基于微波辐射计的宁夏六盘山西侧大气水汽变化特征

采用隆德气象站2 a德制微波辐射计与同期1 h降水量资料,利用统计法分析了六盘山脉西侧大气水汽含量以及云液态水含量的时间分布特征,并分析了92次不同降水性质、不同降水量级的降水个例,得到降水前跃增时间的变化特征。剔除降水背景结果统计表明:(1)六盘山西侧大气水汽含量和云液态水含量有明显的季节变化,其中夏季是大气水汽含量最多的季节,平均为23.44mm,占年均水汽含量的47.7%。(2)大气水汽含量和云液态水含量日变化呈一谷一峰分布,春、夏、秋三季均在午后出现最大峰值,冬季在11:00出现峰值;大气水汽含量低值区春、夏、秋季出现在日出前后,冬季出现在22:00。(3)87.0%的降水个例在降水发生之前大气水汽含量都在12.00 mm以上,且其值随着降水的量级增大而增大。(4)降水前云液态水含量发生明显跃增现象,春、夏季表现强,根据降水性质及降水量级不同,降水前跃增时间也不同。研究结论对把握人影作业时机具有一定的参考价值。     

武汉地区地基GPS遥感水汽与气象因子的相关性分析

地基GPS可以适时准确地反演大气可降水含量,而常规气象观测站点一般具有长时期的历史观测数据。若将这两种数据融合,可以加强数值天气预报的准确性,因此需要探讨二者之间的相关性。通过处理2006年、2007年全球卫星导航服务组织(IGS)提供的武汉站地基GPS观测数据,计算武汉地区上空日平均水汽含量。利用一元和多元回归分析GPS遥感水汽与地面气象观测因子之间的关系,发现武汉地区GPS遥感水汽含量同包括气温、气压等在内的多种气象因子都有一定程度的相关性,其中与气温的相关性最大,且武汉地区上空的大气水汽含量的季节性变化大,在夏季其日平均变化十分明显。     

1979-2016年祁连山地区大气水汽含量时空特征及其与降水的关系

采用1979-2016年ECMWF1.5°×1.5°逐月再分析资料及同期37个气象站点的降水资料,利用一元线性回归、累积距平、Kriging及IDW（反距离加权）等方法分析了祁连山地区大气水汽含量时空分布特征、降水转化率空间变化规律以及风场分布规律,并对比分析了中国西部不同地区降水转化率的变化趋势。结果表明：（1）1979-2016年祁连山地区大气水汽含量整体呈增加趋势,且季节变化明显。其中夏季是各层大气水汽含量最多的季节,高达329.24 mm,占多年平均大气水汽含量的48.1%。（2）近38 a来,祁连山地区的大气水汽含量呈东南多、西北少的空间分布,且随海拔的升高而逐渐减少,整层大气水汽主要集中在5 000 m以下。（3）祁连山地区的降水转化率从空间上表现出由东向西递减的趋势,说明该地区空中云水资源的开发潜力自东向西逐渐增强,空中云水资源的开发潜力区域差异明显;季风所携带的水汽对其影响区域的降水贡献率较高,西风所携带的水汽则对其影响区域的降水贡献率较低。（4）中国西部地区降水转化率呈向心式递减的趋势,且区域空间波动较大。     

天山可降水量和降水转化率的研究

水是干旱半干旱地区的命脉,实施人工增水是增加水资源的一个重要途径。笔者根据1971-2000年30 a天山山区及其周边44个地面站每日4个时次的水汽压和日降水量,运用整层大气可降水量的经验计算公式,计算了天山山区及其周边地区的大气可降水量和降水转化率。分析得出天山地区可降水量夏季多、冬季少,空间分布表现为自西向东、自山区外围向山区中心地带递减的规律。降水转化率的时空分布说明夏季山区的降水转化率较高,一般为100‰~200‰,最大为355‰;冬季降水转化率低于夏季,相对而言山前的平原地区,如伊犁地区、北疆石河子到阜康一带的降水转化率较高,为80‰~125‰。上述结果表明天山地区具有很大的增水潜力。     

大气水汽氢氧同位素观测研究进展——理论基础、观测方法和模拟

大气水汽氢氧稳定同位素是认识大气环流和水循环的重要信息指标,本文从影响水汽稳定同位素含量的物理过程入手,即源区蒸发、传输及凝结等方面,系统介绍了影响水汽氢氧稳定同位素的平衡分馏和动力分馏的理论基础;回顾了传统观测方法、近期发展的激光光谱仪及卫星遥感红外光谱仪等大气水汽同位素观测新手段,重点分析了光谱仪及遥感观测方法的优势及应用,表明实时观测和遥感监测成为目前水汽同位素研究的主要手段;总结了目前大气水汽同位素观测研究在同位素基础理论、地表过程等方面的主要进展,汇总分析了大气水汽同位素环流模型的发展和应用,表明同位素环流模型在全球及区域气候过程、古气候恢复以及环境信息重建方面具有独特的优势,将会成为今后气候系统研究的新方法;最后提出水汽同位素研究的新焦点即高时空分辨率的实时观测、氢氧同位素的新指标如过量17O以及同位素气候模型的发展完善及应用。     

天山山区与塔克拉玛干沙漠云水资源的对比分析

采用NASA地球观测系统(EOS)云与地球辐射能量系统(CERES)2002年7月至2004年6月CERES SSF AquaMOD IS Edition 1B云资料,对天山山区和塔克拉玛干沙漠云水资源进行了研究。得到的结果不仅包括云量、云液态水柱含量,还包括云滴尺度,为无人区的人工增水作业和天气气候研究提供了基础数据。与以往的卫星观测云气候全球数据集相比,该资料具有更高的空间分辨率,且其观测仪器和云反演方法得到了进一步改善,因此其结果较以往更可信。研究结果表明,两地区云参量年变化规律不尽相同,在数值上有很大差别。除了动力条件和气候背景以外,这可能与沙尘气溶胶可以影响云的物理特性和生命期有关。由年变化来看,天山山区的月平均总云量为47%~72%,而塔克拉玛干沙漠为12%~50%;天山山区低云的月平均液态水柱含量为56.6~96.0 g/cm2,高云为30.5~59.8 g/cm2。而塔克拉玛干沙漠低云的月平均液态水柱含量为19.4~43.9 g/cm2,高云为9.3~59.0 g/cm2;天山山区的月平均云滴半径低云为12.6~16.0μm,高云为8.6~14.8μm。而塔克拉玛干沙漠地区低云云滴半径8.8~...     

地基微波辐射仪监测的张掖大气水汽含量与雨强的关系

地基微波遥感具有反演大气水汽的能力,其具有的高时间分辨率,为分析降水过程的水汽含量变化提供了新的手段。用2005年6～7月的微波反演的水汽含量,分析了张掖降水过程的大气水汽含量变化情况。结果表明:张掖甘州降水发生的前提是大气水汽含量需达到某一阈值(夏季为27 mm),而且雨强与大气水汽含量在时间上呈同步分布,这种分布结构与中国东部季风气候区的情况存在差异,后者雨强的峰值滞后于大气水汽含量几小时。     

青藏高原夏季上空水汽含量演变特征及其与降水的关系

利用青藏高原(以下简称高原) 近30 年(1979-2008 年) 14 个探空站的温度和湿度观测资料以及83 个地面台站的月平均降水资料,分析了高原夏季上空水汽含量与地面降水的联系以及高原地区的降水转化率问题。结果表明：1) 高原夏季水汽含量在空间分布上表现出随海拔高度增高而减少的特征,其中东北部为最大值,东南部为次大值,而西北部为最小值。夏季降水整体上由东南向西北递减;2) EOF分解表明,高原夏季水汽含量存在两种主要的空间分布型：即全区一致变化型和南北反向变化型,其中以唐古拉山脉北侧为界呈现出的水汽含量南北反向型与降水的第一特征向量场表现出的南北反向型在空间分布上十分相似;3) 在年际变化上,高原夏季水汽含量的南北反向型与降水的南北反向型之间存在较一致的对应关系：即水汽含量出现南多北少时,高原南部降水普遍偏多而北部降水普遍偏少,反之亦然;4) 高原夏季平均降水转化率在3%~38%之间,其空间差异非常明显,高原南部降水转化率明显大于北部地区。     

水汽吸收和下垫面发射率对晴空大气红外窗区遥感影响的综合分析

从数学上探讨了晴空大气红外窗区通道遥感陆面特性水汽吸收和陆面发射率的综合影响。首先,基于辐射传输方程推导出大气水汽含量和陆面发射率(ε)引起红外窗区通道遥感陆面亮温(Tg)变化的数学表达式,指出红外辐射在传输过程中水汽吸收衰减的影响主要是引起大气透过率的变化;分析了在高温高湿和低温干燥等不同地区,红外窗区通道的大气透过率所受到的不同程度的衰减,以及水汽吸收衰减和陆面发射率对不同的红外窗区通道的影响。此外,还建立了一个红外窗区通道遥感陆面温度与地面亮温差ΔT=(Ts-Tg,imax)与水汽含量变化Δq和陆面发射率ε的二元多项式拟合方程,进一步分析大气水汽含量和陆面发射率对不同的红外窗区通道遥感的影响;指出红外短波窗区通道不但受太阳辐射污染严重,而且受陆面发射率变化的影响激烈,特别是在寒冷干燥的亚北极冬季。最后强调,为了精确地反演陆面温度,最好采用热红外窗区通道;必须考虑大气订正,特别是在高温高湿区;同时应该考虑陆面发射率等因子的作用。     

额济纳绿洲地表辐射和热量特征研究

通过利用2003年9月5日～9月29日黑河下游额济纳地区的微气象观测资料,分析了额济纳绿洲在晴天、阴天和降水天气条件下的地表辐射、热量平衡和土壤温度等微气象特征。结果表明：在不同天气条件下近地层微气象特征变化有很大差别,晴天时地表微气象特征日变化规律明显,阴天和降水天时变化规律不明显。观测期间平均气象特征与晴天较接近,平均总辐射、净辐射和感热通量与晴天比值基本大于0．8。晴天的日变化特征基本上代表了绿洲区的气候特征,阴天和降水天时的变化表示了在晴天基础上的扰动大小。晴天时地面热量交换以感热通量为主,日间绿洲内平均Bowen比为1．5左右；阴天地面热量交换以潜热通量为主,平均Bowen比在0．5左右。     

Satellite-measured water vapor isotopologues across the Tianshan Mountains,central Asia

The satellite-based water vapor stable isotope measurements have been widely used in modern hydrological and atmospheric studies. Their use is important for arid areas where the precipitation events are limited, and below-cloud evaporation is strong. This study presents the spatial and temporal characteristics of water vapor isotopologue across the Tianshan Mountains in arid central Asia using the NASA Aura Tropospheric Emission Spectrometer (TES). The near-surface water vapor stable isotopes are enriched in summer and depleted in winter, consistent with the seasonality of precipitation isotopes. From the surface to 200 hPa, the isotope values in water vapor show a decreasing trend as the atmospheric pressure decreases and elevation rises. The vapor isotope values in the lower atmosphere in the southern basin of the Tianshan Mountains are usually higher than that in the northern basin, and the seasonal difference in vapor isotopes is slightly more significant in the southern basin. In addition, bottom vapor isotopologue in summer shows a depletion trend from west to east, consistent with the rainout effect of the westerly moisture path in central Asia. The isotopic signature provided by the TES is helpful to understand the moisture transport and below-cloud processes influencing stable water isotopes in meteoric water.     

新疆及周边中亚地区中亚低涡背景下云中液态水分布研究

利用2003—2014年5~9月中亚低涡发生时的AIRS Version 6 Level 2卫星资料，分析中亚低涡活动规律以及云中液态水空间分布。结果表明：（1） 北涡型中亚低涡共发生97次，南涡型共88次。中亚低涡中心更易向南移动。（2） 整体来看，云中液态水呈现山区多盆地少的趋势，在帕米尔高原、天山和昆仑山脉的山区以及咸海附近均大于100×10^-6 kg·m^-2。在准噶尔盆地、哈密盆地和塔里木盆地东部地区小于1×10^-6 kg·m^-2。（3） 中亚低涡发生路径越偏南，云中液态水柱越低。关于云中液态水柱，北涡路径较南涡路径更多。研究结果将为进一步认识中亚低涡强降水天气系统提供参考。     

沙漠绿洲-高山冰雪气候带的垂直变化特征研究

气候变化在垂直方向上的分布规律是气候变化研究的一个重要方面。利用在天山北坡中部径向剖面上的6个不同海拔高度的气象站的气象资料,研究了沙漠绿洲-高山冰雪气候带在冬季、夏季和年度的年际气候变化对高度的响应,指出20世纪90年代(1991-2000)与前30 a(1961-1990)相比,平均气温、年降水量增加幅度随高度呈现非线性变化,不论在哪个高度上,冬季的增温幅度都要大于夏季;在最靠近沙漠的低海拔地区,年降水量增加幅度并不是最大的,而在海拔较高的山前绿洲地带和在3 500 m的高山区降水量增幅相对较大。此外,对气温、降水、相对湿度、蒸发等气候因子的变化趋势倾向率进行了分析,比较了不同高度的线性倾向率,揭示了沙漠绿洲边缘至高山冰雪带的气候变化在垂直方向上的分布特征,表明不论在哪个高度上,冬季、夏季和年度的平均气温变化都具有上升趋势;在山前地带和高海拔山区,降水增加趋势相对明显;蒸发能力减弱,相对湿度增加。     

Precipitation isotopes in the Tianshan Mountains as a key to water cycle in arid central Asia

The Tianshan Mountains is a wet island in arid central Asia, and precipitation amount across the mountains is much larger than that in the surrounding low-lying areas. To investigate the regional water cycle in arid central Asia, stable isotope composition in precipitation has received increased attention during the past decades. This paper reviewed current knowledge of observed and simulated stable isotope ratios in precipitation across the Tianshan Mountains. The temperature effect of stable isotopes in precipitation has been widely accepted in arid central Asia and can be applied to paleoclimate reconstruction using ice cores. The seasonality of precipitation isotopically enriched in summer months and depleted in winter months is usually attributed to westerly-dominated moisture, but different trajectory paths to the northern and southern slopes of the Tianshan Mountains can still be modelled. The proportional contribution and its uncertainty of surface evaporation and transpiration to local precipitation can be estimated using the isotope approach, and transpiration plays a dominant role in recycled moisture for oasis sites. The impact of below-cloud evaporation on precipitation stable isotopes on the southern slope is usually larger than that on the northern slope.     

冰川下垫面对夏季云结构和云水含量的影响——以祁连山区疏勒南山为例

云水含量和云结构参量是天气预报、高山区水循环过程分析的基础。基于2012-2015年夏季CloudSat卫星遥感资料的2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF和2B-GEOPROF-LIDAR,结合中国第二次冰川编目数据及气象资料,对祁连山地区疏勒南山冰川区与非冰川区云水含量和云类型特征进行分析。结果表明:(1)云水含量的垂直分布受下垫面和云类型的影响,主要表现为有冰川覆盖的高山上空降水云类型以深对流云为主,无冰川覆盖的高山上空降水云类型以雨层云为主。(2)疏勒南山地区高含水量主要分布在5 km以下的中低层云中,且冰川区气流垂直运动较非冰川区活跃。(3)疏勒南山冰川区云水含量平均值为0.07 g·m^-3,非冰川区云水含量平均值为0.17 g·m^-3,云水的空间变化在一定程度上能够反映降水和水汽的分布状况。     

天山北侧成灾雹云移动路径及预警指标的研究

利用2005-2014年5～8月天山北侧气象台站观测记录、人工防雹作业点记录、灾害调查等资料,克拉玛依探空站08：00探空资料和克拉玛依、奎屯、石河子、五家渠四部雷达探测资料及其基数据反演产品,对冰雹的年分布、月分布及日变化特征进行了分析,归纳出成灾雹云的雷达回波特征及移动路径,依据百分位数方法确定了成灾雹云的预报及雷达特征预警指标,并利用2015-2016年降雹及相应的雷达探测资料对预报预警指标进行了检验分析。     

1980—2017年天山山区不同降水形态的时空变化

利用1980—2017年天山山区35个气象站点的逐日降水资料，分离出3种主要降水形态后，运用线性倾向估计、Mann-Kendall(M-K)突变检验、滑动t突变检验、Morlet小波分析等方法研究了天山山区降水日数及降雨日数、降雪日数和雨夹雪日数的时空分布及变化规律。研究表明：（1）在空间上，天山山区降水日数和降雨日数表现为“北多南少，西多东少”的分布格局，降雪日数“北多南少”明显；降水日数呈现“西快东慢，北快南慢”的增长趋势，西段增长幅度明显，降雨日数普遍增多，大部分地区降雪日数减少，雨夹雪日数也有减少趋势。（2）近38 a来，天山山区降水日数表现为缓慢增长趋势，降雨日数显著增加，降雪日数减少，雨夹雪日数变化并不明显。（3）天山山区降水日数突变年在1986年前后。（4）降水日数、降雨日数、降雪日数及雨夹雪日数均存在明显的10 a左右的振荡周期，此外，降水日数、降雨日数和雨夹雪日数18~22 a周期波动也比较明显。     

新疆夜雨和昼雨的空间分布和长期变化

用新疆98个气象站1960—2001年的昼夜降水量资料,分析了冷季（10月到翌年3月）和暖季（4—9月）昼夜降水频率和强度的差异和空间分布。结果表明：新疆暖季分别有两个频率≥55％的夜雨区和昼雨区。夜雨区分别位于西天山北坡和西昆仑山北坡;昼雨区位于阿尔泰山南坡和天山南坡等地。而到了冷季,暖季夜雨和昼雨的条状带相间的格局消失。除了海拔较高的西天山山区和海拔较低的塔里木盆地西部、吐善托盆地分别有小范围的夜雨区和昼雨区外,新疆其他地区的夜雨和昼雨的比例均在45％~55％之间,基本趋于平衡,夜雨和昼雨之差较暖季已明显减弱。对于暖季的大降水事件（一个夜间或白天降水>15 mm）,伊犁河谷、中东天山及天山北坡,昆仑山北坡60％以上发生在夜间,阿尔泰山和塔尔巴哈台南坡、天山东南部盆地地区60％以上发生在白天。另外,还对暖季夜雨区夏季降水的长期变化进行了分析,结果显示,这两个以夜间降水为主的区域,其夜间降水的增加率略大于白天,并不是很明显大于白天降水的增加率。