拉格朗日方法诊断2007年7月中国东部系列极端降水的水汽输送路径及其可能蒸发源区

以2007年7月中、下旬中国中东部地区系列极端降水为研究对象,分别以NCEP/NCAR分析资料和中尺度气象模式(WRF)模拟输出驱动拉格朗日三维粒子输送模式(FLEXPART),通过对极端降水有贡献的大气粒子群(气块)的后向轨迹,诊断了极端降水事件的水汽输送路径及其可能蒸发源区,并定量估算了不同水汽源区对降水事件的相对贡献大小。结果表明,极端降水事件的水汽输送可以向上游追溯到阿拉伯海和西亚地区,青藏高原的地形和副热带高压对水汽输送路径具有重要影响。源于热带和副热带低纬度地区的气块在到达降水区域之前,经历了多次的降水和蒸发过程,其中,阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛的缅甸以及中国西南部的川、滇等地区都是水汽的蒸发源区,上述所有源区为极端降水事件贡献了约80%的水汽。但是,不同水汽源区的相对贡献计算结果发现,陆地蒸发对水汽贡献相对重要,尤其是中南半岛的缅甸、中国的川、滇等地区的地表前期蒸发对这次极端降水的贡献超过了40%,这表明上游地区前期的土壤湿度异常可能对极端降水的发生具有重要的指示意义。     

三江源及其周边地区多源水汽资料对比检验

采用三江源人工增雨工程建设的35通道微波辐射仪、全球导航卫星系统气象观测(GNSS/Met)、L波段探空系统以及美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料,经多源连续监测和计算大气水汽含量,对比检验多源数据的差异性和影响因素,了解多源大气水汽含量在三江源及其周边地区的适用性。文中以L波段探空计算的大气水汽含量为基准值进行检验,结果表明GNSS/Met反演的大气水汽含量与基准值保持一致,总偏差为1. 45 mm,不受温度、降水、季节、地区的明显影响,可代表三江源及其周边地区的大气水汽特征; NCEP大气可降水量总趋势与基准值比较一致,其值明显偏小,仅为基准值的69%,且随降水越大偏差增大,温度、地区、季节对其有明显影响;微波辐射仪能代表无降水或弱降水条件下的大气水汽特征,其值明显偏大,且受温度、液态水含量等多种因素影响。对三江源及其周边地区的旬大气水汽分析表明,三江源核心区大气水汽含量差异较小,从东到西呈波谷型分布;周边地区分布差异巨大,东边最高,西边最低,此分布特征与地理位置、地形和年内天气过程等密切相关。这些监测数据的对比检验和分析为三江源及其周边地区的云水资源精确定量评估起到基础性作用,也为改善人工增雨(雪)技术和保护当地生态环境起到关键性作用。     

1971—2010年三江源地区水汽输送变化分析

在利用三江源地区及邻近区域探空资料对NCEP/NCAR I再分析资料进行适用性分析的基础上,采用1971—2010年再分析资料的逐日风场和比湿数据,分析三江源地区水汽输送的变化。结果表明:1971—2010年,经向流入三江源地区的水汽显著减少,使区域总水汽收支也呈显著减少趋势。水汽通量在1970年代和1980年代的变化相对较小,在1990年代和2000年代的变化幅度则较大。三江源地区总水汽收支在春季、夏季和秋季均呈明显减少趋势,冬季则无明显变化。三江源地区水汽输入明显减少,特别是6月和9月显著减少,对该地区降水形成不利。     

基于FLEXPART模式对黄河源区盛夏降水异常的水汽源地及输送特征研究

依据近10年黄河源区流域气象台站的降水观测资料,提取夏季降水最强月对应的异常特征,利用拉格朗日粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART),针对目标时段开展大气粒子群(气块)的后向模拟,着重分析了流域内降水正负异常状态下的水汽输送特征及其差异,并评估各水汽源地对流域内三类降水的贡献。结果表明,以“S”型跨赤道输送(“由阿拉伯海至孟加拉湾和印度半岛再由青藏高原西南侧进入黄河源区”)和“几”型输送(“由南中国海经长江中下游平原后途径四川盆地再进入黄河源区”)为代表的南支路径是2012年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径;而以东、西风急流作用下的两条远距离输送(“由南中国海至孟加拉湾和印度半岛东北部附近后再经由青藏高原西侧或北侧进入黄河源区”以及“由欧洲平原东部和中亚地区进入青藏高原西侧或北侧后到达黄河源区”)为代表的北支路径是2015年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径。在对气块后向模拟追踪的同时,对其运动过程中的比湿变化进行了对应经纬度网格的空间平均,变化特征显示出喜马拉雅山南麓、四川盆地周边、孟加拉湾和青藏高原北侧是黄河源区流域降水对应的潜在水汽源地。由定量评估贡献率的结果可知:青藏高原北侧的广大干旱及半干旱草原地区是2015年7月黄河源区降水的最主要水汽来源,其贡献率高达52.9%;而在2012年,三个主要源地的贡献率差异远不及2015年显著;无论对应何种类型的降水,青藏高原西南部和北侧提供了黄河源区主要可供降水的外来水汽。     

我国东部持续性暴雨水汽输送特征的比较分析

基于武汉市加密站的降水量资料和ERA5再分析资料,对2020年7月5—6日发生在武汉江夏的一次特大暴雨过程的水汽通量、水汽收支进行分析,并引入拉格朗日混合单粒子轨道模型(HYSPLIT4)定量分析暴雨过程中的水汽来源以及水汽源区对降水的贡献。结果表明：(1)天气系统的有效配置和异常稳定是本次江夏特大暴雨产生和维持的主要原因。(2)特大暴雨所需水汽主要由南边界和西边界输入暴雨区,低纬度印度夏季风环流和副高外沿的偏南气流对水汽的输送和聚集是此次特大暴雨得以发生发展的必要条件,两支环流中偏南气流带来的水汽净流入是暴雨区水汽净收支的主要贡献者。(3)定量估算结果表明,水汽源地可追踪至印度洋、孟加拉湾-南海和西太平洋,对此次特大暴雨事件的水汽贡献率分别是24%、41%和34%。(4)对流层低层的水汽通道和源地发现925 hPa以南方路径为主,其水汽来源大值区为西太平洋和南海,而850 hPa则以西南路径为主,其水汽来源大值区位于印度洋和孟加拉湾。

     

三江源区域夏季降水异常的水汽输送及源地特征的研究

三江源作为中国长江、黄河、澜沧江三条大河的发源地,其水汽来源和输送对于下游地区的天气和气候具有重要影响。根据1994-2019年三江源地区的夏季降水数据表明,三江源地区的夏季7月降水量表现为多次的正负异常交换特征,正异常最强的为2012年（+1290 mm）,负异常最强的为2015年（-802 mm）。本研究在此异常时段采用基于拉格朗日方法的FLEXPART模式进行模拟,后向追踪在研究时段内所有到达三江源区域的气块,着重分析了三江源在降水异常时段的水汽输送特征和水汽源地并评估了不同水汽源地对三江源区域内降水的贡献率。结果表明：三江源的水汽输送通道主要为南北两支,在降水正异常时段通过南支输送从青藏高原北侧、西侧和南侧进入三江源为主,在降水负异常时段通过北支输送从青藏高原北侧进入三江源为主,三江源的降水量越小,南支输送越弱,北支输送越强。三江源的潜在水汽源地对三江源区域内降水贡献最为重要的是青藏高原北侧,其次是青藏高原西侧和三江源本地,还有部分源地为青藏高原南侧、阿拉伯海和孟加拉湾。青藏高原北侧在三江源降水负异常期间对三江源降水的贡献率有所增加,而其他水汽源地的贡献率减小。     

拉格朗日方法诊断2007年7月中国东部系列极端降水的水汽输送路径及其可能蒸发源区

利用HYSPLIT模式和GDAS资料,对南疆西部1981—2020年暖季(4—9月)16例暴雨(平原、山区)后向水汽轨迹追踪、主要通道及不同源地的水汽贡献进行了分析。结果表明：水汽主要源自西南亚、中亚、地中海和黑海及其附近、大西洋及其沿岸;平原区850 hPa还有源自南疆和北疆的水汽。500 hPa水汽主要从偏西通道输入暴雨区;源自西南亚和中亚的水汽对暴雨的贡献较大,损失也较大。对流层低层水汽主要从偏西和偏东2个通道输入暴雨区;700 hPa各通道及各水汽源地对暴雨的贡献,不同区域存在差异;平原区暴雨850 hPa偏东通道对暴雨的贡献最大,各源地水汽沿途损失较小,北疆源地对暴雨的贡献最大。平原区源自西南亚、中亚、南疆和北疆的水汽主要输送至700 hPa及以下,源自地中海和黑海附近、大西洋及其沿岸的水汽主要输送至700 hPa以上的高度;500 hPa上,平原区暴雨从＞2 000 m的高度输送的水汽占主导地位,山区则相反。在南疆西部暴雨中存在南疆和北疆的水汽源,在特定条件下,有北美洲、北非的水汽源,与以往的研究成果不同。

     

三江源区湿地变化对区域气候影响的数值模拟分析

利用区域气候模式(RegCM3)敏感性数值试验模拟"三江源"地区湿地变化对区域气候的影响。依据2000年美国EOS/MODIS遥感数据解译结果以及1990年1∶100万青海省土地利用2种资料中三江源区湿地资源的分布状况,敏感性数值试验采用R1、R2两种湿地覆盖情景,分别代表三江源地区湿地资源较广布和湿地面积锐减后的两种情景,对三江源地区的降水和气温进行了长达15年的积分试验。结果表明,湿地减少对三江源区气温和降水的总体效应是使降水减少、气温升高。区域空间分布的分析表明:年降水量减少幅度较大的区域位于三江源区西部,15年平均减少40～90mm左右;年平均气温升高幅度最大的区域位于三江源区西北部,15年平均升高0.4℃以上。15年积分结果的时间序列分析结果表明:湿地减少后三江源区的增温效应会随着时间进程缓慢扩大,但降水在模拟的后6年不再有明显差异。     

三江源地区暴雨的水汽输送源地及路径研究

利用NCAR/NCEP再分析数据,首先分析了 2018年7月22-23日(简称"0722")和8月2-3日(简称"0802")三江源地区两次暴雨天气过程的天气形势和水汽输送特征,然后用WRF模型输出数据驱动HYSPLIT模型,定量分析两次暴雨的水汽输送路径及各路径的水汽贡献率.研究表明:两次暴雨的主要影响系统均为三江源...     

黄河源区干湿演变条件下的水汽输送特征研究

基于"黄河源区玛曲-若尔盖土壤温湿监测网络"自2008年观测以来至2017年的观测资料,通过分析多层土壤湿度异常百分比指数SMAPI(Soil Moisture Anomaly Percentage Index),捕捉10年来该地区的干湿演变过程,并利用再分析数据资料NECP FNL(National Centers ...     

三江源地区水汽输送的时空变化特征及其机理研究

利用ERA5小时再分析资料分析了1981~2019年三江源地区水汽总量和水汽通量的时空演变规律及其可能成因。结果表明：三江源地区平均水汽总量和水汽通量的空间分布总体呈东南向西北递减的态势;其中,7月水汽表现出明显的异质性,对应平均水汽总量在可可西里和黄河源区的两个高值中心,平均水汽通量则恰好是两个低值区,该月水汽输送在曲麻莱、清水河一带和久治形成两个辐合区;近39年,平均水汽总量与平均水汽通量的经向输送呈增多趋势,但夏季平均水汽通量纬向输送的显著减少导致了其年值的减少;而平均水汽总量与平均水汽通量的年内分配分别呈“单峰”型、“双峰”型分布;西风环流减弱、高原夏季风以及南海夏季风增强,有利于水汽总量的增加和经向输送,而夏季高原热力作用则对水汽经向输送起到一定的扰动作用。     

华南地区5月降水的水汽特征分析

利用国家气候中心的降水资料及NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海温资料分析了华南地区5月降水的主要水汽通道及变异机制。发现异常多雨年的水汽主要来自南海、孟加拉湾和青藏高原南侧;异常少雨年则因西太平洋副热带高压(简称副高)偏东,来自南海的水汽缺失,只有来自孟加拉湾和高原南侧的两股水汽,因而南海的水汽是影响华南地区5月降水的重要因素。分析发现当北太平洋的准东西向海温异常是"负正负"分布时,南海地区为异常的反气旋性环流,有利于副高西伸加强;北太平洋海温距平为"正负正"异常分布时,南海地区为异常的气旋性环流,副高东退减弱。此外,北方南下冷空气的阻挡使得季风北界位置偏南,冷空气和季风在华南地区交汇导致5月降水异常增多。     

基于HYSPLIT4的一次四川盆地夏季暴雨水汽路径和源地分析

利用四川省156站气象资料、全球同化系统(GDAS)资料,引入拉格朗日混合单粒子轨道模型(HYSPLIT4),定量分析了2013年7月7—11日四川盆地西部暴雨的水汽输送情况。结果表明：此次暴雨过程的水汽主要来自950和850 hPa,并且两者的水汽路径和来源有着显著差别。后向追踪1天,950和850 hPa的水汽来源大值区都出现在四川盆地区;追踪3天,950 hPa的水汽来源大值区仍然在四川盆地附近,但是850 hPa上则追踪到孟加拉湾东部;追踪到9天时,950 hPa的水汽主要来源出现在阿拉伯海到我国南海地区,850 hPa上则追踪到索马里半岛东部。总体上950 hPa的水汽输送路径有五条,其中两条是北方路径,另外三条为南方路径。850 hPa的水汽输送路径有两条,一条是北方路径,另一条是南方路径。定量分析指出,950 hPa的水汽源地主要有四个,其中阿拉伯海—孟加拉湾地区的水汽输送贡献率最大（44.1%）,中南半岛—南海地区的水汽贡献率次之（33.1%）,巴尔喀什湖地区（15.7%）和贝加尔湖地区（7.1%）的水汽贡献率相对较弱。850 hPa上的水汽源地也有四个,其中从阿拉伯海地区,沿南亚夏季风爆发路径而来的暖湿空气最重要（89.4%）,其次从西北部巴尔喀什湖—贝加尔湖地区而来的干冷空气相对较弱（6.3%）,而来自孟加拉湾（3%）和局地（1.3%）的水汽则非常少。     

ATOVS卫星资料同化对三江源暴雨预报影响的试验研究

选取3个三江源的典型降水个例(2018年6月30日、7月5日、8月24日),利用NCEP FNL再分析数据,并加入ATOVS湿度探测器MHS资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域3次降水过程进行循环同化试验,分析3次事件的模拟状况,并定量分析降水结果。结果表明,3次降水事件在加入MHS资料同化后,1)模拟的水汽增大,在中层体现最明显且更符合实际情况,高空水汽和风模拟较好,地面温度预报欠佳;2)MHS资料对降水预报的影响主要体现在降水区面积和降水量的增大,提高了降水预报水平,但也带来较多空报区域;3)从TS、ETS、POD评分结果来看,有两个降水试验的提升较为明显,其中“0630”试验TS评分结果在0.5～10 mm之间提升了0.05～0.1,ETS在5 mm提升超过0.08,在10～20 mm之间也有少量提升,POD检验在0.5～20 mm之间均有提升,在0.5～10 mm之间提升最为明显,提升了0.1～0.25,“0824”试验TS与ETS在10～20 mm之间提升超过0.1,POD检验在6～20 mm之间提升了0.1～0.4,同化后降水预报有所改善,且在大阈值降水尤为明显;4)MHS资料同化对“0705”试验降水预报改善不明显,说明同化并不是每次都能给结果带来正效应,因此在使用MHS资料时不能过于信赖它,但总体上,同化MHS资料能够提升预报质量。     

SWAT模型在三江源地区适用性的初步分析

为验证SWAT模型在三江源地区运用的可行性,利用SWAT模型对黄河源头地区的地表径流进行了模拟,结果表明：SWAT模型在三江源地区水文水资源模拟是可行的,模拟结果与实测结果具有良好的一致性,对未来气候变化背景下水资源变化预测结果与其他研究结论基本一致。SWAT模型在三江源地区可运用于水文水资源的利用及管理、气候变化背景下水资源的变化模拟、洪水短期预报、人工增雨对水资源的影响、冰雪消融对河流水文特征的影响。由于区域环境特点,在使用SWAT模型时,必须解决气象站点稀缺、流域面积过大且分属不同流域、验证资料缺乏、冻土层的存在、地理信息系统资料陈旧等问题。总体而言,SWAT模型在我国高原地区有一定推广及应用价值。     

基于拉格朗日法的水汽输送气候特征分析——江淮梅雨和淮北雨季的对比

利用基于拉格朗日方法的轨迹模式（HYSPLIT_4.9）,结合海量气块追踪分析法,对比了江淮梅雨和淮北雨季平均水汽输送特征,从水汽来源及源地贡献方面探讨二者的相对独立性,对比两雨季降水异常年水汽输送特征。结果表明,气候态上,江淮梅雨的水汽输送主要来自印度洋、太平洋、孟湾—南海,其中来自印度洋的水汽输送贡献最大,超过50%;淮北雨季来自印度洋、欧亚大陆、孟湾—南海、太平洋的水汽贡献差异不大,但与江淮梅雨的水汽源地对比,淮北雨季来自印度洋的水汽输送贡献少20%,而欧亚大陆偏多19%。对比降水异常年发现,来自印度洋、孟湾—南海以及欧亚大陆水汽贡献的变化对江淮梅雨和淮北雨季降水异常有重要影响。江淮梅雨偏多年,印度洋的水汽输送贡献比梅雨偏少年减少17%,孟湾—南海则增加了11%。在淮北雨季偏多年,印度洋的水汽输送贡献比偏少年多19%,孟湾—南海和欧亚大陆的水汽输送则分别减少6%和17%。     

玛曲地区夏季强降水的环流分型及水汽轨迹分析

利用青藏高原(下称高原)东北边坡玛曲地区1967—2008年12个常规气象观测站的降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,在环流分型的基础上,应用后向轨迹模型分析了不同等级降水的不同环流型的水汽输送轨迹。结果表明:(1)暴雨发生的环流型以高原低槽型为主,大雨的发生以切变型为主。(2)暴雨的不同环流型的水汽输送轨迹差异较大,同一型暴雨不同等压面水汽轨迹较一致;大雨的不同环流型之间水汽轨迹无明显差异,同一型大雨不同等压面的水汽轨迹差异很大。(3)通过追踪不同时间长度的水汽输送的后向轨迹发现,可以用向前追踪360h的水汽输送轨迹代表玛曲地区的水汽输送,水汽轨迹以偏南气流为主。由此可见,虽然不同等级、不同环流型强降水之间的水汽轨迹存在差异,但是玛曲地区强降水的水汽主要来自印度洋-孟加拉湾和南海-孟加拉湾的偏南气流。