小麦叶片和冠层尺度气体交换模型关键参数的季节变化特征

本文从叶片和冠层尺度入手,采用手持式光合仪和涡动相关法,分析确定C3作物春小麦和冬小麦气体交换模型关键参数随季节变化的特征。结果表明:春小麦叶片尺度最大羧化速率和最大电子传递速率在生育末期快速减小,其他阶段差异不显著,但二者之比随发育期变化相对稳定,均值为2.2;春小麦生长季叶片气孔导度模型斜率在9~11间变动,均值为9.7。冬小麦冠层尺度最大羧化速率和最大电子传递速率随发育期呈抛物线变化,但二者之比相对稳定,均值为1.43;冬小麦冠层导度模型斜率在不同年份不同季节变化无明显规律,整个生育期围绕均值12波动。本研究论证了表征作物光合能力的参数随生育期变化以及气孔导度模型斜率相对稳定的特征。可为陆气相互作用过程分析以及生态系统碳—水循环模拟提供参数化依据。

东南风低空急流影响“21·7”郑州市极端暴雨分析

利用中国气象局上海台风研究所热带气旋(Tropical Cyclone,TC)最佳路径数据、美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,NCEP)最终分析格点资料(Final Analysis,FNL)及常规观测数据等,分析了2021年7月郑州极端暴雨过程的特征机理。结果表明:(1)两个TC同时远距离输送大量水汽,东南风低空急流与强降水关系密切。当东南风急流北上到太原、邢台等站后郑州市暴雨减弱。郑州市6 h降水超过62.5 mm站点数目增减与850 hPa地转偏差数值变化趋势一致。(2) 20日白天郑州站极端降水发生前,从850 hPa经500 hPa至200 hPa风向从东南风顺转为西南风。200 hPa与850 hPa水平风的垂直切变(Vertical Wind Shear,VWS)从最大值开始减小、可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)明显加大、不稳定程度减小,这些都是极端暴雨发生的有利条件。极端暴雨具有明显的湿对流特点。(3)纬、经向风变率诊断表明,最有利于郑州市850 hPa东风维持的因子是地转偏差,最有利于南风加大的因子是动量平流。动量对流促使郑州市暴雨过程850 hPa南风减小,故动量上、下传递并非850 hPa南风加大原因。

三江源地区夏季-10℃层高度变化及云垂直结构特征

利用三江源地区沱沱河、玉树、达日3个探空站的探空资料对1999—2021年-10℃层高度时间变化趋势、突变时间进行了研究,同时对该地区2021年云出现频率和云垂直分布特征进行了研究,并探讨了-10℃层高度、云层垂直结构与降水的关系。结果表明:(1)近20 a来三江源地区夏季08时和20时的-10℃层高度平均值分别为7 014.1、7 201.6 m,并呈显著上升趋势。突变检验分析确定三江源地区夏季08时-10℃层高度出现突变是从2009年开始,20时出现突变是从2012年开始。(2)08时三江源地区夏季云层结构较为复杂,20时三江源地区夏季主要以单层云为主,6—8月平均出现频率分别为35%、42%、39%。从三江源地区夏季云顶高度、云底高度和云层厚度来看,7月云顶高度最低、云底高度最高、云层厚度最小。(3)三江源地区夏季-10℃层位于该地区云层中下部。产生降水时-10℃层高度主要集中在7 200~7 800 m,云层厚度在4 000~11 000 m。三江源地区夏季降水量与-10℃层高度、云顶高、云层厚之间存在显著的正相关,与云底高存在显著的负相关。-10℃层高度与云顶高度、云层厚度间存在显著的正相关;与云底高度间相关性不显著。

我国南方西南和中东部区域两次持续性低温雨雪过程与关键环流系统的关系研究

利用NCEP再分析资料和国家气象信息中心提供的753站逐日气温和降水资料,对比分析了我国南方西南和中东部区域两次持续10 d以上的低温雨雪过程,结果表明:(1)两次过程中欧亚大陆中高纬东亚大槽均加深,但环流形势有差异。西南过程呈现"北高南低"形势,关键脊区在贝加尔湖,而中东部区域过程"北高南低"和"西高东低"形势共存,关键脊区从乌拉尔山延伸至贝加尔湖。两次过程异常的环流与北大西洋向东传播的波列有关。(2)西南过程关键脊区提前过程3 d发展并东移至贝加尔湖,形成稳定形势;而中东部区域过程关键脊区提前过程一周发展,在开始日达最强。两次过程均伴随蒙古高压东移南压使地面降温,500 hPa关键脊区超前蒙古高压2 d变化。西南过程降温主要受到冷平流和绝热冷却影响,而中东部区域过程主要受到冷平流的影响。(3)西南过程水汽来自孟加拉湾,只受南支槽支配。中东部区域过程水汽来自孟加拉湾、南海和西太平洋,由南支槽和西太平副热带高压的共同影响。两次过程水汽正收支主要来自南边界。

1951—2017年热带气旋移动速度特征统计分析

热带气旋移动速度是目前热带气旋研究热点之一。本文利用1951—2017年中国国家气象局最佳路径集资料,系统分析了西北太平洋海域热带气旋不同强度等级移动速度的年代际特征,初步探讨其原因,并对不同强度等级移动速度的分布特征进行系统诊断。结果表明,1951—2017年间平均移动速度(所有强度等级平均及对于大部分强度等级)呈现出减慢趋势,且主要体现在强热带气旋等级移动速度减慢;热带气旋向高纬度迁移趋势理论上将使移动速度增大而移动速度仍然减慢,说明气候因素是引起移动速度减慢的一个重要因素;不同强度等级平均移动速度、增强阶段基本相当,减弱阶段随强度减弱在初、中期明显增加,之后又逐渐减小,变性气旋移动速度显著增加;不同强度等级速度概率分布,增强阶段基本相同且相对集中,减弱阶段差异较大且相对分散,变性气旋最为分散。

WRF模式不同微物理方案对青海高原夏季一次降水过程模拟差异的初步探讨

为了解不同微物理方案对青海高原地区夏季降水过程模拟的影响,利用WRF模式和NCEP再分析资料,选取Lin方案、WSM6方案和New Thompson方案等3种微物理过程参数化方案,模拟了青海高原地区2017年夏季一次典型降水过程,并结合探空、降水等观测资料对模拟结果进行了探讨。结果表明:WRF模式3种微物理参数化方案对温度廓线的模拟表现出较好的一致性,且均与实况接近,但对不同区域相对湿度廓线的模拟能力有明显差异;3种微物理参数化方案均能模拟出本次降水的主要走向、雨带及强降水中心,但模拟的雨带和强降水中心位置较实况偏东且局部雨量偏大;WSM6方案对降水空间分布的模拟与实况最接近,WSM6和New Thompson方案模拟的降水偏差均略小于Lin方案;3种方案降水模拟结果中,小雨TS评分最高,其次是中雨,对大雨模拟的可信度均较差;降水模拟小雨TS评分最高的是New Thompson方案,为0.60,WSM6方案次之,Lin方案较差,为0.43;对中量降水模拟,WSM6方案略优于其他两个方案;降水模拟New Thompson和WSM6方案整体优于Lin方案。

基于时空图卷积的强对流降水临近预报研究

降水临近预报对于强对流天气的预报具有重要的支撑作用。气象业务中主要采用雷达回波外推方法解决此问题。然而,现有方法通常缺乏从序列雷达数据中有效学习的能力,导致预测精度不佳。为了解决这一问题,本文提出了一种改进的时空图卷积模型ASTGCN(A Spatio-Temporal Graph Convolution Neural Network)用于强对流降水的临近预报。利用时空图卷积网络,有效地捕获相邻雷达帧之间的时间依赖性。此外,利用注意力机制和自动编码器来增强模型捕获时空相关性的能力。结果表明,该模型可以从数据中发现隐藏的图结构,从而捕获隐藏的空间关系。与现有模型(Transformer)相比,该模型的临界成功指数(CSI)提高了28%,表明其在强对流降水临近预报方面具有优越的性能。

耦合多元混沌要素的非线性交叉预测误差模式对极端天气延伸期预测研究

本文首先分析随机误差、初始误差和模式参数误差对建立的单变量非线性交叉预测误差模式(Nonlinear Cross Prediction Error,NCPE)的极端天气延伸期预报敏感性,及不同气象要素场对延伸期预报的敏感性,再利用可降水、温度、位势高度资料建立多混沌变量耦合的模式(Multivariate NCPE,MNCPE),深入对比分析两种模式延伸期预报特征。结果表明:随机误差和初始误差的比率量级差异会影响NCPE模式的延伸期预报特征,存在临界值效应;而针对参数误差,合适的相空间维m能较好表征吸引子的局部细节。不同气象要素场对暴雨、台风等灾害天气延伸期预报的敏感性也表现不一。耦合多变量的MNCPE模式,相比单变量NCPE,能更完备表征混沌吸引子局部结构的动力特征,降低10~30 d延伸期预报的不确定性。

CRA40再分析资料在“21·7”极端强降水研究中适用性评估

本文基于实际观测数据对比分析ERA5、CRA40、CFSR和NCEP/NCAR四套再分析资料在“21·7”极端暴雨研究中的表现,同时采用ERA5作为资料对比的基准,对CRA40在极端暴雨研究中的适用性进行评估。结果表明:(1)四套资料对台风“烟花”、副高等关键环流系统的强度估计均偏低,CRA40与ERA5所分析的高度场流型总体一致,且环流更接近实况。ERA5对200 hPa高空急流的强度估计最高,CRA40与ERA5的差异最小。对流层低层风速的再现能力CRA40与ERA5相当。对于台风“烟花”的加强转折,四套资料均无法再现。(2)925 hPa温度场上,相较其他资料,在青藏高原地区ERA5温度较低,CRA40温度最高,对于弱冷空气侵入河南北部的过程以CRA40与ERA5的结果最为接近。CRA40对水汽通量及其散度的描述与ERA5在分布形势以及数值上较为接近。(3)CRA40与ERA5资料均能刻画出“21·7”暴雨期间郑州站上空良好的动力条件,强度上CRA40基本略弱于ERA5,两套资料所表现出的经向/纬向环流和位涡总体特征一致。

基于云微物理过程的北方冻雨的模拟与形成机制研究

本文通过耦合AFWA(Air Force Weather Agency)冻雨参数化方案的WRF模式,对2020年冬季因暖锋引发的中国北方严重冻雨灾害个例进行了模拟,结果显示模式能够很好地模拟此次冻雨过程中降水相态的空间分布。通过分析暖锋的演变、水成物云微物理特征以及降水相态的变化,得到:在辽宁中北部—吉林中东部地区,暖锋导致中低空形成“冷—暖—冷”的温度层结,该区冻雨形成机制以“冰相机制”为主,即高空的雪花落入大于0℃暖层内融化、再降落到次冻结层后形成冻雨。同时,发现存在高空无固态水成物、逆温层内暖雨下落到次冻结层在地面形成冻雨的现象,这种新机制被定义为“暖雨机制”,更多水成物垂直剖面与同期地面观测降水相态的比对,验证了新机制的存在,并解释了该机制形成的可能原因。为更深入理解冻雨形成机理以及北方冻雨的预报、预警提供科学支撑。

GOES-16 ABI观测和ERA5全天空模拟亮温揭示的热带对流水平特征尺度对比分析

本研究通过将GOES-16 ABI观测亮温和ERA5再分析资料的全天空模拟亮温进行对比分析,发现观测亮温和模拟亮温对流低值区位置大体接近,也能够定性反映出对流从发展到减弱的日变化过程,但亮温低值区域的强度存在较大差异。即使把高分辨率ABI通道13观测亮温平均到ERA5分辨率(0.25°×0.25°),在热带对流区的低亮温强度仍然高于ERA5全天空模拟亮温。因此利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)对任意选择的两对流区域内的观测和模拟亮温进行了尺度分析和对比。在其中对流较强的区域内,当ABI观测亮温的主成分分量从1增加到9时,水平特征尺度从700 km逐渐减小到150 km。ERA5全天空模拟亮温从主成分1增加到4时,水平特征尺度从950 km减小到270 km空间尺度,但当主成分4增加到9时,特征尺度几乎不变。在对流较弱的另一区域也能够发现ERA5模拟亮温对对流水平特征尺度有明显高估。ERA5模拟亮温各主成分的相位和观测亮温存在2 h以内的误差。由于ERA5全天空模拟亮温低值区与ERA5云冰路径大值区吻合度较高,由此可以推测ERA5云冰路径误差是造成ERA5全天空模拟亮温与ABI观测亮温差别的主要原因之一。

CFSv2对浙江省延伸期逐日降水预报性能评估及解释应用初探

利用CFSv2长序列回报资料和近6 a实时预报数据,系统分析了模式对浙江短中期(Short-medium Range,SMR,1~10 d)和延伸期(Extended Range,ER,11~30 d)逐日降水的预测性能,并基于系统误差订正(Systematic Bias Correction,SBC)技术开展了解释应用。结果表明:(1)模式回报技巧在SMR时段快速衰减,而在ER时段的衰减明显趋缓;SMR时段的相关系数远高于ER时段,但这两个时段的均方根误差较为接近;(2)从季节演变来看,模式技巧在秋冬季较高而在春夏季相对较低;(3)模式回报结果表现出显著的系统性偏差,这一偏差在各个起报日(提前1~30 d起报)中稳定存在,采用SBC技术开展解释应用,发现订正后模式的回报技巧在ER时段显著提升;(4)进一步将SBC技术应用于实时预报,发现实时预报的技巧也得到了一定的改善,且ER时段的改进效果更为显著。

基于近地层垂直速度能谱尺度特征确定复杂下垫面零平面位移

本文利用位于南京市郊区的南京大学仙林校区SORPES观测站多层湍流观测数据分析了湍流谱特征,以白天不稳定条件下垂直速度能谱谱峰对应的长度尺度也就是离地高度为判据,探讨了运用该方法确定复杂下垫面零平面位移的可行性。统计分析表明,该方法确定的长度尺度呈现出较为一致的概率分布形状,概率最大的长度尺度对应于离地高度,在复杂下垫面情况下这个高度就是零平面位移高度到观测高度之间的距离,将观测点的离地高度减去这个距离就能得到零平面位移。本文同时运用不稳定条件下垂直速度方差在近地层中的相似关系来确定零平面位移,并与谱方法得到的结果进行对比。结果表明,谱方法和方差法得到的零平面位移非常接近。

华南冬季极端低温事件的统计建模及未来预估

基于1961—2005年华南冬季逐日最低温度观测资料,以及参与CMIP5的IPSL-CM5A-MR、MPI-ESM-MR、CMCC-CMS 3个模式的历史模拟和未来排放情景预估数据,从过程角度定义和提取华南冬季极端低温事件及其特征指标,并通过引入极值理论构建极端低温事件的概率分布模型(Cold Spell Model,CSM),刻画其强度、频数和持续时间特征分布;进一步结合基于累计概率分布变换的偏差订正方法降低模式模拟的偏差,探讨了RCP4.5情景下全球升温1.5℃和2℃时极端低温事件的风险变化。研究表明:(1)CSM模型能够较好地拟合极端低温特征概率分布,大部分台站通过了K-S或卡方检验;(2)相对于观测,模式模拟极端低温存在一定偏差,经偏差订正后,各站点BS评分接近于0,SS评分普遍提高到0.88左右;(3)全球增暖背景下,华南地区极端低温呈现强度减弱、频数减少、持续时间缩短的特征。全球增暖1.5、2.0℃背景下,华南大多数地区极端低温事件平均强度减弱,频次降低,持续时间变化具有明显的空间差异;每年发生1次极端低温事件的概率增加,但每年发生3、5次的概率减少;增暖1.5℃下极端低温事件持续性特征变化不明显。但增暖2℃下,华南大部分地区持续1 d的极端低温事件更易发生,但更长持续时间(3、5 d)的极端低温事件发生的可能性显著减少。

热带气旋影响下2007—2021年苏皖地区龙卷活动情况及环境特征统计分析

本文收集并统计了2007—2021年热带气旋(Tropical Cyclone,TC)影响下苏皖地区的65次龙卷记录,其中TC(登陆)龙卷24次,TC(海上)龙卷41次。江苏龙卷多于安徽,呈南多北少分布,低海拔平原郊区为易发地带,7、8月的午后至傍晚为易发时段。登陆TC引发龙卷时,强度级别主要为热带低压和热带风暴,多以西北向路径在福建及浙江沿海登陆,龙卷多出现在以TC为中心300~550 km的东北象限,该区域内存在中等强度的不稳定能量、强的低层切变以及大的风暴相对螺旋度和能量螺旋度。海上TC引发龙卷时的强度级别主要以热带风暴、强热带风暴和台风为主,有3种主要移动路径:偏西路径、西北路径和偏北路径。TC(海上)龙卷发生时TC多在25°N以南,此时苏皖地区受副高和TC的共同影响,西南暖湿气流不断输送,配合中纬度的低槽活动,冷暖空气对峙,有利于龙卷生成,虽动力条件弱于TC(登陆)龙卷,但热力条件更好,能量螺旋度值较大。

我国不同背景地区大气冰核浓度特征及参数化

为深入了解我国不同背景地区大气冰核浓度特征,本文通过在我国不同地区进行大气冰核及气溶胶的采样观测。研究发现:观测期间,黄山光明顶的冰核浓度数值均值为2.208 L^(-1);南京地区的冰核浓度数值均值为7.16 L^(-1);泰山山顶的冰核浓度数值均值为3.455 L^(-1);泰山山底的冰核浓度数值均值为4.818 L^(-1);新疆地区无沙尘天气冰核浓度数值均值为11.27 L^(-1);新疆有沙尘天气冰核浓度数值均值为51.8125 L^(-1)。研究给出了不同背景地区的大气冰核浓度的温度谱和湿度谱的分布。同时,研究发现,冰核数浓度与粒径大于0.5μm的气溶胶粒子数浓度的相关性较高,也就是气溶胶粒子中大颗粒所占比例越高,冰核数浓度越高。此外,还建立了基于活化温度、过饱和度以及大于0.5μm气溶胶粒子数浓度的冰核参数化方案,它们可以分别适用于沙漠地表,相对清洁的背景区域和人为污染较多的城市背景。

上海地区高温过程中局地气候区尺度城市热岛特征分析

本文以超大城市上海为研究对象,选取2017年7月为夏季代表月,利用自动气象站网观测得到的逐小时气温和风速数据,基于局地气候分区方法分析了上海市各局地气候区(Local Climate Zone,LCZ)在不同天气条件下的气温和城市热岛强度(Urban Heat Island Intensity,UHII)时空特征及其成因。结果表明:由于城市几何形态、建筑材料、表面不透水面占比以及人类活动的不同,上海市夏季典型月各LCZ的气温和UHII表现出明显差异,在高温日,UHII日变化曲线可以分为"W"型、浅"U"型、"V"型、日间型和平稳型这五类。城市建筑形态对城市风、热环境具有较为复杂的影响,UHII与天空可视因子(Sky View Factor,SVF)的相关系数在00时(北京时,下同)为负,而在12、16时为正,这是由于建筑物对城市冠层内的辐射传输的影响和建筑物的热量储存导致的;城乡风速之比与SVF在00、12和16时都为正相关,说明了高大密集的建筑物对风速有衰减作用,同时风速通过影响大气的平流输送进一步影响UHII。

回流作用对江淮地区两次浮尘天气过程影响的差异研究

本文以2021年3月16、28日两次沙尘天气为例,利用地面常规气象观测资料、气象再分析资料,结合气溶胶激光雷达、风廓线雷达、HYSPLIT模型等分析了影响江淮地区的两次沙尘天气发生时天气系统、颗粒物浓度、气溶胶光学特性和边界层气象条件变化等特征,特别探讨了回流作用的影响。结果表明:两次均为浮尘天气,与暖区新生类蒙古气旋的活动有关。对江淮地区的影响分为冷锋后部污染物影响和高压后部污染物回流影响。前者容易引发单峰型2~4 h污染物爆发性增长,后者对应多峰型7~9 h污染物持续增长,最终产生1000μg·m^(-3)以上的严重污染。污染物均来源于蒙古和贝加尔湖,经过华北后传输高度降低至1 km以下,回流阶段的传输高度较低,仅为0.3 km左右。传输层风速加强至8~14 m·s^(-1)有利于污染物在地面的长时间影响。

祁连山冷锋过程中积层混合云微物理特征飞机观测研究

利用高性能空中国王飞机搭载的DMT(Droplet Measurement Technologies)探测系统,分析2020年6月15—16日祁连山地区两次冷锋过程前后积层混合云的宏微观特征。结果表明:冷锋前CIP(Cloud Imaging Probe)粒子平均浓度在10~1~10~2 L^(-1),PIP(Precipitation Imaging Probe)粒子浓度在10~2 L^(-1);CIP粒子数浓度随高度逐渐上升,降水粒子在7 300 m时浓度达到峰值后下降;平均粒子谱拓宽速率为3.5 mm·km^(-1),随着高度的下降而降低。冷锋前存在对流泡区域,对流泡内粒子浓度均高出对流泡外,粒子谱拓宽速率高出层云一倍。冷锋后大CIP粒子粒子浓度为10~2 L^(-1),降水粒子浓度为10~0~10~2 L^(-1),粒子谱拓宽速率为1.5 mm·km^(-1),较冷锋前粒子谱拓宽速率小1.7倍。锋前后粒子均呈现多峰型;锋前积层混合云云中对流泡内外谱型一致,云顶处对流泡内外峰值粒径不同。锋前云粒子形状为聚合状、枝状、柱状和不规则状,以聚合状为主;云内冰晶以凇附和聚合增长为主;对流泡内外在粒子形态上没有明显差异。锋后粒子形状以不规则粒子为主,云粒子增长形式以聚合增长为主,并伴有上层云向下层播撒大云粒子的现象。

青藏高原及周边地区极端降水天气事件及其基于自组织特征映射方法的天气背景分型

利用2008—2014年中国自动站与CMORPH降水产品融合资料和NCEP再分析资料,基于自组织特征映射方法对青藏高原及周边地区的6 h极端降水天气进行了统计分析。发现6 h极端降水的高值和高频次主要分布在青藏高原西南部和东南部,以及东南侧的四川盆地和南侧沿喜马拉雅山至横断山脉一带。6 h极端降水在高原西南部多发生在14时(北京时,下同),在东南部多发生在20时,而在四川盆地和南侧主要发生在08时。采用自组织特征映射方法将2008—2014年高原及周边地区6 h分辨率的天气背景分为5类,类型I至类型V体现了从夏季—春秋—冬季的渐变,6 h极端降水天气事件发生比率依类递减。高原上总的极端降水主要来自类型I的高原极端降水,类型II及以下的高原极端降水落区逐类缩减并趋于沿冈底斯山零散分布。对比各类型的天气背景发现,高原上类型II及以下的动力强迫较类型I逐渐增强,但是暖心、湿度和对流有效位能等有利热力条件却依类明显缩减,使得高原极端降水落区依类迅速缩减。有利热力条件的分布与大范围极端降水的落区有很好的对应关系,热力条件减弱后,动力条件的增强及其与高原复杂地形的相互作用是导致零散极端降水的重要原因。四川盆地和高原南侧的对流有效位能明显高于高原内,高原在周边的强迫抬升易于触发对流不稳定,释放较高的对流有效位能,形成较强和较频繁的极端降水天气事件。