一个适用于我国北方的沙尘暴天气数值预测系统及其应用试验

将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平发展的具有清晰风蚀物理学概念的起沙数值模式、输送模式与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合,以高精度中国区域的GIS(Geographic Information System)数据为基础,建立了一个较完整的沙尘暴起沙和输送过程的预测系统.该预测系统可以预测地面起沙率和大气中沙尘浓度.在此基础上,采用该系统对2002年3～4月3次影响我国北方大部分地区的沙尘(暴)天气的起沙和输送过程进行了模拟试验.试验结果表明模拟的沙尘浓度与地面天气现象及卫星云图的沙尘天气范围比较一致,预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力.北方上述大范围沙尘天气的沙尘源地为蒙古国的南戈壁省、东戈壁省,内蒙古中西部,河北省北部,山西省东北部,甘肃和青海北部等地区.起沙中贡献最大的粒子粒径为2～11μm和11～22 μm,能够长时间、长距离输送的沙尘也是上述大小的粒子,沙尘粒子的垂直输送高度一般在500 hPa以下.     

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,Nested Air Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况.模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论; 在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据; 利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大; 发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟; 研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律.在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究.系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报.未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统.     

影响三大洲的北非强沙尘暴动力机制WRF-chem模拟与分析北大核心

基于WRF-chem模式对北非2018年3月下旬的典型强沙尘暴过程进行模拟,分析了此次强沙尘发生季节、持续时间、局地特征以及传输路径的关键动力系统与动力机制。鉴于起沙是沙尘暴发生的关键点之一,并且起沙主要取决于风力和下垫面沙源性质,本文测试了三种起沙参数化方案的影响,并将模拟结果与卫星MODIS监测及其再分析资料MERRA-2进行了对比,又经系列统计方法检验。结果显示,宏观思路的起沙方案GOCART比AFWA和UoC两种起沙方案更适合此次大尺度强沙尘暴数值模拟(锋面跨度接近60个经度)。综合沙尘暴关键系统的动力机制分析和数值模拟结果显示,强沙尘暴关键系统为深厚的西风槽、沙尘冷锋锋面和锋后的地面高压反气旋。北非中部深厚的西风槽为后倾槽,该系统稳定,造成沙尘暴持续时间长。沙尘暴锋后反气旋中的下沉气流抑制了扬沙向高层扩散,造成低层能见度恶劣。沙尘锋区结合了动力、热动力以及湿热动力不稳定,因此锋区风力大,地面沙尘驱动力强。而西风槽和强大反气旋依托环流形势,提供了沙尘传输到三大洲的长途输送力。     

沙尘天气过程起沙特征的观测试验和参数化研究进展

沙尘天气过程研究中,起沙过程是沙尘传输和沉降的基础,沙尘模式中的起沙参数化方案决定了能否准确模拟和预报沙尘天气。试验观测和数值模拟是研究起沙过程的重要途径。基于风蚀起沙的物理机制,总结了起沙机制和起沙特征的研究成果,介绍了风蚀起沙的主要影响因子,回顾了起沙关键参数（临界起沙摩擦速度（u*t ）或临界起沙风速（Ut ）、水平跃移沙尘通量（Q）和起沙通量（F））的试验观测及其沙尘模式应用中的参数化方案,并讨论了不同起沙参数化方案的应用与校验。同时,针对目前研究中存在的问题和今后可能的研究方向提出建议。     

一个改进的沙尘天气数值预测系统及其模拟试验

在中尺度气象模式最新版本MM5V3.7的基础上,通过与一个起沙模式的耦合,建立了一个新的中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)沙尘天气数值预测系统(IAPS 2.0).该系统与IAP原有的沙尘天气数值预测系统(IAPS 1.0)最主要的差异在于气象模式中陆面过程模式的改进.利用改进前后两个版本的预测系统对2002年4月发生在我国北方地区的两次较强沙尘(暴)过程进行了数值模拟,并与观测实况进行了比较,结果表明改进的系统对沙尘天气的预测能力比改进前的版本有显著的改进,这主要是由于新的陆面模式改善了地表土壤湿度的模拟,进而改进了决定起沙与否的关键因子临界摩擦速度的模拟,从而提高了预测系统对起沙范围和强度的模拟效果.总的说来,采用了更为先进的Noah陆面模式的IAP沙尘(暴)天气数值预测系统对中国北方春季沙尘(暴)天气过程具有更好的模拟能力.     

2009年4月北方一次强沙尘暴过程的特征分析和数值模拟

利用观测资料对2009年春季4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素(气温、气压、风速)变化和PM10进行分析.结果表明:蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴的主要影响系统;沙尘暴过程前后温、压和风速有剧烈变化;PM10的强度能较好地反映沙尘暴强度.在观测资料分析基础上,利用沙尘暴数值预报系统对此次过程进行了模拟,采用模拟结果对地面沙尘浓度和起沙进行了分析.结果表明:模式能较好地模拟出这次沙尘天气的时间和空间演变特征,模拟沙尘浓度大值区与强沙尘暴的范围较为一致,比较白天早间和下午的沙尘浓度分布,发现其具有日变化;这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是南疆塔里木盆地、甘肃、内蒙古的西部及蒙古国南部,垂直沙通量超过50 mg·m2·s-1;沙尘浓度垂直输送的高度在550hPa以下,起沙后的沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离地输送;对不同地区起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同,但是对起沙量贡献最大的是粒径在2μm相似文献   

中国地区沙尘气溶胶输送过程的数值模拟

本文建立了一个包含沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积过程的气溶胶输送扩散模式．并和中尺度气候模式RIEMS相连接研究了1998年1月、4月、7月和1997年10月的沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积的过程。计算1998年1月、4月、7月和1997年10月气溶胶浓度及其分布．并和这四个月份的平均起沙分布以及北京、郑州和南京的实例沙尘分布作了比较．结果表明我国起沙多发生在春季．同时春季也是我国沙尘强度最大的季节。沙尘在我国西北的沙地和沙漠地区起沙后．向我国的东南方向输送．在输送过程中沙尘浓度逐渐降低。     

几种起沙方案对东亚风蚀起沙模拟的比较

针对源区起沙的不确定性,整理并选取了国际上最具代表性的几种起沙方案,结合中尺度气象模式MM5V3．7输出的高分辨率气象资料,将其应用于东亚地区一次强沙尘暴天气过程的源区起沙模拟研究,利用地面观测实况和卫星监测图像资料,比较了它们对东亚起沙源的模拟效果和差异。结果表明,两种起沙方案的模拟效果较好且性能稳定。     

非结构网格空气质量模式对东亚强沙尘暴的初步模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量数值预报模式(NAQPMS)和英国帝国理工学院应用计算与建模小组(AMCG)研制的有限元流体模式(Fluidity),构建了非结构网格沙尘传输模式(Fluidity-Dust),并模拟再现了2010年3月19~22日东亚强沙尘暴整个暴发、演变的三维立体动态过程,从整体上对这次沙尘事件有了全新的直观认识和了解。通过利用FY-2D卫星沙尘反演资料及MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD)资料,可对模拟结果进行整体上对比验证;同时,利用中国9个城市站点的PM10(空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,即可吸入颗粒物)地面观测资料以及日本多个站点的激光雷达资料,逐一对比分析了不同地区PM10的时空分布以及沙尘传输经过时的垂直分布情况;并与NAQPMS模式的沙尘模拟结果进行了模式间的对比分析。对比结果均表明:该模式具有较好的模拟能力,能很好地模拟再现整个沙尘暴过程,为今后进一步运用自适应变网格技术以实现对沙尘暴的高精度追踪模拟奠定了基础。不同模式比较是量化模拟不确定性的重要方法。以往沙尘输送模式比较研究表明:起沙量模拟的不确定性是沙尘暴数值模拟的最大不确定来源。本文通过两个具有相同起沙方案的模式对同一沙尘事件的模拟,发现不同的平流方案以及不同的沉降计算也会对沙尘过程模拟产生重要影响。     

一次引发华北和北京沙尘(暴)天气起沙机制的数值模拟研究

在对气象背景场进行诊断分析的基础上,集中对一次沙尘(暴)天气的起沙机制进行了数值模拟.具体做法是先将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平博士发展的具有清晰物理概念的起沙数值模式(非参数化方案),与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合.使用该模式系统,根据陆面状况和大气条件,定量模拟出沙尘(暴)起沙的过程.对2000年4月6～7日发生在华北和北京的一次沙尘暴过程的数值试验结果表明,该模式对沙尘天气的起沙过程有较好的模拟能力.     

我国北方地区对流层中下层臭氧收支

为了揭示我国北方地区对流层中下层臭氧(O₃) 的形成机理以及周边地区的污染输送对我国北方地区对流层中下层O₃收支的影响, 在与外场观测数据比较分析的基础上, 利用全球化学输送模式(MOZART-2) 采用收支分析方法定量分析了影响我国北方地区对流层中下层O₃的各个物理化学过程。结果表明:我国北方地区对流层下层O₃最重要的来源是光化学生成作用, 约占总来源的58.3%(41.5 Tg), 光化学生成反应中HO₂对于O₃生成的贡献最大; 最大的汇是干沉降过程, 约占总汇的43.2%(26.2Tg); 水平净输送作用对我国北方地区对流层中下层O₃收支的影响非常大, 在我国北方地区对流层下层, 41.6%左右的O₃来自水平净输送, 随高度增加, 水平输送影响增大, 我国北方地区对流层中层大约81.5%的O₃来自水平净输送。     

MJO对2018年华北夏季降水的影响

本文基于华北夏季降水资料和热带大气季节内振荡（Madden–Julian Oscillation，简称MJO）指数、NCEP/NCAR（美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心）再分析环流资料，采用多种统计方法分析MJO与2018年华北夏季降水的关系及影响机制。结果表明:（1）MJO与华北夏季降水有密切的联系。虽然MJO不能移到较高纬度直接影响华北夏季降水，但MJO对流区的气旋会在其北侧激发出反气旋环流，这对“气旋—反气旋对”在缓慢东移过程中，处于较高纬度的反气旋会直接影响华北夏季降水。即MJO会间接影响华北夏季降水，表现为当夏季MJO进入5、6位相时，华北地区夏季会出现明显降水过程，但降水强弱与MJO振幅大小有关。（2）影响机制方面。在850 hPa，伴随MJO的“气旋—反气旋对”的东移，它会造成华北夏季偏南风水汽输送加强（对应RMM1）或东南风水汽输送加强（对应RMM2），从而有利于降水过程发生。在500 hPa层，MJO通过中层扰动向中高纬的传播，诱导副热带高压移到朝鲜半岛附近并加强，对西来高空槽形成阻挡作用，有利于华北地区产生上升运动，从而有利于华北夏季降水过程发生。（3）可以用MJO制作华北夏季延伸期降水过程预报。     

区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异.结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进.分析显示两种模式都能够较好地再现东哑地区气候平均夏季大气水汽储量浅红和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理.在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向卜的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季早涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进.但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差.     

1999—2008年夏季华北冷涡的异常特征

利用1999—2008年5—8月中国160站月平均气温资料、每日2次的MICAPS资料及每日4次的NCEP 1°×1°资料,通过定义一个夏季华北冷涡强度指数(NCCVI),研究了夏季华北冷涡异常年西太平洋副高、东亚季风、高空急流及低层垂直运动的异常特征。结果表明：夏季NCCVI异常强年500 hPa上贝加尔湖地区有气旋性环流发展,从贝加尔湖至我国华北地区为一显著的高空槽所控制,冷空气较活跃并随槽后引导气流扩散南下影响华北地区。对流层各层偏暖湿,200 hPa上高空急流偏强,700 hPa上高纬冷涡后部偏北气流加强,低纬偏南气流加强,冷暖空气在华北交汇,华北和东北地区低层上升运动发展。同期副热带高压偏强,位置略偏南;东亚夏季风偏强, 加强了水汽输送。夏季NCCVI异常弱年相反。     

Analysis and Numerical Simulations of the Teleconnection Between Indian Summer Monsoon and Precipitation in North China

In the early 1980s, Chinese meteorologists discovered the positive correlation in summer rainfall between India and North China and the correlation was later confirmed by some researches in and outside China. Based on a variety of meteorological data from 1951 to 2005 and numerical simulations, the present study investigates such a correlation between Indian summer monsoon （ISM） and precipitation in North China. Furthermore, we discuss the intrinsic relations of the positive （Northwest India）-negative （the Tibetan Plateau）-positive （North China） precipitation anomaly teleconnection pattern from two aspects of thermal and dynamical factors, which not only confirms the precipitation teleconnection previously discovered again, but also reveals the influence mechanism of the ISM on the rainfall in North China. The results show that： （1） When the ISM is strong （weak）, the precipitation in North China tends to be more （less） than normal; however, when the rainfall in North China is more （less） than normal, the probability of the strengthening （weakening） of the ISM is relatively lower. This implies that the ISM anomaly has more impact on the rainfall in North China. （2） The Indian low usually dominantly impacts the intensity of the ISM. When the Indian low deepens, the low troughs in mid-high latitudes are frequently strengthened, and the ridge of the western Pacific subtropical high （WPSH） extends westward. The southwesterly water vapor transport originated from low-latitudes and the southeasterly water vapor transport along the southwestern flank of the WPSH converge in North China, which is favorable for more rainfall there than normal, and vice versa. （3） The simulations from the regional climate model developed by National Climate Center （ReGCM_NCC） capture the salient feature of the precipitation teleconnection between India and North China. The simulated anomalous atmospheric existence of such a teleconnection from another circulations are close to observatio     

一次强沙尘暴过程的动量下传诊断分析

动量下传对沙尘暴的发生发展起着十分重要的作用.选取2002年3月18-22日发生在我国华北地区的一次强沙尘暴过程,利用中尺度气象模式MM5V3.7输出的高分辨率动力协调资料,应用位涡理论详细探讨了沙尘暴发生发展的动量下传过程.结果表明:①蒙古气旋是此次强沙尘暴的主要影响系统;大风与干燥低湿是风蚀起沙的前提条件.②沙尘暴过程中,位涡沿等熵面下滑是高、低层动量交换的重要环节,揭示了沙尘暴动量下传的物理机制.     

北半球夏季大气低频振荡演变特征及其与华北夏季降水的关系

本文采用1981～2010年夏季5～10月逐日的（10°S～50°N,40°E～160°E）范围内向外长波辐射OLR（Outgoing Longwave Radiation）资料和850 hPa层纬向风速资料（简称U850）作经验EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,重新计算北半球夏季大气低频振荡BSISO（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation）指数,并分析了其演变特征及其对华北夏季降水的影响规律。结果表明:（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45 d;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20 d。（2）BSISO主要是通过影响大气环流和水汽输送来影响华北夏季降水过程。在500 hPa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;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来影响华北夏季降水。（3）虽然热带大气季节内振荡MJO（Madden-Julian Oscillation）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。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降水过程预测,冬半年可以重点考虑MJO的影响,夏半年重点考虑BSISO的影响。     

中国东部夏季持续强降水发生的主要环流模态和水汽输送研究

利用1957~2011年我国502个测站逐日降水资料,定义区域平均降水量连续5 d超过1个标准差为1次区域性持续强降水,分析了我国东部(105°E以东)长江流域、华北和东北地区夏季(6~8月)的强降水,共得到74个个例,并探讨了造成长江流域和华北地区持续性强降水的主要环流与水汽输送模态。结果表明,中高纬出现阻塞形势是造成我国东部夏季区域性持续强降水的主要环流型,占比86%。其中影响长江流域强降水的主要阻塞形势为中阻型(贝加尔湖为高压脊)和双阻型(乌拉尔山和鄂霍次克海同时出现高压脊);影响华北地区强降水的主要阻塞形势为中阻型。同时,必须建立一条自热带海洋至降雨区的水汽通道,长江流域强降水的水汽通道为印度洋—孟加拉湾—南海;对于华北地区,除此水汽通道外,西北太平洋水汽输送也是一个重要水汽来源。长江流域强降水的异常水汽输送在菲律宾北部出现反气旋中心,导致从南海有异常水汽输送并在长江流域辐合,这一反气旋中心对应500 h Pa上西太平洋副热带高压的加强;华北地区强降水的异常水汽输送在渤海—朝鲜半岛出现反气旋中心,异常水汽来自南海和西北太平洋。渤海—朝鲜半岛在500 h Pa出现正高度异常对维持华北地区持续降水有重要作用。深厚的上升运动或低层辐合高层辐散是华北与长江流域持续强降水发生的共同特点。中阻型和双阻型的长江流域强降水在水汽输送上没有明显差异,而是动力上升条件的分布差异决定了雨带主要位置的不同。     

我国和东亚地区硫化物跨边界输送态势研究

本文利用污染物三维欧拉长距离输送实用模式,较详细地模拟了我国和东亚地区硫化物跨地区、跨边界输送态势,分析了东亚地区硫化物输送通量随高度、季节变化的分布特点,讨论了不同地区边界上硫化物的跨边界输送通量及流的收支平衡,并给出了我国和周边国家和地区之间硫化物的相互输送量。结果表明,我国向外输送的硫化物占周边国家和地区总硫沉降的比例并不大,各地区硫沉降的主要来源是自身排放;硫化物长距离输送中硫酸根的输送占重要地位,各地区硫酸根沉降中的外来比例较大。我们初步总结出一个东亚地区硫化物输送的概念模式：在低层,夏季主要自西南向东北输送,冬季长江以北自北向南输送,长江以南由西南向北输送,并在长江中下游地区形成一个较强的硫化物辐合带,在高层,无论冬夏均由西向东输送,并随高空带变化,中层为二者的过渡,春秋季的情形界于冬夏之间,偏向冬季。