基于变分客观分析方法的青藏高原试验区夏季对流降水过程热动力特征分析

本文利用基于变分客观分析方法的物理协调大气分析模型,构建了青藏高原试验区大气热力—动力相互协调的数据集,并通过该数据集对青藏高原试验区夏季深厚及浅薄对流降水过程的热动力特征进行分析,结果表明:变分客观分析后的垂直速度场能更好地与实际观测的对流降水过程相吻合;深厚对流降水期高云含量多,整层大气为较强的上升运动,上升运动可达100 hPa左右,浅薄期高云含量少,上升运动仅能延伸到300 hPa左右;两种对流降水过程中视热源Q₁在低层为冷却作用,高层为加热作用,在深厚期中高层Q₁存在两个加热中心,中层受较强的水汽凝结释放潜热加热所影响,高层主要受过冷云水凝结成冰晶形成高云时释放的热量所影响;在浅薄期中高层Q₁只存在一个加热中心,大气的加热主要来源于水汽的凝结潜热释放;深厚对流降水期视水汽汇Q₂的加热作用可以延伸到200 hPa,而浅薄期仅到340 hPa左右。     

物理协调大气变分客观分析模型及其在青藏高原的应用II:那曲试验区云—降水、热量和水汽的变化特征

本文利用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,通过融合地面、探空、卫星等多源观测资料和ERA-Interim再分析资料,建立了青藏高原那曲试验区5年（2013～2017年）长时间序列的热力、动力相协调的大气分析数据集,并以此分析那曲试验区大气的基本环境特征与云—降水演变和大气动力、热力的垂直结构。分析表明:（1）试验区350 hPa以上风速的季节变化非常明显,风速在冬季11月至次年2月达到最大（＞50 m s?1）,盛夏7～8月风速的垂直变化最弱,温度的垂直变化最强,大气高湿区在夏秋雨季位于350～550 hPa,在冬春干季升至300～400 hPa。（2）试验区6～7月上旬降水最多;春、秋、冬三季,300～400 hPa高度层作为大气上升运动和下沉运动的交界处,是云量的集中区;夏季,增多的水汽和增强的大气上升运动导致高云和总云量明显增多,中、低云减少。（3）夏季的地表潜热通量与大气总的潜热释放最强,大气净辐射冷却最弱,高原地区较强的地面感热导致试验区500 hPa以下的近地面全年存在暖平流,500 hPa以上则由于强烈的西风和辐射冷却存在冷平流。此外,试验区整层大气全年以干平流为主,但在夏季出现了较弱的湿平流。（4）视热源Q₁具有明显的垂直分层特征:全年500 hPa以下大气表现为冷源,300～500 hPa和100～150 hPa表现为热源,150～300 hPa则在冬春干季表现为冷源,在夏秋雨季表现为热源,不同高度层的冷、热源的形成原因不同,其中夏季由于增强的上升运动、感热垂直输送和水汽凝结潜热以及高云的形成,因此几乎整层大气表现为热源。     

基于雷达反射率反演降水率的一维+三维变分同化研究及试验

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统.通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的水汽初估值场.以一个强降水过程和2011年5月一个月为例,通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值,初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响.     

青藏高原大气总水汽量的反演研究

利用2001年青藏高原89个气象站资料、NCEP格点再分析资料以及2001—2003年7月3个地基GPS站的大气总水汽量观测资料,对GPS遥感的大气总水汽量与探空观测结果做了比较,研究了大气总水汽量变化对降雨形成的影响,大气总水汽量与地面水汽压的关系,分析了青藏高原大气总水汽量的时空变化特征及其成因。结果表明:GPS遥感的大气总水汽量与探空观测结果吻合得较好,2001年那曲站两种结果相比均方根误差仅0.15 cm;大气总水汽量与地面水汽压之间有良好的相关关系;不同季节高原上基本都存在3个明显的大气总水汽量高值中心:即东南部、西南部和西北部;高原大气总水汽量分布的季节变化与500 hPa风场及整层大气水汽通量的变化关系密切。     

“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.     

那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。     

青藏高原地气耦合系统及其天气气候效应:第三次青藏高原大气科学试验

由于青藏高原（简称高原）是影响中国极端天气和气候事件的关键区,对天气、气候预报有重要影响。因此,中国气象局、国家自然科学基金委员会、中国科学院共同推动了"第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）"工作。自2013年的预试验开始,TIPEX-Ⅲ在高原西部狮泉河、改则和申扎新建全自动探空系统,填补了高原西部缺少常规探空站的空白;在高原中、西部建成土壤温、湿度观测网;实施了高原尺度和那曲区域尺度的边界层观测,那曲多型雷达和机载设备的云降水物理特征综合观测,高原多站的对流层-平流层大气成分观测。在研究成果方面,项目结果指出,在高原中、西部草原、草甸和裸土下垫面状况下地表热量湍流交换系数和感热通量明显低于过去较早的估计值;高原主体的对流云活动主要不是来自南亚季风区的向北传播,而可能是局地发展所致;揭示出那曲对流云日变化特征、云宏微观特征以及云中水不同相态之间的转化机制,提出了夏季高原加热在维持亚洲大气"水塔"中的作用,以及高原加热对亚洲、非洲、北美洲气候的调节作用。在数值预报模式中,Γ分布比M-P分布更适合于高原雨滴谱特征,通过改进高原热传导过程参数化方案可以降低模式中高估的地表感热,并提升模式对中国中、东部雨带的模拟能力;此外,考虑青藏高原关键区信号可以提升中国中、东部降水的预报技巧。TIPEX-Ⅲ还带动了地面和高空常规观测、天气业务雷达和风廓线雷达等观测数据加工处理业务技术的发展,提升了中国国家级土壤湿度、水汽含量等遥感产品和高分辨率多源降水融合产品的质量,促进了气象监测、预报和数据共享业务的发展。      

基于一维变分算法的红外高光谱(IASI)卫星遥感大气温湿廓线研究

大气温湿度廓线是大气重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,研究了基于Metop-A/IASI红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM模式和WRF模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳3个地区开展了反演试验。以探空为标准的反演结果对比显示,使用WRF模式预报值作为背景场,温度的平均误差绝对值小于0.6 K,均方根误差为0.89 K;水汽混合比的平均误差绝对值小于0.021 g/kg,均方根误差为0.02 g/kg。试验结果表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。     

探空观测资料在西南暴雨中的同化试验

利用探空观测资料、T213资料、NCEP再分析资料以及GRAPES三维变分同化系统,研究不同探空观测资料预处理过程对同化结果和西南暴雨预报的影响。得到以下主要结论:(1)资料接收方式和取资料的截断时间不同会影响可用探空观测资料的站点个数。不同探空观测资料预处理过程,使同化系统得到的可用资料数量不同。(2)同化系统同化的探空资料数量越多,对背景场调整幅度越大。(3)利用GRAPES 3D-VAR系统同化探空观测资料能够改善背景场质量,随着同化的资料条数增多,对背景场的改善作用越明显。(4)降水预报结果表明,同化系统使用的资料条数越多,降水中心强度越接近实况。(5)2005年7月降水预报在西南地区的TS评分结果表明,国家气象中心使用的探空观测资料预处理程序优于成都区域中心的预处理程序。      

青海高原不同地区大气水汽含量对比分析

利用青海省4个探空站和NCEP格点站的大气水汽含量及对应地面站温度和降水资料,对比分析青海高原不同气候区的大气水汽含量及其与气温、降水之间的相互关系。结果表明:青藏高原地区NCEP水汽含量与L波段探空估算的水汽含量变化趋势基本一致。4站大气水汽含量的季节和旬变化特征有明显差异,测站海拔越低大气水汽含量越高且与所处地理位置和地形有关,测站海拔越高时大气水汽含量与大气环流和天气系统密切相关。大于10 mm降水与水汽含量呈正比关系,水汽转化为降水的转化率较高;小降水和无降水与水汽含量关系不明确,水汽转化为降水的转化率较低。虽然降水与温度和水汽含量有一定的正比关系,但青海高原地区降水的产生过程复杂,因而不能用温度和大气水汽含量完全确定能否产生降水。     

2008年1月我国南方持续雨雪过程的诊断分析

采用T213L31产品模式大气资料,对2008年1月我国南方雨雪过程的天气尺度的凝结函数降水、水汽通量辐合降水,以及对流不稳定与层结湿不稳定降水做诊断计算.结果表明,大尺度稳定性上升运动的凝结函数降水场和天气尺度波动的水汽通量辐合降水场,可以反映西风带天气系统,进而反映长波调整与更替及伴随"槽来脊去"的大尺度水汽场相变...     

对流天气系统自动站雨量资料同化对降雨预报的影响

利用GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统,针对对流天气系统特点,用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子,同化广东省自动站记录的对流天气系统的雨量资料,并且与同化探空资料进行了比较.在雨带有明显改进的区域,分别同化这两种资料都可以调整大气低层水汽辐合增加(或辐散),对流层中下层增暖增湿(或变冷变干),从而增加(或减少)降水,表明降水的同化方案对初始场的调整在一定     

初夏孟加拉湾风暴活动期间青藏高原大气环流的异常特征

利用1979-2013年美国关岛联合台风警报中心(JTWC)孟加拉湾热带气旋数据以及美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)发布的2.5°×2.5°再分析资料、0.5°×0.5°降水格点资料,分析了35年初夏(5月)17个北上孟加拉湾风暴活动期间青藏高原及其周边地区降水、大气环流、水汽和热量收支及其气候异常特征,探讨孟加拉湾风暴活动对青藏高原大气环流的可能影响。结果表明:初夏孟加拉湾风暴活动期间,我国降水主要分布在青藏高原南侧、西南和华南地区,并相对于初夏气候平均表现为正异常。风暴北上过程伴随南亚高压北上,南支槽加深,青藏高原切变系统活跃等环流特征。与初夏平均相比,青藏高原东南部大气上升运动异常增强。同时受北上孟加拉湾风暴水汽和热量输送影响,该区域视热源和视水汽汇呈正异常区,而风暴影响下垂直运动增强是其热量和水汽收支异常的主要原因。     

从水汽角度对青藏高原东南侧高空探测布局的分析

水汽是大气探测最关心的要素之一。从青藏高原东南侧出发,以NCEP再分析资料为基础,利用水汽气候诊断方法结合区域地形研究了该区域的水汽分布、输送与辐合辐散特征,并讨论了探空站布局。水汽输送分布与大气可降水季节差异均表明,青藏高原东南侧是夏、秋季东亚季风和南亚季风影响的季风过渡区,也是东亚地区最主要的水汽通道之一,尤其在秋、冬、春季此通道的水汽输送更为关键。青藏高原东南侧的大气可降水量比西南侧明显要大,这与低纬高原和青藏高原南侧南凸弧形构成的地形组合有着密切关系。青藏高原东南侧地形对水汽辐合、辐散的影响具有复杂性和特殊性,既有经向、纬向差异也有高低层差异。复杂的水汽分布及输送特征需要加强水汽探测。通过对水汽探测关键区的量化研究表明,滇西北—藏东南—缅北地区、滇东—黔西地区以及滇西南地区是观测需求较为显著的区域。     

同化常规资料对重庆地区一次大暴雨过程的数值模拟研究

利用常规观测资料以及小时观测降水量资料,对2014年8月31日—9月2日重庆地区一次大暴雨过程进行分析,在此基础上采用中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF 3D-Var将常规探空观测资料同化进NECP/NCAR再分析资料产生初始场,对比分析同化与未同化常规探空资料的模式模拟的降水量分布特征及同化探空观测资料对模式模拟的中尺度系统结构特征的影响。结果表明,此次暴雨的发生是在对流层高层200 hPa南亚高压与高空急流造成的高层辐散、500 hPa大槽靠近以及副热带高压西移这种有利的大尺度环流背景下,对流层低层的西南低涡、切变线、低空急流在重庆地区发生发展的结果。对比分析模式的模拟结果,两次模拟都较好地再现了此次暴雨过程的大尺度环流特征,同化探空观测资料后模拟的降水落区分布及量级得到改善,对暴雨以上量级的降水改进尤为明显。模式初始时刻分析场的增量表明,与此次暴雨过程的形成发展密切相关的大尺度系统(南亚高压、副热带高压)、中尺度系统(低涡、急流)以及水汽输送在初始场同化常规探空资料后均得到了增强,这为对流系统的发展维持提供了更加有利的条件。降水最强时刻强降水区域的垂直结构分析显示,在同化探空观测资料后,模式模拟的散度、涡度、垂直速度以及大气热力结构的强度和高度较未同化探空资料的结果都得到了不同程度的增强,这表明同化探空观测资料改进了模式初始场的分布特征,进而对模式模拟的中尺度对流系统的结构产生重要影响。     

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

高分辨率MRI模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟

本文使用MRI模式在不同分辨率下(180 km、120 km、60 km、20 km)的AMIP试验结果, 分析了该模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟, 并考察模式分辨率的影响。结果表明:MRI模式能够较为合理地模拟出青藏高原夏季气候平均的降水空间分布, 但对气候平均水汽输送通量以及降水年际变化的模拟却存在较大的误差。随着分辨率的提高, 该模式对青藏高原气候平均降水的模拟有明显改进, 包括降水年循环以及夏季降水的空间分布等。分辨率为180 km、120 km、60 km、20 km的MRI模式模拟的青藏高原7月平均降水绝对误差分别为2.2 mm/d、1.2 mm/d、0.7 mm/d、0.2 mm/d。另外, 高分辨率模式模拟的青藏高原夏季水汽输送通量的年际变化也更接近观测。当分辨率达到20 km时, MRI模式模拟的西风水汽输送指数与观测的相关系数达到0.43, 通过了0.1显著性水平的显著性检验。但MRI模式对青藏高原夏季降水的年际变化以及气候平均水汽输送通量的模拟技巧并不随分辨率的增加有明显提高。低分辨率模式中模拟降水量偏大、印度季风槽偏强的现象在高分辨率模式中仍然存在。     

西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构研究

利用第二次青藏高原(下称高原)综合科考"地-气相互作用与气候效应"立体综合加强期观测试验2019年5月、7月和10月珠峰、林芝、那曲和狮泉河站点的探空资料及ERA5再分析资料.探讨在西风南支与高原季风不同风场控制下高原大气边界层结构特征及其与感热潜热通量的关系.结果表明:西风南支风场下各站点大气边界层高度较高原夏季风风...     

青藏高原大气可降水量单站观测对比分析

为了探讨青藏高原大气可降水量观测资料的可靠性,对2015年6-9月西藏申扎、改则和那曲3站地基GNSS遥感的大气可降水量、同址探空观测的大气可降水量、风云三号可见光红外扫描辐射计反演的晴空大气可降水量、MODIS大气可降水量和NCEP可降水量进行对比分析。结果表明:探空可降水量和地基GNSS可降水量的偏差较小,均低于2.5 mm。风云三号可降水量明显偏低,与其他观测结果的偏差超过6 mm。全自动探空可降水量离散程度较L波段探空大,均方根误差超过4 mm。