台风“利奇马”快速增强的低频环境场研究

利用再分析资料及时间滤波方法,重点分析了低频环境场变化以及相关大尺度环境因子对台风强度突变的影响。结果表明:在“利奇马”强度突变前后,西北太平洋低频季风系统发展起了至关重要的作用,季风环流显著增强,西南季风东进,同时季风槽建立加强。这一现象为快速增强过程提供了水汽输送通道和理想的动力条件。西南季风增强使得台风南侧的水汽通道建立,同时季风槽发展有利于低层涡度的迅速积累,这些有利因子最终导致“利奇马”快速增强过程的发生。此外,弱的环境垂直风切变以及海表面温度的上升等因子同样对“利奇马”强度突变有重要影响。     

南海夏季风期间水汽输送的气候特征

通过分析NCEP/NCAR 1973～1998年(共26年)4～8月的再分析比湿场和风场资料,研究了南海夏季风期间的水汽输送特征.夏季,东亚上空水汽水平输送特征在各月有很大差异,这是夏季风环流系统演变的结果.孟加拉湾南部地区是中国长江中下游和南海地区重要的水汽源地,来自上游孟加拉湾南部地区的水汽输送对南海季风的爆发具有重要意义.经向水汽输送主要有利于20～30°N之间华南地区的水汽辐合.从总的收支看,南海地区是一个水汽汇区.南海季风爆发早晚年的水汽输送通道存在明显差别.在爆发偏早年,从赤道印度洋到南海地区的输送通道建立早且维持时间长,4～5月南海易成为水汽辐合区;在偏晚年,南海地区水汽则是辐散的,不利于形成季风性降水.南海季风爆发早晚年与长江中下游旱涝年的水汽输送有一定联系.     

台风与高原东北侧冷锋暴雨的环境场及云图特征

运用天气学、卫星云图和物理诊断方法,分析20°N以北、130°E以西有台风活动,陕西有地面冷锋东移过境并出现大暴雨的3次典型天气过程,以揭示近海台风活动对青藏高原东北侧冷锋暴雨增幅的特征和规律。结果显示此类暴雨的中尺度对流云团位于冷锋云系的前部,其水平尺度在几十公里到300 km左右,生命史约6~8 h,中尺度系统常具有夜间发展、增强的特征。冷锋暴雨的水汽输送主要依靠台风低压外围的偏东急流来传递,水汽输送以850 hPa层附近最为显著。当台风西行移至台湾岛附近活动,而青藏高原东北侧的陕西有冷锋过境东移时,此时出现冷锋暴雨的降水增幅明显。     

FY-4A温度廓线和融合海温数据协同同化的海雾模拟效果分析

利用CODAS实况融合海温和FY-4A温度廓线资料协同同化的方法,尝试改进WRF模式在黄渤海区域的海雾数值模拟效果。分析结果显示,高时空分辨率的CODAS海温显著改善了WRF模式对黄渤海区域海雾模拟性能,模拟雾区范围及强度相比FNL海温模拟结果更接近实况。通过分析雾区各类要素相对海温变化的敏感度,明确了2m气温及比湿,以及海气界面感热、潜热和水汽通量与海温呈现不同程度的正相关,而液态水含量则与海温呈显著负相关。同时,协同同化FY-4A廓线资料可优化WRF模式边界层内湿度及风速垂直分布,改善雾区水汽输送及液态水含量。FY-4A廓线资料和CODAS海温的协同同化能更好地模拟出雾区气象要素的中尺度分布特征,表明高精度和高分辨率的海洋实况资料有利于改善黄渤海区域海雾数值模拟效果。     

我国江淮地区平均场水汽输送与扰动场水汽输送的不同特征

利用NCEP／NCAR1957-2001年45a逐日的再分析资料,从地面开始积分计算整层的水汽输送通量,减去平均场的水汽的输送量,从而得到扰动水汽输送量,初步讨论了我国江淮地区水汽输送场的季节变化特征,并分析了我国江淮梅雨期旱、涝年平均场水汽输送与扰动场水汽输送的差异。分析发现：扰动场水汽输送与平均场水汽输送差别较大,源自孟加拉湾的平均水汽输送对我国东部地区的降水影响较大,但该地区的扰动水汽输送却主要是影响印度北部地区。而影响我国江淮地区的扰动场水汽输送主要来自于南海地区。源自西太平洋和我国北方的偏强的水汽输送是造成江淮梅雨期降水偏多的主要因子,扰动场水汽输送在我国江淮地区梅雨期降水异常时期与平均场水汽输送基本呈反方向输送,其差值散度场与平均场水汽输送差值散度则为反位相分布,因此说扰动场的水汽输送对平均场的水汽输送起削弱作用。     

湛江东海岛一次春季海雾的宏微观结构及边界层演变特征

2011年2—3月利用雾滴谱仪、能见度仪、风廓线雷达及100 m边界层气象要素梯度观测塔在湛江东海岛开展海雾综合观测试验。选取2011年2月23—24日一次约15 h的浓雾过程,从宏微观角度着重分析了其间近地层风、温、湿结构和热、动力演变,微物理过程和爆发性增长特征,及湍流通量输送。结果表明：来自南海暖海面的偏东南暖湿气流平流至广东省沿岸冷海面,发生冷却并达到饱和形成海雾。偏东南暖湿气流为浓雾的酝酿、生成及成熟提供了充沛水汽和稳定的逆温层结条件,逆温强度与暖湿气流强度关系密切。海雾多发生在270 m以下,当630—870 m 高度层存在明显的下沉运动时,150—390 m高度层则可保持近似等温和弱逆温层,阻止了下层（270 m以下）水汽与其上层（390 m以上）干冷空气交换,导致下层大气持续高湿稳定状态。整个过程中,雾滴数浓度（N）、含水量（W）、平均直径（D_ave）、谱宽（D_max）和有效半径（R_eff）的平均值分别为248 cm^-3、0.102 g/cm³、5.2 μm、36.0 μm和7.0 μm。雾滴数浓度（N）与平均直径（D_ave）在雾发展初期（生成、发展）和末期（消散）多成正相关趋势,而在成熟阶段两者多成反相关趋势。雾前4小时稳定层结及偏东南暖湿气流持续增湿可认为是雾层爆发性增长的酝酿阶段,雾滴谱拓宽是经过活跃—稳定—爆发的3阶段完成,湍流混合对其影响不大;浓雾快速消散是雾滴蒸发、重力碰并沉降、湍流碰并沉降等共同作用造成的,其中直径大于21 μm液滴的大量耗散是消散的重要阶段。雾前,湍流由强转弱。雾发生后,湍流持续较弱。由于东南急流引发的风切变导致湍流增强,感热通量出现向上强输送,这与冷海雾维持阶段高层热量交换过程类似。雾消散时,湍流逐渐转强。平均动能在雾前和雾中的两次跃增与偏东南暖湿气流显著增强有关,而雾成熟期湍流动能大幅跃增主要是由雾顶辐射冷却产生的热力湍流和风切变引发的机械湍流增强所致。     

两次严重影响湖南的登陆台风水汽场特征数值模拟

针对造成湖南省特大暴雨过程的碧利斯和圣帕两次台风,利用气象、水文加密观测资料及NCEP再分析资料,结合中尺度数值预报模式AREM的模拟结果,对它们独特的水汽场特征进行了对比分析.结果表明:这两次台风的共同特点是有两条主要水汽输送通道,即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道;凝结降水的水汽主要来源于低层风场辐合和水汽平流,并通过局地垂直运动再将其输送到中高层;在湘东南强降水区上空始终存在强的水汽水平辐合和水汽垂直输送,比较而言,圣帕台风暴雨区上空水汽通量更强,但水汽通量辐合强度却小于碧利斯台风,水汽辐合层也不及后者深厚,但前者由于自身旋转性强,低压环流中心南部的切变较长时间维持,并自东向西转动,使得强降水持续时间更长,过程雨量更大,影响范围也更大.碧利斯水汽主要源地较圣帕更加偏南,水汽辐合更强,与南海季风的相互作用更显著,降水时段集中,局部地区短时间内的降雨强度甚至超过了圣帕.     

2020年6～7月西南地区东部降水异常偏多的水汽输送特征

利用1961～2020年西南地区东部118个气象站逐日降水量资料和1979～2020年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5逐月再分析资料以及美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的逐6 h全球再分析资料,采用相关、回归、聚类、混合单粒子拉格朗日综合轨迹（HYSPLITv5.0）模型模拟等方法对2020年6～7月西南地区东部降水异常偏多特征、大尺度水汽输送特征及水汽收支状况和主要水汽源地及贡献等进行了分析,定义了关键区水汽强度指标,分析了关键区水汽强度与海温的联系。结果表明,2020年6～7月西南地区东部平均降水量异常偏多5成,为1961年以来最多,除贵州中部和四川东北部的局部地区降水较常年略偏少外,其余地区降水均较常年明显偏多。2020年6～7月200 hPa上高空急流位置偏南,西南地区东部正好位于急流轴以南地区,高层强辐散流出,低层强辐合流入,配合从低层到高层的深厚的强烈的垂直运动,为降水提供了良好的动力条件,而西太平洋副热带高压（副高）明显西伸,有利于其西南侧的暖湿气流向西南地区东部输送,使得该区域降水偏多。采用拉格朗日方法计算的定量的水汽轨迹...     

1961—2016年中国西北地区陆地水分收支的年代际变化特征

利用观测气象数据集（CN05.1）、地表水文数据集（VIC-CN05.1）以及大气再分析数据（JRA55）分析了我国西北地区1961-2016年暖季（5-9月）陆地水分收支的长期和年代际变化特征。通过对陆地水分收支（Land Water Availability,LWA）时间序列作Mann-Kendall突变检验,将1961-2016年划分为3个时段进行进一步分析（P1：1961-1978年;P2：1979-2008年;P3：2009-2016年）。主要结论如下：在1961-2016年间西北地区LWA呈上升趋势,区域平均的LWA时间序列具有明显的年代际特征。三个时段的LWA距平百分率分别为-5.45%、-0.46%和13.99%,总体表现为"减少-不变-增加"的特征,尤其是近些年地表水资源增加明显。三个时段的LWA距平百分率空间分布差异显著,尤其在新疆中部、甘肃东部和陕西。西北地区总体上水汽通量输送和垂直速度与降水年代际变化特征基本一致,且区域特征明显。西北地区蒸发受降水、向下长波辐射通量和风速变化影响显著。     

一次罕见的台风远距离暴雨过程的诊断分析

对2006年7月27日威海地区出现的区域性暴雨进行了诊断分析,结果表明:台风倒槽在半岛地区维持、源源不断的水汽输送与西风短槽移入所造成的强烈的上升运动是此次大暴雨过程发生的主要原因。     

山东一次持续性平流辐射雾过程特征及成因分析

2017年1月1—5日,山东出现了一次大范围的平流辐射雾过程。利用山东地区自动气象站观测资料、青岛探空站资料、风廓线雷达资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过分析此次连续大雾过程的大尺度环流背景场、温湿场特征,地面、高空气象要素条件,揭示了其形成原因、维持机制和消散机理。结果表明：中高纬度平直的大气环流、静稳的垂直结构是此次大雾形成的背景条件;水汽输送阶段变化造成的低层水汽浓度变化是大雾阶段变化的原因;两次弱低槽冷锋过程显著增加了雾的强度和范围,也使雾的性质由平流雾变为辐射雾。当低层水汽持续减少,中低层东风气流增强并破坏了大气的稳定层结时,大雾逐渐消散。     

Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF（Polar Weather Research and Forecasting）模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内（海冰密集度小于50%）考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

2018年春节期间琼州海峡持续性大雾监测分析

2018年春节期间,琼州海峡持续6 d（2月15—20日）有雾,最低能见度不足200 m。主要从气象卫星监测上分析此次琼州海峡持续性海雾的时间演变特征,并从大气海洋条件分析形成持续性海雾的原因,得出如下结论：1）2018年2月华南东侧西太平洋海面温度较常年同期偏高,有3个暖海面温度距平中心,为持续性大雾提供暖湿气流;2）此次持续性大雾过程琼州海峡位于均压场,但西南低涡起着辅助的作用,致使海洋性的南风在边界层抵御了干燥的大陆性气团,利于维持边界层的湿度;3）低层流场为暖湿气流,925 hPa近地面湿层上空有一个干中心维持,“上干下湿”的湿度层结有利于海雾维持和向上发展形成一定厚度的海雾;4）低云增加和弱降水是使18日全天海雾得以维持的重要因素。     

厦门春季海雾天气分类及典型个例宏微观结构分析

利用2013年3月23日—4月22日外场观测得到8次海雾过程的能见度、雾滴谱、自动气象站资料及常规气象资料和NCEP全球分析资料,对厦门春季海雾宏微观过程进行了分析。结果表明,形成厦门海雾的天气形势主要为3类:冷锋型、低压倒槽型、高压入海型。厦门海雾对应区域存在0~1℃气海温差,这对海雾预报具有重要意义。对2013年4月17—18日典型海雾个例研究表明,西南气流强烈的增湿作用触发了海雾生成,为本次海雾发展提供了充沛的水汽条件。本次海雾平均雾滴谱拟合符合Junge分布;对其微物理量(数浓度、液态水含量、平均半径)演变特征分析表明,主导的微物理过程为核化凝结增长和可逆的蒸发过程。     

两种陆面方案对陆雾与海雾模拟效果的对比研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,针对1次陆雾与1次同时包含近海雾区与开阔海域雾区的海雾个例,开展了2种陆面方案——SLAB(five-layer thermal diffusion scheme)方案与Noah(Noah land surface scheme)方案——的模拟效果对比研究。研究结果表明:1)SLAB方案与Noah方案在开阔海域雾区模拟中的表现基本一致,但只有前者成功再现了陆雾与近海雾区。2)对于陆雾,与SLAB方案相比,Noah方案在白天偏高的地表温度造成偏强的地面垂直热量通量,加之偏弱的垂直水汽通量共同使得地面相对湿度偏低20％,导致模拟失败。3)对于海雾,两种方案模拟的地表温度与地面垂直水汽通量之间的差异,直接导致了地面2 m气温与水汽混合比的差异,进而影响了渤海的地面低压天气系统的强弱与水汽平流的大小,从而使得它们对渤海近海雾区的模拟表现迥异。本次个例中,应用广泛且陆面过程完善的Noah方案对陆雾模拟的表现反而不如过程简单的SLAB方案,本文对此给出了初步的解释,但仍需进一步探究其原因。     

一个黄渤海海雾大气水平能见度算法

为了提高对黄渤海海雾天气海面大气水平能见度（以下简称“能见度”）的数值预报能力,利用黄渤海23个沿岸和岛屿测站2013—2017年雾天的地面观测数据,构建了基于湿度信息的能见度算法（A-F算法）,并将之应用于黄渤海海雾的能见度数值预报。结果表明,与常用的根据模式预报的云水含量诊断能见度的SW算法（Stoelinga and Warner,1999）相比,A-F算法表现更优,尤其可以诊断出被SW算法漏报的能见度为1～3 km的轻雾,说明A-F算法对黄渤海海雾天气能见度的数值预报具有一定应用价值。若将来加入浮标与船舶观测数据,可以进一步改进A-F算法能见度公式的具体形式;依据本文构建A-F算法的思路,可以发展适合其他海域的海雾天气能见度诊断公式。     

南京冬季持续性强浓雾天气中三级分档雾水的理化特性分析

2013年12月7—9日南京出现持续性强浓雾天气过程。利用观测试验中获取的三级分档雾水和分粒径气溶胶的水溶性离子浓度,气溶胶数浓度谱、雾滴谱以及自动气象站获取的气象要素等资料,通过对比研究浓雾过程中4—16 μm（3级）、16—22 μm（2级）、>22 μm（1级）3个粒径范围雾滴（雾水）与分粒径气溶胶的微物理特征和化学特性,探讨不同粒径气溶胶粒子吸湿增长对雾滴的贡献以及气溶胶离子组分对不同尺度雾滴化学性质的影响。结果表明,在强浓雾天气中,能见度为50 m左右,短波辐射减弱形成稳定逆温层,有助于污染气溶胶的累积并吸湿增长向雾滴转化。雾滴的增加主要集中在小滴范围, 直径在0.5—1 μm的气溶胶粒子对其贡献最大。各粒径段气溶胶中阴离子NO₃-和SO₄2-均表现出较高值,阳离子中Ca2+浓度最高。三档雾水中各阴、阳离子浓度均在4—16 μm小滴雾水中最高,16—22 μm中滴雾水和>22 μm大滴雾水的阴、阳离子浓度没有明显的高低之分。阳离子中Ca2+的浓度在第1级小滴雾水中最高,2级和3级雾水中NH₄+的浓度最高,阴离子中NO₃-和SO₄2-在各级雾水中浓度相差不大。雾水pH值2.7—6.9,呈酸性,小雾滴酸性更强。      

青岛“上合峰会”保障期间臭氧污染特征及其来源贡献分析

利用地面常规气象要素和逐小时污染物浓度资料,对青岛上合峰会期间的臭氧污染特征及气象条件进行了统计分析。结果表明,在峰会保障期间,各类污染物浓度均有不同程度下降,其中日最大8 h滑动平均臭氧浓度下降至94.1μg/m~3,较峰会保障前期下降2.9%。白天大气氧化性主要受O_3控制为主,所占比例达到93.4%。此外,臭氧日变化曲线相较于温度日变化曲线存在1 h滞后性,且风速小于2 m/s的条件下,容易出现臭氧污染情况。基于CAMx空气质量数值模型中的臭氧来源追踪方法(Ozone Source Apportionment Technology,OSAT),对青岛臭氧的污染来源进行了模拟分析。研究结果表明,峰会前期,江苏、安徽对青岛臭氧贡献分别达到32.5%和11.1%,而峰会期间除青岛本地贡献较为突出之外,来自山东、河北及辽宁的贡献有所增加,分别达到了21.7%、9.8%及4.3%。     

成都地区一次持续性暴雨过程的水汽特征分析

利用地基GPS技术反演得到的大气可降水量资料、FY-2C卫星水汽图以及NCEP 1°×1°再分析资料,分析了2008年9月23—26日成都地区一次持续性暴雨的水汽特征。结果表明,降雨期间的水汽主要由来自孟加拉湾的暖湿气流和来自"黑格比"台风的高低空急流组成;暴雨发生前对流层中低层水汽充足,大气层结极不稳定,水平风的垂直切变较明显;高时间分辨率的地基GPS资料不仅可获得水汽实时变化的信息,而且对于暴雨发生时间和暴雨强度都有一定的指示性;结合中尺度数值模拟的结果,发现此次暴雨过程中可降水量的变化能反映区域水汽辐合辐散的变化,降水与否或降水大小不仅取决于大气中水汽含量的多少,更受到大气动力和热力条件的影响,水汽辐合的强弱具有关键作用。     

一次中国东部大范围强浓雾的传播与扩展机制分析

本文利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料对2016年12月31日至2017年1月4日中国东部持续近5天的大范围强浓雾过程进行了分析,重点对强浓雾的传播与扩展机制进行了诊断研究。结果表明:这次浓雾过程以1日晚间冷高压南下为分界点,在高压南下之前强浓雾范围局限于河北中南部,高压南下之后,强浓雾增强并大范围传播,影响江苏、安徽、河南、河北、山东等多个省。冷高压南下导致低层逆温层加强,逆温区范围扩大,是强浓雾得以大范围传播的重要条件。由海上经江苏、安徽、河南至河北的水汽平流输送则为浓雾的大范围传播提供了充足的水汽条件。