基于雾条件下能见度估算的导线覆冰气象模型

在总结分析导线覆冰模型理论框架及其影响导线覆冰增长强度的主要气象因子的基础上,根据四川省二郎山观冰站2006年1月—2009年3月的覆冰观测资料和同期常规气象资料,分析发现覆冰密度仅与气温相关显著,运用非线性回归分析建立了导线覆冰密度模型;利用能见度与液态水含量的转换关系估算了空气中的液态水含量及其输送指标,在此基础上建立了一个以气温、风速等常规气象观测要素为参数的导线覆冰模型,以便于工程应用。对模型拟合结果进行分析,实测冰厚和拟合冰厚之间的相关系数为0.8340,拟合冰厚的均方根误差为28.61 mm。     

中国东部夏季深对流云的微物理特征

利用2007年1月—2010年12月的Cloud Sat-CALIPSO卫星资料,对中国东部及其周边海域(20°—35°N,103°—137°E)夏季(7—8月)深对流云的云水路径、云水含量、粒子有效半径以及粒子数浓度等微物理变量进行了统计分析,并研究了上述微物理变量的概率密度分布以及垂直变化。结果表明:中国东部夏季深对流云液态水路径可以达到1 000 g/m~2,海上液态水路径逐渐减小到600 g/m~2左右,在海洋上深对流云的冰水路径约为1 600 g/m~2,而在中国东部冰水路径大约为1 200 g/m~2;夏季深对流云的液态水含量在47—104 mg/cm3范围内分布概率最大,分布高度在5 km左右达到极大值,冰水含量的分布概率单调递减,在7—11 km高度的值大于200 mg/cm~3;液态水粒子的有效半径在8—13μm的分布概率最大,其有效半径随着高度的增大而逐渐增大,冰粒子有效半径在108μm处分布概率达到最大,最大值出现在5.8 km高度处且值为108μm;液态水粒子数浓度在55—65个/cm~3范围内分布概率最大,数浓度极大值出现的高度最大值为4.6 km,冰粒子数浓度小于297个/L,在5 km高度以上随着高度增加而逐渐增大,到12.3 km高度处达到最大。     

基于地基微波辐射计反演四川盆地水汽及云液态水的初步分析

利用2016年12月1日～2017年11月30日,地基微波辐射计、L波段探空资料和地面常规气象资料,对四川盆地的水汽和云液态水进行了初步分析。结果表明:(1)探空与微波辐射计反演的水汽含量差值为0.558cm,相关系数为0.787,且通过了α=0.01显著性检验,微波辐射计反演的水汽含量是可信的。(2)基于地基微波辐射计分析四川盆地水汽和云液态水含量的变化特征,可以得出,夏季水汽含量最多,秋季云液态水含量最多;最大值出现在夜晚,最小值出现在白天,夜晚值大于白天。水汽含量和云液态水含量最大值和最小值时间间隔秋季最长(均为16小时),冬季最短(分别为9小时、10小时);水汽含量日较差在秋季最大(1.096cm),冬季最小(0.489cm),云液态水含量日较差在夏季最大(0.908mm),冬季最小(0.311mm)。水汽含量与降水、温度的月变化特征为显著性正相关,相关系数分别为0.842和0.915;与温度日变化特征在春、秋季的11:00～次日01:00为显著性正相关,白天相关性大于夜晚,在夏季01:00～13:00为显著性负相关,日出前相关性最高。(3)水汽和云液态水含量在降水过程开始前1～2h有明显的波动上升,降水结束后,水汽和云液态水含量迅速减少,水汽和云液态水的变化特征对降水天气的预报具有指示意义。      

我国干旱地区一次直升机自然结冰试飞天气个例分析

2018年3月17日、27日,国产某型直升机在新疆五家渠地区成功完成2架次自然结冰试飞。利用NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料、机测液态水含量资料结合常规气象资料,对2次结冰天气过程的天气环流形势、动力热力特征、液态水含量进行分析。结果表明:17日在高空冷涡、地面冷锋前的环流形势下,试飞高度层位于冷暖平流交汇处,温度为0～-4℃,比湿值为3～3.5 g/kg,处于强水汽辐合中心,并伴有弱上升运动,Ic积冰指数为20～30,云中液态水含量波动较大,飞机挂架上形成0.5 cm厚度的凇冰。27日在高空槽前和地面冷锋后的环流形势下,试飞高度层在弱冷平流中心附近,温度为0～-2℃,比湿值接近4.5 g/kg,处于弱水汽辐合中心边缘,伴有弱上升运动,Ic积冰指数为30～40,云中液态水含量稳定,飞机挂架上形成1～2 cm厚度的明冰。在气象保障中运用探空、云图、雷达、微波辐射计等资料有效预报了积冰区域及高度。     

东亚地区云微物理量分布特征的CloudSat卫星观测研究

本文利用2007~2010年整四年最新可利用的CloudSat卫星资料, 对东亚地区(15°~60°N, 70°~150°E)云的微物理量包括冰/液态水含量、冰/液态水路径、云滴数浓度和有效半径等的分布特征和季节变化进行了分析。本文将整个东亚地区划分为北方、南方、西北、青藏高原地区和东部海域五个子区域进行研究, 结果显示:东亚地区冰水路径值的范围基本在700 g m-2以下, 高值区分布在北纬40度以南区域, 在南方地区夏季的平均值最大, 为394.3 g m-2, 而在西北地区冬季的平均值最小, 为78.5 g m-2;而液态水路径的范围基本在600 g m-2以下, 冬季在东部海域的值最大, 达到300.8 g m-2, 夏季最大值为281.5 g m-2, 分布在南方地区上空。冰水含量的最高值为170 mg m-3, 发生在8 km附近, 南方地区夏季的值达到最大, 青藏高原地区的季节差异最大;而液态水含量在东亚地区的范围小于360 mg m-3, 垂直廓线从10 km向下基本呈现逐渐增大的趋势, 峰值位于1~2 km高度上。冰云云滴数浓度在东亚地区的范围在150 L-1以下, 水云云滴数浓度的值小于80 cm-3, 垂直廓线的峰值均在夏季最大。冰云有效半径在东亚地区的最大值为90 μm, 发生在5 km左右;水云有效半径在东亚地区的值分布在10 km以下, 最大值为10~12 μm, 基本位于1~2 km高度上。从概率分布函数来看, 东亚地区冰/水云云滴数浓度的分布呈现明显的双峰型, 其他量基本为单峰型。本文的结果可以为全球和区域气候模式在东亚地区对以上云微物理量的模拟提供一定的观测参考依据。     

基于CloudSat资料的中国地区深对流云物理特征研究

利用2007-2010年和2013-2014年Cloud Sat卫星资料,分析了中国11个地理区域的深对流云发生率、冰/液态水路径、冰/液态水含量等分布特征及其季节变化。结果显示,深对流云发生率整体呈现从东南到西北递减的趋势,高值区主要集中在西北地区东南部、西藏东南部、西南地区东部和南部、黄淮西部和南部、江汉、江淮、江南和华南等地,就各个地区不同季节而言,江南地区夏季的值最大,达到10.34%。在垂直高度上,深对流云发生率分布在18 km以下,最大值为11.31%,出现在江南夏季4.08~4.56 km高度上。深对流云中冰水路径最大值出现在华南夏季,液态水路径最大值出现在黄淮秋季,西藏地区的深对流云中冰水路径的比例明显高于液态水路径。冰水含量在垂直高度上存在两个高值区,分别位于6~8 km、14~18 km,最大值发生在江南夏季19.44 km左右高度上,达到1 018.87 mg·m~(-3),季节差异较大的高度位于14~18 km。液态水含量最大值发生在江淮冬季,达到411.50 mg·m~(-3),高度在9.36 km左右,垂直高度上最大值在2~6 km上均有出现。该结果可以更好地揭示深对流云的气候特征,并为人工影响天气以及数值模式中对深对流云物理量的模拟提供一定的参考依据。     

微波辐射计观测同降水相关性的研究

利用南阳站微波辐射计反演产品数据,结合L波段探空、多普勒天气雷达和地面雨量等资料,分析了2017年6月4—5日南阳地区一次降水过程中水汽与液态水变化特征,并对2017年6—8月不同降水条件下该地区的水汽与液态水总含量进行了统计。结果表明:微波辐射计反演的产品数据较准确,可靠性较强,可应用于日常业务工作和科研中。降水开始前,水汽总含量与液态水总含量明显增加,随着降水减弱结束,水汽总含量与液态水总含量减少。利用这一现象,可以将水汽和液态水的变化作为选择人工影响天气作业最佳时机的辅助判别条件。对比同时刻、同位置的雷达和微波辐射计资料发现,水汽总含量和液态水总含量跃增时对应较强雷达回波。水汽总含量达到5 cm、液态水总含量达到1 mm,可以作为判断南阳地区夏季降水开始的参考值。     

台风眼壁及周围螺旋云带云属性垂直分布研究

选取2006—2010年间CloudSat监测到热带气旋中心的7个案例,利用CloudSat和其它A-Train卫星的反演数据,主要分析了台风眼壁及周围螺旋云带的云微物理属性的垂直分布并给出了初步的概念模型。结果表明,云中冰水分布在5 km以上高度。冰粒子等效半径随云高度增加呈减小趋势,大值区主要分布在5~10 km高度,7个热带气旋的最大值为171.7~226.6 μm;冰粒子数浓度随云高度增加呈增大趋势,大值区分布在13 km以上高度,7个热带气旋的最大值为550~2 148 个/l;冰水含量随云高度增加呈先增后减的趋势,大值区分布在8~15 km高度,7个热带气旋的最大值为986.0~4 009.0 mg/m3。云中液态水分布在0.5~9.0 km高度。液态水粒子等效半径大值区分布在3~9 km高度,7个热带气旋的最大值为19.1~29.4 μm;液态水粒子数浓度大值区分布在6 km以下高度,7个热带气旋的最大值为93~117 个/l;液态水含量大值区分布在5 km左右高度,7个热带气旋的最大值为659.0~2 029.0 mg/m3。台风或超强台风阶段,云体最大高度存在于台风眼壁,眼壁云高可达17~18 km;近地表降水率、冰水柱含量的高峰值大多存在于台风眼壁区域,其中眼壁区域的近地表降水率可超过20.0 mm/h,冰水柱含量可超过9.1 kg/m2。7个热带气旋的垂直降水率和液态水柱含量值分别小于11.3 mm/h和2.7 kg/m2。      

黔东南2012年4月10日大冰雹天气过程雷达回波特征分析

利用三穗新一代多普勒天气雷达对2012年4月10日发生在贵州省黔东南州的大冰雹天气过程进行跟踪探测,揭示了冰雹云形成发展、成熟和消散过程的主要回波特征。结果表明,强对流天气过程由多个对流单体组成,强回波区的反射率因子超过65 dBz,三体散射长钉的反射率因子最大值为21 dBz,最大长度20 km;径向速度有风暴顶辐散特征和逆风区存在,逆风区存在对大冰雹的出现有很好的指示作用;垂直累积液态水含量出现跃增现象,最大垂直累积液态水含量为56 kg.m-2;垂直风廓线中风向、风速出现较大垂直切变。     

基于支持向量机的雷暴大风识别方法

基于北京市观象台雷达基数据和加密自动气象站数据,利用支持向量机算法建立了雷暴大风天气的有效识别模型。首先确立了9个用于识别雷暴大风的预报因子:回波顶高、最大反射率因子、最大反射率因子所在高度、垂直积分液态水含量、垂直积分液态水含量随时间变率、垂直积分液态水含量密度、雷暴大风发生前最大反射率因子下降高度、风暴移动速度、速度谱宽。通过计算各预报因子在大风和非大风样本中的概率分布,得到对应的各项预报因子雷暴大风的隶属度,利用得到的隶属度函数对样本进行归一化处理。确立核函数和模型参数,利用支持向量机建立雷暴大风天气的提前识别和临近预警模型。通过对北京2017年7月7日飑线和2012年5月19日块状回波引起的灾害大风典型个例的识别效果检验,得到两个个例预测的命中率、误判率和临界成功指数分别为92.0%,22.1%,73.0%和99.1%,40.5%,59.2%,对于提高雷暴大风预警预报的准确率有一定帮助。     

陆面模式CLM对若尔盖站冻融期模拟性能的检验与对比

陆面模式CLM(Community Land Model)是目前国际上发展较为完善并被广泛应用的陆面过程模式。本文使用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所位于青藏高原东部的若尔盖高原湿地生态系统研究站的观测资料,对CLM3.0版本及CLM4.0版本在上述地区的模拟性能进行了检验与对比。通过比较观测值与模拟值,验证了模式在高原季节性冻土地区的适用性,发现CLM4.0较CLM3.0在模拟结果上有了一定提高。CLM4.0加入了未冻水参数化方案,使模式可以模拟到冬季土壤冻结后存留的未冻水,显著增加了冻融期间土壤含水量的模拟,同时减小了土壤含冰量的模拟值。并因此增大了模拟的冻土热容量,减小了热导率,使冻融期间土壤温度的模拟也有了一定改善。但是模拟中也发现对于较深层土壤,温度模拟值在冻融期间较观测显著偏低。另外,在消融(冻结)过程阶段CLM4.0模拟的土壤含水量骤增(骤降)的时间均较观测提前。消融过程、冻结过程阶段模拟时间偏短,而完全冻结、完全消融阶段模拟时间偏长。因此CLM对于高原冻土地区的模拟仍是其需要重点改进的地方之一。     

一个用于气候模式的简单冻土过程参数化方案的建立和检验

在NCAR／LSM的基础上，发展了一个简单的冻土过程参数化方案，并使用苏联6个站的水气象观测资料考察了耦合了新方案模式的气候效应。在新方案中，加入了对含冰量的求解和在相变过程中的能量变化;并使用Johanson的方案替代了模式中原有的土壤导热率的参数化方案，考虑了含冰量对土壤水热性质的影响。原模式和改进后模式的模拟结果的比较得到，冻土过程方案能够合理的模拟土壤列中的能量收支及水热性质随含冰量的变化。随着入渗的减少和径流的增加，春季的土壤湿度减小。因此，热通量的分配和土壤温度也产生了相应的变化。     

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。     

Improving CLM4.5 simulations of land–atmosphere exchange during freeze–thaw processes on the Tibetan Plateau

Soil is heterogeneous and has different thermal and hydraulic properties, causing varied behavior in heat and moisture transport. Therefore, soil has an important effect on land–atmosphere interactions. In this study, an improved soil parameterization scheme that considers gravel and organic matter in the soil was introduced into CLM4.5 (Community Land Model). By using data from the Zoige and Madoi sites on the Tibetan Plateau, the ability of the model to simultaneously simulate the duration of freeze–thaw periods, soil temperature, soil moisture, and surface energy during freeze–thaw processes, was validated. The results indicated that: (1) the new parameterization performed better in simulating the duration of the frozen, thawing, unfrozen, and freezing periods; (2) with the new scheme, the soil thermal conductivity values were decreased; (3) the new parameterization improved soil temperature simulation and effectively decreased cold biases; (4) the new parameterization scheme effectively decreased the dry biases of soil liquid water content during the freezing, completely frozen, and thawing periods, but increased the wet biases during the completely thawed period; and (5) the net radiation, latent heat flux, and soil surface heat flux of the Zoige and Madoi sites were much improved by the new organic matter and thermal conductivity parameterization.     

The coupling of the Common Land Model (CLM0) to a regional climate model (RegCM)

Summary We replace the existing land surface parameterization scheme, the Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS), in a regional climate model (RegCM) with the newly developed Common Land Model (CLM0). The main improvements of CLM0 include a detailed 10-layer soil model, the distinction between soil ice and water phases, a linked photosynthesis-stomatal conductance model, a multilayer snow model, and an improved runoff parameterization. We compare the performance of CLM0 and BATS as coupled to the RegCM in a one year simulation over East Asia. We find that the RegCM/CLM0 improves the winter cold bias present in the RegCM/BATS simulation. With respect to the surface energy balance, lower CLM0 albedos allow the absorption of more solar radiation at the surface. CLM0 tends to simulate higher sensible heat and lower latent heat fluxes than its BATS counterpart. The surface water balance also changes considerably between the two land surface schemes. Compared to BATS, CLM0 precipitation is reduced overall and surface runoff is increased, thereby allowing less water to enter the soil column. Evapotranspiration is lower in CLM0 due to lower ground evaporation, which leads to a wetter surface soil in CLM0 in spite of less precipitation input. However, transpiration is greater in CLM0 than BATS, which has an overall effect of less surface storage during the summertime. Comparison with station observations indicates that CLM0 tends to improve the simulation of root zone soil water content compared to BATS. Another pronounced difference between the two schemes is that CLM0 produces lower snow amounts than BATS because of different snow models and warmer CLM0 temperatures. In this case, BATS snow cover amounts are more in line with observations. Overall, except for the snow amounts, CLM0 appears to improve the RegCM simulation of the surface energy and water budgets compared to BATS.     

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。     

The Impact of Soil Freezing/Thawing Processes on Water and Energy Balances

A frozen soil parameterization coupling of thermal and hydrological processes is used to investigate how frozen soil processes affect water and energy balances in seasonal frozen soil. Simulation results of soil liquid water content and temperature using soil model with and without the inclusion of freezing and thawing processes are evaluated against observations at the Rosemount field station. By comparing the simulated water and heat fluxes of the two cases, the role of phase change processes in the water and energy balances is analyzed. Soil freezing induces upward water flow towards the freezing front and increases soil water content in the upper soil layer. In particular, soil ice obviously prevents and delays the infiltration during rain at Rosemount. In addition, soil freezingthawing processes alter the partitioning of surface energy fluxes and lead the soil to release more sensible heat into the atmosphere during freezing periods.     

The numerical scheme development of a simplified frozen soil model

In almost all frozen soil models used currently, three variables of temperature, ice content and moisture content are used as prognostic variables and the rate term, accounting for the contribution of the phase change between water and ice, is shown explicitly in both the energy and mass balance equations. The models must be solved by a numerical method with an iterative process, and the rate term of the phase change needs to be pre-estimated at the beginning in each iteration step. Since the rate term of the phase change in the energy equation is closely related to the release or absorption of the great amount of fusion heat, a small error in the rate term estimation will introduce greater error in the energy balance, which will amplify the error in the temperature calculation and in turn, cause problems for the numerical solution convergence. In this work, in order to first reduce the trouble, the methodology of the variable transformation is applied to a simplified frozen soil model used currently, which leads to new frozen soil scheme used in this work. In the new scheme, the enthalpy and the total water equivalent are used as predictive variables in the governing equations to replace temperature, volumetric soil moisture and ice content used in many current models. By doing so, the rate terms of the phase change are not shown explicitly in both the mass and energy equations and its pre-estimation is avoided. Secondly, in order to solve this new scheme more functionally, the development of the numerical scheme to the new scheme is described and a numerical algorithm appropriate to the numerical scheme is developed. In order to evaluate the new scheme of the frozen soil model and its relevant algorithm, a series of model evaluations are conducted by comparing numerical results from the new model scheme with three observational data sets. The comparisons show that the results from the model are in good agreement with these data sets in both the change trend of variables and their magnitude values, and the new scheme, together with the algorithm, is more efficient and saves more computer time.     

ＣＬＭ３０对中国区域陆面过程的模拟试验 及评估Ⅱ：土壤湿度

利用NCAR公用陆面模式（Community Land Model 3.0,CLM3.0）及普林斯顿大学1948—2001年1°×1°、3 h一次的全球大气近地面强迫资料,对中国地区1948-2001年的土壤温度进行了off-line模拟试验,通过对模拟结果和全国台站观测土壤温度资料的对比,评估了CLM3.0对中国区域不同层次土壤温度的模拟能力。结果表明：模式能模拟出中国地区多年平均土壤温度的空间分布型,除部分地区模拟比观测偏高外,模式模拟的土壤温度普遍偏低;模式能较好地反映出中国地区土壤温度的年际变化,对4月的模拟稍好于7月。对于划分的8个子区域,东部区域模拟好于其它各区,除高原一带外,表层的模拟均好于深层;模式基本能抓住土壤温度的变化趋势,而且模拟出了7月长江流域以南地区土壤温度显著降低这一趋势,但模拟的趋势比观测有所偏弱。     

基于CLM4.5模式的季节冻土区土壤参数化方案的模拟研究

利用位于季节冻土区的中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,通过CLM4.5的单点模拟实验,分析评估了Luo土壤热导率参数化方案、Johansen土壤热导率参数化方案、Coté土壤热导率参数化方案和虚温参数化方案对土壤温、湿度的模拟能力,为将来选取最优的参数及参数化方案来更合理的模拟青藏高原土壤冻融过程为目的的工作提供依据。结果表明:(1)三种土壤热导率参数化方案模拟结果的土壤热传导率有明显差异,其中Coté方案的土壤热传导率最高,Luo方案的土壤热传导率最低。(2)三种热传导率方案均能合理地模拟出土壤温湿度的日变化趋势,Johansen方案对土壤温度年变化趋势模拟的更好,Coté方案对土壤温度模拟的数值较观测值偏离的更小,Luo方案对土壤湿度的模拟更好。(3)加入虚拟温度方程,并引入相变效率参数后,减少了模式对土壤湿度模拟的负偏差,Y-L方案在保持土壤温度较好模拟能力的基础上,能够进一步的提升土壤湿度的模拟能力。