系外行星的大气环流

迄今为止,已有五千多颗太阳系外行星和两千多颗褐矮星被确认,它们展现出了丰富的多样性.伴随着愈来愈多系外行星的发现,关于系外行星大气的观测和理论研究均在迅速发展.本文将回顾近几十年来系外行星和褐矮星探测的主要进展,依序介绍系外行星中的热木星、具有大气层的类地行星,以及孤立并快速旋转的褐矮星大气环流的基本特征,这些大气环流特征是未来系外行星探测的基础.然后,将介绍基于观测建立的大气模式对这些系外行星和褐矮星大气演化和动力学特征的模拟结果,包括大气的垂直温度分布、层结的稳定性、辐射传输、大气成分等.热木星受到强烈辐射且被潮汐锁定,环流模式预测其具有大的昼夜温差和赤道地区向东的急流.温木星通常不会被潮汐锁定,展现出广泛的自转率倾角和轨道偏心率,导致环流模式与热木星相比有很大不同.潮汐锁定的类地行星具有类似热木星的大气环流模式,但可能存在的海洋以及各种化学过程会深刻改变类地行星的气候,在这一部分本文还将讨论系外行星研究的最终目标——寻找宜居行星.褐矮星作为行星和恒星之间的过渡状态,通常是缺乏外部辐射并快速旋转的星体,内部具有剧烈的对流,大气表现出云层和温度的不均匀性.最后,我们将对系外行星和褐矮星大气这一前沿科学领域未来所面临的关键问题和挑战给出展望.

大气变量物理分解原理及其在区域暴雨分析中的应用

观测的全球大气变量可以物理分解为4个部分:纬圈平均的对称气候、非对称气候、纬圈平均的瞬变对称扰动和非对称扰动。文章用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA Interim全球再分析资料(0.75°×0.75°)介绍大气瞬变扰动量中的扰动风提取方法及其在区域暴雨分析中的应用。结果表明:用欧洲高分辨率再分析资料物理分解得到的扰动气流能够较好地反映暴雨的落区和风与雨之间的关系,如暴雨带位于低层大气扰动气流的辐合线上和稳定的暴雨带两侧扰动气流多呈对峙的辐合状态。

我国南方冬季低温雨雪冰冻事件的大气扰动信号分析

利用中国549个站点的温度和降水资料确定了1960～2008年发生在我国南方冬季的23次低温雨雪冰冻事件.对全球大气变量再分析资料做物理分解得到天气尺度扰动分量用于这些事件的早期信号分析.结果表明,在低温事件发生时,南方地区上空300 hPa对应有最大负高度扰动,850 hPa有负温度扰动.这些扰动的传播特性可以作为低温事件发生的早期信号.在低温雨雪站日数大于10的11次事件中,它们的扰动信号平均可提前11.2天追踪到.

北半球大气遥相关型与区域尺度大气扰动

北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和太平洋—北美型(PNA)等北半球大气遥相关型,可以用大气位势高度的物理分解扰动分量解释.结果发现,AO反映的是北极地区行星尺度纬圈平均扰动分量的变化,PNA与持续性天气尺度扰动分量相联系,NAO是行星尺度纬圈平均扰动与天气尺度扰动共同作用的结果.对行星尺度纬圈平均扰动分量和天气尺度扰动分量用旋转经验正交函数(REOF)展开,不但可以证实人们已经命名的区域性大气涛动,还新发现了北极地区的两对偶极涛动、欧亚涛动(EAO)和"大西洋—欧亚型"(AEA)波列.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.

中国热浪事件的大气扰动结构及其稳定性分析

利用对流层至平流层大气变量的物理分解,本文发现400hPa上的天气尺度温度扰动正值和250hPa上的天气尺度高度扰动正值能够指示地面上的高温和热浪事件.理论和观测分析发现,当扰动静止波中心出现在40°N—45°N时,准静止波波长较长,影响范围大,持续时间久,容易在中国形成区域持续性热浪事件.在江南—华南、长江沿江及河套—华北的区域,干热浪事件静止波的稳定时间在6.5天以上.对流层大气天气尺度扰动波动在垂直方向具有倾斜特征,250hPa高度上,静止波稳定位置比地面热浪区域中心普遍偏北6～12个纬距.在低纬度(副热带高压带南侧),大气中向西北方向移动的天气尺度扰动,只有到达副高脊线以北的西风带后,才能形成静止波.

北京地区长期增暖中的一个减缓期

采用北京地区13站1960—2008年和20站1978—2008年的气温观测资料,分析其变化的时空特征。1960—2008年北京地区平均气温呈上升趋势。1960—1969年、1969—1983年和1985—1998年北京地区平均气温变化趋势分别为-1.27℃/10a、0.79℃/10a和1.17℃/10a,即经历了快速下降、上升和快速上升3个时段。而1998—2008年出现了长期增暖中的一个减缓期,13站和20站资料揭示的平均气温变化趋势分别为0.02℃/10a和-0.05℃/10a。1998—2008年,城区总体仍然呈增暖趋势,北城的增暖速率是南城的两倍。远郊山区或靠近水体和公园的城镇站呈降温趋势。

NCAR MM模式对天津市夏季大气臭氧敏感性分析

NCAR MM模式可较好再现O3体积分数(φO3)的变化,本文利用NCAR MM模式对2009年天津市夏季大气臭氧进行了模拟分析,并利用模式绘制了O3日最大体积分数变化图。结果表明:在当前污染水平下,NOX体积分数(φNOX)每增加10.0%,φO3将降低约5.0%;φNOX每降低10.0%,φO3将升高4.0%;当φNOX为观测值的60.0%时,φO3达最大值。非甲烷有机化合物NMHC体积分数每减少10.0%,φO3将降低4.0%。NMHC各组分中,烯烃对O3生成的贡献最大,占总贡献的53.3%;其次为芳香烃,占总贡献的35.1%;再次为烷烃,占总贡献的9.2%,卤代烃和含氧烃对O3的贡献率仅为2.0%。天津市夏季城区O3处于NMHC控制区,φO3对NMHC更敏感,控制含丙烯和丁烯等烯烃的排放可有效控制天津地区夏季O3的体积分数。

1998年长江中下游地区暴雨过程大气低频扰动场分析

利用Morlet小波变换和Lanczos带通滤波对1998年长江中下游地区逐日降水和经大气变量物理分解后的NCEP/NCAR再分析资料进行分析,研究1998年长江流域中下游地区强降水期间大气低频扰动场的显著特征。结果表明:1998年长江中下游地区8月前为降水多发期,更是暴雨频发期,强降水主要存在两种低频振荡,1—4月主要以12—24d低频振荡为主,6—8月以30—60d低频振荡为主;850hPa自青藏高原东部四川盆地附近东移的12—24d低频扰动气旋或反气旋与1—4月长江中下游地区的强降水有关,而自日本本岛南部海面西移的30—60d低频扰动气旋或反气旋与长江中下游地区5—8月的强降水有关。12—24d的低频扰动位势高度场垂直结构具有斜压性,中心轴线向西倾斜;而30—60d的低频扰动位势高度场垂直结构与其不同,具有正压模态。引发长江中下游地区1—4月强降水的大气低频扰动最强信号位于925—850hPa附近,分别来自于青藏高原东侧和中高纬地区;而引发5—8月强降水的大气低频扰动最强信号多位于850—500hPa附近,分别来自太平洋中东部和赤道附近。

扰动变量在强对流天气分析和模式评估中的应用——以苏北里下河地区引发龙卷的扰动系统为例

2016年6月23日14:00—15:00时,江苏省盐城市阜宁县发生了EF-4级有记录以来的强龙卷风过程,造成了当地30 km长,1.7 km宽的严重气象灾害。受局地环境影响,邻近地区在近50年中发生了大于10人次死亡事件的龙卷风11次,其中6次发生于1979年以后。文章首先是:(1)把6次事件日的再分析变量场分解成瞬时气候和扰动两个部分,发现6次事件都与近地面层出现的负高度扰动轴线和扰动冷暖气团的对峙有关,龙卷发生在暖气团一侧;(2)用模式初始场分解的扰动变量和扰动物理量评估欧美模式对产生阜宁龙卷扰动系统的预报能力。后者的结果也发现,当日14时925 hPa高度扰动槽和850 hPa扰动风辐合线作为环境扰动系统,以及湿涡度扰动和湿散度扰动等环境扰动指标量能够突出地表达有利于龙卷风发生的环境条件。欧洲全球模式能够提前42 h稳定预报出后来扰动槽和环境扰动指标量的位置,美国全球模式也可以提前18 h预报出这样的扰动特征。这些扰动变量和扰动指标量能够快速地帮助预报员判断有可能发生强对流天气的大致时空区域和特征。

北京与天津CINRAD雷达回波强度对比分析

认识并消除雷达之间存在的回波强度差异对于跨雷达组网应用有重要价值。利用2012年7月北京、天津两部新一代天气雷达CINRAD降水回波强度的体扫资料,在两部雷达等距离剖面附近对观测值差异进行原因分析,从仰角、方位角、距离、地形、时间序列等角度,讨论匹配样本的一致性和差异特征。结果表明:北京、天津雷达工作状态良好,两者未发现系统性偏差,但两者的方位角可能存在1°左右的偏差;平原地区样本的一致性优于山地;除了距离相关因素(有效照射体体积、高度差异等),电磁波传播路径不同,大气云雨的积分衰减和折射影响不同,也是导致样本差异的原因。

天气尺度扰动流场对区域暴雨的指示能力

观测的大气流场可以物理分解为气候流场、行星尺度纬圈平均扰动流场和天气尺度扰动流场.低层大气的天气尺度扰动流场中的切变线、南方气旋、北方气旋、冷锋槽线、西南涡暖切变线、热带气旋、倒槽切变线、东风波切变线等对区域暴雨具有指示意义.扰动流场中的环流系统更适合天气分析的原理.中国的暴雨带多为扰动辐合线两侧气流对峙的结果.观测流场中,暴雨带出现在低空急流的左侧,是因为气候流场掩盖或削弱了天气尺度扰动流场的作用.对切变线暴雨,天气尺度扰动流场有99%的诊断能力,而原始流场只有66%的指示能力.

西南区域持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号

以2009—2010年发生在中国西南地区的持续性干旱事件为例,通过干旱和大气变量的物理分解得到了一些干旱事件发生的新认识.气象干旱多为年循环的气候干季与干旱扰动的叠加所致.一次干旱扰动大约为30—50天,而一次持续性干旱事件是由几次干旱扰动组成的.大气高度场和风场中存在三种时间尺度的扰动.一种是年际行星尺度的大气扰动,与ENSO冷暖事件有关,起源于赤道并传播到中高纬度地区需要2—4年.另一种是季节内行星尺度的大气扰动,与来自赤道地区的30—50天振荡有关.此外,大气中还存在天气尺度的扰动.利用行星尺度大气扰动向赤道外传播与天气尺度扰动的叠加,区域持续性干旱事件能够找到前期预报信号.

华南近海台风突然增强的初秋季节锁相

使用美国台风联合中心(JTWC)的最佳路径资料对近50年(1961—2010年)海南岛至台湾岛之间的华南近海台风路径和强度做统计分析,得到台风增强的季节锁相时段.经过大气变量的物理分解,海陆分布热力强迫的季节风场揭示出:盛夏时节,东亚副热带季风槽位于沿江江南,华南近海盛行西南季风;中秋时节,东亚副热带季风槽南退到南海中部,对华南近海台风的增强没有影响;在夏末秋初的转换季节,东亚副热带季风槽正好位于华南近海,有些台风进入华南近海季风槽中就有可能增强,形成所谓的季节锁相.

南方持续低温冻雨事件预测的前期信号

1960—2008年冬季期间,中国南方发生了23次低温冰冻(冻雨)天气事件,其中满足站日数大于10的事件有11次.2008年初中国南方发生了一场影响巨大的区域持续性低温冻雨天气事件,2011年初再次发生了类似的区域持续性低温冻雨事件.提前5天预报这类极端事件是国内外大气科学面临的难题.利用去逐日气候变化后的逐日850hPa温度扰动,可以提前3～10天发现中国南方持续低温雨雪冰冻(冻雨)事件发生的信号.2008年初和2011初,影响中国南方的850hPa冷空气扰动具有源地和路径相似性,它们都来自北非-中东并绕过青藏高原北侧到达中国南方,在对流层大气中形成"冷-暖-冷"的温度垂直结构.通过对欧洲中期天气预报模式产品中850hPa温度扰动的相似性分析,成功地提前4～9天实际预报出了2011年初的中国南方低温冻雨天气过程.

中国热浪前期信号及其模式预报

在中国1979—2008年发生的87场区域干热浪事件中有83场区域干热浪事件可以在250hPa层高度扰动场上追踪到前期信号.高度扰动信号的移动方向可分为低纬向西和中纬向东传播的两类,前期信号平均出现的时间为7天.中国南方热浪的前期信号,一部分(19%)来自低纬西北太平洋,平均提前4.6天,而大部分(81%)的前期信号来自欧洲和中国西北地区,可提前2—15天,这些信号沿中纬度自西向东移动到达100°E—110°E和40°N附近地区.中心位置发生在北方的区域干热浪事件,前期扰动信号都来自欧亚中高纬度.统计得到,250hPa层的高度扰动达到120gpm与地面出现区域干热浪相对应的次数占41%.降低区域干热浪的定义标准,高度扰动作为前期信号的正确率会得到提高.在分析2003年中国夏季江南—华南大范围持续热浪事件的基础上,用欧洲中期天气预报中心的模式产品,对这次热浪500hPa高度场做物理分解,结果发现模式对高度扰动的预报具有提前1—7天的预示能力.

中国冬半年区域持续性低温事件的前期信号

大气变量物理分解的方法应用于寻找中国区域持续性低温事件的前期信号。1960～2008年的冬半年期间,总数115次强的区域持续性低温事件的对流层低层出现了天气尺度温度的负值扰动,而在对流层中高层至平流层出现了天气尺度位势高度的负值扰动。其中,112次事件分别在850hPa和300hPa上出现了温度扰动负值中心和位势高度扰动负值中心。追踪850hPa层的温度扰动能够提前5～9天预示中国区域持续性低温事件的出现。

日本福岛核电站泄漏事故污染物扩散的数值模拟与事故释放源项评估

采用WRF-CALPUFF数值模式和NCEP Reanalysis资料,对日本福岛核电站2011年3月12日核素泄漏事故进行了数值模拟研究及源项评估。模拟结果可以较好地反映核物质扩散情况,尤其是关键时间节点的模拟结果与实际一致。在西风盛行的春季,日本福岛核电站核泄漏事件不会对我国造成主要影响。同时,选择2010年7月21—27日开展虚拟模拟试验。结果表明,东风盛行条件下的日本福岛核电站核泄露事故会将对我国,尤其是东部沿海和东北地区有影响,需要提前准备应急预案。源项评估结果表明,2011年3月12—31日,131I和137Cs气载释放量分别为9.9×1016Bq和1.1×1016Bq。

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM(Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10-3m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×106 J.m-3.K-1和3.34×10-7 m2.s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9W.m-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6W.m-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.

GPM/DPR雷达与CINRAD雷达降水探测对比

通过对比星载DPR雷达与地基CINRAD雷达的降雨测量值,评估星地雷达联合应用的潜力。为了提高对比的准确性,在尽可能高的时空分辨率下,以几何匹配与格点匹配相结合的方式,提取星地雷达降水样本数据。2015年6月30日降水过程的对比分析结果表明:泰州、常州CINRAD雷达反射率因子在两站中分剖面的平均值偏差0.94 dB,地基雷达之间有很好的一致性;在DPR雷达与常州、泰州CINRAD雷达同时覆盖的降雨区域,星地之间雷达反射率因子的平均值偏差分别为-1. 2 dB和-1. 6 dB,显示星地雷达也有较好的一致性;现有DPR雷达陆上衰减订正算法在缩小星地雷达偏差方面起到一定作用,平均订正量0.4 dB,只要回波覆盖充分,匹配样本的高度以及其到地基雷达的距离对对比结果没有明显影响,而衰减订正和匹配样本区回波覆盖率是影响星地雷达对比结果的重要因素。

全球季风槽

根据先前的研究总结出,全球有22个地形槽,其中只有3个行星尺度的季风槽和6个半岛尺度的季风槽。全球季风系统是由行星尺度季风槽和半岛尺度季风槽组成的。活动于热带北太平洋、热带北大西洋和热带南印度洋的赤道辐合带是太阳辐射随季节强迫下位置发生变化的行星尺度季风槽。半岛尺度季风槽起源于区域海陆地形和随季节变化的海陆热力对比和干湿(降水)转换。在北半球夏季,亚洲-西北太平洋地区受到4个半岛尺度季风槽和1个行星尺度季风槽的影响。其他2个半岛尺度的季风槽位于南非和印度尼西亚-西澳大利亚地区。