国家级中尺度天气分析业务技术进展Ⅰ：对流天气环境场分析业务技术规范的改进与产品集成系统支撑技术

中尺度天气分析技术已经在我国天气预报业务中发挥了重要作用。2011年以来国家级中尺度天气分析业务技术取得了明显进展,促进了国家级强对流预报业务的发展。《中尺度天气分析业务技术规范》已重新编写和完善,内容分为两篇,第一篇是中尺度对流天气环境场分析;第二篇为中尺度对流天气过程分析,第二篇为新增内容,将另文介绍。短时和短期时效内中尺度对流天气环境场条件分析以配料法思路为基础,重新编排和简化了分析内容,兼顾分析的精细化和分析产品的可操作性,增加了分类强对流天气分析量化指标建议供预报参考,新增了基于局地探空的强对流天气分析规范。中尺度天气分析业务的支撑技术是推进该业务的必备基础,因此国家气象中心改进了MICAPS 3中尺度天气主观分析工具箱功能;开发了中尺度天气分析产品集成系统,包括强对流天气监测产品、中尺度天气分析主观和客观产品、基于不同数值模式预报的强对流参数诊断产品等的数据产品和图形产品等。     

2012~2020年成都市不同等级能见度的时空分布特征

利用2012~2020年成都市气象站观测资料和环境空气质量监测数据,研究了该地区能见度时空演变规律以及不同等级能见度下气象要素和污染物浓度的关系。结果表明:（1）成都市近9 a年平均能见度呈上升趋势。四季平均能见度由高到低依次为夏季（12.25 km）、春季（10.82 km）、秋季（9.04 km）和冬季（6.33 km）。成都市能见度日变化呈单峰型分布特征,07时能见度最低,17时能见度最高。（2）能见度空间分布特征为东高西低且北高南低,中部中心城区最低。（3）成都市3 km以下低能见度出现频率为10.92%,3~5 km、5~10 km和10~20 km能见度出现频率分别为15.92%、24.95%和22.51%。（4）能见度上升与对应的PM_2.5和PM₁₀浓度、相对湿度减少以及风速增加有关。当能见度低于1 km时,多为高湿（RH>96%）低温（T<10.6℃）和小风速（<1.0 m/s）和高浓度（PM_2.5>84.8 μg/m3,PM₁₀>129.0 μg/m3）。      

径向基神经网络模型在杭州湾北岸岸线变化中的应用

基于杭州湾北岸龙泉—南竹港弧形岸段实测岸滩断面与长江入海控制站大通站年输沙量资料,对杭州湾北岸岸线的变化及其趋势进行探讨。研究结果表明：受长江入海泥沙减少以及热带气旋和人类活动作用等影响,近10年来杭州湾北岸岸滩处于侵蚀状态。灰色关联分析进一步揭示,杭州湾北岸不同等深线的进退对长江入海泥沙减少的响应在时间尺度上有一定的滞后。同时,不同等深线的进退亦展现较强的相关性特征。鉴于此,利用大通年输沙量和不同等深线进退的耦合关系,进一步构建了基于长江入海泥沙和杭州湾北岸等深线变化的径向基神经网络岸线预报模型,其中模型输入向量为当年大通站年输沙量和杭州湾北岸-3m、-5m、-8m等深线距离大堤的位置,输出向量为次年0m岸线距离大堤的位置。经检验,构建的径向基神经网络岸线预报模型误差小于20%,可用以预报杭州湾北岸岸线的动态变化。     

北京及周边气溶胶区域影响与大雾相关特征的研究进展

针对2011年12月初北京及华北持续近一周的严重大雾天气这一热点事件,从城市群大雾过程气溶胶区域影响的视角,基于"973"项目"北京及周边地区大气-水-土环境污染机理与调控原理"的研究工作,就北京及周边地区大雾天气与大气气溶胶区域影响的关系等方面进行了讨论.研究表明,北京城市大雾前低空SO₂和NO₂浓度存在"积聚"与"突增"现象.北京及周边地区冬季雾日数和气溶胶光学厚度则呈正相关,并具有"同位相"的年际变化趋势.研究同时发现北京及其南部周边的冬季气溶胶高值区呈南北向带状分布,其与北京周边居民户数高值区有所吻合,反映了冬季北京城市气溶胶颗粒物的远距离影响源区及大尺度输送效应.统计分析指出,冬季北京气溶胶颗粒物PM₁₀、PM_2.5主要影响成分是SO₂和NO_X,且有关研究也表明,电厂、采暖和工业面源是SO₂的三大本地排放源,而机动车、电厂、工业为NO_X的三大本地排放源,上述大气PM₁₀、PM_2.5主成分污染源亦与雾水样本化学分析结果相吻合,即冬季由于燃煤在生活能源中的比例较大,北京雾水中硫元素和碳元素的含量都较高.因此,北京冬季大雾不仅与北京城区气溶胶及其污染排放影响存在相关关系,而且与北京周边天津、河北、山东等地气溶胶及大气污染物的远距离输送和气溶胶区域影响效应有着重要的联系.因此,北京雾霾天气及相关大气污染的治理工作首先要着眼于局地污染物的减排,但同时如何做好区域大气污染的协同治理也是不容忽视的问题.     

非饱和黏土动力特性及等价黏弹性模型的试验研究

针对非饱和重塑黏土,利用改进的非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在固结排水（CD）条件下进行了应力控制式分级加载的循环三轴试验,通过对试验结果的对比分析,探讨了初始固结压力和基质吸力(孔隙气压力Ua与孔隙水压力Uw之差)对非饱和土动应力-动应变关系特性的影响。以此为基础,将Hardin-Drnerich等价黏弹性模型和Masing加卸载准则进行了改进,并得到了可以考虑基质吸力的非饱和黏土的等价黏弹性模型。进而对试验数据与模型预测结果进行比较,结果表明这种改进的非饱和土等价黏弹性模型能较好预测各种基质吸力下非饱和土的动应力-动应变关系。     

一次东北冷涡暴雨的水汽输送特征和位涡分析

通过对2010年7月27~29日吉林省一次较大范围的冷涡暴雨、大暴雨过程进行诊断分析,建立了此类暴雨的天气概念模型：200 hPa呈现“两脊一槽”型,高空急流呈辐散状位于吉林省上空,急流中心最大风速≥60 m/s;500 hPa东北冷涡强烈发展,鄂海阻高稳定维持是此次强降水发生的重要天气系统,中心最大风速≥20 m/s的偏西风急流带横穿吉林省中部;850 hPa风速≥12 m/s的3条急流带在吉林省中东部地区交汇,形成低层辐合、高层辐散的气旋性涡度柱,较强的垂直上升气柱一直向上伸展到500 hPa附近,极有利于对流的发展和强降水的维持。通过计算整层水汽通量与吉林省逐6 h平均降水量的相关矢量场,结果表明：偏西、偏南及偏北3条水汽通道在吉林省中南部汇集是此次强降水发生的重要条件,暴雨落区与整层水汽通量汇合区密切相关,水汽输送以经向(南北方)水汽流入为主。暴雨期间具有较好的动力、热力及能量条件,特别是湿对流有效位能明显偏强,强降水出现在对流有效位能 (CAPE)值由极大值开始下降的过程中。干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一,≥1 PVU(位涡单位)的高位涡舌在下降的过程中,同时南移,与中部地区强降水落区自北向南移动相吻合。     

对流天气预报中的环境场条件分析

中尺度对流天气的分析包括以天气型识别和中尺度过程分析为主的主观分析,以及以动力热力物理参数诊断为主的客观分析。利用"配料法"预报的思路,通过诊断有组织的深厚中尺度对流系统发生、发展的4个条件(水汽、不稳定、抬升和垂直风切变),开发了中尺度对流天气的环境场条件分析技术(对流天气图分析和客观物理量诊断技术),并应用于中国国家气象中心的强对流天气预报。以中尺度对流天气的天气图分析方法为例,介绍如何利用高低空观测资料,分析对流天气发生发展的环境场条件;并以数值模式释用为主的强对流特征物理量诊断分析为例,介绍如何动态诊断对流天气的动力热力条件演变。     

2003年夏季的异常天气及预测试验

简要介绍了2003年夏季的异常天气和中国科学院大气物理研究所2003年汛期预测的结果.夏季淮河流域强降水集中发生在2周之内,引发了淮河流域的大洪水.6月底至7月上旬副高、季风涌、青藏高原东移的α中尺度高空槽以及冷空气的活动,3次处于最有利于暴雨发生的配置,梅雨锋上的扰动频繁,导致淮河流域出现引发大洪水的3次大暴雨过程.南方持续高温酷暑天气与副高的异常活动有关,特别是7月下旬至8月,西太平洋副高稳定控制江南地区.与南方的高温相反,北方凉夏是因为中纬度地区处于平直的低压带中,多小波动活动.预测系统对6～8月江淮雨带及其暴雨中心的实时预测是比较准确的,对大范围的雨带无漏报和空报;对华北地区降雨的预测评分要低于江淮梅雨,这可能是因为模式中的物理过程,特别是降水的物理过程未能较好反应华北地区的情况.     

大气传输对华北区域本底地区降水化学成分的影响

对华北区域本底站1999~2007年239次降水过程的气流后向轨迹进行分类,从中选取典型西北路径、西南路径和东南路径降水,研究了不同输送路径下降水pH值、电导率、化学组成特征及影响本底地区的主要排放源.结果显示,起源于我国中东部内陆地区途经太原、石家庄、北京等大城市的西南气流,起源于蒙古国途经我国内蒙地区的西北气流,以...     

空气污染对珠江三角洲一次大暴雨影响的数值模拟

利用完全在线耦合气溶胶-云-化学WRF-Chem数值模式,采用Lin双参数云微物理方案,对珠江三角洲地区2010年5月14日的一次大暴雨过程进行了模拟。在无污染物排放源(控制试验)和有污染物排放源(敏感试验)背景下对云微物理结构和转换过程进行对比分析。结果表明:在降水中心位置和范围上,敏感试验和控制试验均与实况降水相近。但加入污染物排放源后,总累积降水量减少,而平均降水率峰值有所提高,并且降水初始时刻会比无污染物排放源时滞后一些。云水蒸发和雨水蒸发在降水初始阶段的减少,延缓了降水的发生;云水自动转化成雨水的增加致使雨水混合比在降水加强时段增加,造成平均降水率峰值提高;以雨水被霰收集为主的冷云过程的减少导致总累积降水量减少。