三种再分析资料计算青藏高原大气热源的比较

选取NCEP1、NCEP2和ERA-Interim中1981—2010年共30 a的风场、温度场和地面气压场再分析资料,利用"倒算法"计算青藏高原大气热源,对三套资料的计算结果进行了多方面比较分析,并运用Morlet小波法分析了区域平均的高原热源的时间变化特征。结果显示:(1)三套资料计算的季节平均的热源在空间分布上基本一致,夏季高原大部分地区为热源,冬季除高原西北部是热源外,其余地区为冷源。其中,ERA-Interim与NCEP1的分布更为接近;(2)三套资料均表明:就30 a平均而言,青藏高原大气为显著的热源,分布上ERA-Interim与NCEP1相似,量值上NCEP的两套资料更为接近;(3)区域平均热源的月际变化十分一致,相关系数均超过99%显著性检验。NCEP的两套资料对年际变化的描述更为一致,二者相关系数为0.88,ERA-Interim与NCEP两套资料的结果略有差距,相关系数分别为0.78和0.70;(4)整体而言,ERA-Interim资料在反映高原热源方面较优,但也要注意考察该资料给出的高原南坡强热源的真实合理性。     

三种再分析地表温度资料在青藏高原区域的适用性分析

利用气象台站观测地表温度,比较和分析了ERA-Interim、NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析地表温度资料在青藏高原的适用性.结果表明:三种再分析资料都揭示了青藏高原地表温度的基本特征,并较好地描述了高原地表温度的季节变化和年际变化特征;但三种再分析资料都比观测地表温度明显偏低,且对地表温度的长期变化趋势估计不足.比较而言,ERA-1nterim再分析地表温度产品在青藏高原的适用性最好,与观测地表温度的相关最显著,且能较好地反映高原地表温度的异常变化强度,可作为研究高原地表温度年际变化的代用资料;而NCEP/NCAR和NCEP/DOE 再分析地表温度产品在青藏高原的适用性不佳,其适用时段和适用区域需要进一步考察.     

利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度

利用三个时段的探空加密试验资料,分别采用气块法和Richardson数法来估算青藏高原及下游地区的对流边界层和稳定边界层的高度特征。结果显示:(1)高原中部对流边界层结构的出现概率高于高原东侧及下游地区,而四川盆地稳定边界层结构的出现概率远高于高原和长江中游。(2)高原中部和东侧的对流边界层高度春季高而夏季低,其中高原中部的对流边界层高度高于高原东侧;四川盆地和长江中游的对流边界层高度冬季低、夏季高,而高原东侧的对流边界层高度的变化趋势则相反;四川盆地的对流边界层高度低于长江中游。(3)高原的稳定边界层高度春季高而夏季低;冬季四川盆地的稳定边界层高度高于高原东侧和长江中游,而夏季长江中游的稳定边界层高度高于高原东侧和四川盆地,冬夏差异导致的稳定边界层高度的变化幅度在长江中游最明显,四川盆地次之,而高原东侧最小。(4)高原东侧及下游地区的平均边界层高度的日变化具有相似的演变特征,平均边界层高度在白天高夜间低,而高原中部的平均边界层高度在日出左右较低,之后随时间逐渐增高,并在晚上达到最大值;高原的平均边界层高度的日变化振幅大于下游地区,且其日变化振幅随站点海拔高度的增加而增大。     

青藏高原地区上空NCEP/NCAR再分析温度和位势高度资料与观测资料的比较分析

利用青藏高原12个探空站资料及NCEP/NCAR再分析资料,对各标准等压面上的月平均温度和位势高度资料进行了比较,结果表明:NCEP/NCAR再分析资料能够客观地反映青藏高原上空温度和位势高度多年平均的气候特征;与实际探空资料相比,在年际变化中再分析资料的温度和位势高度也具有较高的可信度;但在长期趋势变化上,再分析资料在青藏高原对流层低层存在着明显虚假的变化趋势.总之,再分析温度和位势高度资料在青藏高原气候研究中有较高的参考价值,尤其是1979年后再分析资料的质量在平流层低层得到明显的改善.     

三套位势高度再分析资料在青藏高原地区的对比分析

利用ERA40、NCEP/NCAR和JRA25再分析资料以及青藏高原（下称高原）地区的探空资料和1979年高原地区第一次气象科学试验资料,较详细地比较了高原地区位势高度的分布和变化特征。结果表明,三套再分析资料在高原地区具有一定的相似性,但仍存在明显的差别。相比较而言,再分析资料与探空资料位势高度值呈显著正相关关系,J...     

三种再分析气温降水资料在青藏高原的适用性评价

基于青藏高原61个区域级气象站的气温降水地面观测数据,对CMFD(中国区域高分辨率地区驱动数据集)、CRA(全球大气和陆面再分析资料)以及MERRA-2(大气再分析资料)数据集的日、月、季节以及年气温、降水数据进行精度对比分析,评估3套数据的准确性以及在青藏高原的适用性,结果表明：(1)3套年平均气温资料70%的R_MSE<4℃,其中CMFD拟合精度最高,2/3的站点R_MSE<2℃;CMFD和CRA对年降水的拟合精度较高,MERRA-2低估了高原中部的年降水量。(2)CMFD对季节平均气温整体拟合结果最好,尤其是气温较高的夏季和秋季;CRA在降水较为集中的夏季和秋季拟合结果最接近观测值,而在降水较少的春季和冬季CMFD拟合结果最好。(3)CMFD对月平均气温拟合结果整体上最接近观测值;月降水拟合结果与季节降水结果相似,CMFD对降水偏少月份拟合结果较好,CRA在降水偏多月份最接近观测值。(4)对61个区域站进行日尺度平均气温和降水数据精度评估,发现CMFD和CRA拟合效果最好,CMFD拟合趋势一致性好。     

青藏高原西部改则地区大气边界层特征

利用第二次青藏高原大气科学考察试验（TIPEX）改则站大气边界层物理观测资料,着重揭示了该地区边界层结构的观测事实,尤其是近地层风、温、湿特征和土壤温、湿特征。主要结果如下:（1）边界层内风速随高度呈多极值分布,即使在白天混合层内,空气上下混合也较差;（2）边界层内白天温度递减率较大,可达到1.6 ℃/100 m;（3）白天,边界层常出现逆湿现象。     

青藏高原东部及下游地区冬季边界层的观测分析

利用2007年12月的加密探空资料, 对高原东部及其下游地区的边界层结构和高原东部边界层变化对下游大气的影响进行了分析。结果表明, 冬季青藏高原东部夜间近地面逆温层可以发展到平均500 m的高度, 白天混合层可以发展到平均2000 m的高度。白天混合层内水汽和风速混合十分均匀, 在混合层发展成熟时存在十分深厚的逆湿层。冬季青藏高原下游的四川盆地, 边界层内温度日较差小, 夜间逆温层把大量地表水汽截留在近地层, 日出前近地层水汽容易达到饱和。白天, 混合层在中午发展成熟, 平均高度只有300 m。四川盆地对流层下部存在非常强的逆温层, 该逆温层是青藏高原抬升地表加热和冬季盛行西风气流形成的, 逆温层变化是青藏高原东部边界层温度日变化和局地西风变化的共同结果。逆温层显著改变大气动量、 热量和水汽的垂直分布。与对流层下部逆温相联系的中层云对辐射的影响是造成四川盆地温度日较差和混合层高度变化的原因。     

青藏高原东部及下游关键区大气边界层高度的观测分析

利用2007年12月10-24日在红原、温江和宜昌同步观测的3小时加密探空资料,分析了青藏高原东部及下游关键区大气边界层位温廓线日变化特征,以及对流边界层高度和稳定边界层高度的变化特征.分析结果表明,不同地形位温廓线具有相同的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,而稳定边界层在夜间出现和发展;对流边界层的发展史和发展高度与海拔高度有关,高海拔地区对流边界层的发展史较短但发展高度较高,而低海拔地区对流边界层的发展史较长但发展高度较低;稳定边界层的发展史和发展高度也与海拔高度有关,高海拔地区稳定边界层的发展史较长且发展高度较高,而低海拔地区稳定边界层的发展史较短且发展高度较低;对流边界层的最大发展高度多出现在地方时17时,而稳定边界层的最大发展高度多出现在地方时02时;红原、温江和宜昌的对流边界层高度分别可达4 930 m、1 000 m和710 m.而其稳定边界层高度分别可达1 100 m、920 m和650 m.     

多套土壤温湿度资料在青藏高原的适用性

利用青藏高原中部和东部土壤温度和湿度观测资料,通过计算两套再分析资料(ERA-Interim和CFSR)和六套陆面模式资料(ERA/land、MERRA/land、GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM、GLDAS-M OSAIC和GLDAS-VIC)分别与观测资料之间的平均偏差、偏差标准差、相关系数、标准差比等统计参数,结合Brunke排名法,综合评估了再分析资料和陆面模式资料中土壤温湿度数据在青藏高原的适用性。结果表明:对于土壤温度,CFSR与观测值最接近,其次是MERRA/land和GLDAS-CLM,而ERA-Interim和ERA/land与观测值相差较大;除GLDAS-CLM土壤温度比观测值偏高外,其他资料土壤温度在大部分站点比观测值偏低,其中ERA-Interim和ERA/land土壤温度比观测值偏低较多,部分站点平均偏差超过-20℃。对于非冻结期(5 10月)土壤湿度,GLDAS-CLM与观测值最接近,其次是GLDAS-NOAH或ERA-Interim;与观测值相比,CFSR、ERA-Interim和ERA/land的土壤湿度偏湿,平均偏差大部分在0.05~0.20 m3·m-3之间,而GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM和GLDAS-M OSAIC的土壤湿度偏干。     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

1979—2013年ERA-Interim资料的青藏高原低涡活动特征分析

为分析青藏高原低涡活动特征,利用1979—2013年ERA-Interim再分析资料500 hPa高度场,基于气旋客观识别和追踪算法得到青藏高原及其附近地区低涡路径,同时利用客观分析方法对500 hPa温度场进行分析得到低涡的冷暖性质,从而得到一套青藏高原低涡活动的资料。对高原低涡的频次、强度、持续时间、地理位置和移出高原等特征分析结果表明,35年间青藏高原上活动的系统主要为高原低涡,年均约53个,其中,年均6.7个高原低涡移出青藏高原;高原低涡持续时间从少至多呈指数减少,强度和冷暖性质的出现频次均呈正态分布,初生的高原低涡以暖涡居多,占81%。高原低涡发生且强度较大主要在青藏高原的汛期(5—9月),高原低涡源地主要在西藏那曲地区西部和阿里地区北部,消亡地主要位于源地高频中心东侧的唐古拉山地区和青海西部当曲河流域,高原低涡的消亡可能受地形影响。近35年来高原低涡生成频次呈不显著减少趋势(－2个/(10 a));移出高原低涡数(－1.4个/(10 a))和高原低涡移出率(－2.3%/(10 a))均显著减少。     

盛夏青藏高原低涡发生发展的初步研究

青藏高原低涡(Tibetan Plateau Vortex,TPV)是造成我国暴雨的重要天气系统之一。基于1979—2016年ERA-Interim逐日再分析资料,通过客观识别方法,对TPV进行筛选,并以部分年份的TPV与《青藏高原低涡切变线年鉴》 (以下简称年鉴)中的TPV进行了对比分析。主要得到如下结果：(1)客观识别TPV与年鉴TPV的平均吻合率为66.2%;其频数和中心位势高度与年鉴TPV的呈显著相关。(2)近40 a的TPV频数呈显著增加趋势,年均56.3个,存在准6 a和准10 a周期。(3) TPV中心位势高度呈正态分布,其持续时间呈指数减少趋势,其频数、持续时间和中心位势高度均呈夏强冬弱。(4) 33°—36°N,80°—90°E是TPV出现的高频带,其高频轴线位于35°N附近,那曲地区西部和阿里地区北部是其高频中心;西部涡、中部涡和东部涡分别占TPV总数的32.6%、46.0%和21.4%;东移型、准静止型和西移型TPV分别占TPV总数的61.4%、34.3%和4.3%。(5)基于该识别方法建立的TPV数据集,可为进一步开展TPV研究提供重要参考依据。

     

不同的边界层参数化方案对江淮一次暴雨过程数值试验研究

利用WRF模式分别耦合YSU、MYJ、ACM2和MRF边界层参数化方案对长江中下游地区2013年7月的一次暴雨个例进行模拟实验。为了检验边界层参数化方案的重要性,研究使用无边界层方案(NOPBL)的WRF模式对这次暴雨进行了模拟。通过与实测数据进行对比和分析,本文检验了这五种不同的实验设计对降水落区、总量、基本气象要素的模拟能力。综合模拟结果表明,不同的边界层参数化方案模拟的结果不同。不论是否使用边界层参数化方案,均能模拟出雨带的基本走向,但不同的方案对降水中心强度及位置的模拟与实况相比有差异。NOPBL产生了最大的偏差,ACM2和MRF次之,MYJ的方案对于小雨与大雨的模拟最优,而YSU对不同强度暴雨模拟的正确率都较高。通过物理量分析对比,MYJ方案较优的原因是:1)风场检测,MYJ方案的模拟结果更接近观测值;2)850 hPa水汽通量散度检测,MYJ方案能够模拟两支水汽输送通道。一支以偏西南风为主,在急流出口区有较强的南风风速辐合,使得从西南方向来的水汽向暴雨区辐合;另一支将偏东水汽向西部输送,保证暴雨区局部辐合。3)垂直速度检测,MYJ,YSU方案模拟的垂直运动中心与降水落区相近,但YSU模拟上升速度偏大,相对而言MYJ方案更合理。     

青藏高原近期气候变化研究进展

本文对近期关于青藏高原地区气候变化的研究进行了回顾。结果表明,在过去的几十年间,青藏高原地区的气候发生了明显的变化。主要表现为:1)温度呈上升趋势;降水和积雪呈增加趋势,多年冻土呈退化状态;温度和降水的变化不仅有季节性的差异,还存在区域性的差异。2)区域气候模式RegCM对青藏高原地区温度和降水有一定的模拟能力,但存在系统性的误差。文中还对在青藏高原气候变化方面的研究不足进行了讨论。     

Validation and Application of Reanalysis Temperature Data over the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau has substantial impacts on the weather and climate of the Northern Hemisphere,due in large part to the thermal effects of the plateau surface.Surface temperature over the Tibetan Plateau is the most important parameter in determining these thermal effects.We present a method for verifying widely used reanalysis temperature products from NCEP-R2,ERA-Interim,and JRA-25 over the Tibetan Plateau,with the aim of obtaining a reliable picture of surface temperature and its changes over the plateau.Reanalysis data are validated against the topography elevation,satellite observations,and radiosonde data.ERA-Interim provides the most reliable estimates of Tibetan Plateau surface temperature among these three reanalyses.We therefore use this dataset to study the climatology and trends of surface temperature over the Tibetan Plateau.ERA-Interim data indicate a dramatic warming over the Tibetan Plateau from 1979 to2010,with warming rates of 0.33℃ per decade in annual mean temperature,0.22℃ per decade in summer and0.47℃ per decade in winter mean temperatures.Comparison with the results of previous studies suggests that surface warming over the Tibetan Plateau has accelerated during the past 30 years.This warming is distributed heterogeneously across the Tibetan Plateau,possibly due to topographic effects.     

藏北那曲地区大气边界层特征分析

利用“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验”(CAMP／Tibet)2002年8月预试验期间(PLOP)藏北高原观测站(BJ站和安尼站)的无线电探空仪的探空资料,分析了藏北那曲地区的大气边界层位温、比湿、风速的日变化特征及稳定边界层和对流边界层特征。结果表明,藏北那曲地区边界层日变化大,对流混合层高度最高可达1800m,下雨天形成对流边界层的时间晚于阴天和晴天的时间。