环境温湿层结对雷暴云空间电荷结构的影响

非感应起电机制中决定雷暴云电荷结构的反转温度是液态水含量的函数,而液态水含量的空间分布又取决于环境初始场中气团平均相对湿度和对流不稳定性的配置情况。本文通过不断改变初始场中层平均相对湿度和对流有效位能(CAPE)的值,同时不稳定度因子K和SI也随之发生相应的改变,利用三维强风暴动力电耦合数值模式,来研究初始场温湿层结的不同配置对液态水含量进而对电荷结构的影响。结果表明,CAPE较小时,电荷结构与中层平均相对湿度的大小无关,均为准反极性,且起电活动较弱;CAPE很大时,较大和较小的中层平均相对湿度更易引起强的起电活动和偶极性电荷结构,当霰和冰晶共存的区域中心落在上升气流的外围时,会形成反极性电荷结构。当对流有效位能相同时,增加中层平均相对湿度,气层的不稳定性提高,更有利于对流的发展和偶极性电荷结构的形成,减小中层平均相对湿度,对流减弱,有利于准反极性电荷结构的形成。     

广东一次雷暴过程的宏微观及电特征的数值模拟

采用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,模拟了2015年7月17日广东清远一次系统性强雷暴过程,探究此次雷暴的宏微观及电活动特征,从微物理角度出发,分析电荷结构的复杂成因。结果表明,由于水汽充足,上升气流速度大,云体高度高,小粒子随着强上升气流快速上升,迅速增长为雨滴等大粒子,降水出现早,强度大,较高的气温,使得很难产生固态降水。本次过程中,电荷结构由三极性结构逐渐演变成偶极性结构,这是由于霰的自动转化作用较强,中层霰粒在雷暴云成熟期转化为雹下落,上升气流由于强降水的发生不能维持,冰晶和霰粒子分布区域重合面积减少,非感应起电减弱,使得下部电荷结构消散。较高的电荷区高度使得云闪数目远远多于地闪数目。      

欧亚大陆土壤焓异常持续性的时空变化特征

土壤焓作为一种综合考虑地表状况(如土壤湿度、土壤温度等)的特殊陆面因子,可以直接从能量角度反映陆地下垫面的热力状况,故探讨土壤焓异常持续性的相关特征,有助于加深理解地表热力异常对气候的影响。本研究基于陆面过程模式CLM4.0模拟的土壤温度、土壤液态水和土壤固态水及土壤物质类型(IGBP地表属性),分别计算了欧亚大陆冬季和夏季土壤干物质焓、土壤液态水焓和土壤固态水焓及土壤焓(前三者之和);由于土壤温度和土壤固、液态水含量的差异,浅层土壤焓及其三个组元表现出明显的区域性和季节性特征;欧亚大陆冬季土壤焓异常持续性总体较夏季强,尤其是中高纬地区;另外,土壤干物质焓、液态水焓的纬度和季节性差异也体现在对近地面大气的热力强迫上,具体表现为土壤干物质焓、液态水焓分别与感热、潜热密切相关。本研究通过较为细致地分析土壤焓异常持续性的时空变化特征,为进一步开展下垫面热力异常(以土壤焓表征)的气候效应提供了重要的信息参考。     

海气耦合气候模式对大气中水汽输送、辐散辐合与海气间水通量交换的模拟

基于ECMWF再分析结果对LASG第三代全球海洋-大气-陆地耦合系统模式(GOALS)的两个版本和第四代耦合气候模式初始版(FGCM-0)所模拟的大气水汽输送与辐散辐合特征、海气间水通量交换,进行了评估分析.结果表明:(1)对垂直积分的水汽通量场的流函数及其对应的无辐散水汽通量矢量的模拟,三个耦合模式都能够较为合理地再现副热带大洋的涡旋结构、中纬度西风带的东向水汽输送、赤道东风带的西向水汽输送和东亚夏季风水汽输送等行星尺度特征及其季节变化,只是GOALS的涡旋位置、FGCM-0的涡旋中心强度,较之实际略有偏差.(2)反映在垂直积分的水汽通量场的势函数和对应的无旋水汽矢量上,对南北半球副热带大洋水汽辐散区、热带辐合带(ITCZ)、东亚夏季风区强烈的水汽辐合特征等的模拟,FGCM-0的结果相对合理.GOALS的热带辐合中心过于集中在印度尼西亚群岛附近,东亚夏季风水汽辐合中心偏南.(3)关于海气水通量交换,FGCM-0较为理想地再现了副热带的净蒸发、ITCZ和中高纬度的净降水特征以及夏季ITCZ的季节性北移,但对南太平洋辐合带(SPCZ)、副热带南大西洋的净蒸发特点,以及阿拉伯海和盂加拉湾季节变化的差异,模拟结果不理想.FGCM-0在模拟SPCZ上的偏差,是由海气耦合过程造成的.GOALS未能合理再现ITCZ和SPCZ降水大于蒸发的特点,其净降水集中在西太平洋暖池区;但对副热带南大西洋、北印度洋水通量季节变化的模拟相对合理.     

不同初始值对三江源西大滩站多年冻土水热过程模拟的影响

不同初始值对多年冻土水热过程的模拟有着深刻的影响。本文利用青藏高原三江源多年冻土区西大滩站观测数据,驱动通用陆面模式CLM4.5（Community Land Model version 4.5）对该站多年冻土进行为期14个月的模拟研究。设计三组试验,检验CLM4.5模式对多年冻土模拟性能,探究不同初始土壤温度、液态水含量以及含冰量对模拟结果的影响,并对土壤初始含冰量的计算进行改进,提高了模式对多年冻土水热过程的模拟。通过对比土壤含冰量模拟值,液态水含量和土壤温度观测值与模拟值,结果表明：（1）初始土壤温度、液态水含量会通过影响初始土壤含冰量进而影响CLM4.5模式对多年冻土水热过程的模拟。（2）CLM4.5默认初始土壤温度、液态水含量时,计算出的初始含冰量为0 m³·m^-3,这使得模式不能准确模拟出多年冻土的特征。在2015年11月上旬至2016年8月上旬土壤含冰量大于0.01m³·m^-3,其余时段土壤含冰量几乎为0 m³·m^-3;整层土壤液态水含量从冬...     

青海和北京地区不同个例雷暴云电荷结构特征差异的数值模拟分析

利用加入起电、放电参数化方案的数值模式[Weather Research and Forecasting Model(Version3.7.1),WRF3.7.1＿ELEC],分别对发生在青藏高原东北部青海大通地区和华北地区北京西部山区的两次雷暴过程进行模拟研究,对比分析两个不同地区雷暴个例的电荷结构特征差异及原因。结果表明：对发生在两个地区的雷暴个例,模式均能够较好地模拟出雷暴的移动方向、回波强度以及形状的变化特征。对比两个个例不同发展阶段雷暴云电荷结构可以看出,除了在发展旺盛阶段两个地区的雷暴云电荷结构自下而上均为“+-+-”的四层结构,在发展初始阶段和消亡阶段,两个地区雷暴云电荷结构明显不同。造成两个雷暴个例在雷暴云初始和消亡阶段电荷分布差异的主要原因是云中霰粒子混合比和有效液态水含量的差异。     

雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较

在三维强风暴动力-电耦合数值模式中分别引入两种基于不同实验室结果的非感应起电参数化方案S91和SP98, 对比分析了一次雷暴单体首次放电前, 利用两种方案模拟得到的非感应电荷转移区域、极性、量级和电荷结构的演变特征, 及其与有效液态水、温度、粒子分布和对流之间的关系。结果表明, S91中, 起电区域逐渐由高温、高有效液水区向低温、低有效液水区转移。电荷转移量快速增加, 且由以正极性为主过渡为以负极性为主。电荷结构由偶极性转变到三极性。SP98中, 淞附增长率的大值区范围较大, 霰以携带正电荷占绝对优势, 易形成反极性的电荷结构, 但有进一步转变为三极性的趋势。两种方案的共同点表现为: 电荷层较高, 位于对流区上部及雷暴移动方向前侧出流区; 正电荷转移多发生在高有效液态水(或淞附增长率)和高温区, 负电荷转移都发生在低有效液态水(或淞附增长率)和低温区; 转移电荷的正中心均位于霰的累积区中心, 负中心易出现在冰晶和霰共存区的中心。     

广东一次飑线过程中一个雷暴单体成熟阶段的电荷结构演变特征的数值模拟

为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。      

两次飞机增雨作业过程数值模拟分析

利用国家气象中心GRAPES业务模式耦合混合相双参数云微物理方案,对2010年12月15日的两次飞机人工增雨作业过程进行了催化数值模拟分析。分析得出:GRAPES模式基本能给出正确的中低层天气形势场和降水的动力结构,较大降水的落区和范围基本可信,降水强度较实况偏小;按照作业实况进行催化模拟具有一定的可信度,与实况降水在较强降水区域有较好的对应性;两次播撒都取得了增加降雨量的效果,24 h平均增雨量在3~5 mm,最大增雨量达7 mm,两次播撒后增雨作业区的累计降水总量较未播撒时增加约一倍;播撒有效时段在4 h内,播撒后1~2 h雨量增加最大,增雨区域初期与播撒区域一致,随时间延长而在播撒区附近扩散;第一次播撒时,播撒冰晶消耗液态水,转化成固态水,水汽流入速度加快,向液态水转化加快,液态水迅速恢复,未出现减雨现象;第二次播撒时,云中固态水争食水汽增长,液态水得不到补充,云中上升运动减弱,自然降水阶段出现减雨现象。     

强风暴中反极性电荷结构研究进展

反极性电荷结构是强风暴系统中一种常见的电荷结构配置,它是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一,同时也往往与灾害性天气相联系。人们对云内电荷结构的认识随电场探空、多种地面观测手段的发展而深入。反极性电荷结构并非在强风暴的起始阶段就出现,而存在一个演变过程,出现在风暴发展的特定阶段。宽广强烈的上升气流被认为在反极性电荷结构的形成中起关键作用,它使得上升气流区液态水含量等微物理条件发生改变,进而影响大小粒子碰撞的起电过程,使风暴内主要起电区霰粒子荷正电,冰晶等粒子荷负电,从而形成反极性电荷结构。强风暴中气流的动力输送、风切变等也被认为是反极性电荷结构形成的可能原因。利用数值模式,在真实的气象背景场下再现强风暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征,也是研究反极性结构形成的有效途径之一。针对正地闪大量发生的强风暴开展大规模外场观测试验,并将观测结果与数值模拟相结合,将有利于理解强风暴中反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系。     

基于碳水通量耦合原理改进Penman-Monteith蒸散发模型

陆地蒸散(ET)涵括地表和潮湿叶片的蒸发和植物的蒸散发,是陆地水循环的重要组成部分。Penman-Monteith方程是估算陆地蒸散的重要方法,方程中的叶片或冠层气孔导度是提高估算精度的关键因子。根据碳水循环的耦合原理,植物光合作用模型可用于估算叶片或冠层气孔导度。植物光合作用模型可分为三类:1)使用总冠层导度的大叶模型(BL),2)区别阴、阳叶冠层导度的双大叶模型(TBL),3)区别阴、阳叶叶片导度的双叶模型(TL)。与这三类光合作用模型相对应,衍生出基于不同导度计算方法的三种蒸散估算模型。三种蒸散模型之间的主要区别在于是否进行从叶片尺度到冠层尺度的气孔导度集成。这三种模型中,双叶模型使用叶片尺度的气孔导度,集成度最低。反之,大叶模型使用冠层尺度的气孔导度,集成度最高。由于在Penman-Monteith中,蒸腾和气孔导度之间的关系是非线性的,气孔导度的集合会导致负偏差。因此,与通量测量相比,大叶蒸散模型的估算偏差最大,而双叶蒸散模型的估算偏差最小。     

Development of a Model for Water and Heat Exchange Between the Atmosphere and a Water Body

A model for studying the heat and mass exchange between the atmosphere and a water body is developed, in which the phase change process of water freezing in winter and melting in summer and the function of the convective mixing process are taken into consideration. The model uses enthalpy rather than temperature as the predictive variable. It helps to set up governing equations more concisely, to deal with the phase change process more easily, and make the numerical scheme simpler. The model is verified by observed data from Lake Kinneret for a non-frozen lake in summer time, and Lake Lower Two Medicine for a frozen lake in winter time. Reasonably good agreements between the model simulations and observed data indicate that the model can serve as a component for a water body in a land surface model. In order to more efficiently apply the scheme in a climate system model, a sensitivity study of various division schemes with less layers in the vertical direction in the water body is conducted. The results of the study show that the division with around 10 vertical layers could produce a prediction accuracy that is comparable to the fine division with around 40 layers.     

成都地区一次持续性暴雨过程的水汽特征分析

利用地基GPS技术反演得到的大气可降水量资料、FY-2C卫星水汽图以及NCEP 1°×1°再分析资料,分析了2008年9月23—26日成都地区一次持续性暴雨的水汽特征。结果表明,降雨期间的水汽主要由来自孟加拉湾的暖湿气流和来自"黑格比"台风的高低空急流组成;暴雨发生前对流层中低层水汽充足,大气层结极不稳定,水平风的垂直切变较明显;高时间分辨率的地基GPS资料不仅可获得水汽实时变化的信息,而且对于暴雨发生时间和暴雨强度都有一定的指示性;结合中尺度数值模拟的结果,发现此次暴雨过程中可降水量的变化能反映区域水汽辐合辐散的变化,降水与否或降水大小不仅取决于大气中水汽含量的多少,更受到大气动力和热力条件的影响,水汽辐合的强弱具有关键作用。     

基于HYSPLIT模式的济南机场一次暴雨过程的水汽输送特征分析

利用NCEP再分析资料,结合HYSPLIT轨迹模式对 2018年6月25日发生在济南遥墙国际机场的一次大暴雨过程的水汽条件及输送过程进行分析。结果表明：此次大暴雨的水汽输送通道主要有3支,一支是源自对流层中层的西北气流输送,另一支是西太平洋上副热带高压边缘东南气流输送,第三支是南海上空向北的气流输送,三支通道中,西太平洋通道和南海通道对暴雨的水汽贡献最大,分别为46%和42%,来自西北通道的水汽输送相对较少,它对暴雨的水汽贡献仅为12%;进一步的分析表明,在850 hPa以下的对流层底部,来自西太平洋通道的水汽输送占据主导地位,而在700 hPa以上的对流层中层,则是来自南海通道的水汽输送占据主导地位。     

全球变化下澜沧江-湄公河流域水量平衡模拟

流域水文模型是区域水资源评价的重要工具,基于普林斯顿全球气象驱动数据集和澜沧江-湄公河流域（简称：澜湄流域）八个水文站实测资料,分析了澜湄流域不同区间的水文特性,采用RCCC-WBM模型（Water Balance Model developed by Research Center for Climate Change,RCCC-WBM）开展了区间径流及水量平衡模拟研究。结果表明：1）澜湄流域不同区间气候水文差异显著,上游气温低且年内变幅大,下游气温高年内变幅小;尽管不同区间降水、径流的年内分配特征总体一致,但径流的年内分布峰值大多滞后降水峰值一个时段。2）RCCC-WBM模型能够较好地模拟出澜湄流域不同区间的径流过程,率定期和验证期的月径流模拟效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE）均在60%以上,总量模拟误差（Relative Error,RE）也均控制在±10%以内,模型具有较好的区域适应性。3）模拟的土壤含水量都具有先衰减后增加再衰减的年内分配特征;不同季节径流和蒸发耗散的水源不同,降水是汛期水分耗散的主要来源,而土壤含水量是非汛期径流和蒸发消耗的主要水源。     

近10年我国用水与水资源利用情况时空特征研究

水资源是社会经济发展的重要物质基础,地下水是水资源的重要组成部分,水资源合理开发利用是社会经济可持续发展的重要因素之一.基于《中国统计年鉴》及《中国水资源公报》中2003—2012年用水及供水相关数据,利用EOF展开方法,分析了我国31个省级行政分区用水和水资源利用情况的空间分布及时间演变特征.研究结果表明:全国总用水量不断增加,但增幅有所减小,各地区用水总量变化趋势多样,中东部变化较大,西部变化较小,河北省、浙江省、海南省、青海省和甘肃省与其他地区反相变化;江苏省、浙江省和广东省地下水资源的利用与工业产业协调发展,可作为其他地区的典范;北京市、天津市、河北省、山西省、陕西省、甘肃省和青海省通过调整产业结构,地下水资源利用状况向良好的趋势发展;新疆维吾尔自治区和内蒙古自治区的地下水资源利用现状和趋势不容乐观,应注意增强环保意识,调整产业结构,以求水资源得到协调、可持续的开发和利用.     

Impacts of Systematic Precipitation Bias on Simulations of Water and Energy Balances in Northwest America

At high latitudes and in mountainous areas, evaluation and validation of water and energy flux simu-lations are greatly affected by systematic precipitation errors. These errors mainly come from topographic effects and undercatch of precipitation gauges. In this study, the Land Dynamics （LAD） land surface model is used to investigate impacts of systematic precipitation bias from topography and wind-blowing on water and energy flux simulation in Northwest America. The results show that topographic and wind adjustment reduced bias of streamflow simulations when compared with observed streamflow at 14 basins. These systematic biases resulted in a -50%-100% bias for runoff simulations, a -20%-20% bias for evapotranspiration, and a -40%-40% bias for sensible heat flux, subject to different locations and adjustments, when compared with the control run. Uncertain gauge adjustment leads to a 25% uncertainty for precipitation, a 20% 100% uncertainty for runoff simulation, a less-than-10% uncertainty for evapotranspiration, and a less-than-20% uncertainty for sensible heat flux.     

Relevance of ion-induced nucleation of sulfuric acid and water in the lower troposphere over the boreal forest at northern latitudes

The relevance of ion-induced nucleation of sulfuric acid and water (IINSW) in the troposphere over the boreal forest at northern latitudes is investigated by combining two existing and previously published models (MALTE — model to predict new aerosol formation in the lower troposphere; PARNUC — a parameterized steady-state model of neutral and ion-induced nucleation of sulfuric acid and water for atmospheric conditions). Simulations were performed for 4 days with observed new particle formation at ground level by using input data from the SMEAR II station in Hyytiälä, Finland. The selected days were chosen to cover a wide range of values of the parameters most relevant for IINSW. The results showed that ion-induced nucleation of sulfuric acid and water can contribute up to 15% to the total amount of newly formed particles in the size range of 3–10 nm inside the mixed layer at the Hyytiälä site. The importance of IINSW seemed to increase in the free troposphere above the boundary layer, however, lack of measurements in the vertical structure of the input parameters suggest that the model results are burdened with high uncertainties.     

GPS定位与水汽反演中对流层干延迟的订正研究

根据美国Shreveport地区及中国徐州地区2006年的气象探空资料计算了GPS测量中的大气干延迟,将其作为真值与目前常用的普适模型计算的延迟值进行对比,结果表明,目前常用的几种普适模型在美国Shreveport地区的改正效果要明显好于中国徐州地区,直接反映出普适模型更适合北美地区.利用徐州地区2000-2006年的探空数据计算了大气干延迟值,在此基础上,根据地面气象要素建立了徐州地区大气干延迟的局地订正模型.分析表明,局地订正模型的改正效果好于普适模型.     

1998年长江流域特大洪涝期水汽输送过程的诊断分析

利用基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9）,结合轨迹聚类法和气块追踪法,探讨1998年6月12日—8月27日期间长江流域强降雨的水汽输送轨迹、主要水汽源地及其水汽贡献,发现此次强降水过程的水汽源地主要为印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋;不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地存在差异。降水第一阶段水汽主要来自孟加拉湾—南海,水汽输送贡献为35%。降水第二阶段水汽主要由印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋三个区域共同提供,水汽输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾—南海的水汽输送占主导地位,它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。降水第四阶段水汽主要来源于孟加拉湾—南海,贡献为40%。强降水过程中大气环流的调整,导致了不同阶段水汽源地的变化及各源地水汽贡献的差异。