摘要:北极涛动(Arctic Oscillation,AO)作为北半球冬季中高纬度大气环流年际变率的主模态,是气候可预测性的重要来源之一。然而,AO对中高纬度地表温度、土壤湿度、积雪等陆面特征变量的影响缺乏系统研究。本文基于ERA5和ERA5-Land再分析资料,通过回归分析和物理过程诊断,揭示了AO对冬春欧亚陆面变量的影响规律和机理。结果发现:伴随正位相的AO,欧亚地表温度呈现南北偶极型分布,即欧亚北部地表异常增暖,而欧亚南部地表异常变冷;而积雪和土壤湿度异常则总体呈现南北向三极型空间分布,即中纬度地区积雪覆盖和雪深异常减小、土壤异常干燥,而高纬度地区雪深异常增加、土壤异常湿润,低纬度地区积雪覆盖和雪深异常增加、土壤异常湿润。AO相关的大气环流异常主导的异常水汽输送驱动了上述欧亚陆面变量异常的形成。欧亚北部(南部)水汽的异常辐合(辐散)引起整层水汽和云量增加(减少),导致向下长波辐射增加(减少),使得北部(南部)地区地表异常增暖(变冷)。同时,异常水汽输送引起的降雪和降水异常导致了积雪和土壤湿度异常空间分布的形成。水汽的异常辐散(辐合)引起降雪或降水减少(增加),导致了欧亚中纬度地区(高纬和低纬度)积雪覆盖、雪深、融雪和土壤湿度异常减少(增加)。此外,AO驱动的积雪覆盖异常通过冰雪反照率反馈加剧了青藏高原地表温度异常。

摘要:本文基于1980—2005年ENSEMBLES(Ensemble-based Predictions of Climate Changes and their Impact)季节—年际多模式历史回报数据和20世纪耦合季节预测(CSF-20C)回报数据的月平均海温、地表气温、降水、风场及位势高度场资料,利用依赖月份的集合成员间奇异值分解方法研究了北大西洋海温异常影响东亚气候的两种途径。结果表明,春、夏季热带北大西洋海温暖异常与西南风异常密切耦合,暖中心由春至夏季加强西移,该暖海温异常能够激发东传的Kelvin,造成夏季西北太平洋异常反气旋显著增强,促进了中南半岛北部、日本南部及我国南方大部的降水增长。而中高纬度北大西洋海温在春季呈现东北暖、西南冷的偶极子型异常,该海温异常通过与风场的强烈耦合,激发了遥相关波列,影响乌拉尔山阻塞高压及东亚大槽,造成东北亚地区的低压异常,导致了朝鲜半岛、日本大部及我国东部的气温降低。

摘要:本研究使用1961—2020年长江流域161个气象站点汛期时降水量数据,利用Mann-Kendall趋势分析等方法,分析长江流域汛期降水量集中度、集中期,揭示长江流域降水的时空变化趋势和规律。通过分析洪水年汛期间的降水量时空分布特征,探索降水量集中分布特征和规律与长江流域洪涝发生的关系。结果表明,长江流域汛期各站平均降水量集中度保持在0.65~0.80,整体呈现由东向西递增的趋势,长江流域多年平均最大降水量集中期主要表现为以鄱阳湖和洞庭湖流域以及四川盆地为中心向四周滞后。在长江流域的典型洪水年,除了汛期间降水量较高之外,降水量集中度、降水量集中期均有比正常年份更集中、更异常的特点。

摘要:本文利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料、地面区域自动站资料和MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System)资料对云南四次冬季强降水过程进行研究,再运用HYSPLIT模式(Hybrid Single-Particle Lagrangian Intergrated Trajectory)方法模拟影响云南冬季强降水的主要路径及不同源地的水汽贡献。结果表明:过程1受南支槽、切变线以及地面冷锋共同影响,是近年来云南冬季全省性暴雨的最强过程。过程2—4则仅受南支槽和地面冷锋或准静止锋影响。日平均整层水汽通量大小与暴雨站数具有明显正相关。降水时对流层低层至高层西、南边界均为水汽输入。过程1水汽收支最大,强降水范围最大。过程2、3水汽输入较大,但同时水汽输出也较大,收支中等,强降水范围次之。过程4水汽收支最小,强降水范围最小。云南暴雨区500 hPa的水汽中41%来自印度洋、55%来自大西洋、4%来自西太平洋。云南暴雨区700 hPa的水汽中26%来自西太平洋、59%来自印度洋、15%来自大西洋。地面以上100 m高度的水汽17%来自西太平洋、83%来自印度洋。对比四次过程水汽通量和降水实况,来自印度洋的水汽对于降水有重要作用。

摘要:选取我国西南高原地区2014年5月9—10日一次致灾性强降水过程,利用GPM(Global Precipitation Measurement)卫星全球逐半小时降水实况数据和ERA5(ECMWF Reanalysis v5)等再分析资料,进行集合预报模拟、评估及机理分析。结果表明:(1)WRF模式较好地再现了此次高原强降水过程,基于BGM(Breeding Growth Mode)和LBGM(Local Breeding Growth Mode)初始扰动方法生成的集合平均预报对于此次高原强降水过程预报效果优于控制预报,且LBGM评估结果更优;(2)湿位涡的正压项MPV1和斜压项MPV2对强降水均有一定的指示意义,850 hPa MPV1负值区和MPV2正值区与降水雨带的落区、强度发展演变有较好的对应关系;(3)LBGM方案对于降水强度的改善优于BGM方案,原因之一在于LBGM方案对水汽通量散度和涡度的模拟更合理。

摘要:利用再分析格点资料,风廓线雷达、微波辐射计、雨滴谱仪、S和X波段双偏振雷达等多源探测资料,分别从形势背景和降水精细结构特征等不同尺度,分析台风"烟花"造成南京短时强降水的成因,并探索新型探测资料在提升短期临近预报能力中的应用。结果表明:(1)有利的气旋组织结构、环境风场、水汽传输、环流形势为短时强降水产生提供大尺度背景条件。迅速发展的边界层急流和强垂直风速切变,以及逆温对两者的正反馈作用,触发了短时强降水。增强的水汽密度和云水含量、增厚的饱和湿层,有利于降水的维持。高数浓度小雨滴经暖雨过程后,生成了较低数浓度、形状规则、纯液态的中—大粒径雨滴,导致雨强的增强,回波呈低云顶、低质心、较高反射率强度的特征。(2)新型探测资料对预判此次短时强降水的产生和强度体现出较好指示作用,温湿风廓线提前1.5~4 h表征了风暴组织结构的增强,微物理参量提前0.5 h预示了降水的强度和性质。(3)X波段雷达探测的强降水回波强度弱、范围小、衰减明显,但可以获取边界层以下云水粒子的微物理特征,与S波段雷达配合可以有效提升低层的监测能力。

摘要:采用NCEP/NCAR再分析资料对2019年超强台风"利奇马"的干空气和冷空气侵入特征进行分析,并利用WRF模式进行数值模拟试验。结果表明:冷暖空气主要在台风西侧对峙,低层冷空气从台风西北侧随台风倒槽和西风槽旋转逐渐包围台风主体,随着槽后暖脊东移,中高层槽后冷空气逐渐被填塞,低层冷空气侵入更加明显。干空气在台风西侧聚集,中高层干空气从南侧侵入台风环流,破坏台风高层暖心结构,导致台风不对称性增强。数值模拟显示,冷暖空气对峙位置及强度与暴雨落区及强度有较好的对应关系。冷空气强度减弱后,侵入速度明显减慢,温度梯度减小且大值区偏西,低层辐合高层辐散的动力条件变差,造成降水减弱,雨带分布偏西。冷空气通过改变台风外围西风槽强度及温度梯度,影响急流强度,进而导致台风强度的变化。干空气在模拟前期由于水汽在旋转输入途中不断损耗,侵入速度减慢,对台风影响较小;在模拟后期,干空气侵入强度减弱后,对中高层结构破坏减弱,台风变性速度变慢。

摘要:本文利用ECMWF ERA-INTERIM(0.25°×0.25°)再分析资料和FY-2H卫星云顶亮温资料,通过计算锋生函数、非地转风、水平风切变强度的分布与暴雨的关系,对2020年7月5—7日江苏一次暴雨过程的成因进行了诊断分析。结果表明,强降水区中低层锋生、中高层锋消。850 hPa锋生变化能反映出对暴雨的影响,散度项、变形项对锋生为正贡献,变形项、倾斜项与总锋生变化趋势基本一致,散度锋生始终伴随整个降水过程,暴雨最强阶段是由倾斜锋生叠加在水平锋生上作用的结果。锋生加强了风场的非地转性,并强迫出锋面次级环流,非地转风的散度形成次级环流上升支。对流层低层,锋生强度随急流发展同步增强。200 hPa高空急流经向v场变化与暴雨强度演变趋势正相关:暴雨开始阶段,v场增大,降水增强;当高空急流v场最大时,暴雨最强;暴雨减弱结束阶段,高、低空v场减小,北风增大,高空西南风急流右后方次地转现象消失,转为超地转西南风。

摘要:利用1961—2019年广东省86站逐日降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,对广东前汛期连续暴雨统计特征进行分析,并从500 hPa中低纬度环流条件、850 hPa u、v风场条件和高低层散度条件3个方面进行综合分析,建立了广东前汛期连续暴雨的天气概念模型。结果表明:(1)广东前汛期连续暴雨过程4、5、6月占比分别为12.0%、38.9%和49.1%,过程主要发生在5—6月。(2)对108次历史连续暴雨过程进行检验统计,其中102次符合概念模型,回报准确率达94.4%;应用概念模型准确预报了2020年6月5—9日的连续暴雨过程,说明其具有较好的预报能力。

摘要:利用2018—2019年多普勒激光雷达资料及Micaps数据,探讨了北京地区边界层低空急流的季节变化、日变化及发展演变特征,统计分析了不同天气系统下,边界层低空急流出现的频次。结果表明:(1)北京地区边界层低空急流表现出明显的季节性差异特征。急流在春、夏、冬季每日发生的频率分别为56.2%、52.3%、54.8%,而秋季最高,为79.4%,且四季都存在单日多急流过程的现象;急流轴高度表现为单峰状态,春、冬两季急流发生频率与高度呈反比,秋、冬两季的急流多发生于200~400 m低层峰值内;北京地区全年急流强度多以弱急流为主,主要集中于5~9 m·s^-1,春、秋及冬季急流强度较弱,夏季急流较强。(2)北京地区边界层低空急流具有明显的日变化特征,近89.5%的急流发生于夜间,日间发生的急流主要集中于上午,发生频率为7.6%,统计发现这部分急流主要为夜间急流的延续。(3)北京地区边界层低空急流按其发展特征可分为5种类型:经典型、抬升型、下沉型、间歇型及弱风速带型。(4)急流多发的天气形势可分为高压控制、高压前部、高压后部、高压底部、高压顶部及均压场6种类型,急流发生频率分别为11.1%、9.5%、7.9%、6.3%、15.9%及38.1%。

摘要:基于中尺度气象—化学模式WRF-Chem,研究了黑碳气溶胶自周边地区向青藏高原输送的季节性差异,并分析了其可能原因。结果表明:青藏高原近地面平均黑碳气溶胶浓度夏季最低,春季最高。青藏高原当地黑碳气溶胶主要来自于南亚地区,其次是东南亚地区,我国贡献相对较小。春季南亚地区的黑碳气溶胶主要通过干沉降输送至高原,夏季仅有少量的黑碳气溶胶通过湿沉降的方式从我国输送至青藏高原的东北部地区,冬季青藏高原近地面的黑碳气溶胶均通过干沉降从南亚地区输送而来。

摘要:本文利用主要的大气污染物浓度和气象观测要素、ERA-5再分析数据等资料,结合后向轨迹模式(HYSPILT),对2020 年12月长三角地区连续重污染期间的气候背景、天气形势及气象特征进行了分析。结果表明,此次污染过程是发生在西伯利亚高压偏强,低空存在逆温的背景下,弱冷空气将山东南部的污染物不断向长三角地区输送,后受弱气压场控制,污染物滞留在长三角地区,在稳定层结、高湿小风、二次生成及污染边界层正反馈的作用下,污染物不断累积,污染质量浓度增大,表现了该地区大气重污染的复杂特征。

摘要:利用气象常规观测资料以及国家环境监测站PM_2.5质量浓度资料,分析2019年3月1—6日北京持续性雾霾过程特征、环流形势和气象影响因子;再基于HYSPLIT模式,模拟过程期间北京近地层气团的后向轨迹;采用WRF-Chem对污染过程中PM_2.5输送通量进行模拟分析。结果表明,在整个污染过程中北京高空环流平直或受槽后西北气流控制,地面受弱高压或低压槽控制,风速较小,近地层逆温维持,气象条件不利于污染物扩散;PM_2.5质量浓度与地面风速、相对湿度变化明显相关,是影响PM_2.5质量浓度日变化的重要气象因子;除不利于本地污染扩散的气象条件外,HYSPLIT轨迹聚类结果显示,本次污染过程中有向北京的污染气团输送,以西南—东北向路径为主,此类轨迹占比大、PM_2.5平均质量浓度大,在污染输送中贡献最大;WRF-Chem模拟PM_2.5输送通量结果表明在整个污染过程中北京南侧和东侧有较大的PM_2.5输入通量,与轨迹模拟结果及北京东南部污染相对西北更重的观测实际基本一致。

摘要:为获取不同种类冰相粒子拟合谱参数的统计关系,本文利用2017年5月22日的飞机原位探测数据,对中国北方地区的冰相粒子谱进行研究。针对机载高容量降水光谱仪(High Volume Precipitation Spectrometer, HVPS)观测数据,提出了一种基于决策树方法的图像分类算法,可将水凝物粒子分为小冰晶、柱状冰晶、聚合状雪花和雨滴,并提取出水凝物粒径、轴比和数量等特征,结合采样体积计算沿飞行轨迹的各类水凝物的粒子谱。利用观测粒子谱的各阶矩将其拟合为Gamma谱分布,并分析谱分布参数间的统计关系,该关系可作为雷达反演模型的约束条件。为了验证拟合粒子谱参数的准确性,利用T矩阵方法计算沿飞行轨迹的各类水凝物散射特性,并使用雷达模拟器结合拟合粒子谱模拟雷达变量。结果表明,模拟雷达反射率与附近S波段雷达观测结果吻合良好,在整个飞行过程中平均绝对误差为19.55%,这可能是由飞行观测和雷达观测的采样体积不同以及T矩阵方法中参数假设所造成的。基于观测构建中国北部背景下粒子谱和雷达变量间的物理关系,可以改进冰相粒子谱的雷达反演算法,为进一步分析冰相微物理过程,提高数值预报的准确性提供基础。

摘要:FY-3G是我国首颗低倾角轨道降水卫星,于2023年4月16日成功发射升空,主要用于灾害性天气系统的降水监测,观测范围在50°S~50°N内。MWRI-RM (Microwave Radiation Imager for the Rainfall Mission)是FY-3G搭载的主载荷之一。与搭载在FY-3B/C/D上的微波成像仪不同,MWRI-RM 设有26个通道,包括中心频率覆盖10~89 GHz的大气窗区通道1~10,54 GHz附近的温度探测通道11~18、118 GHz和166 GHz的弱降水探测通道19~23、以及183 GHz附近的湿度探测通道24~26。本文发现MWRI-RM 26个通道观测亮温均存在条纹噪声。频率范围在10.65~36.5 GHz观测资料中的条纹噪声相对较小,大部分在±0.3 K之间;频率范围在89~183 GHz观测资料中的条纹噪声较大,除大部分在±0.5 K之间外,有些可达±1 K。本文所使用的条纹噪声去除方法能使海陆边界和云边缘处的亮温突变不被误认为条纹噪声的一部分,保证亮温重构场的正确性。识别和消除条纹噪声是MWRI-RM亮温观测降水产品反演和数据同化应用的重要步骤。

摘要:2021 年 5 月10 日和2022年3月16日,湖北省东部分别发生14级和12级的极端雷暴大风天气过程(简称"5·10"和"3·16"过程)。本文利用地面加密气象站的观测资料和ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料及多普勒天气雷达等资料,对比分析了两次过程产生的环境背景和雷达回波特征。结果表明: (1)两次过程均受川东低槽和中低层低涡东部暖切变的影响,呈现上干冷下暖湿、低层辐合高层辐散的特征,表征雷暴大风的物理量如对流有效位能、下沉对流有效位能等极端异常,环境场有利于极端雷暴大风发生。(2)两次过程均由冷池出流形成阵风锋触发雷暴大风,但"5·10"过程还受其他地面中尺度辐合影响。(3)两次过程强风暴均由多个单体合并发展而成,"5·10"风暴高度更高,而"3·16"则强度更强,"5·10"表现出小弓状回波及其后侧弱回波通道特征;"3·16"弱回波区清晰,表现出类超级单体特征。(4)速度图上均表现出低仰角大风区和小尺度的辐散特征。"5·10"过程以低仰角大风区为主,大风由超低空急流叠加下击暴流造成;"3·16"过程则以中层径向辐合和最大反射率因子的快速下降特征为主,为下击暴流大风。

摘要:本文利用白鹤滩水电站峡谷区2020年11月—2021年7月的观测数据,选择多种风场变化情景时段,将边界层风廓线雷达与地面和高空观测结果进行对比分析,以检验风廓线雷达在特殊地形下的探测效果。结果表明:(1)风廓线雷达能够准确捕捉到低空0.5~1 km的风速演变信息,且能够反映边界层低空急流和2~3 km低空急流的发展,以及山谷风的转换时间,雷达数据获取率在地面低风速时段较强风速时段高,但受自身探测体制的制约和山区峡谷特殊地形的影响,雷达在0.5 km以下获取的有效数据量少,且探测的风向风速与地面观测存在不一致,在低风速时段还有风速瞬时异常增大现象。(2)在峡谷区大风伴随降水天气中,风廓线雷达探测有效数据的高度增加且整层数据获取率增加,其中0.7~3.5 km数据获取率大于90%。且能够探测2~3 km的强垂直风切变及其高度变化。当降水增强时,雷达探测的大气折射率结构常数和垂直风速值都会显著增大,且大值区高度上升。(3)对比风廓线雷达与ERA5再分析数据和探空观测的结果,发现在4 km以下雷达探测结果稳定,在4 km以上由于雷达探测体制的影响,探测结果不稳定。具体表现为雷达能够准确探测低空急流高度和强度,并获取1~4 km冷暖平流特性。

摘要:本文使用MICAPS天气图、闪电数据、雷达回波等资料,采用天气学、雷达气象学的原理和方法,对2018—2022年江西4次超级单体冰雹回波特征进行分析。结果表明:(1)超级单体发生在500 hPa低槽东移过程和"上干下湿"的重叠地区。超级单体垂直速度区比较明显,正负速度梯度密集、分布零散,对应雷达回波上是典型的雷暴回波群超级单体结构。(2)赣州市石城观音坑超级单体冰雹直径≥2 cm,回波强度为65 dBZ,强回波面积为119 km²;南昌超级单体冰雹直径≥10 cm,回波强度≥70 dBZ,强回波面积为750 km²,并具有"盾"形回波结构;新余罗坊镇超级单体冰雹直径≥2 cm,回波强度为65 dBZ,强回波面积为280 km²;浮梁县经公桥镇、西湖乡微型超级单体冰雹直径≤2 cm,回波强度≤60 dBZ,强回波面积为119 km²。(3)超级单体垂直积分液态水含量VIL≥60 kg·m^-2,反射率因子垂直剖面RCS上回波强度≥65 dBZ,有回波核与倾斜;60 dBZ回波顶高在10 km以上。(4)超级单体"盾"形回波结构在底层1 000~2 000 m比较明显,层次越高有所分散,甚至形成多个回波中心。超级单体风暴中1 000~4 000 m 高度风场变化比较杂乱,可见辐散、辐合等多种矢量流线,5 000 m 以上风场趋于一致。

摘要:利用2008—2022年江苏省65个县、区的大风灾情数据和同步气象资料,对不同量级的灾情指标做规范化处理,建立综合灾情指数;经K-均值聚类分析,确定大风指标和灾情等级;基于各等级大风的成灾频率和灾情指数构建大风灾害损失风险评估模型,结合GIS的空间分析技术开展江苏省大风灾害损失风险评价研究。结果显示,江苏省大风灾害损失风险分布总体呈现北高南低的态势,灾害损失的高、中风险区主要分布在淮北西部、沿淮东部以及苏南的局部地区,而连云港和淮河以南大部分地区大风灾害损失风险相对较低,这在一定程度上体现出江苏各地的大风成灾风险水平和抗灾能力。