A Modified Double-Moment Bulk Microphysics Scheme Geared toward the East Asian Monsoon Region

Representation of cloud microphysical processes is one of the key aspects of numerical models. An improved doublemoment bulk cloud microphysics scheme(named IMY) was created based on the standard Milbrandt-Yau(MY) scheme in the Weather Research and Forecasting(WRF) model for the East Asian monsoon region(EAMR). In the IMY scheme, the shape parameters of raindrops, snow particles, and cloud droplet size distributions are variables instead of fixed constants.Specifically, the shape parameters of r...     

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

Aircraft Measurements of Cloud–Aerosol Interaction over East Inner Mongolia

To investigate the potential effects of aerosols on the microphysical properties of warm clouds, airborne observational data collected from 2009 to 2011 in Tongliao, Inner Mongolia, China, were statistically analyzed in this study. The results demonstrated that the vertical distribution of the aerosol number concentration(N_a) was similar to that of the clean rural continent. The average aerosol effective diameter(D_e) was maintained at approximately 0.4 μm at all levels. The data obtained during cloud penetrations showed that there was a progressive increase in the cloud droplet concentration(N_c) and liquid water content(LWC) from outside to inside the clouds, while the Nawas negatively related to the Ncand LWC at the same height. The fluctuation of the N_a, Ncand LWC during cloud penetration was more obvious under polluted conditions(Type 1) than under clean conditions(Type 2). Moreover, the wet scavenging of cloud droplets had a significant impact on the accumulation mode of aerosols, especially on particles with diameters less than 0.4 μm. The minimum wet scavenging coefficient within the cloud was close to 0.02 under Type 1 conditions, while it increased to 0.1 under Type 2 conditions,which proved that the cloud wet scavenging effect under Type 1 conditions was stronger than that under Type 2 conditions.Additionally, cloud droplet spectra under Type 1 conditions were narrower, and their horizontal distributions were more homogeneous than those under Type 2 conditions.     

东亚季风区夏季陆地生态系统碳循环对东亚夏季风的响应

东亚地区陆地生态系统的时空变率表现出明显的对季风气候的响应特征。使用EOF（经验正交分解）方法分析了AVIM2动态植被陆面模式离线模拟试验模拟的1953～2004年东亚季风区夏季陆地生态系统总初级生产力（GPP）、生态系统净初级生产力（NPP）、净生态系统初级生产力（NEP）、植被呼吸以及土壤呼吸的时空分布特点,探讨了东亚夏季风对陆地生态系统碳循环影响机制。研究发现,在强季风年,江淮地区高温少雨的特点限制了光合作用,造成GPP偏低;而华南地区在强季风年气候温暖湿润,利于植被生长,GPP偏高。季风对于植被呼吸和土壤呼吸影响不明显,使得GPP和植被呼吸之差NPP的变化及NPP和土壤呼吸之差NEP的变化与GPP的变化保持一致。在强季风年江淮流域地区干热的气候条件使得NPP和NEP降低;但是在华南地区温度升高的同时降水增多使得在NPP偏高的基础上NEP也偏高。     

季风湿润区冬季水汽收支年际及年代际变化特征

采用1958—2007年NCEP/NCAR再分析资料和我国160站降水资料,对东亚大陆季风湿润区冬季的水汽收支变化与大气环流和我国降水异常特征的关系进行研究。结果表明:冬季水汽收支时间序列表现出明显的长期气候变化趋势。挑选的水汽收支高、低值年不仅能够指示季风湿润区经向风的异常变化,还能够指示东亚冬季风的强弱和降水的异常变化。高值年,蒙古冷高压和阿留申低压偏弱,对流层低层为异常偏南风,整层为异常逆时针环流,30°N以南的辐合和上升运动强,大气水分收入增多,降水增加;低值年则相反。差值合成的异常降水量中心值可达40 mm以上,差值合成的水汽异常输入主要集中在600~900 hPa。合成的经向水汽收支占净收支变化的91.3%,纬向上相差较小。季风湿润区南、北区域的水汽收支及降水的差异明显,纬向的收入支出对此差异贡献较大。水汽收支的年代际特征,不仅能够指示水汽输送的强弱及从海洋输入水汽的多少,还能够指示季风湿润区降水的变化,且差值合成的异常降水量最大可达30 mm以上。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

东亚季风区地气系统的水平衡

本文利用欧洲中心ＥＣＭＷＦ１９８０～１９８９年１０年逐日资料及同期中国六大流域片的月径流量资料,用水平衡方法尝试了对东亚季风区进行蒸发估算、土壤和地下水含量估算及总的水量平衡分析。结果表明：全国陆地降水在７月份最大,平均约为９５ｍｍ,蒸发的最大值（８０ｍｍ）比其滞后１个月出现。北方流域和南方流域的水平衡特征明显不同。南方流域降水始终大于蒸发,蒸发峰值比降水峰值滞后１个月,土壤、地下水含量盛夏或初秋开始减小;北方流域蒸发有时超过降水,两者的峰值同月出现,土壤、地下水含量初夏就开始减小。东北流域片的水平衡特点介于上述南、北方流域特点之间。计算误差中由水汽通量散度项的日变化引起的误差可能占总误差的５０％。     

The Sensitivity of Numerical Simulation of the East Asian Monsoon to Different Cumulus Parameterization Schemes

In this paper, a 5-level spectral AGCM is used to examine the sensitivity of simulated East Asian summer mon-soon circulation and rainfall to cumulus parameterization schemes. From the simulated results of East Asian mon-soon circulations and rainfalls during the summers of 1987 and 1995, it is shown that the Kuo’s convective parameterization scheme is more suitable for the numerical simulation of East Asian summer monsoon rainfall and circulation. This may be due to that the cumulus in the rainfall system is not strong in the East Asian monsoon region.     

夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别

利用ECMWF所分析的1980～1989年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征,并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送,东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小,偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此,水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成,而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流,它利于水汽输送的辐散,水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。     

山西中部一次积层混合云降水微物理特征研究

基于2011年5月9日山西中部地区一次积层混合云降水的机载探测和地面雨滴谱观测资料,分析了空中云系微物理参量的垂直分布、冰晶形态及演变和地面降水的微物理特征。结果表明：此次积层混合云为冷云结构,垂直分布不均匀,云中过冷水较为丰沛,对流泡的存在造成云内不同区域云水含量不均匀。云滴的凝华增长导致5.3 km处大云粒子和降水粒子数浓度明显增加。小云粒子谱分布以单峰型为主,峰值直径主要位于5～6 μm或9～10 μm,大云粒子谱分布呈多峰型,不同高度处变化较大。此次降水观测到的冰晶形态包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则形状,4.9 km处受聚合和淞附过程的共同影响,辐枝状和针柱状冰晶增多,在4.1 km处融化层附近淞附状冰晶明显增加。地面降水受到雨滴谱仪布设位置的影响,其微物理结构主要呈现为层状云降水的特征。     

20世纪90年代初东亚夏季风的年代际转型

利用1979—2009年JRA-25和NCEP/NCAR再分析资料,通过复矢量经验正交方法揭示了东亚地区夏季850 hPa风场变率的优势模态。结果表明:两套再分析资料所揭示的东亚夏季风在20世纪90年代初均发生了年代际转型,与我国夏季降水的年代际转型时间一致。伴随着东亚夏季风的年代际转型,我国北方大部分地区夏季降水减少,尤其是我国东北北部和长江、黄河之间105°E附近区域显著减少,而华南地区和淮河流域降水显著增加。从动力上解释我国夏季降水年代际转型特征,夏季500 hPa高度场两个时段 (1993—2009年和1979—1992年) 的差值分布显示为欧亚大陆北部准纬向遥相关波列,夏季850 hPa风场差值分布表现为贝加尔湖东南侧和日本以南地区存在两个异常反气旋式环流,而我国南方地区和鄂霍次克海附近均为异常气旋式环流。夏季西北太平洋、北印度洋以及部分中高纬度海洋的海温和春季欧亚大陆积雪在20世纪90年代初出现显著变化,春季北极海冰的年代际转型发生在20世纪90年代初,都可能成为东亚夏季风年代际转型的原因。     

云凝结核对南京及周边地区夏季暴雨影响的数值模拟

利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案,对南京2014年6月初的一次暴雨过程进行模拟;设置多组数值试验,从中选取清洁和严重污染两组试验,对比分析低、高云凝结核浓度对此次降水的影响。结果表明：1）Thompson方案对此次降水过程具有一定的再现能力,但对24 h累积降水量的模拟整体偏低,且随云凝结核浓度的上升,累积降水量增加。较高的云凝结核浓度有利于强降水中心强度增强、降水范围扩大,而对较弱降水中心则有相反的影响。2）云凝结核浓度的增加将抑制云滴向雨滴的转化,使更多云滴被输送到对流层中层,对流层低层的暖云过程被抑制。3）云凝结核浓度的增加使对流层中层的过冷云水增加,促进过冷云水向霰的转化,也促进雪的淞附过程,这有利于冷云过程的发展。4）云凝结核浓度的增加对暖云过程具有负反馈作用,对冷云过程具有正反馈作用。     

一次降水性层状云微物理过程分析

对2010年5月14日一次降水性层状云的飞机DMT探测资料进行了分析.这次降水形成的主要微物理机制是“播种-供给”过程.冰化层降水尺度的粒子浓度高,高于其他各层.过冷层冰水粒子共存,液态水含量丰富,为冰水转化和淞附增长提供了有利的增长环境条件,是降水增长的关键层.这次降水云系“播种-供给”机制表现充分,但云暖层薄,暖层增长不充分,云底高,蒸发层厚,是不能产生强降水的主要云微物理原因.     

东亚季风近几十年来的主要变化特征

本文简要综述了关于东亚夏季风和冬季风近几十年来的主要变化特征的若干研究结果,特别是关于其年代际变化方面.夏季风及夏季气候的主要变化特征有:1970年代末之后东亚夏季风的年代际时间尺度的减弱以及相应的我国夏季降水江淮流域增多而华北减少、1992年之后我国华南夏季降水增多、1999年之后我国长江中下游夏季降水减少而淮河流域夏季降水增多、东亚夏季风和ENSO之间的年际变化相关性存在不稳定性.而关于东亚冬季风与冬季气候的主要变化特征有:1980年代中期之后东亚冬季风及其年际变率减弱、1970年代中期之后冬季风和ENSO的年际变化相关性较弱、近年来的北极秋季海冰减少对北半球冬季积雪增多有显著贡献、东北冬季积雪在1980年代中期以后增多.与上述变化有关的极端气候和物候都发生了多方面的变化.     

An East Asian Monsoon in the Mid-Pliocene

In this study, the authors simulate the East Asian climate changes in the mid-Pliocene (～3.3 to 3.0 Ma BP) with the Community Atmosphere Model version 3.1 (CAM3.1) and compare the simulated East Asian monsoon with paleoclimate data. The simulations show an obvious warming pattern in East Asia in the mid-Pliocene compared with the pre-industrial climate, with surface air temperature increasing by 0.5 4.0°C. In the warm mid-Pliocene simulation, the East Asian Summer Monsoon (EASM) becomes stronger, while the East Asian Winter Monsoon (EAWM) is similar relative to the pre-industrial climate. Compared with the paleoclimate data, our simulations depict the intensified EASM well but cannot reproduce the weakened EAWM. This model-data discrepancy may be attributed to the uncertainty in the reconstructed mid-Pliocene sea surface temperature.     

东亚夏季风对山西省夏季降水的影响

利用NCEP1948～2007年逐日再分析资料、中国600站1960～2007年逐月降水资料和山西省1960～2007年65个测站的逐月、逐日降水资料,确立了850hPa112.5°E上候平均的假相当位温(θse)为340K和候平均的经向风为南风且南风风速≥2.5m·s-1等值线同时通过35°N的日期,将其作为山西省夏季风建立的时间,以θse≥340K的持续候数与平均持续候数相比的标准化值构造为东亚夏季风对山西省影响的强度指数I,可以较好地表征东亚季风区夏季风的强度和降水的空间分布,也可以较好地反映山西省夏季降水的强度和空间分布。该季风指数的年代际变化特征和线性趋势表明,自20世纪70年代以来东亚夏季风对山西省的影响有明显减弱的趋势,并且在1967年季风指数突变性地由强变弱。对山西省夏季风的建立和撤退时间的分析表明,近60年来东亚夏季风对山西省的影响时间越来越短。最后,分析了强弱夏季风指数年大气环流场的异常特征。     

Latitude-Dependent Response of East Asian Summer Monsoon to External Forcing in the Last Millennium

Response of the East Asian summer monsoon(EASM) rainfall to external forcing(insolation,volcanic aerosol,and greenhouse gases) is investigated by analysis of a millennium simulation with the coupled climate model ECHO-G.The model reproduces reasonably realistic present-day EASM climatology.The simulated precipitation variation in East Asia over the last millennium compares favorably with the observed and proxy data.It is found that the features and sensitivity of the forced response depend on latitude.On...     

多要素表征的东亚季风区准双周振荡特征

为评估不同要素对东亚季风区准双周振荡的表征能力,对大气向外长波辐射（OLR）、500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场和750 hPa比湿等要素的准双周振荡特征进行对比,发现各要素均能很好反映东亚季风区明显的准双周振荡时空特征。OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风表征的准双周振荡呈明显的西北向传播特征,500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风北传更强,北传速度更快。850 hPa经向风的准双周振荡呈明显西移特征,北传弱,北传速度最慢。而750 hPa比湿准双周振荡呈东南向传播。不同要素准双周振荡的强度略有差异,其中750 hPa比湿与其他要素的差异大。总体而言,750 hPa比湿不能较好地表现出东亚季风区准双周振荡活动特征,而其余要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡,其中500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡特征一致性高。     

东亚季风湿润区水分收支的气候特征

采用1958-2007年NCEP/NCAR月平均再分析资料,分别从水汽通量、水汽通量散度以及区域内降水量与蒸发量差计算东亚季风湿润区的水分收支,分析其差异特征,结果表明:用不同方法计算的水分收支距平年际变化的相关系数分别为0.91,0.71和0.81,误差ε百分率分别为17.4%,44.1%和44%,其中利用水汽通量和散度计算得到的季风湿润区水分收支结果很接近。总体上看,整个区域全年表现为水分收入,春季和夏季的水分收入贡献最大,秋季和冬季贡献较小。在水汽经向输送中,南边界为主要的水汽输入区。从水汽输送计算的水分收支垂直分布来看,多年平均气候态下整个区域除850 hPa存在水分支出外,其余各层均为水分收入,3种方法计算的水分收支在4个季节的年际变化明显。