GPS气象学研究及应用的进展与前景

概述了GPS气象学的形成、发展过程及其主要研究内容，对GPS气象学基本原理作了简单介绍。比较全面、系统地分析了国内外GPS技术在气象学研究及应用方面的现状及最新进展，展望了GPS气象学潜在的应用领域以及广阔的应用前景。     

青藏高原大地形对华南持续性暴雨影响的数值试验

利用新一代中尺度数值预报模式WRF3.2及NCEP/NCAR 逐日4次1°×1°的FNL再分析资料,通过有、无青藏高原以及将高原高度降低到临界高度的数值试验,研究了青藏高原大地形对我国华南地区2010 年5 月一次持续性暴雨过程的影响。试验结果表明:高原大地形对降水的影响显著,随着高原高度的升高,降水增多,高原以东地区的雨带也由北向南移动;高原地形的机械阻挡作用使迎风坡一侧的近地面层附近为强上升运动,背风坡为下沉运动,并分别对应降水的峰值和谷值区;高原对西风气流的爬流、绕流作用明显,高原升高后爬坡作用减弱,以绕流作用为主;高原的加热作用使气流过高原时南支减弱,北支加强,并加强了高原及其东部地区低层的正涡度和高层的负涡度,使高原上空为强烈的上升运动;高原的热力作用使西太平洋副热带高压位置偏南、偏西并稳定维持;高原大地形对形成稳定的高原季风环流圈有重要作用;高原地形高度的作用有利于定常波的形成,波动中心对应强上升运动,形成降水的大值区,稳定维持的定常波使得降水持续集中在同一地区,造成持续性暴雨。     

地基GPS水汽总量在人工增雨中的应用

利用成都市地基GPS综合应用网的观测数据,反演出大气水汽总量,并结合多普勒天气雷达探测的垂直积分液态水含量(VIL),分析了这两种新型大气水汽探测资料在人工影响天气作业中的变化特征,初步得出了GPS大气水汽总量(GPS PWV)与人影作业前后降雨量的关系。研究表明:GPS PWV与人工增雨过程有较好的对应关系,人影作业后1～3h伴随小时雨量的增大GPS PWV有下降,体现了催化剂将空中部分冰面过饱和水汽凝华核化转化为降水过程。GPS反演的水汽资料结合新一代多普勒天气雷达探测的液态水资料在指导人工影响天气作业和短临天气预报方面具有良好的应用前景。     

1971—2000年我国东部地区雷暴、冰雹、雷暴大风发生频率的变化

提要：应用1971—2000年华北、华中、华东各省1084个站的地面天气现象观测资料,统计分析了江南（31°N以南）、江淮和黄淮（31°～37°N）及黄河以北（37°N以北）雷暴、冰雹和雷暴大风的年代际变化特征。分析结果表明：雷暴、冰雹、雷暴大风发生频率呈减少趋势。其中江南地区雷暴年代际递减更明显,黄河以北地区冰雹年代际递减最明显,而雷暴大风在三个区域的年代际递减均明显。雷暴大风常与冰雹伴随发生,高原和山地多于平原,高值区位于华北北部和内蒙古中部。对流性天气的减少与水汽和动力条件的减弱有关系。包含热力、动力和水汽条件的综合指数SWEAT无论在空间分布上,还是在30年的演变趋势上,均与对流性天气的分布和演变趋势表现出相似的特征。     

Formation of the anomalous summer precipitation in east China in 2010 and 1998: A comparison of the impacts of two kinds of El Niño

In the summers of 1998 and 2010, severe floods occurred in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Although an El Niño event took place preceding each of the summer floods, significant differences between the two summer floods and the two El Niño events were identified. The 1997/98 El Niño is a conventional one with strongest warming in the central-eastern Pacific, whereas the 2009/10 event is an El Niño Modoki with strongest warming in the central Pacific. In this study, summer rainfall anomalies (SRA) in the two years were first compared based on the rainfall data at 160 stations in mainland China, and a significant difference in SRA was found. To understand the underlying mechanism for the difference, the atmospheric circulation systems, particularly the western North Pacific anticyclone (WNPAC), the western Pacific subtropical high (WPSH), and the low-level air flows, were compared in the two years by using the NCEP/NCAR reanalysis data. The results display that the WNPAC was stronger in 2010 than in 1998, along with a northwestward shift, causing weakened southwesterly from the Bay of Bengal to the South China Sea but intensified southerly in eastern China. This resulted in less water vapor transport from the tropical Indian Ocean and the South China Sea but more from the subtropical western Pacific to East Asia. Subsequently, the rainband in 2010 shifted northward. The difference in the WNPAC was caused by the anomalous ascending motion associated with the warming location in the two El Niño events. Furthermore, the role of tropical sea surface temperature (SST) in modulating these differences was investigated by conducting sensitivity experiments using GFDL AM2.1 (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory Atmospheric Model). Two experiments were performed, one with the observed monthly SST and the other with June SST persisting through the whole summer. The results suggest that the model well reproduced the primary differences in the atmospheric circulation systems in the two years. It is found that the difference in El Niño events has shaped the rainfall patterns in the two years of 1998 and 2010. At last, the case of 2010 was compared with the composite of historical El Niño Modoki events, and the results indicate that the impact of El Niño Modoki varies from case to case and is more complicated than previously revealed.     

副高边缘暴雨过程中的GPS可降水量和假相当位温分布特征

利用2010年8月石家庄地基GPS反演的可降水量、地面加密自动站和常规天气资料,对由副高进退引起的河北省中南部一次强降水天气过程中GPS可降水量和地面假相当位温的演变趋势进行了详细分析.结果表明:1)此次暴雨过程是由副高边缘暖湿气流与切变线共同作用造成的,强降水区主要出现在500 hPa的584～588 dagpm线、700～850 hPa切变线之间;2)降水出现时GPS可降水量基本对应于高值阶段,强降水出现时可降水量位于峰值前后;降水出现时GPS可降水量偏离系数为正值,而强降水一般出现在偏离系数超过1时;3)对同一测站而言,GPS可降水量越大对应的实际降水越强.当测站不同时,GPS可降水量高并不一定代表更强的降水,这与测站的地理位置和海拔高度有关.4)降水出现前热力和水汽条件配置好,能量不断积累,假相当位温逐渐升至极大值.随着降水出现与能量的释放,假相当位温回落到谷值阶段,此谷值越低、持续时间越长,对应的降水也越强.     

对流涡度矢量垂直分量在西南涡暴雨中的应用

将对流涡度矢量 (CVV) 应用于浅薄系统西南低涡引发的暴雨中,特别是将对流涡度矢量垂直分量 (C_z) 应用在2010年7月16—18日由西南涡引发的一次暴雨过程诊断中。研究了CVV垂直积分的各个分量与6 h累积降水量的关系,尤其是CVV垂直分量在西南涡暴雨过程中的指示意义。诊断结果表明:CVV垂直分量与西南涡引发的暴雨有一定对应关系,强降水发生时段与C_z垂直积分峰值出现的时间对应一致;在对流层低层850 hPa水平分布上,暴雨区位于CVV垂直分量的正值中心附近,偏向其梯度较大处;沿暴雨中心的CVV垂直分量,当对流层低层至高层呈现一致的正值时,暴雨强度会明显加强。     

基于螺旋度和非地转湿Q矢量的一次东移高原低涡强降水过程分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料以及常规观测的地面和高空资料,应用螺旋度和非地转湿Q矢量原理,对2000年7月9～15日一例东移高原低涡产生强降水过程进行了天气动力学诊断分析.结果表明:500 bPa z-螺旋度水平分布对低涡中心的移动、降水落区和强降水中心的分布具有较好指示性,强降水中心发生在500 hPa z-螺旋度梯度值最大的区域.z-螺旋度分布能较好地反映暴雨发生时大气的动力学特征,暴雨区上空,高层负涡度辐散与低层正涡度辐合相配合,是触发暴雨的动力机制.相对螺旋度更能全面地反映降水落区及降水中心分布情况,并对未来6 h后的降水落区及走向具有较好的预报性,强降水中心发生在相对螺旋度正、负中心连线梯度最大值的正值一侧.低层非地转湿Q矢量散度的辐合区与降水区相对应,辐合中心与强降水中心基本吻合,是降水落区定性诊断分析的有力工具;湿Q矢量散度的垂直分布对未来6 h降水的落区和移动预报提供了很好的参考信息.     

青藏高原低涡群发性与10～30天大气低频振荡关系的初步研究

通过统计1998年和2003年5~9月500 hPa高原低涡出现的时空位置和频数,确定出1998年和2003年的低涡群发期,着重讨论1998年夏季500 hPa相对涡度场、射出长波辐射(OLR)的10~30天低频振荡特征。结果表明:高原低涡的发生具有群发性特点,低涡群发期的出现具有周期性特征。低涡群发期与10~30天大气低频振荡有密切联系,尤其是10~30天振荡对低涡的群发具有重要影响。绝大多数高原低涡出现在10~30天大气低频振荡的正位相(气旋性)位相期和对流扰动的负位相(对流性)位相期,高原低涡群发期几乎都对应相对涡度10~30天振荡的气旋性位相期。10~30天大尺度正涡度的扰动为高原低涡的发生和维持提供了气旋性旋转的动力条件,促使高原低涡在扰动正位相期频繁发生,大气相对涡度的10~30天振荡对高原低涡的群发性具有重要的调制作用。青藏高原地区对流活动10~30天振荡的对流性位相是以低涡的群发为主要特征,高原低涡在对流位相期反复、连续地发生、发展,促使对流扰动活跃发展。     

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。