青藏高原土壤冻融过程的气候效应:进展和展望

青藏高原(简称高原)热、动力作用对东亚乃至全球大气环流及气候有着影响。高原的热力作用主要来自于高原地表的非绝热加热异常变化,高原陆面过程决定着地表非绝热加热。本文回顾总结了高原陆面过程中的土壤冻融过程对土壤水热传输、地表非绝热加热影响及其气候效应的研究。主要体现在如下几个方面的进展:(1)土壤冻融对土壤水分具有"水分存储"效应,冻融过程可将土壤中90%以上的水分从前一年秋季保存到春季释放出来。(2)高原地表非绝热加热估算仍是一个挑战性的问题,再分析资料中的地表感、潜热通量存在较大偏差,且在春季最为显著,数值模式对土壤冻融过程模拟的偏差较大,数值模式和再分析资料对高原地表非绝热加热估算的偏差,影响了对高原热力作用的深入认识和理解。(3)水热完全耦合的参数化方案和冻融参数化方案改进可有效减小模式对土壤温、湿度的模拟偏差。(4)冻融过程将前秋的土壤湿度异常保持到次年春季,进而引起春季地表非绝热加热异常,这可作为跨季节气候预测的"信号"。通过对高原冻融区土壤信息的同化,可显著提高模式对后期东亚天气气候的模拟效果。(5)春季高原融冻异常通过引起土壤湿度异常产生的地表非绝热加热异常,通过改变高原南、北两侧大气的斜压性,激发出西风带内的Rossby波列传播,影响中国东部地区夏季降水的异常。对土壤冻融及融雪物理过程的认识和参数化,是高原和寒区陆气相互作用研究中具有挑战性的问题和未来研究的重要方向。

两种再分析资料和Nudging方法在WRF模式降水模拟中的适用性

采用Grid Nudging(GN)和Spectral Nudging(SN)方法,用再分析资料ERA5和FNL驱动中尺度数值天气预报模式(WRF),探究不同再分析资料和Nudging方法对降水模拟效果的改进效果及机理.对2021年3月15日中国南方地区降水过程设计6组试验进行数值模拟,分析不同试验方案对降水及相关物理量的影响.结果表明,WRF模式能较好地模拟出本次降水事件,进行Nudging驱动后显著提升了降水分布、降水中心落区和降水量的模拟效果.与观测数据综合对比,GN的模拟效果优于SN,尤其是使用ERA5资料结合GN模拟效果最佳,能够准确地模拟出发生在安徽省南部的降水中心以及超过33 mm/d的降水强度.模式结果与两个观测站点记录的降水发生时间和降水强度变化较为一致.GN方法使模式有效提高了西南低空急流的强度,校正了风向,对水汽通量和水汽通量散度的刻画更符合实际情况.

基于数值模式订正背景场的多普勒雷达径向速度退模糊的改进

针对多普勒雷达径向风存在速度模糊的问题,提出一种基于数值模式背景场信息且对背景场信息再订正的雷达径向速度退模糊方法.利用中尺度数值模式模拟大气三维风场并将其作为背景场,基于背景参考和连续性原理对背景场进行多次风速偏差订正,使用订正后的背景场对雷达径向速度进行退模糊.针对两次台风个例进行多普勒天气雷达径向风的速度退模糊试验.结果表明,经过多次偏差订正的模式背景风场与观测的径向风偏差较小,能够较好地实现速度退模糊效果,避免径向速度大片区域无法退模糊或错误退模糊的问题,模糊区域径向速度廓线的不合理突变得到有效纠正,并能够在雷达各个仰角有效纠正一次模糊和二次模糊。

北京市沙尘天气过程对气温的影响

基于北京市空气质量数据、地面气象数据、ERA5再分析资料和探空数据,以2021年春季两次沙尘天气过程为例,研究沙尘天气过程在白天和夜晚对气温、气温垂直廓线和逆温层的影响,结果表明,沙尘天气导致白天地面明显降温,夜间却增温.5月6日沙尘天气过程白天的降温幅度大于夜间增温幅度.沙尘气溶胶影响太阳辐射过程,使得气温垂直廓线发生明显变化,导致大气稳定度增加.颗粒物质量浓度峰值越大,大气层结越稳定.白天大气层结更稳定,大气低层有较强逆温层出现,对流层低层至对流层内部增温(8.3℃)、对流层顶为降温(-6.2℃).两次沙尘过程都有强逆温层出现.大气低层的强逆温层强度达1.8℃/100m,等温层厚度不超过100m.

1961~2018年西北地区降水的变化特征

邻接青藏高原地区的中国西北地区是最大的欧亚干旱区,其降水变化对全球变化的响应和对干旱环境及其青藏高原气候变化都具有特殊的指示意义。基于1961~2018年中国西北地区144个站的逐日降水、逐月气温观测资料,分析了西北地区的降水变化特征及趋势。结果表明:(1)近60年以来,西北地区92%站点的年降水量呈现增加的趋势,只有甘肃东南部不到10%的站点呈下降趋势;(2)季节尺度上,春、夏、秋季中超过75%站点的降水呈现增加的趋势,但最显著的是,几乎所有站点在冬季的降水为增加趋势,秋、冬季降水的增加相对较少,反映了冬季风对西北地区降水影响的特点;(3)进入21世纪以来,西北地区夏季和年降水量仍然维持准3 a周期特征,春、秋季的周期具有阶段性、冬季降水量具有较稳定的约3 a周期,因此,自然周期变化对降水增加的贡献并不大。西北地区降水量在过去60年来确实呈现出增加趋势,尤其21世纪以来降水量持续增加,但增加的量是有限的,不足以改变其干旱半干旱的气候特征。

1980-2019年青藏高原积雪深度时空差异性分析

积雪是地表特征的重要参数,其对辐射收支、能量平衡及天气和气候变化有重要影响。利用1980-2019年被动微波遥感积雪深度资料对青藏高原积雪时空特征进行分析,在此基础上将高原划分为东部、南部、西部及中部4个区域,并分区域讨论了多时间尺度积雪的变化特征及其与气温、降水的相关关系。结果表明:不同区域积雪深度在不同时间尺度的变化特征存在差异,高原东部积雪深度累积和消融的速率比西部快,南部积雪深度累积和消融速率比中部快。季节尺度上,冬季积雪高原东部最大,中部最小;春季积雪高原东部消融速率最大,西部积雪消融较慢但积雪深度最大;夏季高原西部仍有积雪存在。年际尺度上,各区域积雪深度在1980-2019年均呈现缓慢下降趋势,但东部积雪减少不显著;高原东部积雪深度在1980-2019年呈现出增加-减少-增加-减少的变化,其余3区均呈现出减少-增加-减少-增加-减少的变化。不同区域积雪深度对气温、降水的响应不同,高原东部和中部积雪深度与气温相关性较好;各区域积雪深度与降水呈不显著的正相关关系。

基于SRTM数据地物滤波改进雷达降水估测

利用SRTM资料建立天水雷达站周边地物分布,滤除雷达回波中的地物回波和其他杂波。在此基础上基于陇东南6次3类降水过程,进行Z-I关系参数本地化试验,最后比较庆阳西峰新一代天气雷达和天水雷达探测重合范围内的反射率因子。结果表明:SRTM资料可以很好地模拟地物回波的分布;雷达反射率因子相对于降水有一定超前;本地化的Z-I关系参数与其他地区有明显区别,A值偏小而b值偏大;天水新一代天气雷达可能存在系统性的回波强度偏低。

起沙方案及Nudging对中国西北沙尘模拟的影响

利用耦合了AFWA和Shao04起沙参数化方案的WRF-Chem模式结合Nudging方法,对2020年4月9~11日发生在我国西北地区的一次沙尘天气过程进行模拟,结合地面及卫星观测数据,对模式模拟沙尘的能力进行了初步验证,分析了不同起沙方案及其结合Nudging方法后对模式模拟结果的影响。结果表明,2种起沙方案均有能力再现此次沙尘天气过程,开启Nudging后2种方案模拟出的沙尘分布结果都有所改进。对于地面沙尘模拟,在沙尘源区不开Nudging的模式模拟结果更接近观测,在沙尘影响区开启Nudging后的模拟结果更优。整体而言,结合了Nudging方法的Shao04起沙方案对我国西北地区的沙尘过程具有更好的模拟能力。Nudging方法对模式模拟风场的能力改进较为明显,从而提高了模式对沙尘的模拟能力。

基于岭回归方法的华中地区闪电潜势预报

为研究风云四号卫星的闪电产品在强对流天气预报中的应用,提高闪电潜势预报效果,利用全球预报系统(GFS)分析场数据,计算了华中地区2018年6-7月对流层内多种物理量和闪电数据之间单因素方差检验的F值.结果表明,闪电是否发生与低层大气温度、比湿、最大风速层风速U分量、对流层顶风速U分量、地面抬升指数、最优抬升指数显著相关;闪电活动多集中于低层大气温度和比湿的高值区,同时主要集中于抬升指数、最大风速层风速U分量和对流层顶风速U分量的低值区.由于岭回归方法在处理共线性数据方面效果较好,利用岭回归法得到闪电潜势预报模型,并对华中地区2018年8月共31 d的闪电进行了潜势预报,预报命中率达到0.75,虚假预警率为0.62,预报效果较好,对未来24 h闪电预报具有指导意义.

中国7个典型城市城区和郊区ρ(O_(3))的差异分析

基于2015-2019年沈阳、北京、兰州、南京、武汉、贵阳和广州7个城市的ρ(O_(3))逐小时数据,研究了中国典型城市城区和郊区ρ(O_(3))的差异.结果表明,2015-2019年7个城市的年均ρ(O_(3))由高到低为南京>北京>兰州>沈阳>贵阳>武汉>广州.各城市城区和郊区的ρ(O_(3))普遍表现为郊区大于城区,且存在明显的季节变化、月变化和日变化特征.沈阳、北京、南京和武汉郊区的ρ(O_(3))为夏季最大;贵阳郊区为春季最大;广州郊区为秋季最大;兰州郊区为春季最大,城区为夏季最大;各城市郊区的ρ(O_(3))均为冬季最低.ρ(O_(3))的月变化随着纬度的增加“单峰型”特征越明显.除武汉市的ρ(O_(3))日变化特征为“双峰型”外,其余城市均为明显的“单峰型”.各城市城区和郊区ρ(O_(3))的差异春、冬季大,夏、秋季小,冬季差异最显著.除沈阳城区和郊区ρ(O_(3))差异为夜间最小外,其余城市均为夜间最大.

一次干下击暴流的云微物理过程及移动和传播机制研究

本文使用风廓线雷达、跑道自动观测及多普勒天气雷达等观测资料,对2020年5月14日半干旱地区兰州的一次弱天气尺度强迫下的干下击暴流(简称“5.14”)过程的发生和演变特征进行了分析;应用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting)对该次过程的形成、移动及辐散出流区上空的水凝物演变特征进行了模拟,探讨了“5.14”过程外流传播的可能机制。结果表明:“5.14”过程的生命期约为30 min,云顶高度在9 km以上。在云体移向后侧3~6 km高度,同时出现突发性干冷空气急流侵入,云体断裂,云顶崩塌,动量下传和中低空1~4 km高度辐散出流急流,是下击暴流外流发生的可能原因。雪晶碰撞过冷云滴使之冻结合并,形成了下沉及外流区域的云中霰粒子均快速增长,模拟的霰粒子混合比在下击暴流暴发时增大了105倍;下沉区霰粒子加速了云中冷池的形成,是激发强下沉气流的原因之一。随着云体的移动,强下沉气流在地面上产生辐散出流,和相邻的辐散出流间交汇引起气流间的辐合上升运动,在云体移动方向前沿的下沉气流两侧形成两个气流上升区;随着干冷入流急流的深入,在云体移动方向激发出两个垂直环流,垂直环流由一支云内上升气流与一支紧邻的湿下沉气流相伴而成。垂直环流中的湿下沉气流在近地面形成冷池扩散促使了下击暴流的暴发,激发阵风锋。阵风锋向下击暴流辐散中心的外流方向扩散,阵风锋前的暖湿上升气流有利于新生单体合并进原风暴,风暴发展加强,随着阵风锋推进切断了暖湿上升气流导致重冷云顶下沉,云顶的不断上冲和崩溃形成了下击暴流的外流传播过程。阵风锋前的上升气流输送的雨滴粒子在0°C温度层附近冻结,冻结过程中释放的热量导致外流传播过程中0°C温度层不断升高,云中下沉的霰粒子融化层升高,融化后形成的雨滴粒子在下落过程中的蒸发层增大,霰粒子融化吸热及雨水在下降过程中蒸发吸热使得近地面冷池不断增强导致地面风速在辐散传播过程中加大,是下击暴流外流传播中地面大风形成的重要原因。另一方面,上升气流通过凝结作用加热大气加强上升运动。下沉气流的发展有助于形成和维持对流特征环流及冷池。下击暴流形成后,在云体移动方向上不断形成的垂直闭合环流是下击暴流辐散中心的移动机制,由于地面冷池外流的辐合抬升作用,移动方向的上升气流区范围不断增大,垂直闭合环流受到上升气流区阻挡无法新生,同时由于云体东移,维持下击暴流垂直闭合环流结构中水凝物的循环减弱使垂直闭合环流结构消散,导致下击暴流辐散中心减弱消亡。与以往研究相比较,本次干下击暴流发生时也出现了云体后侧入流急流、雷达回波反射率因子核下降、动量下传、霰粒子含水量大及水凝物融化蒸发过程吸热形成冷池等特征,但此次干下击暴流辐散中心有明显的垂直闭合环流,是下击暴流辐散中心的启动和维持机制,同时下击暴流辐散中心与阵风锋的形成密切相关,而阵风锋过程是造成此次干下击暴流的外流传播形成地面大风的主要原因。

论全球变暖背景下中国西北地区降水增加问题

随着全球变暖,全球的降水形式、分布格局都在发生着变化,其中干旱区的降水变化尤为引人瞩目。西北地区干旱少雨,在全球变暖背景下,降水量和大气中的含水量均呈现出增加趋势。通过研究认为这种"暖湿"是一种干旱区湿润程度的改善,并不会改变其干旱少雨的基本气候特征。西北地区降水的形式和性质都和我国东部地区有着根本的差别,降水增加主要是极端和短时对流降水的增加。另外,降水增加主要发生在西北干旱区的内陆河流域,该流域内的干旱地区的农业生态问题并非富水就能解决;西北地区的河西走廊等干旱和极端干旱地区水资源的主要来源是山区降水和冰雪资源;科学理性地认识西北地区降水增加,是正确处理西北地区水资源合理调配和使用、科学开展生态文明建设的前提。