A new method to compare hourly rainfall between station observations and satellite products over central-eastern China

This study employs a newly defined regional-rainfall-event (RRE) concept to compare the hourly characteristics of warm-season (May-September) rainfall among rain gauge observations, China merged hourly precipitation analysis (CMPA-Hourly), and two commonly used satellite products (TRMM 3B42 and CMORPH). By considering the rainfall characteristics in a given limited area rather than a single point or grid, this method largely eliminates the differences in rainfall characteristics among different observations or measurements over central-eastern China. The results show that the spatial distribution and diurnal variation of RRE frequency and intensity are quite consistent among different datasets, and the performance of CMPA-Hourly is better than the satellite products when compared with station observations. A regional rainfall coefficient (RRC), which can be used to classify local rain and regional rain, is employed to represent the spatial spread of rainfall in the limited region defining the RRE. It is found that rainfall spread in the selected grid box is more uniform during the nocturnal to morning hours over central-eastern China. The RRC tends to reach its diurnal maximum several hours after the RRE intensity peaks, implying an intermediate transition stage from convective to stratiform rainfall. In the afternoon, the RRC reaches its minimum, implying the dominance of local convections on small spatial scale in those hours, which could cause large differences in rain gauge and satellite observations. Since the RRE method reflects the overall features of rainfall in a limited region rather than at a fixed point or in a single grid, the widely recognized overestimation of afternoon rainfall in satellite products is not obvious, and thus the satellite estimates are more reliable in representing sub-daily variation of rainfall from the RRE perspective. This study proposes a reasonable method to compare satellite products with rain gauge observations on the sub-daily scale, which also has great potential to be used in evaluating the spatiotemporal variation of cloud and rainfall in numerical models.     

非静力AREM模式设计及其数值模拟II:数值模拟试验

在程锐等（2018）中,我们完成了非静力AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率（约1 km）下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS（Advanced Regional Prediction System）、WRF（Weather Research and Forecasting Model）模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。     

CORRELATION BETWEEN PEAK INTENSITY OF EXTREME AFTERNOON SHORT-DURATION RAINFALL AND HUMIDITY AND SURFACE AIR TEMPERATURE IN SOUTHEAST COAST OF CHINA

Using hourly rainfall intensity, daily surface air temperature, humidity and low-level dew point depressions at 55 stations in the southeast coast of China, and sea surface temperature from reanalysis in the coastal region, this paper analyzes the connection between peak intensity of extreme afternoon short-duration rainfall (EASR) and humidity as well as surface air temperature. The dependency of extreme peak intensity of EASR on temperature has a significant transition. When daily highest surface temperature is below (above) 29°C, the peak rainfall intensity shows an ascending (descending) tendency with rising temperature. Having investigated the role of moisture condition in the variation of EASR and temperature, this paper discovered that the decrease of peak rainfall intensity with temperature rising is connected with the variation of relative humidity. At higher temperatures, the land surface relative humidity decreases dramatically as temperature further increases. During this process, the sea surface temperature maintains basically unchanged, resulting in indistinct variations of water vapor content at seas. As water vapor over land is mainly contributed by the quantitative moisture transport from adjacent seas, the decline of relative humidity over land will be consequently caused by the further rise of surface air temperature.     

2003年8月“巴蜀夜雨”过程的模拟和分析研究

结合中尺度数值预报模式AREM的数值试验和观测资料分析,对2003年8月川西地区的9次夜雨过程进行了模拟研究和综合分析.结果表明,在一定环流背景下,川西地区特殊地形引起的沿坡地的辐合上升运动和下垫面提供给低层大气的热通量所导致的大气层结不稳定,对川西夜雨的形成和发展有重要影响.白天,随着陆-气通量交换的增加,低层大气的温度和湿度逐步升高,并在午后达到极值.与此同时,低层偏南暖湿气流在盆地西部由于气旋性弯曲而形成的东北风在午后逐渐加强,这支气流在盆地西部被地形阻挡,产生爬升运动.辐合上升将低层高温高湿的大气向上输送,使得大气不稳定层结的厚度以及强度都增加;日落以后,低层大气的相对湿度随着气温的降低而增大,容易饱和而形成凝结,同时大气中积累了相当可观的对流有效位能,低层辐合抬升等因素容易触发不稳定能量释放,造成对流性夜雨天气.强烈的对流辐合运动需要周围大气的入流补偿,促使偏东风气流增强且向高空伸展,这令辐合抬升作用进一步增强.     

一次热对流降水成因的分析和模拟

夏季受西太平洋副热带高压控制的中国大陆地区常发生热对流降水.文中首先利用TRMM卫星观测资料、地面自动站地表温度观测资料和NCEP资料分析了热对流降水的特征及其产生的背景条件;利用区域平均的水汽方程诊断了地表蒸发、水汽平流和水汽通量辐合项的贡献,分析了降水的水汽来源;进一步利用AREM区域数值预报模式,设计了4个敏感性试验,研究了陆气感热、潜热通量对降水的贡献.结果表明,在副热带高压控制的地区,白天强烈的非均匀地表感热加热可导致低层热空气块突破环境下沉气流而上升,周围空气补充形成辐合运动.低层空气的辐合上升既可引起水汽的汇聚,又可把低层的水汽输送到高层.同时非均匀陆面特征造成的非均匀感热和潜热通量的共同作用增强了大气的位势不稳定度,触发了对流,但感热通量对热对流降水的贡献比潜热通量略大.热对流降水的水汽除部分来自地表蒸发外,另一部分来自低层的水平通量辐合.定量计算表明二者对大气可降水量的贡献基本相当,而平流水汽的贡献很小.     

中国东部气候年代际变化三维特征的研究进展

围绕发生在20世纪70年代末的中国东部气候年代际变化,近年来,作者围绕着其气候要素变化的区域特点、在不同季节的表现特征和对应的大气环流变化等,进行了系统分析和讨论,较为全面地给出了其变化的三维空间结构图像,本文对这方面的研究进展进行了总结。研究表明,我国东部气候的年代际变化具有显著的三维结构特征,它与东亚对流层中上层温度的变化存在直接联系,具体表现特征随季节而变化。对流层中上层出现的年代际尺度变冷,一方面通过其上层的气旋式环流异常,使得东亚急流轴以南的西风增强,一方面通过其下层的反气旋式环流异常,导致东亚夏季风减弱。西风急流增强通过改变对流层中上层的辐散强度,触发独特的云－辐射反馈过程,对青藏高原下游地面气温变冷发挥重要作用;西风急流偏南和夏季风减弱,最终导致中国东部“南涝北旱”型降水异常。东亚对流层上层变冷和青藏高原下游地面气温变冷开始于3月,与近几十年来冬季北大西洋涛动(NAO)的增强趋势存在显著联系。从3月到9月,对流层上层冷中心的位置和强度随季节而变化:从3月到5月,冷中心逐渐南移并加强,5月移至35oN以南,导致中国东南部地区出现干旱化趋势;冷中心在7～8月的盛夏季节位于(40oN,110oE)附近,造成中国东部的“南涝北旱”型降水异常。该研究为评估大气环流模式和海气耦合模式的模拟性能、检验不同强迫因子在东亚气候年代际变化中的作用,提供了直接的观测依据。对参加WCRP组织的IPCC AR4“二十世纪气候耦合模式模拟”计划的19个耦合模式模拟结果的分析表明,在包括气溶胶和温室气体在内的实际外强迫作用下,目前的耦合模式难以模拟出发生在20世纪70年代末的东亚气候年代际变化。无论对东亚气候变化归因研究,还是对适合东亚气候的数值模式研发,本文都提出了新的问题。     

湖南夏季降水日变化特征

利用湖南96个测站13年的逐时自记降水资料, 分析了夏季（6~8月）降水日变化特征。结果表明, 湖南夏季降水日变化呈现显著的区域差异。湘东南降水量、 降水频次峰值主要出现在午后到傍晚, 而其它地区的降水峰值一般出现在清晨。进一步分析显示, 降水频次峰值出现时次分布更集中, 区域特征更鲜明。湘西北、 湘东南区域平均的累积降水量、 降水频次及降水强度的日变化在清晨和午后均呈双峰型特征。湘西北主（次）峰值出现的时间大致与湘东南次（主）峰值出现的时间对应。同时, 降水日变化与降水持续时间密切相关。持续5~10 h降水事件是持续1~4 h事件与持续10 h以上事件降水量峰值出现时间发生显著变化的过渡降水事件。持续1~4 h（10 h以上）的降水事件的极值降水始发时间为午后至傍晚（夜间）。在不同持续时间的降水事件中, 持续2 h降水的累积量最大。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅰ:云微物理参数化对云结构及降水特征的影响

首先对AREM模式模拟的台风基本结构和云结构进行验证,检验了模拟结果的可靠性.在此基础上,设计了5组试验来研究云微物理参数化方案对台风"云娜"云结构及降水特征的影响.试验设计主要突出冰相云微物理过程、云微物理特征引发的冷却效应以及霰下落速度的重要性.结果表明:云微物理参数化过程对云的发展和降水特征的影响更为显著.各试验的水凝物分布和强度不同,降水类型和强度存在较大差异,由此引起的云中热力结构也有较大区别;在所有试验方案中,24 h降水率最大差异为52.5 mm/h.云微物理过程对云和降水特征的具体影响表现在:(1)如果不考虑雨水蒸发冷却效应,此时台风内核上升运动强度最强(达到-19 Pa/s),雨水和霰粒子增长最明显,相对于对照试验增量分别为1.8和2.5 g/kg.(2)霰和雪的融化对于螺旋雨带中雨滴的增长十分重要,但他们可能不是云墙中雨水形成的主导因子.(3)不同方案的降水模拟特征也存在较大差别,采用暖云参数化后,降水区域最小,但其中对流降水比例最大(63.19%);霰落速减半后,降水区域最大,其中非对流降水比例也最大(51.15%).     

中国东南部4～5月年代际干旱的南移特征及潜热影响的数值模拟

利用1958～2000年旬平均中国560站地面观测资料和ERA－40再分析资料, 分析了东亚气候在4～5月的年代际变化特征。发现发生在1970年代末的中国东南部干旱出现于4月中旬至5月中旬, 干旱带随季节推进逐渐向南移动。这种南移特征与对流层中上层年代际变冷中心的移动是一致的, 上层变冷中心所伴随的局地风场异常, 即异常下沉运动和对流层低层北风异常, 均显著存在于4月中旬至5月中旬, 且逐渐南移。中国东南部年代际干旱带在4~5月的南移从一定程度上意味着 4月黄淮流域降水异常对5月江南地区的降水多少具有一定的指示意义。由于干旱区位于上层变冷区的南侧, 意味着该地区向上输送的潜热通量减少能够使对流层大气进一步冷却, 这在一个变网格全球模式的敏感性试验中得到了验证, 能够部分地解释大气中的冷信号为何持续存在和南移。     

对三套再分析资料中国大陆地区夏季降水量的评估分析

以中国台站降水为参照,评估分析了三套再分析资料(NCEP/DOE,ERA和JRA)对中国夏季降水场的再现能力。结果显示,三套资料均能基本再现夏季降水量分布的主要特征,亦能较好刻画大部分地区降水的年际和季节内变化特征,但同时也存在诸多问题:NCEP资料在青藏高原东坡存在一个虚假降水中心,且对中西部和西南地区夏季降水的季节内演变特征再现能力较差;ERA资料降水量系统性偏小,且不能合理描述中西部地区降水的年际变化;JRA资料高估了华南沿海地区的降水量。三套资料均存在高估弱降水、低估强降水的问题。对日降水量≥0.1 mm的降水事件进行TS、BS评分,三套资料的TS评分在0.6左右,BS评分在1.5左右;随着参与评分的降水等级的提升,两项评分都迅速下降,三套资料对暴雨的预报评分都非常低。通过分析可了解当前较先进的数值预报模式在基本真实的环流场强迫下对我国夏季降水的预报能力,认识模式中物理参数化过程导致的模拟偏差,为模式发展和评估提供参照。