北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

CMAQ-MOS区域空气质量统计修正模型预报途径研究

通过分析2004年9月~2005年3月北京城市及远郊地区八个测点的大气污染观测资料, 揭示出城区尺度不同测点大气污染同步性与同位相时空变化特征, 并描述出采暖期与非采暖期大气污染物浓度存在源影响相关季节性显著差异, 城区与远郊测站大气污染物浓度亦表现出排放源影响相关显著的区域性特征, 即大气污染物浓度时空分布与排放源强度及其空间分布密切相关; 本文试验研究表明, 美国EPA新一代空气质量模式CMAQ对多类污染物不同尺度“面空间”分布及其变化倾向虽具有较强的预报能力, 但由于污染源时空特征十分复杂, 这是由于模式采用的平均源排放清单难以精细、客观描述预报区域不同尺度污染源强度的时空变化, CMAQ模式尚存在类似其他模式污染浓度预报量与实况相比明显偏低的“系统性”误差, 为了修正上述模式产品源排放清单产生的系统性预报偏差, 本文利用不同季节CMAQ模式产品与观测实况资料, 建立CMAQ-MOS区域空气质量统计修正预报模型, 并采用检验方法评估CMAQ-MOS方案预报能力, 提出采用CMAQ-MOS统计修正模型统计-动力相结合的空气质量预报新途径, 试验研究结果表明CMAQ-MOS方案可显著降低由于污染源影响不确定性产生的模式系统性预报误差, 明显提高了CMAQ模式空气质量预报水平, 本文亦提出了采用点-面结合预报思路, 即在大气污染具有同位相变化特征的“影响域”范围内, 用一个中心测点的CMAQ-MOS产品预报周边区域面上其他预报点的模式产品“再分析”场以及区域平均空气质量“面预报”方案.     

四川暴雨过程中盆地地形作用的数值模拟

利用WRF-Chem模拟了2012年7月20日一次四川盆地暴雨降水过程,并基于控制试验设置填充四川盆地地形的敏感性试验。利用大气动力-热力学和云降水物理学对两试验差异进行诊断分析,与敏感性试验相比,控制试验虽然延迟强降水出现时间,却增强了降水强度。研究表明:偏南气流自南向北经过盆地时,在四川盆地南部形成正涡度扰动中心,延迟水汽、能量到达盆地北部的时间,使强降水出现时间偏晚;地形高度及动力差异使控制试验近地面累积大量水汽、能量,低层能量到达盆地北部迎风坡后受地形抬升与正涡度扰动共同作用激发了强烈的对流;控制试验中,盆地北部大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展,雨滴、雪晶、霰粒子质量浓度明显增大,使降水强度增强至大暴雨量级。     

青藏高原地气耦合系统及其天气气候效应:第三次青藏高原大气科学试验

由于青藏高原（简称高原）是影响中国极端天气和气候事件的关键区,对天气、气候预报有重要影响。因此,中国气象局、国家自然科学基金委员会、中国科学院共同推动了"第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）"工作。自2013年的预试验开始,TIPEX-Ⅲ在高原西部狮泉河、改则和申扎新建全自动探空系统,填补了高原西部缺少常规探空站的空白;在高原中、西部建成土壤温、湿度观测网;实施了高原尺度和那曲区域尺度的边界层观测,那曲多型雷达和机载设备的云降水物理特征综合观测,高原多站的对流层-平流层大气成分观测。在研究成果方面,项目结果指出,在高原中、西部草原、草甸和裸土下垫面状况下地表热量湍流交换系数和感热通量明显低于过去较早的估计值;高原主体的对流云活动主要不是来自南亚季风区的向北传播,而可能是局地发展所致;揭示出那曲对流云日变化特征、云宏微观特征以及云中水不同相态之间的转化机制,提出了夏季高原加热在维持亚洲大气"水塔"中的作用,以及高原加热对亚洲、非洲、北美洲气候的调节作用。在数值预报模式中,Γ分布比M-P分布更适合于高原雨滴谱特征,通过改进高原热传导过程参数化方案可以降低模式中高估的地表感热,并提升模式对中国中、东部雨带的模拟能力;此外,考虑青藏高原关键区信号可以提升中国中、东部降水的预报技巧。TIPEX-Ⅲ还带动了地面和高空常规观测、天气业务雷达和风廓线雷达等观测数据加工处理业务技术的发展,提升了中国国家级土壤湿度、水汽含量等遥感产品和高分辨率多源降水融合产品的质量,促进了气象监测、预报和数据共享业务的发展。      

特殊大地形背景下塔里木盆地夏季降水过程及其大气水分循环结构

对塔里木盆地夏季降水过程和复杂的大气水分循环结构进行了分析,采用常规气象观测、探空及其不同网格NCEP等再分析数据,通过塔里木盆地视热源、水汽汇、涡度、散度三维动力结构以及相关小波周期分析、水汽输送通道相关矢量场及其Fluxpart轨迹模型等各类方法,综合剖析该区域大气热源与夏季降水过程及其水分循环结构特征。计算分析结果表明塔里木盆地沙漠边界层辐射强日变化叠加上周边C型大地形“山谷风”效应,导致高山环抱盆地及沙漠区的独特水、热过程与局地环流特征。     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

我国西北地区近50年降水和温度的变化

用近50年的每月温度和降水资料研究了我国西北地区的气候变化.结果表明:(1)该地区在1986年附近发生了一次明显的气候跃变,要比全国气候跃变晚6～8年;(2)跃变后比跃变前全区年平均气温上升了0.51℃,冬季上升了1.27℃;(3)跃变后比跃变前全区年降水总量上升了5.2%,夏季上升了6.8%.进而讨论了温度和降水的增加对该地区生态环境的影响.     

海陆纬向非均匀热力结构与跨赤道气流和温带西风急流分布的关系

用数值模拟方法,研究海陆热力结构季节变化对经圈环流、南北半球西风轴以及急流中心的影响。数值试验得到如下结果:(1)海陆纬向非均匀加热结构不仅有利于跨赤道气流的加强,而且形成跨赤道气流高、低层反向特征;(2)海陆纬向非均匀结构使模拟到的北半球西风急流更接近实况。说明南北半球海陆热力强迫不仅是全球跨赤道气流通道形成的重要原因,而且影响北半球西风急流的强度和分布。      

热带气旋异常运动的曲率变化特征

运用热带气旋曲率理论模型,选择不同环境及移速特征的台风个例,通过动力学诊断分析,揭示了台风异常运动的关键影响因子的物理机制及其规律。研究结果表明,热带气旋曲率理论模型中影响台风移动的相关特征能够在一定程度上描述出天气系统等环境因子对台风异常运动的综合影响规律。诊断分析结果表明,台风移速、涡旋动力结构、外围副热带高压带及西风槽的非定常变化均可影响台风移动轨迹曲率,尤其是对异常路径和转向点的影响,其突变规律符合台风移动规律。台风移动与系统动力结构有关,台风最大风速与中心气压突然增强或减弱时都会导致台风的突然转向。     

长江流域水汽收支与高原水汽输送分量“转换”特征

文中采用"箱体"模型边界的整层水汽输送特征描述长江流域梅雨带水汽收支总体效应,发现长江流域夏季降水与"箱体"模型整层水汽输送收支总量呈显著相关;青藏高原动力、热力强迫构成周边水汽输送特殊流型结构,大地形动力强迫导致高原周边水汽输送在高原南侧与东侧存在经向或纬向不同分量的水汽流型,且它们分别对长江流域梅雨带"箱体"模型水汽收支具有重要的影响.研究还发现高原南侧经向水汽输送与高原东侧纬向水汽输送分量之间呈显著相关特征,此研究揭示了长江流域洪涝过程上游高原周边关键区水汽输送不同分量间的"转换"特征,且此类水汽输送流型对夏季长江全流域各区域降水具有不同程度影响.上述高原周边水汽输送经向-纬向分量间的相互"转换"效应,是认识长江流域异常洪涝过程形成的关键环节之一.高原周边水汽输送分量相关结构及区域边界水汽收支问题将为长江流域洪涝预报提供科学依据.