高原气象

高原气象

第39卷 第3期 2020-06-28   

论文

  • 青藏高原东缘峨眉山地区冬季地表能量交换特征研究
  • 吕钊;李茂善;刘啸然;阴蜀城;宋兴宇;伏薇;王灵芝;舒磊
  • 2020 Vol. 39 (3): 445-458.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00087.   
  • 摘要 ( ) PDF (4420KB) ( )
  • 利用青藏高原东缘峨眉山站2018年11月至2019年2月的观测数据, 分析了峨眉山地区近地层气象要素的变化特征, 并运用涡动相关法、 土壤温度预报校正法（TDEC）和最小二乘法等, 讨论了地表能量交换特征, 并与藏东南丹卡站和排龙站进行对比分析。结果表明: 在峨眉山地区冬季感热通量占主导。地表辐射各分量日变化均呈单峰结构, 短波辐射的峰值在峨眉山地区于13:00(北京时, 下同)左右出现, 而长波辐射到达峰值的时间段要晚于短波辐射, 在14:00左右出现。地表反照率月变化明显, 日变化呈“U”型, 即日出后和日落前较大, 日间较小的趋势, 但在日出后和日落前的值并不相等。峨眉山站冬季地表反照率均值为0.29。峨眉山区域地表能量不闭合现象十分显著, 日间和夜间的能量闭合程度差异很大。在考虑地表0~5 cm处的热量储存的条件下, 白天闭合程度最好为67.22%, 夜间闭合程度最差为65.09%。与藏东南丹卡站和排龙站对比分析表明: 丹卡、 排龙站地表辐射各分量达日峰值时间晚于峨眉山站。峨眉山站冬季的地表反照率高于丹卡、 排龙站, 月变化更加显著。峨眉山属于青藏高原东缘地区, 其地表能量闭合程度大于青藏高原上部分站点。
  • 青藏高原那曲地区夏季水汽来源及输送特征分析
  • 曾钰婷;张宇;周可;姚豫奇;杨林峰
  • 2020 Vol. 39 (3): 467-476.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00120.   
  • 摘要 ( ) PDF (5172KB) ( )
  • 青藏高原作为“亚洲水塔”, 研究其降水来源对我国水安全和水资源利用有重要意义。本文使用中国地面气候资料日值数据集, 并用GDAS资料驱动HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）拉格朗日模式, 分析了那曲地区2014年夏季的水汽输送轨迹和不同等级降水的轨迹。结果表明: （1）夏季水汽输送轨迹有明显的月、 旬变化, 主要是由于夏季风的向北推进造成的。印度洋、 阿拉伯海、 孟加拉湾、 大西洋和中亚为5条主要的水汽输送路径。 （2）小雨和中雨存在南方路径和西方路径, 而大雨只存在南方路径; 海洋的水汽输送对降水等级具有决定性作用。 （3）1天前水汽来源大值区为雅鲁藏布江流域; 3天前水汽来源大值区为印度与不丹的交界; 大雨的水汽来源较小雨和中雨更加集中; 水汽贡献分布集中的区域与水汽轨迹追踪的终点有较好的对应关系。 （4）水汽源地: 小雨主要来自阿拉伯海、 孟加拉湾、 印度、 新疆以及中亚地区; 中雨主要来自印度洋、 阿拉伯海、 孟加拉湾、 印度、 新疆以及中亚地区; 大雨主要来自阿拉伯海和孟加拉湾。
  • 考虑碳氮水过程的动态根系方案在陆面模式SSiB4中的应用及效果评估
  • 张一帆;缪昕;郭维栋
  • 2020 Vol. 39 (3): 511-522.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00005.   
  • 摘要 ( ) PDF (5175KB) ( )
  • 根系是植被重要组成部分, 根系的动态变化可以通过调节根系吸水量改变土壤湿度, 进而影响土壤蒸发等物理过程及植被蒸腾、 光合作用等生化过程, 最终改变生态系统物质循环和水热循环。本研究考虑土壤水分胁迫及土壤养分（氮）胁迫, 模拟根系碳量在不同土壤层中的动态分配过程, 用根系碳量比例表征根系的动态变化。基于SSiB4模式在亚马逊地区BRSa3站点、 中国江西千烟洲CN-Qia站点进行单点模拟试验, 研究动态根系方案对土壤湿度及陆气通量模拟结果的影响。结果表明: 根系动态分布使更多深层土壤水分被吸收利用, 改善了浅层土壤湿度的模拟效果, 进而提高二氧化碳通量、 感热及潜热通量的模拟精度。其中, BRSa3站点和CN-Qia站点浅层土壤湿度日平均的观测值与模拟值的相关系数分别提高了0.02和0.04, 二氧化碳通量的相关系数分别提高了0.76和0.13, 均通过99%显著性水平检验; 改进了BRSa3站点干旱季和CN-Qia站点夏季碳吸收能力, 二氧化碳通量的绝对偏差的改进幅度分别为33%和106%, 二氧化碳通量日平均的观测值与模拟值的相关系数, 分别提高了0.17和0.26, 均通过99%显著性水平检验。总体而言, 模拟时间段内各变量都更接近观测值, 土壤湿度和二氧化碳通量的改进效果比感热通量和潜热通量的改进效果更加显著, 土壤湿度通过土壤物理作用对感热通量和潜热通量的间接影响方式可能是造成差别的原因。各变量在BRSa3站点的改善更明显一些, 不同植被覆盖类型的根系深度与结构可能是造成结果差别的主要原因。
  • 利用大涡模式模拟黄土高原地区对流边界层特征
  • 李雪洮;梁捷宁;郭琪;徐丽丽;张镭
  • 2020 Vol. 39 (3): 523-531.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00050.   
  • 摘要 ( ) PDF (7374KB) ( )
  • 边界层湍流所引起各物理量的垂直输送在大气过程中起着重要作用。研究对流边界层特征对分析污染物扩散条件, 认识陆气间物质、 能量的输送交换机制和提高数值模式模拟能力具有重要意义。受限于目前许多地区通量观测站较少、 资料时空分辨率较低, 为了研究黄土高原地区大气边界层结构及其特征, 将中尺度气象模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model）与大涡模式WRF Large-Eddy Simulation（WRF-LES）嵌套使用, 分析了黄土高原夏季温湿廓线情形下, 由热力驱动的边界层结构特征。结果表明: （1）WRF-LES模拟的地面风温场能较好地显示边界层典型湍流结构, 其他气象要素的模拟结果也比较符合边界层实际。（2）混合层顶所在的1000 m高度处垂直湍流强度最大, 强夹卷作用导致湍涡尺度减小且涡旋数量增多。（3）在模拟区选定的参数化方案下, 采用夏季实际粗糙度0.062 m替换模式默认值0.1 m, 发现使用实际粗糙度的模拟温度较之前低0.4 K, 与模拟区中心处的观测数据更接近, 说明采用合理的粗糙度对提高WRF-LES模拟效果有重要作用。
  • Ka/Ku双波段云雷达探测云降水滴谱和空气垂直运动速度的能力模拟分析
  • 郑晨雨;刘黎平
  • 2020 Vol. 39 (3): 543-559.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00126.   
  • 摘要 ( ) PDF (9165KB) ( )
  • 由于湍流、 雷达探测灵敏度等对单波长云雷达探测回波强度谱密度的影响, 造成了云雷达探测空气垂直运动速度和雨滴谱的误差, 而双波长云雷达利用Mie散射造成的不同粒子后向散射大小差异来提高空气上升速度探测精度, 从而提高反演雨滴谱的能力, 并且可提高订正雨区衰减的能力。为此中国气象科学研究院研发了Ka/Ku双波段云雷达, 并于2019年4月开始在广东龙门进行了云降水观测。本文针对该双波段云雷达观测模式和灵敏度等参数, 在Gamma滴谱假设条件下, 模拟分析了Ka、 Ku波段功率谱及其比值与云降水参数、 温度和湍流的关系, 研究了雷达灵敏度、 湍流对空气垂直速度、 雨滴谱反演和衰减订正的影响, 并利用个例数据进行了风场反演试验, 讨论了双波段探测微降水动力和微物理参数的优势。结果表明: （1）温度只能影响两个波段功率谱比值（Ratio）的大小, 对其峰值位置基本没有影响, 而湍流对其峰值位置的影响不超过0.5 m·s-1; （2）湍流、 雷达灵敏度对单波段云雷达探测空气垂直速度的影响比较明显, 湍流使空气上升速度被高估, 雷达最小可测回波强度随高度的增加而增加使该参数被低估, 其影响远远大于温度和湍流对双波段云雷达反演空气垂直速度的影响; （3）对于单波段雷达来说, 雷达灵敏度和湍流明显影响雨滴谱、 含水量和衰减系数的探测, 湍流使得雨滴谱拓宽, 低估含水量和衰减系数; 而雷达灵敏度却使反演的雨滴谱变窄, 增加小粒子数浓度, 并高估了含水量和衰减系数; （4）选取2019年4月15 -16日的个例进行空气上升速度的反演, 并与模拟分析的结果进行对比。结果显示实际观测数据反演的空气上升速度与模拟分析结果中的趋势较为一致。这项工作为单波段和双波段云雷达的多普勒功率谱数据分析和云降水微物理和动力参数的反演可提供参考。
  • 2017年华西极端秋雨的季风环流异常特征及机理
  • 鲍媛媛;李勇;康志明
  • 2020 Vol. 39 (3): 560-569.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00056.   
  • 摘要 ( ) PDF (8201KB) ( )
  • 利用NCEP/NCAR再分析资料及NOAA OLR、 海温距平等资料, 分析华西秋雨极端偏强年2017年季风环流的异常特征及其影响, 并探讨季风环流异常机制。结果表明: （1）2017年, 南亚高压偏强偏北偏东, 西北太平洋副热带高压偏强偏北偏西, 东南亚西南季风和南海东南季风均偏强, 与干空气共同作用形成极端偏强秋雨。（2）赤道西太平洋和中东太平洋海温正负距平对比鲜明, 从而形成偏强Walker环流, 使得赤道西太平洋和南海台风活跃, 并形成强热源; 热源中心上升气流与10°S以南热带下沉气流形成强大次级环流圈; 多种因素共同加强西北太平洋副热带高压及东南季风, 并引导赤道西太平洋和南海水汽进入华西地区。（3）青藏高原冷空气势力弱, 感热强, 其东部到华西地区对流凝结潜热强, 因而热源明显偏强, 大气中高层温度显著偏高, 有利于南亚高压、 西北太平洋副热带高压和西南季风偏强, 是该年华西极端秋雨的另一重要因素。（4）本个例赤道太平洋海温异常变化发生在盛夏后期, 超前于西北太平洋副热带高压由弱变强一个月左右, 海温过程性变化对于短期气候预测和延伸期预报具有特别重要的指示意义。
  • DSD参数对双频雷达估测降水的影响研究
  • 刘胜男;王改利
  • 2020 Vol. 39 (3): 570-580.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00092.   
  • 摘要 ( ) PDF (3828KB) ( )
  • 双频雷达通过估计降水的雨滴谱分布（Rain Drop Size Distribution, DSD）参数来估测降水， 相比多普勒天气雷达利用Z-I关系估测降水的方法， 估测结果更加准确。真实的雨滴谱分布随时空不断变化， 难以准确描述。本研究的目的是评估将其描述成Gamma分布模型对双频雷达估测降水造成的误差。研究中利用架设在广东龙门和西藏那曲的雨滴谱仪观测资料， 计算Ku/Ka双频雷达的反射率因子， 利用双频雷达算法反演降水率R和衰减系数k， 并将其与雨滴谱仪直接计算的结果进行比较， 探讨双频雷达反演算法中DSD模型对反演结果造成的影响， 并对比反演误差的地区差异性。研究结果表明: DSD参数对双频雷达反演降水的影响在那曲和龙门地区有一定的差异。从双频技术反演的质量加权的粒子直径（Dm）、 Ka波长衰减系数（kKa）、 Ku波长衰减系数（kKu）和降水率(R)来看， 当Gamma分布的形状因子μ分别取2、 3和4时， 龙门地区对四个参数的反演都能得到较为稳定准确的结果， 相对误差基本<10%。而就kKa和5~40 mm·h-1的降水率而言， 那曲和龙门有很大的不同， 在龙门当μ取3时相对误差最小， 都在0值附近波动， 而那曲则要需要μ值在4和6附近才能使得相对误差达到最小。
  • ENSO事件的季节演变对西南夏季降水异常的影响分析
  • 庞轶舒;秦宁生;王春学;罗玉
  • 2020 Vol. 39 (3): 581-593.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00044.   
  • 摘要 ( ) PDF (9445KB) ( )
  • 采用西南120站逐月夏季降水, 美国CPC年逐月Ni?o3.4指数, NCEP/NCAR逐月环流等资料, 分析了ENSO事件的季节演变对西南夏季降水的影响及其机制。结果表明, ENSO事件衰减对西南降水有重要影响, 这种影响主要由赤道中东太平洋海温影响菲律宾对流活动进而持续调制西太平洋副热带高压(简称西太副高)实现, 与ENSO事件的结束季节有重要关联。在El Ni?o（La Ni?a）衰减年, 随着事件结束时间从冬季向春、 夏季推迟, 赤道中东太平洋海温释放能量增大（减弱）, 西太副高向大强西南（小弱东北）的方向发展, 加强（抑制）南海的水汽输送, 影响着孟加拉湾水汽输送, 从而影响西南降水异常分布, 其显著区域随着事件结束季节的推迟而扩大, 在El Ni?o衰减次年更为突出。依据能量累积释放效应, 从前一年9月开始的逐月Ni?o3.4区累积海温能更好指示夏季西太副高的强弱和大小, 当4 -5月的累积海温超过±0.5时, 与夏季副高面积、 强度指数的符号一致率为100%。因此, 能够依据累积海温判断夏季西太副高强弱、 大小, 从而判断西南夏季降水的异常趋势。
  • 重庆地区卫星及再分析降水资料评估
  • 闫燕;刘罡;何军;方德贤;吴钲;陈少颖;汤剑平
  • 2020 Vol. 39 (3): 594-608.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00040   
  • 摘要 ( ) PDF (10056KB) ( )
  • 利用1998 -2012年重庆市34个站点逐时降水观测资料, 分析了重庆地区高时空分辨率卫星产品（Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM; Climate Prediction Center morphing technique, CMORPH）和再分析资料（ECMWF Re-Analysis Interim, ERAIN; Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, MERRA; Climate Forecast System Reanalysis, CFSR; Japanese 55-year Reanalysis, JRA55）的可靠性, 并进一步对卫星和再分析资料降水日变化的准确性进行了评估。结果表明, 再分析数据总体上高估了重庆的日降水量。在重庆西南和东南部, TRMM比较接近观测数据。CMORPH在东北部表现最好, 低估了其他地区的降水量。就降水量而言, 卫星资料的结果好于再分析资料。对于日平均降水强度和降水频率, 卫星资料的分布形态与观测资料差异较大, 再分析资料与观测则较为一致。观测资料中降水峰值多出现在午夜, 沿着西南至东北方向有滞后现象。卫星资料各降水要素（PA， PI和PF）也表现出由西南至东北方向峰值时间滞后的现象。对于不同地形特征上的降水日变化, 卫星和再分析资料的表现有明显差距, 尤其是在夏季山地地区, 再分析资料高估了12:00 -17:00（北京时）的降水。
  • 雨滴下落过程模型雏形的建立
  • 蒋强;卞建春;李艳
  • 2020 Vol. 39 (3): 609-619.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00004.   
  • 摘要 ( ) PDF (3341KB) ( )
  • 雨滴下落过程是云降水物理研究中极为重要的一个部分， 其研究涉及到蒸发过程和雨滴末速度问题。在静止大气中， 对于单个云滴， Maxwell理论给出了粒子在凝结过程中的质量增长公式， 而本文研究雨滴的下落过程， 是与凝结过程相反的蒸发过程。基于Maxwell理论， 将雨滴假定为球形粒子， 对原方程进行差分求解， 并加入通风效应与表面效应对Maxwell理论就行修正。在雨滴末速度问题上， 本文采用2015年昆明站的探空资料， 将雨滴直径（>1 μm）分为三个部分， 在忽略了雨滴短暂的加速过程后， 考虑拖曳力FD与重力Fg平衡进行讨论， 用最小二乘法拟合得出初始高度的末速度与半径的关系， 再结合部分假设和理论推导得到任意高度的末速度与半径的函数关系。最后， 利用该模型， 针对相对湿度做了敏感性实验， 发现雨滴所处环境的相对湿度变小会明显加快小雨滴的蒸发。本文基于Maxwell理论等前人研究， 加入部分假设得到了一个较为合理的包含了蒸发过程的雨滴下落模型， 对还原真实大气中雨滴的下落过程有一定参考价值。
  • 一次冬季层状云的人工催化效果响应分析
  • 康增妹;孙玉稳;董晓波;孙啸申;麦榕;赵志军
  • 2020 Vol. 39 (3): 620-627.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00045.   
  • 摘要 ( ) PDF (9278KB) ( )
  • 2018年1月22日在邢台市区倒槽天气系统在低空形成的层状云中利用空中国王飞机搭载的粒子测量系统对水云进行催化作业探测资料, 通过催化前后不同尺度的云粒子微物理变化和卫星监测结果, 研究人工催化后效果响应, 人工催化后目标云效果响应是降水量增加与催化作业之间证据链的重要一环, 为增水效果分析提供坚实基础。结果表明, 冬季冷云发展过程中, 当云凝结核较为同一、 且云被限制在某一层内, 形成浅薄云层时, 云粒子均质增长形成直径为4~6 μm过冷水滴组成的水云, 最大含水量为0.2 g·m-3; 催化作业后, 人工冰核消耗丰富的过冷水迅速增长形成冰晶及冰晶聚合体, 催化使云粒子浓度200 cm-3迅速降到15 cm-3, 100~1000 μm冰晶和雪晶浓度增长到150 L-1, 1000 μm以上降水粒子浓度增长到70 L-1, 出现直径达6000 μm雪花, 表明催化促进降雪形成; 催化影响区形成无云或少云云区, 葵花8卫星云图上沿催化轨迹呈现为深色云带, 表明此次催化作业效果显著。
  • 北方农牧交错带春季风速年际变化的影响因子分析
  • 胡毅鸿;龚道溢;毛睿;杨静;石晓雪
  • 2020 Vol. 39 (3): 651-661.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00046.   
  • 摘要 ( ) PDF (3318KB) ( )
  • 利用北方农牧交错带1979 -2016年15个台站的逐日风速资料、 ERA-Interim再分析资料以及GLASS叶面积指数等, 分析了该地区春季近地面风速的变化特征, 以及大气环流因子和下垫面因子对风速年际变化的可能影响。研究表明, 近38年来研究区风速的变化除了有显著的下降趋势(每10年约下降0.10 m·s-1)外, 还存在强烈的年际波动, 年际方差占风速变化总方差的比例达58%。该地区风速的年际变化与东北亚地区的气旋性环流异常有密切关系, 平均风速与该环流系统中心区700 hPa位势高度的相关系数高达-0.83。异常气旋性环流加强时, 带来的偏西北风与研究区春季盛行西风叠加, 加强近地面风速。分析表明东北亚异常气旋环流受北半球行星尺度大气环流变化的影响, 与北极涛动显著相关(0.41)。下垫面状况的变化, 通过动力和热力性质的改变可影响风速。计算表明叶面积指数与风速年际波动存在明显的反位相变化(r=-0.61), NDVI与风速相关不显著, 这可能与叶面积指数能较好地反映空气动力学性质的变化有关。地表热通量的改变与风速的年际变化也具有显著的相关关系, 风速与边界层高度、 感热通量以及潜热通量年际变化的相关系数分别为0.57, 0.39和-0.39; 如果排除较强天气过程的可能影响, 只计算小风日风速(<3 m·s-1), 则它们的年际相关更加显著, 分别达到0.59, 0.60和-0.57。
  • 西太平洋副热带高压对中国森林火灾的影响
  • 李瑜洁;高晓清;马京津;杨丽薇
  • 2020 Vol. 39 (3): 662-672.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00015.   
  • 摘要 ( ) PDF (13306KB) ( )
  • 森林是整个国民经济持续、 健康、 快速发展的基础, 森林火灾对全球生态系统和生态环境影响巨大。我国是一个森林种类丰富, 但是人均占有匮乏的国家。对森林火灾的管理和预测是我国森林防护不可缺少的一部分。本文使用NCEP/NCAR再分析数据集Ⅰ的500 hPa高度场逐月资料、 由中国林科院提供的2007 -2017年全国森林火灾数据和512个基本、 基准气象观测站气温与降水逐月资料, 分析了西太平洋副热带高压(下称西太副高)对我国森林火灾的影响状况。研究表明: （1）自2007年以来, 全国森林火灾发生次数呈下降趋势, 平均每年发生火灾940次。火灾高发的3个年份是2007、 2008和2009年, 火灾较少的3个年份是2016、 2015和2012年; 森林火灾发生最频繁的3个月份是3月、 2月和4月, 火灾发生较少的3个月份是9月、 8月和7月。（2）我国森林火灾主要分布在东北地区、 华东部分省份、 华中地区、 华南、 西南部分省份; 2007 -2010年火灾发生次数较多, 2011 -2016年火灾发生次数较少; 春季与冬季森林火灾较多, 夏季森林火灾较少。（3）森林火灾的发生受气温、 降水的影响, 和降水呈较为显著的负相关, 和气温呈较为显著的正相关。（4）西太副高对我国森林火灾具有一定的指示作用。西太副高面积指数、 脊线指数、 西脊点指数都与森林火灾次数呈较为显著的负相关。随着副高强度增强、 副高位置西伸北进, 华南、 江淮地区森林火灾风险降低。

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