六盘山地区大气水汽的时空差异与驱动因子分析

为有效开发六盘山地区空中云水资源,提高人工增雨的科学性,需掌握该区域大气水汽的时空分布特征及其原因。利用1989—2018年六盘山地区国家基本站降水观测资料和同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),分析该区域大气可降水量、比湿、相对湿度、水汽通量等大气水汽要素的时空变化,并从水汽输送、地形作用、浮力频率的影响等方面分析六盘山不同地区水汽条件及降水差异的原因。结果表明:一年中绝大多数时间六盘山山顶及东坡大气水汽条件均优于西坡,大值区主要集中在六盘山系主峰附近,并具有明显的季节变化特征。六盘山东坡,受地形抬升作用引起500 hPa辐散、700 hPa辐合的动力场,在夏季最明显,冬季最弱;浮力频率冬季最高,夏季最低;东坡更高的浮力频率及更陡峭的地形,使重力波效应更为明显,具备更有利的垂直上升扩散条件及更大的降水潜力。

青藏高原中东部暖季极端降水的区域特征及其典型环流

基于1982-2020年青藏高原中东部105个气象站点逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了暖季极端降水的时空异常特征、主要落区和典型环流。结果表明:(1)1982-2020年,青藏高原中东部暖季降水总量整体呈显著增加趋势(P<0.05),气候倾向率达10.7 mm·(10a)^(-1),但存在明显的区域性差异和年代际变化特征。极端降水指标在1990s和2000s中后期发生了年代际趋势转变,2009年之后极端降水的增加最为突出,气候倾向率可达整体增加水平的4~5倍;在三个时段,高原极端降水存在南北趋势反向变化特征,北部极端降水在1998-2009年增加最为突出,南部经历了显著增加-显著减少-显著增加的趋势变化。(2)1982-2020年,青藏高原中东部暖季小范围极端降水频数呈显著减少趋势(P<0.1),而大范围极端降水频数显著增加(P<0.05);4级范围极端降水主要有:东北部型(A型)、南部型(B型)和东南部型(C型)三种主要的落区。(3)西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)的位置和强度差异是导致水汽源地和大范围极端降水落区不同的主要原因;当A型大范围极端降水发生时,西太副高异常偏弱,偏东,水汽主要来自太平洋和西风带的输送;当B型发生时,西太副高异常偏强,西伸南压,水汽主要来自印度洋和孟加拉湾;当C型发生时,西太副高异常偏强,西伸北抬,水汽主要来自西北太平洋、南海和孟加拉湾。

厄尔尼诺事件对中国沿海地区水汽变化周期的影响

厄尔尼诺事件导致极端天气频发,中国沿海城市较多,分布有不同的气候类型。该文开展厄尔尼诺事件对中国沿海地区水汽变化以及变化是否存在空间差异的分析。基于CMONOC中国沿海地区的GNSS水汽时间序列,综合厄尔尼诺事件(I EP、I_(CP))指数,利用快速傅里叶变换和小波变换方法,从频域和时域开展GNSS水汽时序变化分析,分析东部型与中部型厄尔尼诺事件对中国沿海地区水汽变化的影响。研究发现:GNSS水汽异常值的出现与相应时段的厄尔尼诺事件存在对应。东部型厄尔尼诺(I_(EP))与大部分GNSS站点水汽的相关性为正相关;中部型指数(I_(CP))与GNSS站点水汽的相关性为负相关。厄尔尼诺事件对水汽变化周期的影响,日周期变化较小,在5 d和10 d周期,东部型厄尔尼诺与中部型厄尔尼诺事件影响下的水汽周期小于正常时段的水汽周期。

利用FY-3A近红外资料反演水汽总量

该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪(MERSI)的近红外(NIR)通道反演大气水汽总量(PWV)的方法。根据预先建立的查找表,大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算,结果表明:处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近,对较大水汽含量最为敏感;当水汽较弱时,强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现,采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程,并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验,顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品,同时生成多天合成产品,产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验,显示卫星反演值有20%～30%系统性偏低,需要进一步改进反演查找表。

大连地区GPS反演大气可降水量的变化特征

利用GPS反演的大气可降水量(PWV)分析了2010-2012年大连地区水汽的时空变化特征,结果表明,GPS/PWV资料能够反映大气中水汽的变化。大连地区PWV空间分布比较均匀;PWV最大的月份为7-8月,月平均值为43 mm左右;PWV最小的月份为1月,月平均值在4 mm以下。大连地区春、冬季PWV日平均变化幅度在0.5 mm以下,夏、秋季PWV日平均变化幅度在1 mm以上;夏、秋季PWV日平均变化呈单峰型,春、冬季PWV日平均变化呈多峰型。主汛期(7-8月),日平均PWV与气温有较好的负相关,与相对湿度有较好的正相关;06:00(北京时,下同)-15:00,气温逐渐升高,水汽输送造成PWV的下降大于蒸发所造成PWV的上升,大气水汽总量减小,相对湿度减小;15:00-次日06:00,气温逐渐下降,水汽输送造成PWV的下降小于蒸发造成PWV的上升,大气水汽总量增加,相对湿度增加。

天山山区大气水分循环特征

将自然正交分解（EOF）和水平空间分辨率30″的地理信息数字高程（DEM）相结合，利用1961-2010年天山山区及其周边79个气象站月降水量应用梯度距离平方反比法计算面雨量，应用2000-2010年NCEP／NCAR逐日4次再分析1°（纬度）×1°（经度）资料计算水汽输送，研究了天山山区面雨量时空分布、水汽输送和外部水汽的降水转化率特征，以及降水转化率异常的初步成因。结果表明：1）天山西部和中部降水量平均在450mm以上，东天山和天山西南端为150mm左右。春季、夏季、秋季、冬季的面雨量分别为291．4×10^8m^3、625．9×10^8m^3、218．1×10^8m^3和73．6×10^8m^3，降水量分别为108．2mm、232．4mm、81．0mm和27．4mm，年降水量为449．0mm。2）月水汽输送量呈正态单峰型分布，7月最大、1月最小，夏季水汽输送量为全年的41．3％，冬季为11．9％，春季、秋季分别为24．5％和22．3％。3）春季、夏季、秋季、冬季和年外部水汽的降水转化率分别为10．3％、12．6％、8．5％、5．4％和9．2％，降水转化率的大小与伊朗副热带高压、贝加尔湖高压脊和西亚副热带西风急流的位置和强度配置有关。

夏季不同源地水汽对我国西北区降水影响的数值模拟(Ⅱ)：减、增各源区水汽的敏感性试验结果

为进一步检验东南沿海、孟加拉湾、青藏高原、西风带等4个水汽源区对我国西北区夏季降水影响的相对重要性,本文利用MM5模式,以1979年7月为模拟对象,以NCEP再分析值作初、侧边界条件,继本文上篇作了该模式对该月的模拟性能检验后,又分别作了检验减、增各源区水汽影响的11个敏感性试验。下篇的结果表明:(1)夏季,东南沿海源区减(增)水汽后,主要通过西伸的西太副高西南侧的东南风和西侧的偏南风气流的"干(湿)平流"输送,第2天将直接影响西北区东部;继之,若遇河西走廊低层较强偏东风,前述"干(湿)平流"还可再继续影响河西及南疆降水的减(增)。即东南沿海是影响西北区的主要水汽源区。(2)孟湾源区水汽的减(增)变化常经北路和东路共同影响西北区的降水。它主要影响青海及河西走廊中、东部的降水,也间接地影响西北区东部及南疆的降水。(3)高原(特别是西风带)源区因本身水汽少,它们的影响要小些。高原源区主要影响青海及河西中、东部的降水,也部分影响西北区东部和南疆的降水;而西风带区主要影响北疆及南疆的降水。(4)作西北区夏季降水预报时,要关注其上游孟湾,特别是东南沿海源区水汽、沿途天气系统及低空急流的变化。

夏季不同源地水汽对我国西北区降水影响的数值模拟(Ⅰ)：模拟试验方案及对照试验结果

为客观地检验夏季不同源区水汽对我国西北区降水影响的相对重要性,在本文中我们划分了东南沿海、孟加拉湾、青藏高原及西风带等水汽源区,选择了西北区全区性湿月1979年7月,利用NCAR MM5中尺度模式和NCEP再分析值资料作初、侧边界条件,对该月分别执行了检验模式性能的对照试验及检验减、增各源区水汽影响的敏感性试验等共13个试验。文章上篇的主要结果如下:(1)两对照试验为传统的仅月初给定初始场,连续积分全月的连续积分试验(CONA)及每5天更新初始场,分6段接力式完成全月积分的分段积分试验(CONB)。(2)两对照试验虽都较好地再现了该月亚洲中、高纬度较平直的月平均西风环流,但CONB试验更好地再现了该月淮河—川西半环状多雨带及江南、华南、以及西北区少雨的降水分布格局,还令人鼓舞地捕捉了该月西北区东南部的各次降水过程,即MM5模式对该月形势和降水的模拟性能较好,因而其下篇分别减、增不同源区水汽影响的敏感性试验结果也是可信的。(3)对某天气气候事件的事后较长时间的模拟,采用分段积分模拟方案,可部分提高模式的模拟效果。

L波段探空观测偏差分析及订正算法研究

为了探讨探空观测的水汽可降水量资料的可靠性,本文以GNSS/MET遥感的大气可降水量为参照标准,对广东汕头站2013年以及西藏那曲站2016年6月至2017年5月的两种可降水量观测结果进行对比分析和偏差订正。经过研究分析表明:两个站探空可降水量相比地基GNSS可降水量偏干,偏差分别为7. 4%和9. 8%。探空可降水量的偏差显示具有季节变化和日变化的特征,其中夏季偏差较明显,00时比12时明显。太阳辐射加热引起的地面气温的日变化和季节变化是造成偏差的重要原因。本文根据太阳辐射偏差订正经验公式,对两个站的探空可降水量进行偏差订正,订正后偏差明显减少。

卫星水汽图像上两次暴雨过程的干、湿特征对比分析

2010年7月和2011年6月江南和华南地区出现了两次强降水过程,分别属于梅雨锋和季风槽暴雨过程。本文利用常规观测资料、NCAR/NCEP再分析资料和卫星水汽图像对比分析了这两次暴雨过程。分析结果表明:这两次暴雨过程的发生既有相似点,又有不同之处。水汽图像显示这两次暴雨过程中都有一条水汽带,暴雨云团均发生在水汽带中,并与低层850 hPa的θ_(se)≥350 K脊轴近于重合。江南暴雨过程中水汽带的北部边界与700 hPa的上升运动带、200 hPa的辐散带和负涡度带近于平行,强对流云团与低层上升运动中心和高层的辐散中心大致吻合;而华南暴雨过程中并无明显此特征。位涡的分析表明在华南暴雨中暗区对应对流层高层的高位涡带,水汽带对应低位涡带;而在江南暴雨中,高位涡带与暗区的对应没有华南暴雨明显。水汽图像上的干、湿特征的异同与环境场不同密切相关。

西风带大陆高压外围新疆哈密地区典型暴雨事件水汽输送特征对比分析

选取2018年7月31日和2016年8月8日两次东天山哈密地区强降水天气过程(分别简称“7·31”过程和“8·8”过程),利用NCEP/NCAR FNL 0.25°×0.25°和GDAS 1°×1°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星产品、基于地基GPS观测的大气可降水量(PWV)资料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式,通过对水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹、暴雨区水汽收支计算诊断,揭示两次强降水期间的大尺度水汽输送、辐合特征,得到如下主要结果:两次强降水过程均发生在大陆高压位置异常情况下,为水汽长距离输送提供了有利的环流背景条件;两次过程水汽输送均由三个阶段构成,且河西走廊水汽输送均对两次暴雨天气过程具有贡献,“7·31”过程降水前和降水期间,河西走廊偏东水汽接力输送通道建立,造成河西走廊—暴雨区自东南向西北先后增湿,较低纬度南海和高压南侧水汽输送和补充为哈密东南部短时强降水天气提供充沛的水汽供应条件。“8·8”过程青藏高原北部—新疆巴州南部水汽接力输送通道建立,高原北部水汽沿高压外围偏南气流向北输送,与中纬度低槽前西南气流在暴雨区有所汇合,同时对流层低层河西走廊偏东水汽进一步补充,造成哈密北部测站PWV出现三次增湿过程。

长江三峡地区枯水期强降水过程的水汽图象

通过对１９９６年１１月４～６日长江三峡地区强降水过程的水汽图象、红外及可见光云图和常规气象资料的诊断分析，证实了在水汽图象上可以看到红外云图和可见光云图上看不到的信息，而这信息对强降水预报是重要的。

基于深度LSTM神经网络的大气可降水量估算模型

基于深度长短期记忆(LSTM)神经网络,分别利用地面气象多要素(气温、气压、露点温度、相对湿度、水汽压、小时降水量)和单要素(水汽压)建立怀化地区GPS大气可降水量估算模型LSTM5和LSTM1,并对模型精度进行分析。结果表明,利用地面气象要素建立的2种大气可降水量深度LSTM模型有较好的估算精度,决定系数均大于0.94,均方根误差均值小于1.1581 mm,平均绝对误差均值小于0.7099 mm,平均绝对百分比误差均值小于4.54%,较基于水汽压的可降水量线性拟合或二次多项式拟合模型的估算精度提升了70%以上,且LSTM1模型精度略优于LSTM5模型;模型估算精度与大气可降水量条件相关,当可降水量较低或较高时,模型估算结果更为理想;同时模型估算精度与观测站海拔呈现正相关,观测站海拔越高LSTM模型精度越高。

怀化地区强降水过程中的GPS可降水量特征分析

利用改进的天顶静力延迟(ZHD)模型和本地化水汽权重平均温度(Tm)模型反演怀化地区GPS可降水量(GPS-PWV),并结合自动气象站逐小时资料分析了2017年怀化地区大气水汽变化及汛期14次暴雨以上降水过程的GPS-PWV变化特征。结果表明:GPS-PWV可较好反映怀化地区大气水汽变化。怀化地区可降水量-气压(PWV-P)分布月变化特征明显,冬季PWV较低且变化范围较小,降水发生时气压较夏季平均高14.75 hPa;春季PWV逐步增大,降水发生时气压较冬季有所降低;夏季PWV为全年最高,降水发生时气压则降至全年最低值;秋季PWV-P数据逐渐分散并向可降水量低值区移动,分布情况逐步趋近冬季。2017年汛期怀化地区14次强降水过程中PWV均高于各月均值,最大小时降水量与最大PWV存在较好对应关系;降水开始前,PWV出现较明显上升,且多伴随气压较明显下降,可为局地强降水短临预警提供较好参考。

近40年江浙沪及其周边地区可降水量的时空分布特征

为了深入地认识江浙沪地区气候变化趋势与该区的极端气候,利用ECMWF提供的可降水量数据,运用Mann-Kendall检验法对可降水量的时间变化趋势及突变进行分析,并分析了极端年份可降水量的时空特征.结果表明:1)可降水量季节分布不均,夏高冬低.2)海陆对比明显:春夏海洋可降水量小于大陆,冬季海洋可降水量大于陆地;2006年之前海洋上空可降水量小于大陆上空,2006年之后,出现了逆转.3)1998年春夏、2004年夏秋、2016年春秋季节可降水量距平显著偏高或偏低,与研究区洪涝和干旱灾害相应.这3 a可降水量异常偏高或偏低的时段与区域洪涝和干旱在时间上也比较一致.

银川平原夏半年不同等级降雨水汽输送机制

全球气候变暖加速了区域水循环,改变了水汽的传输路径,了解不同等级降雨稳定同位素特征及水汽来源为水资源的利用及旱涝灾害的防治提供依据。基于2018—2020年夏半年(5—10月)采集的银川平原降雨样品,研究不同等级降雨中氢氧稳定同位素的变化特征及其二次蒸发效应,并利用后向轨迹模型及水汽通量等方法分析降雨的水汽来源及潜在蒸发源区。结果表明:银川平原夏半年不同等级降雨稳定同位素随着降雨等级的增加而偏负,小雨氘盈余(d-excess)值偏负而中雨和大雨偏正,大气降水线斜率和截距随着雨量级的增加呈现出递减的规律。二次蒸发作用的强弱随气温升高而增大,随降雨量、相对湿度和雨滴直径增大而减弱。西风水汽为银川平原夏半年降雨的主控水汽,同时小雨、中雨、大雨还分别受到陆地蒸发水汽、大西洋水汽及太平洋水汽的影响。潜在蒸发源区对小雨影响较大,主要位于研究区周边及北部、南部和东南部地区;中雨潜在蒸发源区主要分布在研究区周边地区及其西北部和东南部;大雨主要分布在研究区周边及东南部地区。

黄河中上游地区的水汽再循环特征

为了深化对黄河流域水循环、水资源特性的认识并为黄河流域水资源保护和配置提供科学依据,采用WAM-2Layer水汽通量统计模型,基于1980—2018年ERA-5再分析数据集,对黄河中上游地区降水水汽来源和蒸散发水汽去向进行了分析,结果表明:黄河中上游地区降水内循环率和蒸散发内循环率的多年均值分别为10.3%和11.8%,水汽再循环对维持流域水资源安全、生态安全具有重要作用;黄河源区水汽内循环率远高于流域内其他地区,证实了黄河源区的双重"水塔"效应,即黄河源区既是稳定产流区也是流域降水的重要水汽来源区;黄河流域灌区用水量大,灌区蒸散发水汽再降水对流域水循环过程与空间格局有一定影响,河套灌区和青铜峡灌区蒸散发水汽在黄河中上游地区形成的再降水量占其蒸散发量的比例分别为3.0%和8.7%,落在我国陆地的比例分别为28.1%和34.7%,两灌区蒸散发水汽去向、内循环率因地形和气候因素的不同而具有明显差异,因此未来开展南水北调新增水资源优化配置、新扩建灌区等工作时应考虑新增蒸散发水汽的再降水因素。

六盘山区大气水汽资源特征及开发潜力分析

六盘山地区是黄土高原重要的水源涵养地和生态保护区,摸清六盘山区大气水汽资源及其开发潜力是科学高效开展人工影响天气工作的重要基础。本文利用2014—2020年布设在六盘山区的5部全球导航卫星系统大气探测站(GNSS/MET)与区域地面自动气象站数据分析了六盘山区大气水汽资源的时空分布特征,研究了六盘山区大气水汽的开发潜力。结果表明:六盘山区大气水汽资源丰富,年均空中大气水汽资源总量大约在798亿m3,空中大气水汽资源总量在夏季最大,秋、春季次之,冬季最小,4个季节空中大气水汽资源总量分别占全年空中大气水汽资源总量的48.9%、24.7%、18.7%和7.7%;夏、秋季大气水汽开发潜力大于冬、春季,夏秋季与春季、冬季水汽开发潜力分别为89%~93%、86%~88%、81%~86%;对于不同类型降水过程,大于10 mm以上的强降水,其人工增雨的潜力最小,雷阵雨、阵雨降水时间持续在1~2 h的降水潜力比持续时间长的降水过程人工增雨的潜力要小,大气水汽开发潜力最大的是稳定性持续性降水天气过程。

利用MODIS近红外数据反演大气水汽含量研究

大气水汽含量（precipitable water vapor,PWV）对遥感定量化及生态环境方面研究具有重要意义。针对传统水汽探测方法存在的问题,提出一种基于多通道表观反射率的ICIBR（improved continuum interpolated band ratio）水汽遥感反演方法。该方法结合MODIS数据第17,18和19三个近红外通道的水汽吸收特点,利用MODTRAN模型模拟大气含水量与三个通道ICIBR之间的关系,构建了适用于MODIS数据的ICIBR大气水汽含量定量反演模型。基于提出的ICIBR水汽反演方法,选择北美洲南部典型干旱、半干旱区德克萨斯州、俄克拉荷马州等地区为研究区,使用不同时间的四期MODIS 1B数据进行水汽反演实验。同时,选择SuomiNet提供的GPS水汽地基观测数据对反演结果进行精度验证以及MODIS大气水汽产品（MOD05）进行对比评价。验证和对比结果表明：该算法水汽反演结果与GPS水汽实测数据具有较高的一致性（r=0.967）,均方根误差为0.276 cm,有71.08%的观测点对满足水汽反演误差精度（EE～±0.05＋0.15PWV（gps））要求,同时与MOD05大气水汽产品相比,该方法在反演精度和准确估计方面有了较大提高,能够有效降低61%的水汽反演高估现象。该方法较传统算法更为简易、实用,具有较高的整体水汽反演精度。

新疆三大山区可降水量时空分布特征

利用美国宇航局(NASA)发布的2003年1月～2015年12月的AIRS Standard Physical Retrieval Edition 6. 0中的level2的反演数据,对新疆及其周边地区——特别是三大山区近13 a的可降水量的时空分布特征进行了研究。结果表明,从空间分布看,可降水量高值区主要集中在盆地地区,尤其在塔里木盆地、准噶尔盆地及吐鲁番盆地。低值区主要分布在新疆南部的昆仑山脉和北部的阿尔泰山脉。最高值达14. 74 mm,最低值达1. 92 mm;新疆及其周边地区可降水量所有格点13a平均值来看,总体上,夏季最高,冬季最低。从时间分布看,对新疆及其周边地区、天山、昆仑山和阿尔泰山4个研究区域分别进行区域平均,发现以上4个区域年变化呈单峰型,从1～7月的可降水量逐渐增加,8～12月份的可降水量逐月减少;可降水量的整体年际变化趋势是一致的,2003—2010年呈上升趋势,2010—2015年呈下降趋势。