CMA-CPSv3对夏季南亚高压和西太副高的预测能力评估

为了评估CMA-CPSv3模式对影响我国夏季降水的两个高压系统-南亚高压和西太平洋副热带高压的预测能力,利用该模式2001-2020年3月、5月起报的回报结果和ERA5再分析数据,首先评估了该模式对两个高压系统特征指数的预测能力,然后分析了不同起报时间对东亚地区夏季环流系统的预测能力,最后对比了两个高压系统预测同好年和同差年夏季环流系统、水汽输送特征的差异以及对我国夏季降水的影响,并探讨了两个高压系统预测偏差的可能原因。研究表明:(1)CMA-CPSv3模式对西太副高和南亚高压的平均脊线位置的预测效果最好,预测的强度指数和面积指数明显偏强、偏大;与3月起报相比,5月起报的预测结果对西太副高的预测有一定的提高。(2)CMA-CPSv3模式较好地预测了100 hPa和500hPa环流形势,其中温度场和风场的预测效果较好,但预测的南亚高压和西太副高的范围整体偏强。(3)预测的两个高压系统同好年和同差年,两个高压脊线位置预测较好,预测的面积和强度均明显偏强,同好年的预测偏差较小;能够较好地预测出东亚地区水汽通量的空间分布和我国夏季降水分布格局。(4)预测的两个高压系统所在经度区域的上升运动较ERA5结果偏弱,可能是引起预测的南亚高压和西太副高范围偏大、强度偏强的原因之一。

利用轨迹追踪法研究雅鲁藏布江大峡谷区域水汽输送减少的成因

雅鲁藏布江大峡谷区域作为高原的主要水汽输送入口,自1979年至今水汽通量辐合及降水量呈持续减少趋势,这对高原水储量具有重要影响。为了探究该区域水汽输送减少的原因,本文利用ERA5逐小时再分析资料驱动LAGRANTO模型,选取典型干旱年份和湿润年份的夏季(6-8月),后向追踪该区域的水汽输送轨迹,对沿轨迹输送的水汽通量变化进行对比分析。研究发现,源自洋面的水汽主要来自高原南部的孟加拉湾,高原西南侧的阿拉伯海,赤道以南的印度洋以及南中国海四个区域,水汽输送主要受南亚和印度夏季风控制,并受索马里跨赤道急流影响。通过对比分析干、湿年份的水汽输送轨迹的特征,发现干湿年轨迹路径除南海源地外基本不变,轨迹上水汽通量随轨迹高度抬升而减少,且湿润年的损耗始终低于干旱年,其中孟加拉湾源地的轨迹得到洋面的水汽补充,在湿润年水汽通量有较强的增长。干湿年份的蒸发、降水、环流场形势的对比也佐证了这一发现。最终湿润年到达雅鲁藏布江峡谷边界的水汽通量大于干旱年,尤其是经由雅鲁藏布江峡谷区域南边界进入的水汽通量显著增大,这表明,除源地水汽贡献和大尺度季风环流影响外,水汽输送途中的降水损耗相关过程对雅鲁藏布江峡谷区域水汽收支具有决定性作用。

鄱阳湖老爷庙沉船事件的气象条件分析

本文利用1959—2015年鄱阳湖老爷庙水域及其周边6个气象站的逐日观测资料、鄱阳湖星子自动气象站逐小时观测资料、历史天气图及台风路径资料,对1973—2014年8次老爷庙水域沉船事件的气象条件进行分析,得到以下结论:(1)老爷庙水域的风速和风向与地形及特定天气系统密切相关,风场变化复杂,大风较多;(2)8次沉船事件都与大风有关,分别发生在冬半年冷空气(冷高压)与锋面等主要天气系统过境和夏半年易受热带气旋影响的时段,且冷空气的强弱与事故无明显关联;(3)老爷庙水域的大风易形成较大的浪高,8次事件的最大可能浪高均超过1 m,突发风浪是导致航船失事的重要原因;(4)老爷庙水域大风及风向的变化频繁,由此引起的波浪突然改变增大了老爷庙水域船舶航行的风险。

四川盆地西北侧一次飑线与MCS相互作用的诊断分析

为更好理解飑线与MCS这两种典型中尺度系统相互作用过程中热力、动力、水汽与微物理的基本特征及其演变规律,利用ERA5再分析资料、GPM及FY-4A卫星资料,对2018年7月1-2日发生于四川盆地西北侧一次飑线与MCS相互作用过程进行诊断分析。得出的主要结果有:(1)受高原槽、低层切变线及复杂地形的共同作用,飑线东南移动过程中,先爬坡加强,后下坡减弱,与原地少动的中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)合并后,二者有明显的热力、动力、水汽等物理量交换,飑线减弱而MCS加强。(2)在两种中尺度天气系统发生相互作用前,对流有效位能大值区由“零散点状分布”转变为“集中式大范围分布”。(3)“上正下负”的位涡垂直配置与中层较小的正热力螺旋度均能较好指示系统的加强,中低层水汽通量辐合与中层较小的正水汽螺旋度相呼应。(4)飑线与MCS合并前,飑线以冷云降水过程为主,MCS则以暖云降水过程为主;二者开始合并至合并完成后,受飑线的影响,MCS的0℃层以上雪水与冰水含量有明显提升,MCS降水转为暖云与冷云降水共同作用。该研究可为加深认识两类中尺度系统相互作用过程提供理论参考,对其预警预报也有一定指导意义。

珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究

近年来,珠江三角洲地区气溶胶污染日趋严重,霾天气造成能见度恶化和空气质量下降。近地层输送条件即地面流场与大气污染物稀释扩散密切相关。利用2004—2005年广东省466个地面自动气象站资料、广州观象台常规气象资料、珠江三角洲大气成分站网器测能见度资料、珠江三角洲城市环境监测站网的PM10浓度资料等,使用矢量和分析方法,分析珠江三角洲近地层风及其对严重霾天气过程和清洁对照过程的影响。结果表明:2004年霾天气高发季节,东亚纬向环流比2005年同期显著,纬向环流不显著的年份,气流南北交换显著,冷空气跨越南岭、到达珠江三角洲的机会比较大,伴随冷空气的大风等天气有利于污染物扩散;纬向环流显著的年份,冷空气跨越南岭、到达珠江三角洲的机会比较小,污染物易于堆积。珠江三角洲霾天气具有区域性特征,旱季出现最多,雨季出现最少。严重霾天气过程出现在每年12月至次年4月,清洁对照过程出现在台风直接影响或冷空气活动频繁的季节。与2004年相比,2005年的静风频率较低,且旱季风速较大,不利于霾天气的形成。矢量和分析表明:区域霾天气过程与区域内静小风过程,即出现气流停滞区有密切联系,清洁对照过程与强平流输送有关。

“0506”华南持续性暴雨的季风环流背景

提出了确定东亚夏季风活动区域、划分热带季风和副热带季风活动区域的指标,利用大气对流层风速、位势高度、湿度、温度、OLR以及TBB等NCEP/NCAR资料,从月、候和过程平均多种时间尺度,诊断分析了2005年6月(简称“0506”)华南持续性暴雨的季风环流活动变化特征。结果表明:副热带高压强度偏强,西脊点位置偏西偏南,热带西太平洋(130°～140°E)区域越赤道气流偏强,华南处于气旋性低压异常区,无论是月时间尺度还是暴雨过程时间尺度都表现出这些明显特征;暴雨过程水汽除了来源于孟加拉湾和南海外,水汽通量异常部分主要来自南海和热带西太平洋,热带西太平洋水汽随着副高边缘气流经过南海向华南输送,从而为暴雨过程提供了丰富的水汽来源;2005年6月热带季风前沿在华南沿海地区停滞时间比气候平均偏长(2候),该特征是华南暴雨预报值得参考的信号;6月整个南海地区平均季风偏强,主要体现于经向风明显偏强,但华南持续性暴雨过程开始于南海地区夏季风非活跃期,这与热带季风季节内振荡向北传播到华南有关。以上季风活动变化特征为华南强降水提供了有利的动力条件和丰富的水汽来源。

夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别

利用ＥＣＭＷＦ所分析的１９８０～１９８９年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征，并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送，东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送，而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小，偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此，水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成，而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流，它利于水汽输送的辐散，水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。

藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征

利用 ＧＡＭＥ／Ｔｉｂｅｔ １９９８年ＩＯＰ观测资料，分析研究藏北高原草甸下垫面近地层的地面加热场、地表能量平衡、地面阻曳系数ＣＤ及感热通量整体输送系数ＣＨ等特征，得到了一些有关藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征结构的新认识。

长江中下游地区水汽输送的气候特征

通过分析 1 973～ 1 998年 (共 2 6年 ) 4月到 8月NCEP/NCAR再分析资料 ,研究了夏季风期间长江中下游地区水汽输送的气候特征。分析了旱涝年水汽输送差异 ,特别考察了1 998年长江流域洪涝期间水汽输送的一些特点 ,发现长江中下游地区水汽水平输送特征在各月有很大差异。来自孟加拉湾经中南半岛和来自华南的水汽输入是长江中下游地区水汽的主要来源。长江中下游的旱涝与南海夏季风爆发的早晚有密切关系。孟加拉湾地区及南海地区对长江中下游地区水汽输送的长时间维持是造成 1

珠穆朗玛峰北坡局地环流日变化的观测研究

青藏高原地-气间的物质／能量交换是高原与全球大气系统相联系的重要纽带。陡峭的地形和强烈的地表差异在高原山区形成特殊的局地大气环流系统，在地气交换中起着重要作用。为研究珠峰北坡的局地环流系统，于2006年5～6月问在珠峰北坡绒布河谷实施强化观测实验HEST2006，对该地区的局地环流以及辐射和热力状况进行观测，分析了该地区局地环流的日变化过程，包括：（1）地面风场的分布和变化；（2）风场垂直结构；（3）垂直运动及可能的驱动机制。研究表明，该地区局地大气环流是由地形与地表状态调整的大气辐射加热和冷却所驱动，包含多种不同的山地环流成分，与典型山谷风环流不同，具有很强的特殊性，对地气间的交换有重要影响。

天山山区空中水汽含量及与气候因子的关系

利用建立的天山山区水汽含量与地面水汽压的经验关系式,计算天山山区及周边44站1961~2009年的水汽含量值,分析水汽含量的时空分布及其与气候变化因子的关系。结果表明：天山北麓的河谷平原地带是水汽含量高值区,中天山和东天山是低值区。水汽含量在近50 a内呈增加趋势,夏、秋季增加明显。水汽含量是影响天山山区降水量的最主要的因素之一,水汽对全球变暖和气候变化可能有负反馈作用,而冬季NAO和AO与水汽相关性最显著。这些研究对于揭示区域水分循环过程和全球变暖背景下的区域响应有重要意义。

2013-2015年合肥市PM2．5重污染特征研究

综合利用中国环境监测网公布的合肥市2013—2015年大气污染物浓度数据和合肥市气象站的常规气象资料,以及激光雷达探测资料、公益性行业(气象)专项(GYHY201206011)获得的气溶胶离子成分分析结果,分析了合肥市PM_(2.5)重污染(日均浓度>150μg/m3)特征。结果表明:(1)2013—2015年,合肥市PM_(2.5)浓度和重污染天数空间分布差异明显,东北部多、西南部少,1月各站差异最大。除了低浓度日(日均浓度≤35μg/m3),PM_(2.5)浓度都存在明显的日变化,午后低、早晚高,且随着污染程度加重,早上峰值出现时间推后。(2)重污染日臭氧以外的气态污染物浓度都显著上升。(3)重污染日常伴随着霾和轻雾天气,以稳定、小风天气为主,重污染日白天相对湿度偏高、风速偏小,600 m以下的消光系数显著增大且峰值高度降低。(4)重污染日PM_(2.5)中水溶性无机离子含量增高,其中NO_3^-含量的占比增加最多,超过了SO_4^(2-)的占比。

利用FY-2C静止卫星资料反演云粒子有效半径的试验研究

为充分发挥FY-2C静止卫星在人工影响天气和气候领域的重要作用,基于SBDART辐射传输模式,利用该卫星通道4(3.5～4.0μm)的探测数据,反演了云粒子有效半径,并与TERRA上MODIS的相应产品做了比较。结果表明,FY-2C和MODIS资料能一致地反映云粒子有效半径分布的主要特征,但反演的粒子大小存在差异。反演算法、卫星分辨率及选取通道的不同可能是造成两种资料间差异的主要原因。

青藏高原地面加热场强度与ENSO循环的关系

分析了近50年青藏高原地面加热场强度距平指数、Ni^no C区海温指数、SOI和印缅槽指数的统计相关,结果表明,ENSO指数和印缅槽指数在月、季时间尺度上具有很好的持续性。青藏高原地面加热场强度距平指数和印缅槽指数与Ni^no C区海温指数存在很好的正相关,与SOI有显著的负相关。由此建立了一个通过印缅槽将ENSO循环与青藏高原地面加热场联系起来,解释西北区东部及河套干旱形成的概念模型。

地基GPS水汽资料在北京“7·10”暴雨过程研究中的应用

利用2004年7月9-11日北京房山地基GPS探测网逐30分钟柱积分水汽总量(PW,Precipitable Water Vapor)资料,通过分析和数值模拟研究了北京2004年7月10日暴雨天气过程。观测分析表明:地基GPS测站上空水汽总量值的时间变化趋势对暴雨的发生、发展以及过程降水量的分析和预报有一定指示意义。利用NCEP全球预报系统GSF分析场资料作为背景场,采用12/4km双向两层嵌套WRF模式及其三维变分系统,通过同化7月9日1200 UTC地基GPS水汽总量等观测资料进行了36小时数值对比试验。数值研究表明:地基GPS水汽总量数据资料的初值同化明显增强模式初始场湿度,明显提高模式对该暴雨过程降水时段、落区和强度的预报水平。

湖北2015年冬季PM_(2.5)重污染过程的气象输送条件及日变化特征分析

PM_(2.5)污染仍然是湖北省冬季大气污染的首要污染类型,且具有明显区域传输特征,重污染过程的空气污染气象条件有别于华北地区,值得关注。采用WRF/Chem不同排放情景下的模拟结果,并结合观测分析,研究了2015年12月—2016年1月湖北省PM_(2.5)重污染过程的气象输送条件及日变化特征,从大尺度输送条件和局地边界层动力作用分析了外来污染物水平传输、悬浮聚集和向下传输的过程,并解释了该地区观测到的午后PM_(2.5)浓度特殊峰值的气象成因。结果表明,湖北重污染爆发以区域传输为主,地面观测PM_(2.5)极值对应10 m风速可达8—10 m/s,边界层0—1 km为较强偏北风输送,污染传输通量极值位于400 m高度附近,为重要传输通道,低空无明显逆温,重污染过程具有"非静稳"边界层气象特征。重污染形成的大尺度输送条件为,长江中下游及北部地区偏北风异常偏强,南部地区风速减缓,使污染物在中游平原堆积,鄂北边界风速越大,越有利污染输送增长。传输性污染主要来自偏北和东北方向的污染源输送,潜在源区贡献主要为途经偏北通道上的豫中、南阳盆地和关中地区,以及途经东北通道上的鲁、皖、苏等部分地区。PM_(2.5)浓度日变化双峰结构的天气成因不同,21—24时(北京时)峰值为静稳性污染,11—14时峰值为传输性污染。污染输送受大气边界层高度影响,日出前大气边界层高度较低,层结稳定并伴有上升运行,使得低空外来输送悬浮聚集在400 m高度附近;日出后随大气边界层高度升高,静稳层结被破坏,在干沉降作用下高浓度PM_(2.5)开始向下传输,并在午后地面形成峰值。

中国西北地区水汽的平流输送和辐合输送

分析了中国西北地区上空的水汽汇聚过程———平流输送与辐合输送,为西北地区降水过程数值模拟的参数化提供依据。分析表明:中国西北大部分地区为负的水汽平流输送,从上风方向得到的水汽输入小于水汽输出,是水汽的净流失区;中国西北地区中部为大范围负的水汽辐合输送,当地的水汽由风场向外扩散,加剧了当地的水分流失,是水汽扩散区;在水汽净输送的年际变化中,中国西北地区小于华北地区,平流输送呈上升趋势,辐合输送下降,平流的相对贡献在增加;在与大气环流系统的关系中,中国西北地区水汽的平流输送主要受西风带影响,辐合输送与南亚夏季风有显著相关。变化趋势表明西风的作用在加强。

北极涛动年代际变化对东亚北部冬季气温增暖的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料中的地表气温资料,分析了1949—1999年东亚北部地区冬季气温的变化。结果表明,从20世纪70年代中期开始东亚北部的气温显著升高,具有明显的年代际变化特征。这种气温的异常变化主要受东亚冬季风的直接影响。近二十几年来,北极涛动对东亚冬季风的影响越来越显著,北极涛动维持在正位相并持续增强,同期东亚冬季风持续减弱。研究表明,北极涛动持续增强的趋势是东亚北部地区冬季增暖的重要原因之一。

山谷城市大气边界层结构及输送能力

利用甘肃省-中国科学院科技合作项目"兰州市大气污染及对策研究"于2000年12月10～17日在兰州市城区用系留气球观测的大气边界层风速、风向、温度、湿度资料以及同期自动气象站观测资料和常规气象站辐射观测资料等,分析了山谷城市边界层大气的风速、温度、湿度结构特征,揭示了兰州市上空日夜维持的大气逆温的结构特征及其强度和分布特征的动态规律。提出了形成兰州山谷这种特殊大气逆温层的各种客观环境因素。最后还给出了在兰州市目前的小气候和地理环境条件下边界层大气的总体稳定度和Froude数的特征,由此初步定性讨论了兰州市大气边界层湍流运动和水平平流运动这两种主要输送形式的输送能力。

玛曲地区夏季强降水的环流分型及水汽轨迹分析

利用青藏高原(下称高原)东北边坡玛曲地区1967—2008年12个常规气象观测站的降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,在环流分型的基础上,应用后向轨迹模型分析了不同等级降水的不同环流型的水汽输送轨迹。结果表明:(1)暴雨发生的环流型以高原低槽型为主,大雨的发生以切变型为主。(2)暴雨的不同环流型的水汽输送轨迹差异较大,同一型暴雨不同等压面水汽轨迹较一致;大雨的不同环流型之间水汽轨迹无明显差异,同一型大雨不同等压面的水汽轨迹差异很大。(3)通过追踪不同时间长度的水汽输送的后向轨迹发现,可以用向前追踪360h的水汽输送轨迹代表玛曲地区的水汽输送,水汽轨迹以偏南气流为主。由此可见,虽然不同等级、不同环流型强降水之间的水汽轨迹存在差异,但是玛曲地区强降水的水汽主要来自印度洋-孟加拉湾和南海-孟加拉湾的偏南气流。