中国东部7类暴雨异常环流型

近年来的研究发现,瞬变扰动天气图上的扰动场天气系统对区域暴雨的落区指示能力强于传统天气图上的总场天气系统。为供预报员在业务预报中参考,本文划分1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨为7类扰动场天气系统。与区域暴雨相联系的7类异常环流型分别是:华南切变线、华南涡旋、华南倒槽、长江切变线与槽、沿江涡旋、华北涡旋和东北涡旋。无论是在对流层的垂直剖面上,还是在850 hPa水平分布上,扰动天气图上位势高度低值和风扰动辐合处并配合大的水汽扰动对应有区域暴雨,而传统天气图上的低值系统和高水汽区与暴雨之间存在位置上的偏移。由此建议,用实况大气变量和中期数值模式产品绘制扰动天气图有助于预报员确定区域暴雨落区。     

中亚低涡背景下南疆西部两次强冰雹环境场对比分析

利用常规资料、14:00加密探空、NCEP1°×1°再分析资料,对比分析2013年6月18日和2014年6月23日南疆西部两次强冰雹环境场及物理机制,表明两次冰雹环境场有相同之处:在环流经向度较大的中亚低涡背景下,前期有明显降水,傍晚前后由中亚低涡后部西北气流下产生,高空干冷平流、低层暖湿环境、较大的垂直温度递减率及低层辐合线或切变线为冰雹天气提供了强不稳定层结和动力触发条件,为冷平流强迫类型。但两次冰雹中亚低涡位置、强度、物理机制变化等有所不同:"6·18"中亚低涡压至南疆西部,低涡强,西北风大,而"6·23"中亚低涡在巴尔喀什湖附近,位置偏北,低涡较弱,西北风较小;"6·18"偏西北气流、风(垂直)切变、强回波伸展高度、层结不稳定、水汽及动力等变化均较"6·23"明显偏强;"6·18"的0℃层和-20℃层的高度均比"6·23"的低300~400 m;"6·18"低层南疆盆地偏东风日变化明显,即傍晚到夜间增强,山前东西风辐合促使上升运动发展,并有明显的中尺度垂直环流圈,而"6·23"低层为西北风风速辐合及与偏东风的切变。     

华南暖区暴雨研究进展

华南前汛期暴雨预报一直是我国大气科学界的一个研究热点,特别是发生在锋前的暖区暴雨,由于其天气尺度斜压性强迫不明显,环境大气水汽含量丰富,热动力不稳定性强,边界层触发机制复杂,以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用,导致暴雨突发性强,地域性特征显著,也是困扰预报业务人员的难点问题。目前我国预报业务中使用的全球数值预报模式对暖区暴雨的预报能力十分有限,高分辨率中尺度数值模式的预报效果也不尽人意。该文回顾了近40年华南前汛期暴雨大部分研究成果,针对华南暖区暴雨的提出及典型背景场、暖区暴雨与低空急流的关系、暖区中尺度对流系统的形成及传播、暖区暴雨触发机制等独特的天气动力学特征进行了系统梳理与分析,并依据前人研究成果及中央气象台预报实践经验,总结提炼了3类华南暖区暴雨类型——边界层辐合线型、偏南风风速辐合型,以及强西南急流型的天气系统配置及触发因子。最后提出针对华南暖区暴雨需要进一步研究的科学问题。     

论Rossby波在东、西风带中传播与频散Ⅱ——球面Rossby波方程与诊断分析

从球坐标(Spherical coordinate)非地转、正压水平无辐散大气运动微扰方程出发,推导出球面Rossby波方程,证明球面Rossby波的物理机制仍然是绝对涡度守恒与卢效应,但基本气流以涡度形式参与了卢效应。因球面Rossby波偏微分方程不存在经向-纬向传播的"双向简谐波(传统Rossby波)"解,则将它做经向-纬向求导分离,从而得到关于球面经向风扰动的二阶偏微分方程及与之相应的仅作纬向传播的简谐波解,但待解的二阶偏微分方程不归于数理方程中的任何特殊函数,即证明不存在以连带Legendre函数为通解的Haurwitz波。采用传统Rossby波两个通解,当作球面Rossby波两类特解,做诊断分析表明,传统Rossby波正确反映球面Rossby波的(β-平面近似)"线性部分",但球面Rossby波及其纬向波速和群速都带有地球曲率性,并且存在奇点,其中,球面谐波扰动Rossby波仍然保持槽与脊纬向对称性,但"正弦扰动"与"余弦扰动"Rossby波有一定差别,而球面指数扰动Rossby波槽与脊不具备纬向对称性,后者可以解释东、西风带槽与脊一般为纬向非对称,还可以解释台风的纬向非对称结构。     

慢特征分析法在气象上的应用进展

气候系统具有非平稳特征,根本原因在于其外强迫随时间发生改变,因此外部驱动力的分析对于理解气候系统的动力学特征至关重要,而如何有效提取系统外部驱动信息是一个亟待解决的前沿科学问题。最近几年,在生物神经学领域中应用的一种提取非平稳信号中外强迫信息的方法——慢特征分析法(Slow Feature Analysis,SFA),在气象领域中也得到了初步成功的尝试,结果显示出此方法对气候系统的外强迫信息分析及有关动力学机制的探究有较好的应用前景。本文主要介绍SFA方法的理论思想及实施步骤,并通过一个理想的非平稳时间序列检验其提取外强迫信息的能力,结果证明在衰减的Logistic模型中,可利用SFA算法提取出模型中的外强迫,且与真实外强迫的相关系数可达0.99;此外,还介绍将该方法应用于Arosa臭氧时间序列,分析其提取的外强迫信息的动力学特征;并介绍了在气候时间序列建模中引入外强迫因子的预测效果。     

鄂东北地区两次大暴雨过程中尺度对流系统特征分析

利用快速同化系统LAPS资料,结合卫星、雷达、GPS和地面逐小时加密观测资料,对比分析了2012年7月12—13日鄂东北地区连续两次大暴雨过程的中尺度对流系统特征。结果表明:鄂东北地区两次大暴雨过程发生的强迫机制明显不同,分别为热力因子主导的暖平流强迫和动力因子主导的锋生强迫。在两种不同动力机制条件下,第一次大暴雨过程对流云团呈不对称分布,强回波伸展高度较高,强降水主要位于黑体亮温(Temperature of Black Body,TBB)梯度大值区,产生的降水强度较大,并伴有强雷电活动;第二次大暴雨过程对流云团呈对称分布,强回波伸展高度较低,强降水主要位于TBB大值中心,表现为明显的暖云降水。但在两种动力机制下,两次大暴雨过程均形成了长时间的降水,一方面由于边界层冷池的冷出流与南风入流在对流系统后侧交汇,形成后向传播,强降水单体传播和移动相互抵消,从而使对流系统稳定维持;另一方面由于对流系统移动方向与引导气流方向一致,强降水单体依次经过同一地点,产生较大的累积降水。     

重力场对飞行器制导的影响及海洋重力测线布设

重点围绕远程飞行器飞行轨道控制保障需求,开展了空中扰动引力计算和地面重力异常测量精度指标及海洋重力测量测线布设方案的分析与论证。首先通过解析和简化飞行器导航误差解表达式,定量估计了地球重力场对远程飞行器飞行轨迹的影响,并以一定量值的落点偏差为限定指标,研究论证了空中扰动引力的计算精度要求。在此基础上,通过对地面重力异常截断误差及数据传播误差的估计和分析,研究确定了地面/海面网格平均重力异常的观测分辨率和计算精度指标。以此为依据,提出了相对应的海洋重力测量测线布设方案,并通过数值计算验证了所提方案的合理性和有效性。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-I.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为：纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素（有效波高）和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

全日潮海域风暴潮增水中全日扰动和半日扰动分析

风暴潮增水是风暴潮与天文潮相互作用理论研究的基本内容,也是风暴潮预报中的重要问题。最大余水位的产生机制对于提高预报精度及海岸带防护有着重要意义。为研究全日潮海域风暴潮增水中的全日扰动和半日扰动,对Horsburgh与Wilson的风暴潮余水位模型进行了改进和扩展,建立了包括多个分潮的余水位分解方法并将其应用于防城港站,对台风"启德"和"山神"影响下的潮位过程进行了分析。结果显示,建立的余水位的分解方法对于全日分潮和半日分潮有良好的适用性。由于高频分潮产生机制的复杂性,该方法对高频分潮应用尚需进一步研究。在全日潮的防城港海域,全日扰动与半日扰动具有相同的量级,二者的和约占总增水的15%~19%。台风过程不同,相位变化项和局地变化项对增水的贡献有较大差异。     

IPCC AR6报告解读：地球能量收支、气候反馈和气候敏感度

文中对IPCC第六次评估报告（AR6）第一工作组（WGI）报告的第七章关于地球能量收支、气候反馈和气候敏感度中的重要内容进行了凝练,并简要总结该方面的最新研究成果和结论。评估显示,自工业革命以来,人类活动造成的有效辐射强迫（ERF）为2.72 [1.96~3.48] W/m²,其中,均匀混合温室气体的贡献为3.32 [3.03~3.61] W/m²,气溶胶的贡献为-1.1 [-1.7~-0.4] W/m²。净的气候反馈参数为-1.16 [-1.81~-0.51] W/(m²∙℃),云仍然是气候反馈整体不确定性的最大来源。平衡态气候敏感度（ECS）和瞬态气候响应（TCR）可用于评估全球平均地表气温对强迫的响应,是衡量全球气候响应的有效手段。ECS和TCR的最佳估计分别为3.0 [2.0~5.0]℃和1.8 [1.2~2.4]℃。