夏季青藏高原及周边大气热源与四川盆地暴雨的关系

利用1960-2016年川渝逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了夏季青藏高原及周边大气热源与四川盆地暴雨的关系。结果表明,青藏高原及其周边的大气热源对四川盆地夏季暴雨频数具有显著的影响。影响关键区分别位于高原中南部及其南侧和高原中东部及其东侧,由此定义了一个影响四川盆地夏季暴雨频数的高原热力差指数Itc,该指数能够较好地反映出盆地夏季暴雨频数的东、西部差异变化特征。当Itc偏高时,副高位置偏西偏北,阿拉伯海、孟加拉湾水汽输送增强,同时贝加尔湖西侧槽或低压位置偏西,盆地西部水汽辐合上升异常增强,暴雨明显偏多;而盆地东部暴雨偏少。当Itc偏低时,副高位置偏东,来自于东南沿海的水汽输送在盆地东部增强,同时贝加尔湖南侧多阻塞形势,使得水汽在盆地东部辐合上升增强,产生暴雨偏多;此时盆地西部暴雨偏少。

青藏高原中东部和四川盆地的夏季雨滴谱对比分析研究

为了进一步认识青藏高原中东部和下游四川盆地的降水微观特征和差异,本文利用2019年7-8月和2020年7-8月那曲、玉树、林芝、巴塘、泸定和成都6个地区的雨滴谱观测资料,研究了不同地区之间的雨滴谱特征和差异,并提出了各个地区降水的Gamma谱形状参数-斜率参数关系和反射率因子-雨强关系。结果表明:因更多强对流降水的贡献,盆地和邻近地区(成都和泸定)的雨滴谱整体比高原地区(那曲、玉树、林芝和巴塘)的更宽,中大雨滴(直径≥1.0 mm)数浓度更高;而高原地区的降水主要来自层云和弱对流,整体雨滴谱更窄,小雨滴(直径<1.0 mm)数浓度更高。6个地区的雨滴谱均随雨强增大而变宽,数浓度也逐渐升高。不同地区之间的雨滴谱差异也会随雨强变化而改变,当雨强超过0.1 mm·h-1后,那曲和林芝的小雨滴数浓度随雨强增大而增大的幅度明显比其他地区更大;当雨强达到5 mm·h-1后,成都和泸定的中大雨滴数浓度与其他高原地区的差异也逐渐变大。在谱形状参数相同情况下,成都和泸定的谱倾斜率更小,反映了这两个地区雨滴数浓度随粒径增大而减小的速率比高原地区的更慢。在相同雷达回波强度(反射率因子)情况下,那曲和林芝层云降水的雨强比其他地区大;林芝对流降水在雷达回波低于40 dBZ时,雨强也比其他地区的大,而那曲对流降水在雷达回波大于40 dBZ后,雨强比其他地区的小。

四川盆地干湿西南涡个例大气环境效应对比研究

针对关注较少的西南涡大气环境效应问题,使用2014-2016年常规地面气象观测资料、空气污染监测数据、气象探空数据及NCEP的CFSv2再分析资料,统计了2014-2016年冬春季的西南涡及其对应时段的空气质量,发现在冬春季由于水汽缺乏,西南涡多属于不引发降水的干性低涡,其活动期间易造成四川盆地重空气污染过程。在此基础上又选取了四川盆地2015年两次干、湿西南涡活动过程进行了对比研究。首先对2015年12月29日至2016年1月3日重污染过程的探析发现,12月30日盆地上空形成干西南涡,其强度弱、厚度薄,其前部的弱下沉运动所产生的"焚风效应"使得成都上空形成脱地强低空逆温,产生极不利于污染物扩散的"锅盖效应",从而导致最大混合层厚度和近地面风速非常小,静稳型天气特征凸显,造成代表城市成都的细颗粒物PM10、PM2. 5的日间浓度均值分别上升为398μg·m^-3和268μg·m^-3,达到此次重空气污染过程中的峰值。与之相对比,研究发现2015年8月16-18日的湿西南涡活动过程中,强烈的垂直上升运动及其引发的强降水,产生了极有利的大气扩散和湿清除效应,迅速有效地降低了污染物浓度,与干西南涡加重大气污染的环境效应截然相反。

青藏高原低涡群发性与10～30天大气低频振荡关系的初步研究

通过统计1998年和2003年5-9月500 hPa高原低涡出现的时空位置和频数,确定出1998年和2003年的低涡群发期,着重讨论1998年夏季500 hPa相对涡度场、射出长波辐射（OLR）的10-30天低频振荡特征。结果表明：高原低涡的发生具有群发性特点,低涡群发期的出现具有周期性特征。低涡群发期与10-30天大气低频振荡有密切联系,尤其是10-30天振荡对低涡的群发具有重要影响。绝大多数高原低涡出现在10-30天大气低频振荡的正位相（气旋性）位相期和对流扰动的负位相（对流性）位相期,高原低涡群发期几乎都对应相对涡度10-30天振荡的气旋性位相期。10-30天大尺度正涡度的扰动为高原低涡的发生和维持提供了气旋性旋转的动力条件,促使高原低涡在扰动正位相期频繁发生,大气相对涡度的10-30天振荡对高原低涡的群发性具有重要的调制作用。青藏高原地区对流活动10-30天振荡的对流性位相是以低涡的群发为主要特征,高原低涡在对流位相期反复、连续地发生、发展,促使对流扰动活跃发展。

一次高原低涡东移引发四川盆地强降水的湿螺旋度分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测地面和高空资料,应用螺旋度原理,对2009年7月30～31日高原低涡东移引发四川盆地暴雨过程进行了天气动力学诊断分析。结果表明,500hPa湿z-螺旋度负值区水平分布与相应时段降水落区和强降水中心的分布对应较好,强降水时段,湿z-螺旋度负值有显著的增加;湿z-螺旋度垂直分布反映出暴雨发生时的大气动力特征,暴雨区上空低层正涡度、水汽辐合旋转上升与高层负涡度、辐散相配合,是触发暴雨的有利动力机制。相对螺旋度与降水落区及降水中心分布配合较好,并与未来6h降水落区及分布存在较好的正相关,强降水中心通常出现在相对螺旋度梯度的大值一侧,这对降水落区及强度分布的预报有一定参考价值。

青藏高原及其周围地区大气热源对川渝盆地夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国地面观测站的逐日降水资料,分析了青藏高原及其周围地区大气热源异常变化对川渝盆地夏季西涝东旱及东涝西旱发生的影响。结果表明,青藏高原东部经长江流域到渤海附近地区以及孟加拉湾到中南半岛附近地区大气热源减弱时,引起高纬冷空气和低纬暖湿气流向川渝盆地西部汇合,大量的水汽被输送到川渝盆地西部辐合上升形成降水,而东部地区的环流形势则不利于水汽辐合,最终导致西涝东旱;相反,青藏高原东部经长江流域到渤海附近、中南半岛经中国南海到菲律宾附近地区和中国西北部及蒙古国附近地区的热源加强时,引起高纬冷空气及低纬暖湿气流向川渝盆地东部汇合,大量的水汽被输送到川渝盆地东部辐合上升形成降水,西部地区环流形势也不利于水汽辐合,造成东涝西旱。

青藏高原和四川盆地夏季降水云物理特性差异

利用2008 2010年7、8月的Cloud Sat资料,统计分析了青藏高原(下称高原)、四川盆地及其过渡区域夏季降水云的宏微观物理特性和差异,并结合FY-2D的TBB和台站降水资料进行个例分析,深入探讨研究区域云物理特性的差异及其导致的降水差异。结果表明:(1)云宏观特性差异:在7、8月,高原降水云以Cu和Ci主,低云所占比例大于中云和高云,过渡区和四川盆地降水云主要为Ns和Ci,与四川盆地相比较,高原云底高、云顶低,云的厚度薄,对流较浅薄时便可降水。(2)云微观物理特性差异:高原降水云以冰云为主,混合相云次之,水云最少,四川盆地混合相云降水比例最大。统计时段多为云发展初期,高原已有比四川盆地和过渡区云中的冰相粒子有效半径大、谱宽较宽的趋势,而数浓度相近,利于冷云过程的发展,四川盆地冷云降水过程启动较慢。

高原涡和西南涡影响的两次四川暴雨过程的对比分析

为了进一步研究高原涡、西南涡对西南地区暴雨的影响,本文用中国气象局自动站与CMORPH降水数据融合的逐时降水资料、国家卫星气象中心的逐时FY-2E卫星的云顶亮温(TBB)资料、欧洲气象资料中心(ERA-interim)的再分析资料,通过天气学诊断分析方法以及拉格朗日轨迹模式HYSPLITv4.9,对发生在四川盆地的有高原涡东移影响西南涡发展引发暴雨的两次过程进行对比分析,发现:(1)两次暴雨过程的降水强度和分布有明显区别,并且TBB活动特征显示在过程一中有MCC(Mesoscale Convective Complex)的产生和发展,过程二则没有。(2)对于过程一,500 hPa上,高原涡逐渐减弱为高原槽并伸展到四川盆地上空,850 hPa上,在鞍型场附近有MCC的产生和发展,200 hPa上,高原涡在南亚高压北部偏西风急流下方的强辐散区内,位于南亚高压东南侧急流区下方稳定少动,偏东风急流北部有辐散中心,有利于西南涡的加强。对于过程二,500 hPa高原涡东移在四川盆地上空与西南涡耦合,形成一个稳定且深厚的系统,这也是过程二的暴雨强度比过程一强的最主要原因。200 hPa上,四川盆地始终位于南亚高压东侧的西北气流中,"抽吸作用"明显。(3)在过程一中,位涡逐渐东传且位涡增加的地方对应强降水区与MCC发展区,反映了暴雨和位涡的发展基本一致。在过程二中,中层位涡高值区从高原上东移并下传至盆地上空,两涡耦合使得上下层打通,位涡值比耦合之前单独的两涡强度更强。MCC产生的必要条件是中层大气要有强正涡度、强辐合和强上升运动,在未产生MCC前,过程一与过程二在盆地上空的动力条件甚至是相反的;从热力条件看,过程一中有明显的干冷空气入侵,增强不稳定条件,有利于MCC的产生并引发强降水;另一方面,本文也应证了二阶位涡的水平分布与暴雨落区有较好的对应关系。(4)通过拉格朗日方法的水汽轨迹追踪模式和聚类分析方法分析可得两次暴雨过程的水汽输送源地和通道也有明显区别,过程一主要有两条水汽通道,通道一来自阿拉伯海和孟加拉湾洋面的底层,通道二来自四川南部750 m以下高度;而过程二的主要水汽输送通道有三条,通道一来自西方地中海、黑海和里海上空1500~2500 m高度附近,通道二来自阿拉伯海和印度洋的底层,通道三的水汽从孟加拉湾低层绕过云贵高原直接输送到四川盆地。

青藏高原热力对四川盆地西部一次持续性暴雨影响的数值模拟

通过对四川盆地西部一次持续性暴雨过程的半理想数值模拟,研究了青藏高原热力作用对四川盆地持续性暴雨过程的影响。研究表明,高原的热力作用对于下游地区有着显著的影响,主要表现为:(1)关闭高原地面感热和潜热后,高原地区和四川盆地西部的降水明显减弱,而盆地中东部降水却有所加强,且四川盆地降水的日变化特征稍有减弱;(2)500 hPa青藏高原上的短波槽减弱,位于四川盆地中西部的背风槽强度、范围有所减弱,但低层盆地东部的气旋性涡旋加强;(3)涡度收支的定量分析发现,关闭高原热力作用后,盆地东部对流层低层垂直风切变的增强使得夜间倾斜项的正贡献增强,从而使该区域涡旋发展加强,盆地东部降水增强。

四川雅安三种主要大气污染物浓度与气象条件的关系及其预测研究

基于四川雅安城市空气质量预报和大气污染防控的需求以及冬季以颗粒物(PM2.5和PM10)污染为主、夏季以臭氧(O3)污染为主的特点,本文利用雅安市2015-2018年空气污染监测数据以及同期气象观测资料,重点分析雅安市空气污染物PM2.5、PM10和O3浓度变化特征的基础上,利用灰色关联度方法对上述污染物浓度与气象要素的相关关系进行了细致分析;通过BP神经网络进行两者的数学建模,构建了雅安市空气质量短期预报模型,并进行了试预报检验。研究表明:雅安市2015-2017年期间污染物O3、PM2.5、PM10浓度呈上升的趋势,空气质量达标率自2015年的92.7%降低到2017年的82.2%,2018年达标率略有上升为88%,但仍出现了9天中度污染和1天重污染。污染物浓度与气象要素变化相关密切,其中,降雨量和气压与PM2.5和PM10污染关联最大,表明雅安作为四川盆地的"雨城",其降水对颗粒物的湿清除效应是很显著的;而气温和风速与O3污染关联最大,恰好反映了高温和由高温所隐含的强辐射对O3生成的促进作用。由BP神经网络所建立的雅安O3预报模型,其准确度较稳定,各季7天平均相对误差都<19%,并且预报效果排序为夏季>冬季>秋季>春季;由BP神经网络所建立的雅安PM2.5预报模型,其在春季和夏季预测准确度较好,两季7日平均相对误差都<16%,秋季相对误差略高一点,其四季预报准确度排序为夏季>春季>秋季>冬季。此研究结果可为当地空气质量预报业务的开展提供技术支持。

青藏高原大气热源及其影响的研究进展

青藏高原及其热源效应对东亚以及全球的天气气候起着举足轻重的作用。青藏高原大气热源及其影响的相关研究有助于进一步加深对青藏高原大气热源及其影响的认识,提高高原地区天气系统发生发展的预报能力,提升高原地区降水的预报水平。本文较为系统地梳理了青藏高原大气热源的相关研究,涉及青藏高原大气热源的获取与特征,包括青藏高原大气热源的计算和青藏高原大气热源的时空分布及演变特征;青藏高原大气热源对季风、对降水的影响;青藏高原大气热源对天气系统的影响和作用,包括青藏高原大气热源对南亚高压、西太平洋副热带高压、高原低涡以及高原切变线的影响。在总结已有研究进展和成果的基础上,对今后青藏高原大气热源研究做出一定展望,提出值得进一步加强研究的方面。

高原季节转换时期大气环流变化特征

利用1961～ 2007年NCEP/NCAR的再分析逐日资料,分析高原主体上空大气环流的季节变化和受到高原影响的东亚大型环流系统的季节变化,以此证明本文得到的“高原普适性划分方法”的合理性.得到的初步结论概括如下：高原主体上空的位势高度、风场、高空温度、降水的季节变化和高原普适性季节划分方法划分的高原四季变化一致,高原南亚高压、副热带高压、副热带西风急流的三个特征指数季节变化和高原普适性季节划分方法划分的高原四季变化一致,这些结论都说明高原普适性季节划分方法划分的高原四季是合理的;风场季节率（500hPa、100hPa）显著区随高度升高向赤道靠近,风场季节率的变化主要和东亚季风的变化有关,大气环流系统季节率的显著说明了大气环流的季节变化,同时也证明了高原普适性季节划分方法的合理性.

青藏高原邻近地区大气热源对华北汛期降水年代际变化的影响

利用1957—2006年中国740站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用相关分析和合成分析等方法,分析了青藏高原及其邻近地区大气热源影响华北汛期降水的年代际变化的原因。结果表明:华北汛期降水量与青藏高原及其邻近地区的大气热源显著正相关,与江淮流域的视水汽汇显著反相关。以1978年为界,高原上空大气热源由之前的异常偏强改为之后的异常偏弱,直接导致了高原东部邻近地区包括华北在内的纬向垂直环流的年代际变化,即由之前的异常上升改变为之后的异常下沉,华北汛期降水也因此发生了由偏多变为偏少的年代际变化。华北上空视水汽汇的年代际减少,也是华北汛期降水年代际减少的重要的热力因素之一。

青藏高原季风活动与大气热源/汇的关系

利用1948-2013年NCEP/NCAR逐日和逐月再分析资料分析了青藏高原(下称高原)大气冷热源转换日期与高原季风爆发日期及二者强度的关系。结果表明:近66年来高原<Q1>呈现明显的季节变化,热汇最强在1月,热源最强在7月;高原由热汇转变为热源的日期大致在15候,而热源转变为热汇则大致在58候;高原热力作用与高原夏季风强度呈正相关关系,即当大气热源强(弱)时,高原夏季风强(弱);热源强(弱)年高原主体气流辐合较强(弱),而高原四周辐散较强(弱);高原主体与四周大气热力差异也呈明显的季节转变,7月高原主体与其四周大气的热力差和高原季风呈正相关,即当高原主体热源较四周大气强(弱)时,高原夏季风就越强(弱)。

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016-2017年夏季(6-8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0.158~0.220 m^3·m^-3)和中、湿区间(0.179~0.325 m^3·m^-3),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0.158~0.220 m^3·m^-3)对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0.179~0.325 m^3·m^-3)的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。

基于异常天气分析法探究四川盆地冬季大气污染的气象成因

以四川盆地冬季大气污染的气象成因为主要研究对象,采用异常天气分析方法,利用2014年3月-2019年2月四川盆地环境与气象观测站点的监测资料,探究2014-2018年冬季四川盆地细颗粒物(PM2.5)浓度的时空分布特征,并结合对气候平均状态下大气环境形势的分析,研究大尺度大气环流异常与四川盆地冬季PM2.5污染之间的响应关系。结果表明:2014-2018年冬季四川盆地PM2.5中度以上污染的天数呈波动式下降特征,高浓度的PM2.5污染主要集中在盆地西南部及东北部城市群;2014年和2016年冬季四川盆地上空500 hPa暖高压偏暖偏强,近地面附近存在"距平逆温",低空盛行偏南风,天气形势静稳,大气污染物不易扩散,促发PM2.5重污染的形成;近五年四川盆地冬季大气空气质量较好时主要对应两种大气环流形势,一种为500 hPa高空受冷低压的影响,盆地上空冷空气活跃,对流增强易产生降水,另一种为受500 hPa冷高压的控制,700 hPa高空盛行北风带来干冷空气南下,这两种环流形势均有利于大气污染物的扩散和清除。

青藏高原水循环中高原低涡及多季风交汇的研究进展

青藏高原以其特殊而强大的动力和热力效应,导致东亚季风、印度季风和高原季风在高原及周边地区交汇。受多季风交汇影响,青藏高原低涡的水循环过程极为复杂,而高原低涡水循环异常往往可造成高原及周边乃至我国中东部地区频发灾害性天气,因此一直是国内外学者关注的热点和难点问题。本文回顾了国内外关于高原低涡活动特征、结构特征、生成发展机制等方面研究进展,从高原低涡水汽输送、低涡降水和云—降水物理过程等角度概括了高原低涡参与水循环过程研究成果,在总结东亚季风、印度季风和高原季风相互作用研究的基础上分析了多季风交汇对高原水循环的影响。对多季风作用下高原低涡影响水循环方面存在的问题进行了讨论,并展望了未来研究方向。

1979-2015年青藏高原大气可降水量的变化特征

利用ERA-Interim再分析资料,计算了1979-2015年青藏高原上空大气可降水量,并分层分析了其空间分布、气候倾向率及年际和年内的变化特征.结果表明:各层可降水量空间分布和气候倾向率的大小值中心位置及区域差异不同,并且有明显的季节差异.通过检验发现1995年为突变年.年均及春、夏和秋季可降水量的平均值为突变年后高于突变年前,而冬季为突变年前高于突变年后.突变年前,年均和四季的可降水量都为上升趋势,突变年后,冬季为下降趋势,其他季节都为上升趋势,突变年前上升趋势速率比突变年后更快.从EOF分析的前3个模态可知,高原整层大气可降水量的空间分布为全区一致型、东西分布型和南北分布型.

四川盆地大气氨与氮氧化物排放对细颗粒物污染的影响及减排潜力

基于IASI、OMI与TROPOMI卫星数据识别了2008~2019年四川盆地氨与氮氧化物柱浓度的变化趋势,并进一步采用空气质量模型CMAQ对2019年冬季四川盆地氨排放的大气环境影响进行了研究,评估了氨与氮氧化物单独减排及氨与氮氧化物协同减排情景下对四川盆地颗粒物污染的影响.结果表明:2008~2012年四川盆地氮氧化物排放逐年升高随后在2013~2019年迅速下降,而氨柱浓度在2008~2013年期间较为稳定,自2014年起迅速增长.四川盆地氨排放的高值区主要集中在人为活动强烈的成都及周边地区和川南城市群以及农业源氨排放主导的川西北地区.铵根离子在川南城市群的PM_(2.5)当中占比高达11.4%,而对川西地区城市的PM_(2.5)贡献较低.敏感性实验结果表明,氨与氮氧化物协同减排50%能有效降低大气中硝酸铵与硫酸铵的浓度,从而减少细颗粒物污染,改善四川盆地区域环境空气质量.