基于CloudSat资料的中国及周边地区云垂直结构统计分析

利用2006年7月-2009年2月的CloudSat 2B-GEOPROF-LIDAR资料,分析了中国及周边地区(0°～60°N,70°～140°E)的云垂直结构分布特征,并根据气候特征的地域差异从该区域选出8个子区域,逐区统计了云垂直结构特征.结果表明:整个研究区域内61%的云为单层云,39%的云为多层云,其中77%...     

中国及周边地区多层云垂直结构时空分布特征

利用CALIPSO激光雷达1km水平分辨率的云层产品,计算了中国及周边地区（0°~55°N,70°~140°E）多层云的出现概率,对不同高度多层云的水平分布及其季节变化特征进行了统计分析。结果表明:多层云的出现概率存在显著的区域差异,青藏高原和蒙古高原出现的概率较低,30°N以南的低纬度地区出现的概率较高;多层云系统中双层云占比最大,并且云层发生概率随着云层数的增多而减小;不同高度双层云和三层云的分布特征类似;多层云出现概率夏季最大,冬季最小,其中夏季双层云中“高云+高云”、“高云+中云”和三层云中“高云+高云+高云”、“高云+高云+中云”的配置在青藏高原主体的出现概率最大,而冬季单层云的低云、双层云中“高云+低云”及三层云中少量的“高云+高云+低云”配置在中国东北部海域、南海北部等30°N以北地区的出现概率高于其它季节。      

基于CloudSat资料的中国及周边地区各类云的宏观特征分析

利用2006年7月—2009年4月的CloudSat2B-CLDCLASS云分类资料,针对中国及周边地区(0°—60°N,70°—140°E)各类云量和垂直结构参数的地理分布及季节变化进行了统计分析,并根据气候特征的地域差异从该区域选出8个子区域,逐区统计了各类云的垂直结构特征。结果表明,各类云量的分布存在较明显的区域差异和季节变化;青藏高原和帕米尔高原地区卷云、高层云和高积云等中高云的高度和厚度相对较小,陆上深对流云的云底高度大于海上,而热带、副热带地区云顶高度大于中纬度地区;除积云、层积云和雨层云外,中国南方地区其他各类云的云层厚度均大于北方地区;除了层积云外,其他各类云的云顶高度在各区域都存在比较明显的季节变化,低云云底高度的季节变化和区域差异都很小,而中高云的云底高度除了在印度洋季风区、南海和西太平洋地区季节差异较小外,其他地区季节差异较明显,各个地区在任何季节内,深对流云厚度最大,层积云最小;各类云出现频率随高度的分布具有较明显的区域差异;卷云与高积云的相关性比较强,经常相伴出现,夏季更加明显,而雨层云和深对流云之间相互排斥,两者几乎不可能同时出现。此外,统计中国及周边地区各类云的水平均一性发现,中...     

亚洲季风区经度范围内低纬地区环流变化的一些关联现象

研究不同地区环流之间的相互关联是一个重要课题。本文利用[1—4]等资料对东半球低纬度地区做了一些天气气候分析。对气压资料的分析表明,东南亚、澳大利亚、印度、南太平洋西部、印度洋及非洲东部一些台站的7月地面气压逐年变化有较好的相关。制作并分析了1975年4—9月亚洲夏季风建立和发展过程中各月和候的合成云图。发现在印度季风爆发的同时,东半球的主要环流系统都有一次相应的突变。此外,对比研究了亚洲季风区内M_1区(65°—75°E,30°S—30°N)、M_2区(105°—115°E,30°S—30°N)及太平洋T区(145°—155°E,30°S—30°N)的旬平均云量变化,发现在M_1、M_2区南、北半球的云量变化趋势有较好的相关,而在远离大陆的T区,南、北半球云量变化趋势相关差。对其它资料的分析也表明,南、北半球低纬度大尺度环流变化在亚洲季风区范围比在非季风区有更好的相关。     

FGOALS2两个模式版本对青藏高原东侧冬季层云的模拟特征

冬季青藏高原东部（22°N～32°N，102°E～118°E）层云区是唯一存在于副热带陆地的层云密集区，环流特征较为复杂，大多数耦合气候系统模式对该地区层云的模拟存在较大的偏差。对该地区层云模拟能力的系统分析评估是改进模式性能的重要基础。本文基于国际卫星云计划（ISCCP）卫星资料，评估了中国科学院大气物理研究所两个版本的气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的大气环流模式试验（AMIP）对青藏高原东侧层云的模拟能力。通过分析云辐射强迫等相关特征、大气环流、稳定度、以及地表气温和云的关系，探讨了模式偏差的可能原因。结果表明，两个模式都不同程度地低估了青藏高原东侧的低层云量和云水含量。在垂直结构模拟方面，FGOALS-s2模式能较好地模拟出高原东侧低云主导的特征，其模拟的云顶高度与卫星资料更为接近；而FGOALS-g2模式则高估了该地区的平均云顶高度。分析表明，两个模式均低估了高原东侧的低层稳定度，同时不同程度地低估了该地区中低层水平水汽输送，导致层云云量的模拟偏少。此外，FGOALS-g2高估了高原东侧的上升运动和垂直水汽输送，使得模拟的低云偏少而云顶高度偏高。     

南海地区总云量的气候特征研究

采用EOF展开、小波分析、Mann-Kendall突变分析等方法,利用国际卫星云气候计划(ISCCP)提供的月平均云气候资料集,分析了南海地区总云量的气候特征.结果表明:①总云量表现为南北型的空间分布特征,分界在16°N附近,以北区域主要受南北热力差异影响,以纬向分布为主;以南区域主要受海陆热力差异影响,沿海岸线分布....     

初值协调性对模式数值积分结果的影响

利用国家气候中心新一代全球大气环流模式BCC_AGCM2.0.1,考虑了初值协调性对模式数值积分结果的影响,进行了两组数值回报试验(简称S1,S2),对27年(1980～2006年)的夏季基本气候态进行了对比分析,并考察了该模式对夏季气候的回报技巧。使用交叉检验的方法,计算了对模式结果的评估参数值,包括时间和空间距平相关系数,对该模式性能进行了评估和检验。结果表明,BCC_AGCM2.0.1对季节尺度的大气环流场具有良好的模拟性能,模式基本上再现了观测位势高度场、温度场、流场的分布特征以及大尺度降水分布特征。500 hPa位势高度、温度空间距平相关系数对比表明,平均而言,500 hPa位势高度、温度的空间距平相关性,热带区域(30°S～30°N)高于东亚区域(0°～60°N,60°E～150°E)和全球区域。回报与观测的降水距平百分率相关系数分布对比表明,试验S2在我国江淮地区及南方地区的回报技巧要明显优于S1。     

全球变暖与亚洲夏季风北边缘带:CO2增倍的数值模拟

利用NCAR CAM3全球大气环流模式(包含CLM陆面模式)进行了20年(1998-2017年)CO2增倍的数值试验,并通过计算海陆热力差异,分析了环流形势、雨带分布和云量特征等物理量,研究了全球变暖对东亚夏季风北边缘带的影响。结果表明,CAM3大气环流模式能较好地描述东亚地区大尺度环流的季节变化特征,当CO2含量成倍增长后,将对亚洲经度范围内的夏季风北边缘的位置产生不同的影响,具体表现为100°～123°E地区北边缘位置偏北明显,100°E以西略偏北,123°～132°E略偏北幅度很小,132°E以东呈现出一定的偏北趋势。其原因可能是由于陆地增温有利于青藏高原低层气旋性环流的加强以及北半球纬向海陆热力差异的增加,从而导致我国西南和东南方向向北的水汽输送明显增加。研究表明,南北半球的海陆热力差异无明显变化,南北半球间的相互作用与北半球夏季风增强无明显的联系,两者的关系还有待进一步研究。     

南海和西北太平洋台风复杂路径的气候分析

应用1949—1981年资料,对5—25°N,105—135°E范围内5—11月出现的台风复杂路径进行了气候统计。并结合天气学做了分析. 复杂路径台风约占区内台风总数的1/3.各类复杂路径的月分布有相对集中期,这与大尺度热带环流的季节变化有关. 台风复杂路径转折点的地理位置与大尺度环流系统的月平均位置有一定的对应关系.     

根据GMS-IR观测资料推断的大尺度云场分布及其季节变化

本文利用GMS-IR云图资料研究了90°E-170°W,50°S-50°N范围内云的分布和云季节变化的大尺度气候学特征.定量描述了自1984年6月至1986年6月3年间(1984年6月除外)云顶高度在700hPa以上的大尺度云场分布及其季节变化.通过算得高云量(云顶高于400hPa)与高、中云量(云顶高于700 hPa)的比率以及考察被云覆盖的1°×1°区域内云顶高的标准差研究了云顶高度和云型的分布和季节变化. 研究结果表明,最大云量(～4/10)区分布在150°E以西的热带,次大云量(3/10～4/10)区分布在中纬度的气旋路径带,最小云量(1/10～2/10)区在副高附近.年平均云顶高度在热带高于中纬度.在两半球中纬度的气旋路径带上,云顶高度差异悬殊:最低纬度气旋路径带上的平均云顶高度大大高于其他气旋路径带上的平均云顶高度. 热带季风区内云量的年变化很大(2/10～4/10).此外,在热带季风区大陆及其邻域(大约1000km以内)冬季云顶高度明显降低.这表明在冬季深对流活动在那里受到强烈抑制,可因冷流而加强的强对流活动限于远离大陆的区域.在冬季,自中国南方至日本这一副热带季风区也可观测到云顶高度的降低.在中国南方和东海,云顶高度大的季节变化伴随着云型显著的季节变化:暖季为深厚对流云,冷季为层状中云.除了热带和副热带季风区,深厚对流云在夏季亚洲大陆上甚至可出现在50°N的较高纬度且高云量增加达2/10.这与澳大利亚大陆明显不同,在那里除热带季风区外,全年高云很少(～0.5/10).     

利用星载激光雷达资料研究东亚地区云垂直分布的统计特征

已有研究表明: 云的垂直结构(简称CVS)是一个在卫星资料反演和气候模式预测中很重要的云特征。本文通过利用美国2006年刚发射的卫星CALIPSO (Cloud－Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) 所负载的激光雷达Level 2_05km的云数据, 研究了东亚地区(18°N～53°N, 74°E～144°E) 云的垂直分布特征。结果表明: 东亚地区多层云云量在夏季、秋季、冬季、春季分别为43.6%、29.6%、21.1%、33.3%, 而多层云分布中双层云比例最大。云顶和云底高度除了随季节变化显著外, 还有明显的区域特征。单层云、 双层云以及三层云的云顶和云底高度的数据显示, 三层云中最上层的云顶和云底最高, 并始终高于两层云中最上层云的云顶和云底高度。平均云层厚度季节变化不明显, 其值普遍在0.9～2 km范围之间。而云层间距同样没有明显的季节和区域变化, 其出现的概率随距离的增大而减小。其中, 间距在0.35 km的概率最大, 占到将近50%。而间距在1.45 km附近的概率大约为15%, 高一点的可达到20%。     

基于TRMM卫星探测的南海及周边地区降水、云和潜热特征的比较研究

利用1998—2013年热带测雨卫星（TRMM）3A12资料,对南海及其周边地区降水、云和潜热的三维特征及其变化进行了对比研究,把南海及其周边地区分为四个区域:华南地区、中南半岛、马来群岛、南海。结果表明:（1）地面降水率EOF分析的第一、二模态方差贡献率分别为57.16%和8.72%,第一模态向量场均为正值,降水呈现南多北少的分布特征;第二模态向量场体现了降水变化南北反相的特征,马来群岛降水变化与其他三个区域反相。从两个模态时间系数序列看出,1998—2005年整个区域降水总体减少,区域降水北部增多南部减少;2005—2013年整个区域降水总体增多,区域降水南部增多北部减少。（2）南海及其周边地区降水夏秋季多,春冬季少,降水中心春夏季北移,秋冬季南撤,其中马来群岛夏季降水最少,冬季最多;其它三个区域都是夏季降水最多,华南和中南半岛冬季最少,南海春季最少。（3）赤道附近对流降水为主,23 °N以北区域层云降水为主,5~23 °N之间区域两种类型降水比例随季节变化,其中陆地降水比例随季节变化明显,特别是华南地区陆地夏季对流降水比例大于50%,冬季层云降水比例大于80%;海洋对流降水所占比例普遍大于50%,随季节变化小。（4）云冰、云水含量水平分布大值区与降水大值区相对应;二者随高度先增加后减少,云冰在13 km高度达到最大值,云水在2.5 km高度达到最大。春冬季,马来群岛云冰含量最大;夏秋季,南海云冰含量最大。云水含量在四个季节都以南海最大。（5）潜热加热率水平分布大值区与降水大值区相对应;随高度呈双峰分布,峰值分别出现在1~2 km高度和4 km高度处,春冬季马来群岛潜热加热率最大。      

基于多源数据的“利奇马”台风大气环流、云及降水特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、FY-4A静止卫星资料对“利奇马”生命过程的大气环流特征、云宏观特征进行了分析。针对“利奇马”超强台风期间的一次降水过程,利用GPM卫星的双频降水雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)资料对其进行了宏微观特征分析。结果表明:在“利奇马”生命过程中,西太平洋副热带高压、40°N以北的高空槽脊、(35°N,80°E)的高压以及“罗莎”台风对“利奇马”的发展、移动均产生了重要的影响;其云系分布先后表现为螺旋状、逗点状、中心对称结构以及不规则形状,其南北两侧的云区范围、云顶高度也不断变化;在“利奇马”超强台风期间的一次降水过程中,近地表降水率大致呈环状分布,降水粒子浓度以及降水粒子半径的南北分布与东西分布相差较大,除了云墙降水为对流降水外,其他部分的降水以层云降水为主,层云降水对应的雨顶高度在4.5~12 km,主要集中在5.5~10 km;对流降水对应的雨顶高度在1~12 km,主要集中在2~5 km和6~11 km。     

1979年东亚地区的夏季风环流特征及其与降水的关系

本文用1979年5—8月份美国华盛顿发布的格点风资料(5°×5°网格)、卫星云图、中央气象局出版的《中国高空气象》、历史天气图等资料计算了低纬地区(30°N—10°S)逐日110°E115°E、120°E三个经度上的平均经圈环流。按其环流的主要特征和性质分为三类,然后用合成分析的方法求出各类的平均环流。并分析了其平均垂直环流和水平环流及降水分布,在此基础上概括出各类三维环流图象及其与降水的关系。这些环流型,较好地反映了东亚夏季风环流的季节特征和环流特征。      

北半球大气冷热源的分布及其与大气环流的关系

本文用两层模式,以月平均温压场资料倒算了1954—73年北半球大气冷热源(1、4、7、10月)的分布,经过分析得出一些初步认识。冬季的冷热源在范围上与强度上都较强大。热源以欧亚东岸地区最强,冷源以北美大陆较强。夏季冷热源较弱,其位置大体上与冬季相反。春、秋季的冷热源分布特点介于冬、夏之间,但秋季较接近于冬季。60°N与40°N的年变化较明显;50°N与赤道附近地区则相反。本文也计算了1976年的冷热源分布,其趋势与多年平均相似,但7、10月强度较明显些。文中指出,用动力学方法计算的冷热源与高空环流配合较好。冬季,在明显热冷源地区一般对应高空槽(高空脊);夏季相反,而且位置也有一定偏离。冷热源南北分布的季节性变化是大气环流季节性变化的重要原因之一     

从海平面气压场的波谱分析比较南、北半球大气环流的变化

本文应用沿纬圈的谐波分析,对1951—1960年各年逐月南、北半球海平面气压进行分解,对比两个半球的副热带(30°N,30°S)及中纬度(50°N,50°S)的超长波活动发现:(1)南、北两个半球月平均大气环流都存在有性质不同的两类变化,即季节性变化与非季节性变化。在海陆对比明显的北半球,不论西风带还是副热带季节性变化都比较清楚。而南半球仅副热带季节性变化明显,西风带则是非季节性变化占优势。(2)南、北两个半球大气环流的季节变化,都有明显的年际差异。通常,北半球夏季建立(南半球是夏季结束)的年际差异大,北半球夏季结束(南半球是夏季建立)的年际差别较小。(3)超长波位置的年际变化与海陆分布有密切关系。陆地面积大的地区,占优势的超长波位置比较稳定,在几乎全为海洋的50°S,则超长波无论占优势与否,波槽位置的年际变化都较大。     

中国东部高空颠簸时空分布特征及其与热带中东太平洋海温的关系

本文利用1979～2014年NCEP-DOE日平均再分析资料和中国区域2375份航空器空中颠簸报告资料,研究中国东部区域高空颠簸的时空分布特征及其与热带中东太平洋海温异常（简称“海温异常”;空间范围:5°S～5°N,120°～170°W）的关系以及产生这种关系的可能原因。结果表明:中国东部地区高空颠簸与东亚副热带西风急流之间存在显著时空相关关系,其原因是高空纬向风引起的垂直风切变是构成高空颠簸时空分布的主导因素。中国东部夏季高空颠簸与海温异常存在正相关关系;冬季呈现南北两个正负相关区:以30°N为界,北部区域存在显著的负相关,南部区存在显著的正相关,在30°N急流轴附近区域无显著相关关系。海温异常影响中国高空颠簸时空分布的可能原因是海温变化引起对流层高层温度出现异常,进而影响温度的经向梯度,导致东亚副热带西风急流强度和位置出现异常（夏季,急流轴南侧出现西风异常;冬季,急流轴北侧出现东风异常,南侧出现西风异常）。高空纬向风的变化导致纬向风的垂直梯度和经向梯度出现异常,最终影响高空颠簸的时空分布特征。对流层高层温度的异常变化可能是由与热带海温异常相关的平流层水汽变化所引起。     

CPR雷达探测北半球夏季多层云系结构统计特征分析

利用2007~2010年北半球夏季（6~8月）CloudSat卫星搭载的云廓线雷达（Cloud Profile Radar,CPR）探测结果对0°~60°N区域单层、双层和三层云系的水平分布、垂直结构特征及各云层云类组成、云水路径等物理量分布进行分析。云量的统计结果表明CPR探测的单层、双层和三层云系的云量分别为36.63%、8.26%和1.40%,云量的水平分布表明其高值区主要位于对流旺盛区域,且高值区的云层云顶高、厚度大,而低值区则多位于副热带高压区域。对不同云类的出现频率统计分析结果表明,单层云系中各云类的出现频率相近;多层云系的上层以卷云为主,下层以层积云为主。对比海陆差异发现洋面卷云和层积云的出现频率显著高于陆面,但高层云和高积云的出现频率低于陆面。云水路径分析表明,单层云系的冰水路径和液水路径均最大,而在多层云系中云层越高、厚度越大、冰水路径越大,液水路径则随着云层的降低增大。     

基于Aqua/CERES数据的辽宁省云宏微观特征及其与降水的相关性研究

利用2014—2015年的云和地球辐射能量系统CERES Aqua Edition 4A SSF的云产品以及地面小时降水数据,对辽宁地区(38.5°N—43.5°N、118.5°E—126°E)云宏微观特征参量的时空分布进行分析,并研究各参数与降水的相关性,建立基于云光学厚度(COD)与云水路径(CWP)的降水云识别指标。结果表明,夏季云层发展旺盛,云量(CF)、COD、云顶高度(CTH)以及CWP值均较高,平均值分别为62.7%、17.9、6.5 km和252.1 g·m~(-2),而冬季云参数的值最低,分别为48.3%、7.0、3.4 km和106.2 g·m~(-2),仅云粒子有效半径(ER)显著高于其他季节。受地形影响,西部地区(122°E以西)的成云条件较东部差,除CTH较高外,其他云参量均较东部偏低。除云顶气压(CTP)和云顶温度(CTT)外,CF、COD、CWP和ER均随降水强度的增加而增加,说明云层越深厚降水强度越大,云含水量越高,粒子尺度越大。筛选出的与降水强度相关性最高的COD与CWP作为降水云识别因子,利用TS评分及HSS评分方法,选取评分值最高时对应的COD和CWP作为降水云的识别阈值,分别为35和415 g·m~(-2)。     

北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。