高原气象

高原气象

第37卷 第5期 2018-10-28   

目录

论文

  • 基于TIPEX Ⅲ资料对CLDAS-V2.0和GLDAS-NOAH陆面模式产品在青藏高原地区的适用性评估
  • 崔园园;敬文琪;覃军
  • 2018 Vol. 37 (5): 1143-1160.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00020
  • 摘要 ( ) HTML PDF (25881KB) ( )
  • 利用2015年第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX Ⅲ）五层（5，10，20，50和100 cm）土壤的温、湿度观测资料，通过计算全球陆面同化系统（GLDAS-NOAH）和中国气象局陆面同化系统的融合产品（CLDAS-V2.0）与观测资料之间的相关性和偏差，以及分析降水事件发生后两种模式资料土壤温、湿度的响应，综合评估了融合土壤温、湿度产品在青藏高原的适用性。结果表明，CLDAS-V2.0土壤温、湿度产品与观测资料的相关性均优于GLDAS-NOAH模式产品，且两模式产品与站点观测资料的相关性在湿季大于干季，相关性随土壤深度增加而减小；CLDAS-V2.0土壤湿度产品相对站点观测的误差稍大于GLDAS-NOAH，且在浅层土壤两模式产品与站点观测的MRE整体上在干季大于湿季；CLDAS-V2.0土壤温度产品与站点观测的RMSE在湿季大于干季，而GLDAS-NOAH产品则相反；两种模式产品均能描述出降水发生后浅层土壤温、湿度对降水的响应，但两种模式产品所描述的深层土壤温、湿度的波动幅度相对观测明显偏大；此外，两种模式产品无法重现观测到的深层土壤温、湿度相对表层土壤温、湿度变化明显"滞后"的特征以及降水后相对降水前土壤温度峰/谷值对应时间存在明显延迟的特征。
  • 青藏高原不同海拔地表感热的年际和年代际变化特征及其成因分析
  • 于威;刘屹岷;杨修群;吴国雄
  • 2018 Vol. 37 (5): 1161-1176.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00027
  • 摘要 ( ) HTML PDF (21906KB) ( )
  • 利用1961-2014年中国气象观测站逐日常规资料，分析了在不同季节和不同海拔上，青藏高原地表感热的气候态特征以及热量拖曳系数和密度对地表感热计算的影响，并研究了高原地表感热在年际、年代际以及趋势变化上的时空分布特征；最后定量研究了表面风速与地气温差在年际和年代际时间尺度上对地表感热变化的相对贡献。结果表明，使用实际密度和常热量拖曳系数的总体动力学公式计算的地表感热最为合理；总体来说高原地表感热随着高度上升而增加，春季最大，秋季与冬季最小；空间分布上，春季高原东南部大北部小，夏季南部小北部大。春季年际、年代际地表感热经验正交函数分解第一模态空间型分别具有高原南北反向分布和高原主体与其东北反向分布的特征，夏季与之相似。高原整体而言，20世纪60-70年代末（春季）或70年代初（夏季），地表感热增加，其后至21世纪00年代初地表感热下降，之后又上升。在显著下降的1979-2003年间，春夏两季地表感热变化趋势分布均呈一致性的减弱，其中南部减弱最为显著。平均而言，在年际时间尺度上，表面风速对地表感热的贡献与地气温差对地表感热的贡献大小相当；而在年代际时间尺度上，表面风速对地表感热的贡献大于地气温差对地表感热的贡献。
  • 近60年青藏高原东北缘极端气温事件与气温日较差分析——以西宁地区为例
  • 陈锐杰;刘峰贵;陈琼;毛旭锋;周强
  • 2018 Vol. 37 (5): 1188-1198.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00022
  • 摘要 ( ) HTML PDF (3095KB) ( )
  • 根据1955-2015年西宁气象站逐日气温资料，通过线性倾向估计等分析方法，选取14个极端气温指数，分析西宁地区近60年极端气温事件与气温日较差的时间变化趋势及二者的相关性，并与全国其他区域进行对比。结果表明：（1）近60年来，西宁地区的14个极端气温指数都呈现不同程度的变化，热指数夏日日数、暖夜日数、暖昼日数、作物生长期和热持续指数等分别以2.07，0.72，1.49，2.57和0.87 d·（10a）-1的趋势增加，而冷指数冰冻日数、霜日日数、冷夜日数、冷昼日数和冷持续指数分别以-2.42，-0.29，-0.33，-1.3和-0.31 d·（10a）-1的趋势减小。极端气温极值指数中，日最高气温的极低值、日最低气温的极低值、日最高气温的极高值、日最低气温的极高值分别为0.51，0.17，0.35和0.15℃·（10a）-1的趋势增加。（2）在变化趋势中，日最高气温的极低值、日最高气温的极高值、冰冻日数、夏日日数、冷昼日数、暖昼日数、作物生长期和热持续日数的变化趋势为达到0.01或0.05的显著性水平。（3）表征极端气温事件热指数与冷指数、昼指数与夜指数的变化幅度均显示出明显的非对称性。（4）过去60年西宁地区平均全年与春夏秋冬四季的气温日较差都呈现增加趋势，增长率分别为0.25，0.27，0.21，0.15和0.36℃·（10a）-1，该地区的14个极端气温指数的变化均不同程度影响到平均全年与四季气温日较差，其中，极端气温绝对指数和相对指数与气温日较差的相关性最强，对气温日较差影响显著。（5）青藏高原东北缘极端气温事件与气温日较差具有特殊性，可能受多气候系统控制和特殊地形等因素影响。
  • 新疆西部一次极端暴雨事件的成因分析
  • 曾勇;杨莲梅
  • 2018 Vol. 37 (5): 1220-1232.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00014
  • 摘要 ( ) HTML PDF (24091KB) ( )
  • 利用常规观测、FY-2G、地面加密自动站和NCEP/NCAR（0.25°×0.25°）再分析资料，对2016年7月31日至8月1日新疆西部出现的一次极端特大暴雨过程进行分析。结果表明：暴雨发生在南亚高压单体型和"两脊一槽"稳定环流形势下，暴雨区位于200 hPa高空西南急流入口区右侧、700 hPa低空偏东急流前部、500 hPa偏南急流及700 hPa辐合线附近。除中亚低槽自身携带的水汽外，在极为有利的高、中、低纬环流系统配合下孟加拉湾、南海和西太平洋向暴雨区输送的丰沛水汽也是此次极端特大暴雨的重要水汽来源。暴雨区西、东、南边界水汽输入均起着重要作用，尤其是西边界和东边界，占水汽输入总量的78.4%。暴雨区上空高低空急流的配合以及纬向风的水平切变和经向风的垂直切变为暴雨区辐合上升运动和中尺度系统的产生和发展提供有利条件。中尺度对流云团生成后在引导气流的作用下不断向北移动发展，是造成暴雨的直接系统。发展、移动的低空急流、切变线、风场辐合线和地形辐合线及自天山迎风坡向北分布的多个具有强上升支的中尺度垂直环流不断将水汽和能量向上输送，经500 hPa槽前强偏南气流向北输送至暴雨区上空。中低层暖平流、风切变和天山地形对天山迎风坡暴雨中尺度系统的产生和向上强烈发展有重要的作用。
  • 基于随机森林模型的雅鲁藏布江流域气温降尺度研究
  • 任梅芳;庞博;徐宗学;赵彦军
  • 2018 Vol. 37 (5): 1241-1253.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00026
  • 摘要 ( ) HTML PDF (6452KB) ( )
  • 采用随机森林RF（Random Forest）模型对雅鲁藏布江流域22个站点的日平均气温进行降尺度研究，为了探求在雅鲁藏布江流域更适宜的气温降尺度方法，采用多元线性回归MLR、人工神经网络ANN和支持向量机SVM三种方法作为对比模型，并且采用主成分分析PCA和偏相关分析PAR两种分析方法，进行特征变量筛选。采用纳西效率系数NASH、均方根误差RMSE系数、绝对误差MAE和相关系数r值四种标准来评价模型的模拟效果。结果表明，RF模型的模拟效果要明显优于其他几种方法的模拟结果；采用PAR筛选特征变量的模型计算结果，不仅优于采用PCA筛选特征变量模型的模拟结果，且较稳定，另外，各种模型验证期的NASH效率系数都在0.86以上，相关系数都在0.93以上，所用几种模型都能较好地模拟雅江流域平均气温。选取MPI-ESM-LR模式在未来（2016-2050年）两种极端典型浓度路径RCP（Representative Concentration Pathway）排放情景RCP2.6和RCP8.5下的试验数据，研究雅鲁藏布江流域未来气温变化趋势表明，雅鲁藏布江流域未来2016-2050年在RCP2.6和RCP8.5两种排放情景下，平均气温都呈现出持续上升的趋势，在RCP2.6排放情景下日平均气温平均上升0.14℃，在RCP8.5排放情景下日平均气温平均上升0.30℃。
  • 北半球冬季不同PNA和NAO配置与中国降水的联系
  • 王博;饶建;王华曌;生宸
  • 2018 Vol. 37 (5): 1264-1276.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00012
  • 摘要 ( ) HTML PDF (15900KB) ( )
  • 使用NCEP/NCAR再分析资料、GPCC（Global Precipitation Climatology Centre）降水资料和中国气象局台站降水资料，系统研究了冬季太平洋-北美型遥相关（Pacific-North America，PNA）和北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）在年际尺度上的不同配置及其与我国冬季降水的可能联系。结果表明，在年际尺度上，冬季PNA与NAO两种遥相关无显著相关关系，两者的相关系数只有-0.13。PNA或NAO的正位相期间，我国华南沿海均出现了显著的降水正异常中心。根据两种遥相关的位相和强度，可将两者的配置划分为以下四种：PNA与NAO均为正位相（第一类配置），PNA为正位相但NAO为负位相（第二类配置），PNA与NAO均为负位相（第三类配置），PNA为负位相但NAO为正位相（第四类配置）。与单个PNA或NAO因子相比，PNA与NAO呈现不同极端位相配置类型时大气环流异常更强，但中国降水异常并不是单因子效应的简单叠加。GPCC和台站降水资料都表明，第一类配置时，黄河以南的降水表现为南涝北旱；第二类配置时，西南至华南西部偏旱，而长江出海口偏涝；第三类配置时，黄河以南整体偏旱；第四类配置时，东北东部、西南至华南西部偏涝，东南沿海偏旱。
  • 秦岭北麓一次冷锋触发的短时强降水成因分析
  • 王楠;赵强;井宇;张小雯
  • 2018 Vol. 37 (5): 1277-1288.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00070
  • 摘要 ( ) HTML PDF (19163KB) ( )
  • 2015年8月3日秦岭北麓突发短时强降水，强度之大近年少有，并引发山洪造成人员伤亡。应用高空观测资料、地面加密资料、NCEP再分析资料，并结合风廓线雷达和多普勒天气雷达资料分析发现，此次降水过程具备较好的对流潜势及湿度条件，由冷锋系统触发，冷锋系统结构特点包括：锋区前近地面水汽含量>18 g·kg-1，锋面上升运动处于下沉运动之上、自由对流高度以下，850 hPa以下强冷平流造成该层浅薄逆温，锋前出现显著对流不稳定，均为对流性强降水发生创造有利条件。强冷平流带来水平锋生，对流不稳定产生垂直锋生，总体强锋生主要出现在对流层中下层，达到20×10-10 K·s-1·m-1。秦岭的阻挡作用使得冷锋过境转为偏西风，并与强降水正反馈形成超低空强西风带。偏西风与迎面山体配合对降水产生增幅作用，并为降水区带来水汽输送，但超低空西风较强容易破坏雷暴单体的垂直结构，又使得降水不能长时间维持。风廓线雷达能够探测到冷锋系统的精细化垂直风场结构，反映了冷锋的垂直结构信息，并较其他气象要素更能提前预判系统发展，具有较强的预报指示意义。
  • 一次江淮气旋极端雨雪过程的云系特征和成因分析
  • 赵宇;蓝欣;杨成芳
  • 2018 Vol. 37 (5): 1325-1340.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00024
  • 摘要 ( ) HTML PDF (39389KB) ( )
  • 2016年2月12日夜间至13日白天，受冷空气和江淮气旋影响，山东出现了一次极端雨雪天气过程，全省48个国家级气象站日降水突破同期历史记录。采用多种观测和NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料分析了降水云系的演变特征、风场的中尺度特征和降水成因。结果表明：（1）雨雪过程不断有β中尺度云团从苏皖移入山东，降水主要由4个β中尺度云团造成；江淮气旋逗点头云系由4条带状回波发展形成，暖锋云系以层状云为主，其间有零散的对流云，逗点云尾部的冷锋云系形成初期多为对流性，入海后对流性减弱；气旋形成后雷达回波发生气旋式旋转、拉长，形成多条中尺度强雨带。（2）水汽条件极为有利，来自西南和东南两个方向的低空急流持续输送充沛的水汽，降雨阶段还有来自东南方向超低空急流的水汽输送，降雪阶段边界层水汽输送微弱。（3）降雨阶段，低层为浅薄的东北风冷垫；降雪阶段，东北风冷垫较降雨阶段深厚得多。东北风冷垫上东南风层变薄直至减弱消失是雨雪相态转换的标志，强雨雪都发生在偏南低空急流最强盛时段。（4）低层低涡前部东北风和东南风的切变辐合、暖平流、暖锋锋生以及条件性不稳定能量释放强迫上升运动造成强雨雪。风廓线雷达和激光雨滴谱仪的观测是降水相态短时临近预报的有益判别资料。
  • 两次典型极端低温过程低频特征分析
  • 李艳;张金玉;李旭;马百胜;王雅芳
  • 2018 Vol. 37 (5): 1341-1352.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00035
  • 摘要 ( ) HTML PDF (20175KB) ( )
  • 对1960年1月至2016年2月NCEP/NCAR再分析资料进行Butterworth带通滤波，保留周期为30~60天的低频信号，采用低频天气图方法分析了2008年初低温雨雪冰冻灾害和2016年"霸王级"寒潮的低频特征，揭示典型极端低温事件中低频系统的特征及其生成、演变过程。结果表明：2008年初环流系统具有明显的30~60天低频振荡，位势高度正（负）距平对应低频流场的低频高（低）压，纬向风速正距平与低频风速大值区一致。过程期间北极涛动（Arctic Oscillation，AO）为正位相，有利于中东急流的加强和阻塞高压的维持，进而造成持续低温。2016年初环流系统的30~60天低频特征不明显，但低频低压能反映极涡的生成、演变。此外低频天气图能反映寒潮前后AO位相的转变，AO由12月下旬的正位相转变为1月初的负位相，中纬度纬向环流减弱而经向环流增强，极涡中心的冷空气在阻塞高压脊前偏北气流的引导下入侵中国，可能是造成剧烈降温的主要原因。两次过程中，低频低压、高压的分布和冷空气南下路径不同，但低频流场均落后天气过程2天左右表现出AO位相的转变，通过追踪和判断低频信号的路径，结合数值预报产品，可为类似的极端低温过程的延伸期预报提供参考。
  • 东北冷涡背景下超级单体风暴环境条件与雷达回波特征
  • 张桂莲;常欣;黄晓璐;訾耀海;李瑞青;梁凤娟
  • 2018 Vol. 37 (5): 1364-1374.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00068
  • 摘要 ( ) HTML PDF (21337KB) ( )
  • 利用常规观测、地面加密自动站、多普勒天气雷达观测资料以及NECP（1°×1°）逐6 h再分析资料对2016年8月16日内蒙古东南部地区由于超级单体风暴诱发的强冰雹、雷暴大风等强对流天气进行了分析。结果表明：这次超级单体风暴发生在高空东北冷涡和低层暖式切变线形成的强不稳定层结背景下，低层丰富的水汽、中等强度对流有效位能和大的深层垂直风切变，为强对流天气的发生提供了非常有利的环境条件；地面中尺度辐合线和露点锋两种对流系统耦合并加强是对流风暴的触发机制；雷达回波有钩状回波、弱回波区WER（Weak Echo Region）、回波悬垂、回波墙、中气旋等超级单体风暴特征，其中弱回波区，回波悬垂由反射率因子从低到高向低层入流一侧倾斜且回波强度梯度大；风暴内中层维持较深厚的气旋性辐合，风暴顶则表现出明显的气旋性辐散特征，标志大冰雹的三体散射长钉TBSS（Three-Body Scatter Spike）特征回波，50 dBZ以上的反射率因子核心的高度伸展到-20℃以上，为典型的产生冰雹的回波结构；垂直液态水含量VIL（Vertical Integrated Liquid Water Content）与风暴顶高之比即VIL密度达到5 g·m-3，这也是大冰雹的预报指标。
  • 冬季1月昆明准静止锋进退及维持的结构特征
  • 张亚男;段旭
  • 2018 Vol. 37 (5): 1375-1387.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00011
  • 摘要 ( ) HTML PDF (21462KB) ( )
  • 利用地面气象观测资料、ERA-Interim再分析数据以及DEM地形数据，使用合成分析方法，从大气环流场、锋面附近要素场及锋生函数诊断场探讨了昆明准静止锋在西进、东退及维持时的结构特征。结果表明，当锋后低层到地面等温线呈"V"型分布，锋后正的次级环流相对深厚，锋面易西进；当锋后低层呈较深厚的逆温层且锋后正次级环流较浅薄，锋面易东退；当逆温层仅限于低层而近地面为冷中心，锋面易维持。东西风风速零线西端在锋面左侧，锋面易西进，反之锋面易东退；零线的位置与锋面基本重合，锋面易维持。垂直运动倾斜项在锋面西进时105°E附近迎风坡出现强烈的锋消现象，锋面东退和维持时出现弱锋生现象。水平辐散项产生的强锋生区在锋面左侧时，指示锋面西进；强锋生区在锋面右侧，且锋生现象很弱时，指示锋面东退；锋面维持时，强锋生区与锋区基本重合。水平变形项中切变变形起主要的锋生作用，而由于冷气团受迎风坡影响，导致伸缩变形在104°E以东的锋后区域产生较强的锋生现象。
  • 冬奥会小海坨山赛区边界层风场大涡模拟研究
  • 刘郁珏;苗世光;胡非;刘玉宝
  • 2018 Vol. 37 (5): 1388-1401.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00034
  • 摘要 ( ) HTML PDF (37133KB) ( )
  • 北京市延庆区小海坨山将承担2022年第24届冬季奥运会部分高山滑雪、高山速降等室外赛事。由于室外赛事对近地面风场有着极其严格要求，需要提供百米内分辨率风预报产品。目前广泛使用的高分辨率（>1 km）中尺度模式尚不能满足这一预报需求。本文基于中尺度气象模式（WRF）的大涡模拟（LES）功能，针对冬奥小海坨山地区构建在线耦合中-微尺度WRF-LES模式系统，采用四重单向嵌套将水平分辨率从中尺度1 km降至微尺度37 m，对发生在该地区2017年1月13日晴天大风个例开展边界层风场的精细模拟。结合观测，通过设计模式水平、垂直、地形分辨率及边界层方案敏感性试验，检验和评估了WRF-LES作为真实大气模拟工具在复杂地形区域的适用性。结果表明，由于LES能解析大气湍流中部分湍涡能量，相比普通中尺度模式WRF，百米或更高分辨率WRF-LES能捕捉更多大气小尺度运动特征，刻画出局地流场结构，获得更精细、准确的近地面风场信息。为实现精确模拟，模式需引入与水平分辨率相匹配的高分辨率地形高程数据，结合计算资源能力设置垂直网格距。模拟结果表明WRF-LES对复杂山地近地面风场具有超高分辨率模拟应用的潜力和价值，表现出较好的预报能力，可为冬奥会精细气象服务提供技术支持。
  • 复杂地形条件下风电场预报风速的卡尔曼滤波订正
  • 李照荣;达选芳;王有生;赵文婧;闫晓敏
  • 2018 Vol. 37 (5): 1402-1412.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00025
  • 摘要 ( ) HTML PDF (9285KB) ( )
  • 通过分析位于复杂地形的南湫、黑崖子和干河口风电场测风塔70 m高度的风速、风向分布特征及风速预报的误差特性，基于卡尔曼滤波方法建立了预报风速的订正模型，对预报风速误差进行了订正。结果表明，南湫、黑崖子和干河口风电场的有效风速时数占全年风速时数的百分比分别达90.9%，85.06%和82.93%；各风电场有效风速时数存在显著的时间差异，夏、秋季有效风速时数最大；南湫、黑崖子和干河口分别可达29.65%，27.19%和23.24%；风速日变化特征差异明显，夏季南湫、黑崖子和干河口风速日变化分别呈多峰多谷（或双峰双谷）、单峰单谷、双峰单谷的分布特征；夏到秋季，南湫主导风向为东南风，黑崖子由偏东风转换为偏西风，干河口主导风向稳定为东风或偏东风。风速阵性特征有明显的季节差异，9月黑崖子、干河口风速的阵性变化较6月强，南湫风速的阵性变化6月比9月强。北京快速更新循环数值预报系统（BJ-RUC）对复杂地形风电场风速预报能力存在局限性，主要表现在预报风速的阵性变化相对较小、风速偏大；经卡尔曼滤波方法订正后，数值模式对风速的阵性预报能力增强，预测风速威布尔分布的形状参数和尺度参数逼近实况风速的分布参数，实况风速和预测风速相关系数最大可提高约15%；预报风速的绝对误差、均方根误差也得到了改善，可降至1.30 m·s-1和1.66 m·s-1。
  • 新疆哈密复杂地形风场的数值模拟及特征分析
  • 周荣卫;何晓凤
  • 2018 Vol. 37 (5): 1413-1427.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00021
  • 摘要 ( ) HTML PDF (45542KB) ( )
  • 为了实现复杂地形下高分辨率风场的数值模拟及特征分析，采用中尺度气象模式WRF（Weather Research and Forecasting Model）结合牛顿松弛逼近Nudging资料同化技术，实现哈密地区水平分辨率1 km的近地层风场数值模拟计算。基于模拟区域测风塔实测数据的对比检验发现，同化观测资料后风速风向的模拟结果均与实测更加接近，70 m高度风速模拟结果的绝对误差降低0.25 m·s-1，同化后的模拟结果可以较好的修正风速较小时模拟值偏高和风速较大时模拟值偏小的问题，同时风廓线的模拟结果也与实测更加吻合。通过分析哈密复杂地形下水平分辨率1 km逐10 min风场输出结果发现：（1）哈密地区地形比较复杂，风速平面分布差异很大，4月份风速较大区域主要分布在山北地区和西部山南垭口附近，而7月份风速较大区域则位于西部的山坳南部和北部地区；（2）复杂地形下风速较小时风速为负切变，且平均风速越小负切变值越大，地形越复杂负切变值越大；风速较大即使是复杂地形下同样为正切变，但是正切变值比平坦地区的值要小，平坦地形下风速越大正切变值越大；（3）哈密地区复杂地形下，风速12~25 m·s-1的风速占比在时间和空间上分布差异较大，风速较大的4月份，大部分地区占比达到20%以上，尤其是山北和西部垭口附近，占比甚至达到了50%以上，风速为12~25 m·s-1的情况下80 m高度平均风速比60 m高0.60~0.80 m·s-1，比月平均风速的垂直变化值要大；（4）风速较大时，风向10 min变化不明显，风速较小时，风向变化值较大，且地形较平坦地区风向变化值较大，地形复杂地区变化值较小；（5）风向的垂直变化与风速大小关系比较明显，风速越小，其垂直变化越大，风向垂直变化的区域分布与地形复杂程度相关，地形越复杂风向的垂直变化值越大。

综述

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