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地闪三维随机模型的改进及多上行先导的数值模拟研究
林雨荷, 谭涌波, 余骏皓, 樊佳乐
摘要:
【目的】为了探讨地闪连接过程中多上行先导的起始与发展,【资料和方法】考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,本研究在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上,植入背景电场模块并改进上、下行先导模块。基于新模型开展大量敏感性试验,【结果】结果如下:(1)新模型模拟的下行先导形态多样、分支数大幅减少,能更好地再现多样的地闪连接过程。(2)在孤立建筑物情况下,上行先导长度、闪击距离以及触发多上行先导的次数与建筑物高度正相关。(3)随着建筑物增高,同一次地闪中首个始发的上行先导与后续始发的上行先导间的起始时间差整体呈现上升趋势。【结论】初步研究表明:建筑物高度对触发多上行先导的影响显著;此外,受到建筑物高度及正负先导发展情况的影响,低矮建筑物触发的多上行先导几乎同时起始,而高建筑物上允许首个始发的上行先导优先发展一定长度后再始发后续上行先导。
热带气旋大风风圈半径非对称性特征及成因简析
于玲玲, 麦健华, 程正泉
, doi: 10.11676/qxxb2022.064
摘要:

[目的]为进一步完善热带气旋(TC)大风风圈的分析和预报业务,[资料和方法]利用中央气象台(NMC)发布的TC报文资料、ERA5再分析资料,研究了2015年6月30日至2020年12月31日时段内的TC最大强度时的7级、10级和12级风圈的非对称性特征及成因。统计结果表明:[结果]TC的7级风圈半径非对称性最大,10级次之,12级最小;非对称分布TC的7级、10级和12级风圈最大半径大多分布在NE、SE和NW象限;同一TC的7级和10级风圈最大半径大多分布在相同的象限。将7级风圈单一象限分布TC与多象限分布TC各按象限分布分成四类,分析四类7级风圈单一象限分布TC的生成季节、地面10m风特征及风圈非对称分布的成因发现:[结论]各类TC具有明显的季节性特征;地面10m风场呈不对称分布;风圈非对称分布与西太副高、西南气流及地面冷高压等天气系统与TC之间相互作用造成的各象限位势高度梯度非对称分布密切相关。

冰雹形成过程及人工防雹研究综述
姚展予, 屠琦, 安琳, 汪会, 李集明, 贾烁, 赵洁云, 姚振东
, doi: 10.11676/qxxb2022.061
摘要:

冰雹作为一种短时强灾害性天气过程,常给农业、建筑、电力、交通甚至生命财产等造成严重影响,人工防雹也因此受到人们的广泛关注。本文首先介绍了冰雹形成机理和雹云物理研究,然后围绕人工防雹机理、防雹技术、防雹科学试验及防雹效果评估这四个方面的研究进行了综述,旨在从理论和实践上深入了解人工防雹工作的国内外进展,增进对人工防雹科学问题的认知,从而为促进我国人工防雹理论研究和技术进步提供借鉴。研究表明:(1)“累积带理论”和“循环增长理论”是冰雹形成的最常见理论,限于早期的雷达观测技术和缺乏完整的冰雹数值模式,早期认知的冰雹形成机理存在一定的局限性。(2)雹胚一般分为冻滴胚和霰胚,冻滴胚由过冷雨滴冻结形成,霰胚则是冰晶、雪花撞冻增长而成。冰雹云中哪种雹胚占优势,主要看云底温度高低。雹云的发展依赖于水汽条件、动力不稳定条件、垂直风切变等关键因子。(3)人工防雹主要遵循“播撒防雹”和“爆炸防雹”两条技术路线,“利益竞争”和“早期降雨”是常见的六种防雹原理假说中最广泛被用来作为防雹作业设计依据的两种播撒防雹理论。(4)人工防雹技术上,多采用通过飞机、地面火箭、地面燃烧炉等向云中播撒人工冰核,或通过地面高炮向云中发射含人工冰核的炮弹等方式,影响冰雹的生长过程从而达到抑制或削弱冰雹增长的目的。(5)大量外场试验证明人工防雹效果有较大的地域差异,需因地制宜地根据各地冰雹云特征及其降雹特点,制定和发展本地适用的人工防雹技术体系。(6)人工防雹效果检验仍然是制约人工防雹技术发展的一个瓶颈问题,目前常用的统计检验、物理检验和数值模拟检验技术方法均需要进一步的改进和完善。由于雹云变化迅速、降雹过程短促,人工防雹技术实施的时效性以及防雹效果评估仍存在较大的困难。今后应更多地借助多种探测设备进行冰雹云的精细化探测,开展有科学设计的人工防雹外场综合试验,运用统计检验、物理检验和数值模拟相结合的综合检验技术方法评估防雹效果,推动人工防雹事业更进一步发展。

冷涡背景下一次微型超级单体龙卷的雷达特征和物理过程探究
袁潮, 李得勤
, doi: 10.11676/qxxb2022.063
摘要:

2019年8月16日渤海湾北部沿岸出现了一次冷涡背景下的EF1级龙卷。利用营口S波段双偏振多普勒天气雷达观测资料、5min间隔的地面自动气象站观测资料、盘锦风廓线雷达资料及ERA5再分析资料,研究了该龙卷风暴产生的环境条件、龙卷风暴结构特征及龙卷形成的可能物理过程。结果表明:此次龙卷过程发生在500 hPa冷涡主体控制下,低空位于“利奇马”台风残涡西侧水汽输送带内,环境条件表现为弱的垂直风切变和强低层热力不稳定。营口双偏振雷达位于龙卷发生地15 km处,探测到产生龙卷的微超级单体钩状回波、下降的反射率核心(DRC)、弱回波洞(WEH)、龙卷残片特征(TDS)等结构。旧雷暴阵风锋出流向西传播,而营口附近海风锋缓慢东移,两条边界层辐合线相遇加强,在水平切变不稳定的作用下,辐合线上有γ中尺度涡旋形成。辐合线相遇造成的辐合抬升,低层强热力不稳定导致的环境正浮力以及中层中气旋扰动低压共同作用产生强烈上升气流,γ中尺度涡旋与上升气流叠置,强拉伸作用增强了垂直涡度,可能为形成低层微尺度气旋(misocyclone)的关键机制。misocyclone的最大旋转速度与最小直径相耦合对应龙卷生成,中层中气旋与misocyclone相互扯离对应龙卷消亡。

安徽省区域性强浓雾气候特征及影响因子
, doi: 10.11676/qxxb2022.062
摘要:

根据强浓雾发生的同步性,可将安徽分为5个不同区域。为了解安徽区域性强浓雾的演变规律及成因,首先利用1980-2019年安徽省68个资料完整的国家级气象观测站08时能见度、相对湿度和天气现象资料,探讨了各区域区域性强浓雾的判定标准,建立各区域40 a的区域性强浓雾日时序资料,分析了区域性强浓雾的年际和年代际变化趋势;然后利用2016-2019年77个国家级气象观测站逐时资料分析了不同区域区域性强浓雾的年变化、日变化及持续时间分布等特征;最后,探讨了冬季区域性强浓雾年际变化的成因。结果表明:(1)1980-2019年,沿淮淮北3个区域区域性强浓雾日数都有先升后降的变化趋势,转折点在2006/2007年;1980-2007年区域性强浓雾日数呈明显的上升趋势,应归因于气溶胶粒子增多。年代际比较,各区域区域性强浓雾日数都是20世纪90年代或21世纪最初10年最多,21世纪第2个10年最少;各区域区域性强浓雾出现日数年际变化大,最少的年份0-1 d,最多年份可超过10 d。(2)2016-2019年,各区域年均区域性强浓雾日数14-17 d,主要集中在仲秋到仲春;持续1 h的强浓雾日占比最高,持续3 h的样本是另一个峰值;淮河以北2个区域年均区域性强浓雾日数最多、且持续时间达到3 h的区域性强浓雾占比最高。(3)淮河以北冬季区域性强浓雾日数与降水日数、降水量、相对湿度和08时气温均有较为显著的正相关,而与风速和小风日数相关不显著;沿江地区冬季区域性强浓雾日数主要受地面风速影响;而江南冬季强浓雾日数与各地面因子均无明显相关。(4)以1月为例,各区域区域性强浓雾天数都与纬向环流指数呈正相关,沿淮淮北3个区域区域性强浓雾天数都与东亚槽位置呈正相关,而与东亚大槽强度相关不明显。说明纬向型环流、东亚槽位置偏东有助于安徽沿淮淮北形成强浓雾。进一步分析发现,雾多的1月海平面气压中40°N以北的1030 hPa线位置偏东(如在120°E以东),近地层偏东风较强,地面湿度偏高。

适用S波段多普勒天气雷达的径向速度自动退模糊方法
韩颂雨, 刘永生, 骆阳, 杨明, 罗昌荣
, doi: 10.11676/qxxb2022.059
摘要:

径向速度模糊问题限制了雷达速度资料的广泛应用,针对退速度模糊中孤立回波或被距离折叠隔离的回波出现模糊的问题、受杂点干扰影响的问题以及大多算法往往将径向直线作为初始参考的问题,提出了一种新的自动退模糊方法:(1)通过查找零速交界点插值得到两条零速曲线以进行正负速度区域的大致分区;正负分区后,分区域段识别杂点干扰区与非杂点干扰区;对杂点干扰区,逐点判断其是否满足模糊特征条件,对非杂点干扰区,识别模糊边界以圈定模糊区域块进行退模糊,并做遗留点的逐点扫尾退模糊处理。(2)对于未能确定零速线的情况,使用上层记录的零速线信息或搜索符合条件的径向直线零速线。(3)对于仍未能确定零速线的情况,用逐点判断的方法退模糊。利用S波段雷达观测的飑线、冰雹、强台风等11个个例过程3407个速度模糊的体扫资料对该算法进行了验证,总体速度退模糊准确率高于98%。利用零速曲线确定正负分区、识别模糊区域块以及在逐点判断中考虑扩展邻域搜索,有助于孤立回波及被距离折叠隔离回波的退模糊处理,对此该方法比业务方法更有效,如2018年3月4日冰雹个例,速度退模糊准确率高于业务方法10%。对杂点干扰区使用逐点判断方法,可正确退去模糊区,使其免受杂点影响。综合考虑上层零速线信息及图像中有助于确定零速线的相关信息,经严格把关和检验,确保零速曲线的准确性,有益于退速度模糊的成功处理。

GCOM-W AMSR2资料在CMA_GFS 4DVar中的同化应用
肖弘毅, 韩威, 白一泓
, doi: 10.11676/qxxb2022.058
摘要:

卫星微波仪器的辐射率资料,由于兼具卫星观测的全天空优势和微波观测的全天候特性,在数值天气预报系统的同化中占据日益重要的角色。针对全球水循环变动观测卫星GCOM-W上搭载的第二代先进微波扫描辐射计AMSR2的10个通道,建立了半径200km的稀疏化方案,包含9项检验的质量控制方案,基于经典预报因子的偏差订正方案,以及基于变分同化后验估计的观测误差方案。通过以上方法,GCOM-W AMSR2共有10个通道辐射率资料,在我国自主研发的全球/区域同化预报系统(CMA_GFS,前身即GRAPES_GFS)3.0版本的四维变分同化系统(4DVar)中实现了直接同化应用。一个月的批量试验证明,同化GCOM-W AMSR2后,CMA_GFS湿度分析场精度得到了一定的改进,各量级定量降水中期预报评分有所提高,同时,GCOM-W AMSR2辐射率直接同化,对CMA_GFS南半球和赤道地区预报有正贡献。

基于自动识别的近三十年华北地区冬季冷锋活动异常及其可能成因
秦育婧, 冯梦茹, 卢楚翰, 何书雅, 李丽平, 胡春丽
, doi: 10.11676/qxxb2022.057
摘要:

利用1989-2018年ERA5再分析资料,使用适用于欧亚大陆的冷锋两步客观识别算法,得到冬季冷锋活动数据集。在此基础上,分析了近三十年来华北地区冬季冷锋活动特征,并讨论了冷锋活动异常的可能成因。结果表明:1)华北地区是东亚大陆上冬季冷锋频数最多,冷锋活动最强的关键区域,且华北地区冷锋活动强度有明显的年际变化;2)在华北地区冷锋活动强年,从北大西洋到欧亚大陆上空,存在一个明显的EU遥相关波列正位相,华北地区上空500hPa为负位势高度异常,表明东亚大槽增强,相应的地面西伯利亚高压偏强;3)欧亚大陆北部边缘海区域为异常暖平流时,华北地区冷空气活动增强,冷锋活动也增强;4)大西洋北部的SST异常,可能通过激发对流层中、上层的Rossby波,然后向东传播,经过欧洲-西西伯利亚传至我国华北地区,从而影响我国华北地区的冷锋活动强度。

副高背景下极端短时强降水的双偏振相控阵雷达观测分析
潘佳文, 彭婕, 魏鸣, 郑秀云, 吴伟杰, 高珊, 吴举秀, 蔡菁
, doi: 10.11676/qxxb2022.060
摘要:

为了研究副热带高压背景下极端短时强降水系统的动力和云物理结构特征。利用厦门X波段双偏振相控阵雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术,并结合高精度地形数据,对2021年8月11日发生在厦门地区的一次极端短时强降水事件进行了分析。研究表明:(1)本次过程发生在副高控制之下,具有弱天气尺度强迫特征。地面辐合线促进了线状对流系统的形成,其后向传播过程导致了局地极端强降水的发生。(2)对流系统的中层存在大粒子累积区,大粒子的下泻导致雨强增大。倾斜上升(下沉)气流的配置使得大粒子的下泻不会压灭上升气流,有利于对流系统的发展与维持。下沉气流与偏南气流相遇,触发了下游对流系统的发展,形成后向传播。(3)在弱天气尺度背景下,局地地形对于降水系统的影响作用得以被凸显。地形所导致的低层辐合使得差分反射率因子、差分相位常数等双偏振参数在迎风坡处明显增大,且大值区在此处维持。更大、更浓密的降水粒子形成了极高的降雨效率。(4)暖雨过程和冰相过程在本次极端降水事件中并存,前者对雨水的形成起主要作用,冰相粒子的融化加速了这一进程。强降水时雨滴的破碎和碰并趋于平衡,雨强的增大取决于雨滴浓度的增加。因此,差分相位常数可作为判断雨强是否增大的指标。(5)差分反射率因子柱与差分相位常数柱的演变对于地面雨强的变化具有预示性,特别是在持续降水过程中,差分反射率因子(差分相位常数)柱的再度发展预示着降水系统的再次增强。

中国降水的年代际变化及全球变暖、IPO、AMO对其的相对贡献
杜佳玉, 陶丽
, doi: 10.11676/qxxb2022.055
摘要:

虽然我国降水以年际变化为主,但可利用奇异谱分析(SSA,Singular Spectrum Analysis)辨析出10-20年、20-50年年代际变化的显著性区域以及>50年的长期趋势的显著性区域。并通过奇异值分解(SVD,Singular Value Decomposition)、多元线性回归等多种方法,探究了1934-2018年期间不同海洋模态对6-8月和12-2月我国陆地降水的趋势以及年代际振荡的相对贡献。通过对中国降水及中低纬地区海温(SST,Sea Surface Temperature)进行SVD分析发现,不论冬夏影响中国降水的主要模态是全球变暖(GW, Global Warming),其次是太平洋年代际振荡(IPO,Interdecadal Pacific Oscillation)。利用多元线性回归模型定量评估GW、IPO、大西洋多年代际振荡(AMO,Atlantic Multidecadal Oscillation)对中国不同区域降水的方差贡献及各因子的相对贡献,结果表明:夏季, 三者可以解释西北和华北大约30%的年代际降水,其中GW的相对贡献最大、IPO次之;冬季,三者可以解释东北42%、西北和华北30%左右的年代际降水,东北和西北以GW的相对贡献为主、AMO为辅,华北仍以GW影响为主、IPO为辅。鉴于华北不论冬夏均以GW趋势为主、IPO影响次之,聚焦华北,探究其夏季降水减少机制,GW会导致环贝加尔湖地区气温异常增暖,相应低层有反气旋性环流,华北地区有异常偏北风和下沉气流,从而华北降水减少,这与前人研究一致。

中亚费尔干纳盆地灌溉气候效应的数值模拟研究
张学珍, 刘欣睿, 严建武, 丁娜娜
, doi: 10.11676/qxxb2022.056
摘要:

中亚地区地处干旱气候区,农业生产高度依赖灌溉,然而灌溉对当地气候影响的认识还较为薄弱。为此,本文针对多雨(2009年)、少雨(2008年)及正常(2007年)年景下中亚典型农业区——费尔干纳盆地暖季(5—9月)的气候,利用嵌入灌溉过程参数化方案并更新土壤参数的WRF模式,分别进行了考虑灌溉过程与不考虑灌溉过程的模拟试验(以下分别称为IRRG试验和NATU试验),并通过对比IRRG与NATU试验之差揭示了灌溉对区域气候的影响。研究发现:(1)灌溉致使暖季地面潜热增加(+79.2 W/m2)、感热减少(—61.3 W/m2),日均温降低1.7 ℃,空气比湿增加2 g/kg(约为NATU的36 %),其中因5—6月为雨季,7—8月为旱季,致使7—8月的灌溉量大,冷湿效应略强于5—6月;(2)冷湿效应主要出现在灌溉区域,降温达2 ℃,增湿达2.4 g/kg,而灌区外甚微,同时从地面到高层大气,冷湿效应越来越弱,在约500 hPa(距地面约4000米)以上冷湿效应消失;(3)在盆地中央平原地区,因灌溉而致空气湿度增加产生的潜在增雨效应与地面冷却产生的对流抑制作用相互抵消,因而灌溉与无灌溉情景下当地降水无显著差异;然而,灌溉可导致盆地南、北两侧山区降水增加(约0.6 mm/d);(4)不同年景之间灌溉量差异主要出现于5—6月,少雨年比多雨年灌溉量偏多20 mm/月,日均温降幅偏大0.3 ℃,空气比湿增幅偏大0.5 g/kg,但山区降水增幅偏低0.6 mm/d。

夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布的观测研究
孙宇婷, 郑向东, 卞建春, 张金强, 白志轩
, doi: 10.11676/qxxb2022.054
摘要:

对流层臭氧垂直分布变化对气候环境有着重要的影响,然而观测数据一直较为稀缺。本文使用2016年7月下旬~8月期间青海省格尔木市对流层臭氧探空观测开展夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布变化特征及其形成机制的气象背景研究。结果表明,在天气背景的转换下对流层臭氧垂直分布整体上呈现高(低)臭氧与低(高)水汽和高(低)位势涡度的对应。除7月25~27日高空低压槽过境导致的平流层向下输送(STT)使得对流层臭氧增加明显过程外,本文还观测到阻塞暖高压反气旋和源自青藏高原主体地区强对流天气过境均对流层臭氧分布的影响:阻塞暖高压在观测点东北部形成后导致了7月31日至8月8日期间格尔木在对流层连续出现罕见东风,但对流层臭氧浓度仅在8月2日因东北-西南方向反气旋切变而出现较高值,其中6 km高度以下则因为东风输送而出现高臭氧高比湿的污染性气团。强对流天气过境影响使得8月12~14日10 km高度以上出现臭氧最低值和比湿最高值。与西宁历史夏季(1996年7~8月初)臭氧探空测值比较,格尔木对流层臭氧浓度8月偏低,该特征与季风影响青藏高原纬度最高地区所在月份一致。与林芝(2017年7月)、那曲(2011年7末~8月中旬)和拉萨(1998年8月)历史夏季臭氧探空测值比较发现,纬度效应对青藏高原地区对流层臭氧浓度有影响。

高分辨率卫星对“7·20”河南特大暴雨监测能力分析
刘松楠, 汪君, 王会军
, doi: 10.11676/qxxb2022.053
摘要:

2021年7月20日河南中北部突降暴雨,造成至少302人遇难,这类极端降水事件会对社会经济发展和人类生产生活造成较大的影响,因此,准确监测这类暴雨事件至关重要。本文采用定性和定量方法综合评定了主流的10种高分辨率卫星降水产品(CMORPH-Raw、CMORPH-RT、PERSIANN-CCS、GPM IMERG-Early、GPM IMERG-Late、GSMaP-Now、GSMaP-NRT、FY-2F、FY-2G和FY-2H)在本次极端暴雨事件中的适用性,并分析了这10种产品对不同级别降水的监测能力。结果表明,这10种卫星降水产品均可以较为准确地展现出暴雨中心位于河南中北部的空间分布特征,但是所有卫星降水产品均较大程度低估了暴雨中心降水量值。随着降水等级的升高,各类卫星降水产品的命中率下降,TS评分降低,误报率升高。CMORPH-RT 对于暴雨量的捕捉能力强于CMORPH-Raw,且对暴雨过程的捕捉能力也更强;GPM IMERG-Late的准确度较GPM IMERG-Early有较大提高;相比于GSMaP-Now降水产品,GSMaP-NRT的准确度较高;PERSIANN-CCS和FY-2F的效果较差不能捕捉此次极端暴雨事件。对本次事件而言,CMORPH-RT的效果最好可以准确捕捉暴雨中心而且量值也与观测最为接近;融合红外和被动微波信息的卫星降水效果优于仅使用红外信息的降水产品,而且卫星反演算法和融合被动微波数据的多少对卫星降水的准确度有较大影响。

多种探测资料对华北中部一次回流暴雪的观测分析
钤伟妙, 罗亚丽, 曹越, 张晓, 车少静
, doi: 10.11676/qxxb2022.052
摘要:

2020年1月5日07时至6日04时华北中部出现一次回流暴雪天气,过程最大降雪量15.5 mm。本文应用ERA5再分析和多种高分辨观测资料分析此次暴雪的大尺度天气背景和本地动、热力状况,探讨了暴雪落区、强度演变和降雪微物理特征及成因。结果表明,受河套地区地面倒槽和东北平原高压影响,900 hPa以下东北气流(被称为“回流”)自我国东北平原经渤海抵达华北平原,早于降雪7 h开始影响华北中部,受太行山阻挡在华北平原形成地面中尺度辐合线,对应暴雪落区;暴雪落区位于500 hPa高空槽前、700 hPa南北走向切变线东侧,700 hPa西南低空急流在200 hPa高层辐散影响下北伸发展,其出口区左侧朝暴雪区输送水汽。降雪前1 h石家庄市观测到800 m以下转为东北风,1 km以下气温迅速下降到-5至-1℃,形成“冷垫”;暴雪区上空700 hPa附近低空急流较降雪提早2 h出现,随后急流变厚、向下伸展至2 km,其下部暖湿空气沿“冷垫”爬升,触发降雪,急流最大风速(19 m s-1)和急流指数峰值(约8)与大于1 mm h-1强降雪时段重合,此时700 hPa附近为上升运动和水汽输送的大值中心。本次降雪粒子直径多为0.35—0.55 mm,降雪强度与粒子数浓度线性正相关;降雪云层位于1.3—5.5 km高度,大致以3 km(约-10℃)为分界线,下层为冰雪混合层,上层为冰雪层,冰雪层相对湿度与地面雪花粒子浓度及降雪强度正相关。雨滴谱仪探测的地面反射率因子(Z)与降雪强度(R)拟合关系为Z=149.85×R1.14。本研究结果为华北强降雪精细化预报提供参考。

深度学习技术在智能网格天气预报中的应用进展与挑战
杨绚, 代刊, 朱跃建
, doi: 10.11676/qxxb2022.051
摘要:

我国智能网格天气预报已初步建立0~30天涵盖基本气象要素的无缝隙气象预报业务体系。近年深度学习技术兴起,给不同领域带来前所未有的变革。[目的]同样,深度学习的非线性映射能力、海量信息提取能力、时空建模能力等优势为进一步提升智能网格预报的准确性和精细化水平提供了新的思路和方法。[结果]越来越多的研究将深度学习技术应用于智能网格预报的各个方面,包括数值预报订正和解释应用、集合天气预报、相似集合、统计降尺度、纯数据驱动的预报模型和极端天气预报等,并展示出良好的应用潜力。然而,目前深度学习技术在天气预报领域的应用仍处于起步阶段,将其引入智能网格预报业务体系还面临诸多挑战,主要包括算法的选择、算法的数据基础、多源数据融合以及模型的可解释性、可信度、可用性和工程化等。通过回顾近年来深度学习技术在智能网格预报中的应用进展和前景,同时对面临的挑战与应对进行探讨,将有利于促进深度学习技术在天气客观预报领域更好、更稳定的发展。

北大西洋多年代际振荡(AMO)对南海夏季风撤退年代际变率的影响及可能机理
宋成玉, 汪靖, 柳艳菊, 李巧萍, 丁一汇, 沈新勇
, doi: 10.11676/qxxb2022.050
摘要:

基于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)物理科学实验室(PSL)和科罗拉多大学环境科学研究所(CIRES)重建的NOAA-CIRES 20th再分析数据和国际综合海洋大气数据集(ICOADS)的全球月海表温度数据(ERSST),并结合数值试验,分析了南海夏季风撤退的年代际变率特征及北大西洋多年代际振荡(AMO)对其产生的影响。结果表明,南海夏季风撤退时间具有明显的年代际变率,南海夏季风撤退偏晚(早)年代,南海及其附近区域上空有显著的气旋性(反气旋性)环流异常,降水偏多(少)。进一步研究发现,AMO与南海夏季风撤退年代际变率呈显著正相关,即AMO为正位相时,南海夏季风撤退偏晚;AMO为负位相时,南海夏季风撤退偏早。北大西洋海温变暖(即AMO位于正位相),从海洋释放了更多的热通量到大气,导致了北大西洋上空对流层的对流活动明显增强,通过海气相互作用激发北大西洋上空的波活动异常,进而影响着与东北亚关键区域大气环流变化密切相关的中纬度欧亚遥相关波列的形成和传播,引起东北亚关键区域的正位势高度异常和明显的下沉运动,并在其对流层低层产生辐散运动,能量伴随着偏北的辐散风气流传播至南海及临近区域辐合上升,进一步加强了南海区域的气旋性环流异常,使得南海夏季风撤退偏晚。AMO负位相时,异常情况与之大致相反,使得南海夏季风撤退偏早。

El Nino次年夏季中国地区云的变化特征及其与降水的关系
彭艳玉, 刘煜, 郜倩倩
, doi: 10.11676/qxxb2022.049
摘要:

[资料和方法]基于1961~2010年中国地面台站和卫星观测等多种数据,[目的1]对不同类型El Ni?o事件次年夏季中国地区云的变化特征和不同类型降水的变化特征进行了分析,[目的2]并探讨了云的变化特征与总降水异常之间的复杂联系。[结果]结果表明:站点数据中,El Ni?o事件次年夏季总云量和低云量的异常和降水异常分布形势大致相同;积雨云、雨层云和层积云等低云状的出现频率有所增加。云量和降水的异常在全国范围内表现出显著的正相关关系;在通过显著性检验的正相关站点,云量和降水异常之间的线性关系也通过了显著性检验,总云量和低云量与降水的增加比例分别接近1:3和1:1。卫星数据中,El Ni?o事件次年夏季高云量、深对流云量、光学厚度和云水路径的变化与站点降水异常基本呈正相关关系;黄河以南地区总降水变化主要来源于对流降水的异常,其贡献比例高达80%。[结论]中国东部地区低云对降水具有很好的指示作用;El Ni?o事件次年夏季南方地区总降水的异常主要来自对流降水的变化;对流降水异常增加与深对流云的异常增加有关。El Ni?o事件的发生使得次年夏季中国季风区对流活动增强,对流云云量增加,云层增厚,云顶向上发展,故而对流降水增加,异常雨带形成。

两种陆面模式对中国区域土壤温度模拟的对比分析
孙帅, 师春香, 梁晓, 姜立鹏, 徐宾, 韩帅, 谷军霞, 粟运
, doi: 10.11676/qxxb2022.048
摘要:

为研讨不同陆面模式对中国区域土壤温度的模拟效果,基于中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)大气驱动数据分别驱动Noah和Noah-MP陆面模式进行中国区域土壤温度的模拟(简称:CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP),使用2010-2018年中国气象局2380个10cm和40cm土壤温度站点观测数据,以及美国全球陆面数据同化系统GLDAS中Noah模式土壤温度(简称:GLDAS_Noah),从空间分布、不同季节、不同分区等角度对GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP土壤温度进行了评估,实现不同驱动数据、相同陆面模式和相同驱动数据、不同陆面模式的土壤温度对比分析。结果表明:从定性角度分析,GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP均能够合理地模拟出中国区域土壤温度空间分布,但在量级上有一定差异,主要表现在我国东北、新疆、青藏高原等积雪区;从定量角度分析,对于相同陆面模式、不同驱动数据,CLDAS_Noah在不同季节与不同分区均方根误差时间序列上均优于GLDAS_Noah,可间接地表明CLDAS大气驱动数据优于GLDAS大气驱动数据,大气驱动数据是提高土壤温度模拟精度的重要因素之一;而对于相同驱动数据、不同陆面模式,总体上CLDAS_Noah-MP效果优于CLDAS_Noah, 其中10cm和40cm下CLDAS_Noah土壤温度在冬季积雪区误差明显大于CLDAS_Noah-MP,可能与Noah-MP改进了积雪方案有关,但10cm和40cm下CLDAS_Noah-MP在东北、华北、青藏高原地区春季土壤温度模拟误差明显大于CLDAS_Noah,可能与Noah-MP模式融雪方案有关。总之,该研究对于后续开展土壤温度多模式集成、土壤温度站点资料同化研究,最终研制中国区域高质量土壤温度数据集具有一定的参考意义。

闽南沿海2018—2019年季风爆发前后雨滴谱特征对比分析
胡雅君, 张伟, 张玉轩, 温龙
, doi: 10.11676/qxxb2022.045
摘要:

[目的]为研究华南前汛期季风爆发前后闽南地区的雨滴谱特征差异,[资料和方法]利用2018—2019年厦门站和同安站4—6月的降水现象仪资料,对比分析了季风爆发前后闽南沿海层状云和对流云的雨滴谱分布和微物理参数差异。[结果]结果表明华南前汛期闽南沿海层状云降水占比明显高于对流云降水,但对流云降水的滴谱分布更宽,峰值粒径以上的各粒径区间粒子浓度均大于层状云降水。不论层状云还是对流云降水,2018年季风爆发后均表现为质量加权平均直径Dm减小,广义截距参数Nw增大。2019年季风爆发后Dm增大,层状云的Nw减小,对流云Nw增大。两年整体呈现相反的演变趋势。[结论]层状云的降水率R和液态水含量W的演变趋势与Nw一致,而对流云的R和W与Dm一致。闽南沿海雨滴谱微物理参数接近于华南沿海,与华东区域相比,整体浓度更高,粒子尺度略小。Z-R关系拟合表明季风爆发前后层状云与对流云的拟合系数、判定系数具有较大差异,其中对流云拟合效果相对更优。基于Z=300R1.4公式的定量降水估测对层状云降水和量级较小的对流云降水整体上存在不同程度的低估,对于量级较大的对流云降水存在高估。探讨了环流形势对雨滴谱的可能影响。结果表明绝对水汽含量可能会影响粒子数浓度,而西南风等动力条件和CAPE等热力条件会通过影响对流的高度和降水的微物理过程,进而可能会影响雨滴谱分布。

基于风云四号成像仪云产品的视场偏差订正和影响分析
狄迪, 周镕连, 赖睿泽
, doi: 10.11676/qxxb2022.044
摘要:

新一代静止气象卫星成像仪具有高时空分辨率的优势,成像仪的云区资料被广泛应用于气象领域的各项研究中,而由于卫星的观测方式和地球曲率导致其存在视场偏差问题,与其他资料联合应用时需要考虑其影响。本文针对风云四号卫星成像仪(AGRI)的视差问题展开研究。首先使用模拟的云顶高度和实际的卫星天顶角进行敏感性分析,证实云顶高度越高或者卫星天顶角越大则视差越大, 尤其对未来具有更高空间分辨率的成像仪,视差影响更加显著。随之采用CALIPSO云层数据和AGRI云检测产品以及利用实时卫星云图资料与中国气象局、日本气象局和国际气候管理最佳路径档案的台风最佳路径集对201909号“利奇马”台风开展视差订正方法的检验,证明了本文采用的视差订正方法的有效性。本文的结论:由于新一代卫星成像仪高空间分辨率的特点,利用其云区资料进行云检测以及台风相关的定量研究时,需考虑视差订正。

西学东渐时期西方气象科技在中国的传入张改珍
张改珍, 刘波
, doi: 10.11676/qxxb2022.028
摘要:

分明末清初和晚清民国两个阶段,从科学(理念)和技术(器物)两个层面对西学东渐时期西方气象科技在中国的传入进行事件梳理,以研究西方气象科技输入对中国早期气象事业和知识传播的推动和启蒙作用。两阶段气象科技输入发生在中国不同历史时期,呈现出不同的特点。明末清初西方气象科技输入在宫廷和士大夫阶层中间产生了一定影响,却也并未对中国早期气象事业和知识传播起到实质性、落地性的推动和启蒙作用。晚清民国阶段却大为不同,无论从广度还是深度,所起的作用要较明末清初阶段大得多,对中国早期气象事业和知识传播起到了推动和启蒙作用。这段历史从以开放的心态和态度对待科学技术引进、注重科学技术本地化、先进的科学技术的认识三方面带给我们启示。

基于深度学习的京津冀地区精细尺度降水临近预报研究
曹伟华
, doi: 10.11676/qxxb2022.027
摘要:
前期青藏高原积雪与ENSO对南海夏季风强度的协同影响
邓琪, 赵平, 温之平, 王慧美, 王迎春
, doi: 10.11676/qxxb2022.026
摘要:

基于1980-2018年罗格斯大学全球积雪实验室积雪面积、英国气象局哈德莱中心海温、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代再分析(ERA-5)土壤湿度、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析、美国国家海洋大气管理局(NOAA)气候预测中心降水(CMAP)和全球降水气候计划降水(GPCP)等数据,采用相关、合成和回归分析方法,分析了前期青藏高原积雪和ENSO年际尺度变化对南海夏季风强度及降水的协同影响。结果表明:在年际尺度上,青藏高原积雪、ENSO都与南海夏季风变率有密切关系,当青藏高原春季积雪西部偏多东部偏少时,夏季高原西部对流层温度偏低,在高原上空产生异常下沉气流并向外辐散,引起南海地区对流层中低层为异常下沉气流。另外,赤道中东太平洋海温异常偏高则会使夏季印度洋海温异常偏高,对流层温度偏高,在西北太平洋产生东北风异常,加强了西北太平洋和南海上空的反气旋性环流异常。在青藏高原积雪和ENSO共同影响下,夏季850 hPa南海上空反气旋异常进一步加强,南海夏季风强度减弱,降水减少。

江苏典型下击暴流风暴结构特征统计分析
王易, 郑媛媛, 庄潇然, 张静, 慕瑞琪, 孙康远
, doi: 10.11676/qxxb2022.023
摘要:

[目的]为了研究江苏地区下击暴流的结构特征,[资料方法] 利用常规天气资料、雷达资料、自动站资料和ERA5再分析资料等,[结果]选取2007-2018年江苏地区19个典型下击暴流进行统计分析,[结论]结果表明:江苏下击暴流的分布呈现北多南少的趋势,以湿下击暴流为主,7月份是下击暴流的高发月份,孤立风暴型下击暴流具有弱的天气尺度强迫和上干下湿的结构,风暴移速较慢,飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫特征,风暴移速较快。下击暴流的初生阶段,强反射率因子核心和中层径向辐合出现在下击暴流发生前20-30分钟,而成熟阶段,强反射率因子核心高度有明显的降低,低层呈现明显的辐散结构。下击暴流影响期间地面温度有剧烈的变化,温度的降低伴随有明显的风速增大的过程。通过统计,产生下击暴流风暴的环境温度平均垂直递减率在6.8℃/km,能够保证负浮力的维持,干冷空气被中层辐合气流夹卷进入风暴内进一步加强了下沉气流,使得下击暴流得以维持和加强。

东亚夏季副热带平原和高原地区切变线特征的对比研究
姚秀萍, 张霞, 马嘉理, 闫丽朱, 张硕
, doi: 10.11676/qxxb2022.024
摘要:

生成于东部平原地区的江淮切变线和西部青藏高原地区的高原切变线,都处在东亚副热带相同纬度带上。为深化对地形高度迥异的江淮切变线和高原切变线的认识和理解,本文从切变线与暴雨关系、切变线三维结构特征、切变线附近风场与环流特征以及切变线结构演变中的热力机制等方面对二者进行对比研究。结果表明:(1)江淮切变线分为暖切变线、冷切变线、准静止切变线和低涡切变线4类,高原切变线分为高原横切变线和高原竖切变线2类。江淮切变线与高原切变线均与暴雨关系密切,夏季,有近70%的江淮切变线会产生暴雨,暖切变线暴雨对江淮地区切变线暴雨的雨量贡献最大,低涡切变线暴雨的降水强度最大但发生频率较低;近60%的高原横切变线给高原主体地区带来暴雨,超过55%的竖切变线造成高原东侧及其近邻地区暴雨。(2)江淮切变线与高原切变线均为边界层系统,特征层次分别位于850 hPa和500 hPa。时空尺度上,江淮冷切变线和高原横切变线水平尺度分别可达1000km和2000km,垂直尺度分别可达5km和2km,生命史分别可达48小时和96小时;江淮切变线和高原横切变线在垂直方向上均有从低到高向北倾斜的特征。(3)江淮冷切变线与高原横切变线风场与环流特征存在差异,江淮冷切变线北侧为东北风,南侧为西南风;而高原横切变线东西两段风场有所不同,其西段类似于江淮冷切变线,而东段在不同发展阶段风场有明显变化。(4)江淮冷切变线与高原横切变线的动力结构和热力结构存在差异。动力结构上,二者均位于正涡度带内,正涡度中心强度都在强盛阶段达到最大。热力结构上,江淮冷切变线附近低空锋区特征明显,其西段位于暖湿区内,东段位于干冷区内;而高原横切变线南侧具有明显的高温高湿特征,切变线北侧存在锋区结构。(5)切变线附近的大气非绝热加热与高原横切变线和江淮冷切变线演变关系密切,垂直非均匀加热作用是高原横切变线和江淮冷切变线发展增强最为重要的因子。二者热力结构有差异,减弱机制不同,干冷空气的侵入会导致高原横切变线强度减弱甚至消亡,而江淮冷切变线的强度减弱则与南方暖湿空气的向北侵入有关。

气候模式分辨率对气溶胶气候效应数值结果的影响
郜倩倩, 刘煜, 郭增元, 彭艳玉
, doi: 10.11676/qxxb2022.019
摘要(118) PDF(37)
摘要:

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响还尚未全面认识。[模式和方法]利用公共大气模块CAM5.3在三种分辨率(2°、1°、0.5°)下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,[目的1]检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,[目的2]分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值结果的影响。[结果]通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫,0.5°分辨率模拟结果与观测更接近,其它变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径和云长波辐射强迫均增加,云短波辐射强迫加强,而云顶的云滴有效半径、地面气温和降水均减少。不同分辨率下气溶胶增加引起的光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫的变化的纬向平均分布形势相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布形势与大小均存在较大差异,在区域尺度上的变化还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫AIF相比1°分辨率下的结果减少了2.5%,相比2°分辨率下的结果减少了6.4%。[结论]提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大不确定性。