1998年淮河试验加密观测期间大气可降水的估算及其特征分析

利用GMS-5卫星红外分裂宙通道和水汽通道资料反演晴空大气的可降水分布，同时利用探空站资料和地面站资料估算云天大气的可降水分布。将这两种方法进行融合，得到淮河流域能量与水分循环试验期间全天候的大气可降水分布。结果表明，这种新的融合技术可应用于确定大尺度或全球尺度的大气可降水分布图像。揭示了江淮流域1998年梅雨盛行期大气中的水汽主要来源于西南方向。充足的大气可降水是产生地面降水的必要条件，在某些动力条件的影响下，空中的大气可降水将部分地被转化为地面降水。给出了几种主要的降水类型，分析了相应的大气可降水条件及其特征，并剖析了产生降水的大气动力条件。结果显示，地面降水中心通常并非出现在大气可降水的高值中心区域而是产生在其下风方向的某一区域。     

用GMS-5卫星资料结合地面资料联合估算水汽分布

利用GMS-5卫星红外分裂窗通道和水汽通道结合探空资料反演晴空大气的水汽分布;同时利用探空资料建立地面水汽压和相对湿度与大气总水汽量的经验关系,通过带权插值生成淮河流域300多个地面站经验关系式的系数矩阵,并利用地面站资料确定云天大气的水汽分布.最后,将两种方法进行融合,得到淮河流域全天候的水汽场分布.     

北京一次大暴雨的水汽收支和微物理过程数值分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,使用WRF模式对2012年7月21日发生在北京地区的一次特大暴雨天气过程进行数值模拟。在模拟结果的基础上,分析了此次暴雨过程的形势演变和水汽条件,并分别计算了暴雨发生过程中北京全市范围内的水汽输送、水汽收支、大气可降水量和空中各相态水物质的量值大小、空间分布情况及其相互转化关系。结果发现:这次降水主要受高空槽、低涡和地面切变线的影响。有东南、西南两条水汽输送通道,计算区域上空水汽收支变化与地面雨强的演变对应很好。中低层持续而强烈的水汽净输入,为暴雨的发生发展提供了很好的水汽条件。北京各站点大气可降水量普遍超过历史极值,反映了降水的极端性。降水发展不同阶段,云内微物理过程存在差异,降水量初期以暖雨为主,降雨量不大,之后冷雨过程增强,降水量迅速增大。     

山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征

利用山东省气象站的降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料,分析了1962-2016年山东夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律,探讨了夏季降水与水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源。结果表明:从常年值来看,山东平均夏季降水量为401.2 mm,大气可降水量为3478.8 mm,降水转化率为11.5%。降水转化率和降水量的时空演变特征更加一致,经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切,当大气可降水量充沛、外部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时,更加有利于山东南部地区降水的发生发展,从而形成夏季降水量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地,巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是重要的冷空气输送区域;当山东上游盛行偏西风时,自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽扰动并发展,是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件。     

地面降水诊断方程对降水过程的定量诊断

降水, 尤其是强降水 (暴雨), 对国家经济发展、 社会建设以及人民生活影响巨大, 然而由于同降水相关的物理过程非常复杂, 因此, 对降水的研究与预测十分困难。过去有关降水的研究大多关注水汽及水汽辐合 (输送) 的影响, 对与降水有关的水汽收支研究较多。Gao et al.(2005a) 率先将大气中水汽和云中水凝物 (云水、 雨水、 云冰、 雪及霰等) 的变化方程结合起来, 得到一个地面降水诊断方程, 从而可以将与降水有关的大气中水汽和云的演变过程在同一框架下定量地分析研究。本文利用一套21天长度的热带云分辨尺度模拟资料, 通过计算地面降水诊断方程中的局地水汽变化、 水汽辐合辐散率、 地面蒸发率以及云的变化率等各项, 分析了这些物理过程对降水的贡献, 指出局地水汽和云的变化率、 水汽辐合率, 地面蒸发率等均对地面降水有重要贡献。区域平均资料分析表明, 若水汽辐合与局地大气变干共存, 则产生强降水; 若存在水汽辐合但局地大气增湿或者存在水汽辐散但局地大气变干, 则引起中等强度降水; 若水汽辐散与局地大气增湿共存, 则造成弱降水。将降水划分成对流和层状降水进行分析发现, 对流降水率一般大于层状降水率, 水汽辐合是对流降水最主要的水汽源, 而局地大气变干则是层状降水最主要的水汽源。区域平均局地大气变干主要发生在降水性层状云区, 而最强的局地大气增湿则发生在对流云区和晴空区; 最强的局地云的消散发生在层状云区, 而最强的局地云的发展发生在对流云区。     

祁连山山区空中水汽分布特征研究

将卫星遥感资料与探空资料和地面观测降水资料相结合,分析了祁连山山区空中水汽含量和云迹风的空间分布特征。并且,以此为基础,研究了祁连山大气水汽和地面降水的空间分布及其与大气环流和地形的关系。结果表明:祁连山大气水汽和地面降水受西风带、偏南季风(南亚季风和高原季风)和东亚季风的共同影响,在祁连山西北部大气水汽主要受西风带气流控制,在祁连山中南部偏南季风占主导地位;在祁连山的东北部则是东亚季风的影响比较明显。同时,祁连山大气水汽、降水和降水转化率与海拔高度和坡向以及环流影响区的关系均十分密切。一般,迎风坡上大气水汽含量在3500—4500 m海拔高度会出现一个峰值;而在背风坡上除东亚季风影响区外大气水汽含量只出现随海拔高度单调递减趋势,基本上不出现任何峰值。背风坡大气水汽含量总体上要比迎风坡少得多,最多大约能少4.49 kg/m2。无论是大气水汽含量、地面降水还是降水转化率均在东亚季风影响区最大;东亚季风影响区大气水汽含量在迎风坡上的峰值要更强,出现的海拔高度更低。     

沈阳城区一次暴雨过程的水汽条件分析

利用Micaps实况资料、东北区域中尺度数值模式分析场资料和常规观测资料,对2013年8月16日沈阳城区暴雨的水汽条件进行了分析。结果表明：850 hPa以下城区上空水汽含量占整层的80％以上,地面比湿呈现快速增加后减少的变化,比湿峰值对应的并不是强降水的最强时刻。强降水发生前,城区地面周围的湿度分布不均匀,水汽输送主要以南北向为主。比湿的迅速增加主要是由于降水前风向和风速的快速变化,其中主要是南风分量的贡献。城区上空垂直方向上水汽主要是850 hPa向上输送,850 hPa以下输送强度逐渐减弱。伴随着强降水的开始,水汽的垂直输送转为高度层越低,输送强度越大。强降水发生时,地面U、V方向上水汽通量快速减小。强降水发生后,地面和高空水汽输送均发生了变化。大气可降水量与降水量之间具有一定的对应关系,可降水量的大小主要是取决于水平水汽通量辐合的大小,水汽局地变化对可降水量的贡献较小。水汽通量的辐合、辐散的大小主要取决于水平风场引起的辐合、辐散的大小。     

利用GPS和云图资料监测北京地区中小尺度降水的研究

地基GPS遥感大气总水汽量提供了高时间分辨率的水汽资料,为分析预报中小尺度系统的变化创造了条件。本文利用北京GPS／VAPOR试验反演了北京2000年6～8月的大气总水汽量(又称大气可降水量或积分水汽),分析了北京夏季大气总水汽量的分布特征;结合气象和云图资料,对7月3～5日的一次暴雨过程进行了分析,结果表明：GPS大气总水汽量和云的发展及维持是强降水产生的条件,降水量的大小与大气可降水量的增加幅度、维持时间和水平有关,面上的大气可降水量的变化和红外云图资料显示的中小尺度系统的变化是一致的。面上大气可降水量的移动与测站降水关系密切,当测站大气可降水量迅速增加,并且面上分布的大气可降水量也同样向测站扩展时,台站的降水也迅速增加。GPS大气可降水量可作为台站短期降水预报的一个指标。     

一次热对流降水成因的分析和模拟

夏季受西太平洋副热带高压控制的中国大陆地区常发生热对流降水.文中首先利用TRMM卫星观测资料、地面自动站地表温度观测资料和NCEP资料分析了热对流降水的特征及其产生的背景条件;利用区域平均的水汽方程诊断了地表蒸发、水汽平流和水汽通量辐合项的贡献,分析了降水的水汽来源;进一步利用AREM区域数值预报模式,设计了4个敏感性试验,研究了陆气感热、潜热通量对降水的贡献.结果表明,在副热带高压控制的地区,白天强烈的非均匀地表感热加热可导致低层热空气块突破环境下沉气流而上升,周围空气补充形成辐合运动.低层空气的辐合上升既可引起水汽的汇聚,又可把低层的水汽输送到高层.同时非均匀陆面特征造成的非均匀感热和潜热通量的共同作用增强了大气的位势不稳定度,触发了对流,但感热通量对热对流降水的贡献比潜热通量略大.热对流降水的水汽除部分来自地表蒸发外,另一部分来自低层的水平通量辐合.定量计算表明二者对大气可降水量的贡献基本相当,而平流水汽的贡献很小.     

物理协调大气变分客观分析模型及其在青藏高原的应用I: 方法与评估

本文系统地介绍了基于约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型,并将模型首次应用于青藏高原那曲试验区。该模型可融合不同时空分辨率的多来源数据,通过利用地面降水和地面、大气顶部的热通量等大气上下边界的观测资料来约束调整探空观测变量,从而尽可能保证气柱内的质量、热量、水汽和动量收支平衡。对模型及其产生的第三次青藏高原大气科学试验那曲试验区2014年8月期间的大气分析数据集进行评估分析,结果表明模型生成的常规状态量很好地保留了观测特征,模型生成的重要大尺度衍生量（如,垂直速度、散度、温度/水汽平流、视热源、视水汽汇等）可以较好地反映试验期内大气柱的动力、热力和水汽结构特征,有利于对大气降水过程的分析研究。分析发现,350～400 hPa高度层是该时期那曲试验区的动力、热量和水汽的重要变化中心。从各种观测资料对模型生成的分析场的影响来看,探空观测对高空风场的影响最大,但这种影响的幅度在1 m/s以内;降水和上下边界通量观测主要影响大尺度衍生量,如垂直速度,其中降水主要影响降水时期的上升运动,通量观测主要影响弱/无降水时期的下沉运动。总体而言,物理协调大气变分客观分析模型具备较好的稳定性和合理性。     

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。     

同化青藏高原地区GPSPW数据对长江中下游地区降水预报的影响评估

长江中下游地区位于东亚季风区,其夏季降水的水汽部分来源于孟加拉湾的水汽输送。本文利用青藏高原地区全球定位系统（GPS）站点观测到的大气可降水量（PW）资料,采用WRF模式（Weather Research and Forcasting Model）的同化模块（WRFDA）,将这支水汽输送带的信息同化进数值模式,并用WRF模式对长江中下游地区的7月份降水预报进行批量试验和个例分析。批量试验和个例分析采用3种方案：无资料同化的控制试验（NoDA）,冷启动同化试验（Cold）和循环同化试验（Cycling）。此外,还针对Cycling方案进行延长预报时长的补充试验以探究同化带来正效果最明显的时段。同时为了探究同化正效果的来源,针对Cycling方案进行只同化被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_a）以及只同化不被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_b）。试验结果表明：同化青藏高原地区的GPS数据能在一定程度上改善长江中下游地区的降水预报,对于48～72小时的降水预报改善效果尤为明显,且Cycling方案在整体上优于Cold方案。对于Cycling方案,在120小时预报时长内,同化正效果最明显时段为48～72小时。当水汽输送带较多地经过同化区域时,降水的TS评分能得到明显改善,而当水汽输送带较少地经过同化区域时,降水的TS评分改善效果不明显。如果只同化被水汽输送带覆盖到的GPS站点的GPSPW数据,仍然可以保留住大部分的同化正效果,因此,针对性地同化GPSPW数据是可行的。     

The Atmospheric Water Resource over the Qilian-Heihe Valley

On the base of weather station data and the NCEP/NCAR reanalysis data, atmospheric water resource over the Qilian-Heihe Valley was analyzed, and the result shows that, the less water vapor transport source and the divergence of atmospheric stream eld are main cause for resulting in the little water vapor content over the Qilian-Heihe Valley. Annual mean atmospheric water vapor content over the Qilian-Heihe Valley is merely 30% and 40% over the south of the Yangtze River and the middle of North China, respectively. Because of its high elevation and high precipitation e ciency, the Qilian Mountains area has plentiful precipitation. And the lower surface temperature and evaporation make the surface water material gather easily and thus form runo . As for the Heihe Valley, for the low precipitation efficiency, there is little precipitation and its value is corresponded to the surface evaporation. Thus its contribution to the surface water is very small. In the grid of 2.5°×2.5° over the Qilian-Heihe Valley, annual influent and effluent water vapor amount are 668×109 and 650×109 m3, respectively. The net influent water vapor amount is 18×109 m3. The influent water vapor takes on reducing tendency and with an obvious descent in period of the 1970s-1980s. In the recent 40 years, because the air temperature over the Qilian-Heihe Valley is rising and the atmospheric water vapor content is descending, the decrease of precipitation would be inevitable.     

地基GPS遥感观测北京地区水汽变化特征

利用2004—2007年SA34（北京大学）站的GPS观测数据,运用GAMIT软件解算反演了间隔30min的连续变化大气水汽总量（PW）。与北京南郊观测场得到的探空结果作比较,均方根误差（RMSE）在2~3mm之间。通过对大气水汽作月平均,得到每月的大气水汽总量口变化曲线,并初步分析了夏季水汽日变化与地面比湿、降水、地面气温以及地面风矢量的关系。结果表明:北京地区夏季7月大气水汽总量最小值出现在08:00（北京时）左右,8月大气水汽总量最小值出现在08:00到12:00左右（各年表现出一定的差异）,夏季大气水汽总量的最大值出现在01:00到03:00;7月和8月的日变化在夜间变化趋势有所不同;大气水汽总量最大值出现时刻与地面小时降水有一定相关性,且大气水汽总量的日变化明显受风矢量日变化的影响。通过对大气水汽总量的时间序列进行小波分析,得到1年大部分时间里,水汽变化存在大约12d的周期。采用前期的大气水汽总量平均值和短时大气水汽总量增量两个条件进行降水的判断,认为夏季降水的出现时刻与差值的高值区有比较好的对应。     

应用LAPS资料分析安徽沿淮一次短时暴雨特征

利用LAPS系统融合分析资料对安徽沿淮一次短时暴雨过程进行中尺度天气分析,探讨降水过程成因机制及天气结构特点,同时验证LAPS分析资料的实用性。结果表明：过程主要影响系统为中尺度气旋式涡旋,其向安徽北部沿淮地区移动为暴雨的发生、发展提供了触发机制。雷达降水回波主要出现在850hPa中尺度涡旋南侧以及700hPa槽前西南气流辐合上升运动过程中,持续的低空急流及其带来的水汽共同为暴雨过程提供了水汽条件和动力机制。比较雷达回波发展和云中液态水含量演变发现,云中液态水含量极大值区多出现在雷达回波单体的新生区域,借助于LAPS云中液态水含量分布结果对预测雷迭回波发展趋势及降水分布有借鉴作用。     

春季中国南方雨带年际变动与大气环流异常

利用1960—2008年中国693个站逐日降水资料和NCEP/NCAR日平均再分析资料,采用统计分析方法,分析了中国南方春季降水强度和位置的年际变率及其与大气环流的关系。结果表明:在年代际尺度上,江南春季降水在20世纪60年代中、后期偏少,70年代中期到80年代初偏多,90年代初开始减少;在年际尺度上,当春季西太平洋副热带高压和青藏高原东侧的低层低压系统加强,并且异常中心分别位于20°N以南和30°N以南时,异常西南风主要位于长江以南地区,在异常西南风逐渐减弱区出现明显的辐合,伴随着该地区低层空气质量辐合、对流层上升运动和水汽辐合加强,造成江南地区降水偏多,此时来自西太平洋的异常水汽到达南海后,没有在南海聚集,而是转向北输送到江南;当春季西太平洋副热带高压以及青藏高原东侧低压系统加强且异常中心位于30°N以北时,异常西南风盛行在中国东部大部分地区,此时低层异常空气质量辐合、对流层异常上升运动以及异常水汽通量辐合区都向北移到江淮地区,使江淮地区降水增加,而华南地区为异常空气质量辐散、异常下沉运动以及异常水汽通量辐散,伴随着降水减少,这时异常水汽主要来自西太平洋副热带地区。由于上述观测结果与通过改变东亚和周边海域海-陆热力差异的数值试验结果有很好的一致性,因此,这里观测到的降水和大气环流异常可以被东亚区域热力差异异常激发出来。     

地基GPS遥感观测安徽地区水汽特征

对2002年6～7月安徽地区肥西、桐城、寿县、无为、芜湖、滁州6个GPS观测站的数据，结合相应的地面温度、气压等气象数据反演了时间间隔为30min连续变化的水汽总量。这一解算结果由解算方法分析达到1～2mm量级精度，达到了数值天气预报和气候研究的要求。利用这些资料，分析了上述地区水汽变化特征。单站水汽的持续积累和源源不断的水汽输送是强降水系统发生发展的必要条件，为了研究水汽来源及水汽量的大小，结合NCEP资料计算了一次强降雨过程中水汽通量值。     

塔里木河流域夏季降水年际和年代变化的环流异常

基于1961-2020年夏季（6-8月）NCAR/NCEP再分析资料和塔里木河流域（简称“塔河”）38个气象站降水资料,使用5年滑动平均分离出塔河夏季降水年代际和年际变化,选出了典型的年际变化的干年和湿年与年代际变化的干期（1963-1986年）和湿期（1989-2018年）,分析了与这两种时间尺度变化相关联的大气环流异常。结果表明,两者的变化不同,影响两者变化的大气环流不同。影响年代际变化的大气环流异常主要表现在欧亚大陆对流层从西北至东南交替出现正负位势高度异常中心,在湿期塔河东部和西部分别出现明显的东风和西南风异常,水汽主要由西北太平洋和印度洋输送至塔河,在干期则与之相反;影响年际变化的大气环流异常主要表现为在塔河东部和西部对流层分别为反气旋异常和气旋异常,在多雨年从南北方向向塔河输送的水汽增多,北风水汽通量异常向流域输送较多,南风水汽通量异常向流域输送较小且主要集中在流域西部,水汽主要由北冰洋洋和印度洋输送至塔河。在干年则与之相反。     

菲律宾海地区异常环流与长江中下游6月旱涝的关系

利用1951—2010年NCEP/NCAR逐月再分析资料和中国160站月降水总量资料,研究了菲律宾海地区大气环流异常与长江中下游6月旱涝的关系。结果表明,菲律宾海附近是影响长江中下游地区6月降水的关键区。菲律宾异常反气旋（气旋）在对流层低层明显,强度随高度衰减。且这种大气环流异常与长江中下游地区6月降水的相关关系在低层850hPa最显著,到高层相关性减弱。当出现菲律宾异常反气旋环流时,垂直速度和水汽输送等异常分布特征有利于降水发生,使得长江中下游地区偏涝,反之则偏旱。