青藏高原热力强迫对中国东部降水和水汽输送的调制作用

从4个方面综述了有关青藏高原大地形热力"驱动"对中国东部雨带和水汽输送特征及其年代际变化的影响作用的研究进展:(1)中国三阶梯大地形热力过程变化与季风雨带季节演进;(2)青藏高原地-气过程热力"驱动"及其季风水汽输送结构;(3)青藏高原积雪冷源对中国东部水汽输送结构及其雨带分布的影响;(4)青藏高原视热源变化与雨带年代际变化相关特征及其可能调制。其主要研究结论是:(1)中国西部高原特殊三阶梯大地形结构强化了海-陆热力差异,尤其是高原大地形使地-气热力差异季节变化有由青藏高原向东北方向大地形区域延伸变化趋势,且其与季风雨带由东南沿海移向西北朝青藏高原与黄土高原边缘同步演进,两者似乎存在类似季节内演进的一种"动态的吸引"。(2)中国东部雨带时空变化特征和季风强弱变化趋势均与青藏高原热源强弱异常变化相对应。青藏高原热源异常影响低纬度海洋向陆地的水汽传输路径和强度,进而调制中国东部降水时空演变。在青藏高原热源强和弱年,中国降水变率空间分布特征分别为"北涝南旱"和"南涝北旱"。青藏高原视热源强(弱)异常变化"强信号"将对东亚与南亚区域的季风水汽输送结构,以及夏季风降水时空分布的变异具有"前兆性"的指示意义。(3)长江中下游地区作为独特南北两支水汽流的汇合带,该地区夏季青藏高原热源与水汽通量相关矢特征呈类似于青藏高原多雪与少雪年水汽通量偏差场中水汽汇合区显著特征差异,揭示了冬季青藏高原积雪冷源影响中国东部夏季长江流域梅雨水汽输送结构特征。(4)中国降水的年代际变化基本型态为中国东部呈"南涝北旱趋势",西北区域呈现出"西部转湿趋势"。但基于近10年青藏高原春季视热源出现"降后回升"趋势,中国东部"南涝北旱"的降水格局已出现转折趋势。

大气环境变化中大气颗粒物PM_1的重要作用——关中平原MODIS气溶胶产品的气候分析

利用MODIS 3km气溶胶产品中的气溶胶光学厚度(AOD)和细粒子比例(FMF),本文对关中平原气溶胶近15a的时空变化进行了气候分析,揭示了大气环境变化中大气颗粒物PM1的重要作用.结果表明,关中平原为AOD高值区和FMF低值区.其中,最大值AOD出现在西安及周边地区高达1.06,而FMF主要集中在0.3以下较低水平.伴随关中平原近几年大气气溶胶水平的降低,PM1比重却逐年上升.关中平原AOD年际变化在2001~2011年间为显著上升趋势,2011~2015年间则呈下降趋势;而2001~2015年之间FMF的年际变化呈现持续上升趋势,反映了逐年加重的人为气溶胶对大气环境的影响.近15a关中地区AOD与FMF区域变化的相互关系表明,大气气溶胶低水平(AOD<0.5)时,伴随FMF上升,AOD显著减小;气溶胶较高水平(AOD>0.5)时,AOD随FMF上升而增大.这表明大气颗粒物PM1对区域清洁和污染大气环境变化均具有显著作用.

基于交叉-平行法的双偏振雷达差分反射率硬件定标

双偏振天气雷达具有改善测雨精度及识别降水粒子相态的能力,但其系统自身有可能会对差分反射率因子(ZDR)的测量精度产生明显的偏差,从而降低气象产品的可靠度。美国利用升级为双偏振的WSR-88D进行了大量试验,认为需要校正传输信号在发射和接收通道路径上引起的差异。本文根据其试验报告,以我国研制的车载C波段双偏振多普勒雷达作为试验平台,对比分析后得出产生ZDR系统误差的主要来源为:发射通路、接收通路与天线支路。因此,使用交叉与平行法消除测试信号及设备产生的差异影响,对3部分路径重要节点进行测量并计算出水平、垂直两通道的相对偏差值,进而订正ZDR。其中,天线支路偏差值长期稳定,可相应减少测量次数;发射、接收通路的偏差值会随设备运行产生随机变化,需定期进行测量。以体扫模式最高仰角下的干雪为自然目标物的方法来验证定标的效果,结果表明此方法可较好地订正ZDR的系统误差,为今后偏振雷达业务应用提供了一套消除ZDR系统误差的有效方法。

南京主要大气污染物季节变化及相关气象分析

为研究南京主要大气复合污染物PM_(2.5)、PM_(10)和O_3四季变化特征及其气象影响因子,利用2013年1月~2015年2月国控点环境监测数据对浓度特征进行统计分析,再利用WRF模式模拟的精细大气边界层气象场,分析气象要素与各污染物的相关性,并建立统计模型.结果表明:PM_(10)、PM_(2.5)冬高夏低,冬季日均值分别为160.6μg/m^3和98.0μg/m^3;日变化特征四季基本一致,但秋冬季最强,夏季最弱,且冬季上午峰值比其余三季延后1~2h.各季大气可吸入颗粒物中细粒子占主导,PM_(2.5)/PM_(10)年均值为0.59;首要污染物为PM_(2.5)、PM_(10)、O_3的年频率分别为51.5%、26.6%和13.5%,PM_(2.5)主导四季AQI的变化,尤其是在重污染的情况下,首要污染物为PM_(2.5)占96%.O_3浓度春末夏初高、秋末冬初低,日变化为单峰式;O_3与边界层高度呈显著正相关,四季相关系数分别为0.500、0.572、0.326、0.323.四季PM_(10)、PM_(2.5)、O_3_8h_max日值逐步回归方程拟合度为40%~65%.

南京北郊秋季气溶胶理化特征及潜在源区分布

利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)于2015年秋季对南京北郊大气颗粒物进行了连续观测,选取了4类主要颗粒:富元素碳颗粒(EC)、富有机碳颗粒(OC)、富钾颗粒(K-rich)和富金属颗粒(Metal),占总颗粒数的比例分别为29.39%,9.53%,26.55%,8.54%.分析了不同天气下4类颗粒的粒子数和粒径分布的变化,采用后向轨迹模型和浓度权重轨迹方法,得到了各类颗粒的潜在源区分布.结果表明,清洁、清洁降雨、污染、污染降雨,4类天气采集到的颗粒物平均数分别约为2900,1300,6450,5950h-1.污染天气下,EC和Metal颗粒对当地颗粒物污染的贡献增大,各类颗粒的粒子数均大幅上升,并且除了OC颗粒,其他类颗粒粒径普遍向大粒径段偏移.强降水对各类颗粒均有明显的清除作用,其中大粒径段颗粒数下降最显著,但在污染降雨天气下,降水清除作用不明显,且对各类颗粒的清除作用存在粒径差异.不同来源气团携带的细颗粒物数量与类别存在差异,总体上海洋气团比内陆气团更清洁,气团经过陆地时会显著受到当地排放源的影响.细颗粒物的高贡献源区主要在本地及西南侧的安徽马鞍山一带,各类颗粒物的强潜在源区分布也存在明显差异.

浮尘气溶胶对沙漠大气边界层结构作用的昼夜差异

利用2016年7月塔克拉玛干沙漠腹地每日4次强化探空和地面气象观测数据,对比分析了夏季塔克拉玛干沙漠晴日和浮尘日的大气边界层结构变化及地表辐射收支差异,揭示了浮尘气溶胶对大气边界层结构影响作用的昼夜差异及作用机理。结果表明:(1)夜间晴日和浮尘日稳定边界层高度分别为270 m和360 m;晴日稳定边界层逆温强度达到3.1 K·(100m)^(-1),强于浮尘日的1.6 K·(100m)^(-1);白天晴日对流边界层高度接近3600 m,浮尘日仅达2700 m。(2)夜间浮尘气溶胶的向下长波辐射削弱了地表辐射冷却,抬升稳定边界层高度并减弱其稳定度。(3)白天晴日强的太阳短波净辐射加热沙漠地表,其强烈的感热作用形成了超高对流大气边界层;浮尘气溶胶明显减少了地表短波辐射和感热加热,降低了白天对流边界层高度。塔里木盆地独特的浮尘气溶胶辐射效应对沙漠地区大气边界层结构具有昼夜相反的影响。

FY-2E晴空风矢同化对台风分析和预报的影响研究

为了研究"二阶差分法"反演的晴空区风矢同化在台风分析和预报中的作用,以1509号台风"灿鸿"和1211号台风"海葵"为例,首先利用WRF-3DVAR系统对晴空风矢进行同化,探讨了晴空风矢的引入对模式初始场的影响。然后利用WRF模式对两个个例分别进行48 h的预报试验。通过对比控制试验和同化试验,结果表明,同化晴空风矢资料能够对初始风场和位势高度场进行合理的调整,在台风周围引导气流的作用下,台风路径与实况更靠近,从而提高了台风路径的预报效果。除此之外,同化晴空风矢对台风强度以及风场预报也有一定的改善作用,还可更准确地预报出降水的落区及雨强,提高降水预报质量。因此,晴空风矢的引入,有利于改善模式的初始场,从而提高WRF模式对台风的预报能力。

基于雷达反射率因子的降水性层状云中雨滴谱参数的反演方法与检验研究

对基于雷达反射率因子观测数据的层状云降水粒子谱参数反演算法进行研究。(1)给出层状云降水粒子谱参数的反演理论和反演算法流程;(2)选取吉林省伊通县的一次降水层状云过程进行反演试验和验证分析,利用雷达反射率因子观测数据反演得到雨滴平均直径和数浓度参数,并用放置在伊通县气象局观测场中的Parsivel激光雨滴谱仪的实测数据与近地层反演结果进行对比。结果发现,通过反演算法计算得到的滴谱与实测滴谱的变化趋势基本相同,而且反演的雨滴平均直径和数浓度在量级和数值上的大小与实测数据具有良好的一致性,说明该反演方法用于从现有天气雷达回波强度数据中挖掘出降水性层状云的微物理参数是可行的。

车载微波辐射计移动大气走航观测实验及初步应用

地基多通道微波辐射计能够实现大气温湿度廓线参数的实时观测与反演,在大气探测中已经得到广泛的应用。受观测方式和数据反演算法的限制,目前主要应用于地面固定站点上空的大气参数遥感探测,无法实现大气参数的移动观测。尝试将自主研制的地基多通道微波辐射计进行改进并安装在车载平台上,对车载微波辐射计移动大气观测可行性进行了验证。实验结果表明车载微波辐射计移动观测是可行的。利用车载移动走航观测数据,对西安城市热岛效应和对流有效位能(CAPE)进行了分析。结果表明,移动走航观测能够用于观测城市热岛效应,西安中心区域比郊区温度高1.0℃左右,城市中心的大气对流有效位能比郊区高1000~2000 J/kg。

青藏高原大气水分循环特征

青藏高原对亚洲季风环流的形成有重要作用,同时作为"世界屋脊"拥有丰富的冰川、积雪、河流、湖泊和地下蓄水层。青藏高原特殊大地形动力和热力作用深刻地影响着亚洲与全球大气水分循环,也对全球气候与环境产生深远的影响。基于青藏高原在亚洲夏季风系统大气水分循环过程的重要地位,从青藏高原对全球大气水分循环重要作用的视角,综述了青藏高原大气水分循环过程中青藏高原局地热力对流、高原的"阶梯式"水汽流爬升"第二类条件不稳定(CISK)"物理模型、青藏高原视热源结构影响及多尺度水汽汇流通道、海洋-青藏高原"水汽源-汇"结构、青藏高原跨半球垂直环流圈水分循环结构、青藏高原大气水分循环综合模型等的相关研究进展,剖析了青藏高原大气水分循环综合模型的研究背景,探讨了青藏高原特殊大地形热力驱动机制及其云水效应,描述出与青藏高原热力驱动的亚洲区域和跨半球垂直环流圈水分循环结构,揭示了青藏高原热力强迫与海洋-大气-陆地水文过程特殊的相互反馈作用。青藏高原发源的亚洲河流水系是为人口众多的亚洲区域供给生活、农业和工业用水的重要水资源之一。因此,认识在全球变暖背景下青藏高原的水分循环及其对水资源变化影响至关重要,仍需深入地探讨青藏高原大气水分循环机制及其全球影响效应。

1991-2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子

利用全球气候模式CAM5.1的20年(1991—2010年)沙尘气溶胶排放量模拟,分析全球沙尘气溶胶排放量的时空变化及其大气环流影响因子。结果表明:20年全球年平均沙尘气溶胶排放总量为1 152±28 Mt,全球沙尘气溶胶排放源主要集中在北非、阿拉伯半岛和中亚、东亚、澳大利亚及北美沙漠地区。北非沙漠地区作为全球最大的沙尘排放源区,占全球沙尘源总量的61.8%。各沙漠区均有显著的沙尘排放的季节变化和年际波动,沙尘气溶胶呈现春、夏季强排放和秋、冬季弱排放的季节循环。相对于沙尘排放的季节变化,其年际变化幅度明显偏弱。基于大气环流指数与沙尘气溶胶排放年际变化的相关显著程度,确定主要影响全球和主要沙漠地区沙尘排放量的大气环流因子:南方涛动指数SOI、北极涛动AO、南极涛动AAO、大西洋年际振荡指数AMO、北太平洋遥相关指数NP以及西太平洋指数WP。全球主要沙漠地区沙尘排放量与大气环流因子之间的相关性具有明显的区域分布特征,在同一沙漠的不同区域甚至可以表现出正负相反的相关性。热带海气相互作用的ENSO循环中,拉尼娜年(厄尔尼诺年)北非地区的沙尘排放量偏多(少),阿拉伯半岛和中亚地区的沙尘排放量偏少(多)。

毫米波雷达与无线电探空对云垂直结构探测的一致性分析

在众多种针对云垂直结构的探测中,毫米波雷达可获取云底、云顶、云厚等完整的云垂直结构信息,并可以连续监测云的垂直剖面变化,是有力的探测手段之一。而无线电探空因其直接的测量优势,能直观、确切地描述大气湿度垂直结构,可将其进一步处理生成云垂直结构信息,并作为一种数据源用于与毫米波雷达云垂直结构探测结果进行比对,以评估毫米波雷达针对云宏观垂直结构的探测性能,为毫米波雷达更好地应用于云探测提供参考。通过获取位于北京南郊观象台的毫米波雷达2014年10月28日至2015年2月17日长达113天连续观测的反射率因子以及探空温、压、湿数据,设计或选取合适的方法对二者进行云边界的计算,并进行云高(包括云底高和云顶高)以及云层数的一致性比对分析。结果认为,除对于高层云的云顶高度毫米波雷达由于探测限制不能探测到10 km以上的云顶,某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较强的一致性。该毫米波雷达具有较为准确并连续刻画10 km以下云垂直结构的能力。

农业活动大气污染物排放及其大气环境效应研究进展

农业活动是一个重要的大气污染物排放源。随着我国工业污染物减排措施的不断加强,以及我国农业现代化发展进程的加快,农业活动的污染物排放对大气环境的影响将日益突出。综述了农业活动排放大气污染物的基本形式和影响大气复合污染的主要机理,分析了农业活动的污染物排放及其大气环境效应模拟研究现状;并提出了面临的主要问题:1农业排放源估算和排放源清单制定的不确定性;2PM2.5与农业排放各前体物之间呈高度非线性关系;3现有空气质量模式仍缺乏对PM2.5及其化学组成的认识以及对PM2.5形成机理和形成过程的描述,对PM2.5浓度及其化学组分预报的准确性不够。

基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法

针对一种基于傅里叶谱分析原理的天气雷达回波强度图像插值方法,首先介绍了该方法的理论和算法步骤,然后进行了实际个例实验。结果表明:该方法比双线性插值方法能更好地凸显强对流天气情况下强回波区的结构特征,其本质是利用傅里叶谱分析获得产生对流性降水的"积状云"回波强度时空变化的谱特征,并进一步将谱特征用于观测数据离散点拟合、再进行重采样,有利于凸显一些因雷达分辨率低而探测不到的强回波中心。

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数kc之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优kc-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段kc-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳kc-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用"φ≤10%或20%"来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致"可订正厚度"减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。

基于Java和聚类分析移动端天气雷达管理系统设计

传统天气雷达管理系统以计算机为终端,灵活性和开放性受时间、地点等因素限制,并且数据存储过程非常简单,数据识别度不高,缺少实时天气信息。因此,结合Java语言和数据库技术,提出一种移动端天气雷达实时管理系统的新思路,通过使用手机终端和数据存储优化来解决现有雷达系统存在的弊端。基于数据库和Android技术,使用MVC模式设计软件系统,实现移动端远程控制、显示产品与故障预警等功能。基于强回波定位算法和百度天气API,实现对雷达数据几个强中心的识别与定位,获取该经纬度的实时天气状况,实现雷达数据存储与对应天气过程的关联,便于后续的资料处理和应用。测试结果表明,所设计的系统可有效地进行雷达控制、产品实时显示、故障预警,以及实现雷达数据应用检索的便利化,由天气状况定位雷达资料,具有较高的灵活性和可靠性。

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。

广州夏季地基微波辐射计红外传感器观云性能分析

为进一步评估地基微波辐射计红外传感器的观云性能,收集了2017、2018两年5—7月布设在广州野外雷电实验基地的一台MWP967KV型地基微波辐射计红外传感器与一台K/LLX502B型激光测云仪观测的云底高度数据,并利用人工观测的天空状况、云状数据进行分类,在不同云类、天空状况下对地基微波辐射计红外传感器云识别和观测云底高度的性能进行分析。结果表明:①地基微波辐射计红外传感器具有良好的云识别能力,准确率达80.4%,由于观测视角的原因,未能识别出有云存在主要发生在"多云"情况下。②地基微波辐射计红外传感器与激光测云仪所测云底高度相关系数为0.63,有着较好的一致性。③因为观测原理不同,地基微波辐射计红外传感器所测云底高度总是高于激光测云仪,且两部仪器在低云阴天时所测的云底高度一致性要优于中、高云多云。综上所述,地基微波辐射计红外传感器用来识别云、观测云底高度具有一定的可行性,尤其是在低云、"阴天"条件下,有着较好的观云性能。

塔里木盆地浮尘滞空天气客观分型

本文利用2011—2020年塔里木盆地多站浮尘日数据,筛选出396个浮尘滞空日。采用ERA5气象再分析资料,应用PCT算法对塔里木盆地浮尘滞空日地面及高空环流进行客观分型,并分析典型浮尘滞空个例,以揭示浮尘滞空与高低空天气环流之间的联系。结果表明:地面天气型可分为高压前部型、高压底部型和均压场型,不同地面天气型下气象条件和污染物浓度特征存在一定差异;地面天气系统演变过程为高压前部型-高压底部型-均压场型,高空天气系统演变过程为西风槽后型、高压脊型交替出现-平直纬向型;当地面西伯利亚冷高压东移南下,高空受槽后和伊朗高压控制时,浮尘滞空天气处于发生和发展阶段,地面PM10浓度较高;当地面为均压场,无明显气压系统活动,高空为平直纬向环流时,浮尘滞空天气趋于结束。

天气雷达反射率资料订正前后在ARPS模式中的同化试验对比

以TRMM/PR反射率资料作参照,对常州、南京天气雷达反射率资料进行一致性订正,再利用中尺度模式ARPS及其数据同化系统ADAS对订正前、后的天气雷达反射率因子进行同化,模拟2013年6月25日和2010年8月24日江苏地区两次暴雨过程。两次暴雨过程均包括3组试验:控制试验和雷达资料订正前、后的同化试验。结果表明:(1)雷达反射率因子的同化很好地改进了模式初始湿度场,使降水预报在分布和强度上更接近实况;(2)雷达资料的订正进一步改进了反射率因子同化试验,并且通过调整初始湿度场和上升运动场(调整作用主要体现在前2~3 h内)改善了对降水的模拟预报,其结果证明雷达反射率因子的订正改善了雷达资料的质量。