基于微波探测资料的全球大气亮温长期变化趋势研究

本文使用1978—2013年美国大气海洋局NOAA研发的STAR V3.0版本的MSU/AMSUA逐月亮温格点数据,引入集合经验模式分解(EEMD)方法,研究了高空大气亮温的非线性变化趋势,尤其注重亮温气候趋势的时间演变特征,并与传统线性回归(CLR)方法做了对比研究。结果表明,在全球对流层增温、平流层降温的大背景下,基于EEMD的亮温非线性趋势演变特征表现为:近10 a对流层中、高层全球平均增暖趋势放缓,甚至出现轻微的降温趋势;北半球对流层增暖首先出现在北极,随后向低纬度方向延伸。北极对流层增暖向上影响高层大气,最高可以扩展到平流层低层。南半球对流层中低纬度地区受北半球大气影响也出现增温。另外,近10 a南极地区出现显著的独立增温现象。平流层变冷北半球最早从中纬度地区开始发生,变冷逐渐增强的同时向极地和低纬度两侧扩张。南极上空平流层大气早期也出现显著变冷,然而随着2000年以后南极大范围增暖,平流层变冷逐渐转移到中低纬地区。     

MSU/AMSU微波亮温用于海洋高空大气温度气候变化研究的适用性探讨

利用美国大气海洋局卫星应用和研究实验室 (The Center for Satellite Applications and Research,STAR) 提供的MSU/AMSU卫星微波亮温资料V3.0版本,结合三套再分析资料数据集,通过对海洋上空不同高度、不同区域及不同季节的适用性分析,来探讨MSU/AMSU资料在热带海洋区域高空大气的温度变化特征,并通过合成分析揭示亮温资料与海洋的响应关系,从而探讨MSU/AMSU资料在热带海洋区域上的适用性和科学性。结果表明:（1）MSU/AMSU亮温资料在30 °E~70 °W,15 °S~15 °N范围的热带海洋区域适用性较好;（2）热带海洋区域对流层上层和中层大气均呈增温趋势,变化速率分别为0.045 K/(10 a) 和0.107 K/(10 a),增温突变现象出现在1980年代末—1990年代初,平流层低层大气呈降温趋势,变化速率为-0.345 K/(10 a),降温突变现象出现在1990年代中期;（3）在热带海洋区域,高空大气温度的变化趋势具有较强的区域性特征,相对于中东太平洋而言,印度洋-西太平洋区域的增、降温趋势变化更显著。对流层的增温幅度随高度的升高而有所降低。平流层低层的降温趋势在季节内变化不大,而对流层则是秋、冬季的增温趋势要明显大于春、夏季,冬季的增温尤为明显;（4）MSU/AMSU亮温资料对热带海洋温度异常有很好的响应关系,能在弥补海洋区域观测资料稀缺的情况下,对海洋区域起着较好的监测作用。      

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明:高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。     

2008年以来青藏高原春季大气温度逆转趋势及其与臭氧总量变化之间的可能联系

利用ERA-Interim和MERRA-2再分析资料,考察1980—2017年青藏高原大气温度变化趋势和规律,年、季、月不同时间尺度分析结果均揭示2008年以来青藏高原春季大气温度变化呈现逆转趋势：高原上空平流层下部150~50 hPa呈现明显的增温趋势（1.0~2.7℃/10a),对流层上部300~175 hPa呈现明显的降温趋势（-3.1~-1.0℃/10a),这与此前的大气温度变化趋势完全相反。利用TOMS和OMI卫星臭氧遥感资料,考察同期青藏高原臭氧总量变化特征,表明2008年以来青藏高原臭氧总量也表现出逆转的增加趋势,与大气温度逆转趋势吻合,从冬末至春季各月均有显著增加趋势,尤以5月臭氧总量增加速率最大,达13.7 DU/10a。青藏高原春季大气温度变化趋势与同期臭氧总量变化特征紧密相关,2008年后臭氧总量的快速恢复可能是引起大气温度逆转趋势的一个重要影响因素。     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

利用多种再分析资料对比分析青藏高原夏季大气水汽含量变化情况

利用ERA-Interim、MERRA和NCEP/NCAR三套再分析资料,分析1979~2014年夏季青藏高原大气水汽含量的时空变化特征,同时对比了各套资料异同点,结果表明:(1) ERA-Interim和MERRA资料均显示出夏季青藏高原大气水汽含量呈现显著的上升趋势,在1994~1995年前后发生明显突变,大气水汽含量由偏低时期向偏高时期转变;而NCEP/NCAR资料并没有出现类似的显著上升趋势和突变年份;ERA-Interim资料与MERRA资料的夏季青藏高原湿池指数之间的相关性明显强于NCEP/NCAR资料与它们任何一个之间的相关性。(2)夏季青藏高原大气水汽含量呈现出自高原东南边缘地区向西北部递减的分布形式。其中,MERRA与ERA-Interim资料显示的水汽含量分布更为相似,而NCEP/NCAR资料反映的水汽含量在高原中部往北递减不明显,湿度中心较为分散。(3)从空间分布上,MERRA与ERA-Interim资料显示青藏高原大部分地区夏季水汽含量均呈显著的增加趋势,而NCEP/NCAR资料仅在高原东北部小部分区域存在显著的增加趋势。(4)从夏季青藏高原大气水汽含量的年际变化特征分析来看,ERA-Interim和MERRA资料相对于NCEP/NCAR资料也更为接近。      

青藏高原春季不同地区臭氧和大气温度变化趋势的差异性

利用1979—2018年太阳后向散射紫外辐射计SBUV(/2)星下点臭氧遥感资料,结合ERA-Interim和MERRA-2大气温度再分析资料,考察青藏高原区域内拉萨和共和两地春季臭氧和大气温度变化趋势的差异性。结果表明拉萨和共和两个地区的臭氧和大气温度逆转趋势均发生于1999年。对比2008年以来青藏高原整体臭氧总量变化速率（4.5 DU/(10 a)),拉萨臭氧总量变化更快,为5.9 DU/(10 a),共和相对较慢,仅为3.7 DU/(10 a);同时,1999年以来拉萨和共和春季下平流层（100~30 hPa）大气温度分别以0.5~1.4℃/(10 a)和0.01~0.9℃/(10 a)速率增加,上对流层(250~175 hPa)大气温度分别以0.2~1.5℃/(10 a)和0.2~1.2℃/(10 a)速率降低。与2008年以来高原整体大气温度变化相比较,均慢于高原下平流层（125~70 hPa) 1~2℃/(10 a)的增温速率,快于高原上对流层（225~175 hPa）0.4~1.1℃/(10 a)的降温速率。两地臭氧与大气温度的相关系数和回归系数计算结果表明,拉萨和共和两个地区1999年以来春季臭氧恢复速率的不同是导致两地同期下平流层-上对流层温度逆转速率差异的重要因子之一。     

一个新的青藏高原热力指数的构建及其应用

利用1979-2014年ERA-Interim再分析月平均温度资料,分析了对流层中上层(500~150 h Pa)温度纬向偏差的分布特征,并将青藏高原(下称高原)对流层中上层温度纬向偏差进行垂直积分后,尝试构建一个新的表征高原热力指数(Plateau Heating Index,PHI),并分析该指数的季节演变特征及其与东亚大气环流的关系。结果表明:(1)对流层中上层纬向温度偏差的暖中心存在着季节性的移动,即春季暖中心由西太平洋迅速移至高原,而秋季则快速东移到西太平洋;(2)PHI在年进程上呈现出明显的单峰型变化特征,在11月至翌年2月为负值,其余为正值;(3)各季PHI与纬向西风的显著相关区大致以30°N为界,呈现出北正南负的反向分布。当PHI增强时,高原北(南)部西风增强(减弱),副热带西风急流增强,反之亦然;(4)各季PHI与200 h Pa位势高度的显著正相关均出现高原上空,表明高原对流层加热有利于其上空位势高度的增加。当夏季PHI偏强(弱)时,对应着南亚高压偏强(弱)。     

1979～2011年间平流层温度及平流层水汽的演变趋势

利用ERA-Interim再分析资料,研究1979~2011年间平流层温度与平流层水汽的时空演变趋势。结果表明,平流层纬向平均温度场和平流层水汽的分布随高度、纬度、季节的变化而变化,且二者密切相关,互相影响。过去33a间在热带地区平流层温度均呈上升趋势,在南北半球,温度在平流层中下层呈下降趋势,而在平流层上层呈增温趋势。平流层水汽在不同层次、不同纬度带均呈增加趋势。平流层纬向温度在南北两半球的下降趋势与平流层水汽含量的增加趋势,进一步验证了全球气候正在变暖的事实。      

基于再分析资料与观测资料的中国低温阈值变化特征研究

采用1979—2013年中国192站逐日最低温度观测资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、JRA-55、ERA-Interim再分析资料及1979—2004年均一化资料,分别计算低温阈值并对比分析其气候态、年际和年代际变化、长期趋势等特征。结果表明:与观测结果相比,均一化资料阈值在东北、内蒙古西部和两广等地偏低,在青藏高原东侧、新疆北部和黄河中下游偏高,线性趋势则相反;再分析资料阈值在南方偏低、东北偏高,在东部的可信度高于西部;再分析资料能显示内蒙古中西部的降温趋势和青藏高原的增温趋势,但在数值和范围上有差异,且均低估了观测资料反映的华北地区的显著升温现象;再分析资料能体现观测资料阈值的全区一致性、东北与其他地区反相的空间分布及其年际变化特征,仅JRA-55和ERA-Interim可再现低温阈值的年代际变化特征。     

动能空间尺度分解及其在高原切变线的分析应用

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大体与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小。在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能变化影响明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,构成动能的降尺度串级,这种能量串级转换有利于中尺度的高原切变线生成。     

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。     

青藏高原地表非绝热加热模态及其与中国北方环流异常的联系

利用青藏高原非均匀下垫面热力输送系数及地表有效辐射的EOF分析结果,计算了2000年以来的高原地表非绝热加热资料,并将1958—2013年地表非绝热加热资料进行重建得到高原地表非绝热加热指数,以表征高原不同气候分区的地表热力状况。根据EOF分析结果将高原分为4个气候区,并从波能传播的角度分析其对中国北方环流异常的影响。结果表明,高原地表非绝热加热指数在西部边缘(气候Ⅰ区),除了冬季为微弱下降趋势以外,其他季节都为微弱的上升趋势;在高原中西部腹地(气候Ⅱ区),四季均为下降趋势;在高原东北部(气候Ⅲ区),除了冬季表现为微弱的下降趋势外,其他季节均为微弱的上升趋势;而在高原东南部(气候Ⅳ区),四季均表现为下降趋势。高原西部边缘地表非绝热加热异常增强时,高原200 h Pa上空为波能辐散区,并向东传播,初夏在北方辐合加强,有利于降水,干旱减弱;盛夏在北方地区处于辐散区,加剧干旱。在高原东北部地表非绝热加热异常增强时,该区200 h Pa上空为波能辐散区,并向东传播,无论是在初夏还是盛夏,除了东北地区北部,北方其他地区辐合加强,有助于干旱减弱。     

城市水文过程对气象环境影响的模拟分析

采用引入城市水文过程的WRF/SLUCM方案,以北京2010年7月4—6日高温热浪天气为背景,模拟了绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程对城市气象环境的影响。结果表明:(1)绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程可导致北京城区13 ∶00(7月4—6日小时平均,下同)潜热通量升高最多约100 W·m^-2 ,02 ∶00升高最多约15 W·m^-2;感热通量13 ∶00降低最多约80 W·m ^-2;02 ∶00降低最多约5 W·m^-2 。(2)城市水文过程可导致城区13 ∶00相对湿度增加最多约4%,02 ∶00约6%;地表气温13 ∶00降低最多约1.2 ℃,02 ∶00约0.4 ℃。(3)城市水文过程对北京城市热岛强度的减弱效果白天明显好于夜间,且在10 ∶00—14 ∶00出现了强度约0.8 ℃的冷岛效应。(4)水文过程会导致北京城区500 m高度以下白天大气温度最多降低0.5 ℃,相对湿度最多增加3%,但夜间影响较小。由于热对流运动的减弱,城区边界层高度降低约200 m;城区1 km高度以上水平风速增大,低层风速减小。     

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。     

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。     

1960—2014年淮河流域极端降水发生时间的时空特征

利用淮河流域25个分布相对均匀站点的逐日降水资料,借助线性趋势、圆形统计、EOF分析等方法对1960—2014年流域的极端降水发生时间的时空特征进行分析。研究表明:(1)淮河流域极端降水发生时间主要集中在7月中下旬,并表现出明显的年际振荡。流域平均的极端降水发生时间表现出提前趋势,但未达到0. 05显著性水平。发生时间集中程度随年份上升,上升趋势达到了0. 05显著性水平。综合分析表明,流域7月份发生极端降水的可能性增大。(2)流域极端降水发生时间在空间上由西南向东北逐渐推迟,大部分站点发生时间呈微弱提前的趋势,该分布规律与梅雨和台风的影响有关,而提前趋势与20世纪90年代以来我国主雨带的年代际北移有关。(3)流域极端降水发生时间的EOF分析结果显示,第一模态空间典型场呈"西北-东南"反位相分布;第二模态空间典型场呈一致性分布,分别揭示了流域极端降水发生时间在空间上的分异特征和近似一致性分布特征。     

青藏高原大气蕴含潜热时空分布特征研究

利用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)月平均比湿资料,通过直接对比湿q进行多年平均计算、气候倾向率分析、EOF分解等,研究了1979-2015年青藏高原(下称高原)地区大气蕴含潜热的时空分布特征及年际、年代际变化特征。结果表明,高原大气蕴含潜热从低层向高层逐渐减少,且夏季蕴含潜热最多,其次为春、秋,且两季分布特征大致相似,冬季蕴含潜热最少,各季大值均集中在高原东南部及南部;蕴含潜热整体呈增长的趋势,夏季增长最快,冬季最慢;高原西部和云贵高原地区大气蕴含潜热均有不同程度的减小,夏季减小最快,冬季减小最慢;EOF分析中,各积分层以及整层[地表到500 hPa积分(第一积分层);500~400 hPa积分(第二积分层);400~300 hPa积分(第三积分层);地表到300 hPa积分(整层)]在第一模态下均大致呈正分布;在第二模态下均呈“正-负”的偶极子分布(其中第一积分层和整层为西南—东北“正-负”分布,其余两层为东—西“正-负”分布),说明蕴含潜热在这两种分布状态中的变化趋势均存在反相关系);在第三模态下均在西北—东南方向为“正-负-正”的分布。各积分层以及整层除第二模态年际变化相对明显外,其他两个模态年际变化均不明显。     

1987—2016年安徽省暑期体感温度时空变化特征

基于安徽省1987-2016年81个国家站暑期7、8月逐日平均气温、最高最低气温差、平均相对湿度和平均风速,计算各站点体感温度,并分析其逐年变化特征。联合站点体感温度和DEM地形数据,建模并给出体感温度的空间分布;依据舒适度划分等级,得到安徽省暑期舒适度空间分布。结果表明:(1)安徽省近30 a暑期体感温度呈波动上升趋势;与平均气温、平均相对湿度呈正相关,与最高最低气温差、平均风速呈负相关;平均气温、平均相对湿度的上升,高低温差、平均风速的下降,使得体感温度呈上升趋势,其气候倾向率(0.0224℃·a^-1)略高于平均气温的气候倾向率(0.016℃·a^-1)。(2)体感温度随地形变化特征显著。沿淮部分地区与沿江大部平原地区普遍超过29.0℃;受海拔、植被覆盖、地形遮蔽效应影响,大别山、皖南山区大部体感温度低于27.0℃。(3)沿淮淮北、江淮大部、沿江等平原地区多为"较不舒适"地区;大别山、皖南山区均包含"最舒适"、"舒适"和"较舒适"地区。山区地形遮蔽效应与高植被覆盖为安徽省避暑旅游提供了良好的区域气候条件。     

多普勒雷达资料同化在福建地区暴雨过程中的模拟试验

利用中尺度模式WRFV3.5,对福建地区的一次暴雨过程进行了模式参数化方案模拟效果的敏感性试验,并同化了多普勒雷达资料进行了模拟研究。结果表明,WSM5微物理方案与BMJ积云对流方案的组合模拟大雨和暴雨量级降水的TS评分可达0.29,模拟效果优于其他各种组合。在此基础上,采用WRFV3.5三维变分系统,直接同化多普勒雷达资料,并和登陆台风的外围暴雨过程的控制试验比较,结果表明,仅同化反射率资料使得暴雨落区会向南调整,更接近于实况(TS评分提高了0.12),而仅同化径向风资料使得模拟的降水强度更趋近于实况(TS评分提高了0.13);同时同化反射率和径向风资料,使得暴雨落区及其强度的模拟最接近于实况(TS评分从0.12提高到0.28);敏感性试验的对比结果以时间间隔为3 h时模拟效果最优,6 h间隔次之。因此,合理同化雷达资料会显著改进福建登陆台风的降水模拟效果。