夏季南亚高压东-西振荡过程中青藏高原及周边上对流层水汽的分布和传输特征

夏季南亚高压的“双模态”分布对应着其中心位置在10~20天准双周时间尺度上的东—西振荡,对青藏高原及周边上对流层的水汽分布和传输有显著影响。本文利用夏季7~8月逐日的ERAI再分析资料,通过基于南亚高压东—西振荡指数的位相合成分析发现,当南亚高压呈青藏高原模态时,青藏高原(伊朗高原)地区上对流层水汽含量异常偏高(低),伊朗高原模态时则相反;伴随南亚高压中心位置由青藏高原向西移至伊朗高原上空,上对流层水汽含量正异常中心亦自青藏高原东侧向西逐渐传播到伊朗高原以西地区。进一步诊断表明,除了在青藏高原北侧和南侧水汽经向绝热输送异常有抵消作用外,两高原地区上对流层水汽倾向异常主要由水汽纬向绝热输送异常及其辐合辐散异常所贡献,而青藏高原地区对流活动引起的垂直非绝热输送异常在上对流层则主要与剩余项(水汽的凝结和蒸发)相抵消。因此,青藏高原(伊朗高原)上对流层为水汽含量正异常时对应着青藏高原上空的对流活动异常偏弱(强)。而南亚高压中心位置和上对流层水汽含量正异常中心自青藏高原向伊朗高原移动的过程,对应着青藏高原地区的对流活动异常和垂直向上的水汽非绝热输送异常不断增强,同时上对流层水汽凝结异常也不断增强。此外,南亚高压向西移动过程中,上对流层水汽绝热辐合(辐散)异常主要发生在其西(东)侧,这是造成水汽含量异常中心纬向传播的主要原因。

青藏高原地区大气红外探测器(AIRS)资料质量检验及揭示的上对流层水汽特征

上对流层水汽（UTWV）是大气中最重要的温室气体,对全球气候变暖有重要贡献;而青藏高原被认为是UTWV进入平流层的重要通道,在平流层-对流层水汽交换及平流层水汽变化中扮演着重要角色。首先利用高原探空站资料对大气红外探测器（AIRS）反演的水汽数据在高原地区的质量进行了检验,发现AIRS反演的水汽数据与探空实测数据是相当一致的。其中全年和夏半年AIRS的可信度较好,而冬半年,尤其是上对流层AIRS水汽可信度相对较低,但在缺乏高精密数据时仍部分可用。利用AIRS资料对青藏高原地区UTWV季节变化特征进行了分析,结果表明,高原冬季偏干,而夏季显著偏湿,并且空间分布具有明显的不均匀性。经验正交函数（EOF）分析显示,夏季高原UTWV主要存在三种空间分布型,即全区一致型,高原东西偶极型和南北带状偶极型。一致型分布具有明显的季节变化,而偶极型则以季节内振荡为主。在此基础上,重点研究夏半年高原地区UTWV季节内振荡特征,结果表明,UTWV季节内振荡的显著周期位于10～20天和30～60天。前者主要表现为纬向东传,并且可以越过高原进入我国江淮流域上空;而后者主要向南移动,基本表现为高原局地振荡。最后,进一步探讨了高原UTWV季节内振荡的可能机制,结果表明,高原地区UTWV的低频变化主要与高原热状况、南亚高压活动及其与二者相耦合的对流活动有关。

青藏高原上对流层水汽“典型异常年”成因分析

青藏高原(下称高原)上对流层水汽变化在对流层—平流层水汽交换中起着重要作用,利用AIRS卫星数据、NOAA全球海温数据、NCEP/NCAR再分析资料和国家气候中心NCC提供的74项环流特征量资料,从海气耦合角度对2003-2011年高原上对流层水汽典型异常偏多年的成因进行了分析。结果表明,ENSO事件对于高原上对流层水汽的多少具有一定的指示作用:在厄尔尼诺(拉尼娜)事件开始的次年夏季,高原上对流层水汽偏多(偏少);受海温异常强迫的大气环流异常是造成2010年高原上对流层水汽异常偏多的直接原因。2010年夏季高原上对流层位势高度偏高、东亚地区阻塞形势发展、西太平洋副热带高压加强西伸的异常环流型有利于西太平洋和南海水汽持续向高原地区输送,而高原上空异常反气旋环流的存在以及冷暖气流的交汇使水汽垂直向上输送加强,共同导致了2010年高原上对流层水汽异常偏多。

大气红外探测器(AIRS)资料揭示的中亚地区上对流层水汽时空变化特征

水资源纠纷已成为当前威胁中亚地区国家安全与稳定的主要因素,而上对流层水汽作为全球水循环的重要组成部分,其空间分布和变化过程对中亚地区水资源分配具有重要科学价值。利用最新的AIRS水汽质量混合比数据,分析了中亚地区2003—2011年上对流层水汽的时空变化及其异常特征,揭示了其与青藏高原、热带季风区等受亚洲夏季风影响区域的显著差异。研究表明：就整个亚洲中低纬地区而言,中亚地区全年上对流层水汽偏少,且年内变化相对稳定,逐月波动不大。与夏季青藏高原南部及热带季风区北部的水汽大值区相比,在黑海—里海以东至我国新疆西部之间的中亚地区上对流层为显著的水汽含量低值区。近9 a中亚地区上对流层水汽整体呈微弱的增加趋势,且具有较强的波动性：水汽最小、最大值分别出现在2009年、2010年,这一显著振荡对近9 a水汽的线性变化趋势影响较大。就季节变化而言,春、夏季分别呈微弱的下降、上升趋势,秋季上升趋势显著,冬季在2~3 a波动变化特征明显。

青藏高原和热带西北太平洋大气热源在亚洲地区夏季平流层-对流层水汽交换的年代际变化中的作用

利用欧洲中期天气预报中心ERA40资料，借助Wei诊断模式研究平流层一对流层水汽交换过程，重点分析亚洲地区夏季平流层．对流层水汽交换的年代际特征，探讨青藏高原和热带西北太平洋大气热源在其变化中的作用．气候学特征表明，北半球夏季“亚洲南部半岛-印度洋-太平洋交汇区”为全球最强的对流层向平流层输送的通道，它能将亚洲季风区丰富的水汽源源不断地输送到平流层，影响平流层水汽的分布和变化．北半球夏季亚洲地区穿越对流层顶水汽交换整体上都具有明显的年代际变化，且在近44a可以分为三段比较稳定的时段：1958～1977年、1978～1992年和1993。2001年．在这三个时段中，孟加拉湾．东亚大陆及南海海域的水汽交换通道作用在逐渐减弱，而西北太平洋地区在水汽交换中扮演着越来越重要的角色．进一步研究发现，青藏高原、热带西北太平洋热源的年代际异常是亚洲地区平流层．对流层水汽交换年代际变化的主要原因．44a来青藏高原和热带西北太平洋的热力作用均发生了重大调整，在年代际尺度上两者的综合作用决定了亚洲夏季风的年代际变异，从而影响平流层．对流层水汽交换的年代际异常．然而不同时段不同地区两者的贡献有所不同，尤其是1992年以后，高原热源影响明显减弱，而热带西北太平洋热源在影响平流层．对流层水汽交换中起主要作用．这些结果对深入认识其他大气成份输送过程和正确评估人类活动（排放）对全球气候的影响也具有重要的指示意义．

GNSS水汽层析的自适应非均匀指数分层方法

GNSS水汽层析技术在中小尺度灾害性天气的监测和预警中发挥着重要作用。常见的GNSS水汽层析技术在垂直分层时采用均匀分层,不符合大气水汽在垂直方向上的实际分布情况。本文以大气水汽密度为依据,提出一种自适应非均匀指数分层方法。该方法大大降低了各层之间的水汽密度差异,提高了水汽层析模型分层精度,且能够实现对任意给定层析区域的自适应分层建模。利用2019年8月香港CORS实测数据和探空数据对该方法进行试验与分析,与传统均匀分层相比,自适应非均匀指数分层的均方根误差和平均绝对误差分别降低了0.401 g/m^(3)和0.223 g/m^(3),在低海拔处和恶劣天气下层析结果的精度和质量显著提高。

GNSS水汽层析的约束条件方程变权代数重构算法

基于传统代数重构算法(algebraic reconstruction technique,ART)提出一种约束条件方程变权的代数重构算法(variable weight algebraic reconstruction technique,VWART),利用2019-08香港地区CORS网GNSS观测数据进行实验,选用京士柏探空气象站探空数据进行验证分析。结果表明,相比于传统代数重构算法,变权代数重构算法的精度、稳定性和可靠性均有所提高。以探空数据为例,其RMSE降低20.334%;在不同程度降水条件下,变权代数重构算法反演的垂直水汽廓线分布均优于传统代数重构算法。

0.94μm差分吸收激光雷达地基工作的进展

为了更好地探测对流层大气水汽的垂直廓线,对已经建立的935 nm差分吸收激光雷达进行了部分改进。采取双通道接收的措施,近场通道望远镜同时也是发射激光的扩束器,近场通道采用偏振分束器加四分之一波片的方式隔离发射光和回波光,远场通道(主通道)采用平行旁轴的卡塞格林望远镜,从而减小激光雷达近地面盲区;发射机的双波长挪到936.0~936.5 nm之间,增加了注入种子激光的功率,提高发射光谱纯度,从而提高探测精度。探测范围从600~2000 m,延展到250~3000 m,随机误差5%。

北斗/GNSS实时层析空间环境监测关键技术与应用

电离层和对流层是地球近地空间环境的主要组成部分,是影响全球卫星导航系统(GNSS)定位的两个重要误差源,利用地面基准站网(CORS)能够反演区域电离层和对流层模型.针对普遍存在的反演精度低、时效性差、不兼容多模卫星数据等难题,南宁市突破电离层/对流层三维层析、对流层水汽反演、北斗多模数据融合等关键技术,研发了国内外首个GNSS三维实时空间环境监测系统.