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。     

人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

选取黄山站为高山站,周围黄山区、绩溪、黄山市三个低海拔高度站为对比站,比较高山站与对比站1960—2009年降水量差值,即地形影响因子R0的变化趋势,以及同期能见度的变化,分析了人为气溶胶对黄山地形云降水的可能影响。结果表明,1960—1979年能见度下降,气溶胶含量增大,R0升高;1980—1989年,能见度升高,气溶胶含量有下降趋势,不同对比站R0变化趋势不同;1990—2009年,能见度下降,气溶胶含量升高,R0显著下降。气溶胶对降水的影响作用与背景气溶胶浓度有关,背景气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度可促进降水;背景气溶胶浓度较高时,增加气溶胶含量对降水抑制作用显著,对应的能见度阈值为10km。当气溶胶对降水起抑制作用时,抑制作用与风速成反比,与风频和各风向平均降水量呈显著正相关。     

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。     

秦岭山区近50 年降水差异及可能局地成因探讨

利用秦岭山区54个气象站50年以上日降水资料,分析了复杂地形下小区域降水变化差异,探讨了可能的局地成因,结果表明:(1)年均降水量总体为南高北低、西高东低,反映出秦岭阻挡作用和山谷东风回流影响;(2)近50年来区域年降水以减为主,9个增加站位于东部,夏季降水以增加为主,减少站集中在秦岭山上和区域西部,降水向夏季集中倾向明显;(3)日雨量小于5 mm的年雨量和雨日数减少趋势明显,雨量≥50 mm的年雨量和雨日数增加趋势明显,即小雨减少大雨增多;(4)降水变化的多个方面及其与海拔高度和经度对应关系的分析结果,反映出气溶胶抑制地形降水以及成冰作用恢复被抑制降水的作用,说明局地成因中气溶胶起了不可忽视作用;(5)地形作用和区域能量平衡也是重要局地成因.     

近50年陕南、关中降水年际变化特征

利用陕西省陕南、关中54个气象站50a(1961—2010年)观测的日降水资料,分析小区域降水年际变化特征,结果表明:(1)区域年降水以减少为主,减少程度西部大于东部,宁强、华山和略阳雨量减少最多。(2)夏季降水以增加为主,减少站集中在秦岭山上和区域西部,降水向夏季集中倾向明显。(3)日雨量<5mm小雨,年雨量和雨日数减少趋势明显,雨日数减少站占96%,镇安、丹凤、高陵减少最多;雨量≥50mm暴雨,年雨量和雨日数增加趋势明显,集中在夏季,镇巴、紫阳、镇坪夏季暴雨日数增加最多。即小雨减少暴雨增多,暴雨灾害趋于严重。(4)在降水变化中地形等局地作用明显,是天气预报和研究气候变化应该考虑的因素。     

空气污染抑制小雨：华南与青藏高原对比分析

以能见度作为气溶胶浓度表征物,采用1980-2011年青藏高原和华南共10个台站资料,分析空气污染对降雨的影响。结果显示:青藏高原空气质量一直维持在很好状态,而华南地区存在严重的空气污染;华南地区的南宁、北海、百色3站小雨下降趋势明显,而青藏高原5站和华南地区的梧州、桂林2站的小雨趋势变化不明显;南宁、北海、百色3站20时能见度与随后24 h(当日20时至次日20时)小雨雨量正相关显著,而青藏高原5站和梧州、桂林2站20时能见度与随后24 h小雨雨量正相关不显著,这可能表明南宁、北海、百色3站小雨下降趋势与空气污染抑制有关;定量分析显示能见度每降低1 km,南宁、北海、百色3站小雨雨量分别减少0.019、0.028和0.027 mm;南宁、北海、百色3站出现小雨时20时能见度与未来24 h内各时次归一化对流有效位能正相关显著,这一现象与空气污染抑制小雨现象吻合;归一化对流有效位能对地面能见度/气溶胶激励效应的响应时间每日有两个高值。     

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。     

浙东地形对台风“利奇马”极端降水的影响分析

利用自动站实时降水资料、NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,结合中尺度数值模式WRF对台风"利奇马"在浙东地区产生的极端降水过程进行分析,重点研究了浙东地形对极端降水的影响。结果表明,"利奇马"影响期间,浙东强降水过程出现2个雨量峰值,依次由台风外层螺旋云带和台风中心附近的多个中尺度对流云团持续影响所造成,浙东地形对这一系列对流云团有明显的加强作用。浙东地区西部山脉对"利奇马"有阻滞和辐合抬升两方面作用,前者通过地形阻挡拖曳,延长强降水时长,后者通过山前显著的动力抬升作用和水汽辐合加强造成降水增幅。根据估算可知,括苍山脉在强降水阶段对暴雨的增幅可达11 mm·h~(-1),接近此时段内总雨量的2.5成。通过敏感性试验降低地形高度后,浙东地区辐合及上升运动减弱,雨量也明显减少,进一步验证了浙东地形是造成此次极端降水事件的重要原因。     

九华山区云水资源状况分析

九华山区及周边的地形是以天台至大花台为主脉,四周有低山丘陵合围。复杂地形下各地气候差异明显。应用1980—2010年近30 a观测资料及山区不同高度的自动站数据,运用大气边界层理论及多项式拟合、相关分析等数理统计方法,研究山区与丘陵云水资源的差异。结果表明：地形的动力作用影响了山区局地水汽的输送条件;山区下垫面对降水的增雨作用较为明显,强度越大的降水,其增强作用就越明显,地形对降水的平均贡献率为37.6%。山区与周边降水分布很不均匀,九华山年平均降水量比周边区域多34.1%,山区水资源远大于周边丘陵地区,前者是后者的3.4倍,且一年四季有盈余,但降水量季节分布不均,秋季是最易出现干旱缺水的季节。缓解山区的旱情要以开源蓄水为主,辅以必要的人工增雨。     

1960-2012年陕西降水变化特征及可能成因分析

利用陕西82个气象观测站的降水观测资料、NCEP/NCAR的2.5°×2.5°再分析资料以及MODIS卫星的气溶胶产品,分析了1960-2012年陕西雨季和全年的降水量、降水日数变化特征,并讨论了大气可降水量和气溶胶对降水的可能影响。结果表明,近60年陕西雨季、全年雨量和降雨日数均呈南多北少分布,年总雨量和降雨日数均呈下降趋势,雨季总雨量呈增加趋势,而降雨日数呈降低趋势,雨季雨强增加,降水向雨季集中;陕西全年和雨季小雨雨量和降雨日数均呈现下降趋势,雨季10 mm以上的降水量和降雨日数均呈增加趋势,增加站点占所选站点的75.6%,雨季降水的增加主要是10 mm以上降水量的贡献。陕西全年总雨量的减少可能与整层大气可降水量的减少有关。全年和雨季5 mm以下降水量的减少应该与气溶胶对降水的抑制有关,雨季10 mm以上降水量增加与气溶胶对降水的促进作用有关。分析表明当AOD≥0.4时,雨季气溶胶对降水有一定的促进作用。总之,陕西全年小雨的减少以及雨季10 mm以上降水量增多,雨量向雨季集中应该与近几十年陕西气溶胶增加、气溶胶类型的转变有较大关系。     

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.     

近10年中国地区地形对降水影响研究进展

地形是影响降水的重要因子,其复杂性为研究降水的分布、强度等增加了难度,全面透彻地理解地形对降水的影响机制,有助于预警预报水平的提高。因此,地形对降水的影响研究受到广大气象学者的关注。本文通过回顾近10年来中国地区有关地形对降水的影响研究进展,简要概述了地形动、热力效应与云微物理过程对降水的影响机制,以数值模拟研究为主线,系统分析了中国各个地区关于地形作用的研究成果,重点讨论地形对局地中小尺度降水、锋面降水以及台风降水方面的影响,最后总结了目前的研究现状并提出一些需要深入研究的问题。     

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.     

Satellite Observations of Reflectivity Maxima above the Freezing Level Induced by Terrain

Previous studies have recognized reflectivity maxima above the freezing level(RMAF) within stratiform precipitation over mountain slopes, however, quantitative studies are limited due to the lack of adequate identification criteria. Here, we establish an identification method for RMAF precipitation and apply it to the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) Precipitation Radar(PR) observations. Using the TRMM 2A25 product from 1998 to 2013, we show that the RMAF structure in reflectivity profiles can be effectively identified. RMAF exists not only in stratiform precipitation but also in convective precipitation. RMAF frequency is positively correlated with elevation, which is thought to be caused by enhanced updrafts in the middle layers of stratiform precipitation, or in the low to middle layers of convective precipitation over mountains. The average RMAF heights in stratiform and convective precipitation were 1.35 and 2.01 km above the freezing level, respectively, which is lower than previous results. In addition, our results indicate that the RMAF structure increased the echo top height and enhanced precipitation processes above the RMAF height, but it suppressed the downward propagation of ice particles and the near-surface rain rate. Future studies of orographic precipitation should take into account the impact of the RMAF structure and its relevant dynamic triggers.     

“16·7”华北极端强降水特征及天气学成因分析

2016年7月19-20日华北出现了当年入汛以来最强降水过程。此次降水过程为一次影响范围广、累积雨量大、持续时间长的极端强降水过程,其强度较"96·8"强,仅次于"63·8"。以暖云降水为主,短时强降水特征明显,局地小时雨强强、且具有明显的地形降水特征。此次强降水发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中高纬度西风带低涡系统发展的环流背景下,黄淮气旋、西南和东南低空急流的异常发展以及水汽的异常充沛表明此次强降水过程动力抬升和水汽条件非常有利。强降水过程表现出明显的阶段特征,主要分为两个阶段:19日凌晨至白天为高空槽前偏东风导致的地形强降水、19日夜间至20日为黄淮气旋系统北侧螺旋雨带造成的强降水。第一阶段的降水主要与高空槽前偏东风/东南风急流的发展有直接关系。这一阶段对流降水旺盛,中层弱干冷平流以及低层强暖平流是对流不稳定能量的维持机制,强降水形成的冷堆与局地地形作用产生的中尺度锋生过程为对流持续新生提供了有利条件。第二阶段的降水主要与低涡切断和黄淮气旋的强烈发展有关。该阶段降水对流相对较弱,黄淮气旋进入华北以后移动缓慢,从而造成降水持续时间较长。     

Analysis of the Characteristics of Inertia-Gravity Waves during an Orographic Precipitation Event

A numerical experiment was performed using the Weather Research and Forecasting(WRF) model to analyze the generation and propagation of inertia-gravity waves during an orographic rainstorm that occurred in the Sichuan area on 17 August 2014. To examine the spatial and temporal structures of the inertia-gravity waves and identify the wave types, three wavenumber-frequency spectral analysis methods(Fourier analysis, cross-spectral analysis, and wavelet cross-spectrum analysis)were applied. During the storm, inertia-gravity waves appeared at heights of 10–14 km, with periods of 80–100 min and wavelengths of 40–50 km. These waves were generated over a mountain and propagated eastward at an average speed of 15–20 m s~(-1). Meanwhile, comparison between the reconstructed inertia-gravity waves and accumulated precipitation showed there was a mutual promotion process between them. The Richardson number and Scorer parameter were used to demonstrate that the eastward-moving inertia-gravity waves were trapped in an effective atmospheric ducting zone with favorable reflector and critical level conditions, which were the primary causes of the long lives of the waves. Finally, numerical experiments to test the sensitivity to terrain and diabatic heating were conducted, and the results suggested a cooperative effect of terrain and diabatic heating contributed to the propagation and enhancement of the waves.     

台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验

应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6)，对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究，模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水，但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明，台风Rananim登陆期间，强回波带出现在台风移动的右前方，螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团；垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验，着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:（1）台风登陆期间， 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致，迎风坡降雨量增加，背风坡降雨量减少，地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。（2）台风登陆期间，地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带，高层为明显的辐散区；在中尺度环流场上，地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展，从而激发中尺度对流云团，形成中尺度雨团，造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。（3）地形的强迫作用，可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显增强；当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显减弱。（4）台风登陆期间，地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大，位涡明显增强，从而造成台风涡旋的增强。