武汉与宜昌太阳总辐射与气象要素的关系对比研究

利用武汉市及宜昌市2007-2008年逐时太阳总辐照量和气象要素(气温、相对湿度、云量等)实况观测资料,对比分析两地逐时太阳总辐照量与气象要素的关系。研究结果表明,太阳总辐照量具有明显的季节差异,武汉总辐照量值较宜昌地区显著偏大;两地太阳总辐照量与各气象要素相关性大体类似,不同的是宜昌气温、相对湿度及低云量与总辐照量的相关性比武汉差,而总云量与总辐照量的相关性比武汉好;详细统计了(低、总)云量与总辐照量的相关关系,对各种天气类型(阴、晴等)进行分析后发现(低、总)云量对总辐照量影响很大,云量与太阳总辐照量存在比较明显的负相关;最高(低)气温与总辐照量最大(小)值存在时间差;两地夏冬两季相对湿度与总辐照量呈现出较为明显的负相关。

基于Beluco-CIWS指数的湖北省风光资源日变化互补特性分析

利用1991—2020年ERA5 100 m风速和地面太阳辐射及Beluco-CIWS互补指数,对湖北省风光资源要素日变化互补特性开展分析。结果表明:(1)湖北中东部互补性较强,西部互补性较差。海拔越高,互补性越弱,海拔越低,互补性越强。秋季互补性较强,冬季次之,夏季最弱。风速大的地区互补性强,风速小的地区互补性弱。(2)互补性强的区域风速呈现先减后增、白天风速小、夜间风速大的日变化特征,互补性弱的区域日变化特征相反,互补性强弱取决于风速强弱及日变化特征是否异常。

湖北省深秋气候学定义及其暴雨特征分析

利用1962—2020年地面国家站实况观测、NCEP再分析资料,结合人体舒适度指数首次界定了湖北省深秋季节,并通过合成、对比方法揭示了湖北省深秋暴雨特征。结果表明,湖北省单站深秋季节的日平均温度区间为10~16℃,湖北省常年入深秋起始日期为10月27日,结束日期为11月24日;湖北省深秋暴雨日数场EOF分解的3种模态揽括了湖北省深秋区域性暴雨个例,反映出江汉平原南部、鄂东北东部及鄂东南为暴雨高发区;湖北省深秋年暴雨日数周期变化明显,高低交替显著;Morlet小波分析表明,湖北省深秋暴雨存在明显的2~3年和准6年、12~13年的周期振荡信号,其中准6年最为突出,12~13年振荡现象进入20世纪90年代后呈增强趋势;深秋暴雨过程的主要影响系统有西太平洋副热带高压、东亚大槽及孟湾南支槽,近地面形成西南暖湿气流在冷垫上爬升的锋面形态,当西风带短波槽东移接近或叠加于锋面系统时,促使锋生加强,与典型梅雨锋过程中鞍型大尺度环流背景场下短波槽接近或叠加于不活跃梅雨锋并携带冷空气进入地面“暖倒槽”的触发模式有所不同;深秋暴雨的锋面系统坡度较小,上升运动偏弱,主要发生于对流层中上部,对流层假相当位温(θse)从下到上由低值到高值分布,大气层结呈稳定状态,而梅雨锋暴雨的锋面系统坡度较大,对流层θse呈高-低-高的“三明治”形态分布。

西南山区5-8月产生突发性暴雨事件的中尺度对流系统的时空分布特征

利用逐时的风云静止卫星黑体亮温(TBB)资料和国家级地面站降水观测资料,根据中尺度对流系统(MCS)的逐时云顶覆盖范围是否包含突发性暴雨事件,识别出2010-2018年5-8月与中国西南山区突发性暴雨事件相关的中尺度对流系统(AHR-MCS),并得到其统计特征。结果表明,该地区AHR-MCS在7月出现最频繁,存在四川盆地(SR-A)、湖南西部(SR-B)、广西北部(SR-C)和贵州西南部(SR-D)4个不连续的频发区。经向扰动环流、整层水汽通量的异常辐合、低层更强的暖湿气流及其引起的偏强对流层低层风垂直切变(6-8月)是AHR-MCS出现和维持的有利条件。AHR-MCS是西南山区内生命期更长的那部分中尺度对流系统,主要移动方向偏东,但位置偏西(东)的SR-A、SR-D(SR-B、SR-C)频发区域内向东偏南(东偏北)方向移动得更多。成熟时,SR-A的发展高度更低,面积更小,SR-B和SR-C的云顶面积更大而SR-D则云顶高度更高。AHR-MCS的日变化呈现明显的单峰结构,20-23时(北京时)达到峰值,其中生命期越长的生成(成熟)峰值出现时间越晚。对于不同频发区,SRA和SR-D也是单峰结构,但由于受大地形的热力影响前者生成(成熟)峰值明显晚于后者6(8) h;其余两个区域则呈现多峰结构。AHR-MCS对应的最大小时降水更易出现在发展阶段,与最低TBB出现的时间对应关系更好,早于成熟时;位置则多分布在相对于对流云团形心的第Ⅰ、Ⅲ象限;不仅容易出现在TBB低值区(低于-51℃)还常出现在TBB的梯度大值区(超过0.4℃/km),且两者占比相当。

两种初值方案对2008年中国汛期降水影响的数值试验

基于暴雨数值预报模式AREM,以2008年5月21日—7月30日为例,开展了以LAPS系统和GRAPES-3DVAR系统两种不同初值方案同化相同资料源(NCEP预报场、地面、探空资料)的AREM-LAPS和AREM-3DVAR试验,以探讨两种初值分析方案对降水模拟的影响。结果表明:(1)AREM-LAPS试验与AREM-3DVAR试验相比,各区域、各量级、各时效的降水预报在绝大多数情况下TS评分有较明显提高,特别是大雨、暴雨、大暴雨等强降水等级。(2)AREM-3DVAR试验可以大致模拟出与实况比较相近的平均降水量分布,但预报雨区范围偏小,强度偏弱;AREM-LAPS试验对此有较明显改善。(3)AREM-LAPS较AREM-3DVAR试验更好地模拟出了降水雨带的南北摆动及降水强度的变化。(4)AREM-LAPS试验较好地再现了我国西南地区东部、华南沿海、长江中下游-淮河流域及胶东半岛主要雨带区平均降水率逐日降水增强与减弱的过程,其强度也与实况大体相当;而AREM-3DVAR试验模拟的强度则明显偏弱,特别是我国西南地区东部。(5)对2008年夏季10余次典型降水过程的对比检验表明,AREM-LAPS对雨带范围、位置、强度的预报都好于AREM-3DVAR,特别是对于降水强度的改进尤为突出。

岩溶洞穴现代沉积间断的影响因素研究——以河南鸡冠洞为例

岩溶洞穴次生沉积物——石笋因其独有的高精度测年和高分辨率记录的优势已越来越成为过去全球变化研究中重要的支柱。进行洞穴碳酸盐沉积机理研究对于理解石笋沉积速率,结晶形态、准确解译气候替代指标和现代洞穴合理保护具有重要意义。以我国南北交汇带亚洲季风敏感区河南鸡冠洞为例,通过对2010—2015年连续6个水文年对鸡冠洞滴水和碳酸盐沉积的监测发现:1洞内滴水水化学指标与沉积速率表现出很好的一致性,雨季大气降水增加,气温升高,生物活动加强,土壤CO_2含量增加,滴水滴速、Ca^(2+)、HCO_3^-、电导率(EC)和沉积速率同时增加,旱季反之;洞内CO_2对方解石沉积的抑制作用被滴水饱和度掩盖。2受2012—2013年年降雨量显著减少的影响,水岩作用减弱,2014年滴水饱和度降至最低,出现为期一年的沉积间断,直至2014年下半年降水增加,于11月重新接收到方解石沉积。3自2013年下半年开始,受人为淋滤洞穴影响,滴水NO_3^-上升数十倍,模拟实验显示其对CaCO_3溶解的能力较之前提高约60%,表明NO_3^-对方解石沉积存在抑制作用,这可能是个别月份滴水饱和度高却没有回收到CaCO_3沉积的原因,建议景区在进行补水的同时要考虑水质对岩溶作用的影响。

湖北强降水频次时空特征及基于GWR模型的地形关系分析

利用1983—2017年湖北省汛期74个国家气象站逐小时降水数据,按长、短历时强降水事件分类研究强降水频次的时空特征,并运用普通最小二乘法(OLS)、地理加权回归(GWR)方法定量探讨强降水频次与地形因子之间的关系。(1)湖北汛期长、短历时强降水年频次周期变化明显,年代际变化(≥10 a)存在1个主振荡模态,年代际以下尺度(<10 a)存在2个主振荡模态。(2)长历时强降水旬频次在梅雨期达到顶峰,盛夏期减少,而短历时则在梅雨结束后的7月中旬出现跃升;长、短历时强降水频次日变化曲线都为单峰结构。(3)湖北长、短历时强降水高频次站点多出现在地面存在准常定中尺度辐合线或涡旋的特定地形条件下。(4)地理加权回归较传统普通最小二乘法显著提高了强降水频次与海拔高度、坡度的拟合效果。结合拟合系数显著性检验分析,地理加权回归不适用于样本偏少、站点稀疏的鄂西山地,更适用于多中小尺度地形的湖北中东部。(5)地理加权回归模型中,海拔高度与长历时强降水频次在大别山东麓西侧正相关最大,在大别山西麓南侧负相关最大,坡度则正相反;海拔高度、坡度对短历时强降水频次的最大影响在大别山东麓西侧以及沿长江干流的低洼城市带武汉-黄石地区,武汉站分别为-0.20次/米、6.43次/度,这里地形坡度影响远超海拔高度。

基于多普勒天气雷达的两种垂直风廓线反演方法的对比分析

利用2010年阳江高精度探空仪国际比对试验中观测的探空测风资料、CINRAD-SA型多普勒天气雷达体扫资料及基于PUP-VAD方法反演的垂直风廓线产品资料,使用三种不同复杂程度的分层VVP方法(VVP1、VVP2和VVP3)反演了阳江雷达站上空的垂直风廓线,以探空测风为参考,以平均风向、风速均方差和相关系数作为评估因子,将雷达站周围降水回波分布分为较均匀和不均匀两种情况,对比分析了基于分层VVP方法和PUP-VAD方法反演的垂直风廓线。结果表明,相比PUPVAD方法,分层VVP方法都能提供更实用、质量更好的垂直风廓线,特别是在雷达周围降水回波分布不太均匀的情况下。主要原因是在某一高度,相比PUP-VAD方法只分析某仰角某距离圈上的径向速度资料来说,分层VVP方法是通过对该高度层10~100 km范围内的所有有效径向速度资料进行多元线性回归来求解该高度层的平均水平风向、风速,受资料覆盖率的影响程度要小于PUP-VAD方法。

豫西鸡冠洞洞穴水及现代沉积物Mg,Sr和Ba记录及其意义

采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES）对2009年12月-2013年8月采自河南省栾川县鸡冠洞洞穴水（滴水、池水及地下河水）和现代碳酸盐沉积物的 Ca、Mg、Sr和 Ba 微量元素地球化学指标进行了分析。结果显示：（1）鸡冠洞洞穴水的 Mg/Ca对地表环境的干湿条件变化响应迅速,具体表现为池水和地下河水 Mg/Ca旱季高而雨季低,而 Sr/Ca 和Ba/Ca的变化与降水和气温的关系并不明显；（2）鸡冠洞现代沉积物的 Mg/Ca 变化与滴水有着良好的对应关系,但现代沉积物的 Sr/Ca和 Ba/Ca可能受大气粉尘活动和地表土壤的影响,变化趋势与 Mg/Ca 相反；（3）鸡冠洞碳酸盐岩与岩溶水间 Sr/Ca和 Mg/Ca的分配系数KSr值在0.02-0.18之间,KMg值在0.01-0.03之间,KMg值与洞穴温度的正相关关系不明显。

雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响——以西苕溪流域为例

天气雷达估测降雨是径流模拟和洪水预报的重要信息之一。由于雷达网格降雨存在误差,且误差随着网格水平尺度的增大而减小,因此对于径流模拟,高分辨率的雷达降雨数据并不意味着径流模拟的精度更高。采用FSS(Fractions Skill Score)方法和HEC-HMS模型(Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System)分析江苏省西苕溪流域雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响。在2010年和2011年夏季两场降雨实例中,雷达估测降雨在不同降雨阈值情况下,FSS达到目标精度值对应的最小有效水平尺度为2~8 km,分别以2、4、6、8 km水平分辨率的雷达估测降雨和雨量站测雨作为HEC-HMS模型输入进行径流模拟,结果表明:基于不同水平分辨率的雷达估测降雨的径流模拟结果与实测径流资料基本吻合,雷达估测降雨2、4、6、8 km水平分辨率的变化对径流模拟效果的影响不明显。

基于多普勒天气雷达体扫资料的MARC特征自动识别算法

下击暴流是对流风暴最常产生的天气现象,预报其初始爆发的时间是强对流风暴预报中最具挑战性的内容之一。而较为显著的中层径向辐合(Mid-Altitude Radial Convergence,MARC)特征是下击暴流的预警指标之一,预报时效为10~30 min。基于多普勒天气雷达体扫资料的三维MARC特征自动识别算法首先采用二维局地LLSD方法计算径向速度的径向散度切变,其次是基于径向散度切变数据,使用类似SCIT算法的SCRCZI算法进行风暴单体三维径向辐合区的自动识别,然后使用基于反射率因子数据识别的风暴位置对与强风暴无关的三维径向辐合区进行消空处理,最后被保留下来的三维径向辐合区就是被识别出来的三维MARC特征。该算法能较好地识别出与强风暴相关的三维MARC特征,包括表现为非典型"正-负速度区域对"的径向辐合区。使用武汉雷达观测的强风暴个例体扫资料,分析了一个产生下击暴流的强风暴反射率因子和径向速度回波演变特征,并对MARC识别算法进行了检验。结果表明:在最低仰角径向速度图上首次出现辐散特征之前的3个体扫和之后出现辐散特征的3个体扫里,该算法都识别出了强风暴较为显著的三维MARC特征,其平均高度为3.9 km,平均厚度为2.5 km,最强辐合高度位于3.0~4.6 km之间,平均最强辐合量为-58×10-4s-1,预报时效为18 min。

论Rossby波在东、西风带中传播与频散Ⅰ——谐波扰动Rosshy波和指数扰动Rosshy波

传统Bossby波最初求解于局地直角坐标系(Cartesian coordinate)准地转、准水平无辐散正压大气运动微扰方程,在所谓"卢平面"近似下,归于求解一个关于经向风扰动的二阶常微分方程,它存在可在卢-平面经向-纬向传播的简谐波解,其物理机制是,扰动气流在科氏参数随纬度变化(所谓"β效应")作用下的绝对涡度守恒。本文先讨论传统Rossby波二阶常微分方程"经向谐波扰动-纬向简谐波"(谐波扰动Bossby波)通解,指出传统Rossby波只被描述为谐波扰动Bossby波,即在扰动区内形成谐波扰动可在扰动区外作经向-纬向简谐波的连续传播;又讨论数学上存在的"经向指数扰动-纬向简谐波"(指数扰动Bossby波)另一通解,并且分析与比较两个通解的纬向波速与群速诊断方程。认为,谐波扰动和指数扰动"传播"与"频散"可以在相邻边界上保持为分段"零阶"连续且为有界。从而Bossby波定义为:大气运动受到连续或分段"零阶"连续谐波扰动和(或)指数扰动和(或)其它函数扰动、在β效应与绝对涡度守恒作用下、可以在全球(东、西风带)传播与频散的波动,作"纬向简谐波"传播是Bossby波的唯一识别特征。最后,作为对传统Rossby波的补充,单纯用指数扰动Rossby波波速和群速方程,对西风带中的长-中-短波槽脊传播、阻塞高压建立与后退、大槽建立与寒潮,以及气候上的遥响应,做出新的解释,更对东风带中的东风波(倒槽)与台风传播、副热带高压西进与东退,做出传统Bossby波尚不能解释的初步解释。