山西上空水汽输送和水分循环研究

利用山西省周边共8个探空站的实测资料,计算了山西省上空1959年～1992年的水汽含量和1990年的水汽收支与水汽输送通量,包括总输送、切变输送、时间涡动输送、平均输送等分量。在此基础上建立了山西省水分循环和水量平衡模型。结果表明,山西上空水汽含量年内干湿变化大于全国平均情况,多年变化存在一定的丰枯阶段性;年水汽净输入量约690亿m3,主要从西边界和南边界输入,从东边界输出,涡动输送量是主要输入机制,平均输送是主要输出机制,受强西风环流控制;山西的自然地理条件使其对大气水资源的利用率为30%,低于全国平均利用率;山西水分内循环较全国平均情况强盛,由于水分内循环的作用,可使当地蒸发形成的降水量占全年总降水量的15%;地下水开采已对大气水分循环要素产生影响,进而可能对山西省自然环境的变化产生负效应。这些事实增进了对山西省水资源的水文和水文气候学背景的认识。     

长江流域旱涝典型年大气水汽输送

利用我国125个探空站一日两次自地面至100hpa共11个层次上的观测资料,对长江流域典型夏涝年(1980年)和夏旱年(1985年)我国大气中水汽总输送场、涡动输送场及散度场进行了计算分析。结果表明:当水汽总输送场从西北、西南和东南三支气流携带的水汽交汇于长江流域,且整个水汽输送场稳定持久,则在水汽辐合带附近导致大量降水,形成洪涝;反之,当三支气流微弱不稳定,不能形成水汽辐合带条件,则形成干旱。涡动输送亦反映出类似的特征。稳定且强盛的西南气流水汽输送是形成降水的主要条件和原因。     

祁连山地区大气水循环研究(Ⅰ):空中水汽输送年际变化分析

通过与探空站资料比较,在分析NCEP I、NCEP II和ECMWF再分析资料整层相对湿度变化趋势和显著性水平的基础上,应用NCEP I再分析资料和1960-2010年气象台站观测资料,研究了祁连山地区过去51 a来空中水汽输送变化特征,分析了水汽输送发生变化的原因,并探讨了该地区夏季降水与东亚季风、南亚季风、南海季风、西风带和副热带高压等季风指数之间的关系.结果表明:祁连山地区的空中整层水汽含量在1960年代下降趋势明显,之后近40多年基本保持稳定,总体表现为下降趋势.水汽净收支整体表现为明显的下降趋势,说明过境水汽留在祁连山地区的数量在减少.其中,经向水汽整体表现为北风输送,为"+"值,对水汽净收支的贡献为"正",呈下降趋势;纬向水汽整体表现为西风输送,为"-"值,说明对水汽净收支的贡献为"负",表现出的下降趋势说明纬向流失的水汽在减少.进一步分析显示,祁连山地区水汽净收支减少的直接原因是由风速减小导致流入本区域的水汽输送量减少引起的.地表到300 hPa平均风速显示,纬向风速率1990年代比1960年代减小了13.2%,经向风速率1990年代比1960年代减小了10.5%.夏季降水量与各季风指数的相关性表明,祁连山西部、中部和东部降水均未与各季风指数有较好的相关关系,该地区特殊的地形作用和环流条件及该研究关注的季节和时间尺度是产生这一结论的主要原因.     

区域西风指数对西北地区水汽输送及收支的指示性

利用1951-1999年NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)再分析逐月资料,分析了我国西北地区的水汽输送和收支的平均状况.结果表明: 我国西北地区的水汽输送主要集中在夏季,西风气流是西北地区水汽输送的主要载体,大西洋、北冰洋、黑海和里海是西北地区水汽输送的主要源地;西风气流输入到西北地区的大部分水汽继续向东扩散,最后从东边界输出.选择夏季,根据设计的区域西风指数研究了区域西风指数对西北地区水汽输送以及收支的指示性,经检验,区域西风指数对西北地区的水汽输送和收支有良好的指示性,夏季区域西风指数异常强(弱)年份西风气流输入西北地区的水汽量大(小),同时水汽净收支大(小),有(不)利于降水的形成.     

中国西北地区水汽的平流输送和辐合输送

分析了中国西北地区上空的水汽汇聚过程———平流输送与辐合输送,为西北地区降水过程数值模拟的参数化提供依据.分析表明:中国西北大部分地区为负的水汽平流输送,从上风方向得到的水汽输入小于水汽输出,是水汽的净流失区;中国西北地区中部为大范围负的水汽辐合输送,当地的水汽由风场向外扩散,加剧了当地的水分流失,是水汽扩散区;在水汽净输送的年际变化中,中国西北地区小于华北地区,平流输送呈上升趋势,辐合输送下降,平流的相对贡献在增加;在与大气环流系统的关系中,中国西北地区水汽的平流输送主要受西风带影响,辐合输送与南亚夏季风有显著相关.变化趋势表明西风的作用在加强.     

1980-2009年西藏地区水汽输送的气候特征

利用1980-2009年NCEP/NCAR月平均再分析格点资料, 分析了近30 a来西藏地区水汽输送的气候特征. 结果表明: 1)西边界和南边界为水汽流入边界, 北边界和东边界为水汽流出边界; 夏季水汽总输入量最大, 冬季最小且季节差异显著; 春季水汽总输出量最大, 冬季最小且季节差异不明显; 春、 冬季为净水汽支出, 夏、 秋季为净水汽收入; 2)无论是年还是不同季节平均, 近30 a来西边界水汽输入量、 北边界水汽输出量基本呈现增加趋势或弱的减少趋势, 东边界水汽输出量、 南边界水汽输入量基本呈现减少趋势; 总水汽输入、 输出量均呈现减少趋势; 年、 夏季、 秋季净收入量呈现减少趋势, 春季、 冬季净支出量呈现增加趋势; 3)西藏地区冬、 春、 秋季的水汽主要来自中纬度西风带水汽输送, 夏季水汽主要来自阿拉伯海、 孟加拉湾、 南海和西太平洋地区, 夏季南边界的水汽输送状况对西藏地区降水起着决定性作用.     

河南中南部持续性暴雨水汽输送特征分型

通过分析1961~2010年发生在河南中南部持续性暴雨的水汽输送特征,从水汽输送角度对河南省中南部(河南省黄河以南地区)的持续性暴雨进行分型,总结出3种水汽输送类型,即西南气流型、螺旋型和"S"型。对比分析这3种类型代表个例的水汽输送和水汽收支特征后发现,河南中南部的持续性暴雨主要是由西南气流型的水汽输送造成的;"S"型和螺旋型水汽输送也是造成河南中南部持续性暴雨的原因之一。西南气流型和螺旋型的水汽输送是造成淮河上游洪涝的主要水汽输送类型,其对应的天气影响系统分别是:高层低槽(低涡)、中低层切变线和台风低压(台风倒槽)。     

2017年金华地区大气降水的水汽输送特征

利用2017年1～12月当地降水资料和同期全球再分析资料,引入HYSPLIT和GrADS气象模型,定量分析金华地区大气降水的水汽输送特征。结果表明:(1)研究区逐月场降水的水汽来源、运移路径存在差异。逐月水汽变化过程与冬、夏季风具有密切的联系。其中,4～5月水汽输送呈现为冬、夏季风之间的转换特征;9～10月为夏、冬季风转型时期。(2)研究区水汽输送通道大致可分为四条:西太平洋、孟加拉湾-南海、欧亚大陆和局地水汽通道;另外,研究区不同高度层的水汽在冬、夏半年的水汽输送通道和贡献率不同。     

祁连山-黑河流域水循环中的大气过程

利用气象台站探空资料、地面观测资料和NCEP/NCAR再分析气候资料,分析了祁连山-黑河流域水循环中的大气过程,结果表明:受西风带波动影响的水汽来源贫乏是此区大气水汽含量少的原因之一;水汽输送通量辐散是此区大气水汽含量少的原因之二;就年平均而言,祁连山-黑河流域大气水汽含量仅为高湿的江南地区的20%,为半干旱区的华北中部的约40%;高海拔的祁连山区因降水效率高,地面蒸发量小,地表水物质易于聚积形成径流;黑河流域因降水效率低,降水量值与地面蒸发量值相当,对地表水的贡献很小。在祁连山黑河流域25°×25°区域上空,大气年输入水量为6678亿m3,输出为6502亿m3,净输入水量为176亿m3;输入水汽呈逐年减少的趋势。20世纪70～80年代有明显的下降,近40年来祁连山黑河流域的气温在升高,大气中的水汽含量在减少,降水量的减少将难以避免。     

1948-2009年塔里木盆地空中水汽输送时空分布特征

利用1948-2009年美国NCEP/NCAR的逐月再分析资料(2.5°×2.5°),分析了塔里木地区大气中不同层次水平和垂直方向的水汽输入、输出和收支情况及其变化趋势.结果表明:1)塔里木盆地上空水平方向为水汽汇,且纬向贡献大于经向,垂直方向水汽主要由下层向中上层输送;2)水汽的水平和垂直净收支均具有季节性变化,且夏季辐合为主,冬季辐散为主;3)水汽的水平和垂直输送都表现为较一致的年际变化,且均在1970年代中后期出现了较明显的年代际突变;4)在1978年到2003年全球变暖明显的时段内,水平方向水汽净输入量呈减少趋势,垂直方向呈增加趋势.可以认为,在气候变化背景下,全球变暖加速了水循环,但同时改变了纬向的热力差异,导致塔里木盆地局地水循环的加速,以及经向水汽净输入量的减少.     

Moisture sources of a torrential rainfall event in the arid region of East Xinjiang,China, based on a Lagrangian model

Moisture sources and transport paths for precipitation are of primary importance for forecasts and early warning, but are rarely studied in the arid region of China. Our study employed the hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory (HYSPLIT) model to investigate and quantify the moisture sources which contributed to a torrential rainfall event on 15–18 July 2007 in the arid Xinjiang region in China. Based on the distribution of torrential rains, the target study region was selected at East Xinjiang (35°N–45°N, 80°E–95°E). The results indicate that moisture sources originating from the south, west, and north branches, and moisture sources in the Atlantic Oceans and Central Asia regions contributed to the East Xinjiang rain event by 37 and 44%, respectively. Our findings match those from diagnostic results of an Eulerian framework model, but the HYSPLIT model provided better quantitative and objective results.     

西风带与季风对中国西北地区的水汽输送

利用美国国家环境保护委员会/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析气候资料,分析了西风带与季风对我国西北地区水汽输送的作用。分析表明,大气水汽输送在西北地区的3个分区特征非常明显:高原切变线以南,主要是来自西南季风的水汽输送;高原切变线以北,主要是来自西风带的水汽输送;高原切变线向东北方向的延长部位是一鞍型区,为西风带与西南季风的共同影响区。青藏高原东部的西南季风气流有绕行和向北翻越青藏高原的水汽输送;而在青藏高原中西部地区,主要是由青藏高原周边向主体的水汽输送,没有明显的翻越青藏高原的水汽输送。在青藏高原以北的大部分地区以对流层中层的水汽输送为主;在青藏高原南部以低层水汽输送为主。在青藏高原以北的大部分地区,水汽输送为辐散,即输入的水汽又被扩散出去了;在青藏高原主体和我国西北地区东部为水汽输送的辐合区。西风带的水汽输送为我国西北大部分地区提供了基本的水汽来源,西风变化对其水汽输送通量散度年际变化有直接的作用;南亚夏季风通过西南季风气流水汽输送直接影响我国西北地区南部和东部,并且,其变化通过环流结构调整影响西风带的波动,进而影响西风带对西北地区的水汽输送。     

Moisture rainout fraction over the Indian Ocean during austral summer based on $$^{18}\hbox {O}/{}^{16}\hbox {O}$$ ratios of surface seawater,rainwater at latitude range of 10°N–60°S

Oxygen isotope ratios (\(^{18}\hbox {O}/^{16}\hbox {O}\)) of surface seawater and rainwater samples from the Indian Ocean region (10°N–60°S) during austral summer collected onboard ORV Sagar Nidhi during 2011–2013 have been measured along with salinity, sea surface temperature and relative humidity. The rainwater is isotopically lighter (by \(4.6\pm 2.7\permille )\) compared to the equilibrium condensation of the vapour arising from the seawater at the ambient condition. The isotopic composition of the vapour at high altitude responsible for the rain formation at the sampling location is estimated from a global atmospheric water isotope model (IsoGSM2). The apparent deficit of \(\sim \)5\(\permille \) can be explained by invoking a high degree of rainout (on average, about 70% of the overhead atmospheric moisture) during transport of the source vapour to the sampling location undergoing a Rayleigh fractionation. The required rainout fraction is higher (\(\sim \)80%) in the latitude belt 40°–60°S compared to the equatorial belt (\(\sim \)60%). The pattern of variation in the rainout fraction with latitude is consistent with the well-known evaporation/precipitation processes in the Indian Ocean.     

Seasonal evolution of the isotopic composition of atmospheric water vapour above a tropical lake: Deuterium excess and implication for water recycling

We present an analysis of the rainfall-evaporation-atmospheric moisture cycle in a semi-arid tropical zone (southwestern Madagascar) to quantify the recycling and mixing processes that occur above an endorheic lake system (Lake Ihotry) during an annual cycle. The study combines an isotope mass balance with a detailed field investigation of the lake system and a previously established daily time-step lake water balance model. The mass balance and Craig-Gordon equations are used to calculate the isotopic composition of the evaporative flux from the lake surface (δ_E) and to derive a daily time series of the ambient atmospheric water vapour composition above the lake (δ_AL) during a 8-month dry season. Calculated δ_AL results from a mixing between regional moisture (δ_AR) and locally evaporated water (δ_E), the latter representing 50% of δ_AL at the end of the dry season. The contribution of recycled moisture to on-lake precipitation during the wet season is estimated to ?16%. We show that, as expected, the deuterium excess is high in recycled precipitation and low in evaporated precipitation, but also that the recycled moisture in an endorheic system may have a low deuterium excess resulting from the low deuterium excess in regional precipitation. In case of a long evaporative season, the atmospheric moisture is not in isotopic equilibrium with the annual composition of precipitation because of the contribution of the recycled vapour to the local atmospheric pool. Our approach demonstrates the importance of water recycling on the atmospheric moisture cycle and precipitation in a tropical semi-arid system, and can be applied to other natural systems, enlarging the potential range of investigation of the atmospheric vapour cycle and rainfall sources in tropical lands. It may also represent a valuable complement to direct water vapour sampling, in yielding the long-term evolution of the atmospheric vapour composition with spatially averaged values and smoothed temporal variations.     

水汽输送对雅鲁藏布江流域降水中稳定同位素的影响

利用NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料和2005年西藏雅鲁藏布江流域4个站点（拉孜、奴各沙、羊村和奴下）降水中δ18O数据，分析了雅鲁藏布江流域降水中δ18O变化同水汽输送通量的关系。从空间上来看，雅鲁藏布江流域降水中δ18O同水汽输送通量呈明显的正相关，从下游至上游，随着水汽输送通量的减少，降水中的δ18O逐渐降低；从时间上来看，春季水汽通量较小，降水中的δ18O较高，而在夏季，水汽通量大，降水中的δ18O较低。在此基础上，又利用NCEP/NCAR气象数据建立水汽追踪模型，以羊村站为例对雅鲁藏布江流域降水的水汽输送过程进行了追踪模拟，并讨论了降水中δ18O变化同水汽源地以及输送过程的关系。结果发现，在季风降水之前的春季，降水中较高的δ18O主要受西风带水汽输送以及当地蒸发水汽的影响；在季风期间，降水中较低的δ18O主要受来自印度洋暖湿水汽输送的影响。      

内蒙古干旱半干旱带2012年“7·20”极端暴雨事件的特征及成因

2012年7月下旬, 处于内陆干旱-半干旱地带的内蒙古中-西部地区出现了有气象记录以来的极端降水事件, 使该区气象与气候预测面临新问题. 7月20日河套地区出现大范围暴雨天气, 其中两个台站日降水量超历史极值, 一个台站超历史阈值, 属极端天气事件. 利用常规及精细化监测资料和NCEP再分析资料对此次极端降水天气事件进行分析. 结果表明: 从天气背景看, 贝加尔湖低槽内冷空气侵入副高西侧的暖空气中, 在对流层低层激发出低涡系统, 低涡前侧的南风急流使南来水汽到达41°N以北, 并在河套地区聚集. 对流层低层水汽通量维持在8~10g·cm^-1·hPa^-1·s^-1, 大气比湿达12~17 g·kg^-1, 为极端降水事件提供了丰沛的水汽. 该事件是通过MCC强烈发展形成的, 河套西北部不断有中尺度对流系统MCS发展东移, 河套南部新生的β中尺度系统发展并入MCS中, MCS系统发展为中尺度对流复合体MCC, MCC中心的TBB值达-40~-83 ℃. 近地面雷达监测显示, 河套东北部、中部存在强雷达回波群, 回波群内对流单体中心的反射率因子均达到50~55 dbz, 构成超级对流单体. 地面上, 不断新生的中尺度辐合线长时间存在于河套东北部并促发对流性暴雨. 暴雨前期对流层低层增温作用显著, 中高层"干侵入"使大气不稳定能量进一步增加. 冷锋前暖空气强烈的上升运动促发了大气不稳定能量释放. 该事件很可能与当前全球变暖密切相关, 随着全球变暖, 北极冰量减少, 夏季风增强, 雨带北移, 使得中纬度内陆干旱-半干旱带发生前所未有的极端降水事件过程.     

Intensification of Aila (May 2009) due to a warm core eddy in the north Bay of Bengal

A very severe cyclonic storm ??Aila?? hit West Bengal on 26 May 2009. The storm intensified when it encountered with a warm core (SST?=?31°C) anti-cyclonic eddy (ACE4) in the north Bay of Bengal. The storm intensity increased by 43% due to this eddy, which is comparable with that (34%) obtained from a best fit line (derived from several numerical experiments over north-west Pacific Ocean). The shallow mixed layer of the large-scale ocean and deep mixed layer inside the eddy appear to be crucial parameters besides translation speed of the storm (Uh), ambient relative humidity and thermal stratification below mixed layer, in the storm intensification. From the eddy size and Uh, the eddy feedback factor is found to be about 0.4 (i.e. 40%), which is close to the above. Since there exists an inverse relationship between Uh and UOHC (upper ocean heat content), slow (fast) moving storms require high (low) UOHC. The warm ACE4 with a high UOHC of 149?kj/cm² (300% higher than the climatological value) and deep warm layer (D26?=?126?m) opposes the cooling induced by the storm and helps for the intensification of the storm through the supply of large enthalpy (latent?+?sensible) flux.