长三角地区农业与自然植被镶嵌体的变化对近地面气象场的影响评估

利用一个中尺度数值模式WRF3.8/Noah/UCM,对长三角地区近30 a来灌溉水田显著减少,农业与自然植被镶嵌体(以下简称镶嵌体)显著增加这一现象引起的气候效应进行了5 a(2008—2012年)高分辨数值模拟。试验采用了ChinaLC土地覆盖资料,利用MODIS反照率和叶面积指数产品分别验证了ChinaLC在镶嵌体和水田之间的分类可靠性。根据研究区内台站观测资料评估了ChinaLC和WRF模式自带的USGS资料模拟结果,进一步证明土地覆盖资料ChinaLC的分类准确性,有助于提高模式的模拟性能。通过对长三角地区镶嵌体面积变化的对比试验进行分析,结果表明:区域内由灌溉水田转变为镶嵌体后,不仅会使非城市区气象条件改变,同时也会影响临近的城市区,由于非城市区增温幅度大于城市区,会导致城郊温差减弱;镶嵌体增加导致江苏西南部、浙江北部气温上升0.1～0.3℃,风速减弱0.1～0.3 m·s^(-1),比湿降低0.05～0.15 g·kg^(-1),边界层高度上升40 m。在镶嵌体显著增加的南京北部—滁州以及江苏西南部一带降水减少,南京北部—滁州地区月平均降水减少了0.6 mm·d^(-1),马鞍山—溧水降水减少了0.2 mm·d^(-1)。

中国冬季干、湿低温灾害的时空分布特征

基于1980~2019年11月至翌年3月全国低温灾害性天气文字记录,结合高精度再分析资料NASA MERRA2,构建了我国低温灾害(低温、降温、冰冻、雨雪、雪灾)的精细化格点数据,采用线性趋势分析、集合经验模态分解(EEMD)和小波分析等方法研究了我国低温灾害的时空分布特征,初步描绘了我国低温灾害图谱。研究表明:干低温灾害(低温、降温、冰冻)往往不是单一灾种致灾,而湿低温灾害(雨雪、雪灾)多为单一灾种致灾。不同灾种的发生频次具有显著的区域和季节内差异:1月低温的致灾范围最广,发生频次由南向北呈现“高—低—次高”的三极型分布;降温灾害在12月发生频次最多,呈“东高西低”分布;雨雪灾害在1~2月的南方地区发生最多;雪灾发生频次明显多于前四个灾种,多分布在牧区等高敏感地带。就全国而言,干低温和雨雪灾害的发生频次和受灾面积呈现长期上升趋势,而雪灾则在前后冬有相反趋势,其受灾面积的上升趋势主要来自1月,发生频次的减少趋势来自3月;干低温和雨雪灾害的灾情指数年代际变率在2000年之后波动增加,而雪灾则在2000年之前变率较大;大部分低温灾种(除雪灾)发生频次的年际变率在2005年后均有显著增加。单一灾种中,仅降温受灾面积有显著的上升趋势,主要归因于1月。复合灾种中,降温与湿低温的组合呈显著上升趋势。

南亚高压与邻近地区臭氧变化的相互作用

利用ERA-interim月平均再分析资料、相关分析和信息流方法,分析了1979~2015年夏半年(5~9月)100 h Pa上南亚高压与邻近地区臭氧变化的相互作用。结果表明:除7月外,夏半年南亚高压与南亚高压区臭氧低值(简称臭氧低值)存在相互作用。6月和9月南亚高压和臭氧低值强度变化相互影响,而在5月和8月二者的作用仅仅是单向的。在6月南亚高压和臭氧低值的中部和西部边缘,以及9月南亚高压北部和臭氧低值中心区,臭氧低值增强(减弱)可能是南亚高压增强(减弱)的部分原因,南亚高压增强(减弱)也可能是臭氧低值增强(减弱)的部分原因。在6月南亚高压和臭氧低值的东南部、8月南亚高压和臭氧低值的西部和东部,以及9月南亚高压的西部,南亚高压增强(减弱)可能导致臭氧低值增强(减弱)。在5月南亚高压西部和臭氧低值南部,臭氧低值的增强(减弱)可能导致了南亚高压的增强(减弱)。根据相关分析,推测臭氧变化对南亚高压变化的可能影响机制如下:当南亚高压区臭氧浓度出现正异常时,辐射加热在其上部(下部)为负异常(正异常),导致高层(低层)异常辐合(辐散),从而导致下沉异常。高层异常辐合与下沉异常最终使南亚高压异常减弱。而臭氧浓度负异常导致南亚高压呈现正异常的过程与上述过程相反。

平流层NAM事件中阻塞高压发生及其调制地面温度异常型的统计特征

本文利用1979~2020年ERA5逐日再分析数据,分析了在平流层北半球环状模(NAM)正负事件中,阻塞高压(简称阻高)发生及其调制地面温度异常型的统计特征。结果表明,北半球的四个阻高系统分别趋于在NAM事件的不同阶段发生,其中格陵兰阻高(GB)和北太平洋阻高(NPB)更趋于出现在正NAM事件的发展阶段和负NAM事件的衰减阶段,乌拉尔山阻高(UB)多出现在正NAM事件的衰减阶段和负NAM事件的发展阶段,而大西洋–欧洲阻高(AEB)则多发生在正、负NAM事件的衰减阶段。尽管NAM事件过程中有阻高发生的天数远少于无阻高发生的天数,但阻高的存在对平流层NAM影响下的地面温度异常空间型有显著的调制作用,特别是在正NAM事件中,GB的出现可导致欧亚大陆从整体偏暖或北暖—南冷型变为北冷—南暖型,同时导致北美大陆从整体偏冷或北冷—南暖型变为北暖—南冷型;此外在负NAM事件衰减阶段出现的UB,不仅可导致欧亚大陆的北冷—南暖型反转为北暖—南冷型,亦可使北美大陆由北暖—南冷型转为南暖—北冷型。相比之下,AEB和NPB两阻高发生时地面温度异常型多由平流层NAM的影响所主导,即阻高的调制作用并不显著。在NAM影响以及各阻高的协同作用下,从正NAM事件峰值至负NAM事件发展阶段,整个中纬度地区欧亚大陆偏冷、北美偏暖;从负NAM事件衰减阶段至正NAM事件的初始阶段则相反;两大陆地区的温度异常多呈中—高纬南北反位相变化特征。本文进一步通过蒙特卡洛随机取样检验,证实了上述关于阻高调制地面温度异常型的结论。

基于再分析资料与观测资料的中国低温阈值变化特征研究

采用1979—2013年中国192站逐日最低温度观测资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、JRA-55、ERA-Interim再分析资料及1979—2004年均一化资料,分别计算低温阈值并对比分析其气候态、年际和年代际变化、长期趋势等特征。结果表明:与观测结果相比,均一化资料阈值在东北、内蒙古西部和两广等地偏低,在青藏高原东侧、新疆北部和黄河中下游偏高,线性趋势则相反;再分析资料阈值在南方偏低、东北偏高,在东部的可信度高于西部;再分析资料能显示内蒙古中西部的降温趋势和青藏高原的增温趋势,但在数值和范围上有差异,且均低估了观测资料反映的华北地区的显著升温现象;再分析资料能体现观测资料阈值的全区一致性、东北与其他地区反相的空间分布及其年际变化特征,仅JRA-55和ERA-Interim可再现低温阈值的年代际变化特征。

一次“大气河”背景下东北冷涡暴雨的诊断分析

利用FNL再分析资料、NCEP GDAS资料和观测降水资料,应用HYSPLIT轨迹追踪模式,对2016年7月25日一次东北冷涡暴雨过程的天气形势背景、大气河在暴雨过程中的作用及其在暴雨前后的演变特征以及暴雨水汽来源进行了诊断分析。结果表明,此次暴雨发生在有利的天气形势背景下,东北冷涡、鄂海阻高、日本以东的低压、高低空急流是这次过程的主要影响系统。暴雨过程中有两条源于西太平洋的大气河,一条经我国南海区域向北继而向东北延伸,核心水汽通量极强,另一条经东海、黄海向北输送,两条大气河的湿层均十分深厚。通过大气河的输送作用,热带地区的暖湿水汽直接输送到中纬度地区,为此次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。南来的暖湿气流与东北冷涡环流的偏北干冷气流汇合,在暴雨区附近产生了强烈上升运动,是此次暴雨的主要动力抬升机制。水汽轨迹追踪表明此次暴雨的水汽源地主要有西太平洋、南海、孟加拉湾和欧亚大陆,低层水汽主要由偏南大气河输送,中层水汽主要来自于西南大气河。

华南秋季干旱的年代际转折及其与热带印度洋热含量的关系

采用1961—2014年逐月全球标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)数据集、ORA-S4海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,对华南地区秋季干旱的年代际转折及其与热带印度洋热含量的关系进行了研究。结果表明:华南秋季SPEI主要表现为全区一致变化型,且具有明显的年代际变化特征,在1988年发生了年代际转折,转折后(前)为偏旱(涝)期。进一步分析表明,华南秋季SPEI与同期热带西印度洋海洋热含量变化呈显著的正相关关系,即当秋季热带西印度洋热含量偏低时,华南地区SPEI偏小,易发生干旱。热带西印度洋热含量异常影响华南秋季干旱的可能机制为:秋季热带印度洋热含量变化表现为"<"型的东西向偶极子分布,即当热带西印度洋热含量偏低时,热带东印度洋热含量将会偏高;而热带东印度洋热含量偏高将会使热带东印度洋—西太平洋海表温度偏高、外逸长波辐射偏小、降水增多,凝结潜热释放增强,产生偏强的东亚Hadley环流,使华南地区存在异常下沉运动,不利于产生降水;热带东印度洋—西太平洋海表温度偏高,还会使西北太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大,西北太平洋存在气旋性环流异常,使华南地区受偏北气流异常控制,从而削弱了向华南地区的水汽输送。热带东印度洋—西太平洋海表温度年代际变化是热带西印度洋热含量异常影响华南秋旱年代际变化的重要环节,因此用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行了热带东印度洋—西太平洋海表温度年代际变化的敏感性试验,证实该区海表温度年代际升高对华南秋季年代际干旱具有重要作用。

典型拉尼娜事件与1988—1989年拉尼娜事件生命史演变差异性成因分析

利用海洋混合层海温热量收支诊断方法和两套海洋同化再分析资料,对比分析典型拉尼娜事件和1988—1989年特殊拉尼娜事件生命史演变成因。研究结果表明,典型拉尼娜事件在发展年冬季到达最强值后通常缓慢衰减,在次年秋季时再次增强形成第二次拉尼娜事件。而1988—1989年拉尼娜事件在发展年底时到达最强值后迅速衰减,并在次年秋季时依然维持衰减过程,最终回到气候平均态。诊断分析结果表明,风场强迫作用引起的纬向异常平流项变化是导致衰减年中两种类型拉尼娜事件海温变化倾向差异的主要原因。在典型拉尼娜事件衰减时期,西北太平洋上空以异常反气旋性环流为主,反气旋性环流南侧东风距平会激发海洋上翻Kelvin波向东传播,阻碍拉尼娜事件的衰减。而在1988—1989年特殊拉尼娜事件中,西北太平洋上空以异常气旋性环流为主。异常气旋性环流南侧西风距平将激发海洋下沉Kelvin波向东传播,引发海洋中自西向东的纬向异常暖平流帮助拉尼娜事件迅速衰减,最终回复到气候平均态。

一次双高空急流背景下南疆强降水事件的动力过程和水汽源分析

本文利用欧洲中心ERA-Interim和NOAA的再分析资料并应用拉格朗日后向轨迹追踪的方法对2015年5月24日发生在南疆的一次强降水过程进行了动力诊断和水汽特征分析。结果表明此次强降水过程的直接影响系统是中亚低涡前西南气流中发展的小槽,南北两支高空急流辐散场叠加引发的对流层高层加剧的抽吸作用和高低空急流的耦合作用共同导致了深厚强烈的上升运动,是这次强降水主要的动力抬升机制。TBB(black body temperature)的演变与降水的发生、发展有很好的对应关系,TBB中心降至-50°C以下时降水开始且随其中心强度的扩大降水也持续加强。进一步诊断发现,低层850 h Pa对流涡度矢量(CVV)垂直分量的正值中心在降水前6~12小时已可以大致体现未来强降水的落区。此次南疆盆地强降水的水汽主要源于黑海和里海,低空急流引导了一部分水汽进入南疆,HYSPLIT模式后向追踪的结果表明,此次强降水过程主要有两条水汽通道,均源于新疆以西的欧亚大陆但输送路径有所差异,偏西路径和转向路径分别主要输送800 hPa以上和以下的水汽,降水发生前两条路径在垂直方向上均有明显抬升,水汽辐合有利于暴雨的形成。

南亚高压强度与邻近地区垂直速度的相互依赖关系

利用ERA-Interim 1979—2018年6—8月的再分析资料,通过相关分析、信息流、合成分析等方法研究了南亚高压强度与其邻近地区垂直速度的相互依赖关系.结果表明:南亚高压在上对流层-下平流层区域具有上冷下暖的热力结构,冷、暖中心分别在70 hPa和250 hPa,以这两层的温度异常建立的温差指数可以反映南亚高压的强度.在不同时间尺度上,南亚高压强度与其邻近地区垂直速度的相互依赖关系是不同的.在月时间尺度上,南亚高压强度通过动力作用影响邻近地区的垂直速度,南亚高压增强(减弱)时,其东部地区的上升运动和西部地区的下沉运动同步增强(减弱);在日时间尺度上,南亚高压中部的垂直速度通过热力强迫影响南亚高压强度,南亚高压中部地区上升运动增强(减弱)时,南亚高压增强(减弱)且位置偏西(偏东).

我国江南夏季极端高温季节内变化特征初探

利用1979~2013年逐日最高温度观测资料,通过Butterworth带通滤波和功率谱分析等方法,分析我国江南夏季极端高温季节内变化特征。结果表明:7月中旬至8月中旬,江南地区(110°E^125°E,22.5°N^30°N)为高温日数高值区,高温日数存在季节内振荡信号。功率谱结果表明该地区日最高温度呈现出10~25 d的季节内振荡周期;在以10~15 d和20~25 d周期为主的低频变化典型年份(1989和1993年)中,影响系统与副热带高压并无直接联系,对流层中高层45°N存在2~3波的纬向波列,该波列的移动与传播可能与温度的低频变化有关。