰雹;在雹云发展过程中存在短时的过冷水累积带,但过冷水累积带对雹/霰胚的增长贡献不大;对纬向风速的“零线”和冰雹增长的“穴道”区位置与变化分析提出,在雹云生长早期,应以雹云强中心顶部为防雹作业部位,随着雹云的增强发展,应以雹云强中心为防雹作业部位。

      • 陆婷婷, 崔晓鹏

        优先出版日期:2021-06-01  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21007

        摘要:本文针对2012年(“7.21”)和2016年(“7.20”)北京两次特大暴雨过程,利用多源观测和再分析数据,结合多种分析方法,从多个角度,较为系统地对比揭示了两次特大暴雨过程的差异,结果指出:两次过程降水总量相近,但降水历时和小时雨强不同,“7.21”历时更短、雨势更强;两次过程主导天气系统和演变、对流系统演变以及局地探空条件明显不同,“7.21”主降水时段对流有效位能显著,暖区对流性强降水主导,而“7.20”主降水时段对流有效位能小,以低涡系统性降水为主;两次过程小时雨强和短历时降水事件统计差异显著,“7.20”中等强度小时雨量站点数占比显著,而“7.21”短时强降水站点数占比明显,两次过程短历时降水事件累积雨量、持续时间、5分钟和1小时最大雨量差异明显,“7.21”短历时强降水事件占比达一半以上(小时雨量50 mm以上的短历时极强降水事件占比明显),最大5分钟和1小时降水量分别高达20.4 mm和103.6 mm,极端性显著,而“7.20”短历时中等强度降水事件占比最大,最大5分钟和1小时降水量仅为10.7和59.3 mm,“7.21”降水极端性更强、致灾性更大;两次过程水汽来源和源区定量贡献差异明显,来自中国中东部及沿海地区的水汽贡献在两次过程中均最大,但“7.21”过程上述水汽源区的贡献最突出,而“7.20”过程中,印度半岛-孟加拉湾-中南半岛、中国南海和西北太平洋及日本海等区域的贡献也较为明显。上述结论有助于深入理解和认识两次特大暴雨过程致灾程度不同的原因。

      • 杨昌军, 张秀再, 张晨, 冯絢, 刘瑞霞

        优先出版日期:2021-05-31  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20214

        摘要:目前,基于深度学习的高分辨率光学影像云检测过程中,云和云阴影及其边缘细节丢失较为严重,主要原因在于不同尺度空间语义信息特征融合存在不足。针对该问题,本文构建一种基于深度学习的多尺度特征融合网络(Multi-scale Feature Fusion Network, MFFN)的云和云阴影检测方法,该算法结合防止网络退化的残差神经网络模块(Res.block)、扩大网络感受野的多尺度卷积模块(MCM)和提取并融合不同尺度信息的多尺度特征模块(MFM)。实验表明,本算法能提取丰富的空间信息与语义信息,可取得较为精细的云与云阴影掩摸,具有较高检测精度,其中云检测准确率达0. 9796,云阴影检测准确率达0.8307。同时,该工作可为深度学习技术应用于业务云检测提供理论支持及技术储备。

      • 王慧, 张璐, 石兴东, 李栋梁

        优先出版日期:2021-05-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21026

        摘要:本文利用气候变化趋势转折判别模型(PLFIM),分析了1982-2018年青藏高原中东部70个气象站点地表感热趋势演变特征的季节差异,并利用方差分析方法定量评估了影响不同季节地表感热变化的关键气象要素。结果显示:(1)高原中东部四季平均地表感热通量均存在显著趋势转折特征,整体来看,秋、冬季转折时间稍早(1999年),春、夏季稍晚(2000年);分区来看,高原Ⅱ区(东部)的转折时间最早,其次是Ⅳ区(东南部)和Ⅰ区(北部),Ⅲ区(西南部)的转折时间最晚。在地表感热趋势转折之前,以夏季的感热减弱最突出,其次为春季和秋季,冬季最弱;在感热趋势转折之后,冬季的地表感热的增强最强,其他季节增强趋势相当。冬季和春季高原地表感热趋势转折的关键区分别在高原的东部和南部,夏、秋季的关键区主要为高原的Ⅱ区(东部)和Ⅲ区(西南部)。(2)在高原地表感热趋势转折之前,地面风速的减小对四季地表感热的减弱趋势均有重要贡献,但高原冬季地表感热的年际变化受地气温差的变化所主导;春、秋季受地气温差和地面风速变化的共同影响;夏季以地面风速的影响占优势。在地表感热趋势转折之后,秋、冬季地面风速的增大和地气温差的加大,共同导致了地表感热的趋势转折,但地表感热的年际变化由地气温差的变化所主导;春季地气温差的加大是地表感热趋势转折的主因,同时地气温差也在地表感热年际变化的影响中占优势;夏季地面风速的显著增大导致了地表感热趋势的转折,但地表感热的年际变化由地气温差和地面风速变化共同影响。

      • 杨萍, 许小峰, 王志强

        优先出版日期:2021-05-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20238

        摘要:在人类认知气候的漫长过程中,涉及学科之广、贡献人物之多、关键事件之复杂使后人试图完整准确地把握其脉络走向的努力极为困难,而梳理古今中外几千年以来气候学的发展进程非常重要,是气候学学科建设不可或缺的重要组成部分。本研究试图在前人大量研究成果基础上,以时间脉络为主线,通过回顾气候学发展历程中的重要事件和关键人物,勾画出人类认识气候的基本轮廓,并以此为基础探讨其对当代气候学发展的启示。

      • 潘贤, 王秋萍, 张瑜, 何佩仪, 马旭林

        优先出版日期:2021-05-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.21029

        摘要:集合预报初始扰动准确描述大气运动的不确定性是集合预报研究的核心问题,合理的扰动结构及振幅应能更好地反映大气运动状态的预报误差特征。随着集合扰动和资料同化的深入研究和理解,集合初始扰动方案与集合同化紧密结合协同发展。本文基于中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES-REPS集合预报系统,针对其初始扰动的结构和振幅与预报误差一致性较差的不合理问题,结合不同空间尺度天气系统预报误差特征,将表征预报不确定性的集合扰动与表达观测和预报不确定性的资料同化分析增量的关系有效结合,研究提出了一种改善集合初始扰动质量的分析约束方案,以实现对集合初始扰动质量进一步改善。分析约束方案充分考虑资料同化的分析增量的空间结构和量值特征,分别构造了单一定常和具有一定适应能力的两种分析约束函数,实现对初始扰动中不合理信息的识别和约束调整。试验结果表明,具有适应能力的分析约束方案对集合初始扰动具有良好的约束能力,约束后集合扰动的结构和振幅与中小尺度天气系统的预报误差更为吻合,其集合离散度和扰动能量的空间结构与演变特征更加趋于合理。分析约束方案可有效改善集合初始扰动质量及其预报性能。

      • 李恬燕, 俞永强

        优先出版日期:2021-05-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.21036

        摘要:本文评估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)研发的全球气候系统模式(FGOALS)的4个版本(FGOALS-g2, s2, g3, f3-L)对赤道太平洋地区的海温、降水气候态和季节循环的模拟能力。其中前2个版本g2,s2和后2个版本g3, f3-L分别完成了国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)和第六阶段(CMIP6)数值试验并公开发布结果。本文从海气耦合机制和热量收支的角度对耦合模式结果和相应的大气模式比较计划试验(AMIP)进行了对比分析,探讨了造成这一地区海温和降水模拟偏差的原因。结果显示,新一代的模式g3和f3-L模拟的热带太平洋区域气候平均态有明显改进,模拟的海表温度均方根误差为1度左右,而上一代模式g2和s2均方根误差则在2度以上,相较而言误差降低了50%左右。但是新一代版本模拟的降水没有显著改进。从东太平洋赤道南北温度和降水的不对称性来看,f3-L模拟结果最好,因为该版本中赤道太平洋地区的净短波辐射平均态误差的减小,海洋上层热量动力输送过程的改善和净短波辐射与海温回归关系改进,赤道太平洋地区海温的平均态更加接近观测。另外,赤道北侧ITCZ的降水偏大4mm/day,比之前的模式更加严重。对流降水带来的凝结潜热释放加强了南北非绝热加热梯度,越赤道南风加强,风场的误差抵消了一部分因为净短波辐射偏大带来的海温偏暖,这说明海温平均态的改善部分是模拟误差相互抵消的结果。在季节循环的模拟方面也存在类似的现象,f3-L和g3中的海温年循环有所改进但较观测相比振幅仍旧偏弱。年循环有所改进是因为,f3-L和g3模拟的经向风和潜热的年循环振幅比前版本更要偏强,也就是说误差加大,但是却更大程度上抵消短波辐射的年循环偏差,使得模拟的赤道东太平洋SST年循环相对前一版本有明显改进。而g2和s2模拟的海温在赤道东太平洋则存在一个虚假半年循环分量,这主要是由潜热通量半年循环偏差所引起的。

      • 卢睿, 朱志伟, 李天明, 潘晓, 江叶艳, 陆雅君

        优先出版日期:2021-05-17  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2105.20223

        摘要:本文基于1961~2016年淮河流域四省(江苏、安徽、河南、山东)逐日降水观测资料及全球大气再分析资料,利用K均值聚类、旋转经验正交函数分解对淮河流域夏季极端降水频次分布进行了客观分类,利用统计诊断和数值模拟的手段讨论了其相关环流异常和形成机理。结果表明:(1)淮河流域夏季极端降水频次的空间分布可客观分为以极端降水主要发生在淮河流域33°N以南地区的南部型,主要发生在31°-36°N之间的中部型,和主要发生在34°N以北的北部型这三种分布类型;(2)南部型极端降水频次分布与西北太平洋副热带高压异常偏西偏南有关,西北太平洋异常反气旋北侧的异常气旋性环流使得水汽输送停留在淮河流域南部,导致南部极端降水频次偏多。中部型对应淮河流域受鞍型场环流结构控制,导致中部极端降水频次偏多。北部型极端降水频次分布时,淮河流域处于反气旋性环流异常西南侧,偏南风将水汽输送至淮河流域北部,导致北部极端降水频次偏多;(3)南部型和北部型的极端降水频次分布相关环流异常分别受厄尔尼诺和拉尼娜相关海表温度异常所影响,而中部型极端降水频次分布的相关环流异常是巴伦支海/喀拉海海冰异常在欧亚大陆上空激发的自西北向东南传播的准定常罗斯贝波所导致的。

      • 刘黎平, 张扬, 丁晗

        优先出版日期:2021-05-14  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20200

        摘要:在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku(Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm)双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度数据(SZ)和最优估计技术的云内空气垂直运动速度(Vair)、雨滴谱分布(DSD)、含水量(LWC)、雨强(R)的反演方法(DWSZ),雨区衰减的订正方法,利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的Vair与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0-30dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:Vair和粒子平均直径(Dm)在2km 高度层到达最大,粒子数密度(Nw)、LWC和R在2km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。

      • 姜润, 巩远发, 袁源, 康潆文, 陈彦伟, 侯劭禹

        优先出版日期:2021-05-12  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20244

        摘要:利用1979~2019年NCEP/NCAR再分析资料和中国地面基本气象要素日值数据集(V3.0)的气温和降水资料,首先定义了客观表征冬季青藏高原南北两支绕流变化的指数,然后分析了其不同的变化特征,并采用相关分析、合成分析等方法初步研究了青藏高原南北两支绕流异常变化对中国气温和降水的影响机制。主要结果有:(1)青藏高原冬季北支绕流和南支绕流之间存在明显的不同变化特征。北支(南支)绕流异常强、南支(北支)绕流异常弱时,对流层中低纬度地区从高原西部到我国东部沿岸为一个大范围的异常反气旋式(气旋式)环流系统,高原中部的500hPa为一个异常反气旋(气旋)环流中心,并垂直延伸到300hPa高度(随高度向西北方向倾斜);南北两支绕流变化呈显著的负相关。(2)青藏高原冬季南北两支绕流的异常变化对我国冬季天气气候有显著影响。当青藏高原北支绕流强(弱)时,我国除东北地区气温偏低(高)、降水偏多(少)外,河套、青藏高原及长江以南地区气温偏高(低)、降水偏少(多);当南支绕流强(弱)时,全国气温普遍偏低(高),东北及新疆北部地区降水偏少(多),西南及南方大部分地区降水偏多(少)。(3)综合分析东亚对流层整层大气要素的垂直结构异常变化对我国天气气候异常的影响表明:当青藏高原北支绕流强、南支绕流弱时,35°N以北的整个对流层中都是异常西风,35°N以南850hPa以上都是异常东风,我国东部对流层大气是受青藏高原纬向异常绕流影响的“正压结构”;相应的对流层中850hPa以下底层从南到北为一致的异常西南风,850hPa以上为35°N北侧异常西北风与南侧异常东北风之间反气旋式切变、下沉运动异常,300hPa以下异常偏暖,这些不利于冷空气南下和反气旋切变加强的下沉运动增温作用,导致了我国东部大部分地区气温偏高、降水偏少。当青藏高原南支绕流强、北支绕流弱时,对流层中的纬向风异常则为明显的“斜压特征”,异常西风呈现为从对流层低层到高层、低纬度到高纬度的倾斜的带状特征,其下方自华南地区近地面到华北200hPa高度为“三角形”状的异常东风,配合相应的经向风异常、华南到华北的异常上升运动,低层为“三角形”状的异常冷气团向南切入到我国南海地区,中上层为异常偏暖的西南气流在冷气团上自南向北爬升到我国中高纬度地区,导致我国大范围的气温异常偏低、降水偏多。

      • 曹宇坤, 温天雪, 张小玲, 司瑞瑞, 武欣蕊, 李安娜, 刘光静, 马永翔, 刘子锐, 辛金元

        优先出版日期:2021-04-26  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20159

        摘要:华北大气污染区域化正在对农业生态区域产生显著影响,为了了解华北农业地区大气细颗粒物PM2.5的污染的季节时间分布特征,于2017年7月、9月、12月以及2018年4月在中国科学院禹城农业生态综合实验站进行分季节PM2.5样品采集,并测定分析了样品中31种化学成分。结果表明,碳质气溶胶总体的浓度水平为13.11±8.37μg/m3,有机碳(OC)冬春季节浓度较高,元素碳(EC)浓度在秋冬季节较高。同时OC/EC的比值在秋季明显偏低,表明在秋季二次碳质气溶胶对PM2.5贡献较小。水溶性离子总体浓度在冬季最高。NO3-/SO42-比值在夏季明显偏低为0.69,华北地区夏季固定点源对大气污染的贡献相对较高。PM2.5中金属元素以Na、Mg、Al、Ca、K、Fe等地壳元素为主,具有致癌风险的Co、Cr、Ni、Pb、As等金属元素年均浓度为(0.32±0.24)、(5.40±5.42)、(10.23±7.46)、(42.23±27.75)、(5.66±3.79)ng/m3。PMF受体模型计算结果表明,PM2.5的主要来源为二次污染源、生物质燃烧源、燃煤燃油源、柴油车尾气和土壤源,贡献率分别达37.1%、18.2%、14.2%、9.4%和7.9%,表明农业区细颗粒物污染受到华北工业、农业与自然排放的多重影响。

      • 张 浩, 石春娥, 杨军, 倪婷

        优先出版日期:2021-04-25  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20230

        摘要:雾对交通运输有不利影响,尤其是强浓雾。本文利用2019年1月上中旬在寿县国家气候观象台应用FM-100型雾滴谱仪测量的雾滴谱数据和常规气象观测数据,分析了不同强度雾的微物理特征,以及能见度与液水含量、雾滴数浓度、相对湿度之间的关系,在此基础上建立了能见度参数化方案。结果表明:(1)随着雾的强度增强,雾中含水量显著增大,大雾、浓雾和强浓雾阶段液水含量平均值分别为0.003、0.01和0.09 g·m-3;当含水量大于0.02g·m-3,出现强浓雾的比例高达95%。(2)雾滴数浓度、雾滴尺度随着雾强度增强而增大,从大雾到浓雾,雾滴数浓度显著增加(67%),而从浓雾到强浓雾,雾滴尺度显著增大,平均直径、平均有效半径分别增加62%、135%;当雾滴有效半径大于4.7μm,出现强浓雾的比例高达95%。(3)强浓雾、浓雾、大雾雾滴数浓度谱分布均为双峰结构,谱分布整体偏向小粒子一端,强浓雾谱型为Deirmendjian分布,浓雾、大雾均为Junge分布;强浓雾的雾水质量浓度谱呈现多峰特征,最大峰值出现在21.5μm处,浓雾雾水质量浓度谱为双峰分布,大雾为单峰型,最大峰值均出现在5μm处。(4)含水量、数浓度与能见度均呈反相关关系,含水量对能见度的影响最为显著;分别采用全样本和分段方式建立了四种能见度参数化方案,评估检验结果表明,基于含水量的能见度分段拟合方案对能见度的估算效果最好。

      • 张琪

        优先出版日期:2021-04-25  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.20143

        摘要:利用高频次FY-4A数据资料,研究了四川盆地2018年MCC初生和成熟阶段的卫星云图特征。结果表明,中尺度对流复合体MCC(mesoscale convective complex)对流云团面积在初生阶段和成熟阶段分别以0~50个象元/15min和150~200个象元/15min的速率增长,最强可达7000~10000个象元左右。亮温梯度大值区位于初生阶段的低空入流区一侧,集中在云顶纹理最为丰富的240K等值线附近,最大值为30~40℃,基本消失于成熟阶段。云顶红外IR1(infrared radiation 1 channel)和水汽IR3(water vapor channel)最低亮温值在初生和成熟阶段变化趋势一致,均为初生阶段迅速下降至190K左右的最低谷,而成熟阶段维持最低值基本无变化。初生和成熟阶段的IR1和IR3降温率CTC(cloud top cooling rate)分布形态相似,初始阶段低空入流区一侧的240K等值线附近的降温率达-40K/15min,为显著降温区,成熟阶段的降温幅度普遍升至-25~-10 K/15min。MCC主体云区初生和成熟阶段的BTD(brightness temperature difference)正负值区分界线基本与221K等值线重合,最大值分别为6~10K和0~6K,且初始阶段低层入流区的降温最为剧烈,达15~20K/15min之多,而成熟阶段基本无变化。

      • 孔祥慧, 王爱慧, 毕训强, 李星雨, 张贺

        优先出版日期:2021-04-25  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20171

        摘要:本文利用中国科学院大气物理研究所地球系统模式CAS-ESM和NCAR CESM中的气候系统模式开展了一系列不同物理参数化方案和水平分辨率的模拟试验,并针对分欧亚大陆逐日降水特征模拟性能进行分析研究。本研究进行了四组时长为19年(1998~2016年)的AMIP数值积分试验:在1.9°×2.5°的低分辨率下CESM使用CAM5物理参数化方案组合,在1.4°×1.4°的低水平分辨率下CAS-ESM使用CAM4与CAM5两种不同物理参数化方案组合(依次记为Lcam4和Lcam5)和在0.5°×0.5°的高水平分辨率下CAS-ESM使用CAM5的方案(记为Hcam5)。通过与GPCC和CMORPH观测资料比较,两个模式较好地再现了平均降水特征和极端降水的气候态,但模式的降水频率偏大、降水强度偏弱。CESM模拟的大雨日数与观测较为接近,Hcam5模拟的日最大降水量与观测最接近。针对CAS-ESM模式,不同物理参数化方案和水平分辨率均对降水特征产生影响,其中提高分辨率对降水特征的模拟有显著的改进。与Lcam4和Lcam5相比,Hcam5显著提高了极端降水的模拟性能。在欧亚大陆中高纬地区,Lcam4的降水频率高于Lcam5;而在中国东部,Hcam5的降水频率比Lcam5小,与GPCC偏差更小。进一步分析的结果表明,与Lcam5相比,在欧洲地区Lcam4中的大尺度降水较多,水汽输送更强。在中国东部,Hcam5中对流性降水频率比Lcam5更小,而大尺度降水和水汽输送更大,使得高分辨率的模拟试验性能提高。

      • 赵俊虎, 张涵, 熊开国, 左金清, 陈丽娟

        优先出版日期:2021-04-20  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2104.21011

        摘要:利用观测诊断和数值模拟相结合的方法,研究了2020年江淮流域6~7月超强梅雨年际异常的环流特征和驱动因子。结果表明:(1)2020年梅雨期长度和江淮流域总降水量均为1961年以来第一位,超强梅雨主要与西北太平洋异常反气旋(WNPAC)的异常偏强和异常西伸有关,WNPAC为江淮流域梅雨期持续的强降水提供了充沛的水汽来源;(2)2019年11月~2020年3月,赤道中东太平洋发生一次弱的中部型El Ni?o事件,本次事件持续时间短、强度偏弱,不足以激发和维持2020年梅雨期异常偏强的WNPAC,而春、夏季热带印度洋和热带北大西洋海温异常持续偏暖是WNPAC异常偏强和西伸的主要驱动因子;(3)热带印度洋暖海温在其东部的西太平洋激发出大气Kelvin波响应,造成了纬向风变化的不均匀分布,通过埃克曼抽吸,抑制了局地对流活动,驱动了WNPAC的生成;而热带北大西洋暖海温则引起局地对流活动增强,导致热带北大西洋上空上升运动和热带中部太平洋下沉运动增强,在西北太平洋上空激发异常的低空反气旋;热带印度洋和热带北大西洋暖海温对2020年6~7月WNPAC异常偏强均有显著的正贡献。

      • 徐川, 张昊, 陶丽

        优先出版日期:2021-04-20  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20228

        摘要:本文研究了1934-2018年期间太平洋年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation,IPO)、大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)以及全球变暖(Global Warming,GW)对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬(12-2月)、夏季(6-8月)北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO(42.33%)和AMO(23.21%),夏季则为AMO(32.66%)和IPO(21.60%)。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。

      • 孙宇, 韩琳, 李建平, 丁瑞强

        优先出版日期:2021-03-30  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20254

        摘要:东亚-西北太平洋地区的海平面气压(sea-level pressure,SLP)直接反映了低层大气的环流特征,其动力特征对于大气环流形势,气压系统的演变和天气、气候系统的发展等都有显著的影响。因此,深入分析东亚-西北太平洋地区海平面气压场的时空演变特征,对于提高我国的天气和气候预报具有重要意义。为了从非线性动力学的角度进行深入研究,文中使用了一种新方法来定量估算海平面气压吸引子的两个瞬时指标:瞬时维度和瞬时稳定度。瞬时维度表征了吸引子轨道在局部空间上的离散程度,瞬时稳定度则表征了轨道在局部时间上的稳定程度,它们共同反应了海平面气压吸引子的瞬时(逐日)动力特性。本文利用不同大小的指标值与海平面气压场的对应关系,筛选出了东亚-西北太平洋地区逐日海平面气压场的不同时空特征。主要结论为:(1)海平面气压吸引子的两个指标都是低值时,对应逐日环流场的空间特征表现为:气压结构单一,通常有几个强大的高低气压中心东西对峙;时间特征表现为:环流模态可以稳定的持续10天左右。(2)相反,当两个指标都是高值时,逐日环流场的空间特征表现为:多个弱的气压中心同时存在,空间结构混乱;时间特征为:环流场极不稳定,持续性仅在1天左右。(3)此外,发现东亚-西北太平洋海平面吸引子的两个指标具有一致的年代际变化趋势:从上世纪70-90年代呈现明显的下降趋势,90年代末快速上升,2000年后波动变化。

      • 王婧, 吕俊梅

        优先出版日期:2021-03-30  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20205

        摘要:本文利用美国航空航天局戈达德空间研究所地表气温,美国国家海洋和大气局-环境科学协作研究所二十世纪再分析资料,以及第六次国际耦合模式比较计划的多模式Historical试验结果,去除外强迫影响后,研究1910/1911~2019/2020年冬季(DJF)欧亚中高纬地区 “暖北极-冷欧亚”(WACE)模态的年代际变化特征及其物理原因。结果表明:WACE具有显著的年代际变化,在WACE正位相时期,乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于热量向极区输送使得极区出现异常暖平流,且水汽向极区输送导致极区水汽辐合,向下长波辐射增加,另外对流活动增强导致潜热释放,进而极区温度上升。与此同时,极涡及欧亚大陆西风减弱且乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于冷空气侵袭欧亚大陆造成异常冷平流,且欧亚地区水汽辐散,向下长波辐射减少,对流活动减弱进而潜热释放减少,导致欧亚大陆温度降低。最后利用CAM3.0大气环流模式模拟了北大西洋海温正异常对WACE的影响,模式结果与统计结果相符合,进一步说明了北大西洋海温正异常可以通过强迫低层与高层大气环流异常,导致极区水汽辐合,欧亚大陆水汽辐散,进而影响WACE的年代际变化。

      • 靳雨晨, 牛生杰, 吕晶晶, 王元, 谢勇, 林文

        优先出版日期:2021-03-30  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20166

        摘要:本文利用机载云粒子探测设备对2014年11月06日-12月25日期间在江西地区探测获得的七次暖云飞行个例资料,详细分析降水云和非降水云的微物理结构特征。云雨自动转化阈值函数(T)是描述云内碰并强度的重要微物理参量。我们发现T值在云内分布呈现云底较小,随着云内高度的增加T值逐渐增大,并且在云中部和上部达到最大值;研究还发现降水云的T值在0.6以上的频率远大于非降水云,表明降水云中的碰并过程更强,云滴更易通过凝结和碰并过程形成雨滴,符合暖云降水机制。降水云中云滴谱相对离散度(ε)和云滴数浓度(Nc)的负相关程度较非降水云更为显著,随着T的增大,二者的负相关程度增强;相比于云滴平均半径(ra)的变化,云滴谱标准差(σ)的变化主导ε- Nc负相关程度的增强。

      • 秦卓凡, 廖宏, 陈磊, 朱佳, 钱静

        优先出版日期:2021-03-03  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20240

        摘要:汾渭平原因其封闭的地形条件以及煤炭为主的能源结构,大气污染问题一直存在,并于2018年被列入大气污染防控的重点区域。文章利用2015年以来PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3质量浓度的观测数据和空气质量指数(Air Quality Index, AQI),分析了汾渭平原AQI及大气污染物质量浓度的时空分布特征;使用多元线性回归模型研究了气象条件对冬季PM2.5和夏季O3浓度日最大8h滑动平均值(MDA8_O3)日变化和年际变化的影响。研究发现,汾渭平原的空气质量在2015~2017年间逐年变差,在2018~2019年有所好转,污染较重的城市为西安、渭南、咸阳、临汾、运城、三门峡、洛阳,集中在汾河平原与渭河平原交界处。汾渭平原的首要大气污染物多为PM2.5、PM10或O3,三者占比之和约90%。重污染时期主要集中在天气条件不利及污染物排放量大的冬季供暖期,但夏季O3浓度的升高趋势使得汾渭平原夏季污染情况越来越严重。影响汾渭平原冬季PM2.5浓度和夏季MDA8_O3日变化最主要的气象要素都是2米气温(T2M),相对贡献分别是45.5%、35.3%,都表现为正相关;第二主要的气象要素都是2米相对湿度(RH2M),相对贡献分别是41.5%(正相关)、25.4%(负相关)。影响汾渭平原冬季PM2.5浓度年际变化最主要的2个气象要素及其相对贡献分别为T2M(43.6%)、RH2M(31.9%),且都呈正相关,2015~2019年汾渭平原冬季气象条件的变化会导致PM2.5浓度上升,部分削弱了人为减排导致的下降趋势(-8.3 μg m-3 yr -1)。影响汾渭平原夏季MDA8_O3年际变化最主要的2个气象要素及其相对贡献分别为T2M(71.7%,正相关)和850 hPa风速(WS850,16.3%,负相关)。2015~2019年汾渭平原夏季气象条件的变化导致O3污染呈上升趋势(1.2 μg m-3 yr -1),但O3污染的总上升趋势(8.7 μg m-3 yr -1)中,人为排放变化的贡献更大(7.5 μg m-3 yr -1)。本研究表明,汾渭平原大气污染形势严峻,其颗粒物污染问题尚未解决,还面临着新的臭氧污染的挑战,汾渭平原内的11个地级市分属陕西、山西、河南三省管辖,三省交界处又是重污染区域,所以需要三省联合防治防控,协同改善汾渭平原的空气质量。

      • 张佩文, 唐晓, 陈科艺, 陈多宏, 朱莉莉, 沈劲, 叶斯琪, 孔磊, 韩丽娜, 吴倩, 王自发

        优先出版日期:2021-03-03  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20201

        摘要:大气挥发性有机物(VOCs)是导致臭氧污染的关键前体物,是城市空气质量建模不可或缺的重要组成部分,但由于其非常复杂的构成和来源以及监测数据缺乏,目前对其模拟精度的了解仍非常有限。本文利用嵌套网格空气质量模式预报系统(NAQPMS)对珠三角地区2017年9月21日至11月20日的VOCs开展了模拟试验,并利用光化学监测网8个地面站点的VOCs浓度监测数据,对模式模拟的关键VOCs组分进行了精度评估。结果发现,模式对强活性的甲苯、乙烯和二甲苯具有较高的模拟精度,模拟浓度偏差百分比为0.4~26.6%,模拟能较好再现其日均浓度变化趋势和日变化的双峰特征。但是模式对化学反应活性强且与植物排放密切相关的异戊二烯具有很大的模拟偏差,偏差比近100%,无法再现其白天浓度高、夜间浓度低的观测日变化特征。通过分析发现,现有模拟系统主要考虑人为污染物排放而未考虑生物排放可能是导致这一模拟偏差的关键原因。同时,评估结果也表明模式在VOCs空间分布模拟上仍面临很大的不确定性。本文结果揭示了珠三角VOCs模拟面临的关键不确定性,表明融合VOCs观测数据来揭示并减小VOCs模拟的不确定性具有非常迫切的需求。

      • 王静, 刘娟娟, 王斌, 陈静, 刘永柱

        优先出版日期:2021-03-03  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20164

        摘要:湿奇异向量(Moist Singular Vectors,简称Moist SVs)是包含了湿物理切线性过程计算得到的奇异向量。研究Moist SVs对最优化时间间隔(optimization time interval: OTI)及模式水平分辨率的敏感性对提高集合预报效果至关重要。本文基于中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)业务版本研究了4组不同时空尺度(不同OTI和水平分辨率)下的Moist SVs,从能量模、能量谱、空间剖面等方面分析热带外Moist SVs特征,并从等压面变量评分、降水评分、降水概率预报等方面评估不同初值的集合预报效果。结果表明:提高Moist SVs水平分辨率可使其扰动具有较大的增长率,缩短OTI后Moist SVs能量向上传播的趋势更明显,并可以在中尺度范围产生较大SVs扰动。不同OTI下初始Moist SVs相似性较低,结构差异较大。从集合预报的结果来看,OTI为24h试验的集合扰动能量增长较大,集合离散度在预报的0-96h有显著提升,特别是2米温度,且近地面要素的outlier评分也有明显改进。进一步分析发现,提高水平分辨率和缩短OTI的Moist SVs能够提高降水概率预报,而降水评分显示,同一水平分辨率下,OTI越短评分越好,但是提高Moist SVs的水平分辨率并不一定会提升小雨到中雨量级的降水评分。

      • 聂俊, 刘鹏, 赵灿

        优先出版日期:2021-03-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20160

        摘要:本文利用再分析资料与台站降水资料,比较了不同副高指数的变化特征,分析了不同指数与中国东部夏季降水的关系及相应环流变化。结果表明,副高指数可分为三类:绝对强度指数、相对强度指数和南北指数。绝对强度指数有上升趋势,对应5870gpm等值线向西的扩张;相对强度指数有下降趋势,对应扰动位势0线的缩小;南北指数无明显趋势变化,表现为副高脊线基本围绕25°N振荡。不同副高指数对应的环流与降水异常表明,绝对强度指数虽然不能较好的描述副高局地的涡度变化,但其与东亚EAP型遥相关关系较好,在这种情况下,该指数与长江流域降水存在高相关,指数正异常时,华北偏干,长江中下游水汽辐合降水增加;反之降水型相反。相对强度指数能较好的描述副高局地的涡度变化,但其与EAP型遥相关关系较弱,因此相对强度指数与降水关系较弱,指数正异常时,降水中心仅出现在长江中游;反之,受异常偏北风影响,我国降水体现为北旱南涝。南北指数对副高局地的涡度变化以及EAP型遥相关都有较好表征,该指数与长江以南以及华北的降水有较好的相关性,指数正异常时,水汽大量向北运输,造成华北多雨而长江干旱;反之,相反的环流型使雨带移至华南。

      • 齐倩倩, 朱跃建, 陈静, 田华, 佟华

        优先出版日期:2021-03-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20157

        摘要:基于GRAPES(Global and Regional Assimilation Prediction System)全球预报系统(GRAPES-GFS)的2018年9月-2019年8月的分析场和 35天预报的历史回算数据,对该系统延伸期次季节预报进行误差诊断和预报能力分析。结果表明,该系统可描述2018冬季及2019年夏季2m温度和500hPa位势高度的空间分布特征,但在热力强迫作用显著的高原沙漠地区,尤其是非洲干旱区,GRAPES-GFS的2m温度分析场存在较大的系统偏差。GRAPES-GFS模式的2m温度在超前1- 3周预报的均方根误差近似线型增长,最终趋于稳定。海洋区域2m温度的预报技巧较陆地低,东亚及澳大利亚预报技巧较高。关于500hPa位势高度,在超前1-3周预报时,东亚中低纬度预报技巧明显高于中高纬度地区,热带地区的远低于其它地区,北半球的高于南半球。关于MJO,GRAPES-GFS可描述高层和低层纬向风场的传播和模态特征,可抓住较强对流活动信号的具体位置,但OLR在赤道地区正距平信号偏弱,负距平信号偏强。GRAPES-GFS模式对MJO的ACC有效预报技巧达到11天左右,与一般大气模式预报水平接近。对于选取的两次强MJO事件个例,在超前6天的预报上,GRAPES-GFS可准确地描述2次事件的传播过程,但MJO信号在发展和衰亡阶段强度偏强。

      • 程锐, 宇如聪, 徐幼平, 刘娟, 黄静

        优先出版日期:2021-03-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2102.20173

        摘要:针对我国陡峭地形数值预报难题,本文在国际先进WRF(Weather Research and Forecasting)模式动力框架中引入阶梯地形垂直坐标,以期为改进复杂地形区域数值天气预报提供模式发展可选方案。我们首先设计一种变换方法,可以实现两种垂直坐标下动力方程组的形式一致,从而简化方程组离散及程序实现的复杂过程。本文推导的Eta坐标,与原Sigma坐标下WRF模式相比,主要差别在于模式参考面与模式顶之间空气质量的表达形式。在Eta坐标下的WRF动力框架搭建完成后,采用2D山脉波理想试验对新动力框架进行了检验,结果表明:由于阶梯地形固有的孤立分布特征,可造成不同台阶处气流的分离,从而使得阶梯地形在较粗垂直分辨率情形下,不能很好模拟山脉波;但如果垂直分层足够精细,或模拟时间足够长,可通过减弱气流分离现象或调整气流分布状态,对地形波进行有效刻画。

      • 迟静, 周玉淑, 冉令坤, 周括, 沈新勇

        优先出版日期:2021-03-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20183

        摘要:利用ERA-Interim再分析资料、常规气象观测资料、CMORPH融合降水资料以及WRF高分辨率数值模拟结果,对2017年7月13日-14日吉林地区的极端降水天气过程的环流背景和触发机制进行了分析。结果表明:(1)东北冷涡环流控制下,副高北抬与中纬度锋区形成了有利的大尺度环流背景。降水发生在冷涡底部与副高之间的平直纬向环流中,东北冷涡南部的低槽、低空切变线、高低空急流是影响此次降水的重要天气系统;(2)在高层辐散低层辐合的有利动力条件下,极端的水汽输送与吉林地区西低东高地形的阻挡和强迫抬升是极端降水产生的重要原因;(3)中高层有干冷空气入侵,伴随高空动量下传至低空,加强了低空急流发展,低空急流发展至地面附近产生超低空急流后,加强了上升运动。南北经向动量输送交汇加强了低层风辐合切变,切变线上对流发展配合小地形抬升,导致永吉县产生极端降水。

      • 经皓童, 孙建奇, 于水, 华维

        优先出版日期:2021-03-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2012.20195

        摘要:本文利用1960~2017年中国西南地区115个台站观测降水资料和日本气象厅发布的55年再分析资料集,研究了中国西南地区5月降水变异的主导模态及其与阿拉伯海季风的关系。结果显示,中国西南地区5月降水的第一主导模态主要表现为全区一致的变异特征;该模态与同期5月阿拉伯海季风强度异常关系密切,但两者的关系在20世纪70年代后期发生了显著的年代际变化。在1960~1976年,阿拉伯海季风异常所引起的低层大气环流和水汽输送异常主要集中在阿拉伯海到孟加拉湾一带;此时,阿拉伯海季风异常所引起的大气环流不能到达中国西南地区,因此它对中国西南地区5月降水的影响偏弱。但在1981~2017年,阿拉伯海季风异常可以导致整个北印度洋到南海地区的大气环流异常,进而引起中国西南地区水汽和垂直运动的变化,最终对该地区5月降水产生显著的影响。进一步的研究显示,阿拉伯海季风与中国西南地区5月降水关系的变化可能与季风自身的年代际变率有关。阿拉伯海季风在20世纪70年代末之前变率偏弱,其引起的环流异常也偏弱;相反在20世纪70年代末之后,其变率增强,它引起的大气环流异常也偏强可以延伸到中国西南地区,进而影响到西南地区的5月降水。因此,季风变率的强弱可能在其影响中起着非常重要的作用。

      • 董美莹, 陈锋, 邱金晶, 冀春晓

        优先出版日期:2021-02-25  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20193

        摘要:为提升高分辨率区域数值天气预报模式性能,基于高质量的ECMWF全球预报模式产品和动力谱逼近方法优势,本文以2019年重创浙江的超强台风“利奇马”为例,探讨了ECMWF驱动场水平风场谱逼近技术对浙江台风精细化预报性能的影响。结果表明:(1)谱逼近对路径预报影响较明显,逐小时路径误差最大修正可达80 km。谱逼近的垂直层次选取对于谱逼近效果有一定影响,总体上800hPa高度以上谱逼近对台风路径和强度预报改进最佳。(2)谱逼近对浙江台风大风和强降水精细化预报均有大幅改进,对于8级以上大风ETS评分平均改进率为8.0%,最大改进率达20.8%;对最强日降水的暴雨、大暴雨以上降水TS评分改进幅度达11.8%、26.2%。(3)谱逼近对台风路径西偏和浙西南风雨高估的改进主要与对流层形势场及台风引导气流修正、近地层风力减弱、局地山脉地形降水增幅作用减弱有关。

      • 郝立生, 马宁, 何丽烨, 梁苏洁

        优先出版日期:2021-02-24  DOI:

        摘要:本文采用1981-2010年夏季5-10月逐日的10°S-50°N、40-160°E范围内向外长波辐射OLR资料和850 hPa层纬向风速u资料作经验正交分解(简称EOF),重新定义计算了北半球夏季大气低频振荡(boreal summer intraseasonal oscillation,简称BSISO)BSISO指数,并分析了其演变特征及其与对华北夏季降水的影响规律。结果如下:(1)在北半球夏季印度洋-西北太平洋地区存在两种明显的低频信号,一种是BSISO1,空间分布呈西北-东南倾斜状,从热带印度洋向东北方向传播,振荡周期约为45d左右;另一种是BSISO2,空间分布呈西南-东北倾斜状,从西北太平洋向西北方向传播,振荡周期约为15d左右。(2)BSISO主要是通过影响环流异常和水汽输送异常来影响华北夏季降水过程。在500hPa层,BSISO信号会造成华北地区东部副热带高压位置南北移动和强度发生变化来影响华北夏季降水过程的;在850 hPa层,BSISO信号会通过伴随的气旋性或反气旋性异常环流影响向华北的水汽输送以及辐合辐散来影响华北夏季降水过程的。(3)虽然MJO信号在全年都存在,但其变化在冬半年尤其冬季振幅最大,在夏季最小。而BSISO信号变化在夏半年尤其夏季振幅最大。因此,利用热带大气低频信号开展延伸期预测,冬半年可以重点考虑MJO的影响,夏半年重点考虑BSISO的影响。

      • 鲍媛媛

        优先出版日期:2021-02-24  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20174

        摘要:摘 要 对比强厄尔尼诺次年2016年和1998年长江中下游梅雨季风环流异同点,并探讨其物理机制,结果表明:(1)2016年梅雨期和1998年两段梅雨期季风环流有诸多相似特征: 副高(西北太平洋副热带高压)偏强偏西, 南亚高压偏强偏东,孟加拉湾到南海西南季风偏弱;此外,华北东部到江淮均有冷槽维持; 副高持续稳定地将西南季风引导至长江中下游形成强西南暖湿气流,并与来自冷槽的北方南下干冷空气辐合,在高层辐散形势配合下形成强降雨。(2)3段梅雨期,青藏高原附近均为高压脊控制,受暖平流及高原热源、梅雨凝结潜热等因素影响,青藏高原到江南、华南一带大气中高层呈大范围强温度正距平;印度尼西亚群岛附近洋面为海温正距平,对流和热源偏强;此两因素是季风环流相似特征形成的重要原因。(3)2016年梅雨期,青藏高原暖脊最强,东部冷槽最浅,海温正距平范围最大最北,因而南亚高压和副高位置最北,梅雨雨带也最北;梅雨结束后,中高纬地区无持续冷空气南下,菲律宾以东洋面、南海及东海海域海温正距平增强,对流活跃,因此,副高显著偏北,不再出现第2段梅雨。(4)1998年7月中旬至8月初,青藏高原上空高压脊较浅,北部呈位势高度负距平,冷空气势力较强,温度偏低,东部冷槽深,西北太平洋海温正距平区域维持不变,故南亚高压和副高异常偏南,从而出现第2段梅雨。

      • 王业桂, 张斌, 蔡其发, 兰伟仁, 郭贤鹏, 王广杰, 李娟

        优先出版日期:2021-02-05  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20187

        摘要:本文基于T799L91全球数值天气预报模式及其四维变分同化系统,构建了云海-2掩星探测资料的同化流程,并以2019年7月开展了一个月的云海-2掩星探测资料同化预报试验,对东亚区、北半球和南半球的同化预报结果评估表明:在全球数值天气预报模式中,同化云海-2掩星探测资料能够有效改善预报场的精度,随着预报时效的延长和预报日数的增加,改善幅度逐渐增大;在更长时效的72小时、120小时、168小时预报中,云海-2掩星探测资料与GPS掩星探测资料的同化效果在日数的中前期相当,在日数的中后期,同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料;随着预报日数的增加,联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星资料探测资料的优势逐步显现。

      • 祁莉, 泮琬楠

        优先出版日期:2021-02-04  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20181

        摘要:东亚冬季气温除了季节平均外,其显著的季内起伏也对国民生活及经济活动有着深远影响。本文利用1959-2018年台站及再分析资料,使用S-EOF(season-reliant Empirical Orthogonal Function)方法提取东亚冬季气温季内起伏的主要年际变化模态,其主要模态表现为前冬暖(冷)、后冬冷(暖),即为前、后冬反相,其方差贡献达到31.1%。这种前后冬反相的特征并非局地现象,在北半球大尺度均存在。环流场上它表现为欧亚遥相关型波列(Eurasian teleconnection, EU)从前冬12月的负位相(正位相)向后冬2月正位相(负位相)的转变,相伴随的是低层西伯利亚高压与阿留申低压的强度在前、后冬转折,高层副热带急流的变化也与之匹配。分析发现,欧亚遥相关型的季内转向可能与北大西洋涛动(North Atlantic oscillation, NAO)在前冬12月与后冬2月的转向有关,后者通过北大西洋热通量作用进而影响下游EU波列的转向。此外,宽窄厄尔尼诺—南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)事件也有一定贡献,当厄尔尼诺(El Ni?o)发生时,经向上更宽(窄)的海温异常利于前冬气温偏高(低)向后冬气温偏低(高)的转向;而当拉尼娜(La Ni?a)事件发生时,情况与厄尔尼诺年相反。

      • 王澄海, 张晟宁, 李课臣, 张飞民, 杨凯

        优先出版日期:2021-01-27  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2101.20216

        摘要:邻接青藏高原地区的中国西北地区是最大的欧亚干旱区,其降水变化对全球变化的响应和对干旱环境及其青藏高原气候变化都具有特殊的指示意义。基于1961-2018年中国西北地区144个站的逐日降水、逐月气温观测资料,本文分析了西北地区的降水变化特征及趋势。结果表明,近60年以来,西北地区92%的站点的年降水量呈现增加的趋势,只有甘肃东南部不到10%的站点呈下降趋势。季节尺度上,春、夏、秋季中超过75%站点的降水呈现增加的趋势;但最显著的是,几乎所有站点在冬季的降水为增加趋势,秋、冬季降水的增加相对较少,反映了冬季风对西北地区降水影响的特点。另一个特征是,进入21世纪以来,西北地区夏季和年降水量仍然维持准3a周期特征,春、秋季的周期具有阶段性、冬季降水量具有较稳定的近3a周期。因此,自然周期变化对降水增加的贡献并不大。本文的结果也显示,西北地区降水量在过去60年来确实呈现出增加趋势,尤其21世纪以来降水量持续增加,但增加的量是有限的,不足以改变其干旱半干旱的气候特征。

      • 武静雅, 毕永恒, 孙强, 吕达仁

        优先出版日期:2020-12-30  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20103

        摘要:本文设计了中国科学院大气物理研究所位于同一观测站内的一部单发双收Ka波段双偏振雷达和一部双发双收X波段双偏振雷达高效结合观测的方法,并首次将Ka和X波段双偏振雷达结合应用在降雪过程的观测中,对2019年2月14日锋面气旋系统在北京地区降雪过程中雪带的形成、发展、消亡过程的宏微观结构进行了分析。结果表明,雪带的垂直结构符合以往对层状云垂直分层的物理认识,类似但不同于雨带由凝结增长层、丛集层、淞附层、融化层组成的四层结构,雪带只包含由上层“播种”至下层的冰晶形成的凝结增长层、丛集层和淞附层三层。由于各层水平风速不同,雪带的三层结构并非垂直排列。多个雪带不断生成发展维持降雪,直至冰晶凝结生长层变空,云从冰晶凝结生长层分裂为多层云后各自消散。证明了Ka和X波段双偏振雷达结合的必要性和高效性,丰富了对锋面气旋系统雪带的认识,补充了Ka波段和X波段雷达对降雪的观测研究。

      • 吴天贻, 周玉淑, 王咏青

        优先出版日期:2020-12-23  DOI:

        摘要:本文使用CMORPH卫星反演降水资料和日本再分析资料JRA-55等,选取了登陆前后季风强度不同,路径形似且登陆后均在湘南地区引发强降水的0604号台风“碧利斯”和0708号台风“圣帕”,从对流发展的不稳定能量来源、抬升机制和环境风垂直切变方面进行对比。分析表明,在下垫面和地形基本一致的情况下,两台风导致强降水的主要成因却不同,主要体现在引发对流并使对流维持的主要影响因子不同。与强季风背景密切相关的低层强烈辐合抬升和对流不稳定层结是导致“碧利斯”暴雨形成的主要因素,而弱季风背景下“圣帕”的暴雨则主要是局地地形抬升和斜压不稳定导致的。而且与“圣帕”相比,“碧利斯”降水存在明显的非对称性,季风气流间接通过改变环境风垂直切变导致这种降水分布特征。

      • 祁璇, 平凡, 沈新勇

        优先出版日期:2020-12-23  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20128

        摘要:本文运用WRF3.9区域数值模式模拟了2017年7月13日吉林省永吉县暖区暴雨,较好地再现了此次暴雨过程的中尺度对流系统的单体触发、线状对流群触发、组织化发展以及弓状回波等典型阶段的细致过程;在此基础上,分析了造成暖区降水的中尺度对流系统的云微物理特征,探讨了其影响暖区降水的可能机制。结果表明:吉林永吉暖区降水发生在东北冷涡主导的有利的多尺度环境配置下,引发暖区降水的中尺度系统主要是冷云系统,暖区范围大,过冷水分布位置高,冰晶粒子与过冷水并存,并存区的“播种”效应使得其下方生成大量霰。雨水质量收支及热量收支分析表明:暖区降水系统的触发及组织化阶段,雨水的主要来源是云滴碰并增长,主要汇项是冰晶对雨水的收集;而弓状回波阶段,降水的主要源项除了云滴碰并增长之外,霰融化作用也起到关键的作用,降水主要汇项在低层为雨水蒸发,高层为霰对雨滴的收集;暖区降水的主要热源是水汽凝结潜热释放,主要冷却项是雨水和云水的蒸发。弓状回波阶段,其前部的入流与地面冷垫上方的后向入流汇合后将水汽带入高层;“播种”效应使距地面8km高度附近的霰粒子含量显著增多,该高度与水汽凝结释放大量潜热形成的高温区重合,故霰粒子大量融化为雨水,产生强降水过程。

      • 李言蹊, 陈海山

        优先出版日期:2020-12-23  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20168

        摘要:利用1979-2019年NCEP-DOE再分析资料,分析了亚洲中纬度冬季极端低温事件发生频次对巴伦支-喀拉海异常增暖的响应及可能机制。研究表明:巴伦支-喀拉海异常增暖通常对应西伯利亚高压异常增强及亚洲中纬度极端低温频发。进一步分析发现,伴随巴伦支-喀拉海异常增暖,新地岛、乌拉尔山附近出现位势高度正异常,在位势高度正异常的东侧、南侧对应显著的冷平流及下沉运动异常,并在近地面出现异常辐散气流,使得西伯利亚高压增强且向东南延伸。热力学方程诊断的结果表明:西伯利亚高压异常南侧东北风导致的异常冷平流、偏东风异常经过地形造成的异常上升运动以及辐射、感热、潜热交换造成的异常非绝热冷却导致亚洲中纬度近地面温度季节循环振幅增大,有利于极端低温频发。

      • 蒋子瑶, 徐海明, 马静

        优先出版日期:2020-12-23  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20180

        摘要:本文利用中国气象台站观测降水、英国Hadley中心海温和NCEP/NCAR再分析数据集等资料,研究了2016年秋季中国南方降水异常偏多的环流特征及其海温影响。结果表明,2016年秋季东亚副热带西风急流偏强,我国南方地区位于急流入口区的右侧,有利于产生上升运动;同时西太平洋副热带高压强度偏强、面积偏大、位置偏北偏西,对应副高西南侧的东南风将热带太平洋的暖湿气流向我国南方输送,有利于降水偏多。另外,2016年秋季登陆我国的台风异常偏多,频繁活动的台风给我国南方带来了大量降水,也是导致我国南方降水异常偏多的原因之一。进一步研究表明,2016年秋季南方降水异常偏多主要与同期赤道西太平洋和东南太平洋海温异常偏高有关,上述海区的海温异常通过激发向下游传播的遥相关波列或通过Gill响应对东亚环流产生影响,进而有利于中国南方降水增多。通过CAM5.3(Community Atmosphere Model Version 5.3)一系列的敏感性试验,验证了上述的结果。

      • 邢雯雯, 孙绩华

        优先出版日期:2020-12-17  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20112

        摘要:本文利用中尺度模式WRF模拟了2016年干季和湿季高黎贡山南段(腾冲-保山地区)山谷风环流,分析不同边界层参数化方案在高黎贡山复杂下垫面的适用性。研究结果表明YSU方案对温度模拟的效果最好;ACM2模拟的风速平均绝对误差最小;MYNN3方案模拟的风向绝对误差最小,YSU和MYJ方案模拟的风向日变化趋势与观测更加一致。高黎贡山南段地区上午9:00时出现谷风环流,夜间19:00时转为山风环流。白天多为偏南风,夜间为偏北风和偏西风。白天山顶气流辐合而山谷气流辐散,夜间相反。白天风速大于夜间。干季西风风力较弱,有利于低层局地环流的发展;而湿季受较强的偏东背景风影响时,局地环流的发展受到抑制,边界层高度也就低于干季。干季西风遇到高黎贡山,在西坡下沉并形成涡旋,西侧湍流混合充分,边界层高度高;湿季偏东风使高黎贡山西侧谷风减弱,腾冲与保山的边界层高度相差不大。

      • 吴志军, 陈洁, 陈景川, 顾文君, 唐明金, 丁德平, 银燕, 胡敏

        优先出版日期:2020-11-04  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.20121

        摘要:大气冰核参与初始冰晶的异质形成过程,影响冰云的微物理过程和辐射性质。阐明大气冰核浓度、来源、性质及活化成冰的微观机制,是深入认识气溶胶与云相互作用的关键。本文梳理了近年来国内外在冰核测量技术、冰核活化机制、外场观测及其参数化方案等几个方面取得的进展,明晰了冰核研究存在的挑战。此外,本文也指出了我国加强大气冰核研究的必要性和迫切性。

      • 杨洪卿, 范可, 田宝强, 华维

        优先出版日期:2020-09-11  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.20106

        摘要:作为东亚冬季风的关键系统,西伯利亚高压的变化对欧亚大陆冬季天气及气候异常产生重要影响。本文系统地评估了美国国家环境预测中心第二代气候预测系统(NCEP-CFSv2,National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System, version 2)对冬半年(11~2月)及逐月西伯利亚高压强度的预测效能。结果表明,NCEP-CFSv2模式仅对11月西伯利亚高压强度的预测效能较好,研究其成因发现11月西伯利亚高压强度主要受该地区热力、动力过程以及西伯利亚地区积雪状况的影响。在热力过程方面,NCEP-CFSv2模式可以较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区表层土壤温度、对外长波辐射等热力因素;在动力过程方面,模式能较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区对流层低层辐散环流、中高层下沉运动;同时,模式也能较好地再现11月西伯利亚高压强度与该地区积雪覆盖率之间的相互作用。因此,与11月西伯利亚高压相联的热力、动力过程和该地区积雪状况可能是11月西伯利亚高压强度的可预测来源,且NCEP-CFSv2模式能较好地再现这些可预测来源。

      • 卢萍, 李跃清

        优先出版日期:2020-09-11  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.20161

        摘要:本文通过对伴随副高东退而东移一次典型西南涡天气过程(“20150721”)进行数值模拟,采用数值敏感性对比试验探讨了增大副高强度对这次东移西南涡的影响,得到以下结论:1)副高强度增大以后,可长时间的稳定维持,能对西南涡中尺度天气系统整个发展演变过程造成持续影响。西南涡路径和强度的变化直接改变了降水的落区和强度。2)副高强度增大率先改变了环流场,使入侵的北风偏弱,西南引导气流偏强,最终导致西南涡发展偏弱移速偏快。3)环流场的改变直接影响到水汽输送、辐合辐散,从而进一步影响西南涡的发展演变过程。4)副高强度增大以后,西南涡移速过快,导致了低涡中心与低层热力中心偏离,使得动力和热力中心不完全匹配,由此削弱西南涡发展强度。

      • 梁涵洲, 吴其冈, 任雪娟, 姚永红, 刘师佐

        优先出版日期:2020-09-02  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.20141

        摘要:厄尔尼诺(El Ni?o)事件对东亚和南亚次年夏季降水影响及其机理已经得到充分研究,但其对夏季青藏高原降水是否有显著影响还不清楚。本研究根据1950年后El Ni?o事件次年衰减期演变速度,对比分析衰减早型与晚型El Ni?o事件对南亚季风区与青藏高原夏季 (6-9月) 季节平均和月平均气候影响差异。结果显示在衰减早型次年夏季热带太平洋海温转为拉尼娜 (La Ni?a) 型且持续发展,引起Walker环流上升支西移,印度洋和南亚季风区上升运动加强,同时激发异常西北太平洋反气旋(NWPAC),阿拉伯海异常气旋和伊朗高原异常反气旋性环流响应,增加7-9月对流层偏南气流和印度洋水汽输送,导致南亚和高原西南侧降水偏多。衰减晚型次年6-8月热带太平洋El Ni?o型海温仍维持,印度洋暖异常海温显著,对应的印度洋和南亚季风区上升运动较弱,NWPAC 西伸控制南亚季风区, 阿拉伯海和中西亚分别呈现异常反气旋和气旋性环流,导致青藏高原西风加强,水汽输送减少,南亚北部和高原降水一致偏少。结果表明:(1) El Ni?o显著影响次年青藏高原西南部夏季季节和月平均降水与温度,是印度和高原西南部夏季降水显著相关的重要原因; (2) El Ni?o衰减快慢速度对南亚和青藏高原西南部夏季季节内降水的影响有着重要差异。

      • 赵家臻, 王爱慧, 王会军

        优先出版日期:2020-08-14  DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.20149

        摘要:本文首先利用中国气象局国家气象信息中心提供的中国732个站点观测的土壤体积含水量,评估了CLM4.5 (Community Land Model version 4.5) 在CFSR近地面大气数据驱动下模拟的逐月土壤湿度(记为CLM4.5-CFSR),然后基于CLM4.5-CFSR比较了Pearson相关法和自相关法计算得到的1980-2009年中国地区土壤湿度记忆性的区域及季节分布特征,量化了土壤湿度的记忆能力,研究了降水频率、降水强度和近地表气温分别对土壤湿度记忆性的影响。结果表明:CLM4.5-CFSR能较好地反映出大部分地区月时间尺度上土壤湿度的变化特征。两种方法描述的土壤湿度记忆性的空间分布特征相似,但季节特征不同。不同深度土壤湿度的记忆时长相差不大,在0.85-2.2个月不等,其中内蒙古东北部较大,新疆西南部较小。春季,较湿的土壤记忆性也较强。当降水频率较低时,其对蒸发速率较大的地区土壤湿度的记忆性影响很小,当降水强度较大时,它会迅速补充土壤散失的水分,破坏初始时刻土壤的干湿状态,引起其记忆性减弱。近地表气温变化主要通过影响土壤的蒸发过程减弱土壤湿度的记忆性。未来可利用气候模式开展数值敏感性试验对本文得到的结论进行机理研究,为进一步提高季节和季节内尺度的降水预报提供依据。

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      • 符淙斌, 王强

        1992,16(4):482-493, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1992.04.11

        摘要:气候突变现象及其理论的研究是近代气候学一个新兴的研究领域.本文是气候突变研究评述的第一部分,着重讨论了突变,主要是气候突变的定义和气候突变信号的各种检测方法.把气候突变归纳为四类,即均值突变、变率突变、转折突变和翘翘板(seasaw)突变.并通过Mann-Kendall法的检测,发现在本世纪20年代经历了一次全球范围的气候突变.

      • 黄荣辉, 刘永, 王林, 王磊

        2012,36(3):443-457, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11101

        摘要:我国西南地区从2009年秋季到2010年春季发生了严重干旱, 这次干旱无论持续时间和发生区域或降水减少程度都是近50年来所罕见的, 因而本文利用NCEP/NCAR再分析资料和海温资料从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响来分析了这次西南地区干旱发生的成因。分析结果表明: 从2009年秋到2010年春季, 热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态, 它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流, 造成了西南气流异常在我国东南沿海加强, 而华南和华中地区上空处于低槽控制, 因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制, 造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原, 从而引起了此区域降水长期偏少。并且, 分析结果还表明了中高纬度地区的环流异常对此次严重干旱也有重要影响。由于从2009年冬季到2010年春季中高纬度准定常行星波传播的极地波导偏强, 而低纬波导偏弱, 这导致波的E-P通量在60°N附近对流层和平流层为辐合, 而在35°N附近对流层中、上层为辐散, 从而引起纬向平均西风在60°N附近对流层和平流层减弱, 而在35°N附近对流层中、上层加强, 造成了北极涛动 (AO) 为很大的负值。由于AO为负值, 东亚冬季冷空气活动强且路径偏东, 使得到达西南地区冷空气偏弱, 从而引起西南地区持续性严重干旱的发生。

      • 韩振宇, 周天军

        2012,36(2):361-373, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.11043

        摘要:日本APHRODITE (Asian Precipitation-Highly Resolved Observational Data Integration Towards Evaluation of Water Resources) 研究计划建立了一套高分辨率的逐日亚洲陆地降水数据集 (简称APHRO), 时间从1951年到2007年, 空间分辨率为0.25°×0.25°。本文从气候态、 不同等级降水量分布以及长期变化等方面分析, 通过与中国559个台站观测资料对比, 考察了该降水资料在中国地区的适用性。结果表明: (1) 气候态分布方面, APHRO降水量与台站资料一致, 并且可以准确表征雨带的季节性移动; 但是, 与台站资料相比, 这套资料的降水强度偏小, 而降水频率偏大。 (2) 考察不同等级降水量的分布发现, APHRO资料的暴雨年降水量相对偏少, 而小雨和中雨的年降水量偏多。 (3)APHRO资料揭示的近50年降水量的变化趋势与台站资料大致相同, 并能反映年平均降水频率 “西增东减” 的趋势; 两套资料近50年的年平均降水强度在东南沿海和西北部等区域都呈增加趋势, 但APHRO在华北、 东北和江淮区域的降水强度变化趋势与台站资料差异显著。此外, 在年代际变化方面, APHRO资料对中国东部降水夏季 “南涝北旱” 和 “江南春旱” 强度的描述与台站资料有所不同, 降水量的变化趋势偏弱。

      • 张美根, 胡非, 邹捍,

        2008,32(4):923-934, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.04.18

        摘要:总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质/能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。

      • 黄荣辉, 陈际龙, 刘永

        2011,35(4):589-606, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.04.01

        摘要:本文利用1958~2000年ERA-40再分析每日资料和我国516台站降水资料以及EOF方法, 分析了我国东部季风区夏季降水异常主模态的年代际变化特征及其与东亚上空水汽输送通量时空变化的关系。分析结果表明了我国东部季风区夏季降水的时空变化存在两种主模态: 第1主模态不仅显示出明显的准两年周期振荡的年际变化特征且也有明显的年代际变化, 在空间上具有经向三极子型分布; 第2主模态显示出明显的年代际变化特征, 且在空间上具有经向偶极子型分布。这表明了这两主模态有明显的年代际变化, 在1958~1977年期间我国东部夏季降水异常分布为从南到北 “+-+” 经向三极子型分布, 而在1978~1992年期间降水异常出现了与1958~1977年相反的分布, 为从南到北 “-+-” 经向三极子型分布。然而, 在1993~1998年期间, 由于第2主模态的作用增大, 我国东部夏季降水异常为从南到北经向三极子型与 “+-” 偶极子型模态的结合, 这使华南夏季降水明显增加。并且, 分析结果还表明: 这两主模态的年代际变化与东亚上空夏季水汽输送通量的时空变化密切相关, 它不仅与东亚和西北太平洋上空似如东亚/太平洋型 (EAP型) 遥相关波列分布的夏季水汽输送通量异常年代际变化有关, 而且与欧亚上空中高纬度西风带似如欧亚型 (EU型) 遥相关波列的夏季水汽输送通量异常年代际变化密切相关。

      • 胡非, 洪钟祥, 雷孝恩

        2003,27(4):712-728, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2003.04.18

        摘要:大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.

      • 江志红, 陈威霖, 宋洁,

        2009,33(1):109-120, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.01.10

        摘要:利用中国区域550个站点1961~2000年日降水量资料, 考察参与政府间气候变化委员会(IPCC)第四次评估报告的7个新一代全球模式及多模式集合对现代气候情景下(20C3M)5个极端降水指数的模拟能力, 同时进行中国区域未来不同排放情形下极端降水事件变化的预估, 结果表明: 最新全球模式能较好地模拟出极端降水指数气候场的空间分布及其中国区域的线性趋势, 且模式集合模拟能力优于大部分单个模式, 但在青藏高原东侧、 高原南部存在虚假的极端降水高值区, 模拟的东部季风区的极端降水强度系统性偏低, 区域平均序列年际变率的模拟能力也较低。中国地区21世纪与降水有关的事件都有趋于极端化的趋势, 极端降水强度可能增强, 干旱也将加重, 且变化幅度与排放强度成正比。

      • 曾庆存, 周广庆, 浦一芬,

        2008,32(4):653-690, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.04.01

        摘要:将地球上大气、海洋、地理环境和生态各圈看成一个有机的整体进行研究,并统一协调全球气候、生态与环境变化的有关研究(如WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS及IPCC、Global Change等),现称为地球系统动力学。它是新兴的学科,其核心之一就是要建立地球系统动力学理论模式并作模拟研究。本文主要概述了我国地球系统动力学模式研制和发展的有关现状及近年来特别是中国科学院“三期创新”资源和海洋科技创新基地重要方向项目群“地球系统动力学模式研究”启动前后所取得的阶段性成果及主要进展,指出了我国地球系统动力学模式发展应重点研究和解决的科学问题及其主要特色,其中有不少结果是新颖的和具有我国特点的。

      • 罗云峰, 吕达仁, 周秀骥, 李维亮

        2002,26(6):721-730, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2002.06.01

        摘要:利用北京等46个甲种日射站1961~1990年逐日太阳直接辐射日总量和日照时数等资料,反演了30年来各站逐年、逐月0.75μm大气气溶胶光学厚度(Aerosol OpticalDepth,简称AOD)平均值,分析了我国大气气溶胶光学厚度的年、季空间分布特征和年代际之间的变化.结果表明:我国大气气溶胶光学厚度的多年平均分布具有典型的地理特征,除个别大城市外,100°E以东,AOD以四川盆地为大值中心向四周减少;100°E以西,南疆盆地为另一个相对大值中心.气溶胶光学厚度的各季分布具有各自的特征.20世纪60年代,我国大气气溶胶光学厚度的平均分布特征是以四川盆地和南疆盆地为两个大值中心向四周减少;70年代,绝大多数地区AOD值增加,其中从四川盆地到长江中下游地区以及华南沿海等地,AOD增加较为明显,AOD的分布和60年代较相似;到80年代,我国大范围地区AOD继续呈增加趋势,其中长江中下游地区,AOD增加相当明显,气溶胶光学厚度的分布发生了一定的变化.

      • 杨修群, 朱益民, 谢倩, 任雪娟, 徐桂玉

        2004,28(6):979-992, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.06.15

        摘要:作者以太平洋年代际振荡(PDO)现象为重点,系统地回顾了太平洋年代际变率观测、模拟和理论研究的国内外进展.在PDO时空结构方面,总结了PDO的基本观测事实,在PDO成因方面,从海洋大气相互作用观点出发比较了三类PDO形成机制的理论或假说,讨论了现有理论或假说中存在的若干问题,并提出了未来研究的方向和需要解决的关键科学问题.作者也简要介绍了东亚及中国气候年代际变化的特征及其和太平洋海表温度异常的联系,并讨论了东亚大气环流异常在PDO形成中的可能作用.

      • 黄荣辉, 张振洲, 黄刚, 任保华

        1998,22(4):460-469, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.08

        摘要:利用ECMWF所分析的1980~1989年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征,并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送,东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小,偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此,水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成,而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流,它利于水汽输送的辐散,水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。

      • 王林, 陈文, 冯瑞权,

        2011,35(3):393-402, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.03.01

        摘要:本文利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站的观测资料, 首先定义了季节平均的北太平洋涛动 (NPO) 指数, 在此基础上分析了不同季节中NPO的时空变化特征, 特别对冬季和春季NPO与我国气温、降水异常的关系作了研究。结果表明, 作为北太平洋地区海平面气压 (SLP) 年际变化的第二模态, NPO具有相当正压的结构, 在地面表现为阿留申群岛附近和夏威夷群岛西北部附近SLP场的反相变化, 在对流层中层的结构与西太平洋型遥相关类似。随着季节的变化, NPO的两地面中心有一定的移动, 其中南部中心在东西方向的移动较明显, 而北部中心在南北方向的移动较明显。在年际变化的时间尺度上, 当NPO处于正 (负) 位相时, 东亚副热带急流轴向北 (南) 偏移, 并伴有急流出口区向下游东北 (东南) 方向的伸展。分析NPO与我国冬、春气候的关系表明, 当冬季NPO处于正 (负) 位相时, 东亚沿岸的北风有较显著的减弱 (加强), 异常的偏南 (北) 气流会带来暖湿 (干冷) 的空气, 从而导致我国东部的大部分地区显著升温 (降温), 同时江淮、长江以南地区以及西北部分地区的降水也有显著增加(减少)。而在春季, 当NPO处于正 (负) 位相时, 受到华南地区异常西南 (东北) 气流以及东亚急流入口区异常次级环流引起的上升 (下沉) 运动的共同作用, 华北地区降水会显著增加 (减少), 而气温则略有下降 (升高)。进一步分析表明, 前期冬季的NPO与我国春季的气候异常间存在紧密的联系, 若冬季NPO处于正 (负) 位相, 则在随后的春季, 我国西南部地区和北方大范围地区的气温会显著偏高(低), 而西北地区的降水会显著增加(减少), 因此, 冬季NPO对我国春季气候异常有一定的预测意义。

      • 王鹏飞, 黄荣辉, 李建平

        2011,35(3):403-410, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.03.02

        摘要:本文讨论数值积分过程中截断误差和舍入误差的分离方法和理论, 解析地给出某些数值计算方法的理论截断误差, 并以此来分离计算结果中的误差。然后引入参考解的办法, 用来分离更为一般的微分方程求解过程中的截断误差和舍入误差。以参考解算法为基础, 对一个偏微分方程的数值解进行计算, 所得结果与采用理论截断误差得到的结果进行了对比, 发现:(1) 当使用迎风差和中央差格式时, 理论截断误差和近似截断误差在数值上高度一致, 说明了参考解方法的正确性; (2) 对于一阶的波动方程, 迎风差和中央差格式的理论截断误差在形式上也具有波动的周期特征, 振幅的大小与计算参数有关; (3) 理论截断误差可以适用于任意t时刻, 而近似截断误差的适用时间范围为一个有限的时间段, 不过它可以很容易的获取一般微分方程的截断误差, 而不需要复杂的理论推导。

      • 黄荣辉, 顾雷, 陈际龙,

        2008,32(4):691-719, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.04.02

        摘要:本文回顾了关于东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展。许多研究说明,东亚季风系统无论风场的垂直结构、年循环或是水汽输送和降水特征都明显不同于南亚和北澳季风系统,它是亚澳季风系统中一个相对独立的季风系统。并且,研究结果表明了东亚季风系统有明显的时空变化:其中夏季风系统在年际时间尺度上存在着一个准两年周期振荡和具有极向三极子异常的空间分布特征,并从20世纪70年代中后期起至今发生了明显变弱的年代际变化,这个变化在华北尤其显著;而东亚冬季风在年际时间尺度上存在一个准四年周期振荡,从20世纪80年代中后期起也发生了明显变弱的年代际变化,它引起了我国的持续暖冬。进一步的研究还揭示了东亚季风系统的变异是与海–陆–气耦合系统变异及其相互作用密切相关,因而,东亚季风系统可以看成是一个大气–海洋–陆地的耦合气候系统,即称之为东亚季风气候系统。此外,本文还从上述东亚季风气候系统的年际和年代际变异提出了长江流域严重洪涝灾害发生的气候学概念模型和华北持续干旱的气候背景。

      • 金祖辉, 陶诗言

        1999,23(6):663-672, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1999.06.03

        摘要:用中国160个站月平均降水量和赤道东太平洋Ni?o 3区海温资料研究了ENSO循环过程的不同位相与中国降水的关系。结果显示ENSO循环对中国冬、夏季降水丰或欠及时空分布有密切关系,ENSO发展年的夏季我国东部地区以雨量偏少为主,一些地区可偏少3~5成,多雨带位于江淮之间;ENSO恢复年的夏季长江及江南地区雨量偏多,其南北两边偏少;反ENSO年的夏季长江—黄河之间及东南部雨量偏少,其北边和西南正常偏多;在ENSO的准常态年夏季,长江以北为正偏差,江南除少部分地区外降水分布接近正常。还发现ENSO暖位相与中国冬季降水也有很好关系。由于本文用准常态年降水平均值代替通常的气候平均值,因而有利于更好地揭示ENSO与中国气候变化的关系。

      • 包庆, Bin WANG, 刘屹岷,

        2008,32(5):997-1005, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.05.01

        摘要:20世纪50年代以来,随着全球海表面温度年代际变化和全球变暖现象的出现,东亚夏季风降水和环流场也出现相应的年代际变化。是什么原因引起这个长期的变化趋势?研究表明青藏高原增暖可能是导致东亚夏季风年代际变化的重要因子之一。为了能够更好地理解青藏高原地表状况对下游东亚季风的影响,作者使用德国马普气象研究所大气环流模式(ECHAM)进行一系列数值试验。在两组敏感性试验中,通过改变高原上的地表反照率从而达到改变地表温度的目的。数值试验结果表明:青藏高原增暖有助于增强对流层上层的南亚高压、高原北侧西风急流和高原南侧东风急流以及印度低空西南季风;与此同时,东亚地区低层西南气流水汽输送增强。高原增暖后降水场的变化表现为:印度西北部季风降水增加,长江中下游以及朝鲜半岛梅雨降水增多;在太平洋副热带高压控制下的西北太平洋地区和孟加拉湾东北部,季风降水减少。对数值模拟结果的初步诊断分析表明:在感热加热和对流引起的潜热加热相互作用下,南亚高压强度加强,东亚夏季低层西南季风增大、梅雨锋降水增强,高原东部对流层上层的副热带气旋性环流增加,以及对流层低层的西太平洋副热带高压增强。另外,在青藏高原增暖的背景下,孟加拉湾地区季风降水减弱。本项研究有助于更好地理解东亚夏季风年代际变化特征和未来气候变化趋势。

      • 张洁, 周天军, 宇如聪,

        2009,33(1):121-134, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.01.11

        摘要:利用经验正交函数分解方法, 揭示了中国春季典型降水异常型的分布特征, 讨论了对应的水汽输送场和大尺度环流形势。结果表明, 降水异常的前三个模态对应的异常水汽输送源地都与气候平均源地存在差异。第一模态中, 降水大值区位于华南沿海, 伴随西太平洋副高的加强以及东亚西风急流的西南向移动, 水汽主要来源于菲律宾和中国南海地区; 第二模态中, 降水大值区位于长江中下游地区, 西太平洋副高及东亚西风急流均较气候平均位置偏北, 水汽主要来源于赤道西太平洋, 同时赤道印度洋的西风水汽输送也为降水提供了部分水汽; 第三模态中, 降水中心位于黄淮流域, 500 hPa高压异常中心北移至日本海附近, 同时东亚西风急流大大减弱, 水汽源地位于中纬度西北太平洋。在气候平均态下, 来自青藏高原南缘的西风水汽输送是中国春季降水的重要水汽源地之一, 但与此输送带对应的异常输送, 在与前三个降水异常典型模态所对应的水汽输送异常场中均没有体现。

      • 宗海锋, 陈烈庭, 张庆云

        2010,34(1):184-192, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2010.01.17

        摘要:根据1951~2007年中国160站月降水量资料和Niño 3区月平均海表温度资料, 采用滑动相关分析和合成分析等方法, 探讨了中国夏季降水与前期冬季Niño 3区海温年际变化关系的不稳定性问题。结果表明, 它们之间年际变化关系的长期变化具有明显的地域性, 东北和西北地区相关的不稳定性比东部地区大, 与预测经验吻合。同时也有明显的阶段性, 1951~2007年据滑动相关系数序列可分成1962~1977年、 1978~1992年和1993~至今三个时期。各个时期平均约为16年。它们从一个阶段向另一个阶段过渡的时间很短, 是以气候跃变的形式来完成的。近50多年来在1960年代初、 1970年代末和1980年代末1990年代初共发生了3次明显的跃变过程。跃变前后某些地区滑动相关系数的符号或强度都有显著的差异。研究还表明, 不同时期, 尽管同样是El Niño事件, 它们对中国夏季降水的影响有不同的表现。1962~1977年时间的相关模型有两条多雨带: 一条位于华北、 东北平原和内蒙古东部一线, 另一条在长江中游地区。秦岭[CD*2]大巴山区和江淮流域降水偏少。1978~1992年时期只有一条多雨带, 位于秦岭-大巴山区、 长江中游和下游一线。黄淮地区及华北至东北南部降水偏少。目前我们所处的时期 (1993~至今) 雨带分布与1962~1977年时期的模型基本相似, 也为南、 北两条多雨带, 但其北支雨带南移, 位于从川渝地区经黄淮地区、 黄河下游至东北平原一带, 湖北北部和长江下游降水偏少。呈现北方降水偏多、 南方降水相对偏少的分布。所以, 利用ENSO事件做我国汛期降水预报, 不能只考虑其平均情况的年际变化关系, 还应注意它们之间关系的不稳定性问题。

      • 于雷, 郜永祺, 王会军,

        2009,33(1):179-197, DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2009.01.16

        摘要:利用卑尔根海洋-大气-海冰耦合气候模式(Bergen Climate Model, 简称BCM), 研究在北冰洋及北欧海淡水强迫增强的背景下, 大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation, 简称AMOC)的响应及其机制, 着重讨论了海表热力性质、北大西洋深层水 (North Atlantic Deep Water, 简称NADW) 的生成率、 海洋内部等密度层间的垂直混合 (Diapycnal Mixing, 简称DM) 以及大气风场等物理过程随AMOC的响应所发生的时间演变特征。结果显示, 在持续150年增强 (强度为0.4 Sv) 的淡水强迫下 (淡水试验, FW1), AMOC的强度表现为前50年的快速减弱和在接下来100年中的逐渐恢复。同时, 在淡水试验的前50年北大西洋高纬度海表盐度 (Sea Surface Salinity, 简称SSS) 减小, 海水密度降低, 冬季对流混合减弱, 导致NADW生成率快速减弱; 在接下来的100年中, 尽管增强的淡水强迫依然维持, 由于海洋内部自身的调节和海气相互作用, 导致了AMOC的逐渐恢复。恢复机制可以概括为: (1) 随着向南的NADW的减少, 大西洋中低纬度海水垂直层结逐渐减弱, DM随之逐渐增强, 有利于中低纬度海盆内深层水的上升; (2) 南半球西风应力增强与东风应力的减弱及北半球东风的增强使得大西洋向北的埃克曼体积通量净传输恢复; (3) 大西洋向北的盐度传输逐渐恢复及次极地回旋区降水的减弱, 导致SSS和NADW生成率的恢复, 与之对应, AMOC逐渐恢复。研究还发现, 淡水试验中, NADW的恢复主要以厄尔明格海 (Irminger Sea) 为主, 冬季北大西洋海平面气压场 (SLP) 呈现类似正北大西洋涛动 (NAO+) 的模态, 热带降水中心移到赤道以南, 大西洋热带SSS增强。