1961—2008年淮河流域主汛期极端降水事件分析

利用淮河流域117个台站1961－2008年主汛期（6－8月）逐日降水资料,采用降水百分位数法划分极端降水阈值,建立极端降水事件时间序列;在此基础上揭示淮河流域极端主汛期降水事件时空演变特征。结果表明：淮河流域主汛期极端降水总量年际变化大,其强弱与旱涝格局基本对应。极端降水事件发生频次的多寡很大程度上影响着淮河流域主汛期降水量。一致性分布是淮河流域主汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态,其发生频次空间上可分为流域中东部、中北部、西南部、西北部及南部5个主要区域。极端降水事件总体上有增加趋势,特别是流域     

显著经验正交函数分析及其在淮河流域暴雨研究中的应用

经验正交函数分解（EOF）是气候特征研究中常用的分析方法,但由于方法本身的原因,EOF 主要模态不一定都能有效揭示资料场包含的气候模态。利用中国基本站和基准站1950—2009年逐日降水资料,运用显著经验正交函数分解（Disˉ tinct EOF,DEOF）方法研究了淮河流域暴雨的统计特征。结果表明 DEOF 第1模态呈现了淮河流域暴雨量在南北方向上存在相反的变化,即流域中部、南部偏多（偏少）时,北部则偏少（偏多）,第1主成分具有显著的16—17 a 周期性变化,表明流域南北的旱涝变化存在年代际振荡;第2模态表现了淮河流域中部暴雨量的异常变化,第2主成分有明显的线性趋势,说明近50年来流域中部地区暴雨量有明显的上升趋势,并且在1990年前后由偏少转为偏多。对比 DEOF 和 EOF 的分析结果,发现DEOF 能排除资料场中与随机扩散模型相关性较高的空间特征,能抓住与随机扩散模型有显著差异的分布特征并凸出显示出来,能从较强的背景噪声中凸出物理信号,因而能更好地估计真实的气候模态。     

近53年江淮流域梅汛期极端降水变化特征

基于1961—2013年江淮流域梅汛期（6—7月）逐日降水资料,利用百分位法确定极端降水阈值,对江淮流域梅汛期极端降水的时空分布及突变特征进行分析,结果表明：95%分位极端降水阈值多在50 mm以上,大值中心主要位于湖北东部到安徽南部一带;平均极端降水强度与阈值大小的空间分布相似。极端降水量和极端降水日数整体呈现由安徽南部向四周递减的空间分布特征,极端降水量约占梅汛期降水总量的1/4~1/3。从季节内分布上看,极端强降水站次在梅汛期呈单峰型分布,各候间差异明显,其中6月第5候到7月第2候最多。极端降水量、极端降水日数以及极端降水量占梅汛期总降水量百分比均具有明显的年际变化,且上升趋势显著;江淮流域梅汛期极端降水量和极端降水站次的这种上升趋势均在1980年发生突变。     

近40a淮河流域暴雨特征分析

利用淮河流域159个气象台站1971—2009年逐日降水资料,统计出淮河流域历年各站暴雨量并建立时间序列,通过趋势分析、EOF分析、小波分析、MK突变检验等方法对暴雨量进行特征分析。结果表明:淮河流域常年暴雨量及暴雨次数空间分布非常一致,高值区位于流域西南部,暴雨量及暴雨站次呈单峰型分布,7月上、中、下三旬最为集中;全流域大部分地区的暴雨量呈现上升趋势,但未通过0.05的显著性检验;EOF前三个模态累积方差贡献为84%,第一模态全流域一致为正,表明暴雨量分布一致多或少;第二模态为南正北负,暴雨量分布北少(多)南多(少);第三模态为西正东负,暴雨量分布东少(多)西多(少);暴雨量2~3年高频震荡及12~14年低频震荡较为明显,在12~14年的时间尺度上经历了由多到少3个循环交替;暴雨量在2000年左右可能存在一次突变,2000—2009年年均暴雨量比1971—1999年年均值增加了52 mm。     

近50 年华南地区极端强降水频次的时空变化特征

利用华南地区110 个台站1961—2008 年逐日降水资料,采用百分位法定义各站极端强降水事件的阈值,运用线性回归、M-K 突变检验、正交函数分解(EOF)、旋转经验正交函数分解(REOF)等方法,对华南地区年极端强降水频次的时空变化特征进行分析。结果表明:在空间分布上,年极端强降水频次在华南中部较大、广东沿海和广西西部内陆较小;华南极端强降水频次有3 个主要的空间异常模态,一致性异常特征是华南极端强降水频次分布的最主要空间模态,而东、西反向和南、北反向变化模态也是比较重要的异常模态。在时间分布上,华南的极端强降水事件主要发生在夏半年,夏半年极端强降水频次占全年总频次的83.7%;1960 年代和1980 年代极端强降水频次较少,从1980 年代中后期起,极端强降水频次有由少变多的趋势。华南区域各站极端强降水频次气候倾向率不一致,除中部呈减少趋势外,其余大部呈上升趋势,华南区域各站极端强降水频次的平均序列也呈上升趋势,但上升趋势不显著。华南极端强降水频次从区域变化特征上可分为6 个主要区域,分别具有不同的年际变化趋势,其中有3 个区域的代表站先后发生了显著增多的突变现象。      

陕西省汛期极端降水时空演变特征

基于陕西省78个气象站1961—2013年汛期(5—9月)逐日降水资料,统计了陕西汛期极端降水阈值,并利用线性倾向率、Morlet小波分析、经验正交函数分解(EOF)等方法研究分析了汛期极端降水事件的时空演变特征。结果表明:(1)陕西汛期极端降水阈值为25.5~57.5 mm·d~(-1),平均33.4 mm·d~(-1),空间上以秦岭为界,以南大部分站点高于平均值,以北低于平均值。(2)汛期极端降水事件频次月际变化较为集中,7月最多,5月最少;年及年代际变化较大,1975—1981年呈增加趋势,1982—1993年呈下降趋势,1993年以后又呈上升趋势,但整体上呈微弱增加趋势,其中关中、陕南地区汛期极端降水事件频次年及年代际变化与全省变化趋势基本一致,而陕北地区年际变化较小,与全省差异较大。(3)各分区汛期极端降水事件频次均存在多时间尺度特征,陕南、关中大尺度和中尺度的时间周期性基本一致,大尺度周期24~32 a,中尺度周期6~10 a,而小尺度周期略有不同;陕北完全不同,大尺度周期26~30 a,中尺度周期15~18 a。(4)陕西汛期极端降水事件频次的第1模态是陕北北部与其他地区呈反位相变化,第2模态是以秦岭为界的南北反相变化,第3模态是关中与陕南、陕北反相变化。     

韶关地区春季降水的时空变化特征

根据韶关地区8个国家气象观测站1965～2011年共47年逐日降水观测资料,采用经验正交函数(EOF)分解和Morlet小波变换方法,分析了韶关地区近47年春季降水变化特征。结果表明,前3个特征向量占总方差的94.38%,基本上反映了韶关地区春季降水空间分布场的主要特征,其中第1模态为总体一致型,第2模态为南-北差异型,第3模态为东南-中-西北差异型。韶关春季降水空间分布可分为3个区,即南部区:新丰、翁源;中部区:乳源、曲江、仁化、始兴和南雄;北部区:乐昌,分区略呈西南-东北走向。EOF分解的空间场第1模态时间系数能基本反映原场随时间的演变趋势,其时间系数Morlet小波分析显示韶关地区春季降水年际变化明显,主要存在2～3年的周期振荡。     

韶关地区春季降水的时空变化特征

根据韶关地区8个国家气象观测站1965-2011年共47年逐日降水观测资料,采用经验正交函数(EOF)分解和Morlet小波变换方法,分析了韶关地区近47年春季降水变化特征.结果表明,前3个特征向量占总方差的94.38％,基本上反映了韶关地区春季降水空间分布场的主要特征,其中第1模态为总体一致型,第2模态为南-北差异型,第3模态为东南-中-西北差异型.韶关春季降水空间分布可分为3个区即南部区:新丰、翁源;中部区:乳源、曲江、仁化、始兴和南雄;北部区:乐昌,分区略呈西南-东北走向.EOF分解的空间场第1模态时间系数能基本反映原场随时间的演变趋势,其时间系数Morlet小波分析显示韶关地区春季降水年际变化明显,主要存在2～3年的周期振荡.     

疏勒河流域极端水文事件对极端气候的响应

为了明确疏勒河流域极端水文事件对极端气候事件的响应关系,选取疏勒河流域内及其周边的托勒、敦煌、瓜州、玉门、酒泉、马鬃山等气象站点的气温、降水和蒸发的日值数据,昌马堡水文站的日径流数据,通过趋势分析、滑动平均、主成分分析等方法,分析疏勒河流域极端气候指数、极端水文事件的年际变化规律以及影响极端水文事件的因素,并明确该流域极端洪水年内分布特征。结果表明:疏勒河流域年际气温升高趋势明显,降水量呈波动变化,增加趋势不明显,而蒸发量呈下降的变化趋势。表征高温的极端气温指数呈显著上升趋势,表征低温的极端气温指数呈显著下降趋势,说明疏勒河流域气温增幅明显。极端降水指数呈显著的增加趋势。该流域极端洪水事件和频次呈上升趋势,而极端枯水事件和频次呈下降趋势。极端洪水事件主要受控于极端降水事件,特别是极端降水总量,极端高温事件对极端洪水总量的增加也有影响,而极端枯水事件主要受控于极端低温事件。此外,2000-2016年年最大洪峰流量出现的时间有由8月向7月转变的趋势。     

江淮梅雨区1960—2014年夏季极端降水变化特征及影响因素

利用江淮梅雨区66个测站1960—2014年逐日降水数据和同期NCEP/NCAR再分析资料,基于多个极端降水指数,通过趋势分析、EOF分析和合成分析等手段,探究该区夏季极端降水事件的时空变化特征及影响因素。结果表明：(1)夏季极端降水指数以上升为主,显著上升区主要位于东部。(2)夏季极端降水指数第一特征向量呈全“+”分布形态,北部地区更强,第二特征向量呈“西北+东南-”分布形态;第一模态时间系数呈上升趋势,第二模态时间系数变化趋势不明显。(3)在强（弱）夏季极端降水典型年,西太平洋副热带高压位置偏西（东),中纬度地区表现出经（纬）向型环流分布特征,利于（不利于）江淮地区极端降水发生;同时,对流层中、低层上升运动增强（中层气流辐散增强),水汽通量增强、辐合（减弱、辐散),因此,梅雨区极端降水异常增强（减弱)。     

长江中下游地区2010/2011年秋冬春连旱成因再分析

基于长江中下游70个气象站点逐月降水和CRU逐月降水格点数据、NOAA逐月海温数据以及NCEP/NCAR逐月再分析数据,分析长江中下游地区2010/2011年秋冬春连旱的时空特征,进一步探讨此次连旱的可能成因。结果表明:(1)2010/2011年长江中下游区域性秋冬春连旱事件始于2010年10月,止于2011年6月,其中2011年春季(特别是4月)干旱程度最重,大部分地区为重旱和特旱;(2)此次连旱事件受拉尼娜事件影响,赤道西太平洋海温异常偏暖、冬春季印度洋和黑潮区海温异常偏冷,使得Walker环流上升支和局地Hadley环流显著增强、西太平洋副热带高压显著偏弱,长江中下游地区始终处于下沉气流控制下,且水汽输送减少;(3)自2010年秋季,乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压轮番控制中高纬度地区,使得西伯利亚高压和阿留申低压持续增强,冬季风自秋季便开始影响中国东部地区,并一直持续到2011年春季,长江中下游地区受干冷的偏北气流控制,进一步阻碍了来自低纬的暖湿气流向本地输送,不利于降水的形成。     

卫星资料揭示的青藏高原对流层上层温度气候演变趋势特征

利用1982—2016年MSU/AMSU-A亮温资料,分析了青藏高原地区对流层上层温度的气候趋势及其演变特征,并利用ERA-Interim和NCEP-R2再分析资料的相应高度大气温度资料进行了对比分析。结果表明,青藏高原地区对流层高层卫星亮温资料总体表现为逐渐增暖现象,这与再分析资料的对应层次大气温度变化有很好的相似性。基于集合经验模式分解方法 EEMD的非线性趋势分析表明,青藏高原地区对流层上层亮温的增温首先出现在青藏高原中部,随着时间演变,增温现象逐渐向青藏高原四周扩散,最后在整个青藏高原地区都出现了一致增温现象。相比于NCEP-R2再分析资料而言,ERA-Interim再分析资料300 h Pa大气温度的演变趋势与观测亮温有很好的相似性,只是增温现象是首先在青藏高原附近,随着时间推移,增温现象逐步向周边地区扩张,最终整个青藏高原地区出现了整体升温现象。但是NCEP-R2再分析资料则是与上述两种资料的温度演变特征有很大的差异,其300 h Pa高度大气温度在前20年表现为明显的降温特征,在最近10年才出现了增温,并逐步向周边地区扩张的现象。     

COSMIC掩星资料在青藏高原地区的偏差特征

利用2007—2013年COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate)掩星RO(Radio Occutaion)资料和欧洲中期天气预报中心ECM WF(European Centre for M ediumRange Weather Forecasts)分析资料,研究了COSM IC RO探测的大气折射率及其反演的温度和水汽在青藏高原及其周边地区的偏差特征。结果表明,在夏季和秋季,高原,西南季风区和东部平原地区,大气折射率在对流层里均存在系统性的正偏差,其中高原偏差最大,在夏季可达0. 7%。冬季和春季,大气折射率在青藏高原对流层中下部有小的正偏差,而在西南季风区和平原地区对流层中下部有明显的负偏差。温度和水汽是折射率的反演产品,折射率的正偏差对应着温度的负偏差和水汽的正偏差。因此夏季高原地区的温度和相对湿度偏差可达-0. 5℃和7%。同时,夏季在西南季风区对流层顶出现了11%的相对湿度偏差。对流层下层折射率的负偏差和低层大气多路径效应有关,折射率正偏差和大气中的云水有关。对流层顶附近的相对湿度偏差,则是由于ECMWF模式结果不精确所引入的。     

基于对流尺度集合预报的飑线结构特征模拟与改善

对流尺度集合预报是研究飑线等强对流天气的新方向。当前对飑线系统结构的研究主要采用卫星和雷达资料结合高分辨率确定性预报的方法,而本文从集合预报技术的角度分析飑线结构特征。针对2014年7月30日中国江淮地区的一次强飑线过程,利用WRF模式开展了对流尺度集合预报试验,采用概率匹配平均法对集合预报结果进行综合处理,重点考察集合预报对飑线结构特征的模拟能力。结果表明:对流尺度集合预报能够模拟出飑线系统的基本结构特征。集合平均和概率匹配平均法相比控制预报而言,对飑线回波、热力场、动力场和微物理量场结构有明显的改善作用。同时模拟出了飑线系统近地面冷池和环境垂直风切变的相互作用,与RKW理论相一致。概率匹配平均法在回波强度上较集合平均更接近实况,应用于对流尺度集合预报研究极端天气事件具有指示意义。     

雷达径向速度资料同化中不同坐标转换方案的对比试验

利用江苏省气象局与美国强风暴实验室联合开发的高精度数值分析及预报系统(Precision Weather Analysis and Forecast System,PWAFS)对雷达资料同化中径向速度资料的两种坐标转换方案进行对比分析。Grid方案将雷达径向速度资料通过最小二乘法从极坐标映射到模式三维网格;Tilt方案将雷达径向速度资料通过双线性插值在水平方向插值至标量水平网格,但在垂直方向不进行插值,保留在雷达仰角对应的高度上。两种方案对反射率资料的处理均是插值到模式三维网格点。Grid方案在近雷达处进行平滑,在远雷达处进行插值,会导致低层数据平滑,Tilt方案减少了雷达径向风观测垂直插值引发的误差,更多的保留了雷达观测的特性。本研究分别通过龙卷、大风及梅雨锋暴雨个例对这两种方案的同化结果进行对比分析。龙卷个例中Grid方案得到了部分虚假的较大的同化风场,Tilt方案结果清楚展示了龙卷发生位置的回波及流场的精细结构。大风个例中两种方案得到的最大风速值差3 m·s^-1,Tilt方案的结果更接近观测最大风速值,且得到的大风速区分布更符合观测。梅雨锋暴雨个例中Grid方案对东北及西南两个区域的大风速区均未能很好的反映,Tilt方案得到的水平风速大值区范围明显优于Grid方案。在靠近雷达中心的低层,观测资料密集,Tilt方案能够更好的反应实际大气状态。但是因为缺乏其他观测资料进行验证,两种方案的效果还需要利用数值预报或其他方法进行对比。     

大气冰核谱对雷暴云微物理过程及起电影响的数值模拟

利用已有的二维对流云模式,讨论了三种不同的冰核谱对雷暴云微物理、起电及电荷结构的影响。模拟结果表明:(1)不同的冰核谱环境对雷暴云中冰相粒子的含量及分布具有明显作用。冰核谱的垂直温区越大,产生的冰相粒子分布越广。在冰核浓度较大的个例中,冰晶和霰粒子的含量高,更多的小冰相粒子出现在海拔更高的区域;(2)高温区冰核的数量会对上升气流速度产生显著影响。高温区的冰核越多,冰相粒子在微物理发展过程中释放的潜热越多,上升气流强,对流发展越旺盛;(3)在低温区冰晶浓度高的谱环境个例中,雷暴云中的非感应起电率和感应起电率高,导致起电量增加。高温区冰核多的谱环境,大量冰晶和霰获得正电荷形成次正电荷区,电荷结构呈现三极性;而高温区冰核少的谱环境,参与起电的水成物粒子少,易形成偶极性电荷结构。     

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。     

青藏高原夏季云水含量及其水汽输送年际异常分析

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979-2016年ERA-Interim再分析资料分析了青藏高原(下称高原)夏季云水含量及其水汽输送情况。结果表明:高原夏季云水含量占全年48%,东南向西北减少。影响高原云水含量的水汽通道有印度洋通道、南海通道、孟加拉湾北部及伊朗西部通道(依次简称通道1、2、3、4)。高原云水含量和各水汽通道强度均有明显年际变化。云水含量年际变化与通道2,4基本一致。云水含量与各水汽通道强度均呈增加趋势。通道1偏强时,来自印度洋北部和南海的异常水汽在孟加拉湾交汇向高原输送,主要使高原西北部云水含量增多。通道2偏强时,南海、中南半岛的异常偏南通量及孟加拉湾北部的异常西南通量向高原东南部输送更多水汽。通道3偏强时,西风带水汽和来自印度洋水汽更多输送到高原,主要使高原东北部云水含量偏多。通道4偏强时,来自南海-孟加拉湾南部的水汽向高原异常输送,使高原中部、东南部云水含量偏多。此外,西太平洋副热带高压(下称副高)偏西南偏强时,水汽通道2、4强度偏强,有利于水汽向高原输送。     

一次甘肃天水强冰雹的雷达回波特征及成因分析

利用常规气象观测资料、天气雷达以及NCEP FNL再分析资料,对2017年5月18日下午天水一次强冰雹天气的雷达回波结构演变特征和成因进行了详细分析。结果表明:(1)降雹对流单体低层反射率因子呈现出明显的"V"型缺口,最大回波强度出现在低层,为63 d Bz。反射率因子垂直剖面呈对流单体有界弱回波区和其上的回波悬垂,相应的径向速度垂直剖面呈中低层径向风有明显的辐合特征,高层转为辐散,尤其风暴顶附近。(2)对流单体发生在对流层中层河套地区至甘肃河东东部低涡及其附近冷区和河西中部高压脊及其东北部冷池和低层甘肃与宁夏交界处冷性低涡分别为干冷空气入侵和暖湿气流辐合抬升提供有利条件的环境背景下;较高CAPE值和低CIN值有利于强对流天气发生;对流层中低层深厚的上升气流,中层下沉气流和0℃层以上强气流上升有利于对流单体水汽输送以及生成、发展和维持;距地高度2600～2900 m的0℃层为大冰雹落地提供了环境条件。(3)冰雹临近预警的雷达参数化指标为最大反射率因子达55 d Bz,VIL最大值和VIL密度分别达25 kg·m-2和2. 3 g·m-3。