基于FY-3D卫星的微波与光学陆表温度融合研究

目前还没有基于国产卫星的1 km分辨率的全天候陆表温度(LST)产品,FY-3D卫星提供了中分辨率成像仪(MERSI)Ⅱ型1 km分辨率晴空LST产品与微波成像仪(MWRI)25 km全天候LST产品,因此可结合两者优势开展全天候1 km分辨率LST的融合研究。基于地理加权回归(GWR)方法,选择海拔、FY-3D归一化植被指数和归一化建筑指数等建立GWR模型对FY-3D/MWRI 25 km LST降尺度到1 km,并与MERSI 1 km LST进行融合;同时针对MWRI轨道间隙,利用前后1天融合后的云覆盖像元1 km LST进行补值,可以得到接近全天候下的1 km LST。基于以上融合算法,选择了中国区域多个典型日期FY-3D/MERSI和MWRI LST官网产品进行了融合试验,并利用公开发布的全天候1 km LST产品(TPDC LST)对FY-3D 1 km LST融合结果进行了评估。研究结果表明,基于GWR法的LST降尺度方法,可以有效避免传统微波LST降尺度方法中存在的“斑块”效应和局地温度偏低等问题;LST融合结果有值率从融合前的22.4%~36.9%可提高到融合后69.3%~80.7%,融合结果与TPDC LST的空间决定系数为0.503~0.787,均方根误差为3.6~5.8 K,其中晴空为2.6~4.9 K,云下为4.1~6.1 K;分析还表明目前官网产品FY-3D/MERSI和MWRI LST均存在缺值较多与精度偏低等问题,显示其存在较大改进潜力,这有利于进一步改进FY-3D LST融合质量。

强台风“云娜”登陆过程的研究——基于AREM模式的数值分析

使用新改进的双重嵌套AREM数值预报模式,并与高时空分辨率的探测资料相结合,针对台风“云娜”登陆加强的特点进行数值模拟分析,结果表明该模式对“云娜”台风环流特征、强度变化趋势和台风降雨等都有较强的预报能力。在此基础上,定量研究其登陆加强过程中三维大气中尺度场动、热力特征及演变过程,并探讨了其登陆加强的机理。由此得出了与“云娜”登陆加强相关的重要影响因子:(1)副热带高压西南侧的偏东引导气流加强是“云娜”登陆前移速加快、强度增强的有利环境场条件。(2)“云娜”近海移速加快时有较强的东密西疏的不对称流场结构,特别是其垂直速度场以及强对流发展的水平分布的强不对称特征与该气旋登陆加强同时发生,也可能与台风强度维持和加强存在一定的相关。(3)在“云娜”中心西南侧的强凝结潜热释放过程,有可能助其在登陆时加强。此外,在“云娜”发展加强阶段,低层暖湿、中层干冷的位势不稳定层结,有利于对流的强盛发展。(4)“云娜”登陆前后有强低空急流与之联结,并有垂直对流运动发展,由此可获得不断增强的潜热能量是其登陆加强的另一个重要机制。

湖南省历史罕见的一次低温雨雪冰冻灾害天气分析

在欧亚大陆中高纬度稳定维持阻塞形势的环流背景下,2008年1月10日—2月2日中国南方地区连续经历了4次历史罕见的大范围低温雨雪冰冻天气过程。应用多种常规、非常规观测资料及NCEP再分析资料,在对该过程的大尺度环流及水汽输送特征进行诊断分析的基础上,细致分析了受灾最为严重的湖南省冰冻分布地域特征、多种气象因子及特殊地形对冰冻强度的影响,并对造成降水性质差异及强冰冻的成因进行了探讨。结果表明:中高纬阻塞高压、西太平洋副高及南支槽是造成此次持续性雨雪天气的主要影响系统,持续而强盛的水汽输送对雨雪冰冻的强度和范围起重要作用;冰冻形成与增长是多种气象因子综合影响的结果。地面日平均温度、700hPa风向风速、逆温强度及冷垫厚度对冰冻强度预报有很好的指示意义。当冰冻形成条件具备后,融化层及冷垫越深厚、地面日平均气温越低则冰冻发展越显著。若700hPa维持强盛的西南急流、850hPa持续偏东北风时,最有助于逆温加强,冷垫增厚。强冰冻的预报着眼点应关注700hPa附近的剧烈增温、增湿及850hPa以下的强降温;近地面层丰富的过冷水滴和叠置于深厚冷气层之上的暖性"逆温层"的建立和维持是大范围强冰冻天气产生的一个重要原因;此外,湖南特殊的地理位置及复杂的地形地貌特征对冰冻的持续和发展有较大影响。

热带气旋“碧利斯”与南海季风相互作用的强水汽特征数值研究

强热带风暴"碧利斯"(0604)登陆后其低压环流较长时间地维持,并与南海季风相互作用,造成湖南省东南部发生历史罕见的特大致洪暴雨。文中应用多种常规、非常规细网格观测资料及NECP再分析资料,结合暴雨中尺度数值预报模式AREM对该暴雨过程的强水汽场特征进行了数值模拟和诊断分析,并设计水汽敏感性试验,进一步揭示造成湘东南特大暴雨的水汽通道和水汽来源。结果表明:"碧利斯"低压环流南侧的西南气流对湘东南暴雨区起到了主要水汽输送作用,且随着"碧利斯"逆时针旋转,水汽沿着环流中心东侧的强风速带夹卷到环流北侧,并通过增强的东北风源源不断地输送至湘东南。这南北两支主要水汽通道在湘东南长时间交汇,形成了湘东南暴雨区深厚的湿层和强水汽辐合,对"碧利斯"低压环流较长时间的维持及对湘东南特大暴雨的形成和发展有重要的作用。

两次严重影响湖南的登陆台风水汽场特征数值模拟

针对造成湖南省特大暴雨过程的"碧利斯"和"圣帕"两次台风,利用气象、水文加密观测资料及NCEP再分析资料,结合中尺度数值预报模式AREM的模拟结果,对它们独特的水汽场特征进行了对比分析。结果表明:这两次台风的共同特点是有两条主要水汽输送通道,即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道;凝结降水的水汽主要来源于低层风场辐合和水汽平流,并通过局地垂直运动再将其输送到中高层;在湘东南强降水区上空始终存在强的水汽水平辐合和水汽垂直输送,比较而言,"圣帕"台风暴雨区上空水汽通量更强,但水汽通量辐合强度却小于"碧利斯"台风,水汽辐合层也不及后者深厚,但前者由于自身旋转性强,低压环流中心南部的切变较长时间维持,并自东向西转动,使得强降水持续时间更长,过程雨量更大,影响范围也更大。"碧利斯"水汽主要源地较"圣帕"更加偏南,水汽辐合更强,与南海季风的相互作用更显著,降水时段集中,局部地区短时间内的降雨强度甚至超过了"圣帕"。

湘东南地形对“碧利斯”台风暴雨增幅作用的分析

强热带风暴"碧利斯"(200604)登陆后其低压环流较长时间地维持,并与西南季风相互作用,造成了湖南省东南部历史罕见的特大致洪暴雨。针对该暴雨天气过程,采用天气学分析和数值模拟试验等方法,对湘东南特殊地形对该台风暴雨的影响进行了研究。结果表明:湘东南多山体分布且向北开口的喇叭口特殊地形通过与"碧利斯"低压环流北侧增强的东北风相配合,有利于水汽输送和中尺度对流系统发生、发展,对湘东南暴雨有明显增幅作用。

“03.7”湘西北特大致洪暴雨的触发机制数值研究

利用常规、地面加密观测资料、GMS卫星云图和常德多普勒天气雷达资料,结合MM5中尺度数值模式模拟结果对"03.7"湘西北特大致洪暴雨过程进行综合分析,并探讨其可能的触发机制。研究表明:"03.7"湘西北特大暴雨与边界层内多个中尺度辐合扰动的移动和发展密切相关,且伴随着中尺度雨团的强烈发展,由此诱发的β-中尺度涡旋是此次特大暴雨过程的直接影响系统;有组织的多单体风暴活动是张家界这一特大暴雨中心形成的主要原因;等熵面上的位涡下滑和倾斜涡度的发展可能是导致β-中尺度气旋涡度急剧发展的重要因素;低空急流扰动、对流层高层强辐散形成的抽吸作用以及湘西北特殊地形对此次暴雨过程有明显的触发和增幅作用。

长江中游一次大暴雨的中尺度分析

通过对2003年7月8日发生在长江中游的一场大暴雨进行中尺度分析,初步研究了暴雨的形成及发展过程,总结了暴雨的产生与中小尺度系统的关系,着重阐述了低空急流在暴雨形成中的作用,以及在低空急流左侧强正涡度中心附近形成中尺度涡旋,激发暴雨云团等。

东风低空急流暴雨的中尺度分析

东风低空急流暴雨在湖北比较少见。使用卫星云图、武汉多普勒雷达资料和地面中尺度资料,针对2004年6月4～5日发生在湖北中东部地区的一次东风低空急流暴雨过程进行了中尺度分析,得到:(1)东风低空急流暴雨是在有利的大尺度背景场条件下,在特定的地域触发产生的;(2)东风低空急流在暴雨的形成和发展中起到重要的作用;(3)东风低空急流暴雨是由中尺度回波团和中尺度复合体造成的;(4)东风低空急流暴雨是在多种尺度天气系统相互作用的情况下发生发展的,而中小尺度系统是其产生的最直接的系统。

“04.6”湘西北特大致洪暴雨形成机理分析

对湖南省西部和北部的一次特大致洪暴雨过程综合分析得出:此次特大暴雨过程的发生与对流层中低层西南急流和亚欧大陆上空维持阻塞形势密切相关。阻塞形势的维持,使得对流层中低层两个冷涡稳定少动,从而形成了东北向干冷气流,其与西南暖湿气流在湘西北地区上空形成一条东北西南向的切变线。切变线上生成的深厚的中尺度气旋的演变、发展,是特大暴雨产生的根本原因。对流层中层涡度、Q矢量散度及345K等熵面上位势涡度的由南向北发展与强降水区由南向北发展有较好的对应关系,可作为暴雨预报指标。超强散度柱、强涡度柱和陡立深厚θse耦合结构是垂直上升动力和暴雨产生和持续的重要动力机制。

长沙地区O_(3)污染潜势广义可加模型的季节分异性

基于长沙市2016—2019年臭氧(O_(3))浓度的逐时监测资料以及该时段同时次的气象观测数据,首先利用相关性分析和方差膨胀因子相结合的方法排除了相对湿度、太阳辐射、气温、风速、气压之间存在多重共线性问题,进而构建了春、夏、秋、冬四季O_(3)日最大8 h滑动平均质量浓度(O_(3)-8 h)与上述气象因子的广义可加模型(GAMs),分析了O_(3)污染潜势GAMs模型的季节分异特征。结果表明:(1)春、夏、秋、冬四季O_(3)与相对湿度、太阳辐射、气温、风速、气压各变量之间多呈现出非线性关系(自由度大于1)。(2)春、夏、秋、冬四季多变量GAMs模型方差解释率(IRV)分别为80.7%、60.2%、83.0%、81.4%,调整判定系数R2分别为0.795、0.564、0.819、0.795,即不同季节气象因子在GAMs模型中对O_(3)的解释能力存在显著差异,秋季最好,冬春季次之,夏季最差。(3)相对湿度、太阳辐射、气温是决定春、夏、秋、冬四季O_(3)浓度变化最重要的气象要素,但其重要性排序随季节有所变化,对应的太阳辐射的F统计值分别为140.841、36.606、14.16、46.377,相对湿度的F统计值分别为3.291、4.158、15.82、8.105,气温的F统计值分别为7.030、2.113、15.79、3.340。该结论揭示了气象因子对O_(3)演化影响的复杂性,并为后续O_(3)污染潜势的预报奠定了基础。

2016—2019年长沙市O_(3)浓度变化特征及其影响因子分析

利用2016—2019年长沙市O_(3)、NO_(2)和CO逐时监测数据以及同期气象要素观测资料,分析O_(3)浓度的时空分布特征及气象因子对O_(3)浓度的影响。结果表明:2016—2019年长沙市O_(3)日最大8 h滑动平均浓度各年平均值分别为(52.81±26.61)μg·m^(-3)、(55.89±25.42)μg·m^(-3)、(61.74±29.56)μg·m^(-3)和(60.77±31.68)μg·m^(-3),呈逐年升高趋势。夏季O_(3)浓度最高(均值为74.56μg·m^(-3)),冬季O_(3)浓度最低(均值为33.64μg·m^(-3))。O_(3)浓度日变化呈显著的单峰特征,峰值出现在16时左右,超标时段为12—18时。2016—2019年长沙市O_(3)浓度空间分布非均匀性表现为城区外围站点大于市中心站点,其中冬季非均匀性最大(不均匀度为0.12),夏季非均匀性最小(不均匀度为0.04)。长沙市城区O_(3)浓度与温度、太阳辐射呈正相关(相关系数分别为0.61、0.65),与相对湿度、NO_(2)和CO呈负相关(相关系数分别为-0.42、-0.35、-0.27)。

我国西南地区一次暴雨过程特征及成因

利用卫星云图、多普勒天气雷达资料和高空风等各种天气学资料,对2009年6月8—9日广西、贵州、以及和湖南交界地带的一次暴雨过程进行了综合分析。结果表明,暴雨是由中尺度对流复合体东移、β中尺度强对流云团发展、以及二者合并造成的;地面α中尺度低压带配合α中尺度纬向切变线的生成,为中尺度对流复合体(mesoscale convective complex,MCC)的东移发展、β中尺度强对流云团的发展、以及二者的合并创造了有利条件;地面能量比低值舌的活动是MCC和β中尺度强对流云团生成和发展的触发机制之一;在多普勒雷达径向速度图上,MCC的生成和发展,伴随西南低空急流的建立和维持,大范围的逆风区的生成;MCC的消亡,伴随西南低空急流的减弱和消失,对应西北气流建立和东扩。MCC发展期和β中尺度强对流云团发展期、MCC消散期和β中尺度强对流云团消散期的涡度收支以及视热源和视水汽汇有很大的不同。

一次热对流降水成因的分析和模拟

夏季受西太平洋副热带高压控制的中国大陆地区常发生热对流降水。文中首先利用TRMM卫星观测资料、地面自动站地表温度观测资料和NCEP资料分析了热对流降水的特征及其产生的背景条件;利用区域平均的水汽方程诊断了地表蒸发、水汽平流和水汽通量辐合项的贡献,分析了降水的水汽来源;进一步利用AREM区域数值预报模式,设计了4个敏感性试验,研究了陆气感热、潜热通量对降水的贡献。结果表明,在副热带高压控制的地区,白天强烈的非均匀地表感热加热可导致低层热空气块突破环境下沉气流而上升,周围空气补充形成辐合运动。低层空气的辐合上升既可引起水汽的汇聚,又可把低层的水汽输送到高层。同时非均匀陆面特征造成的非均匀感热和潜热通量的共同作用增强了大气的位势不稳定度,触发了对流,但感热通量对热对流降水的贡献比潜热通量略大。热对流降水的水汽除部分来自地表蒸发外,另一部分来自低层的水平通量辐合。定量计算表明二者对大气可降水量的贡献基本相当,而平流水汽的贡献很小。

“云娜”台风登陆后的路径和降水的诊断分析

利用1°×1°的NCEP全球再分析资料和实时高空、地面加密探测等资料,综合分析了环流背景、冷空气活动和下垫面对“云娜”台风登陆后的路径和降水变化的影响,并对“云娜”登陆后的物理量特征进行了诊断分析。结果表明:(1)台风路径在登陆时发生西折的主要原因是由于在500hPa副高调整为带状分布,台风北侧的东风气流明显加强,而且台风北侧最大东风风速与南侧的最大西风风速之差陡增;(2)冷空气的入侵是“云娜”登陆后的台风低压在其路径折向西南的主要原因,表现为850hPa台风西侧的北风加大,东侧的最大南风分量和西侧的最大北风分量的绝对值差变为负值;此外,冷空气在前期还有利于台风低压的维持,后期则使台风低压填塞;(3)“云娜”在进入鄱阳湖地区后其垂直运动、散度、水汽通量散度等各物理量场均表现出有利于降水加大的特征,这与下垫面的热量和水汽交换作用密切相关。

2005年一次持续性梅雨锋暴雨的分析

利用NCEP1°×1°的6小时分析资料、自动站加密雨量和常规观测等资料，对2005年6月17～21日江西省梅汛期发生的持续性暴雨过程进行天气动力学诊断分析。结果表明：这次暴雨过程是由9个中β尺度云团和12个中尺度雨团东移发展造成的。中低层辐合、高层辐散及上升运动的加强对中尺度对流云团和雨团加强发展有重要作用，与暴雨强度有很好的对应关系。在850hPa的西南急流中不断有急流核生成并发展东移，中尺度暴雨云团和雨团出现在急流核北侧约200km处。

2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨对比分析

应用多种常规观测资料、加密自动气象站资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨过程进行了对比分析。研究表明:"尤特"台风暴雨直接由台风环流引起,具有锋前暖区降水的特点;而"天兔"台风暴雨由台风低压倒槽与西风带天气系统相互作用引起的,其降水属于典型的锋面降水。"尤特"由东风带进入西风带,其与副高相对位置的变化是导致其登陆后路径北翘的主要原因。"尤特"低压环流与南海季风相互作用,充沛的水汽输送对台风低压环流的长时间维持以及湘东南暴雨的形成和发展起到了重要的组织和促进作用。而"天兔"登陆后南海季风位置偏南,不利于"天兔"的长时间维持以及向暴雨区的水汽输送。低层暖式切变线附近强辐合与高层强辐散耦合、低层强正涡度与高层负涡度的耦合为"尤特"台风暴雨的发生发展提供了动力条件。由中低层冷空气入侵导致的锋生强迫和高低空急流耦合形成的次级环流,加强了"天兔"低压倒槽内冷暖气流的辐合,是触发倒槽内中尺度对流发展和暴雨产生的重要动力机制。

江南西部雨季降水区域特征及其受热带海洋海表温度异常的影响分析

本文分析了江南西部雨季特征,研究了热带太平洋、印度洋海表温度异常对这一区域雨季降水的影响,并初步分析了其影响因子。结果表明:(1)江南西部雨季开始时间早,持续时间长,是中国梅雨季的一个重要组成部分。它具有明显的年际、年代际变化特征,21世纪后,进入了一个少雨期。(2)前冬热带海洋海温异常是江南西部雨季降水丰枯的一个强信号。即:当赤道中东太平洋海温为正(负)距平、西太平洋及中东太平洋副热带地区为负(正)距平(这种海温异常主模态分别称为正(负)海温异常型),相应地,热带印度洋表现为北正(负)南负(正)的海温反相位型时,江南西部雨季全区降水偏多(少)的可能性大。(3)在正(负)海温异常年,4~6月,赤道印度洋盛行偏东(西)风异常,不易(容易)形成转向北的南风异常,印度季风弱(强);西太平洋近赤道地区为强劲的偏东(西)风异常,其北为反气旋(气旋)性距平环流,导致西太平洋副热带高压位置异常偏西(东),强度偏强(弱)状态,有利于(不利于)江南西部降水发生。(4)在正海温异常年,江南西部水汽主要来源于西太平洋,并在此区域形成水汽辐合,有利于降水;而在负海温异常年,来自两大洋的水汽均通过江南西部地区,此区域成为水汽过渡带,不易形成水汽辐合,降水偏少。

GRAPES模式对2005年登陆强台风预报检验分析

针对2005年4个登陆强台风,在台风移动路径、登陆时间、地点、强度等方面,对GRAPES模式的预报能力进行检验评价,并进行了误差原因分析。检验结果显示,GRAPES模式台风中心位置预报24 h平均误差131 km,48 h平均误差252 km。模式预报台风登陆的时间、地点接近实况,预报比较准确;台风登陆时的强度预报偏弱。模式48 h预报准确性略低于24 h。误差原因分析表明,需要加强对非常规观测资料的同化应用,改进模式初始条件;提高模式分辨率,使得模式对中小尺度系统的预报模拟能力增强;改进模式地形的精细处理方法,提高模式对地形影响涡旋移动的模拟能力。

陆面参数化方案对两例不同类型暴雨可预报性的影响

以2003年7月3～4日淮河流域平流型暴雨和2003年8月2～3日江西蒸发型暴雨个例为例,采用模式试验方法,研究了陆面参数化方案对两种不同类型暴雨的模式可预报性的影响。关闭陆气通量的试验表明,陆气通量对淮河流域暴雨的贡献很小,模式预报结果之间的差异较小,平流型暴雨具有较高的模式可预报性;而陆气通量对热对流暴雨的贡献很大,其误差对暴雨的分布和强度影响也较大,蒸发型暴雨的模式可预报性相对较低。不同陆面过程参数化方案的比较试验表明,陆气通量误差引起的能量误差仅在特定区域发展。当陆气通量误差超过一定的临界值,能量误差将在降水区和风速大值区(急流区)迅速发展,能量误差和不稳定能量同源且同时增长。从陆气通量影响天气过程的角度来讲,模式预报启动时间选择在夜间,能量误差发展相对缓慢,可以延长预报时效。