中昆仑山北坡持续性暴雨的水汽输送及其大气三维结构特征

利用基于拉格朗日方法的HYSPLIT_4轨迹模式,结合地基GPS-MET观测资料,对2019年6月24~26日中昆仑山北坡一次持续性暴雨天气大尺度水汽输送特征及水汽源地进行分析,阐明了干旱区强降水期间大尺度环流异常与水汽持续接力输送过程的关系。结果表明:(1)降水前副热带高压(简称副高)位置异常偏西,副高外围偏南气流造成高原增湿明显。强降水期间,副高继续向西北伸展,低纬度水汽沿印度夏季风环流向北输送,经青藏高原接力输送至暴雨区,与塔什干低涡前偏南气流共同构成了中昆仑山北坡持续性强降水的水汽输送通道,水汽持续接力输送造成暴雨区可降水量(PWV)出现两次急剧增湿过程,测站PWV峰值达到气候平均值近2倍。(2)300 hPa温度异常对于本次中昆仑山北坡持续性大暴雨天气水汽输送具有重要的作用。降水前和降水期间,300 hPa暖异常中心激发200 hPa反气旋式环流异常和经向风正异常中心,同时,在暖异常中心南侧(印度半岛北部)和西侧,激发500 hPa反气旋式环流异常中心和气旋式环流异常中心,反气旋式环流后部经向风正异常中心将低纬度地区暖湿气流向北输送,与气旋式环流东部偏南气流在暴雨区汇合,为持续性暴雨的发生提供充沛的水汽供应。

塔里木盆地及其周边地区大气可降水量分布及其与降水关系的研究

利用2018年7月至2022年6月塔里木盆地及其周边地区17部地基GPS水汽探测仪遥感的大气可降水量(PWV)资料、 14个地面气象站逐时和逐日降水资料,分析了塔里木盆地西部(区域A)和东部(区域B)PWV分布特征及其与降水关系。结果表明:(1)研究区年平均PWV高值区主要集中于盆地北部和盆地西南部平原地区,海拔超过1300 m站点的PWV年平均值与海拔成反比,低于1300 m的低海拔地区PWV年平均值在10~12 mm。夏季测站PWV平均值是春、秋季节的2倍。(2)区域A和区域B PWV月变化呈单峰型分布,分别在8月和7月达到峰值。区域A有、无降水日PWV均在23:00(北京时,下同)达到日峰值。区域B有、无降水日PWV日峰值出现时间相差5 h,分别出现在11:00和17:00。(3)区域A和区域B多数测站ΔPWV(PWV与PWV月平均值差值)峰值分别在降水开始前0~1 h和降水开始时刻前后1 h出现。春季区域B降水前PWV跃变程度较区域A更剧烈,夏季各区域σPWV(PWV与PWV月平均值倍数)提前降水开始时刻1 h、 5~6 h达到1~1.8倍的天气过程较其余时次偏多。秋季和冬季区域BσPWV分别集中在1.4~2.0倍和1.6~2.4倍。(4)海拔高于1400 m测站的5-6月、 7-8月PWV值达到10~20 mm和15~25 mm,对应降水结束时刻。海拔低于1400 m测站5-8月降水结束时刻PWV值逐渐由15~25 mm增至25~35 mm。

中昆仑山北坡水汽含量的计算及其特征分析

干旱区水汽变化影响区域水资源系统的结构和演变,基于2020年1月—2022年12月中昆仑山北坡地区4个地基GPS遥感大气可降水量资料(GPS-PWV)、2个探空站观测资料和108个地面气象观测站逐时水汽压资料,利用一元线性拟合方法建立了适用于中昆仑山北坡地区的大气水汽含量(W-PWV)和地面水汽压计算模型(W-e)并对计算结果进行评估,分析了中昆仑山北坡地区东段、中段、西段W-PWV的时空分布特征及降水开始时刻与W-PWV峰值的关系。结果表明:(1)W-PWV年平均高值区位于研究区西段,中段次之,东段沙漠南缘W-PWV最低。海拔高度大于1500 m测站W-PWV随高度升高逐渐减少。夏季地面气象观测站平均W-PWV是春、秋季的2倍左右;(2)研究区W-PWV月变化具有单峰型特征,其中海拔高度1300~1500 m测站的W-PWV在7月和8月达到峰值,其余测站的W-PWV在8月达到峰值,海拔低于2000m和高于2000m测站W-PWV分别在夜间和白天维持较高值;(3)水汽含量模型计算的测站W-PWV与降水开始时刻有较好的对应关系,降水前各站W-PWV均存在不同程度跃变过程,降水过程前1~2h内W-PWV峰值达到测站W-PWV月平均值的1.5倍以上。

伊犁河谷流域山区和平原雨滴谱特征统计研究

雨滴谱是理解降水微物理特性和定量降水估测的基础,尤其是在降水机制复杂、时空变异性大的复杂地形中。本文利用Parsivel2激光雨滴谱仪对2020-2022年夏季伊犁河谷流域山区和平原不同降水强度和不同降水类型的雨滴谱特征进行了研究。结果表明:山区和平原降水主要以小雨滴为主,对降水强度R贡献最大的主要是中雨滴。山区降水和平原降水主要出现在午后至傍晚,山区降水大中型雨滴数浓度在各时间段均高于平原。随着雨强增大,雨滴谱的谱宽和各直径档的雨滴数浓度也随之增加,山区降水的大中型粒子数浓度在小雨和大雨时明显大于平原。在相同降水强度和降水类型的情况下,山区降水具有较大的质量加权平均直径(D_(m))和较小的标准化截断参数(log_(10)N_(w))。此外,伊犁河谷流域山区和平原的对流云滴谱均倾向于“大陆性对流簇”。研究发现,两地区降水的μ-Λ关系和Z-R关系也存在显著差异,Z=300R^(1.40)的经验关系显然高估了降水量。研究结果揭示了伊犁河谷流域不同地形条件下的降水微物理特征,为后续利用雷达资料反演降水提供可靠的事实依据。

昆仑山北坡“6·14”极端暴雨过程的中尺度对流系统特征分析

在全球变暖的背景下,昆仑山北坡极端暴雨频发且影响巨大,由于对其的观测和研究相对匮乏,使得该区域暴雨监测和预报难度大。理解其发生机理和关键影响系统是提高其监测预报的有效途径,对该区域防灾减灾意义重大。利用高时空分辨率的气象观测资料、GPS/Met大气可降水量(PWV)资料、风云卫星资料(FY-2H)和ERA5再分析资料,对2021年6月14—17日昆仑山北坡一次极端暴雨过程进行大尺度环流背景场和中尺度对流系统特征分析。结果表明:(1)此次暴雨过程,暴雨站数多、累积降水量大、局地性强并且极端性强,在和田地区出现3个极端暴雨中心,分别发生了短时强降水和连续性降水。其中短时强降水过程持续时间短,最大小时雨强达29.4 mm;连续性降水持续时间达3 d,小时雨强小于5 mm。本次极端暴雨发生的有利环流背景是双体型南亚高压在对流层高层维持,中亚低涡形成发展。在高低空急流共同作用下,高层强辐散、低层辐合促进大气垂直运动发展,500 hPa偏南气流、700 hPa切变线以及850 hPa偏东气流相互配合为暴雨提供有利动力配置。(2)对流层中层以西南路径和西南+南方路径水汽输送为主,低层主要以低空偏东急流携带水汽输送为主,中低层水汽输送路径形成耦合,促进本次极端暴雨的发展加强。极端暴雨发生前持续的水汽输送和强的水汽通量辐合中心,使得暴雨区大气可降水量(PWV)在降水前出现显著增湿聚集过程,PWV达30 mm。(3)列车效应型+合并加强型中尺度对流云团不断在暴雨站点上空生成发展并移过,是触发短时强降水的直接影响系统,站点位于对流云团黑体亮温(TBB)梯度最大处。中-β和中-α尺度对流云团发展维持以及涡旋状中尺度对流云带的持续覆盖,是导致暴雨站点发生连续性降水的关键系统。

伊犁河流域近30a洪水灾害时空分布及孕灾环境特征研究

基于1990-2022年伊犁河流域洪水灾情数据集,结合高程、归一化植被指数等孕灾环境因子,研究伊犁河流域洪水灾害时空分布及孕灾环境特征,并分析洪水灾害发生规律和孕灾环境之间的联系。结果表明:(1)研究区洪水灾害可分为3种:暴雨洪水、融雪洪水和混合洪水(暴雨加融雪造成洪水),其中,暴雨洪水灾害最多(占80.0%)、融雪洪水灾害最少(占3.4%);洪水灾害呈流域北部多于南部、东段多于西段的空间分布,尼勒克县最多、霍尔果斯市最少。(2)近30 a来洪水灾害频次呈年际和年代际增多趋势,洪水灾害年均约11.6次·a^(-1),2010年最多(43次),2000-2011年最多(149次)。洪水灾害在夏季最多,春季次之,秋季最少,6月最多(年均3.3次·a^(-1)),10月最少(年均0.06次·a^(-1)),其中暴雨洪水灾害夏季最多,年均9.3次·a^(-1),6月最多(110次),10月最少(2次),混合洪水灾害春多夏少,3月最多(36次),7月最少(8次),年均1.9次·a^(-1),融雪洪水灾害3月最多(12次),只发生于春季,年均0.4次·a^(-1)。(3)孕灾环境敏感性等级综合分布显示,灾害发生过程中,各孕灾因子共同起作用,影响洪水灾害的空间分布和强度。尼勒克县、特克斯县、新源县、昭苏县和霍尔果斯市境内的极高敏感区域分布较多。结合洪水灾害时空分布和孕灾环境等级综合分布可知,洪水灾害多发生在极高敏感区和高敏感区分布较多的流域东段和北部区域。

1979~2017年冬季新疆北部各区域型暴雪日水汽输送特征分析

北疆地处内陆干旱半干旱区,降水的多少对其影响十分巨大。尤其在全球变暖背景下,北疆地区的降水异常增多。本研究利用1979~2017年北疆40个站点冬季降水资料、ECMWF ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析资料,基于HYSPLIT v4.9模式讨论北疆4个区域型暴雪日的水汽输送特征及可能影响机制。研究发现:(1)各区域型水汽以西边界输入为主,但西天山型有少量水汽从北边界输入,天山型有部分水汽从南边界高层输入;(2)北部型、西部型和西天山型的水汽通道均位于中纬西风带,但具体位置有所差异。北部型以地中海和黑海水汽输送为主,贡献率为58.8%;西部型以里海西南侧水汽输送为主,贡献率为70.8%;西天山型以黑海和里海东南侧水汽输送为主,总贡献率为72.9%;天山型的水汽源地主要位于印度、伊朗附近,贡献率为64.2%;(3)各区域型位势高度的距平南北均呈现“正—负”分布,西东均呈现“负—正—负”分布,但中心强度、位置及范围有所不同,这种差异导致影响区域的不同。

粒子散射系数在沙尘天气观测分级中的初步分析

利用2004年4月20日至5月23日塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站浊度计和能见度仪逐日每5min一次的加密观测资料及相应的地面气象常规沙尘观测记录,根据中国气象局沙尘暴观测分级标准分析了粒子散射系数在各级沙尘天气中的特征,表明浊度计观测的粒子散射系数在沙尘天气观测分级标准中有较明确的意义,沙尘天气时粒子散射系数与能见度为显著指数关系。

新疆夏季强降水研究若干进展及问题

总结了1960～2009年新疆强降水领域的主要研究成果,从大尺度环流背景、天气尺度和中尺度系统、水汽特征进行了分类概括。由于有关新疆地区降水的关注和研究相对较少,近些年与东部地区差距日益加大,致使我们应对防灾减灾的能力严重不足。提出了待解决的问题:中亚低涡和低空偏东急流的结构特征、形成机理及对降水的影响;中尺度系统的特征及其发生、发展的物理机制;造成新疆地区暴雨的水汽源汇结构和接力输送机制;典型暴雨过程与高、中、低纬大范围水汽输送异常之间的关系等问题。这些问题的研究对推进新疆短期天气预报的发展和提高强降水预报准确率,增强防灾减灾能力具有重要意义。

南疆盆地翻山型沙尘暴环流动力结构分析

2003年4月8日至9日发生了一次超极地冷空气入侵新疆并翻越天山造成南疆盆地大范围强沙尘暴过程,分析沙尘暴强盛期的高度场、高空急流异变、螺旋度场、散度场和不稳定发展,揭示了该类沙尘暴强盛期的环流动力结构。结果表明:①伊朗高压的爆发性发展与乌拉尔山脊叠加形成长波脊,导致泰米尔半岛的极地强冷空气南下,并直插新疆越过天山到达塔里木盆地,造成大范围沙尘暴天气;②强沙尘暴天气产生的根本原因是西西伯利亚地面冷高压爆发性南下并强烈发展;③高空西风急流发生异变在南疆盆地上空形成急流区,并通过动量下传导致地面大风,是大范围沙尘暴发生的动力条件;④沙尘暴区上空螺旋度垂直分布低层为正值、高层为负值,揭示强的旋转上升运动是大范围沙尘暴发生的动力条件。⑤低层辐合高层辐散的垂直结构,易于发生近地面大风和上升气流;⑥该次沙尘暴是一次大范围强对流天气,大气层结处于对流中性或对流不稳定状态,但都有强的斜压不稳定发展,并冷暖空气交换剧烈。沙尘暴影响前塔里木盆地有一个能量明显聚集期,但聚集时间很短。

新疆北部汛期降水年际和年代际异常的环流特征

新疆北部汛期（7～8月）降水量具有明显的年际和年代际变化．针对年代际、除去年代际后年际和不同年代际背景下年际变化三种时间尺度，利用NECP／NCAR再分析资料，分析相应的大气环流．结果表明，三种时间尺度降水变化的物理机制不同，年代际背景非常重要．新疆北部汛期降水异常时，欧亚中高纬环流系统具有相当正压结构的显著异常．从气候角度和年代际大气环流变化，提出新疆年代际增湿存在索马里越赤道急流到新疆的三段式水汽接力输送方式，索马里急流和热带印度洋是中亚和新疆的重要水汽补充源之一．

新疆北部持续性暴雪过程成因分析

利用1964-2010年新疆天山及其以北地区(新疆北部)45个气象观测站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日2.5°×2.5°经纬网格客观分析资料,提出了新疆北部持续性暴雪过程客观定义,根据定义1964 2010年共出现36次持续性暴雪过程,按暴雪落区可分为四类暴雪型:北疆型25次、北疆西部北部型9次、北疆沿天山型1次、北疆西部型1次。重点分析了北疆型和北疆西部北部型暴雪过程的大尺度环流背景、关键环流系统配置和水汽输送异常特征。结果表明:(1)北疆型暴雪环流分为经向I型、II型和纬向型,经向I型又可分为极涡偶极与中高纬3波配置型和极涡偶极与中高纬2波配置型;经向II型可分为极涡偶极型与中高纬2波配置和极涡单极型与中高纬2波配置;纬向型则表现为高纬极锋锋区波动和中低纬副热带锋区波动汇合于新疆地区引发暴雪。(2)北疆西部北部型暴雪环流分经向型和纬向型,经向型有极涡偶极与中高纬3波配置、极涡单极与中高纬3波配置,纬向型环流表现为乌拉尔山槽和里咸海槽汇合于新疆地区引发暴雪;(3)上述环流型新疆上空均存在300 hPa极锋急流、500 hPa强西风锋区和700 hPa低空西风急流配置,暴雪区处于极锋急流入口右侧辐散区和低空急流出口右侧辐合区的高低空配置。(4)造成新疆持续性暴雪的水汽源地有高纬北大西洋、巴伦支海,中纬地中海、里咸海,低纬红海,环流配置不同水汽输送路径有所差异,但主要以中低纬水汽输送为主。

乌鲁木齐夏季强降水过程GPS-PWV的演变特征

利用乌鲁木齐GPS观测站数据反演得到1h间隔GPS遥测的大气可降水量(GPS-PWV)和乌鲁木齐自动气象站逐时降水资料,分析了乌鲁木齐地区夏季10次中雨以上降水过程的GPS-PWV演变特征。结果表明,乌鲁木齐地区的强降水过程中GPS-PWV呈现出明显的1～3天增湿过程和1～2次跃变过程,且降水时GPS-PWV几乎约为气候平均值的2倍,跃变过程与降水发生和结束有较好的关系,可为干旱区降水短期预报提供一个明确的水汽演变指标。

新疆水汽研究若干进展

总结归纳1960 s来新疆水汽研究领域的主要成果,从气候平均讲,新疆水汽主要来自其以西中高纬地中海、里海、黑海、大西洋和北冰洋,冬、春季水汽来自地中海和里海,夏季来自北大西洋和北冰洋,秋季来自黑海和里海;春、夏、冬季降水异常偏多则表现为高、副热带/低纬向中亚区域水汽输送增强然后随西风气流向新疆水汽输送增强,但以由副热带/低纬向中亚区域水汽输送增强为主。1987年夏季降水年代际增多则由于印度洋向中亚和新疆水汽输送年代际增强,同时东亚太平洋型遥相关波列(EAP)的强度年代际加强和向西偏移使得西北太平洋向我国内陆地区的异常水汽输送显著增强,而1987年冬季降水年代际增多则主要由于中高纬水汽向新疆地区输送增加。暴雨过程水汽主要为西风、偏南和偏东输送路径,暴雪过程水汽主要以中纬西风和副热带/低纬向中亚的西南路径为主,短时强降水过程则表现为局地水汽快速聚集。提出了进一步研究问题:新疆大气水分循环系统物理过程认识不足,应用数值模式、轨迹分析方法等开展新疆地区暴雨/雪过程水汽源汇结构、接力输送机制以及主要水汽源地和多尺度汇流通道对降水贡献率等研究不够,卫星、多普勒天气雷达、GPS/met水汽探测仪、微波辐射计等多源探测手段在新疆降水天气监测预警中应用薄弱。这些问题的研究对推进新疆天气预报技术的发展和水资源可持续利用具有重要意义。

北大西洋涛动对新疆夏季降水异常的影响

利用1961-2003年NCEP/NCAR再分析和新疆75个气象站月降水资料,分析新疆夏季降水与沿西亚副热带西风急流Rossby波和北大西洋涛动（NAO）的关系,研究表明,夏季斯堪的纳维亚半岛中欧西亚和中亚的准静止波传播是联系NAO与沿西亚副热带西风急流波活动和新疆夏季降水变化的纽带。通过波作用量的动力学诊断分析,讨论了夏季NAO正、负位相异常年准静止波传播特征和差异,夏季NAO强弱活动影响斯堪的纳维亚半岛EP通量散度强度和位置异常,该区EP通量散度强度和位置异常导致强辐散中心在中高纬向东传播的准静止波和沿副热带西风急流准静止波活动变化,从而影响新疆夏季降水。

夏季东亚西风急流Rossby波扰动异常与中国降水

利用1958-2003年NCAR/NCEP再分析和中国160站月降水资料,探讨沿东亚西风急流Rossby波扰动动能异常对东亚夏季风环流和中国夏季（6-8月）降水的影响及其响应机理。研究发现：（1）夏季东亚西风急流Rossby波扰动动能加强（减弱）,东亚西风急流位置偏南（北）、强度偏强（弱）。（2）该扰动动能具有显著的年际和年代际变化特征,1958-1978年处于年代际偏弱阶段,1979-1998年处于年代际偏强阶段。（3）该扰动动能加强（减弱）,200 hPa辐合区位于30°N以南（以北）西太平洋地区,此时,500 hPa西太平洋副热带高压位于30°N以南（以北）,850 hPa反气旋性距平环流出现在东亚30°N以南（以北）地区,而30°N以北（以南）为气旋性距平环流,东亚热带季风环流加强（减弱）,梅雨锋加强（减弱）,夏季中国东部降水中间多、南北少（中间少、南北多）。（4）东亚高、中、低层大气环流对高层东亚西风急流Rossby波扰动动能强弱响应由对流层上层散度场及垂直速度场变化完成。

南疆夏季降水异常的环流和青藏高原地表潜热通量特征分析

利用1980—2004年NCEP/DOE新再分析月平均资料及我国225个测站1980—2004年月降水量资料,通过诊断分析,研究了南疆夏季降水异常的环流和高原地表潜热通量特征。结果表明:南疆夏季降水偏少年,南亚高压西部偏强,西风急流位置偏北,500 hPa中高纬环流经向度减弱,伊朗高压偏北、偏东,西太平洋副热带高压偏西、偏南;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年,高原北部和南疆地区为下沉的垂直环流距平,Ferrell环流增强;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年和偏多年的前期冬春季开始孟加拉湾、青藏高原和南疆地区地表潜热通量具有相反的变化,南疆夏季降水与高原北部地表潜热通量呈显著正相关,与南部地表潜热通量呈反相关关系。

新疆北部冬季降水异常成因

利用1960—2004年天山山区及以北地区(新疆北部)38个气象站日降水量和NECP/NCAR逐日4次再分析资料,分析了新疆北部11,12月和1月降水异常的环流和水汽特征。结果表明:冬季斯堪的纳维亚环流型(SCA环流型)与新疆冬季降水异常密切联系;11月水汽输送量最大,1月最小,西风气流输送水汽多少决定降水异常;降水异常偏多时,新地岛以东北冰洋、西伯利亚和阿拉伯海向中亚地区水汽输送异常,高纬度地区和低纬度地区向中亚地区输送水汽汇合后沿西风气流进入新疆,而非来自地中海和里海水汽源地;降水偏少时,里海以东随西风气流向新疆水汽输送减弱。关注SCA环流型活动以及西伯利亚和阿拉伯海向中亚地区水汽输送异常对冬季降水预测具有一定意义。

新疆春季降水异常的环流和水汽特征

利用1961—2007年新疆75个气象站月降水量资料和NECP/NCAR逐日4次再分析资料(2.5°×2.5°),分析了新疆3~5月降水异常环流、水汽输送和收支特征,以及环流和水汽异常对整个水汽输送异常的贡献。结果表明,斯堪的纳维亚环流型(SCA环流型)是造成新疆春季各月降水异常的主要环流型。3月水汽输送量最小,4~5月相当,各层西边界为主要流入界,东边界为主要流出界,西风气流输送水汽多少决定降水异常。各月降水偏多的水汽输送异常表现为3月出现巴伦支海—新地岛以东向南到里海、咸海—巴尔喀什湖水汽输送异常,然后其随西风气流进入新疆;4月出现西伯利亚向里海、咸海地区和阿拉伯半岛向里海、咸海水汽输送异常,而后其随西风气流进入新疆;5月出现西伯利亚向咸海—巴尔喀什湖、巴伦支海向南到地中海东部的水汽输送异常,同时还出现红海向地中海东部和阿拉伯海向北到中亚的水汽输送异常,高、低纬向中纬水汽输送异常并汇合于中纬后沿西风气流进入新疆。各月环流异常对整个水汽输送异常起主要作用。

北疆冬季持续性低温事件特征及大气环流异常分析

利用新疆天山山区及其以北地区(北疆)45个气象站1961—2010年冬季逐日最低气温资料,提出了45站低温日标准和区域性持续性低温事件的定义,并分析了持续性低温事件的时空分布和变化特征,研究了低温事件的年代际变化环流差异特征、大尺度环流背景、冷空气影响路径及强度特征。结果表明:(1)低温日阈值呈东北向西南升高的分布趋势,低温日阈值最小值分布于准噶尔盆地和新疆北部阿勒泰地区,阈值为-34^-30℃,而西部伊犁地区和天山山区低温日闽值为-24^-20℃;(2)1961—2010年出现35次大范围持续性低温事件,1月和2月发生频次均为0.29次/年,12月为0.14次/年;低温事件持续时间为5~25 d,其中超过10 d有16次,5~9 d有19次。持续性低温事件发生频率呈年际和年代际显著减少趋势,但强度无显著变化趋势;(3)北半球大范围环流异常造成新疆持续低温事件,以经向环流异常为主,根据冷空气影响路径可分为4类:西西伯利亚横槽、中西伯利亚低槽东灌、北风带和西北风带、北脊南槽(涡),这4类冷空气影响路径表现为500 hPa冷空气从极地或西伯利亚以超极地、西北和偏东路径进入新疆后,-32℃冷空气南压位于北疆地区,海平面气压场同时表现为蒙古高压盘踞欧亚大陆,高压中心达1045 hPa以上且位于阿勒泰山地区,1035hPa冷高压控制北疆地区,这种环流配置造成新疆持续性低温事件。