青藏高原近40年的降水变化及水汽输送分析

利用中国青藏高原地区1961—2000年56个气象站的逐月降水资料,分析了青藏高原地区1961—2000年的降水量变化趋势及水汽输送。结果表明,青藏高原40 a降水量呈增加趋势,线性增长率为1.12 mm/a。高原南区年降水量呈增加的趋势,线性增长率为1.97 mm/a;北区年降水量变化较小。青藏高原降水量在1978年由少雨期转为多雨期,青藏高原夏季降水与孟加拉湾的水汽输送及副高的水汽输送关系密切。     

青藏高原南侧经圈环流变化特征及其对降水影响分析

基于1979-2015年青藏高原(下称高原)地区气象观测站的逐日降水资料和ERA-Interim逐日再分析资料,分析高原南侧经圈环流的季节演变及年际变化特征,并讨论其对高原降水及水汽输送的影响。结果表明,高原南侧80°E-90°E范围存在前季风环流、季风环流、Hadley环流的季节演变,前季风环流有-0. 377 s~(-1)·(10a)~(-1)减弱的趋势,季风环流有0. 524 m·s~(-1)·(10a)~(-1)显著增强趋势。在90°E-105°E范围存在季风环流和Hadley环流季节转换,季风环流存在0. 413 m·s~(-1)·(10a)~(-1)的增强趋势。基于各经圈环流开始、结束时间的定义,发现在80°E-90°E,前季风环流建立的时间有推迟而结束时间有提前的现象,其维持时间出现每10年-1. 47候的缩短趋势。在90°E-105°E,季风环流维持时间增长,Hadley环流维持时间缩短。前季风环流增强使得高原水汽辐散区辐散增强,水汽辐合区辐合增强,高原西南侧有东北向水汽输送增强,而高原西北侧有西南向水汽输送增强。夏季季风环流增强,高原南部至孟加拉湾地区自南向北的经向水汽输送显著增强,印度洋向高原输送的西南向水汽通量明显增加。前季风环流增强,春季高原中部及西南部降水减少,而东南部和北部降水增加。夏季季风环流增强时,高原南侧上升支增强,高原南部降水增加,而高原北部降水出现减少。     

近10年青藏高原中东部地表相对湿度减少成因分析

利用青藏高原(下称高原)71个站点地表气温和相对湿度的观测资料分析了高原在2000年之后相对湿度和地表气温的变化特征,并结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979-2014年ERA-Interim再分析资料分析了相对湿度在近10年的减弱原因。结果表明:高原地表气温呈现持续增温趋势,而地表的相对湿度却在2000年之后迅速减小。对高原及周边风场和整层水汽输送通量的变化分析可以看出,高原的南边界是主要的水汽输入边界,2000年之后随着风场的减弱导致由孟加拉湾携带水汽穿过南边界进入高原的动力减弱,致使高原整体的水汽输送减弱,进入高原的水汽量减少。最后根据Clausius-Clapeyron方程,解释了相对湿度减弱的原因:高原地表空气温度持续增加,空气中所能容纳的水汽能力增强,而此时外界向高原提供的水汽并没有相应增加反而呈现减弱的态势,这样实际存在的水汽占所能容纳水汽的比值逐渐降低,即相对湿度呈现减少的趋势。     

近10年夏季西北地区水汽空间分布和时间变化分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料对近10年(2000-2009年)夏季西北地区整层大气水汽的时空分布进行了分析。结果表明:(1)近10年西北地区夏季大气可降水量和水汽通量分布呈两头多、中间少。700～200hPa的水汽通量值要比地面至700hPa的大,在南疆盆地,地面至700hPa的水汽通量值比700～200hPa的大,水汽通量在600～450hPa之间比较丰富;(2)整层水汽通量散度辐合区对降水落区的预报具有指导意义,除甘肃河西地区外,其他地区低层(700hPa以下)和高层(700hPa以上)的水汽通量散度呈反位相分布。(3)近10年西北地区水汽输送主要来自西风带在青藏高原西侧分为南北两支所携带的水汽、孟加拉湾的水汽随西南风输送以及西风带爬上青藏高原沿高原南边输送,而造成整层水汽通量年变化的主要原因是西风带输送水汽能力的大小。(4)近10年西北地区整层水汽通量呈线性增加,整层水汽通量的年变化趋势基本上可以指示地面降水的年变化趋势。(5)西北地区近10年夏季水汽来源主要以经向输送为主,纬向水汽通量对于西北区水汽净收支起决定作用。     

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。     

青藏高原西侧地区冬季降水的年际变率及其影响因子

基于全球降水气候中心（GPCC）和全球降水气候计划（GPCP）的降水数据及ERA-interim再分析资料,分析了1979~2012年冬季青藏高原（简称高原）西侧地区降水的基本特征及影响其年际变率的潜在因子。结果表明高原冬季降水主要发生在其西侧地区且为全区变化一致型,降水所需的水汽主要来自上游地区,从该区域的西边界输入。然而,高原西侧地区冬季降水的年际变率主要由水汽输送的动力过程所决定,表现为高原西侧的西南风异常。此外,高原西侧冬季降水的年际变率与其上游典型的大气内部变率北大西洋涛动和北极涛动相关性不强,而与赤道西印度洋和热带中东太平洋的海温显著相关。热带中东太平洋海温异常通过影响大气环流变化,在印度洋北部激发一个反气旋式的环流异常,使得高原西侧地区出现异常西南风,从而加强了水汽通量输送的动力作用。同时在赤道异常东风的作用下,暖水也向印度洋西部输送堆积。赤道中东太平洋海温的异常可进一步导致西风急流发生南北移动,从而也在一定程度上影响了高原西侧冬季水汽输送以及降水的年际变率。     

青藏高原中东部冬夏高层水汽时空特征分析

利用青藏高原中东部地区16个探空站的1979—2008年各标准等压面上的月平均探空资料对青藏高原中东部地区500～200hPa高层水汽冬夏季时空分布特征及变化趋势进行了研究,结果表明:①空间分布上,青藏高原的水汽空间分布冬夏两季呈现出一致明显的西北—东南走向,高原南部水汽年际变化波动较大,北部较稳定;夏冬两季水汽总体呈现一致变化,同时夏季还存在南北向的反相位区域异常变化,冬季则表现为东西向的反相位变化;②时间变化上,青藏高原夏季水汽总体呈现出较弱的上升趋势,1979—1995年水汽有下降趋势,1996—2005年转为增加趋势,突变主要在1997、2006年;冬季水汽总体为弱下降趋势,1979—1984年水汽为下降趋势,1985—2004年增长并保持稳定,突变主要在1986、2005年;同时青藏高原水汽还存在西部水汽增加而东部水汽呈减少趋势的区域变化特征。     

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

青藏高原南缘关键区夏季水汽输送特征及其与高原降水的关系

青藏高原南缘水汽输送和聚散过程决定着高原及其邻域的降水分布特征,在提出"青藏高原南缘水汽输送关键区"(简称南缘关键区)概念的基础上,利用NCEP/NCAR再分析资料分析了1979-2010年南缘关键区夏季水汽输送过程与收支变化,并根据台站降水量观测资料探讨了南缘关键区各边界水汽收支与高原夏季降水分布的关系。结果表明,孟加拉湾偏南风水汽流进入南缘关键区后,在印度热低压与青藏高原大地形制约下,形成了3条进入高原的水汽输送通道。这使得南缘关键区整体为多年平均水汽辐散区,除南边界外,其余均为水汽输出边界。南缘关键区各边界水汽收支年内与年际变化明显,且东、西边界水汽输出强度变化特征相反。而各边界水汽收支与印度热低压和南海夏季风活动关系密切,输出边界的水汽支出异常则直接影响着青藏高原乃至周边季风区的降水异常分布以及极端旱涝事件的发生、发展。此外,NCEP/NCAR与JRA-25再分析资料之间的对比验证表明,这两种再分析资料在青藏高原南缘水汽输送过程的定性研究中是可靠的。     

川渝地区空中水资源分布及水汽输送特征

利用NCEP/NCAR全球1948~2003年共56年月平均再分析网格点(2.5°×2.5°)资料,计算并分析了川渝地区(100~110°E,25~35°N)空中水资源的逐年变化特征、时空分布、水汽输送特征、水汽收支状况以及大气可降水能力。结果表明:近56年来,川渝地区整层水汽含量总体是略呈下降趋势,但夏冬两季水汽呈上升态势;区域内水汽含量的水平分布表现为以四川盆地东南部至重庆涪陵为湿中心,自东南向西北逐渐减少的趋势;水汽输送以西南和东南方向为主;全年水汽收支呈现净输入的状态;秋、夏、春三季皆有较大的可降水量,空中潜在水资源丰富。      

兰州市空中水汽含量和水汽通量变化研究

利用历年的高空和地面资料,深入分析了兰州市空中水汽含量和水汽通量的变化特征。结果表明:(1)夏季空中水汽含量和水汽输送相对较多,冬季相对较少;2~7月是水汽含量的增长期,9~1月是递减期,8月与7月持平;97%的水汽集中在400 hPa以下;(2)兰州市空中水汽变化与降水量、降水日数、气温的变化有明显的一致性,也存在一定的差别;(3)兰州市空中水汽输送强度中心接近500hPa高度;冬季水汽日变化最大层位于700~600 hPa,这与我国东部地区空中水汽输送高度和边界层水汽日变化特征有明显的区别。     

基于FLEXPART模式对黄河源区盛夏降水异常的水汽源地及输送特征研究

依据近10年黄河源区流域气象台站的降水观测资料,提取夏季降水最强月对应的异常特征,利用拉格朗日粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART),针对目标时段开展大气粒子群(气块)的后向模拟,着重分析了流域内降水正负异常状态下的水汽输送特征及其差异,并评估各水汽源地对流域内三类降水的贡献。结果表明,以“S”型跨赤道输送(“由阿拉伯海至孟加拉湾和印度半岛再由青藏高原西南侧进入黄河源区”)和“几”型输送(“由南中国海经长江中下游平原后途径四川盆地再进入黄河源区”)为代表的南支路径是2012年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径;而以东、西风急流作用下的两条远距离输送(“由南中国海至孟加拉湾和印度半岛东北部附近后再经由青藏高原西侧或北侧进入黄河源区”以及“由欧洲平原东部和中亚地区进入青藏高原西侧或北侧后到达黄河源区”)为代表的北支路径是2015年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径。在对气块后向模拟追踪的同时,对其运动过程中的比湿变化进行了对应经纬度网格的空间平均,变化特征显示出喜马拉雅山南麓、四川盆地周边、孟加拉湾和青藏高原北侧是黄河源区流域降水对应的潜在水汽源地。由定量评估贡献率的结果可知:青藏高原北侧的广大干旱及半干旱草原地区是2015年7月黄河源区降水的最主要水汽来源,其贡献率高达52.9%;而在2012年,三个主要源地的贡献率差异远不及2015年显著;无论对应何种类型的降水,青藏高原西南部和北侧提供了黄河源区主要可供降水的外来水汽。     

基于MODIS数据的甘肃主要水库水体面积变化特征

掌握甘肃主要水库的水体面积变化规律,对"甘肃省国家生态安全屏障综合试验区"建设具有重要参考意义。基于2000—2014年MODIS的8 d合成地表反射率产品MOD09资料,利用WI1水体指数,对甘肃四大水库双塔、昌马、红崖山和刘家峡的水体面积进行监测,并与兰州区域气候中心实时接收的卫星资料目视解译结果进行对比、建立相关关系,进而对上述水库水体面积变化状况进行研究。结果表明:甘肃四大水库8 d合成产品MOD09反演的水体与卫星实时资料目视解译结果均具有很好的相关性,且变化趋势较一致,MOD09产品反演结果能够反映水体实时变化状况,可用于水库水体面积的变化特征研究。近10 a多,甘肃四大水库水体面积表现出春季或秋季较大、夏季最小的年内分布特征,各水库水体面积的年际变化趋势较复杂,疏勒河上的昌马和双塔水库春、夏、秋三季水体面积的年际变化趋势不明显,而红崖山和刘家峡水库水体面积均呈波动增加趋势,这对甘肃中西部农业灌溉极为有利。     

湖南省柘溪水库流域空中水汽资源特征及人工增雨潜力

根据湖南省境内怀化和长沙2个探空站的1994—2003年1—12月每日两个时次(北京时间08时和20时)的资料,对柘溪水库库区及流域大气中的垂直气柱水汽含量进行了计算与分析。结果表明,柘溪水库流域全年年平均水汽含量值为3.62g·cm-2。各种天气形势下水汽含量值各不相同,台风外围云系水汽含量值相对较大,为6.01g·cm-2。大气垂直气柱水汽含量交换次数平均为3.04次/月,更新率为9.92天。柘溪流域上空平均每年净输入的水汽含量为234.87×108m3。若对所有的可作业云系施加人工影响,全年平均可能增雨总量达29.843×108m3。     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

利用地基微波辐射计反演兰州地区液态云水路径和可降水量的初步研究

液态云水路径 (liquid water path, LWP) 和可降水量 (precipitable water vapor, PWV) 是描述天气和气候的两个重要物理量。目前, 针对液态云水路径和可降水量的直接观测较少, 特别是在我国干旱半干旱黄土高原地区, 至今没有获得系统的观测值。本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站 (SACOL) 近两年的微波辐射仪观测资料, 分析了黄土高原半干旱区液态云水路径和可降水量的变化特征。首先引入Liljegren et al.(2001) 的反演方法并加以改进, 计算得到适合黄土高原地区的反演参数, 利用改进后的反演方法计算近两年的液态云水路径和可降水量。分析结果显示, 与TP/WVP-3000型12通道微波辐射计的直接输出结果相比, 本文反演结果与实际情况更加吻合。在SACOL代表的黄土高原地区, 95%的云水路径值都在150 g/m2以下, 95%的可降水量值都在3 cm以下。由于SACOL的降水受亚洲季风的影响, 液态云水路径日均值冬季最小, 秋季最大, 其日变化规律显示半干旱区液态云水路径大体上呈双峰分布, 峰值主要出现在日出和日落时分。卫星反演资料的年变化趋势与地基反演结果比较吻合。因此, 运用卫星反演的液态云水路径来分析我国西北地区的空中云水资源是一种比较可信的手段。     

内蒙古东北部地区一次极端降雪过程的水汽输送特征

利用内蒙古呼伦贝尔市常规观测资料和GDAS、NCEP/NCAR再分析资料,采用欧拉方法分析了2016年春季内蒙古东北部地区一次极端暴雪过程的水汽输送及收支特征,利用HYSPLIT模式和聚类分析模拟计算了此次暴雪天气过程的水汽源地、主要水汽输送通道及其对水汽输送的贡献,并与传统的欧拉方法结果进行对比。结果表明:(1)有3支不同源地的水汽流在内蒙古东北部地区交汇,对呼伦贝尔地区暴雪的发生与维持有重要影响;(2)经向和纬向输送为此次暴雪天气的发生提供了充足的水汽,暴雪区水汽主要源于中高层的南边界和随西风气流的西边界;(3)利用HYSPLIT模式模拟发现,在此次暴雪天气过程中水汽主要来源于新地岛以西洋面、日本海以及巴尔喀什湖,且三者贡献率大致相当。     

甘肃一次冰雹过程降水及闪电活动特征

利用热带测雨卫星(TRMM)的测雨雷达(PR)、微波辐射计(TMI)和闪电成像仪(LIS)资料分析2012年8月25日甘肃省一次较强冰雹过程。结果表明,本次过程受3个分散的β中尺度对流系统影响,对流云像素点约为层云的1/2,对流云平均降水率是层云的8.2倍。冰雹云回波顶高度近13 km,回波强度大于55 dBZ的最大高度为7.5 km左右,降水率大于45 mm·h^-1的云层厚度约7 km。降水廓线反映出降水率垂直分布不均匀,对流降水中50、10 mm·h^-1的降水率随着高度的升高先增加后减小,在9 km左右减小明显。此次冰雹过程的闪电发生临近处6 km雷达反射率高于40 dBZ,85 GHz极化修正亮温低于210 K。     

多种土壤湿度资料在中国地区的对比分析

利用1992—2012年中国区域土壤湿度观测资料对目前使用较为广泛的5套土壤湿度资料(ERA-Interim、NCEP再分析资料、GLDAS同化资料、CPC模式资料和AMSR-E卫星反演资料)的适用性进行检验,分析5套资料对中国区域土壤湿度的时空分布特征和变化趋势的描述能力。结果表明:5套资料都能大体反映暖季中国区域土壤湿度东南湿、西北干,自东南向西北递减的分布格局以及西北干旱区和半干旱区变湿、长江流域部分地方变干的变化趋势,其中CPC资料最接近观测事实,并能较好地表现局地特征;在描述土壤湿度的季节变化和年际变化方面,GLDAS和NCEP资料与观测数据的相关性较好,能较好反映土壤湿度的时间演变特征。进一步利用检验效果较好的GLDAS、NCEP和CPC资料分别对中国区域土壤湿度时间和空间的长期变化趋势分析发现:中国区域标准化年平均土壤湿度在1948—1996年处在相对湿润期,而1996—2012年处在相对干旱期;中国区域年平均土壤湿度的空间变化特征是东部变干、西部变湿,自东北、华北至西南呈现一个干旱化带。     

全球不同类型气溶胶光学厚度的时空分布特征

利用MERRA-2(第2版现代研究与应用再分析)资料分析了1980-2017年全球硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐、沙尘及总气溶胶光学厚度的时空分布特征;选取了北美、北非、南非、印度、中国和印度洋6个典型区域研究了硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶对总气溶胶光学厚度的贡献率。结果表明,硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶在全球非均匀分布,并且具有季节变化;全球总气溶胶的光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)在夏季最大(0.137),春季次之(0.130),冬季最小(0.118);在6个典型区域里,北非地区总气溶胶的光学厚度最大,为0.43;其次是中国的东部地区,为0.41;每个区域其主要气溶胶的类型并不相同,在北美、中国东部及印度中部地区,硫酸盐是主导的气溶胶类型,贡献率分别为66%,63%和42%,在印度洋、南非及北非地区,海盐、有机碳和沙尘分别是最主要的气溶胶类型,贡献率分别为65%,51%和82%;对于黑碳、硫酸盐和总气溶胶,中国东部地区和印度中部地区有较为明显的增长趋势,其中总气溶胶光学厚度的线性增长率分别为0.007 a^-1和0.0056 a^-1,但在2010年以后,中国东部地区出现明显的下降。