藏北高原地面辐射收支的初步分析

利用“全球能量与水循环亚洲季风之青藏高原试验”GAME／Tibet(GEWEX Asian Monsoon Experiment in the Tibetan Plateau)1998年加强期(IOP)观测资料,分析研究了藏北高原地区草甸下垫面在季风前、季风中、季风后的太阳短波向下辐射、大气长波向下辐射、地面长波向上辐射、地面短波向上辐射、净辐射及地表反射率等特征,得到了藏北高原地区草甸下垫面辐射特征的新认识。     

藏北高原地表反照率的初步研究

基于中日合作项目“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”(CAMP/Tibet)在藏北高原D105站、Amdo站、MS3478站以及BJ站的观测数据资料,分析了该地区地表反照率的时空分布特征。结果表明:藏北高原地区的地表反照率具有明显的日变化和月/季节变化特征。冬、春季的日变化曲线呈“U”形,且曲线形状的变化不如夏、秋季大。6~9月的月平均反照率在全年中最低,5月份月平均反照率波动较大。从季节平均值来说,冬季>春季>秋季>夏季。该地区的平均地表反照率为0.2457;反照率的空间分布很不均匀,其值的大小、曲线的形状在不同站点都很不一样,这与站点的地理位置有关,但天气状况和下垫面属性也起了很大的作用。     

Diurnal variation in the occurrence frequency of the Tibetan Plateau vortices

A diagnostic study is made on the diurnal variation in the occurrence frequency of the Tibetan Plateau vortices (TPVs) in four local time (LT) periods of a day (06–12 LT, 12–18 LT, 18–00 LT, 00–06 LT) using the data from May to September in 2006–2008. The occurrence frequency of the TPVs shows a robust diurnal variation with its maximum from evening to midnight (18–00 LT) and minimum from early morning to noon (06–12 LT). The physical processes in association with the diurnal variation of the TPVs are revealed. Both large-scale circulations and condensational latent heat induced by the precipitation system have important effect on the diurnal variation of the TPVs’ occurrence. In the evening at 18 LT, there are strongest convergence at 500 hPa and divergence at 200 hPa. Meanwhile, the largest water vapor is transported to the main body of the Tibetan Plateau, and the stratification is unstable, which are conducive to the strongest convection and condensational latent heat release accompanied with the largest precipitation system. All these conditions are responsible for the maximum occurrence of the TPVs in 18–00 LT. On the contrary, at 06 LT the weakest convergence at 500 hPa and divergence at 200 hPa as well as the stable stratification result in little latent heat release, and the minimum occurrence of the TPVs is observed in 06–12 LT.     

Air Temperature Estimation with MODIS Data over the Northern Tibetan Plateau

Time series of MODIS land surface temperature(T_s) and normalized difference vegetation index(NDVI) products,combined with digital elevation model(DEM) and meteorological data from 2001 to 2012,were used to map the spatial distribution of monthly mean air temperature over the Northern Tibetan Plateau(NTP). A time series analysis and a regression analysis of monthly mean land surface temperature(T_s) and air temperature(T_a) were conducted using ordinary linear regression(OLR) and geographical weighted regression(GWR). The analyses showed that GWR,which considers MODIS T_s,NDVI and elevation as independent variables,yielded much better results [R_(Adj)~2 0.79; root-mean-square error(RMSE) =0.51℃–1.12℃] associated with estimating T_a compared to those from OLR(R_(Adj)~2= 0.40-0.78; RMSE = 1.60℃–4.38℃).In addition,some characteristics of the spatial distribution of monthly T_a and the difference between the surface and air temperature(T_d) are as follows. According to the analysis of the 0℃ and 10℃ isothermals,T_a values over the NTP at elevations of 4000–5000 m were greater than 10℃ in the summer(from May to October),and T_a values at an elevation of3200 m dropped below 0℃ in the winter(from November to April). T_a exhibited an increasing trend from northwest to southeast. Except in the southeastern area of the NTP,T d values in other areas were all larger than 0℃ in the winter.     

藏北高原地表温度对气候变化响应的初步分析

地表温度是地一气相互作用过程中的一个重要参数。利用藏北高原地区那曲高寒气候环境观测研究站地面观测资料,对2001-2012年藏北高原地表温度的年际变化和年内变化规律及其对气候变化的响应特征进行了分析。结果表明,近12年藏北高原地表温度呈缓慢上升趋势,其中冬季上升最快;地气温差在春季最大,且下垫面状况会影响地气温差的大小。地表温度年内变化和日变化特征明显,且气温的变化相对于地表温度存在一定时间的滞后响应。利用气温、风速、土壤湿度分别与地表温度建立关系模型,得出地表温度拟合值与实测值的误差在0~2.0℃之间波动,这表明地表温度对气温、风速、土壤湿度的变化响应明显,其中,对气温变化全年响应明显,冬、春季对风速响应明显,夏季对土壤湿度的响应特征突出。     

青藏高原地形对5、6月北半球环流影响数值模拟

利用NCAR CAM3.1模式进行了有无青藏高原地形的试验,通过两组试验结果的比较,研究了青藏高原地形对5、6月北半球500 hPa环流的影响。结论如下:春末夏初在北半球存在类似Rossby波列状的距平中心,5月波列产生于高原北侧的蒙古附近,途经鄂霍次克海、阿留申地区,到达北美西海岸;6月,由于西风急流北移、减弱及高原上空的非绝热加大,波列的产生地移至高原西北侧的巴尔喀什湖附近,强度减弱,造成该波下游的鄂霍次克海、勘察加半岛、阿拉斯加海域的强度相应减弱。另外,5月在鄂霍次克海和日本以东洋面附近的异常中心类似于负位相的OKJ波列,可以视为对正位相OKJ波列东段形成抑制作用;6月由于鄂霍次克海附近的负异常强度很弱,对OKJ波列东段的抑制作用很弱。     

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。     

A Study on Parameterization of Surface Albedo over Grassland Surface in the Northern Tibetan Plateau

The relationship of surface albedo with the solar altitude angle and soil moisture is analyzed based on two-year (January 2002 to December 2003) observational data from the AWS (Automatic Weather Station) at MS3478 in the northern Tibetan Plateau during the experimental period of CEOP/CAMP-Tibet (Coordinated Enhanced Observing Period Asia-Australia Monsoon Project on the Tibetan Plateau). As a double-variable (solar altitude angle and soil moisture) function, surface albedo varies inconspicuously with any single factor. By using the method of approximately separating the double-variable function into two, one-factor functions (product and addition), the relationship of albedo with these two factors presents much better. The product and additional empirical formulae of albedo are then preliminarily fitted based on long-term experimental data. By comparison with observed values, it is found that the parameterization formulae fitted by using observational data are mostly reliable and their correlation coefficients are both over 0.6. The empirical formulae of albedo though, for the northern Tibetan Plateau, need to be tested by much more representative observational data with the help of numerical models and the retrieval of remote sensing data. It is practical until it is changed into effective parameterization formulae representing a grid scale in models.     

夏季青藏高原地面热源和高原低涡生成频数的日变化

通过1981—2010年NCEP/NCAR再分析资料,分析出夏季青藏高原地面热源具有强烈的日变化,白天高原是强热源,夜间高原地面转变为弱热汇,日较差可达420 W·m~(-2),呈由西向东递减分布。其中地面感热和潜热加热的日变化均十分明显,日较差分别可达300 W·m~(-2)和200 W·m~(-2);感热加热的日变幅由西北向东南递减,而潜热加热由南向北递减。同时,利用人工识别的高原低涡数据集初步分析了夏季高原低涡生成频数的日变化,发现夜间生成的高原低涡频数略高于白天,其中00 UTC的低涡源地主要在西藏那曲和林芝(工布江达),12 UTC低涡源地主要在西藏那曲和青海玉树。     

青藏高原水循环中高原低涡及多季风交汇的作用：进展与展望

由于青藏高原特殊而强大的动力和热力效应，东亚季风、印度季风和高原季风多季风交汇于此。受多季风交汇影响，青藏高原低涡影响水循环的过程极为复杂，而高原水循环的异常往往造成高原及周边乃至我国中东部地区频发灾害性天气过程，因此一直是国内外学者关注的热点和难点问题。本文系统回顾了国内外关于高原低涡活动特征、结构特征、生成发展机制等方面研究进展，并从低涡的水汽输送、降水和云-降水物理等角度概括了高原低涡参与水循环过程研究成果，特别在总结东亚季风、印度季风和高原季风相互作用研究的基础上分析了多季风交汇对高原水循环的影响。最后对当前高原低涡在多季风作用下影响水循环过程方面存在的问题进行了讨论，并展望了未来研究方向。     

藏北高原地表能量和边界层结构的数值模拟

利用耦合了NCAR LSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7和2002年8月CAMP/Tibet加强期的观测资料,对藏北高原地区地气交换过程进行了48 h模拟研究。模式较好地模拟了该地区的山谷风环流;并将模拟的地表通量在中尺度区域上与NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料(NNRP)获得的结果进行了比较,同时也与单站的实测值进行了比较,结果显示:模拟的地表通量与NNRP得到的结果比较吻合,同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量,而高原西部感热通量大于潜热通量,这与观测试验分析结果一致;与单站试验结果比较,模拟的感热通量与实测值一致,潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。模拟的边界层位温廓线与实测值比较,模式模拟的对流混合层和夜间残留层都与实测结果吻合,但模拟的混合层高度较实测值高。由此来看,中尺度模式MM5V3.7能够较好地模拟藏北高原的地表能量和边界层结构特征,但还需要进一步完善陆面过程和物理过程参数化方案。     

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。     

5月青藏高原上空环流与北疆夏季降水的关系

基于1961—2016年5—8月西藏高原环流指数、NCEP再分析资料和新疆96个气象观测站点的降水资料,通过相关分析和合成分析,研究了5月青藏高原上空环流与北疆夏季降水的关系,以及两者之间可能影响的物理机制。结果表明:(1)5月西藏高原环流指数Ⅰ与北疆夏季降水有较好的相关性,相关系数为0.38;(2)5月西藏高原环流指数Ⅰ的强弱变化会影响500hPa的夏季环流特征、夏季地表至300 hPa的水汽通量输送,当指数偏强时,夏季环流形势的配置和水汽输送均有利于北疆夏季降水,反之,则不利于北疆夏季降水;(3)夏季西藏高原环流指数Ⅰ和北疆夏季降水、5月西藏高原环流指数Ⅰ的关系密切,并且5月西藏高原环流指数Ⅰ和青藏高原5月、夏季的感热通量有明显的负相关,通过高原的热力持续性作用,5月西藏高原环流指数Ⅰ的强弱可以影响北疆夏季降水的多少。     

THE DYNAMIC EFFECT OF THE TIBETAN PLATEAU ON THE FORMATION OF ZONAL TYPE CIRCULATION OVER EAST ASIA

From a statistical study of the atmospheric circulation types over the Northern Hemisphere it is found that the zonal type circulation predominates in East Asia. From a three-layer primitive equation model in σ-coordinate, the orographic effect on a westerly current over the Northern Hemisphere is studied. A distinguished deepening trough is observed in the lee-side slope of the Rocky Mountains. But a pronounced trough is over the East Asia coast far from the Tibetan Plateau. In a case of 48 h numerical forecast, it is found that the effect of the Tibetan Plateau tends to build up a rather zonal type circulation, which is con-sistent with the observations. These may be partly explained by the topographic effect of the north slope of the Tibetan Plateau in a simple geostrophic theory.     

夏季西藏高原对北半球定常行星波形成的热力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却与水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究西藏高原对夏季北半球定常行星波形成的热力作用. 计算结果表明夏季位于西藏高原上空的热源对于北半球夏季定常行星波形成的热力作用要比高原地形的动力作用大得多. 本文还计算了夏季北半球地形与热源强迫所产生的定常行星波与等高面上定常扰动系统的分布,其计算结果与由实际观测所得到的分布比较一致.     

藏北高原季节性冻土区潜在蒸散和干湿状况分析

利用位于藏北高原季节性冻土区的MS3478自动气象站的观测资料,基于FAO推荐的Pen-man-Monteith方法,分析了该地区的潜在蒸散量的变化特征。讨论了动力、热力和水分因子对潜在蒸散的影响,并分析了该地区的干湿状况。结果表明:全年日潜在蒸散量在0.52～6.46mm之间;夏季蒸发力最旺盛,5～9月的月潜在蒸散量均超过了100mm,11月份潜在蒸散锐减至33mm,潜在蒸散年总量为1037.83mm;夏季热力蒸散量明显大于动力蒸散,而冬季动力蒸散明显大于热力蒸散。藏北冻土区仅在5～9月为半湿润气候,持续时间较短,冬半年的干旱和半干旱维持时间长。水分因子和动力因子对潜在蒸散的影响季节变化大。土壤水分不是影响潜在蒸散的主要因素。     

青藏高原北部及其邻近地区太阳加热率和大气红外冷却率

利用中分辨率辐射计算模式(MODTRAN3)和青藏高原北部及其邻近地区格尔木、哈密、酒泉三站的探空资料，对各站点夏季太阳直接辐射、向下总辐射和净辐射进行了计算，并进一步计算了大气的太阳加热率和红外冷却率。分析了青藏高原北部及其邻近地区的加热率和冷却率的一些特点。结果表明，青藏高原北部及其邻近地区加热率在llkm高度附近有最小值，夏季红外冷却率在llkm高度附近取得最大值，太阳天顶角的变化对太阳加热率有较强的影响。     

1997—1998年青藏高原大气低频振荡及对降水影响

利用1979—1998年NCEP/DOE逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站资料,研究了1997/1998年冬季、1998年夏季青藏高原 (简称高原) 季风的低频振荡特征,研究夏季高原和周边区域高低层大气低频环流系统的配置及其与我国降水的联系。结果表明:1997/1998年冬季和1998年夏季,高原季风不仅表现出很强的30~60 d的周期振荡特征,还伴随有较强的准双周低频振荡;相应区域对流层上层200 hPa上的环流系统则是30~60 d为主的周期变化。1998年夏季,高原地面气压也存在两个频带的低频振荡变化,且其强度存在明显的经向变化,即自南向北30~60 d低频振荡信号有逐渐减弱趋势,准双周信号则呈增强趋势。对30~60 d的低频信号而言,高原夏季风低频信号较强 (弱) 时,高原地面表现为低频低 (高) 压环流系统,在同纬度带的我国东部地区和西太平洋沿岸,是较强的低频北 (南) 风和低 (高) 压环流系统;相应地,在80°~90°E之间,自孟加拉湾到我国西北中部地区,是低频反气旋-气旋-反气旋的经向低频波列;受低频环流系统影响,高原东部、长江中下游地区降水偏多 (少)、川西高原、云南西南部降水偏少 (多)。     

Analysis of the mechanism underlying Tibetan Plateau vortex frequency difference between strong and weak MJO periods

In this paper, the NCEP/DOE reanalysis data, OLR data from NOAA, Australian Meteorological Bureau real-time multivariate MJO index, and Tibetan Plateau vortex (TPV) statistical data from the Chengdu Institute of Plateau Meteorology, are used to discuss the modulation of the TPV by the MJO, through applying the wavelet analysis and composite analysis. The results show that: (1) The MJO plays an important role in modulating the TPV, as the number of TPVs generated in strong MJO periods is three times that in weak periods. (2) During strong (weak) MJO periods, the Tibetan Plateau (TP) is in control of a low-frequency, low-pressure cyclone (high-pressure, anticyclone) system, and thus the atmospheric circulation conditions over the plateau are conducive (inconducive) to the generation of TPVs. (3) During strong (weak) MJO periods, southerly (northerly) winds prevail in the east of the TP, while northerly (southerly) winds in the west. Over the northern part of the TP, easterly (westerly) flow is predominant, while westerly (easterly) flow prevails over the south, thus conducive (inconducive) to the formation of cyclonic circulation (i.e., TPVs) at low altitude over the TP. (4) In strong MJO periods, water vapor is relatively less abundant over most of the TP, inconducive to the generation of TPVs; however, moisture transported by the south branch trough and the low-frequency, high-pressure anticyclone system from the Bay of Bengal, are very important for the development of TPVs. As the strength of the MJO changes continuously during its eastward propagation, the intensity of tropical convection and vertical circulation structures of the tropical atmosphere also change accordingly. Alternation between favorable and unfavorable conditions for the generation of TPVs occurs, thus resulting in significant frequency differences of TPVs between strong and weak MJO periods.     

青藏高原地气耦合系统及其天气气候效应:第三次青藏高原大气科学试验

由于青藏高原（简称高原）是影响中国极端天气和气候事件的关键区,对天气、气候预报有重要影响。因此,中国气象局、国家自然科学基金委员会、中国科学院共同推动了"第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）"工作。自2013年的预试验开始,TIPEX-Ⅲ在高原西部狮泉河、改则和申扎新建全自动探空系统,填补了高原西部缺少常规探空站的空白;在高原中、西部建成土壤温、湿度观测网;实施了高原尺度和那曲区域尺度的边界层观测,那曲多型雷达和机载设备的云降水物理特征综合观测,高原多站的对流层-平流层大气成分观测。在研究成果方面,项目结果指出,在高原中、西部草原、草甸和裸土下垫面状况下地表热量湍流交换系数和感热通量明显低于过去较早的估计值;高原主体的对流云活动主要不是来自南亚季风区的向北传播,而可能是局地发展所致;揭示出那曲对流云日变化特征、云宏微观特征以及云中水不同相态之间的转化机制,提出了夏季高原加热在维持亚洲大气"水塔"中的作用,以及高原加热对亚洲、非洲、北美洲气候的调节作用。在数值预报模式中,Γ分布比M-P分布更适合于高原雨滴谱特征,通过改进高原热传导过程参数化方案可以降低模式中高估的地表感热,并提升模式对中国中、东部雨带的模拟能力;此外,考虑青藏高原关键区信号可以提升中国中、东部降水的预报技巧。TIPEX-Ⅲ还带动了地面和高空常规观测、天气业务雷达和风廓线雷达等观测数据加工处理业务技术的发展,提升了中国国家级土壤湿度、水汽含量等遥感产品和高分辨率多源降水融合产品的质量,促进了气象监测、预报和数据共享业务的发展。