基于Voronoi图的强降水过程空间非均匀性定量表征方法

利用Voronoi\Delaunay图模型影响范围和局部动态的特性,提出一种基于动态边界定量提取强降水过程空间非均匀分布特征的新方法,根据1959-2002年中国740站逐日降水资料,构建5日、10日两种时间尺度区域持续性年极端强降水过程序列,用以检验该方法的应用效果,并应用该方法分析了5日(10日)区域持续性年极端强降水过程空间非均匀分布特征及其演变规律.结果表明:与传统的数量统计方法和区域插值方法相比,该方法在强降水空间分布中心、过程内不同强度降水覆盖区域、降水集中区等的定量度量方面具有更高的分辨力和较好实际应用价值;气候趋势分析中在1959-2002年间,5日区域持续性年极端强降水过程出现日期有明显提前趋势.     

体现大尺度特征的区域持续性强降水过程定义指标

利用1961—2017年共57年中国地面观测站日降水资料,采用滑动平均、百分位和点面相关分析等方法,根据延伸期预报特点以及监测预报和研究需求,着眼于体现强降水过程的区域性、持续性和致灾性,并兼顾区域气候特征和普适性,建立区域持续性强降水过程定义指标。根据该指标查找判断我国东部四个关键区域(华南、长江、黄淮、华北)的历史降水过程,1961—2017年期间共有557次区域持续性强降水过程,平均每年约10次,其中华南、长江、黄淮、华北分别有267、155、78、49次,平均每年各有4.7次、2.7次、1.4次和0.9次,呈由南向北递减的分布。统计评估结果表明,该指标能客观地判断出持续影响同一区域的相对稳定类型的大尺度持续性强降水过程,适用于延伸期业务服务和研究。     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

长江中下游梅汛期强降水过程非均匀特征

根据长江中下游地区205站1960—2004年的逐日降水量和梅雨期的特征参数,计算并分析了长江中下游地区梅汛期暴雨降水过程降水量、集中度和集中期的时空非均匀特征。结果表明:长江中下游梅汛暴雨降水量、暴雨日数显著增加,而集中度和集中期无明显变化;暴雨降水量和暴雨降水集中程度在时空上的叠加是造成长江中下游地区大旱大涝趋势加重的重要原因之一。     

降水量水平空间分布非均匀性的普适分布律探讨

以中国区域逐月降水资料(272个测站)为基础探讨降水量场的水平空间概率分布模式的普适性。结果表明，描述中国区域月降水量水平空间分布非均匀性的普适分布律以г分布的PDF(Probability Density Function)最适宜；讨论了其分布参数的季节和年际变化及其气候意义，并用分区拟合结果验证了该分布型的普适性。     

江淮梅雨空间非均匀性的定量探讨

针对江淮梅雨空间分布非均匀的定量化问题,基于1960—2007年江淮地区高密度站点资料,运用空间集中度和集中区的方法定量分析江淮梅雨的空间非均匀性特征。结果表明,江淮梅雨的降水集中区呈现出年代际南北移动特征,自1970s末降水转型后,1980—1999年,强降水易于发生在长江中下游地区,而2000年后易于出现在淮河流域。48 a来梅雨的空间非均匀程度呈现弱的增加趋势。当梅雨雨带偏南,即位于长江中下游地区时,降水空间集中度较大。通过与大气环流场的回归分析表明,江淮梅雨非均匀程度的增加可能与西太平洋副高和副热带西风急流的南移有关。     

基于集合预报的持续性强降水可预报性评估方法研究

利用集合预报成员初值误差在大气相空间中增长方向不同的特点,结合模式检验方法,构建持续性强降水可预报性评估指数(Index of Composite Predictability,ICP),为持续性强降水可预报性及数值预报误差增长机理研究提供科学方法。ICP综合评估指数包括三个数学模型:集合预报成员单一评估指数定义、集合预报成员综合评估指数定义和集合预报成员预报能力定义。利用中国国家气象中心T213全球集合预报资料,选取江淮流域2010年6月17—25日和2011年6月4—12日2次持续性强降水过程,进行ICP综合评估指数应用试验,其中,单一评估指数选取中雨公平成功指数ETS、500 hPa高度场均方根误差分别代表模式降水预报能力和环流形势预报能力。结果显示:可预报性评估指数ICP可有效挑选出预报最好和最差的集合预报成员,两者对持续性强降水过程的大尺度环流系统、中尺度影响系统、降水过程预报差异显著,预报最好成员对影响持续性强降水的大尺度环流形势(阻塞高压、西太平洋副热带高压和东亚大槽)的位置和强度及演变过程、低层中尺度影响系统(如切变线和西南低涡)发生发展过程预报,以及降水发生时间和落区预报与实况更接近,预报更成功,持续性强降水可预报性综合评估指数ICP合理可靠。     

观测场内自然降雨的空间均匀性研究

以分辨率为1m的10m×20m和10m×10m观测网为研究对象,运用自制雨量杯开展自然降雨测试试验,结合克里斯琴森均匀系数、分布均匀系数、降雨偏差系数、降雨极值比系数、单因素方差分析等数学方法对自然降雨的空间均匀性进行了研究,分析了风、降雨量对空间均匀性的影响,并讨论了降雨测量仪器在动态比对试验中仪器的架设间隔问题。结果表明:观测场内自然降雨的空间均匀性良好,且各项均匀性指标具有较好的一致性;风对该观测场内的降雨空间均匀性影响不大,而降雨量的差异对其空间均匀性有一定的影响;在动态比对试验中,降雨测量仪器的架设间隔应小于5m,且部分小型降雨测量仪器(如收集杯)架设间隔取1m可行。     

下垫面非均匀性的模拟

用美国大气科学中心ＧＥＮＥＳＩＳ模式中的陆面过程方案,我们在一个全球大气模式网格尺度范围内,研究了来自非均匀下垫面的水汽,能量等通量。基于３种不同的模拟下垫面非均匀性的方法,即马赛克法、混合法以及显式次网格法,我们设计了４种不同的试验。模拟结果表明,３种方法计算出的结果有很大的不同：地面吸收的太阳辐射差异达４％;感热通量达１２％;潜热通量达６６％;土壤水分可达３０％。这一结果说明有必要用实测数据来检验不同的模拟下垫面非均匀性的方法以及用区域气候模式来模拟下垫面的非均匀性。     

近37a乌鲁木齐机场雾的不均匀性特征分析

本文应用1977～2013年乌鲁木齐机场12月~次年(2014年)3月逐时地面观测资料,应用相关气候统计方法探求乌鲁木齐机场雾天气的出现时间及其变化特征,并以大雾集中度(FCD)和大雾集中期(FCP)来表征大雾天气累计出现时间的非均匀性特征,结果表明：⑴1977~2013年,乌鲁木齐机场雾累计出现时间呈明显的上升趋势,大雾的上升速率大于浓雾的上升速率,且大雾天气中浓雾的比率逐年下降;且机场雾的持续时间以低于6h为主;⑵机场雾分为三个阶段：少发期(1977~1991)、调整期(1992~2001)、高发期(2002~2013),且机场雾的突变时间就发生在本世纪00年代初期(2001/2002年);⑶机场大雾累计出现时间和能见度大小有明显的负相关关系,且日变化显著：一天内有两个非常明显的转折时间段,分别为1:00~2:00、和14:00~15:00,即3:00~13:00为一天内易发大雾时间段,14:00~23:00为一天内能见度较好时间段;⑷机场大雾的发生时间相对集中,集中度相对较高。近37a来大雾集中度呈下降趋势,尤其是进入大雾高发期以后,大雾发生次数显著增加,且大雾平均持续时间变化不大,集中度较低;机场大雾集中发生的12月和1月,以周为时间单位计算时,在2002年以前,大雾最多发生在12月第四周;2002以后,大雾最多发生时间开始后移至次年1月份第一周。     

黔东南冰雹事件年内非均匀性特征分析

基于贵州省黔东南地区1961～2008年16个台站冰雹观测资料,引入了表征时间分配特征的新参数--冰雹事件集中度和集中期,对黔东南地区冰雹事件年内非均匀性特征进行分析,结果表明:黔东南地区冰雹事件集中度及集中期的平均和异常空间分布都存在很大的区域差异,异常空间分布根据地形均可分为4个区域;而从时间演变来看,各个区域年冰雹事件的集中度与集中期均表现出了显著的年代振荡特征,各区域年代际变化特征不一致;另外黔东南区域内冰雹事件的集中度和集中期有表现出反向变化趋势.     

西北地区东部夏季极端降水量非均匀性特征

利用极端降水量集中度和集中期讨论西北地区东部夏季极端降水量的非均匀性分布特征。结果表明:西北地区东部夏季极端降水量集中度与集中期的空间差异并不大; 西北地区东部夏季极端降水量的季节内分配状况同夏季极端降水量存在较好的相关性, 极端降水量越集中、集中期越早, 则极端降水量越少, 反之亦然; 东亚夏季风同西北地区东部夏季极端降水量、极端降水量集中期存在负相关, 与极端降水量集中度存在正相关。     

亚洲西风急流纬向非均匀性变化成因及其对东亚夏季气候的影响

利用美国NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的CMAP（Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation）月平均降水资料、NCEP/DOE（National Centers for Environmental Prediction/Design of Experiments）II的月平均再分析资料和中国气象局国家信息中心提供的中国160站逐月降水和平均气温资料,通过定义一个亚洲急流纬向非均匀性指数（I_Aja）,分析了1979～2019年夏季亚洲西风急流纬向非均匀性的年际变化特征,揭示了夏季亚洲急流纬向非均匀性变化异常的成因及其对东亚夏季降水和气温的影响。结果表明:夏季亚洲西风急流纬向非均匀性具有显著的年际变化特征,并存在6～8年和2年左右的振荡周期。当急流纬向非均匀性典型偏强（弱）年,东亚东部地区从低纬到高纬,降水异常主要呈现出偏多—偏少—偏多（偏少—偏多—偏少）的经向分布;气温则在中国西部地区和日本北部偏高（低）,贝加尔湖地区偏低（高）。引起夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的可能原因如下:由大气非绝热加热异常而引起的热带和中纬度地区辐合/辐散运动造成的涡度源强迫,和来自西风带中波扰动能量的注入,两者共同作用形成并维持了与急流纬向非均匀性强弱变化相联系的异常环流,从而使亚洲急流东、西段强度差异增强（减弱）,进而有利于急流纬向非均匀性异常偏强（偏弱）。而上述西风带中波扰动能量的东传可能与北大西洋海表面温度异常有关。这对于深刻理解夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的形成机理提供了有用的线索。     

中国西北降水年内非均匀性特征分析

基于中国西北五省（区）1960-2004年112个台站逐日降水资料,通过表征时间分配特征的新参数—集中度和集中期,对西北地区年降水的年内集中特征进行了分析,结果表明：中国西北年降水集中度和集中期的空间分布存在很大的差异;中国西北年降水集中度东、西部表现出反向变化趋势,而降水集中期南、北部表现出反向变化趋势;年降水集中度与集中期同年降水量之间存在较好的相关性;另外年降水集中度与集中期同夏季北极涛动和东亚夏季风在年代际尺度上也存在很好的相关性。     

非均匀地表陆面过程参数化研究

地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。     

一种新的反映我国降水季节内非均匀性特征的方法

利用中国553个台站1961—2010年逐日降水资料,运用降水集中度PCD、新的集中程度方法Q和旱涝指数W分别讨论了中国夏季降水季节内非均匀特征和变化规律。结果表明:我国西北大部分地区降水相对集中,西北地区中部和西南地区降水较分散,东部整体降水并不集中,但黄河中下游地区降水相对集中。新疆和西藏地区西部、西北地区中部以及东南沿海等地降水集中程度逐渐趋于分散,Q在华北和东北大部分地区显示趋于集中,PCD则相反。我国黄河、长江中下游和华南沿海W值较大,易发生洪涝,西部地区W值较小,相对容易发生干旱。西藏、青海部分地区以及长江、黄河流域发生干旱或洪涝灾害较频繁,西南地区W年际变化很小。1960—1980年代W大多偏小于平均值,1981—1993年W变化幅度较大,1994年后W多偏大于平均值,全国大部分地区W值多为增大趋势。另外W有显著的2~3 a和7~8 a的震荡周期。      

半球月平均位势高度场均匀和非均匀异常指数的时滞性分析

将半球月平均位势高度场异常分解为半球均匀和非均匀两部分，构造了均匀异常指数车和非均匀异常指数η。对ξ,η的时滞性分析表明：北(南)半球车的时滞性较强，1月(7月)可达1a(3a)以上。η的时滞性较弱，显著时滞通常不足1个月；较强时滞出现在北半球夏季平流层，最长可达4个月。     

基于区域自动气象站的广东极端强降水特征分析

利用2003—2017年广东2000多个区域自动气象站逐小时降水资料,分析了不同历时的广东极端强降水的年和月变化特征,在此基础上分析汛期4—9月的极端强降水频次的时空分布特征。结果表明:近15年来,广东不同历时极端强降水出现频率的年变化趋势存在明显差异,在年以及前、后汛期,24 h呈减少趋势;3、1 h呈上升趋势,其中1 h极端强降水频率在年和后汛期呈显著增加趋势。5—6月是广东极端强降水最易出现的时段,频次大值主要出现在粤西南阳江、江门、茂名,中部和北部的广州、清远以及粤东的汕头、揭阳等地。后汛期极端强降水主要出现在粤中南部地区,特别是南部沿海。1 h极端强降水次数在珠江三角洲以及茂名信宜、高州等地增加趋势明显,而粤东的大部分地区为减少趋势。地形和大气环流等可能是广东极端强降水频次中心形成的重要因素。     

下垫面非均匀流域的幂指数TOPMODEL的模拟研究

利用取消流域土壤表层饱和导水率0K、土壤饱和导水率有效衰减系数m和地下水补给速率R为空间均匀假设的幂指数TOPMODEL,对流域水量平衡各分量进行敏感性研究试验,揭示空间非均匀性对幂指数TOPMODEL模拟结果的影响。从特定研究流域所得结果中可得的主要结论有:1)0K、m和R的空间变化对流域的逐日地表径流和基流以及逐日总径流有影响,针对设定的0K、m和R的空间变化,其中m的空间变化较明显地增加了逐日地表径流和洪峰流量。2)就设定的0K、m和R的空间变化而论,对流域多年平均年总径流以及蒸发模拟结果影响不大,但改变了径流在地表径流和基流之间的分配;其中R的空间变化影响最显著,m和0K的空间变化影响则较小。