四川盆地干湿西南涡个例大气环境效应对比研究

针对关注较少的西南涡大气环境效应问题,使用2014-2016年常规地面气象观测资料、空气污染监测数据、气象探空数据及NCEP的CFSv2再分析资料,统计了2014-2016年冬春季的西南涡及其对应时段的空气质量,发现在冬春季由于水汽缺乏,西南涡多属于不引发降水的干性低涡,其活动期间易造成四川盆地重空气污染过程。在此基础上又选取了四川盆地2015年两次干、湿西南涡活动过程进行了对比研究。首先对2015年12月29日至2016年1月3日重污染过程的探析发现,12月30日盆地上空形成干西南涡,其强度弱、厚度薄,其前部的弱下沉运动所产生的"焚风效应"使得成都上空形成脱地强低空逆温,产生极不利于污染物扩散的"锅盖效应",从而导致最大混合层厚度和近地面风速非常小,静稳型天气特征凸显,造成代表城市成都的细颗粒物PM10、PM2. 5的日间浓度均值分别上升为398μg·m^-3和268μg·m^-3,达到此次重空气污染过程中的峰值。与之相对比,研究发现2015年8月16-18日的湿西南涡活动过程中,强烈的垂直上升运动及其引发的强降水,产生了极有利的大气扩散和湿清除效应,迅速有效地降低了污染物浓度,与干西南涡加重大气污染的环境效应截然相反。

基于大气科学的Fortran语言程序设计教学探讨

Fortran语言程序设计作为一门简洁高效的计算机高级编程语言,在大气科学专业中被广泛使用。文章在充分厘清了Fortran语言程序设计传统教学中存在的短板弱项后,从教学设计、教学方式及专业融合三个方面提出了针对性的建议,旨在激发学生对该课程的学习兴趣,加强学生的上机实践,加速相关专业课的有效融合,以期为大气科学专业学生以后顺利开展业务科研工作打下坚实基础,同时也为高等院校涉及计算机程序设计的其他专业进行类似的教学改革提供借鉴和参考。

青藏高原大气热源及其影响的研究进展

青藏高原及其热源效应对东亚以及全球的天气气候起着举足轻重的作用。青藏高原大气热源及其影响的相关研究有助于进一步加深对青藏高原大气热源及其影响的认识,提高高原地区天气系统发生发展的预报能力,提升高原地区降水的预报水平。本文较为系统地梳理了青藏高原大气热源的相关研究,涉及青藏高原大气热源的获取与特征,包括青藏高原大气热源的计算和青藏高原大气热源的时空分布及演变特征;青藏高原大气热源对季风、对降水的影响;青藏高原大气热源对天气系统的影响和作用,包括青藏高原大气热源对南亚高压、西太平洋副热带高压、高原低涡以及高原切变线的影响。在总结已有研究进展和成果的基础上,对今后青藏高原大气热源研究做出一定展望,提出值得进一步加强研究的方面。

青藏高原季风活动与大气热源/汇的关系

利用1948-2013年NCEP/NCAR逐日和逐月再分析资料分析了青藏高原(下称高原)大气冷热源转换日期与高原季风爆发日期及二者强度的关系。结果表明:近66年来高原<Q1>呈现明显的季节变化,热汇最强在1月,热源最强在7月;高原由热汇转变为热源的日期大致在15候,而热源转变为热汇则大致在58候;高原热力作用与高原夏季风强度呈正相关关系,即当大气热源强(弱)时,高原夏季风强(弱);热源强(弱)年高原主体气流辐合较强(弱),而高原四周辐散较强(弱);高原主体与四周大气热力差异也呈明显的季节转变,7月高原主体与其四周大气的热力差和高原季风呈正相关,即当高原主体热源较四周大气强(弱)时,高原夏季风就越强(弱)。

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016-2017年夏季(6-8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0.158~0.220 m^3·m^-3)和中、湿区间(0.179~0.325 m^3·m^-3),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0.158~0.220 m^3·m^-3)对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0.179~0.325 m^3·m^-3)的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。

青藏高原中东部和四川盆地的夏季雨滴谱对比分析研究

为了进一步认识青藏高原中东部和下游四川盆地的降水微观特征和差异,本文利用2019年7-8月和2020年7-8月那曲、玉树、林芝、巴塘、泸定和成都6个地区的雨滴谱观测资料,研究了不同地区之间的雨滴谱特征和差异,并提出了各个地区降水的Gamma谱形状参数-斜率参数关系和反射率因子-雨强关系。结果表明:因更多强对流降水的贡献,盆地和邻近地区(成都和泸定)的雨滴谱整体比高原地区(那曲、玉树、林芝和巴塘)的更宽,中大雨滴(直径≥1.0 mm)数浓度更高;而高原地区的降水主要来自层云和弱对流,整体雨滴谱更窄,小雨滴(直径<1.0 mm)数浓度更高。6个地区的雨滴谱均随雨强增大而变宽,数浓度也逐渐升高。不同地区之间的雨滴谱差异也会随雨强变化而改变,当雨强超过0.1 mm·h-1后,那曲和林芝的小雨滴数浓度随雨强增大而增大的幅度明显比其他地区更大;当雨强达到5 mm·h-1后,成都和泸定的中大雨滴数浓度与其他高原地区的差异也逐渐变大。在谱形状参数相同情况下,成都和泸定的谱倾斜率更小,反映了这两个地区雨滴数浓度随粒径增大而减小的速率比高原地区的更慢。在相同雷达回波强度(反射率因子)情况下,那曲和林芝层云降水的雨强比其他地区大;林芝对流降水在雷达回波低于40 dBZ时,雨强也比其他地区的大,而那曲对流降水在雷达回波大于40 dBZ后,雨强比其他地区的小。

1979-2015年青藏高原大气可降水量的变化特征

利用ERA-Interim再分析资料,计算了1979-2015年青藏高原上空大气可降水量,并分层分析了其空间分布、气候倾向率及年际和年内的变化特征.结果表明:各层可降水量空间分布和气候倾向率的大小值中心位置及区域差异不同,并且有明显的季节差异.通过检验发现1995年为突变年.年均及春、夏和秋季可降水量的平均值为突变年后高于突变年前,而冬季为突变年前高于突变年后.突变年前,年均和四季的可降水量都为上升趋势,突变年后,冬季为下降趋势,其他季节都为上升趋势,突变年前上升趋势速率比突变年后更快.从EOF分析的前3个模态可知,高原整层大气可降水量的空间分布为全区一致型、东西分布型和南北分布型.

西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构研究

利用第二次青藏高原(下称高原)综合科考"地-气相互作用与气候效应"立体综合加强期观测试验2019年5月、7月和10月珠峰、林芝、那曲和狮泉河站点的探空资料及ERA5再分析资料。探讨在西风南支与高原季风不同风场控制下高原大气边界层结构特征及其与感热潜热通量的关系。结果表明:西风南支风场下各站点大气边界层高度较高原夏季风风场下的大气边界层高度更高。西风南支风场下珠峰、林芝、那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为3250,2250,2760和3500 m。高原夏季风风场下珠峰、林芝、那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为2000,2100,1650和2000 m。各站点的近地层比湿特征为:7月>5月>10月。林芝地区近地层比湿比其他3个站点的比湿大,林芝近地层比湿最大达到了12.88 g·kg^(-1)。5月和10月,珠峰和林芝分别在1200 m和1500 m以上风向以偏西风为主。林芝7月1200 m以上风向以偏南风为主。狮泉河5月和10月风向以偏西西南风为主,7月风向以偏西西北风为主。珠峰、林芝和狮泉河5月和10月高空的风速较7月高空风速强的多。西风南支风场下各站点以感热通量为主,高原夏季风风场下各站点以潜热通量为主。

盛夏高原涡生成频数与初夏大气环流背景场的关系

基于ERA-interim再分析资料,通过客观识别法得到的高原低涡统计数据集,选取1986-2015年7月高原低涡生成频数的多发年与少发年,通过相关分析与合成分析等方法分析7月生成的高原低涡频数与6月的大气环流之间的关系.主要结果如下:(1)7月高原低涡主要生成在28°-36°N纬带内,90°E以西生成的高原涡数量占全部的74.68%;(2)高原低涡多发年,高原低层相对湿度大,尤其改则—申扎(30°-34°N,84°-90°E)与左贡(约29°N,97°E)地区;整层大气热源偏强,90°E以西地区垂直方向上各层均表现为热源.高原低涡少发年,6月32°N以南低层相对湿度小;整层大气热源弱,垂直方向上低层表现为热源,热源偏弱.(3)高原涡多发年,高原涡主要生成范围内低层被正相对涡度控制,并且相对涡度偏大;高原主体范围内基本为上升气流,低层上升速度偏大,气流低层辐合,高层辐散,强度偏强,但在高原90°E以西与90°E以东有一定差异.高原涡少发年,高原涡主要生成范围内低层被正相对涡度控制,但相对涡度偏小;高原主体范围内为上升气流,低层上升速度偏小,气流低层辐合,高层辐合,强度偏弱.

青藏高原大气水循环与高原涡持续时间的关系分析

高原地区的大气水循环对高原涡的发生、发展和维持过程起十分重要的作用,而它们的关系还有待研究.本文根据客观识别和追踪算法得到的高原涡活动资料以及气象再分析资料、卫星及地面观测数据资料,通过合成分析、相关分析和EEMD等方法,统计1979-2017年间7月高原涡持续时间的变化特征,分析高原涡持续时间与青藏高原大气水循环因子在不同时间尺度的变化特征及相关关系,结果表明:①高原涡主要生成在高原中西部,7月的高原涡持续时间在所有月份中占比最高,且有增加趋势;②高原涡持续时间与高原中南部的大气水循环因子为正相关,与高原西北部的大气可降水量与高原南部边缘地区的地表蒸发量呈负相关;③在不同时间尺度变化特征方面,高原涡持续时间与大气水循环因子的EEMD分解结果表明二者均存在3年和6~9年的年际变化周期,高原涡持续时间与高原中部的大气可降水量、水汽辐合及高原南部边缘地表蒸发量均为增加趋势,而降水量为递减趋势.因此,7月份高原地区的大气水循环因子与高原涡持续时间具有显著的相关性,是高原涡持续时间的可能影响因子.

定量评估东亚地区植被对大气变率的反馈

利用统计方法分析了东亚地区植被与大气变率之间的相互关系,并利用平衡反馈分析法(EFA)定量评估了植被对大气的反馈程度。研究发现植被与温度和降水均有明显的相关性,在中高纬度地区植被与温度呈明显的同期正相关,植被与降水存在负相关关系。而在中低纬地区植被与降水呈同期正相关,植被与气温呈负相关关系。前期中高纬度植被增加后,会导致后期异常升温。这是由于前期植被覆盖度增加后会遮挡地表积雪,导致地表积雪覆盖度减少,反射率减少,地表吸收更多的太阳辐射,导致异常升温。超前的降水对植被的影响在中低纬度十分明显,这是由于中低纬度地区年平均温度较高,降水是制约植被生长的主要因素。当植被超前降水一个月时,中低纬度地区植被与降水呈正相关,其原因是植被增加会导致局地水汽辐合,蒸发/蒸腾增加,导致降水增加。植被对温度的反馈系数在大兴安岭、贝加尔湖等地区,反馈系数为正,为1~2℃·(0.1FPAR)^(-1),中国南部地区温度反馈系数也为正,但反馈较小,为0.2~1℃·(0.1FPAR)^(-1)。植被对降水的反馈系数噪音较多,在我国华北地区为正的反馈,反馈系数约为1.5cm·mon^(-1)·(0.1FPAR)^(-1)。

WRF-Lake模式不同参数化方案对纳木错湖区夏季大气边界层模拟的影响

采用改进湖泊动力参数模块的WRF-Lake模式(WRF4.4.1),选取6种微物理方案、5种积云对流方案、2种边界层方案,共60种参数化方案组合对纳木错湖区2008年7月5-13日天气进行模拟,通过敏感性试验对比分析不同参数化方案组合对大气边界层内变量的模拟效果,利用“排名方法”对不同参数化方案在纳木错湖区夏季大气边界层的模拟能力进行综合评估。结果表明,模式能较好捕捉纳木错夏季平均2 m温度的总体时空分布特征,但湖上2 m温度模拟值偏高;受积云对流参数化方案和模式性能影响,各试验组对降水的模拟效果差异化显著并对日降水量存在不同程度的高估;模式对纳木错测站潜热通量日平均变化模拟性能最好,感热和风向较好,风速最差。整体而言,综合分析各试验组对纳木错湖夏季大气边界层的模拟能力发现,方案58(SBU-Tiedtke-MYNN3)对纳木错湖夏季2 m温度、日降水量、10 m风场及地表热通量的模拟效果最好。2 m温度RMSE值为2.38℃,日降水量RMSE值为10.48 mm,10 m风速日平均变化的相关系数为-0.41,标准差之比为0.94,10 m风向日平均变化的相关系数为0.59,标准差之比为0.73,感热通量日平均变化的相关系数为0.94,标准差之比为1.89,潜热通量日平均变化的相关系数为0.89,标准差之比为0.91。因此,建议使用以上次网格参数化方案进行纳木错湖区夏季大气边界层模拟。

冬季局地环流对成都地区大气污染的影响

为了弄清冬季局地环流对成都地区大气污染时空分布的影响,利用2018年1月成都市环境监测站逐时PM2.5浓度数据和ERA5再分析数据,分析2018年1月一次重污染过程中局地环流变化规律及其对PM2.5浓度分布的影响。结果表明:局地大气环流在污染区域性传输和扩散中起到了重要作用,尤其是污染开始和持续阶段主要受山谷风环流的显著影响;上午和傍晚时段的山谷风在成都西部区域发生转换并形成风场辐合,使局地大气污染加重,而中午至下午时段谷风及上升运动的增强使得大气污染自东向西有所缓解;冬季山谷风的输送和汇聚作用使大气污染物以日为周期不断循环和累积,对成都西部区域大气重污染的形成有着重要作用。

四川盆地最大混合层厚度与大气污染物浓度的关系

基于2015~2018年四川盆地温江站、宜宾站、达川站和沙坪坝站的探空和地面观测资料以及同期AQI、6种主要污染物(SO_(2)、NO_(2)、CO、O_(3)、PM_(2.5)、PM_(10))质量浓度资料,使用逐步逼近法计算得到了四川盆地成都、宜宾、达州、重庆四城市的每日最大混合层厚度(Maximum mixing depth,MMD),并对其时间变化特征及其与各种污染物浓度之间的关系进行了分析。结果表明,四川盆地年平均MMD约1200m。季节变化明显,春夏高、秋冬低。9月至次年1月MMD相对较小。相关分析显示,剔除降水影响后,MMD与AQI、PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)、NO_(2)、CO浓度均呈负相关,而与O_(3)浓度显著正相关。在污染最为严重的冬季,MMD明显低于春夏季节。MMD越小、颗粒物浓度越高。低MMD大大压缩了近地面污染物的扩散空间,污染物在有限的空间内不断累积、浓度增大。

基于风云气象和高分静止卫星数据的四川省凉山地区森林火灾遥感监测研究

森林火灾不仅会对区域生态环境造成严重破坏,还可能导致人类生命财产遭受巨大损失,因此研究有效的火灾监测算法至关重要。在此背景下,利用我国风云四号卫星数据开展研究,通过对比确定了适用于凉山地区的森林火灾监测算法。采用高分四号卫星中波红外扫描仪数据,成功确定了火点的大小和位置,并提取了火烧迹地面积,优选了最适宜于凉山地区的方法。研究结果表明,上下文算法在凉山地区的森林火灾监测中效果最佳,漏判率最低,可准确检测到小火点的位置,算法的综合指标达到了0.7以上,为凉山地区的森林火灾扑救工作提供了科学参考。通过将高分四号卫星红外扫描仪数据的阈值设置为330 K,进一步确定火点的大小和位置,弥补了风云四号卫星空间分辨率的不足,为森林火灾监测提供更好的技术支持。基于高分四号卫星数据对比不同方法的灰度衰减图时,红外波段的衰减变化最为明显,其次为全球环境监测植被指数和归一化植被指数,过火区识别指数的衰减变化不明显,根据红外波段的灰度衰减图可准确提取出火烧迹地面积范围。

CLM5.0对青藏高原冻融过程土壤温湿度的模拟及评估

利用1979-2018年中国区域地面气象要素驱动数据集(0.1°×0.1°)作为大气强迫资料,驱动CLM5.0(Community Land Model version 5.0)模拟了青藏高原地区1979-2018年的土壤温湿度变化。将土壤冻融过程划分为冻结期和非冻结期,通过两个阶段的CLM5.0模拟与站点观测资料、同化资料(GLDAS-Noah)、卫星遥感资料(MODIS土壤温度资料和ESA CCI-COMBINED土壤湿度资料)的对比验证,探讨CLM5.0模拟土壤温湿度在青藏高原的适用性。结果表明:(1)CLM5.0可较准确地描述站点土壤温湿度的动态变化,CLM5.0模拟的土壤温湿度与观测资料具有一致的变化特征且数值上较为接近。CLM5.0模拟的准确性高于GLDAS-Noah。CLM5.0对站点土壤温度的描述更为准确。(2)CLM5.0能够较准确地描述高原冻融过程中的土壤温湿度特征,CLM5.0模拟土壤温湿度与MODIS和ESA CCICOMBINED遥感资料在高原总体呈显著正相关,相关系数大多在0.9以上。CLM5.0对土壤温度的模拟能力相对较好,对非冻结期土壤湿度的模拟能力优于冻结期。CLM5.0整体高估了土壤温度,平均偏差大多在0~4℃之间。土壤湿度的平均偏差大多在-0.1~0.1 m^(3)·m^(-3)之间,非冻结期的平均偏差相对较小。(3)CLM5.0模拟、GLDAS-Noah、MODIS和ESA CCI-COMBINED遥感资料的土壤温湿度均具有相似的空间分布,其中土壤温度空间分布特征相似度更高。CLM5.0具有较高的空间分辨率和更为精细的土壤分层,对土壤温湿度细节的刻画更为完善。(4)CLM5.0模拟资料在高原整体呈增温变干趋势,MODIS和ESA CCI-COMBINED遥感资料整体呈增温增湿趋势。CLM5.0模拟的土壤温度变化趋势相对准确,土壤湿度的变化趋势则存在较大偏差。

青藏高原东部大气热源与高原涡的关系

基于ERA5再分析资料和高原低涡统计数据集,采用倒算法计算了1991-2017年青藏高原东部的大气热源,分析了大气热源与高原涡生成频数、移出频数及初生性质的关系.结果表明:①1991-2017年,7月份高原东部大气热源平均强度为172 W/m^(2),振荡周期为5~7年,空间分布具有明显的局地差异,东南部大气热源高于东北部.随纬度增加,大气热源明显减弱,高原南坡是大气热源最强的区域.②大气热源偏强有利于高原涡的生成及移出,强年高原涡生成频数及移出频数均多于弱年.③分析大气热源强弱年环流场差异,证明强年环流形势有利于高原涡的生成及移出,具体影响机制为:强年南坡大气热源中心气柱上升运动强烈,整层大气呈现强烈的上升运动,低层辐合,高层辐散,南亚高压脊线东伸脊点位于120°E,高层西风急流大值区位于高原东部,低层存在利于高原涡移出的横槽.

四川盆地冷锋特征及其对逆温和大气污染的影响

为进一步研究四川盆地冷锋特征及其影响,利用2015-2019年历史天气图、地面和高空气象观测以及大气环境监测数据,对四川盆地冷锋特征及其对逆温和大气污染的影响进行分析和讨论。结果表明,四川盆地冷锋过程年均9.6例,春秋季最多、最强。偏北路径冷锋最多、平均强度最强,春秋季最多;西北路径冷锋个例数和平均强度次之,夏多冬少;偏东路径冷锋最少、最弱。冷锋过境时逆温频率降低,过境后回升。冷锋过境对PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)、NO_(2)、CO以清除为主,对颗粒物的影响高于气态污染物,而O_(3)浓度随冷锋过境有增加趋势,强冷锋清除效果高于一般冷锋。过境时,西北路径冷锋的清除效果最好,PM_(2.5)浓度降低近一半,而偏东路径冷锋清除能力最弱。冷锋过境后,偏北路径冷锋的清除作用依然显著,污染物浓度持续降低。

春季南支槽的年代际变化及其与降水、大气环流的关系

由于春季青藏高原动力作用在其南侧形成南支槽,南支槽年代际变化的异常,可能与中国降水异常有密切的关系。利用NCEP/NCAR月平均再分析资料和中国596个测站月降水资料,采用突变检验、合成分析等方法,分析了1950 2014年春季南支槽的强度和东、西位置的年代际变化特征,探讨了两者与同期中国降水年代际异常及环流背景场的关系。结果表明:春季南支槽的强度和位置都具有显著的年代际变化特征,南支槽强度在20世纪70年代末期有一次强弱突变过程,位置在90年代初期发生了明显的由东向西移动的转折,分别选取强度和位置突变前后的时间段进行分析,得到春季南支槽强度突变前(后),南支槽越强(弱),位置突变前(后),南支槽越偏东(西),会出现黄河流域、长江中下游及其以北和以南的大部分地区降水偏多(少),而青藏高原及其周围地区降水偏少(多)的现象,从两者突变前后与大气环流、垂直运动和水汽条件的显著关系能够合理地解释突变前后降水差异的原因。在此基础上,总结了春季南支槽年代际尺度与中国降水、大气环流的概念模型,可为中国春季的气候变化和气候预测提供更多的科学依据。