秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用

以华山站为影响站, 周围的西安、渭南和华阴作为对比站, 通过影响站与对比站降水之比——地形强化因子(Ro)的变化趋势以及Ro与能见度关系的分析, 定量研究了秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用。Ro的演变分析表明: 有观测以来Ro逐年递减, 减幅为14%～20%, 即影响站与对比站相比降水量减少了14%～20%; Ro的减少趋势与能见度递减、气溶胶递增相吻合, 说明气溶胶的增加抑制了地形云降水。Ro的递减主要是减少了中小雨 (日雨量小于30 mm) 的天数, 这种影响对浅薄的生命期较短的地形云降水作用更明显, 对于华山站, 30 mm以下的降水都会受到入云气溶胶的抑制作用, 而西安站为5 mm以下, 入云气溶胶浓度越高, 就有越厚的降水云受气溶胶影响而抑制降水; 在以动力强迫抬升为主的春秋季, 气溶胶抑制华山地形云降水20%左右, 最大可达25%; 在热对流条件下, 气溶胶对地形云和对平原地区云的抑制作用基本相当。不同风速风向下Ro的变化趋势表明, Ro递减随风速增大而加快, 迎风向 (240°～30°) 大风 (≥5 m/s) 时减少降水超过30%。由Ro与能见度关系的定量分析发现, 当能见度在14 km时Ro为1.8左右, 随着能见度的降低Ro逐渐减小, 当能见度小于8 km时,R0约为1.2, 减小了30%左右; 华山对于华阴的Ro与能见度呈线性关系, 相关系数达0.81。最后, 根据研究结果归纳出气溶胶抑制秦岭地区地形云降水的初步物理模型。     

五台山区地形雨减少与能见度减小的可能联系

为了揭示气溶胶对地形雨的影响,以五台山站为研究站,其南部山下的原平、阳泉为对比站,采用相关性分析研究五台山站与对比站年降水量、降水日数的比值与能见度的关系。结果表明,五台山区能见度显著降低,年降水量及降水日数显著减少;研究站与对比站的年降水量比值、年降水日数的比值均显著减小,并且与能见度显著正相关(p0.05)。究其可能原因,能见度的降低反映出气溶胶浓度的增加,气溶胶浓度的增加抑制了山区地形雨的形成。山区地形雨的减少导致山区水资源的减少;在缺少山顶站的情况下无法捕捉地形雨减少对面平均降水量计算的影响,导致低估面平均降雨量的减少量,低估山区水资源的减少量。     

气溶胶对秦岭山脉地形云降水的影响

以华山站为影响站,其周围华阴、渭南、西安为对比站,通过对影响站与对比站降水之比--地形强化因子(Ro)的变化趋势以及Ro与能见度变化关系的分析,研究了气溶胶对秦岭地形云降水的影响.结果表明:有观测以来Ro逐年递减,1980年后Ro递减更快,减幅达20%;Ro的减小趋势与能见度递减、气溶胶递增相吻合,说明气溶胶的增加抑制了地形云降水;华山1980年后的年平均雨量比1980年前减少了15%,达132mm,而平原地区的减少量不超过3%(16mm).分析气溶胶抑制地形云降水的物理过程发现,Ro的递减主要是减少了中小雨(日雨量小于30mm)的天数,而对大于30mm的降水影响较小,说明气溶胶对浅薄的生命期较短的地形云降水的抑制作用更明显;在以动力强迫抬升为主的春秋季,气溶胶对地形云降水的抑制作用明显强于平原地区,1980--2004年间降水减少了20%～30%;在热力作用下,气溶胶对地形云降水的抑制作用与平原地区相当.     

云凝结核浓度对不同弗罗德数下形成的地形云和降水的影响

云凝结核(CCN)对云和降水的影响除与其物理化学性质密切相关外,还受到气象条件的影响,但此类研究较少。文中基于WRF中尺度数值模式,引入了表征大气层流速、层结稳定度和地形关系的湿弗罗德(Fw)数,研究揭示了CCN浓度的变化对不同Fw下形成的地形云和降水的影响。研究表明,当Fw≤1,接近临界流时,地形阻挡起主要作用,地形抬升和重力波作用主要发生在迎风坡一侧,主要形成层状云和向上游传播的浅对流波状云,降水主要发生在靠近山顶的迎风坡一侧。在此种情况下,CCN浓度升高对地形云和降水影响较小,当CCN浓度由100 cm~(-3)增至1000 cm~(-3)时,云滴含水量增大,但雨水含量减小,说明云粒子向降水粒子的转化效率降低,CCN浓度升高抑制了暖雨过程。但在云发展后期,云滴被上升气流带至高层形成过冷云滴,与雪粒子发生碰并形成霰粒子,使冰相物理过程有所增强。CCN浓度升高可导致20 h累积降水量减少10—15 mm,约减小7%—8%;当Fw1时,CCN浓度升高会导致20 h地形云累积降水量减小超过50%,最大达到96%,导致地形云几乎不产生降水,而且降水量峰值位置向山顶后移动5—10 km。研究表明,降水显著减小的原因不仅与CCN浓度升高有关,过山气流产生的背风坡焚风效应也起了非常重要的作用。由于CCN浓度升高形成了大量云滴粒子,使雨滴形成效率显著降低,不能形成降雨的大量云滴被强过山气流快速带至下游背风坡区,由于背风坡下坡气流的绝热加热形成的焚风效应很显著,导致云滴和雨滴快速蒸发,使降水显著减小。这一结果可以解释在落基山脉、以色列及中国华山发现的地形降水减小30%—50%的现象,说明气象环境条件在气溶胶影响降水中起重要作用,污染气溶胶与背风坡焚风效应产生的叠加效应可造成地形云降水显著减小。     

东莞1957—2011年降水和灰霾的长期变化趋势

利用东莞1957—2011年降水、能见度、相对湿度等地面观测资料,分析了东莞降水和灰霾的长期变化趋势,并探讨了气溶胶对降水长期变化趋势的影响。结果显示:东莞的降水量和不同等级降水日数均呈现明显的年际变化特征;年降水量在1990年后呈增加趋势,2007年开始呈逐渐下降趋势;痕量、微量和小雨降水日从1980年代中期后呈缓慢下降趋势,大雨、暴雨和大暴雨日数则没有明显的变化趋势;东莞的灰霾变化历经3个阶段,分别是1980年—1980年代中期、1990年代初—2000年和2000—2011年。气溶胶浓度的不断增加使降水日数减少,但对强降水的降水频率和降水强度有促进作用。      

分钟降水量对能见度及PM2.5浓度影响研究

为清楚认识降水对能见度及PM_(2.5)浓度的影响,以杭州为例,采用2014—2015年逐分钟气象观测资料,对比分析了不同降水条件下能见度及PM_(2.5)浓度的分布特征,建立了不同强度降水影响能见度及PM_(2.5)浓度的定量关系。研究结果表明降水量大小及持续时间对能见度与PM_(2.5)浓度有明显作用,不仅持续稳定的降水过程能够造成持续的低能见度,突发性强降水更能造成能见度大幅降低;降水与能见度之间关系符合幂函数分布特征,能见度随降水量增加从快速下降过渡到慢速下降,中间存在一个拐点。降水对PM_(2.5)的清除作用受降水量及降水前PM_(2.5)浓度大小共同作用,降水对PM_(2.5)的清除作用在降水较小并持续时,会造成PM_(2.5)浓度的缓慢下降;而强降水过程对PM_(2.5)的清除作用十分明显,降水量、PM_(2.5)浓度、能见度三者之间表现出基本一致的同步变化。基于降水量与降水前PM_(2.5)浓度两个因子,采用非线性拟合方案构建了降水影响PM_(2.5)浓度的定量统计模型,拟合结果与实况较为吻合,说明模型抓住了降水情景下影响PM_(2.5)浓度变化的关键因子。最后针对研究中存在的不足和未来值得进一步发掘的科学问题进行了讨论。     

大气污染对太行山中部地区地表风的影响

为了研究大气污染对太行山中部地区地表风的影响,我们对阳泉、榆社(高山站),石家庄、邢台(平原站)4个站点1966~2005年间的能见度、近地面温度、近地面风速数据进行了统计计算与趋势分析。结果显示:在平原站能见度相对山坡站下降更加明显的背景下,平原站的近地面温度、近地面风速、850hPa风速都呈下降趋势;而山坡站的近地面温度、近地面风速呈上升趋势。分析表明:(1)由于气溶胶的辐射效应与冷却效应,抑制了垂直通量的上下传输,致使平原站下午的近地面气温呈下降趋势,平原站和高山站的地表风速呈相反的变化趋势。(2)平原站850hPa (与高山站高度相近)风速呈现下降趋势,印证了高山站的近地面风速增加是气溶胶的辐射效应减弱了垂直能量交换造成的。      

近49a中国30°N带不同地形下大城市与其郊区的降水特征

基于1969—2017年全国站点逐日降水资料、地形高度资料以及2017年全国常住人口数据,采用概率密度函数PDF法、最小二乘法、Mann-Kendall法和累积距平法等多种统计分析方法,结合中国地形多样性,从降水量的PDF特征、变化趋势和极端降水特征三个方面,分析了近49 a中国30°N带不同地形下大城市与其郊区的降水特征,结果表明:(1)中国30°N带降水的区域性和极端性明显,其中长江入海口代表站的年降水量PDF曲线最接近正态分布;极端降水阈值和极端降水强度基本为自西向东增加,且与地形高度呈反比关系;对于暴雨及以上等级的降水,代表站降水概率小但降水占比大。(2)降水的城市化效应明显,表现为代表站的日、月、季、年降水量PDF曲线普遍存在城郊差异,且日和年尺度的差异较月和季的尺度差异更明显;大城市代表站相对于其郊区代表站,前者年降水量普遍增加得快,且最小值大于后者;前者极端降水阈值、极端降水强度和年最大日降水量最大值普遍大于后者,且发生中雨及以上等级强降水的概率和占比较后者大。(3)代表站降水存在明显的年际变化和季节变化,存在一定的周变化;年降水量的突变时间集中发生在1980s中、后期以及1990s至2000s初;降水量的季节变化特征为夏季最多、冬季最少,其中江汉平原、长江中下游、长江入海口地形下夏季降水的城市化效应明显;大部分地形下工作日降水的城市化效应较休息日明显。     

近50 a来北京市气温和降水的变化

利用1961—2008年北京11个台站的气候观测资料,分析了过去48a北京城区、郊区的气温和降水变化趋势。结果表明：在这48a中,北京城区、郊区的年平均温度都呈明显上升趋势,城区比郊区上升幅度更快;本地年降水量呈下降趋势,且城区下降幅度比郊区明显。说明在全球变暖的背景下,北京的气温和降水的变化趋势相反;通过城区和郊区、平原站和高山站的比较可以看出,城市的热岛效应增加了变化幅度。     

云贵高原两个国家基准站降水特性比较

为更好地理解和认识小尺度地形对降水特性的影响,利用位于云贵高原地区相近的两个国家基准站太华山和昆明站2006—2018年雨季(5—10月)小时降水资料,统计分析了两站降水精细化的时空特征.结果表明,两站的海拔高度差约500 m、站距约5 km,暖季降水量差异不大,但降水的精细特征却存在明显差异,主要表现为:(1)两站的降水量和平均降水强度年际差异不明显,但太华山站多数年份的降水频次远多于昆明站;(2)降水日变化上,太华山站在11—20时的累积降水量要高于昆明站;两站降水频次均具有双峰型特征,但在03—09时和11—17时太华山站的降水频次要明显高于昆明站,00—13时和21—23时昆明站的平均降水强度高于太华山站.(3)两站的降水事件特征不同,太华山站的降水事件次数和累积降水量都明显多于昆明站,主要由持续时间在6 h以上的降水事件贡献.(4)两站降水事件主要为共有降水事件,降水特性差异也主要由共有降水事件造成.太华山站先开始(结束)降水的共有降水事件次数比昆明站多(少),持续时间(降水频次)比昆明站长(多),短、长时降水事件的降水量(降水频次)比昆明站大(多),平均降水持续时间比昆明站多0.36 h.(5)两站单独降水事件占总降水事件的39.9％,太华山站的单独降水事件数是昆明站的1.83倍,而且平均持续时间长于昆明站.     

New evidence of orographic precipitation suppression by aerosols in central China

The correlation between light precipitation events and visibility at Mt. Hua, (Shannxi Province, China) and at the surrounding plains stations was analyzed. Trends and changes in visibility, precipitation, the precipitation difference between Mt. Hua and the plains stations (De) and wind speed over the study area during the years 1980–2009 were also investigated. The significant positive correlation between visibility and light precipitation throughout the study period indicates that light precipitation events, notably orographic precipitation, are suppressed by aerosol pollution in this region. The trend of increasing air pollution aerosols since 1980, represented by visibility at Mt. Hua, ended in 2002 with a decreasing trend observed in more recent years. These changes were mirrored by corresponding changes in De. However, the total precipitation trends at Mt. Hua and the plains stations are consistent in both frequency and amount during the two periods, suggesting that the suppressive effect of pollution aerosols on light and moderate precipitation is the most likely cause for the changes in orographic precipitation at Mt. Hua during this time. The analysis of wind strength suggests that the increase in winds at Mt. Hua is highly related to the aerosol radiative effects; this increase of mountain winds is therefore a potential cause for the reduction in precipitation at Mt. Hua. This research provides further support for the hypothesis that aerosol microphysical effects can reduce orographic precipitation and suggests that aerosol radiative effects might act to suppress orographic precipitation through changes in wind speed.     

Trends in the Different Grades of Precipitation over South China during 1960–2010 and the Possible Link with Anthropogenic Aerosols简

Using observed daily precipitation data to classify five levels of rainy days by strength in South China （SC）,with an emphasis on the Pearl River Delta （PRD） region,the spatiotemporal variation of different grades of precipitation during the period 1960-2010 was analyzed and the possible link with anthropogenic aerosols examined.Statistical analysis showed that drizzle and small precipitation has significantly decreased,whereas medium to heavy precipitation has increased slightly over the past 50 years （although not statistically significant）.Further data analysis suggested that the decline in drizzle and small precipitation probably has a strong link to increased concentrations of anthropogenic aerosols produced by large-scale human activities related to the rapid socioeconomic development of the PRD region.These aerosols may also have led to the obvious decreasing trend in horizontal visibility and sunshine duration in SC,which is statistically significant according to the t-test.     

京津冀一次重度雾霾天气能见度及边界层关键气象要素的模拟研究

本文利用GRAPES_CUACE大气化学模式对京津冀地区2015年12月重度雾霾过程进行了模拟和评估。京津冀地区能见度和PM_2.5模拟值与观测值的对比表明:该模式能较好地模拟京津冀地区能见度和PM_2.5的逐日变化情况,但模式存在对伴随着重污染发生的低能见度模拟偏高的问题。以12月5~10日的重度雾霾过程为重点,针对地面风速、边界层高度、相对湿度、PM_2.5及其对能见度的影响进行了详细分析,研究结果表明:污染过程中大部分地区过程平均风速低于2 m s-1,边界层平均高度低于600 m,相对湿度较高。模式低能见度模拟偏高可能因为:（1）模式模拟重雾霾时段的PM_2.5极大值浓度偏低。（2）模拟相对湿度存在系统性偏低的误差,这一误差对能见度的影响表现为两方面,一是相对湿度会通过影响可溶性气溶胶的吸湿增长过程影响气溶胶质量浓度,导致气溶胶消光系数的计算偏低;二是目前模式中采用的能见度的参数化公式考虑了相对湿度对气溶胶吸湿增长的影响,没有考虑雾滴的直接消光作用。     

北京一次持续性雾霾过程的阶段性特征及影响因子分析

利用北京地区高时间分辨率观测资料对2009年11月3—8日一次持续性雾霾天气过程中的气象因素和气溶胶演变特征进行了分析。结果表明,该次雾霾过程具有明显的阶段性特征,前期以霾为主,中期发展为雾霾交替,后期随着相对湿度减小再次转换为霾并最终消散。边界层逆温是低能见度过程形成的必要条件,但并不最终决定雾霾低能见度强度。相对湿度和PM_2.5浓度是决定能见度大小的两个关键影响因子,对能见度的影响体现出阶段性特征。大部分时段PM_2.5浓度是影响能见度的主要因子,当能见度小于1 km时,能见度变化更多受相对湿度影响。不同的情景计算表明,控制PM_2.5浓度对于改善本次过程的能见度有重要作用。     

Effect of Aerosol Particles on Orographic Clouds:Sensitivity to Autoconversion Schemes

Aerosol particles can serve as cloud condensation nuclei(CCN)to influence orographic clouds.Autoconversion,which describes the initial formation of raindrops from the collision of cloud droplets,is an important process for aerosol-cloud-precipitation systems.In this study,seven autoconversion schemes are used to investigate the impact of CCN on orographic warm-phase clouds.As the initial cloud droplet concentration is increased from 100 cm^-3to 1000 cm^-3(to represent an increase in CCN),the cloud water increases and then the rainwater is suppressed due to a decrease in the autoconversion rate,leading to a spatial shift in surface precipitation.Intercomparison of the results from the autoconversion schemes show that the sensitivity of cloud water,rainwater,and surface precipitation to a change in the concentration of CCN is different from scheme to scheme.In particular,the decrease in orographic precipitation due to increasing CCN is found to range from-87%to-10%depending on the autoconversion scheme.Moreover,the surface precipitation distribution also changes significantly by scheme or CCN concentration,and the increase in the spillover(ratio of precipitation on the leeward side to total precipitation)induced by increased CCN ranges from 10%to 55%under different autoconversion schemes.The simulations suggest that autoconversion parameterization schemes should not be ignored in the interaction of aerosol and orographic cloud.     

An anthropogenic signal in Phoenix, Arizona winter precipitation

Many other investigators have shown pronounced weekly cycles in atmospheric composition, particularly in large urban settings. A substantial body of literature shows that the varying concentrations of fine atmospheric aerosols (particulate matter (PM)_2.5) impact precipitation processes; generally, higher concentrations of these aerosols tend to depress winter precipitation especially in short-lived, shallow, and orographic clouds. Phoenix, Arizona has a large population relying heavily on motor vehicles as the primary means of transportation. This results in a strong weekly cycle of PM_2.5 concentrations with a maximum on Wednesday and Thursday and a distinctive minimum on the weekend. To determine any influence on rainfall, we analyze daily precipitation records from 291 stations in the Phoenix area and find a strong weekly cycle in winter precipitation frequencies with maximum values on Sunday and minimum values on Thursday. The weekly cycle in precipitation frequency strengthens slightly moving eastward (downwind) across the metropolitan area as well as with increasing proximity to the metropolitan area. These results strongly suggest that human activity is influencing winter precipitation primarily by the suppressing effect of PM_2.5.     

拉萨一次浮尘天气过程分析

2007年1月15—17日拉萨地区出现了一次浮尘天气,造成空气质量污染,能见度下降;拉萨地区的生产、生活及交通运输受到了较大影响。应用欧洲中心客观分析场资料和逐日观测资料,主要从天气形势和气候特征分析了拉萨浮尘天气形成的原因和空气污染的局地气象条件。结果表明,由于冷暖空气在高原地区对峙,温度梯度和锋区加强;以及200hPa高空西风急流的影响,引发西藏地区大风,使干燥、疏松的地表形成扬沙、沙尘暴,大量的细小沙尘粒子随高空偏西气流携带至拉萨。加之拉萨本地低空处于弱辐合区,大气层结稳定,风速较小或静风,导致了拉萨浮尘天气形成。最后,给出了拉萨浮尘天气预报的思路,为拉萨浮尘天气的准确预报提供了一些参考信息。