三江源地区夏季-10℃层高度变化及云垂直结构特征

利用三江源地区沱沱河、玉树、达日3个探空站的探空资料对1999—2021年-10℃层高度时间变化趋势、突变时间进行了研究,同时对该地区2021年云出现频率和云垂直分布特征进行了研究,并探讨了-10℃层高度、云层垂直结构与降水的关系。结果表明:(1)近20 a来三江源地区夏季08时和20时的-10℃层高度平均值分别为7 014.1、7 201.6 m,并呈显著上升趋势。突变检验分析确定三江源地区夏季08时-10℃层高度出现突变是从2009年开始,20时出现突变是从2012年开始。(2)08时三江源地区夏季云层结构较为复杂,20时三江源地区夏季主要以单层云为主,6—8月平均出现频率分别为35%、42%、39%。从三江源地区夏季云顶高度、云底高度和云层厚度来看,7月云顶高度最低、云底高度最高、云层厚度最小。(3)三江源地区夏季-10℃层位于该地区云层中下部。产生降水时-10℃层高度主要集中在7 200~7 800 m,云层厚度在4 000~11 000 m。三江源地区夏季降水量与-10℃层高度、云顶高、云层厚之间存在显著的正相关,与云底高存在显著的负相关。-10℃层高度与云顶高度、云层厚度间存在显著的正相关;与云底高度间相关性不显著。

“催化-供给”云降水形成机理的数值模拟研究

利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中“催化供给”云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件。结果说明,“催化供给”云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层。作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%。具有“催化供给”云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大。凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程。“催化供给”云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件。

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。

两类El Niňo事件次年夏季长江-黄河流域降水低频特征及低频水汽输送途径差异

利用1961年1月—2014年12月Hadley气候预测研究中心的全球海表温度(SST)资料,NECP/NCAR逐日风场、比湿等再分析资料,国家气象信息中心提供的中国753站逐日降水、160站逐月降水资料,对比分析了东部(EP)型和中部(CP)型两类El Nino事件次年夏季长江-黄河流域降水(简记为EP型和CP型降水)低频特征,以及与之相关的低频水汽输送差异。结果表明,1)平均而言,EP型降水主要有10~20d(最显著)以及20~30d(次显著)低频周期;CP型降水主要有10~20d的低频显著周期。与之相关的纬、经向水汽通量最显著低频周期也为10~20d。2)影响EP、CP型低频降水共同的低频水汽环流系统主要有:菲律宾群岛附近的异常反气旋式水汽环流和渤海湾附近(日本东南侧)的异常气旋式(反气旋式)水汽环流。另外,影响EP(CP)型低频降水的还有来自巴尔喀什湖东北部异常气旋式水汽环流(孟加拉湾、苏门答腊岛以西的异常气旋式水汽环流对和贝加尔湖西、东两侧的异常气旋式、反气旋式环流)。3)EP型降水暖湿水汽主要源自南海,冷湿水汽主要源自西北太平洋,冷空气来自巴尔喀什湖东北部和贝加尔湖西北侧。CP型降水暖湿水汽少量来自阿拉伯海和印度洋,大量来自热带西太平洋,冷空气主要来自贝加尔湖西北侧。

云-降水遥感研究现状及夏季东亚云-降水研究思考

就认知空间大范围的云-降水特征而言,卫星搭载的主被动仪器遥感探测具有独特的优势。本文从卫星多仪器遥感视角出发,就卫星多仪器遥感反演云宏微观参数、云参数与云辐射强迫、云参数和降水关系及其潜热廓线、气溶胶对云-降水作用的研究进行了有限综述,并就东亚夏季风区上述四个方面研究的不足,提出了需要关注的研究问题,最后提出利用多源卫星多仪器遥感结果研究夏季东亚云-降水结构的设想。

用亮温反演云物理量划分对流-层状降水的数值模拟研究方案

观测分析表明对流云中水云重要,而层状云中冰云重要。因此,提出了一个基于液水路径和冰水路径阈值划分对流-层状降水的新方案。液水路径和冰水路径的值可通过线性回归方程由不同AMSU微波通道(23.8、31.4、89、150 GHz)的亮温计算得出。通过对由TOGA COARE试验资料作为强迫场的二维云分辨模式的模拟结果的分析,对该划分方案进行讨论。若液水路径大于1.91 mm或冰水路径大于1.70 mm,则划分为对流降水;相反,则划分为层状降水。通过对地面降水收支的分析表明,该划分方案是具有物理意义的。

一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征研究

利用第三次青藏高原大气科学试验的垂直探测Ka波段毫米波云雷达(Ka-MMCR)、K波段微降水雷达(K-MRR)和地面雨滴谱仪,结合天气雷达、ERA-Interim再分析资料和FY-2E卫星资料,对那曲2015年8月13-14日一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征进行了研究和对比.结果表明:随高原涡移动,那曲上空先后出现"深厚强对流云-降水(DSP)-深厚弱对流云-降水(DWP)-浅薄对流云-降水(SP)"三个阶段.DSP时间尺度最短、对流最旺盛、发展高度最高,内部的强上升气流使冰晶与过冷水冻撞形成粒径较大的霰粒子,随后又快速沉降并融化成大雨滴,回波垂直变化表现为随高度从上到下Z_(e)逐渐增大和V_(T)逐渐减小;DWP时间尺度最长、对流强度和发展高度次于DSP,内部主要是冰晶的淞附或聚并增长,随后融化成雨滴,从8 km到融化层Ze的垂直变化幅度较DSP更大,但VT减小的速率仅为-1 m·s^(-1),融化层前后Z_(e)突增和V_(T)的突降现象比强对流云更为显著;SP对流强度最弱、发展高度最低,由尺度非常小的积云紧密排列组成,垂直变化大体趋势与前者一致.三个阶段云-降水观测到的回波亮带明显程度为DWP>SP>DSP,雷达谱偏度也可作为判断亮带的重要指示.三个阶段云-降水雨滴谱的宽度和数浓度量级都表现为DSP>DWP>SP.

1998年7月21～22日特大暴雨过程的中-β尺度云团特征

文中以气象卫星云图为主，分析了１９９８年７月２１～２２日由于副热带高压减弱南移，长江中下 游地区再次出现大范围暴雨过程的天气系统特征，发现：①暴雨是由 两个中-β尺度云团造成的，中-β尺度云团是发生在两个中尺度云团之间的积云区中 ，均在清晨发生，午后减弱，其生命史约为１０ ｈ左右；②云团发生在低层水汽与能量条件较 好的区域和８５０～７００ ｈＰａ低涡切变上，这里有较强的地转偏差存在，并位于６．７ μｍ水汽图 上干湿区交界的湿区一侧的环境中。

长春大气水汽含量与气温、降水关系分析

利用长春55年水汽压、气温、降水月值数据计算分析了长春大气水汽含量与气温、降水的关系。结果表明:水汽含量与地面气温呈明显的正相关。冬季相关系数最大,其次是秋季,夏季与春季相当,各个季节的相关系数都超过了0.01显著性水平。水汽含量在春、秋、冬季均为上升趋势,夏季呈下降趋势,但均未达到0.05显著性水平。地面气温在春、夏、秋、冬均呈上升趋势,春季气候倾向率最大,且春、秋季超过了0.05显著性水平。水汽含量与降水呈正相关,且秋季相关系数最大,超过了0.01显著性水平;春、夏、冬季相关系数较小,均未达到0.05显著性水平。水汽-降水转化率夏季最大,春、秋次之,冬季最小。水汽含量与降水、水汽-降水转化率的变化趋势和幅度并不一致。水汽含量偏少年,对应的降水也大概率低于常年平均。水汽含量、水汽-降水转化率都很小时,通常降水非常少。水汽含量正常或偏多、水汽-降水转化率较低的情形,应是人工影响天气重点研究的对象。降水、水汽-降水转化率在春季和冬季呈一致的上升趋势,夏季和秋季呈一致的下降趋势,但均未达到0.05显著性水平。

祁连山-黑河流域水循环中的大气过程

利用气象台站探空资料、地面观测资料和NCEP/NCAR再分析气候资料,分析了祁连山 黑河流域水循环中的大气过程,结果表明:受西风带波动影响的水汽来源贫乏是此区大气水汽含量少的原因之一;水汽输送通量辐散是此区大气水汽含量少的原因之二;就年平均而言,祁连山 黑河流域大气水汽含量仅为高湿的江南地区的20%,为半干旱区的华北中部的约40%;高海拔的祁连山区因降水效率高,地面蒸发量小,地表水物质易于聚积形成径流;黑河流域因降水效率低,降水量值与地面蒸发量值相当,对地表水的贡献很小。在祁连山 黑河流域2 5°×2 5°区域上空,大气年输入水量为6678亿m3,输出为6502亿m3,净输入水量为176亿m3;输入水汽呈逐年减少的趋势。20世纪70～80年代有明显的下降,近40年来祁连山 黑河流域的气温在升高,大气中的水汽含量在减少,降水量的减少将难以避免。

吉林一次降水层状云的结构和物理过程研究

利用机载粒子测量系统的探测结果,配合雷达及地面降水资料,结合一维层状云模式,通过对吉林2004年7月1日的一例降水性层状云系的宏微观物理结构和降水机制的定量化分析,对顾震潮三层模型有了进一步的认识。观测资料表明,该降水过程为典型的层状云降水,地面降水存在不均匀性,云系结构符合顾震潮三层概念模型,其中第1层为尺度很小的冰晶;第2层为混合层,以高层云和层积云为主体,其物理过程包括冰雪晶的凝华增长、结凇、聚并以及过冷水的直接冻结等;第3层为暖层,该层存在明显的0℃层回波亮带。在此基础上进行的数值模拟表明,模拟云发展成熟时存在3层结构,第1层(7.8—10.0 km)为少量的冰雪晶,以凝华增长为主。第2层(3.8—7.8 km)的冰雪晶在该层初始时增长方式主要为贝吉龙过程,而后以结凇增长为主。第2层的雪和霰降落到第3层后的融化及进一步的碰并云水则促进了雨水的形成及降落。第3层内雨水形成后,其质量增长的50%—60%来自于有冰相粒子参与的微物理过程。总体而言,云体发展成熟时,各层之间存在播种-供应关系,其中第1层对降水的贡献0.2%—0.4%,第2层为接近75%,而第3层约25%。模拟还表明,第1层冰晶浓度减少时,可导致第2层上部雪的浓度变化约40%—90%,其影响在云体的初始阶段较大,并随云体的发展及高度的降低而减弱,可导致平均降水强度减少2%—8%,因而其重要影响不可忽视。

基于拉格朗日方法的鲁南一次回流大暴雪的水汽来源分析

利用拉格朗日轨迹模式HYSPLIT,结合E-P诊断法,以及区域源汇归因法,研究了2015年鲁南一次回流大暴雪的水汽来源及输送路径。结果表明,影响暴雪过程的水汽路径有3条:一条是回流路径,沿中低空的回流冷空气经渤海、黄海输送至鲁南;另一条是南支路径,沿槽前西南气流经华南、华中向北输送至鲁南;第三条是偏西路径,沿平直的西风气流从黄土高原东侧输送至鲁南。源汇区定量分析显示,回流暴雪的水汽源地有6个,分别是渤海黄海区域、华东中北部区域、中南区域、南海区域、亚洲大陆南部和北部。对比不同源地的水汽贡献发现,中南区域与渤海黄海区域对回流暴雪的贡献最大,这与两者初期较高的源区水汽摄取量密切相关。华东中北部区域虽然初期水汽摄取较少,但由于其沿途水汽损耗较低并且在目标区域降水转化率较高,因此最终的水汽贡献不容忽视。尽管亚洲大陆南部和北部区域初期水汽吸收量明显高于华东中北部区域的,但过高的沿途水汽损耗,最终导致它们的实际水汽贡献低于华东中北部区域的贡献率。中国南海区域的水汽贡献最小,一方面是由较高的水汽损耗所致,另一方面还与初期较低的水汽吸收量有关。

宝鸡地区降水特征分析及降水量预测

基于宝鸡气象站1961年-2015年降水实测数据,利用线性拟合、模比系数积差曲线、Mann-Kendall检验法、云模型和滑动平均-马尔可夫模型对该地区降水变化特征和降水量预测进行了全面分析。结果表明:宝鸡地区年降水量、丰水期和枯水期降水量的线性变化率分别为-11.9mm/(10a)、2.6mm/(10a)和-14.5mm/(10a),且枯水期降水量的减少趋势显著。宝鸡地区年际与年内降水量分配极不均匀,不均匀性为全年>丰水期>枯水期;降水量不均匀性的稳定程度为丰水期>全年>枯水期。丰、枯期滑动平均降水量预测值的总和较年尺度的预测值更为准确,且2016年-2020年的年降水量预测值分别为613.1mm、727.0mm、632.0mm、457.2mm和876.7mm。研究结果可为该地区旱涝灾害的防治提供科学依据。

秦巴山区云垂直结构分析

为探讨秦巴地区降水与云垂直结构特征之间的关系,利用近8年（2006年7月~2014年6月）的Cloud Sat数据,通过归一化等频率高度图（NCFAD）统计方法统计了各物理量各层的发生频数并对秦巴山区降水云的雷达反射率、云类型、云微物理量及热力参数的垂直分布特征进行了研究,结果表明：（1）秦巴山区降水云以层云和雨层云为主,夏季对流云的垂直发展最旺盛;（2）降水云雷达回波随高度先增加后减少,夏季具有典型强降水回波特征,春秋季呈一般降水回波特特征,即回波大值区同时出现几个极值,冬季降水回波特征不显著;（3）冰云粒子主要分布在3~8 km,粒子浓度随高度递增;液云粒子集中在2~4 km,粒子浓度随高度递减;（4）热力结构季节差异不大,且季节平均呈大气对流稳定。

陕南东部一次短时强降水天气的成因分析

利用常规高低空气象观测资料、地面逐小时降水、物理量和卫星云图资料,对2017年4月15日发生在安康东部的一次局地短时强降水天气进行诊断分析,结果表明:西风带的中层弱冷空气与安康附近的东南暖湿气流交汇时,触发对流产生;低层850 hPa东南气流为局地短时强降水提供了比较充沛的水汽;大气低层存在大量不稳定能量;高空300 hPa的较强辐散与低层850 hPa较强辐合叠加,提供了较强的上升运动;在卫星云图上表现为一个水平尺度为100～200 km,云顶亮温TBB最低为-56℃,生命史为10 h的中-β尺度对流云团。

闽南沿海暴雨特征及可能最大降水估算

根据福建南部沿海气象站和水文站1961—2007年降水资料,分析其暴雨特征,应用概率论方法和水文气象法,推求福建南部沿海24 h可能最大降水。结果显示:①福建南部沿海的暴雨主要集中于春夏两季,冷暖空气交绥的锋面暴雨以及台风等热带天气系统所致的暴雨是福建南部沿海最主要的两种暴雨类型。即使同处暴雨一致区,暴雨强度及出现的区域也有一定的偶然性。②采用皮尔逊-Ⅲ型法计算不同重现期24 h的最大降水量时,如果不考虑降水的随机性,不做暴雨一致区的特大暴雨移置和特大值处理,将会影响概率论法计算结果的合理性。③暴雨模式的拟定是整个工作的基础,所选暴雨模式中地形对降水有显著的增幅作用,可认为是高效率暴雨模式,故选择水汽放大法计算,与概率论方法比较,计算结果是合理的。

关于发展人工影响天气数值模式的一些问题

人工影响天气的学科基础是中小尺度天气动力学与云降水物理学,需要将天气-动力-云降水物理耦合为一体。考虑到目前将天气动力学性质的基础数值模式用于人工影响天气中的问题,从数值模式动力方程、模式分辨率、云物理过程、数值求解方案、初边值条件等方面系统地探索了发展人工影响天气数值模式中一些需要重点解决、且不可忽视的特色问题,并举例对相关问题提出了解决思路和方法。期望提出的问题有助于构思更适合于人工影响天气数值模式,使数值模式功能真正向满足人工影响天气的要求靠近一步。

多种波长雷达数据一致性分析

利用'华南季风降水试验'联合观测资料,对比了Ka波段云雷达和C波段连续波雷达对非降水云和降水云宏观结构的观测结果,定量对比了Ka波段云雷达、C波段连续波雷达、Ku波段微降水雷达和雨滴谱仪的探测回波强度和径向速度,对比分析了Ka波段云雷达和Ku波段微降水雷达云-降水的功率谱密度数据,得到了如下结论:(1) Ka波段云雷达和C波段连续波雷达对不同类型云的探测结果在回波整体的形状、高度及随时间演变上是一致的,云雷达对云的探测灵敏度要略高,对云边缘、云底和云顶的弱回波探测能力更强,但云雷达探测积云和降水云时稍微回波强中心偏弱,两部雷达探测的径向速度和谱宽较为一致;(2)弱降水条件下,Ku波段微降水雷达探测的回波强度较雨滴谱仪偏弱,但偏弱的最大平均误差在-2. 84d BZ,微降水雷达的探测结果基本可靠;(3)弱降水条件下,云雷达和连续波雷达探测的回波强度较微降水雷达分别偏弱4. 81 d BZ和3. 01 d BZ,三者回波强度统计的相关系数分别为0. 842、0. 887和0. 920 (Ka-Ku,C-Ku,Ka-C),在考虑衰减、雷达采样体积差异、雷达灵敏度和天线积水等因素后认为3种雷达回波强度探测结果均较为可靠;(4)微降水雷达探测的径向速度分别比云雷达和连续波雷达偏小0. 59m/s和1. 02m/s,统计的相关系数分别为0. 835、0. 690和0. 9442 (Ku-Ka,Ku-C,Ka-C),云雷达和连续波雷达探测的结果较为一致,造成微降水雷达径向速度偏小的原因与多普勒速度谱偏移和多普勒速度谱速度模糊现象有关。

泸定地区夏季雨滴谱特征研究

为进一步认识四川盆地西部山区的降水微物理特征,利用泸定地区2019年5-7月Parsivel 2型激光雨滴谱仪的观测资料,研究不同强度降水和不同类型降水的雨滴谱特征及差异,提出有助于提高本地降水预报业务的雷达反射率因子、质量加权平均直径、标准化截距参数与降水强度(Z-R、D_(m)-R、Nw-R)关系和Gamma形状参数与斜率参数(μ-λ)关系。结果表明:随雨强逐渐增大,该地区的雨滴谱逐渐增宽,雨滴数浓度也逐渐增大,雷达反射率因子Z、液态含水量W、质量加权平均直径D_(m)、雨滴总数浓度N_(T)、标准化截距参数Nw也都逐渐增大,但形状参数μ和斜率参数λ则逐渐减小。泸定地区夏季层状云降水占比大,对流云降水占比小,但对流云降水的大雨滴数浓度普遍都高于层状云降水,前者的R、W、Z、N_(T)、D_(m)也都大于后者,前者平均雨滴谱更宽,但谱倾斜率更小。

西南河流源区1981~2020年间径流变化的南北差异及气候驱动机制

西南河流源区位于对气候变化极其敏感的青藏高原东南部,是中国及东南亚多个国家重要的水源地.本研究基于实测径流、再分析资料、遥感反演等多源数据,分析了过去40年(1981~2020年)西南河流源区径流变化的南北空间差异,并从大气环流和水汽含量变化两方面阐明其驱动机制.结果表明:(1)过去40年南部雅鲁藏布江和怒江源的径流突变发生于1997年,北部三江源(澜沧江、长江和黄河源)的径流突变发生于21世纪初期(2004~2007年);(2)降水是引起径流变化的主要气候因子,各流域的径流与降水的突变时间基本一致,且降水-径流相关性均高于0.8;(3)西风-季风环流改变引起青藏高原水汽输送和降水的空间变化,进一步导致源区径流的趋势在2000年左右发生反转,南部流域的径流先增后减,北部流域径流先减后增,空间上呈现南北对称变化的特征.大气环流影响下水汽含量的空间差异及降水变化,是过去40年间西南河流源区径流呈现南北分异的主要原因.