2018年广东空中水物质评估及开发分析

利用2018年1月1日至12月31日逐小时欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代全球大气再分析产品——ERA5和中国气象局多源降水分析系统(CMA multi-source precipitation analysis system,CMPAS)中逐小时降水产品(CMPAS-hourly),采用基于大气水物质收支平衡方程的水物质评估方法对广东2018年空中云水资源及空中水汽、水凝物时空分布进行评估。对广东省整体而言,2018年水汽降水效率为5.1%,水凝物降水效率为89.6%,水汽和水凝物都为净输出。从空间分布来看,水汽总量自西南向东北逐渐减少,水凝物总量高值区在粤西云雾山、天露山及粤东莲花山的南坡,云水资源总量从北部山区向沿海地区逐渐减小,水凝物降水效率从沿海地区向北部山区逐渐减小。从时间变化来看,水汽总量在夏季最大,水凝物总量在8月下半月和9月上半月最大,云水资源总量非汛期高于汛期;水汽和云水资源的变化月内尺度大于天气尺度,水凝物的变化天气尺度大于月内尺度。     

北京一次积层混合云系结构和水分收支的数值模拟分析

本文利用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云分辨模式对2007年10月的一次积层混合云降水过程进行了数值模拟。利用模拟结果结合实测资料, 研究了积层混合云系的宏微观结构和降水特征, 并分析了云系的水分收支及降水效率。结果表明:积层混合云是导致此次北京降水的主要云型;积层混合云降水分布不均匀, 云系中微物理量的水平和垂直分布都不均匀, 具有混合相云的云物理结构。冷云降水过程占主导地位, 雪的融化对雨水的形成贡献最大。北京区域降水过程的主要水汽源地为黄海海面及蒙古国, 两支气流在陕西北部汇合后的西南气流将水汽输送到华北地区, 北京区域以外, 水汽和水凝物主要从西边界和南边界输送到域内。北京区域降水主要时段内, 水物质通量在水平方向上为净流入。对北京区域水汽、水凝物和总水物质的水分收支各项的估算表明, 水物质基本达到平衡。北京区域从2007年10月5日20时至6日14时, 总水成物降水效率、凝结率、凝华率及总水凝物降水效率分别为5.6%、4.77%、4.19%、44.9%。     

2013年内蒙古中部地区飞机增雨过程中云水资源特征分析

利用NCEP再分析资料、地面观测等资料,探讨了2013年内蒙古中部地区飞机增雨过程云水资源特征,并通过对比分析给出了适合飞机人工增雨作业的空中水汽和水凝物背景特征。结果表明:(1)夏季,单位面积地区上空整层大气水汽含量在30mm以上、云水含量2.0mm以上、小时凝结量在1.0mm以上时有利于实施增雨作业。有利作业过程水汽通量较大,作业区大部为较明显的水汽辐合,准饱和区水平范围较大,垂直方向准饱和区厚度在3.0km以上,云底高度在1.0km左右。(2)对于一次天气过程,水凝物总量为水汽总量的10%左右,源源不断的水汽输入与凝结是过程中水汽和水凝物的主要来源,有利于作业天气过程的水凝物含量明显偏多。文章的结论对内蒙古中部地区飞机人工增雨作业具有参考意义。     

一次层状云系水分收支和降水机制的数值研究

对2002年10月18—20日河南省层状云系的水分收支和降水机制用MM5模式模拟的结果表明,河南省域以外的水物质主要通过西和南边界输送到区域内,19日降水主要时段总水物质通量在水平方向上为净流入。对河南省域水汽、水凝物和总水物质的水分平衡等式中各项的估算表明该区域水物质基本达到收支平衡。估算的河南省域总水物质降水效率、凝结率、凝华率和水凝物降水效率及水汽降水效率分别约33.1%、27.7%、13.1%、69.7%和31.1%,总水物质降水效率与水汽降水效率接近是由于参与的水物质总量中水汽占绝大部分。约58.2%以上的冰晶转化为雪,超过82.1%的雪融化,不到11.1%的雪转化为霰,霰粒子几乎完全融化。冰晶通过凝华过程增长。雪主要由冰晶转化产生,凝华增长率比撞冻增长率高得多。雨水由暖云和冷云过程产生和增长,雨水碰并云水量和冰粒子融化量对雨水的贡献相近,云雨自动转化量小。可见,在主要降水时段,降水是由冷云和暖云过程共同产生的。冰粒子凝华增长对雨水的贡献最大超过35%,撞冻增长的贡献最高不足12%,可见水汽对降水粒子增长重要。催化层、冰水混合层和液水层对降水的贡献分别约为15%—27%、45%—50%和23%—38%,表明此"催化-供给"云中冰粒子在冰水混合层的增长对降水的贡献相当大。     

六盘山地区空中水资源特征及水凝物降水效率研究

为了利用人工增雨技术合理开发六盘山地区空中水资源,首先需要了解该地区水汽场、地形对当地降水的影响和空中水资源的特征及典型降水过程中云系的降水效率。本文采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的高时空分辨率ERA5再分析数据集和中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据,通过统计分析研究了该地区水汽的输送、地形强迫作用下的辐合抬升状况和地形云参量特征,并分别利用WRF模式数值模拟的输出结果和ERA5再分析数据,估算2016~2017年夏季自西向东移经该山区的多次混合降水云系的水凝物降水效率。研究结果表明:位于西北地区东部的六盘山地区具有较为丰沛的大气可降水量和更强的水汽输送。受亚洲季风影响,夏季偏南风向六盘山地区输送了丰沛的水汽,山区成为相对湿度高值区;春、夏、秋季午后山区云量(CF)达70%及以上,夏季云水路径(CWP)和云光学厚度(COT)均明显大于周边地区。在夏季降水过程中,地形引起的动力场对降水有明显的影响,在日降水量5 mm以上强度的过程中,气流遇迎风坡地形产生明显辐合抬升,且辐合抬升越强时降水强度越大。夏季典型降水系统中,山区水凝物降水效率平均约为48.1%,空中还有较大部分的水凝物未能成为降水。因此作为水源涵养地的六盘山地区夏季空中水资源相对丰富而降水量不足,空中水资源具有一定开发空间。     

2016年北京“7·20”特大暴雨降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对2016年北京“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。     

2008年6月一次华南暴雨过程的云分辨模拟分析

GCE(Goddard Cumulus Ensemble)模式中体现了云与云之间的相互作用,以及云与周围环境、长波辐射及示踪气体等之间的相互作用.模式可通过云中的水凝物等微物理量描述云体的生命史(发展、成熟、消散),并在此基础上通过引入地面降水诊断方程对降水的发展过程进行分析,因而降水过程实际上是云的发展过程的体现.本文所使用的二维云分辨模式(2DCRM)就是GCE模式的二维版本.利用该模式对2008年6月10-15日的华南暴雨过程进行模拟,分析了主要降水时段地面降水收支及热量收支在不同降水发展阶段的特征.模拟结果表明,在降水初始阶段,主要由局地大气增湿和水汽辐合率减小来抑制降水发展;在成熟阶段,局地水汽变化、水汽辐合、地面蒸发和局地水凝物变化均有正的贡献,降水强度达到最大;在衰退阶段,降水强度减小的主要原因是水汽辐合显著减小.在降水性层状云区,降水主要来自于水汽辐合,水汽的主要消耗项是局地水汽增加;在对流云区,降水主要来自于水汽辐合与局地大气变干,水汽的主要消耗过程是水凝物生成并向降水性层状云区输送.初始阶段和衰退阶段的局地大气温度变化率相对较小,成熟阶段区域平均大气冷却达到最强,区域平均大气温度变化率主要受区域平均的热辐散率与区域平均的潜热释放影响.     

山东省空中水资源的初步分析

利用1997～1999年逐日探空资料和同期水文水资源资料,分析了山东省域空中水汽资源的时空分布特征及地-气系统的水量平衡关系.结果表明:山东省空中水汽资源受天气系统和季节变化的影响明显;静态水汽含量年均值为20.75 mm,动态水汽净输出量全年平均为440.91 mm,并以850 hPa层的水汽净输出为主.水汽净收支率年、季分布具有较强的地域特征.全年的水汽输入量很大,但空中水汽资源转化为地面降水的效率不足5%,而降水转化为水资源的量约为27.31%,空中水汽资源具有很大开发潜力.另外,从大气水量平衡角度分析了山东干旱气候特征的客观必然性,并提出开源增量、增加水资源的对策.     

“碧利斯”（2006）暴雨过程降水强度和降水效率分析

利用2006年第4号强热带风暴“碧利斯”登陆过程的高分辨率数值模拟资料,结合三维地面降水诊断方程和降水效率公式,研究了“碧利斯”登陆后引发的局地暴雨过程,重点分析了此次局地暴雨过程的降水强度和降水效率及其与宏微观物理因子的联系。结果表明,降水强度越强,降水效率越高,但两者并非一一对应的线性关系,随着降水强度增大,降水效率增高的趋势逐渐变缓;伴随暴雨系统快速发展,降水强度和降水效率均显著增强,而主要降水源/汇项的时间变化要复杂得多;暴雨发生前时段与发生时段降水物理过程存在显著差异,发生前,较明显的水汽辐合显著加湿局地大气,并通过微物理转化支持降水云系发展,液相水凝物辐合对降水云系快速发展贡献明显,固相水凝物辐合贡献不显著,较强的“云滴与雨滴碰并（P_racw）”微物理过程同液相水凝物明显辐合可能有直接关系,“霰融化造成雨滴增长（P_gmlt）”仅为P_racw的27%,发生时段,进一步明显加强的水汽辐合依旧是主要降水来源,而汇项发生了明显变化,同时,微物理转化过程与发生前比更活跃,尤其是P_racw和P_gmlt,其中,P_gmlt增强更明显,其值接近P_racw的50%。     

基于遥感数据光流场的2021年郑州“7·20”特大暴雨动力条件和水凝物输送特征分析

本文针对2021年7月20日河南省郑州市发生的“7·20”特大暴雨天气过程,主要基于FY-4A静止气象卫星成像仪和地基天气雷达遥感数据,利用光流法分别计算遥感数据图像的光流场（Optical Flow Field）。经与FNL数据水平风和地面风速观测对比表明,气象卫星和雷达光流场可以近似反映大气和云系的高空和低空的运动特征。在此基础上,分析了与暴雨天气过程有关的动力条件和水凝物输送特征。结果显示,在20日午后,存在从华南经河南延伸至华北“西南—东北”走向的水汽和云水输送带,其中对流活动非常明显,并一直延伸至河南中北部的既有云系中,为河南郑州地区特大暴雨的形成提供了有利的水汽和云水输送条件。20日午后至16时（北京时）最强降水发生前,郑州地区低空由辐散转为强烈的气旋状辐合,并且高空的反气旋涡度增强,表明郑州地区整个降水系统上升运动增强。在最强降水发生前,从郑州地区南侧输入的水凝物急剧增加。这些结果表明,郑州地区不仅存在大量水汽输入,同时还有大量水凝物随强对流云输送进入到大范围降水系统的上升运动区,可能极大地加速了水汽转化为云水进而形成降水的微物理过程转化速率,这可能是此次郑州特大暴雨快速增强的主要成因。本文提出的基于遥感数据光流场的分析方法在暴雨短临预报和预警中有显著的应用潜力。     

我国近30年龙卷风研究进展

从3方面总结了龙卷风研究成果:①研究概况,最初的龙卷风灾后调查到开展天气气候特征分析至近年来开展龙卷风本体结构、产生机制的探讨,获得了丰硕成果;②研究方法提高,从事实调查到利用统计方法,从利用台站常规观测资料到运用卫星、多普勒雷达、风廓线仪等非常规资料开展分析,近年数值模式WRF、ARPS等也被用来研究龙卷风,研究的方法手段不断得到改进;③龙卷风研究、预报面临的困难和未来展望。     

2006年中国气候概况

2006年，全国年平均气温较常年偏高1.09℃，为1951年以来最暖的一年；与此同时，全国平均年降水量较常年略偏少。2006年，我国气象灾害频发，各类气象灾害中，热带气旋所造成的直接经济损失和死亡失踪人数最多，干旱造成的受灾人口和农作物受灾面积最多。总的来看，2006年我国气象灾害造成的经济损失为1999年以来最重。     

河西走廊农业区春季气溶胶光学特性

为研究干旱农业区农耕季节气溶胶的基本光学特性,2014年4月利用地面气溶胶移动集成系统在甘肃武威黄羊镇农场开展气溶胶综合观测试验。结果表明,河西走廊黄羊镇农场PM2.5和PM1.0的散射系数以及PM2.5的吸收系数分别为98.2±38.3、74.6±29和8.8±6.3 Mm-1,均小于中东部地区观测值。气溶胶单次散射反照率为0.90±0.03,PM2.5和PM1.0的Angstrom指数分别为1.31±0.29和2.10±0.24。散射系数和吸收系数的日变化具有明显的双峰特征,单次散射反照率在散射系数出现峰值的时间段出现谷值。黄羊镇农场受人为气溶胶影响较大,西、西南和东南方向来的气溶胶散射系数和吸收系数值较大,西北方向传输过来的气溶胶主要是农业生产活动产生的。     

武汉市气候变暖与极端天气事件变化的归因分析

根据武汉市1951—2007年间年平均、最高、最低气温与8类年极端天气日数的序列,计算分析其变化趋势及年平均气温与极端天气日数的相关性,引入格兰杰因果性检验法,探讨气候变暖与极端天气事件之间的因果关系。结果发现:(1)近57年来武汉市年平均最低气温增幅为0.45℃/10a,明显高于年平均最高气温0.19℃/10a的增幅,可见气候变暖主要是由夜间气温升高所致;(2)高温和闷热天气事件为增多趋势,其中闷热天气事件最明显,达到2.8 d/10a,而年雷暴、降雪、低温、大风、雾日则均为下降趋势,雷暴、雾和低温事件降幅明显,每10年减少3.0 d、4.0 d和2.1 d。大风和降雪事件,每10年减少1.8 d和1.5 d。暴雨事件波动幅度较小。(3)年平均气温与当年及超前、滞后1～2年的极端天气事件具有高相关性;(4)格兰杰因果性检验结果发现,气候变暖是闷热天气增多和降雪事件减少的原因,同时亦是大风和低温减少的结果。这种因果关系的存在对极端天气事件预测和预估有重要的价值。     

Current activities in aerobiology in Japan

A brief review of the research activities of Japanese scientists in aerobiology, which is one of the interdisciplinary sciences closely related to atmospheric turbulence and diffusion as well as to biology, is presented in order to make contacts with interested scientists in other countries.     

Meteorology in watershed research in Alberta

A preliminary investigation of monthly rainfall patterns analysed from 24‐hour computer forecasts of precipitation was performed. These patterns are compared with the observed precipitation and long‐term normal patterns. Recommendations are made to incorporate the method into a verification program for the computer product.     

城市气象研究进展

中国数十年来在城市气象研究这一新兴学科领域开展了大量研究并获得了多方面的丰硕成果。文中从城市气象观测网与观测试验、城市气象多尺度模式、城市气象与大气环境相互影响、城市化对天气气候的影响等4个方面论述了城市气象的主要研究进展:中国各大城市已建立或正在完善具有多平台、多变量、多尺度、多重链接、多功能等特点的城市气象综合观测网;北京、南京、上海等地开展了大型城市气象观测科学试验,被世界气象组织列入研究示范项目;成功开展了风洞实验、缩尺度外场实验研究;建立了多尺度城市气象和空气质量预报数值模式,并应用于业务;在城市热岛效应、城市对降水影响、城市气象与城市规划、城市化对区域气候及空气质量的影响、城市气象与大气环境相互作用等研究领域取得长足进展。最后指出,未来需要重点从新观测技术及观测资料同化应用、城市系统模式研究、城市化对天气气候的影响机理、城市化对大气环境和人体健康的影响、城市水文气象气候与环境综合服务等方面开展科学研究与应用,为中国城市化、生态文明建设、防灾减灾和应对气候变化等国家需求提供科技支撑。      

我国东部地区冬季模式边界层探空效果评估

应用中尺度气象模式MM5对2006年和2007年12月东部地区进行逐日模拟,并用地面常规观测资料及南京和安庆12h一次的逐日探空资料对模拟的地面及边界层内气象要素进行检验,计算地面和边界层内不同高度的温度、湿度、风向和风速等要素的多种常用统计参数;并分别评估雾发生前和发生时边界层探空的模拟效果。结果表明:(1)MM5模式模拟的地面温度和湿度均较理想,但风速误差较大。温度、相对湿度、风速的观测与模拟的偏差概率分布均呈近正态分布,峰值中心分别为-1.52℃、4.59%和1.92m·s-1,白天模拟效果优于夜间。(2)以南京、安庆两站为例,模拟的08:00(北京时,下同)和20:00边界层内探空基本可靠,但20:00的效果比08:00好;模拟效果均随高度上升而变好;且南京站边界层内温度、湿度的模拟效果优于安庆站,但安庆站风的模拟效果优于南京站。(3)以南京站为例,雾发生前和发生时温度、湿度模拟效果较平均情况差,风速模拟较其他模拟时段无明显变化。(4)南京、安庆冬季近地层逆温发生频率都比较高,常见多层逆温,MM5模式能再现近地层逆温,但有高估的倾向,且对边界层中上部逆温模拟效果不佳。此外,敏感性试验的结果表明,模拟方案中地面负的温度偏差不是由近地层高垂直分辨率所致。     

Trends in Temperature Extremes in Association with Weather-Intraseasonal Fluctuations in Eastern China

Trends in the frequencies of four temperature extremes (the occurrence of warm days, cold days, warm nights and cold nights) with respect to a modulated annual cycle (MAC), and those associated exclusively with weather-intraseasonal fluctuations (WIF) in eastern China were investigated based on an updated homogenized daily maximum and minimum temperature dataset for 1960–2008. The Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) method was used to isolate the WIF, MAC, and longer-term components from the temperature series. The annual, winter and summer occurrences of warm (cold) nights were found to have increased (decreased) significantly almost everywhere, while those of warm (cold) days have increased (decreased) in northern China (north of 40°N). However, the four temperature extremes associated exclusively with WIF for winter have decreased almost everywhere, while those for summer have decreased in the north but increased in the south. These characteristics agree with changes in the amplitude of WIF. In particular, winter WIF of maximum temperature tended to weaken almost everywhere, especially in eastern coastal areas (by 10%–20%); summer WIF tended to intensify in southern China by 10%–20%. It is notable that in northern China, the occurrence of warm days has increased, even where that associated with WIF has decreased significantly. This suggests that the recent increasing frequency of warm extremes is due to a considerable rise in the mean temperature level, which surpasses the effect of the weakening weather fluctuations in northern China.