青藏高原东南部夏季深对流加热研究

文章利用1948～1999年NCEP／NCAR全球深对流加热率再分析资料和1951～2001年全国160站月平均降水量研究了中国区域夏季深对流加热分布状况，青藏高原东南部夏季深对流加热较强，是潜热释放较多和深对流活动旺盛区域；青藏高原东南部深对流加热率与长江中下游地区降水的相关分析也表明，夏季青藏高原东南部深对流活动对长江中下游地区夏季降水偏多有重要影响，可以为长江中下游地区夏季降水提供水分和能量。     

闪电和固、液态降水关系差异的数值模拟

为了进一步认识闪电和固、液态降水的关系,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过设置敏感性试验组,模拟了一次雷暴过程,分析雷暴中闪电和降水的特征,以及闪电和固、液态降水对垂直风速的依赖关系,探讨闪电与固、液态降水的时空分布关系和单次闪电表征的降水量(RPF:rainyields per flash)。结果表明:对流云降水中,液态降水占主要部分,但固态降水比液态降水对于垂直风速的依赖性更强。随着对流的增强,固态降水在总降水中占的比重越来越大。首次放电时间不断提前,闪电峰值落后垂直风速峰值,总闪数一开始随对流的增强而增加,对流一旦增强到一定程度,总闪数则逐渐减小。固态降水和液态降水的开始时间和峰值时间均随着对流的增强而不断提前,而液态降水出现时间和峰值时间均提前于固态降水。雷暴云首次放电的时间滞后于液态降水,而闪电峰值提前固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。雷暴云中的放电活动集中在强降水区域前缘的较弱降水区,强降水区对应的闪电较少,对流的增强会使降水区域面积、降水量和降水强度增加。由于液态降水总量远大于固态降水总量,固、液态RPF的数值相差达到一个量级,但单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。在单位时间内闪电次数越多,RPF则越小,而固态RPF和闪电次数的线性相关性明显好于液态RPF,所以利用固态降水可以更好地预报闪电。这些结果有助于进一步认识闪电和降水的关系,并可为闪电预报提供新的思路。     

WRF模拟青藏高原东南部极端旱涝年降水的参数敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对青藏高原地区极端气候的模拟能力,利用WRF模式,采用不同模式参数(包括边界位置、积云对流、边界层参数化方案和水平分辨率)模拟了青藏高原东南部极端旱(2006年)、涝(1998年)年夏季降水。对比不同参数模拟的降水结果表明:整体而言,无论是旱年还是涝年,除南边界以外的模式边界位置对高原主体和东南部降水模拟的影响较小;边界层方案对降水空间形态的模拟影响较小,而对降水量级的影响较大;积云对流方案对降水空间形态和量级的影响均较大;采用15 km水平分辨率时可显著改善模式对高原主体和东南部降水的模拟水平。WRF采用适当的参数组合能较好地模拟高原主体和东南部降水的空间分布,但降水量偏大。整体而言,能较好模拟旱年降水的边界层和积云对流参数化方案组合也能较好模拟涝年降水。模式模拟的高原南侧降水偏多可能使高原南侧西风偏强,并进一步造成云南西南部降水偏多;湖南南部降水偏多可能在云南东北部至贵州地区激发出较强的气旋式环流偏差,该偏差环流在四川盆地形成异常强的偏北风,导致低纬度地区进入四川盆地的水汽偏小,从而在四川盆地形成明显的相对干偏差。因此,模式在四川盆地降水模拟能力的提高不仅要做好参数的本地化工作,还需要关注盆地以外地区的影响。     

青藏高原、中国东部及北美副热带地区夏季降水系统发生频次的TRMM资料分析

利用1998—2011年夏季（6—8月）TRMM卫星资料分析青藏高原（TP）、中国东部（EC）及北美副热带西部（WNA）和东部（ENA）降水系统的发生频次,定义降水系统为TRMM测雨雷达观测到近地面有降水的相邻像元组成的个体,即RPF （Radar Precipitation Feature）,将RPF分为全体RPF、大面积RPF（面积＞1000 km2）和小面积RPF（面积不＜400 km2）3组,对比分析四个区域内各组的RPF个数发生频次和RPF像元个数发生频次,主要结果如下：（1）全体RPF的个数发生频次在青藏高原地区最高,北美东部地区最低;全体RPF的降水像元个数发生频次在中国东部最高,青藏高原最低。（2）四个区域内RPF发生频次的日变化主要为单峰结构,峰值出现在当地午后至傍晚,且大面积RPF的峰值时间晚于小面积RPF的;中国东部地区RPF降水像元个数发生频次则具有双峰结构。（3）RPF降水像元个数发生频次的分析结果与以往基于地面观测降水量的分析结果相似。     

青藏高原夏季降水日变化的高分辨率数值模拟

利用中尺度模式WRF对青藏高原及周边地区2006—2008年夏季降水时空分布和日变化特征进行了高分辨(水平分辨率为12 km)数值模拟研究。与TRMM卫星观测相比,WRF较好地抓住了高原降水的时空分布,成功模拟出了高原夏季降水日变化的主要特征。WRF模拟与TRMM观测的夏季高原降水都由北向南递增,降水量和降水频率在高原的南坡最强,模拟值分别达到11 mm/d和30%,其次是四川盆地。从降水日变化看,WRF模拟和TRMM观测结果都表明夏季高原中部每小时降水量最大值和降水频率最高值主要出现在下午至傍晚,而高原周边地区则多出现在夜间至黎明。模式物理场的分析指出,高原下垫面显著的昼夜热力差异及高原与周边地区存在的热力差异是产生高原降水日变化的主要原因,而高原南坡的降水日变化与山谷风等局地地形强迫作用有关。      

基于TRMM卫星探测的夏季青藏高原降水和潜热分析

青藏高原对东亚大气环流、气候变化及灾害性天气的形成和发展都有重要的影响。本文利用热带测雨卫星（TRMM）探测结果、GPCP降水资料,研究了夏季青藏高原降水和潜热特点。GPCP资料分析结果表明,夏季青藏高原降水主要集中在它的东南部,7月和8月雅鲁藏布河谷及其以东的横断山脉地区降水显著,平均最大雨强达7mm／h;而TRMM测雨雷达（PR）探测结果指出念青唐古拉山北侧存在一降水大值区,强度近3mm／h;GPCP给出的地表降水率较TRMM测雨雷达探测结果高出一倍以上;夏季高原西部的平均降水率小于4mm／h（GPCP）／2mm／h（TRMM PR）。TRMMPR探测的统计结果分析表明,高原降水云“雨顶”（Storm Top）较周边地区高出2km～4km,如同“塔”状分布。研究结果还指出因地表海拔高,TRMM PR的降水类型分类方法不适用于青藏高原地区;根据降水廓线的特征,文中定义了青藏高原三种降水类型：深厚强对流、深厚降水和浅薄对流,并通过标准化廓线方法,指出了不同类型降水廓线之间的差异及其与周边地区降水廓线的差异。文中还给出了高原夏季总潜热分布及平均廓线,指出了高原潜热平均廓线与周边地区的差异;研究结果表明夏季高原降水具有强烈的日变化,降水峰值出现在午后地方时16点左右,这些降水多以零散块状水平分布,而在垂直剖面上呈“馒头”状分布。统计结果还发现青藏高原上对流活动较周边地区活跃,高耸的对流活动所形成的“云塔”如同“天梯”,使得低层大气中的高水汽含量和低臭氧含量空气向高空输送,进而造成对流层上部和平流层低层水汽大值区和臭氧低值区。     

基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究

本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.     

青藏高原和四川盆地夏季对流性降水特征的对比分析

本文利用TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,针对青藏高原和四川盆地各两次对流性降水天气进行了对比分析,结果表明:(1)高原降水系统以对流云降水为主,弱降水样本数量高,由孤立零散的块状降水云团组成,对流中心离散,降水范围小,雨区极不均匀,垂直发展厚度浅薄,降水粒子数量少,雨滴小,潜热释放以地面以上2~5 km高度层为主,夏季近地面层冰晶粒子含量高,降水过程中云顶亮温与地表雨强之间的相关性差,云顶亮温越高的对流云团其闪电频数越高。(2)盆地降水系统强降水样本数量高,由一个主降水系统和周边零散的降水云团组成,降水范围大,对流中心相对集中,雨区较均匀,垂直发展厚度高,对流系统深厚,雨滴大并集中,潜热释放呈一致的双峰型结构,峰值分别出现在7和16km高度上,冰雹粒子在对流层较高层含量高,云顶亮温与地表雨强之间呈显著的负相关,盆地的闪电频数显著高于高原地区,且闪电活动主要集中在亮温偏低的降水云体中。     

云南闪电活动的时空分布特征

利用1998-2013年TRMM卫星上携带的闪电探测仪(LIS)监测的闪电资料以及云南6个气象站降水观测资料,分析云南闪电活动的时空分布特征及其与降水量的关系。结果表明:(1)云南地区平均闪电密度为4.7 fl·km^-2·a^-1,闪电密度分布与地形密切相关,自西北向东南呈"V"字型带状增大,滇南的西双版纳、普洱东南部和中越边境的闪电活动最为活跃,最高值为30.6 fl·km^-2·a^-1。(2)闪电活动具有明显的季节变化和日变化。春、夏季闪电活动明显多于秋、冬季,其中春季闪电活动主要发生在滇南,而夏季则在滇东。滇北闪电活动的月分布呈单峰型,峰值在7月或8月,且闪电密度与降水量有较好的相关性,而滇西、滇南和滇东南则呈双峰型,峰值在4月,次峰值在7月或8月,闪电密度与降水量的相关性较差。云南大部地区闪电易发生在当地时间16:00-20:00,而密度高值区的闪电活动多发生在夜间。(3)云南闪电活动明显受地形和海拔高度影响,且与季风密切相关。     

青藏高原地区深对流系统特征分析

基于2014—2018年3—9月GPM(Global Precipitation Measurement)的数据,对青藏高原地区的深对流系统的时空分布及降水特征进行研究,结果表明:青藏高原主体地区(25°～40°N,70°～105°E)的深对流系统主要集中分布在中部、东部和南部地区,对流强度与东亚季风区其他区域相比较小,而对流强度相对较大的系统则大多分布在高原东部地区。深对流系统主要发生在夏季,7、8月份频数达到峰值且对流较强,且主要活动区域有先向南、向西扩展再东退的特点。深对流活动主要从午后开始发展,大体呈单峰分布。高原深对流系统产生的降水强度较弱,主要集中在5mm/h以下,其产生的降水主要来源于回波顶高度较低、面积较小的弱对流活动。     

基于多尺度小波边缘检测的对流降水和闪电分析

为准确估测对流降水,提出了多尺度小波边缘检测算法,借鉴小波变换的多尺度分析和边缘检测原理,对雷达反射率数据进行处理,有效地识别出对流云回波区域,进而反演对流降水,精细化分析其和闪电的相关关系。选取了南京2009年7月6—7日的一次强雷暴降水过程中对流活动较剧烈的180 min为例,对采自南京龙王山雷达站的真实数据进行了算法识别分析,反演得到对流降水,统计6 min时间间隔内的闪电频数与同期降水进行相关分析,得到该时段中每次闪电所表征的降水量（RPF）的范围在7.47×106～4.46×107 kg,平     

基于大气层结和雷暴演变的闪电和降水关系

选取2006—2008年发生在北京及其周边地区的28次雷暴过程,基于大气不稳定度参数和雷达参量对雷暴过程进行分类,分析了不同分类条件下的总闪电活动 (SAFIR3000三维闪电定位系统观测) 和对流降水 (雷达反演) 的关系。结果表明:整体而言,总闪对应降水量的平均值为1.92×107 kg·fl-1。依据对流有效位能和抬升指数对雷暴进行分类的分析表明,较强的不稳定状态对应了较小的总闪对应降水量,同时总闪频次和对流降水量的相关性更好。基于雷达特征参数的分类分析表明,总闪对应降水量在对流运动较弱情况下最小,其次是对流运动较强的情况下,而对流运动适中时最大。     

2000—2007年登陆台风中闪电活动与降水特征

利用TRMM卫星LIS, PR和TMI资料,对2000—2007年41个登陆我国的台风中闪电活动和降水特征进行分析。结果表明:台风中的闪电活动整体较弱,相对而言,外雨带中的闪电活动最强,其次是眼壁,内雨带最弱,而眼壁的闪电密度最大。闪电活动沿台风径向有两个明显的高值区,主峰出现在距台风眼375 km的外雨带,次峰出现在距台风眼55 km的眼壁和内雨带相交的边界附近。台风中对流云降水面积远小于层云降水面积,其中外雨带中的对流云降水面积最大,其次是眼壁,内雨带最小;但对流降水对总降水量的贡献与层云相当。眼壁和内雨带中的对流云和层云的降水回波平均高度都小于外雨带。分析表明:TMI观测到的85.5 GHz极化修正亮温 (T_PC85.5) 越低,闪电发生概率越大,外雨带具有最低的T_PC85.5。有、无闪电发生区域的平均6 km高度雷达反射率因子和T_PC85.5差异明显。台风区域内,闪电活动位置对应的平均6 km雷达回波强度普遍大于20 dBZ,而无闪电发生位置普遍低于30 dBZ。     

利用TRMM卫星资料对青藏高原地区强对流天气特征分析

利用热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,结合NCEP再分析资料,研究了发生在青藏高原地区的一次强对流天气特征,综合分析了高原地区对流云特殊的水平、垂直结构特征。结果表明:(1)该强对流降水系统由几个孤立、零散的块状降水云团组成,以深厚弱对流降水为主,微波亮温的低值区也呈孤立、零散的块状分布,并且整个对流系统的云顶高度一致偏高,深厚强对流降水的雨谱主要集中在1～20mm.h-1的范围内,90%以上的深厚弱对流降水样本数和降水量都集中在0～5mm.h-1范围内,在垂直方向上呈被"挤压"状态。除云冰粒子集中在6～18km高度外,可降冰、可降水和云水粒子都集中在低层8km以下,冰雹天气表现为可降冰粒子在低层含量偏高。(2)高原地区强对流天气的特征与其他地方的不同,表现为雨强较小,比平原地区明显偏弱,且对流云降雨样本在不同降雨率范围内分布不均匀,降水云团雨顶高度也远低于平原地区的对流云,地表降水率大值区与微波辐射亮温低值区呈不完全对称分布,潜热释放呈单峰型。(3)高原地区强对流系统发生时,垂直上升运动在400hPa达到最大,水汽主要集中在400hPa高度以下的范围内。     

北京地区雷暴过程闪电与地面降水的相关关系

该文选取北京地区2006年夏季的18次雷暴过程,利用SAFIR3000三维闪电定位系统观测到的总闪数据,分析了闪电与雷达反演的对流活动区降水量和对流活动区面积的相关关系,结果表明:北京地区的雷暴活动中,单个闪电所表征的降水量的范围在0.86×10~7～6.57×10~7kg/fl之间,平均值为2.65×10~7kg/fl;闪电活动与对流活动区降水量的线性相关关系显著,相关系数达到0.826;闪电活动与对流活动区面积也具有显著的线性关系,相关性系数达到0.846。文中给出了基于6 min闪电频次估算6 min对流降水量以及对流活动区面积的拟合方程。分析还发现,总闪活动与降水的关系要明显好于地闪,总闪信息的应用极大提高了分析结果的质量和可信性,分析结果对于利用闪电信息估测降水具有参考意义。     

青藏高原那曲地区一次深对流云垂直结构的多源卫星和地基雷达观测对比分析

为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达（C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达）资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13-16时（北京时）发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:（1）深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小（10-20 km）,垂直发展高度较高（15-16 km,均指海拔高度）;深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右（距地1 km）;（2）对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;（3）深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃（深厚强对流云）或-29℃（深厚弱对流云）高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。      

基于TRMM卫星对一次华南飑线的闪电活动及其与降水结构的关系研究

利用热带测雨计划任务卫星（TRMM）的测雨雷达(PR)、 闪电成像仪(LIS)和微波辐射计(TMI)资料, 研究了2005年5月6日发生在我国华南的一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构之间的关系。结果表明, 该飑线系统中对流降水面积仅为层云的一半, 但是总降水率却远大于层云的总降水率。绝大多数闪电发生在对流区, 有少数闪电出现在层云区域。在6 km高度上, 闪电发生附近的最大雷达反射率因子主要集中在35～50 dBZ区间, 峰值频数在40～45 dBZ, 35 dBZ以下较少。研究还表明, 对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频数和对流发展强度。对闪电与微波亮温的研究表明, 大多数闪电发生在低亮温区域, 特别是低于200 K亮温区, 而在240～260 K的区域也可观测到少量闪电, 这一般对应于飑线的层云区域。结合2003年4月17日黄淮地区的另一次强飑线系统的进一步研究发现, 在单体尺度上, 总闪电频数和冰相降水含量之间表现出非常密切而稳定的关系, 相关系数达0.92。总闪电频数和冰相降水含量之间的稳定关系在中尺度数值模式中闪电资料的同化和飑线系统的闪电参数化研究中均有较大的应用潜力。     

Relationship between rainfall and lightning over central Indian region in monsoon and premonsoon seasons

Lightning activity and rainfall over the central Indian region (lat, 15.5° N to 25.5° N and lon, 75° E to 85° E) from the TRMM satellite have been analyzed. Ten years' data of monthly lightning and hourly averaged monthly rainfall from 1998 to 2007 have been used for analysis, which shows quite different relationships between lightning and rainfall in monsoon and premonsoon seasons in this region. Very good positive correlation is observed between rainfall and lightning during the premonsoon period, however, in the monsoon period a correlation between them is not so good. The different relationship between lightning and rainfall in the monsoon and premonsoon has been attributed to the low updraft during the monsoon period due to low cloud base height and low aerosol concentration during this period. This analysis shows that deep electrified convective systems do form over the central Indian region during active monsoon periods; however the relationship between convective rainfall and lightning frequency during this period is not as consistent as during the premonsoon period.     

星载测雨雷达探测的夏季亚洲对流与层云降水雨顶高度气候特征

利用热带测雨卫星测雨雷达的10年探测结果,对夏季亚洲对流降水与层云降水雨顶高度分布、雨顶高度与地表降水强度的关系、雨顶高度日变化特征进行了研究。结果表明,青藏高原和中国东部平原的多数(70%以上)对流降水雨顶高度分布在8—12和5—10km,其他地区分布在5—9km;陆面对流降水雨顶平均高度高于洋面。洋面和陆面层云降水雨顶高度没有明显差异,多在5—8km。夏季亚洲浅对流降水比例少,而深厚对流主要出现在中国东部平原、西南、印度次大陆西部至伊朗高原东部地区,比例约40%。洋面和陆面的弱对流降水的雨顶平均高度在7—8km,弱层云降水相应的雨顶平均高度多小于7.5km;陆面约90%的强对流降水雨顶平均高度在9km以上,而强层云降水雨顶的平均高度通常不超过8.5km。夏季亚洲对流降水和层云降水的雨顶平均高度均随着地面平均降水率的增大而升高,两者遵从二次函数关系。对流降水及层云降水频次、强度和雨顶高度的日变化峰值分析表明,陆面这些参量的日变化强于洋面,并且三者的日变化基本同步。