利用北京GPS监测网分析夏季暴雨的水汽特征

利用覆盖北京地区的地基GPS水汽监测网数据反演的地基GPS大气柱水汽含量 (precipitable water vapor, PWV),分析了2009年7月3次暴雨天气过程中大气柱水汽含量的水平分布特征;利用高空、地面常规气象资料以及加密气象自动站观测资料计算地面和高空比湿,结合温度、风等物理量分析3次暴雨天气过程中的大尺度水汽输送和中尺度局地辐合作用;对最大降水强度以及降水量的时间变化的分析表明:3次降水落区分布特征与降水前期大气柱水汽含量高值的水平分布较为一致;大气柱水汽含量曲线变化特征与各尺度天气系统造成的水汽输送和水汽辐合密切相关,大气柱水汽含量的大小与水汽来源密切相关;降水前4小时内大气柱水汽含量出现陡增,线性增速大于1.1 mm/h,最大降水强度出现在大气柱水汽含量峰值出现后的1~2 h。     

2000—2009年江西空中水汽资源变化特征

利用2000-2009年南昌、赣州两个探空站资料,通过计算大气水汽含量和水汽通量,对江西省空中水汽含量变化、分布、水汽输送等特征进行了分析。结果表明,近10年来,江西省平均大气水汽含量为35.04 kg/m2,水汽含量呈下降趋势。水汽含量夏季丰富,冬季匮乏,2-6月是江西大气中水汽含量主要增长期,最大值出现在8月,最小出现在1月或12月;空间上呈现南多北少分布。水汽输送在春、冬季以纬向输送为主,夏、秋季经向和纬向输送量基本相当。     

探空、地面及卫星资料反演水汽含量的比较

利用探空、地面等常规探测资料及卫星遥感资料计算了我国中西部地区2007年6月—2008年5月间水汽含量的空间分布和时间演变,结果显示:由探空资料计算的整层大气水汽含量的空间变化,总体形势是,纬度低的地区水汽含量多,纬度高的地区水汽含量少;各探空站上空水汽分布的季节演变规律比较一致,夏季水汽含量最大,冬季最小,春秋季节基本相当。根据探空资料建立地面水汽压与大气总水汽量的经验关系,利用地面站资料确定水汽分布,与同时次探空站资料估算的水汽场相比,两者分布趋势基本一致。利用FY-2C卫星的可见光和红外分裂窗通道资料,建立反演大气水汽含量的回归关系式,与探空资料计算的结果相比,总体上变化趋势较一致。     

整层大气水汽含量统计外推方法应用讨论

采用中国24个高空站2010年和2011年的小时数据,通过对天气尺度整层大气水汽含量的具体计算试验并结合已有的气候学统计研究,探讨了气候时间尺度与天气时间尺度在推算方法上的差异。结果表明:两种时间尺度的整层大气水汽含量推算存在着明显的差别,不能相互替代;整层大气水汽含量的气候学统计外推方法有较好的规律可循,而天气尺度的计算则有较大的不确定性,时空上也不存在显著一致性;对于没有探空数据而又需要进行天气尺度整层大气水汽含量推算的情况,可在气候相近的区域中尽可能选择邻近的探空站进行推算,但用于建立回归方程的数据不宜少于两年。     

影响青藏高原大气可降水量的因素及其变化特征

利用1979—2015年ERA-Interim全球0.5°×0.5°月平均再分析资料,计算了青藏高原水汽收支方程中的水汽局地变化项、辐散项、平流项和垂直项的相对贡献,并分析了各项的变化特征。结果表明:(1)在整层和近地层,水汽辐合辐散项占大气可降水量变化项的比例最高;在中层和高层,水汽平流项占大气可降水量变化项的比例最高。水汽辐合辐散与大气可降水量有更好的相关性。(2)水汽辐合辐散的空间分布整体为低层辐合高层辐散;在整层和近地层,高原东部为湿平流,其余大部分区域为干平流,在中层湿平流区域面积扩大,高层几乎都为干平流。(3)水汽辐合辐散年际变化表现为增加趋势,其中整层、近地层和中层增加趋势最明显;水汽平流年际变化表现为各层都呈下降趋势,其中中层和高层下降趋势最明显。     

利用太阳光度计反演郑州地区水汽含量

利用CE-318型太阳光度计936 nm波段的太阳辐射观测资料,采用改进的Langley法反演了郑州地区大气柱水汽含量,并分析了大气柱水汽含量与地面水汽压之间的关系。结果表明:郑州地区大气柱水汽含量的季节变化:夏季>秋季>春季>冬季,日变化为早晚低,中午高;郑州地区大气柱水汽含量与地面水汽压之间存在着良好的线性关系。     

甘肃空中水汽含量演变特征

为揭示甘肃空中水汽的时空演变,采用EOF、REOF、小波分析和计算Petitt变点等方法,研究了该区域大气中水汽含量在近40 a的变化.结果表明：甘肃水汽变化存在4个敏感区（空间型）,东部、西部是最敏感地区,中部敏感程度次之;在时间变化上阶段性明显,1977、1987年发生突变,1977年之前呈明显下降趋势,1977～1987年间波动,1987年后呈明显上升趋势;小波分析表明水汽变化存在2～4 a为主的振荡,20世纪70年代以前变幅大,80年代以后变幅小.     

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。      

西北干旱区空中水资源的时空变化特征及其原因分析

利用1979—2008年NCEP/NCAR月平均再分析资料,从大气可降水量、水汽输送及收支等方面分析西北干旱区空中水资源的时空变化特征,并揭示其主要原因。研究表明,1979—2008年西北干旱区整层年水汽含量略呈增加趋势,而夏季水汽总收入呈现显著增加趋势。区域空中水资源的变化与中纬度西风水汽输送密切相关。尽管区域西风指数的年代际减弱反映了西北干旱区东、西边界西风水汽输送的减弱趋势;但受区域特殊地形的影响,区域东边界水汽收支的减弱趋势远强于西边界,使得大量的水汽滞留于西北干旱区,从而导致该区域夏季水汽总收入呈现增加趋势。     

塔克拉玛干沙漠腹地2009年大气水汽含量的日变化特征

利用2009年1～10月塔中站地基GPS观测的大气水汽含量数据,分析了其在不同季节的日变化特征。结果表明:塔克拉玛干沙漠腹地全年大气水汽量的日变化特征呈正弦曲线,变化稳定,峰值出现在08时(北京时间,下同)和23时,为13.63mm和13.85mm;谷值出现在01时和14时,为12.91mm和12.28mm。1月大气水汽含量最少,平均值为7.09mm,极小值出现在冬季1月21日13时,为0.95mm;7月水汽含量最大,平均值达到20.01mm,水汽含量极大值出现在8月6日7时,为34.75mm,水汽含量日变化幅度最大月份为10月。     

西南地区夏季大气水汽含量及其与南亚高压关系

利用欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 提供的ERA-interim高分辨率资料,借助经验正交函数 (EOF) 分解、距平合成和相关分析等方法,讨论1979—2014年我国西南地区夏季大气水汽含量的时空变化特征及其与南亚高压的关系。研究结果表明:我国西南地区夏季大气水汽含量空间分布形态主要有全区一致型、南北振荡型和东西振荡型。全区一致型 (EOF1) 能够反映西南地区夏季水汽含量的主要特征,西南地区夏季大气水汽含量具有明显的年际变化特征;西南地区夏季大气水汽含量与南亚高压强度指数、面积指数及东伸指数均存在非常显著的正相关关系;南亚高压的异常偏强,有利于南海地区水汽向西南地区输送,且在西南地区气流由低层向高层的上升运动显著增强,引起西南地区大气水汽含量的异常偏多。     

成都地区一次持续性暴雨过程的水汽特征分析

利用地基GPS技术反演得到的大气可降水量资料、FY-2C卫星水汽图以及NCEP 1°×1°再分析资料,分析了2008年9月23—26日成都地区一次持续性暴雨的水汽特征。结果表明,降雨期间的水汽主要由来自孟加拉湾的暖湿气流和来自"黑格比"台风的高低空急流组成;暴雨发生前对流层中低层水汽充足,大气层结极不稳定,水平风的垂直切变较明显;高时间分辨率的地基GPS资料不仅可获得水汽实时变化的信息,而且对于暴雨发生时间和暴雨强度都有一定的指示性;结合中尺度数值模拟的结果,发现此次暴雨过程中可降水量的变化能反映区域水汽辐合辐散的变化,降水与否或降水大小不仅取决于大气中水汽含量的多少,更受到大气动力和热力条件的影响,水汽辐合的强弱具有关键作用。     

“鱼尾”状地形热力效应对天山降水系统及水资源的影响

利用卫星遥感资料、逐月2.5°×2.5°和1°×1°NCEP/NCAR再分析资料、逐月1°×1°CRU降水资料,以青藏高原与天山山脉相连区域的热源为切入点,重点探讨高原与天山山脉相连区域的热源、天山区域大气水份循环和云水资源的相关特征,计算了整层水汽、水汽输送、水汽相关矢及视热源等动力、热力诊断物理量,分析了天山区域夏半年降水的时空分布和变化特征。结果表明,天山区域降水和整层水汽集中区位于天山西部;天山区域强垂直运动能够描述出地形效应引起的气流爬升特征。分析天山地区的大气视热源与水汽汇的垂直结构揭示了天山西部充沛云水资源和高原与天山山脉相连的类似"鱼尾"区域的视热源存在显著相关。利用对"鱼尾"地形的整层视热源与整层水汽输送通道的相关矢分析,追踪影响夏半年天山地区丰富云水资源的远距离海洋水汽源,结果发现,夏半年天山地区的水汽源主要来自南部的大西洋、孟加拉湾、阿拉伯海和北部的北冰洋。天山地区水汽、降水和"鱼尾"地形热源具有12年的显著周期,在该周期上,20世纪50年代至末期,"鱼尾"地形热源的周期变化比天山地区的整层水汽的周期变化提前3~4年,而在50-80年代天山地区的整层水汽比降水提前3~4年,之后至末期提前1~2年。天山区域云水资源的年际变化特征一定程度上反映了该区域大气水份循环结构对"鱼尾"地形热源的响应机制。     

西北地区东部中低层大气的 水汽输送特征

利用1981-2010年的ERA-interim资料,分析西北地区东部中低层大气水汽含量在显著高于或低于平均值的情况下的水汽输送特征,通过对该区域中低层大气水汽多、少年的水汽通量及水汽通量散度的计算分析,探讨不同背景下西北地区东部的水汽来源及特征,分析西北地区东部水汽循环过程和变化规律以及影响西北地区东部水汽差异的主要因子。主要分析结果表明:西北地区东部中低层大气水汽集中在该区域的东南部,即陕西和宁夏一带,而西部地区大气水汽含量较低。西北地区东部中低层大气的水汽来源主要是西风带,南风气流和东亚季风,南风气流和东亚季风的强弱及流向是造成西北地区东部中低层大气水汽多、少年的水汽输送特征变化的重要原因。     

区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异.结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进.分析显示两种模式都能够较好地再现东哑地区气候平均夏季大气水汽储量浅红和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理.在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向卜的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季早涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进.但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差.     

我国大气中平均水汽含量与水分平衡的特征

本文利用我国1960—1969年整编的100余个台站高空资料及200多个气象站地面资料(除降水量站),根据大气中水分平衡方程,计算并分析了我国全年和各月的降水量、蒸发量、大气水汽含量及其变化量、地气间水分交换量和大气水汽输送量的时空分布,提供了我国大气中水分平衡气候特征。     

青藏高原大气总水汽量的反演研究

利用2001年青藏高原89个气象站资料、NCEP格点再分析资料以及2001—2003年7月3个地基GPS站的大气总水汽量观测资料,对GPS遥感的大气总水汽量与探空观测结果做了比较,研究了大气总水汽量变化对降雨形成的影响,大气总水汽量与地面水汽压的关系,分析了青藏高原大气总水汽量的时空变化特征及其成因。结果表明:GPS遥感的大气总水汽量与探空观测结果吻合得较好,2001年那曲站两种结果相比均方根误差仅0.15 cm;大气总水汽量与地面水汽压之间有良好的相关关系;不同季节高原上基本都存在3个明显的大气总水汽量高值中心:即东南部、西南部和西北部;高原大气总水汽量分布的季节变化与500 hPa风场及整层大气水汽通量的变化关系密切。     

我国自由大气与山地水汽压垂直递减规律的初步研究

本文应用全国103个探空站资料,拟定出水汽压垂直递减公式。计算了1、4、7、10月和年平均自由大气与山地水汽压递减系数;讨论了水汽压递减系数的影响因子;对自由大气与山地水汽压递减系数的年变化进行了分型与区划;最后,绘制出自由大气和山地水汽压递减系数的全国分布图,分析了其分布规律,并对两者进行了比较。     

面向“红外云图晴空区导风”的FY-2E红外通道亮温度敏感性分析

利用MODTRAN辐射传输模式,结合FY-2E星载辐射计红外分裂窗通道的光谱响应特征,计算了中纬度的夏、冬季晴空大气情况下,卫星观测亮温度对大气水汽及气溶胶的敏感性。在模拟条件下,计算星载辐射计红外通道温度灵敏度(0.2 K)对应的大气水汽及气溶胶含量变化的临界值分别为0.42 g/cm2和0.25。以此为参照值,利用FY-2E晴空大气可降水量产品及MODIS大气气溶胶产品实际数据,分析了在导风模块常用尺度(80 km×80 km)内大气水汽、气溶胶含量的变化引起FY-2E星载辐射计红外分裂窗通道观测亮温度差异超过星载辐射计红外通道的温度灵敏度的可能性,结果表明实际大气存在满足上述临界值条件的情况。研究结果为把晴空大气水汽、气溶胶作为卫星红外云图上的晴空区导风示踪物,提供了理论和实际依据。      

青海高原不同地区大气水汽含量对比分析

利用青海省4个探空站和NCEP格点站的大气水汽含量及对应地面站温度和降水资料,对比分析青海高原不同气候区的大气水汽含量及其与气温、降水之间的相互关系。结果表明:青藏高原地区NCEP水汽含量与L波段探空估算的水汽含量变化趋势基本一致。4站大气水汽含量的季节和旬变化特征有明显差异,测站海拔越低大气水汽含量越高且与所处地理位置和地形有关,测站海拔越高时大气水汽含量与大气环流和天气系统密切相关。大于10 mm降水与水汽含量呈正比关系,水汽转化为降水的转化率较高;小降水和无降水与水汽含量关系不明确,水汽转化为降水的转化率较低。虽然降水与温度和水汽含量有一定的正比关系,但青海高原地区降水的产生过程复杂,因而不能用温度和大气水汽含量完全确定能否产生降水。