水汽图像在高原天气预报中应用的初步分析

通过对1998年8月4～5日那曲低涡和7月18～20日高原切变线活动的卫星水汽图像以及这次高原低涡形成前改进高原以南洋面上空对流层中上部湿度的数值试验的分析,分析指出(1)水汽图像上水汽涡旋比天气图上高原低涡形成反映提前,且水汽涡旋对高原低涡活动有指示意义.(2)水汽图像上切变线水汽带比天气图上高原切变线形成反映提前,且切变线水汽带的变化对高原切变线活动有指示意义.在切变线水汽带范围变宽时,高原切变线稳定;切变线水汽带减弱时,高原切变线东南移.(3)水汽图像上高原以南洋面上空对流层中上部水汽输送会影响低值天气系统的形成和发展,水汽灰度梯度大值区的变化可预示强降水中心区的变化.(4)数值试验表明利用水汽图像改进高原以南洋面上空对流层中上部湿度,可对数值预报有较大的改进.在高原地区天气预报中应重视水汽图像的应用.     

水汽图像在高原天气预报中应用的初步分析

通过对1998年8月4～5日那曲低涡和7月18～20日高原切变线活动的卫星水汽图像以及这次高原低涡形成前改进高原以南洋面上空对流层中上部湿度的数值试验的分析，分析指出：(1)水汽图像上水汽涡旋比天气图上高原低涡形成反映提前，且水汽涡旋对高原低涡活动有指示意义。(2)水汽图像上切变线水汽带比天气图上高原切变线形成反映提前，且切变线水汽带的变化对高原切变线活动有指示意义。在切变线水汽带范围变宽时，高原切变线稳定；切变线水汽带减弱时，高原切变线东南移。(3)水汽图像上高原以南洋面上空对流层中上部水汽输送会影响低值天气系统的形成和发展，水汽灰度梯度大值区的变化可预示强降水中心区的变化。(4)数值试验表明：利用水汽图像改进高原以南洋面上空对流层中上部湿度，可对数值预报有较大的改进。在高原地区天气预报中应重视水汽图像的应用。     

海河流域水汽输送及其变化特征分析

根据海河流域测站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和日本气象厅JRA-25资料,分析了1951—2008年夏季海河流域大气水汽含量的变化以及不同环流形势下的水汽输送特征,结果表明：海河流域大气水汽含量存在显著的年代际变化特征,与降水量存在显著统计相关;海河流域上空纬向水汽输送主要发生在850~700 hPa之间,经向水汽输送在850 hPa以下存在强的水汽输送带,它是海河流域水汽的主要贡献者,也是影响海河流域降水的最主要因素之一。气旋型环流和南风型环流对海河流域水汽输送有较大影响。     

中国大气中的水汽平均输送

大气中水汽平均输送的计算公式如下:式中g为重力加速度,q为某气压层上的平均比湿,p_0和p_10分别为地表和100毫巴等压面上的大气压,V为给定时间内该地区的平均风速。若设U是纬向风速,v是经向风速,则: 大气中水汽的纬向输送为 大气中水汽经向输送为 本文利用了全国10O余个探空站(1961—1970)10年的平均资料,计算了如下一些量: 1.我国上空850毫巴、700毫巴、500毫巴高度上每月和全年的水汽输送; 2.每月和全年水汽的纬向输送; 3.每月和全年水汽的经向输送; 4.整层大气中每月和全年的水汽总输送量和输送方向。     

沈阳城区一次暴雨过程的水汽条件分析

利用Micaps实况资料、东北区域中尺度数值模式分析场资料和常规观测资料,对2013年8月16日沈阳城区暴雨的水汽条件进行了分析。结果表明：850 hPa以下城区上空水汽含量占整层的80％以上,地面比湿呈现快速增加后减少的变化,比湿峰值对应的并不是强降水的最强时刻。强降水发生前,城区地面周围的湿度分布不均匀,水汽输送主要以南北向为主。比湿的迅速增加主要是由于降水前风向和风速的快速变化,其中主要是南风分量的贡献。城区上空垂直方向上水汽主要是850 hPa向上输送,850 hPa以下输送强度逐渐减弱。伴随着强降水的开始,水汽的垂直输送转为高度层越低,输送强度越大。强降水发生时,地面U、V方向上水汽通量快速减小。强降水发生后,地面和高空水汽输送均发生了变化。大气可降水量与降水量之间具有一定的对应关系,可降水量的大小主要是取决于水平水汽通量辐合的大小,水汽局地变化对可降水量的贡献较小。水汽通量的辐合、辐散的大小主要取决于水平风场引起的辐合、辐散的大小。     

青藏高原夏季TBB场与水汽分布关系的初步研究

通过对比分析 1998年夏季各月青藏高原及周边地区GMSTBB及由HLAFS资料计算的湿度(T -Td、θse)和水汽通量平均场 ,指出 :TBB场展示的云区及无云或少云区可以直观地揭示出大气中湿、干区的分布 ,准纬向和准经向TBB低值带分别指示出大气中的水汽汇合区和水汽输送带。据此 ,由 17年夏季TBB总平均场分析得到 :青藏高原上空为北部较干、南部很湿 ,并且南部湿区中又是中、东部较湿和嵌入有两个湿中心区 ,西部较干 ;高原上的水汽来自孟加拉湾和阿拉伯海 ,并且主要从 85°～ 95°E一带中的某些有利地区涌上高原     

临近绿洲的沙漠上空近地面层内水汽输送特征

1991年7月在HEIFE实验区沙漠站进行了一次水汽输送观测实验。观测发现近地面层内比湿廓线常常出现极小值，该极小值高度为零水汽通量面的高度。这个高度以上水汽向下输送，廓线呈逆湿特征，这个高度以下水汽向上输送，廓线呈蒸发特征。沙漠上空近地面层内水汽不是常通量，在一个固定高度上观测到的水汽通量和“潜热通量”不能代表地面的蒸发量和潜热通量。     

西藏地区GPS水汽资料与降水量之间的对比分析

利用2008年7月份西藏地区地基GPS遥感大气水汽总量的观测资料,研究了大气水汽总量与日平均温度、相对湿度和降水量的关系。研究结果表明：1海拔高度对站点上空水汽总量的影响比较明显,一般情况下海拔越高水汽总量越低;其次高原上某地的降水转化率高低与该地所处的长期天气背景有关2．水汽总量值与实际降水量的大小之间并不是一种简单的正比关系,水汽梯度值和水汽源源不断地输送对降水量的大小有重要影响。3．日平均温度和GPS大气可降水量跟相对湿度之间呈反相关;降水往往出现在高温高湿后面,这种现象可以用湿旋转效应解释;最低温度跟GPS大气可降水量之间有良好的正相关。     

西藏地区GPS水汽资料与降水量之间的对比分析

利用2008年7月份西藏地区地基GPS遥感大气水汽总量的观测资料,研究了大气水汽总量与日平均温度、相对湿度和降水量的关系。研究结果表明:1海拔高度对站点上空水汽总量的影响比较明显,一般情况下海拔越高水汽总量越低;其次高原上某地的降水转化率高低与该地所处的长期天气背景有关2.水汽总量值与实际降水量的大小之间并不是一种简单的正比关系,水汽梯度值和水汽源源不断地输送对降水量的大小有重要影响。3.日平均温度和GPS大气可降水量跟相对湿度之间呈反相关;降水往往出现在高温高湿后面,这种现象可以用湿旋转效应解释;最低温度跟GPS大气可降水量之间有良好的正相关。      

沙漠-绿洲大气边界层结构的数值模拟

利用美国NCAR新版中尺度MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的模拟方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。结果表明：在没有西风气流背景的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是对称的。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区环流结构及温、湿场的分布,绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气冷干,沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘形成了由干到湿的强湿度梯度带围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。在有西风背景气流的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是非对称的。但是,西风背景气流的存在可以破坏绿洲系统对称的环流结构,不利于绿洲系统的稳定发展。     

应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量

利用2000年6月1日～8月11日北京地区地基全球定位系统(Globe Positioning System)网遥感大气总水汽量试验的观测资料,分析了北京地区夏季大气总水汽量的时空变化,研究了大气总水汽量与日平均温度、地面水汽压和降水的关系.研究结果表明:大气总水汽量存在明显的时空变化,对于地理位置基本相近的台站,海拔高度的影响比较明显,一般情况下高山站的水汽总量低于平原站;在晴天,地面水汽压与大气总水汽量有较好的相关性,而在云雨日,由于高低层大气湿度的变化常常不同步,用地面水汽压估算的大气总水汽量具有较大的偏差;大气总水汽量短时间内的快速增加往往对应有降水过程出现,但总水汽量的大小与降水量之间并没有明显的相关,在降水预报中应综合考虑总水汽量的前期平均水平、短时的增幅和峰值大小等条件的影响.     

2004年梅雨期武汉上空水汽的演变及其与暴雨的关系

利用2004年6—7月武汉每天两个时次探空资料计算出的可降水量以及各层的比湿和相对湿度，对比分析各种水汽量的垂直分布以及逐日演变特征，探讨了2004年梅雨期武汉上空水汽的演变及其与暴雨的关系。结果表明，武汉上空大气中水汽含量随高度递减，90％以上的水汽集中在700hPa以下；7月的水汽含量高于6月；武汉上空出现整层比湿增长或中高层比湿增长可导致整层相对湿度明显增长，而且增长的幅度随高度递增；在暴雨分析预报中，分析中高层水汽演变好于分析低层水汽演变；采用整层平均相对湿度和可降水量结合分析整层水汽演变以及将中高层平均的比湿和相对湿度结合分析中高层水汽演变时，对暴雨预报均有很好的指示意义。     

中国南方春季大尺度大气水汽汇时空变化特征

用1958-2004年NCEP/NCAR再分析资料分析了中国南方春季大尺度大气水汽汇的时空变化特征。结果表明：华南中东部、广西北部-湖南西部-贵州东部地区是中国南方春季水汽汇的两个主要变异中心区。华南中东部春季水汽汇具有明显的年际和年代际变化特征,并以年代际方差占优;广西北部-湖南西部-贵州东部地区春季水汽汇以年际变化为主。华南中东部以及广西北部-湖南西部-贵州东部地区水汽汇的强度异常与东亚上空水汽输送异常导致上述地区垂直积分的水汽通量辐合的异常密切相关,当中国南方上空有西南（东北）风水汽通量距平,即西南风水汽输送增强（减弱）时,则上述地区上空的水汽汇偏强（偏弱）。     

用地面湿度参量计算我国整层大气可降水量及有效水汽含量方法的研究

根据1993年我国28个台站地面及高空气象要素资料,拟合出这28个台站所在地区整层大气可降水量同地面湿度参量(地面水汽压、地面露点)关系的经验表达式,并且在此基础上,通过引进地理纬度ψ和海拔高度H两个参量,将经验系数参数化,建立起由地面湿度参量计算整层大气可降水量的经验计算模式.另外还拟合出这些地区整层大气有效水汽含量同可降水量关系的经验表达式,提出一个先由地面湿度参量计算整层大气可降水量,再由此计算出整层大气有效水汽含量的方法.     

华南夏季大气水汽汇时空变化特征

用1958~2004年NCEP/NCAR再分析资料,分析华南夏季大尺度大气水汽汇的时空变化特征。结果表明:西南地区东部至华南北部地区、华南沿海地区是我国南方夏季水汽汇的2个主要的变异中心区。西南地区东部至华南北部地区夏季水汽汇具有明显的年代际变化特征。华南南部沿岸地区夏季水汽汇则以年际变化为主。西南地区东部至华南北部附近地区以及华南南部沿岸地区水汽汇的强弱异常变化,与东亚上空水汽输送异常而导致上述地区的垂直积分的水汽通量辐合的异常是密切相关:如果向华北或者长江流域的水汽输送增强(减弱),则华南地区得到的水汽减少(增加),导致上述地区上空的水汽汇偏弱(偏强)。     

内蒙古夏季干旱的水汽输送特征分析

对于大气中水汽的定性、定量测量是提高内蒙古干旱研究与预测的有效手段。利用NCEP再分析资料和内蒙古地区实测降水资料（1961-2000年），定性、定量地分析东亚水汽分布、水汽输送与内蒙古夏季干旱的关系。得出内蒙古地区上空低层大气的含水量偏少是内蒙古夏季干旱的一个重要因素。由于青藏高原大地形作用，孟加拉湾和南海的水汽北上受阻，不能达到内蒙古高原是形成内蒙古干旱的又一原因。受大气环流影响，内蒙古高原水汽辐合偏弱是内蒙古夏季干旱的重要原因。青藏高原的水汽通量与内蒙古东西部降水都存在明显负相关；孟加拉湾至内蒙古西部是内蒙古西部地区降水的水汽通道，南海至中国东北地区为内蒙古东部降水的水汽通道。     

由TES反演的大气水汽中δD的时空分布特征

水汽在大气中的输送具有空间上和时间上的连续性.利用水汽同位素可以更全面地分析水汽的来源、路径、水循环中各分量的再分配和补给形式,更深入地了解水循环中各种空间和时间尺度下水汽的连续变化特征和历史.本研究利用对流层发射光谱仪(TES)反演的825-100 hPa层间7个等压面上HDO和H2O数据分析了对流层不同层次大气水汽中δD的时空分布规律以及水汽中δD与大气湿度、大气温度的关系,探讨了水汽同位素与降水同位素的关系以及大尺度水循环过程对水汽同位素的可能影响.结果显示,在空间分布上,对流层大气中水汽δD具有非常明显的带状分布,水汽中δD的分布与可降水量的分布存在很好的对应关系;水汽中δD随垂直气压呈对数型递减,平均递减率由赤道向高纬度减小、陆地向海洋减小.在时间变化上,大气水汽中δD的季节变化存在地域性差别.在中低纬度陆地,水汽中δD的季节变化明显,且与可降水量的季节变化相对应;在中高纬度的许多地区,夏季水汽中δD小于冬季.对流层水汽中δD的空间分布和季节变化具有一致性特点,上对流层和下平流层间水汽中δD的空间分布和季节性变化特点与对流层相反.对流层大气水汽中的δD与层间平均温度和可降水量的相关关系具有相似的分布形势.与降水中的稳定同位素相比,水汽中的稳定同位素在空间分布、季节变化、与温度和湿度的关系上存在某些差异,反映二者在受稳定同位素分馏的影响和水循环中大气环流类型的影响方面存在明显差别.     

探空、地面及卫星资料反演水汽含量的比较

利用探空、地面等常规探测资料及卫星遥感资料计算了我国中西部地区2007年6月—2008年5月间水汽含量的空间分布和时间演变,结果显示:由探空资料计算的整层大气水汽含量的空间变化,总体形势是,纬度低的地区水汽含量多,纬度高的地区水汽含量少;各探空站上空水汽分布的季节演变规律比较一致,夏季水汽含量最大,冬季最小,春秋季节基本相当。根据探空资料建立地面水汽压与大气总水汽量的经验关系,利用地面站资料确定水汽分布,与同时次探空站资料估算的水汽场相比,两者分布趋势基本一致。利用FY-2C卫星的可见光和红外分裂窗通道资料,建立反演大气水汽含量的回归关系式,与探空资料计算的结果相比,总体上变化趋势较一致。     

导致“7.21”特大暴雨过程中水汽异常充沛的天气尺度动力过程分析研究

2012年7月21日北京发生了历史罕见的特大暴雨,最大累计降水量达到541 mm,最大雨强100.3 mm/h,强降水持续10多个小时,造成了巨大的损失。使用常规观测资料和NCEP再分析资料在讨论环境大气湿度条件与特大暴雨关系的基础上,分析了实现充沛的水汽远距离输送到华北并在北京上空积累的天气尺度动力过程及其形成的原因。结果表明,“7.21”特大暴雨产生在大气异常潮湿的环境中。在暴雨发生时,比湿最大值达到19 g/kg,而且,对流层中下层的比湿比北京区域性暴雨历史个例高40%。产生长时间强降水的重要原因是边界层以上高湿的特征在暴雨产生的过程中一直维持。充沛的水汽被一支从低纬度一直贯通到40°N附近的低空偏南气流从孟加拉湾和中国南海向北输送。偏南风持续增大形成低空急流,增大了水汽的输送。而且,随着急流核向东北方向移动逐渐靠近北京,在北京上空对流层低层产生了-17.7 g/（hPa·m²·s）异常强烈的水汽通量辐合。同时,高空强烈辐散与低空辐合的耦合不断加强,不仅增加了低层水汽在暴雨区汇集,而且也通过增强垂直速度将更多的潮湿空气向上输送,使高层大气湿度增大。通过上述两个天气尺度动力过程,实现了水汽的远距离输送,并在暴雨区上空强烈辐合,导致北京地区水汽异常充沛。输送水汽的偏南风持续增大的原因主要有两个：一是台风外围环流的影响;二是在海上副热带高压稳定维持的情况下,大陆上低压加强、东移,造成东西向气压梯度增大,在地转偏向力的作用下,南风增强。最后,得到了实现水汽远距离输送的天气尺度动力过程机理模型。     

我国东部夏季大气中的水汽通量散度场

根据已经算得的1959年6、7、8月我国东部大气中的水汽输送通量,利用一种适合于计算离散点上的矢量分布散度场的程序,在电子计算机上直接算出相应月份的水汽输送通量散度场。由计算结果可以看出:水汽输送的主要辐合区,在这三个月份中是由华南到华北逐月北移的。水汽输送辐合区北移与降水区北移相一致,这一事实说明了降水分布决定于大气环流、湿度场以及环流场与湿度场的配置。