100hPa极涡、南亚高压的变化及大气环流分布特征

利用NCEP/NCAR高度场资料进行计算,对冬、夏极涡与南亚高压面积进行Morlet小波变换,并对100 hPa高度场进行EOF分解和长期趋势分析.结果表明:极涡、南亚高压具有相似的演变特征,这种相似特征在前期冬季极涡与南亚高压之间表现更为明显,体现了准5年尺度和准20年尺度的周期变化,在变化的位相上则相反.EOF分析表明,前期冬季高纬度地区与中低纬度地区的环流变化呈相反趋势,且第一模态的时间系数与前期冬季极涡的趋势一致,第一模态在一定程度上反映了前期冬季大气环流分布.夏季第一模态全场为负值,体现了夏季100 hPa整体异常性;第二模态反映了副热带中低纬度大气环流与高纬度大气环流变化相反.从其长期变化趋势来看,冬季高纬度地区的高度场呈负趋势变化,副热带地区呈正趋势变化,夏季除我国华北部分地区为负趋势变化外,均为正趋势变化.极涡、南亚高压的这种年代际变化与100 hPa高度场的长期线性趋势变化有关.     

北半球对流层厚度的时空变化特征

利用1948—2010年NCEP/NCAR逐月位势高度再分析资料、美国国家海洋局提供的1948—2010年逐月海温再分析资料,分别定义了1 000—500 hPa和500—200 hPa厚度,利用EOF、SVD等方法研究了北半球对流层厚度时空演变特征及其与大气环流和海面温度的关系。结果表明,冬季平均厚度EOF第一模态均具有北太平洋及附近高纬度亚洲大陆地区与北美大陆高纬地区反位相变化的特点,而夏季第一模态则是北半球范围内较一致的位相分布;冬、夏季平均厚度EOF第二模态均突出体现了欧亚大陆及附近地区与北半球其他地区反位相变化的特点;冬、夏季厚度场的变化形势与大气环流及海面温度具有密切联系。     

基于近似熵的中国西北地区干旱的非线性特征

从气候系统的复杂性角度出发,基于经验正交函数和近似熵方法,采用SPEI干旱指数,探讨1962-2017年中国西北地区干旱的时空分布特征及其非线性特征。结果表明:(1)1962-2017年中国西北地区SPEI的EOF第一模态空间分布呈"全区一致"型,第二模态空间分布呈"东正西负"型,结合第二模态时间系数,说明西北地区西部较年代际转折之前变得湿润,而东部较年代际转折之前有变干趋势,转折点约在1980年,且干旱存在2~3 a的周期特征;(2)中国西北地区20世纪80年代初转折后的干旱复杂度整体比转折前有所增大,可预测性降低,秋、冬季的复杂度大于春、夏季,其中冬季最大,夏季最小。     

春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征

基于1979—2017年ERA再分析资料地表潜热和感热通量数据,采用经验正交函数(EOF)和功率谱方法对中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征进行分析。结果表明:(1)中国西南地区,春季感热通量比夏季大;而潜热通量则是夏季大、春季小。春夏季感热通量在2000年以后有明显减弱;而春夏季的潜热通量从2000年以后显著增强。(2)春季感热通量主要存在3种模态空间型,表现为东西反向、全区一致和"-+"偶极子分布;夏季感热通量主要存在2种模态空间型,表现为空间分布一致型。相应的时间系数表征了夏季感热通量显著的年代际变化特征。春季潜热通量存在3种模态空间型,主要表现为全区一致、东西反向和由中心向外递减分布;夏季潜热通量主要存在2种模态空间型,主要表现为全区一致型和由西北向东南呈梯形逐步增强的趋势。相应的时间系数表征了潜热通量显著的年际和年代际变化特征。(3)春夏季感热通量主要有3 a左右的年际变化和10 a以上的年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。春夏季潜热通量主要存在10 a以上的年代际变化特征。     

夏季青藏高原和热带印度洋热力异常对塔里木盆地夏季降水的影响

基于1979～2017年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）全球大气数值预报再分析资料ERA-Interim提供的地表潜热及大气环流再分析资料和英国Hadley气候预测和研究中心提供的全球逐月海表温度格点资料以及新疆气象信息中心提供的塔里木盆地26个站逐月降水资料,研究了夏季青藏高原和热带印度洋热力异常对塔里木盆地夏季降水的影响。结果表明:高原北部潜热偏强（弱）和热带印度洋海温偏暖（冷）时,200 hPa纬向风表现为“北负（正）南正（负）”的特征,中亚和贝加尔湖上空分别为异常气旋（反气旋）和异常反气旋（气旋）,在二者共同作用下,塔里木盆地上空盛行偏南（北）风,印度半岛上空为异常反气旋（气旋）,有利（不利）于将低纬度水汽向北输送,配合中亚上空的异常气旋（反气旋）,有利（不利）于水汽进入新疆地区,对应塔里木盆地夏季降水偏多（少）。同时发现塔里木盆地夏季降水与中亚对流层中高层的温度异常（MUTTI）表现为显著的负相关关系,同时MUTTI与高原潜热和印度洋海温的负相关关系显著,夏季高原潜热偏强（弱）时,高原季风偏强（弱）,印度洋海温偏暖（冷）,南亚季风偏弱（强）,在二者共同作用下中亚对流层关键区中高层温度偏低（高）,其通过影响200 hPa纬向风、500 hPa环流和整层水汽输送进一步影响塔里木盆地夏季降水。     

感热变化对东亚地区大气边界层高度的影响

利用1979-2009年NCEP/CFSR全球大气边界层高度(PBLH)、感热通量月平均资料,运用多种统计方法,探讨了东亚地区大气边界层高度和感热通量的变化特征,并研究了两个要素场之间的相互关系。结果表明:夏季大气边界层高度东部增高、西部降低,而冬季则与夏季相反。夏季青藏高原地区感热有减少的趋势,其余地区以增加为主;冬季东部地区及新疆西部感热减少,其余地区感热增加。夏季奇异值分析第一模态表明青藏高原地区的感热通量减少时,相应地区的PBLH降低;内蒙古东部和东北地区的感热增加时,相应地区的PBLH增加。该空间型在一定程度上反映了青藏高原、内蒙古东部及东北地区,PBLH变化主要受地表加热影响,且年代际变化显著。夏季奇异值分析第二模态表明当青藏高原南侧、华北的感热增加(减少)时,相应地区的PBLH升高(降低),该空间型年际变化较显著,一定程度上反映了大气边界层高度及感热在高原主体及其南侧分布的差异。冬季奇异值分析第一模态主要表现为在我国东西部反相变化的分布;冬季奇异值分析第二模态表现为华北和华东地区与其余地区反相相关的分布。冬季两个空间型均具有一定的年代际变化特征。在青藏高原及其南侧和西北干旱半干旱区部分地区,PBLH变化主要受地表加热的影响,而在东部季风区,感热变化仅是影响PBLH变化的因素之一。     

东亚夏季200hPa西风急流时空分布特征与我国夏季降水关系的初步分析

利用1961-2000年NCEP/NCAR再分析资料和全国各测站逐日夏季降水资料,分析了200 hPa西风急流的时空分布特征及其与我国夏季降水之间的关系.分析结果表明:①EOF展开的第一个模态所揭示的时空分布特征反映了北半球副热带西风急流围绕着夏季平均急流轴的南北变动,其对应的时间系数主要表现出西风急流围绕着夏季平均急流轴的南北变动存在着年际变化;在EOF分析的第二模态的空间分布图中,在60-150°E范围内西北-东南向呈现出Rossby波列分布,且有明显的线性增加趋势;在EOF分析的第三模态的空间分布图中,主要反映的是大气长波波状传播的特性.②东亚夏季西风急流位置的南北变动对我国夏季旱涝具有重要影响:夏季西风急流异常偏北时,我国长江中下游夏季降水异常偏少,河套、华北地区夏季降水异常偏多;夏季西风急流异常偏南时,我国长江中下游夏季降水异常偏多,河套、华北地区夏季降水异常偏少.     

北太平洋涛动区500 hPa高度场季节变化特征及其对中国东北区降水的影响

利用国家气候中心1960~2000年500 hPa高度场10°×5°经纬度月平均资料，采用EOF、SVD方法，分析了北太平洋涛动区（25°~70°N，140°E~150°W）500 hPa高度场季节变化特征和中国东北区80个测站降水场相关。结果表明:（1）北太平洋涛动区500 hPa高度场冬季EOF第1载荷向量场呈由北向南的“-，+”波列分布，这种北南分布相反型，占总体方差贡献的40%，可以表现为北低南高，类似地面气压场涛动 (NPO) 的正位相阶段，反映了40年北太平洋中高纬度上空以东亚大槽为定常波的大气环流基本模态，亦是NPO呈正位相阶段的主要成因，反之，类似地面气压场涛动（NPO）的负位相阶段，第2载荷向量场呈整体“+”值分布，占方差贡献28%，该模态则表现为东亚大槽被长波脊替代的与气候基本模态呈相反分布的异常环流型；夏季第1载荷向量场基本模态则为全区的正值分布，占总体方差贡献的30%，第3载荷向量呈北“+”南“-”的分布，占方差贡献的13%，表明夏季500 hPa高度场NPO不是主要模态；春秋两季均呈现出较为明显的NPO模态；（2）北太平洋涛动区500 hPa高度冬季平均场与东北区夏季降水场呈由北向南的“+，-”相关波列，存在显著的相关性（α＞0.01）, 第1对SVD奇异向量占总方差贡献的49%，当NPO区前冬500 hPa高度场呈负位相阶段时，东北区夏季降水偏多，反之，东北区夏季干旱少雨，其它季节亦有类似隔季相关关系。     

秦岭及周边地区夏季降水的主模态分析

基于秦岭及周边地区394站气象观测资料、欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析ERA-Interim数据,利用小波和回归等分析方法,讨论了秦岭及周边地区夏季降水年际变化的主模态以及与其相联系的大气环流异常。结果表明:1)在年际变化的时间尺度上,秦岭及周边地区夏季降水主要表现为秦岭南北降水的气候差异性变化(EOF1)、黄土高原第二地形抬升带与其两侧降水的反位相振荡(EOF2)、秦岭西南部降水正异常和其东北部降水负异常变化(EOF3)和关中平原的地形降水贡献(EOF4)4个模态,其解释方差总贡献为73%,并且具有显著的2~4 a周期,其中EOF3和EOF4还具有4~8 a左右的年际变化周期。2)回归分析表明,EOF1正位相环流特征表现为200 hPa急流偏弱,中纬度槽填塞,西太平洋副热带高压强度偏弱,有来源于东海的水汽输送,使得秦岭北部降水偏多;EOF2和EOF3分别具有显著的蒙古低压和东北冷涡环流特征;EOF4的500 hPa环流异常不显著。3)根据新定义的秦岭季风指数回归分析表明,回归场的季风指数和降水模态的时间系数显著相关,秦岭北部降水偏多(少),南部降水偏少(多),反映了强(弱)季风年的年际转换。反之则具有多态性,不同年份强(弱)秦岭回归季风指数的环流形势存在较大的差异,可能触发多种降水模态和位相振荡。     

动能空间尺度分解及其在高原切变线的分析应用

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大体与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小。在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能变化影响明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,构成动能的降尺度串级,这种能量串级转换有利于中尺度的高原切变线生成。     

基于对流尺度集合预报的飑线结构特征模拟与改善

对流尺度集合预报是研究飑线等强对流天气的新方向。当前对飑线系统结构的研究主要采用卫星和雷达资料结合高分辨率确定性预报的方法,而本文从集合预报技术的角度分析飑线结构特征。针对2014年7月30日中国江淮地区的一次强飑线过程,利用WRF模式开展了对流尺度集合预报试验,采用概率匹配平均法对集合预报结果进行综合处理,重点考察集合预报对飑线结构特征的模拟能力。结果表明:对流尺度集合预报能够模拟出飑线系统的基本结构特征。集合平均和概率匹配平均法相比控制预报而言,对飑线回波、热力场、动力场和微物理量场结构有明显的改善作用。同时模拟出了飑线系统近地面冷池和环境垂直风切变的相互作用,与RKW理论相一致。概率匹配平均法在回波强度上较集合平均更接近实况,应用于对流尺度集合预报研究极端天气事件具有指示意义。     

两种确定性初值形成方案对集合预报技巧的影响研究

为了进一步提高GRAPES-REPS的降水预报性能,将GRAPES-Meso业务模式的高分辨率同化分析初值通过动力升尺度方法(简称GRAPES-M-US方案)产生GRAPES-REPS确定性初值,在此基础上进行了连续10 d的集合预报试验,并与基于T639全球模式同化分析初值动力降尺度方案(简称T639-G-DS方案)得到的确定性初值以及相应的集合预报结果进行了对比分析及预报检验,重点关注了降水预报的检验结果。结果表明:基于GRAPES-M-US方案得到的确定性初值相对于T639-G-DS方案得到的确定性初值而言,在低层具备更多的中小尺度信息;低层连续性变量预报表现较好,850 hPa的位势高度和温度的均方根误差以及概率预报评分(CRPS)均表现出了一定的改进效果,而中层和高层要素改进不显著,10 m风速均方根误差和CRPS均有较明显的改进效果,2 m温度均方根误差和CRPS则基本相当;对降水预报而言,24 h预报时效的小雨、中雨和大雨量级的TS评分、Brier评分和相对作用特征面积(AROC)均有一定的改进,其余预报时效总体而言基本相当或略有负效果;在2017年8月7日的强降水个例中,对强降水落区和强度的预报表现出了一定的"细化"和"纠偏"效果;总体而言,GRAPES-M-US方案较T639-G-DS方案表现出了一定的优势,特别是在短期降水预报方面。     

X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法

利用双偏振参量在弱降水过程中性质均一、随时空变化缓慢的特征,选取北京、佛山地区弱降水过程的观测资料,通过将较长时间观测结果沿径向或方位累积的方法,分析双偏振参量测量精确度受地物、避雷针、旋转及俯仰关节的影响,并提出相应的质控方法,得出以下结论:(1)差分反射率(ZDR)、相关系数(ρhv)及差分传播相位(ΦDP)比水平反射率(Z)对地物更敏感,其中在地物处ρhv小于0.85,ZDR低于-1 dB。根据降雨与地物之间偏振参量特征的不同,将ρhv长时间累积能有效的识别地物回波。(2)每根避雷针对双偏振参量影响的方位和幅值是近似一致的。在以避雷针为中心的±15°的方位范围内,ZDR增大0.4~1.5 dB,ρhv降低0.01以下、Z降低1~2 dBZ,且均在避雷针中心处影响达到极值。通过基于上述方位的统计订正可以较好的去除避雷针对双偏振参量的影响。(3)雷达旋转关节的异常会导致ZDR在水平方向上不平稳变化,而俯仰关节异常会使ZDR在高、低仰角差距较大,通过ZDR沿方位一段时间的累积得到各层仰角ZDR变化曲线,用此曲线来实现ZDR的误差标定。通过检验,本文提出的质量控制方法有效的提升了X波段双偏振雷达的数据质量,为其在业务中的进一步推广提供了支持。     

城市水文过程对气象环境影响的模拟分析

采用引入城市水文过程的WRF/SLUCM方案,以北京2010年7月4—6日高温热浪天气为背景,模拟了绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程对城市气象环境的影响。结果表明:(1)绿地灌溉、绿洲效应和人为潜热等水文过程可导致北京城区13 ∶00(7月4—6日小时平均,下同)潜热通量升高最多约100 W·m^-2 ,02 ∶00升高最多约15 W·m^-2;感热通量13 ∶00降低最多约80 W·m ^-2;02 ∶00降低最多约5 W·m^-2 。(2)城市水文过程可导致城区13 ∶00相对湿度增加最多约4%,02 ∶00约6%;地表气温13 ∶00降低最多约1.2 ℃,02 ∶00约0.4 ℃。(3)城市水文过程对北京城市热岛强度的减弱效果白天明显好于夜间,且在10 ∶00—14 ∶00出现了强度约0.8 ℃的冷岛效应。(4)水文过程会导致北京城区500 m高度以下白天大气温度最多降低0.5 ℃,相对湿度最多增加3%,但夜间影响较小。由于热对流运动的减弱,城区边界层高度降低约200 m;城区1 km高度以上水平风速增大,低层风速减小。     

阿拉善盟一次雾天气特征分析

文章利用常规气象观测资料,对2014年9月11日内蒙古阿拉善盟巴彦浩特出现的一次雾天气过程进行分析。结果表明:500hPa短波槽、700hPa切变线、地面冷高压、高压前部弱冷锋是此次雾形成的关键系统。雾的生消及强度变化与大气低层相对湿度、风向风速、降水等密切相关,且能见度与降水强度、风速成明显的正相关,但变化慢于降水及风速强度变化。     

黄河源区多、少雪年土壤冻融特征分析

利用2011年10月至2017年12月黄河源区鄂陵湖野外观测数据,对比分析多雪年与少雪年土壤冻结与消融时间、土壤温湿度、地表能量分量的变化特征。结果表明:多雪年地表反照率偏高,净辐射偏低,地表感热输送偏低,土壤由热“源”转为热“汇”的时间晚于少雪年。积雪可减少土壤吸收辐射能量,减少地表感热通量,在土壤完全冻结期与消融期增大地表潜热通量,在完全冻结期,减少土壤向大气的热输送,在消融期,减少大气向土壤的热输送。积雪在冻结期有降温作用,使得多雪年土壤较早发生冻结,且同一时期土壤温度偏低;在完全冻结期有保温作用,使得土壤温度偏高;在消融期有保温(“凉”)作用,使得消融较晚,且同一时期土壤温度偏低。在整个积雪年内,多雪年浅层土壤湿度高于少雪年,积雪对浅层土壤有保湿作用。积雪使土壤开始冻结时间有所提前,开始消融的时间有所滞后,可延长该年土壤完全冻结持续天数。     

龙滩库区2017年4月20-21日降水过程人工增雨条件分析

利用Micaps常规资料、欧洲再分析资料及地面自动气象观测站数据,分析2017年4月20～21日河池市天峨县龙滩库区降水过程的人工增雨作业实施条件。结果表明:春季,当有南支槽、切变线及地面冷空气等系统配合时,能够为降雨提供充足的水汽及较好的动力抬升条件;作业点上空大气层结不稳定,中低层水汽含量丰富,利于对流云团发展和维持;云系垂直累积液态水含量在0.1mm以上,云顶温度在-45℃～-25℃之间,具备冷云增雨条件,实施增雨作业是合理的。     

2017年湖南一次特大致洪暴雨过程的水汽特征

利用湖南省区域自动站和常规观测站降水资料、NCEP/NCAR和JRA-55再分析资料及湖南省气象台大气河预报业务产品,分析了2017年6月22日至7月2日湖南一次特大致洪暴雨过程的雨洪和水汽输送异常特征,以及大气河水汽输送对强降雨的影响,在此基础上定量分析了强降雨区各边界的水汽收支状况及各水汽轨迹的贡献。结果表明:此次强降水过程分为三个阶段,第一、第三阶段降雨的范围、强度均明显大于第二阶段。欧亚中高纬稳定的"1槽1脊"环流形势、低纬较稳定的西太副高及其外围强劲的水汽输送是此次暴雨发生的环流背景。水汽通量、水汽通量散度、比湿等物理量的水平及垂直分布对降水的阶段性特征和位置、强度变化有很好的指示作用。三个强降雨时段,来自孟加拉湾、南海和西太副高西南侧的水汽输送表现出不同的强度和位置,造成到达湖南境内的偏南水汽输送空间异常程度不同。大气河的强弱及其水汽输送通道、辐合区位置以及强降雨区各边界水汽净收入对强降水发生、发展起关键作用。水汽后向轨迹分析表明,低层偏南的水汽输送是此次极端强降雨较长时间维持的重要因素,而来自北方的干冷空气侵入利于大气斜压性增强和对流不稳定维持,是第二阶段降水强度弱于第一、第三阶段的另一原因。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。