高原气象
综述
- 近20年华西秋雨演变特征及其异常机理的进展
- 李一诺, 李跃清
- 2024 Vol. 43 (1): 1-15. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00028
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华西秋雨是中国西部地区出现的独特而复杂的秋季降水现象, 与经济社会和国民生活息息相关。本文在20世纪以来对华西秋雨认识的基础上, 从多角度对比回顾了近20年来关于华西秋雨研究的主要成果。首先, 明确了华西秋雨的时空范围、 降水强度, 提出了表征其基本特征的量化标准和指数, 揭示了华西秋雨显著的年际差异、 “正-负-正”年代际变化和4~8年的周期循环; 其次, 指出了低中高纬度大气环流系统、 热带海温强迫、 青藏高原作用等对华西秋雨的不同重要影响, 进而得到了多系统、 多因子协同作用对华西秋雨异常演变的重要意义, 丰富了华西秋雨异常演变认识; 最后, 针对华西秋雨现状, 指出了不同季风、 冷暖气流、 演变成因、 天气过程、 夜雨特征、 区域响应等方面存在的主要问题, 并展望了青藏高原大地形下, 华西秋雨多尺度协同作用及其物理机制的综合、 精细分析研究等未来主要发展趋势。
- 数值预报模式垂直坐标发展与改进综述
- 程锐, 宇如聪, 徐幼平, 黄静, 沈晓晶
- 2024 Vol. 43 (1): 16-27. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00042
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大气具有斜压性质和层结特性, 对于大气三维运动及静止大气热力状态的刻画离不开垂直坐标的选择。垂直坐标更是构建数值预报模式的基础, 经常根据不同的垂直坐标形式来区分不同类型的大气动力框架, 如几何高度框架、 等压面框架和等熵面框架等。伴随垂直坐标的发展, 模式预报性能在不断提升, 模式版本也在不断演进。本文简要回顾了垂直坐标的发展历史, 重点介绍了目前国内外主要非静力业务模式垂直混合坐标的处理思路与方法, 同时指出模式垂直分辨率及预报变量垂直分布形式的选择考量。最后对数值预报模式垂直坐标设计与应用进行总结, 并给出未来发展展望。
论文
- 青藏高原中东部和四川盆地的夏季雨滴谱对比分析研究
- 刘艳霞, 文军, 谢晓林
- 2024 Vol. 43 (1): 28-41. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00033
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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。
- 青藏高原东坡地形对影响云南降水的高原涡的作用机理
- 何钰, 朱莉, 李国平, 谢家旭, 马文倩, 陶丽, 张万诚
- 2024 Vol. 43 (1): 42-58. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00037
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利用常规观测资料、 FNL分析资料及经质控后的自动站小时降水数据, 诊断分析了青藏高原东坡地形在2017年7月2 -3日高原涡影响云南降水过程中的作用, 并利用数值模式WRFv4.0对此次过程进行了地形敏感性试验。结果表明: 高原涡是此次云南强降水的重要影响系统; 低涡中心及附近区域中高层维持暖心结构, 并呈现显著的上升、 下沉运动交替的分布; 过程累积雨量分布表现为两条明显的与山脉走向平行的西北-东南向雨带, 且具有强弱交错的分布特征, 强降水集中出现在午后至傍晚及前半夜两个时段内, 中心均位于地形边坡, 并随着低涡向下游传播; 南亚高压、 西北辐散气流、 西太平洋副热带高压及滇缅高压为低涡的东移发展提供了有利的高空环流场, 500 hPa正涡度及700 hPa水汽通量辐合中心对强降水落区具有较好指示意义; 低涡降水期间存在β中尺度重力波, 波动由青藏高原东坡地形激发, 沿着300~200 hPa的气层传播, 高空的非地转平衡运动及垂直风切变为重力波的发展及传播提供了有利条件, 重力波先于低涡及降水向下游方向移动及发展, 波脊处对应上升运动及辐散中心, 波槽处对应下沉运动及辐合中心, 强降水及波脊均位于低涡西南侧强辐合上升运动区; 地形高度降低后, 其机械阻挡抬升作用减弱, 重力波和高原低涡消失, 雨带强度及空间分布特征发生显著改变。高原东坡地形对高原涡的形成和发展, 以及高原涡影响下的云南降水具有重要作用。
- 基于CMIP6模式评估结果对未来青藏高原降水多情景预估
- 李博渊, 胡芩
- 2024 Vol. 43 (1): 59-72. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00029
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青藏高原作为气候敏感区域, 其降水对东亚水文循环和气候有着巨大的影响, 因此对于其变化的研究十分重要。降水是全球水文循环的重要变量, 是受气候变化影响的重要气候系统之一, 为了探究全球气候模式对青藏高原降水的模拟能力以及探究在新模式、 新情景下未来降水可能变化, 本文使用耦合模式比较计划第6阶段(CMIP6)最新的31个气候模式逐月降水资料, 以及国家气候中心所提供的CN05.1降水观测数据集, 评估CMIP6模式对青藏高原降水的模拟能力, 并择优选择模式在不同共享社会经济路径情景下(Shared Socioeconomic Pathway, SSP)进行高原未来降水预估。结果表明: 1995 -2014年青藏高原观测降水分布模态特征为自东南向西北递减并且降水集中在夏季, 大部分模式可以模拟出降水分布和季节性趋势但几乎都有高估降水的现象, 多模式平均降水高出观测102%; 总体上CMIP6最新模式对于青藏高原降水模拟能力较差, 模式相对于观测的平均相对偏差指数为102%, 说明大部分模式表现不理想, 定量分析所有模式后选出EC-Earth3-Veg-LR, MPI-ESM1-2-LR, EC-Earth3-Veg, MRI-ESM2-0为模拟较优模式, 可大致反映出青藏高原的降水特性; 气候模式在SSP1-2.6情景下青藏高原降水增长最慢, SSP5-8.5增长最快; 从辐射强迫较弱情景SSP1-2.6到较强情景SSP5-8.5, 近期(2021 -2040年)高原降水增幅在各情景下难发现较大差别, 但中期(2041 -2060年)和末期(2081 - 2100年)有明显增长, 说明碳排放强度对近期影响较小而对长期影响大; 未来降水增幅主要发生在念青唐古拉山以南地区, 从季节性来看夏季增幅最大, 其次是春季、 秋季, 增幅最小的是冬季, 因此应当注重青藏高原未来夏季和春季的降水变化, 做好应对措施。
- 两次不同生命史东移高原涡的动力结构与成因分析
- 屠妮妮, 郁淑华, 李跃清
- 2024 Vol. 43 (1): 73-87. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00048
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利用NCEP再分析资料对2008年6月25 -27日和2013年6月4 -10日两次东移出高原的高原涡过程进行结构特征和演变机制的诊断分析, 探讨两次长、 短路径高原涡过程的结构特征和造成不同生命史的影响因子。结果表明: (1)路径短的扎多涡活动过程中, 南亚高压呈扁平状, 高空急流偏南, 高原涡处在下滑槽中移出高原; 路径长的曲麻莱涡活动过程中, 南亚高压有些北拱, 高原涡处在南亚高压脊前西北气流下空, 副高偏南, 高原涡随低槽东移加强, 并伴有西南涡东移。(2)两次高原涡过程结构特征差异明显, 主要表现在扎多涡在高原上增强时、 曲麻莱涡与西南涡耦合及之后再度加强时的结构特征, 前者低涡处在600~350 hPa较深厚的正涡度、 上升运动层内, 还具有对流层高层强辐散的结构特征; 后者具有对流层高、 中、 低层正涡度贯通、 对流层内为上升运动、 对流层低层辐合, 对流层高层弱辐散的结构特征, 其中对流层低层由整个对流层内为最强正涡度, 演变为整个对流层内为最强正涡度、 最强上升运动、 最强辐合。(3)总涡度收支诊断表明, 散度项变化对低涡总涡度变率变化起决定性作用。扎多涡的强度变化与散度项变化一致。曲麻莱涡在与西南涡伴行过程中, 垂直输送项、 水平平流项的影响在加强。(4)涡中心区500 hPa正涡度变率的收支分析看出, 高原涡在没有西南涡活动时, 对高原涡的500 hPa正涡度变率贡献的主要是涡度辐合造成的; 在有西南涡活动时, 随着与西南涡垂直方向叠合、 伴行, 正涡度垂直输送显得更加重要。
- ECMWF模式对我国西南环横断山区冬季近地面2 m温度的预报评估
- 吴诗梅, 唐娜, 梁雨琪, 欧旭阳, 李海杰, 陈昊明
- 2024 Vol. 43 (1): 88-98. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00049
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从冬季平均温度、 温度日变化及日较差等方面入手, 基于2021年CLDAS逐小时产品评估了ECMWF全球高分辨率确定性数值预报产品对我国西南环横断山区复杂地形区近地面2 m温度的预报能力, 并通过区分高地形区(川西高原)和低地形区(四川盆地南部), 对比了不同地形区近地面2 m温度预报的偏差特征。结果表明: (1)ECMWF模式可合理预报我国西南环横断山区冬季平均2 m温度的空间分布特征, 但偏差分布与地形高度有关, 随着地形高度的增加, 预报偏差呈增大趋势。(2)ECMWF模式很好再现了西南环横断山区冬季温度的日变化特征, 峰值时刻出现在14:00(北京时); 各时刻温度的预报偏差在不同地形高度存在差异, 川西高原和横断山区的最大负偏差出现在下午, 四川盆地南部的最大负偏差出现在早晨。同时, 高地形区各时刻的预报偏差均高于低地形区。(3)ECMWF模式对日内各时刻不同地形处2 m温度的空间分布均有合理预报, 但偏差存在日变化特征。特别是在横断山区高地形区, 其在各时刻有不同的冷暖偏差特征。(4)在环横断山区温度日较差预报偏差较大的区域(大致为昆明准静止锋线发生频次较高的区域), 模式对于温度日较差较大的日数, 其2 m温度的预报偏差要大于日较差较小的日数, 且在该区域内, 温度日较差的预报偏差相对不稳定。
- 西藏墨脱复杂地形X波段相控阵偏振天气雷达降水观测和反演方法研究
- 陈浩然, 耿飞, 刘黎平, 杨华
- 2024 Vol. 43 (1): 99-113. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00039
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墨脱的降水变化与印度洋、 孟加拉湾的水汽向内陆的输送、 夏季风及我国东部雨带的推进过程联系紧密。它的独特地形与西南气流的相互作用在当地形成了年均降水超过2000 mm的降水带。但墨脱的复杂地形与有限的电力交通条件造成了降水观测的困难。2019年, 第二次青藏高原综合科学考察研究任务专题项目在墨脱设置了一部X波段双偏振相控阵雷达, 实现了对墨脱云降水的连续观测, 对当地生态环境和云水资源研究以及高原东南水汽通道特征研究等具有重要的意义。文中使用墨脱X波段双偏振相控阵雷达2020年6 -8月的观测数据, 使用统计手段筛选降水回波片段, 整合后构造得到符合墨脱复杂地形的混合仰角; 利用2019年墨脱雨滴谱数据计算雷达参量、 拟合得到适合墨脱地区降水特点的X波段天气雷达定量降水估测(QPE)公式。在此基础上选取2020年7 -8月三次累积降水量、 平均雨强、 持续时间各不相同的降水过程, 使用线性规划方案计算Φ DP(差分传播相移)、 最小二乘拟合计算K DP(差分传播相移率)、 “ZPHI”降水廓线算法订正Z H(反射率因子); 以Z H和K DP为阈值, 使用R(Z H)与R(K DP)分段估测降水, 与单独使用R(Z H)和R(K DP)的估测结果进行对比; 并基于降水估测结果和雷达参量的水平分布探讨降水分布与地形的关系。本文经过质量控制的Z H、 K DP数据质量有明显改善; 使用统计方法构造的混合仰角有效回波面积大于使用SRTM1 v3.0地形数据构造的混合仰角, 三次降水的典型时刻参量与过程累积降水量和平均Z H、 Z DR能初步反映降水变化与地形的关系; 本文的降水估测公式和分段估测降水方法整体结果表现良好, 各评估参数均具有较好的表现; 结果表明: (1)墨脱雷达周边地形变化剧烈, 根据现有地形数据构造的混合仰角在降水估测中表现不如本文统计筛选雷达观测数据得到的混合仰角数据; (2)本文采用的数据质控方法、 定量降水估测公式与分段估测方法(PEM)在降水反演中表现良好, 与单一的R(Z H)、 R(K DP)方法相比, 得到的结果在CC和RMSE无明显变化的情况下, 估测误差明显减小; (3)墨脱降水的发生发展或与西南气流被河谷偏北方山坡抬升有关, 较大雨强、 较小粒子直径的云位于地势平缓的谷底。
- 利用轨迹追踪法研究雅鲁藏布江大峡谷区域水汽输送减少的成因
- 张登旭, 阎虹如, 苗云飞, 张敏
- 2024 Vol. 43 (1): 114-126. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00050
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雅鲁藏布江大峡谷区域作为高原的主要水汽输送入口, 自1979年至今水汽通量辐合及降水量呈持续减少趋势, 这对高原水储量具有重要影响。为了探究该区域水汽输送减少的原因, 本文利用ERA5逐小时再分析资料驱动LAGRANTO模型, 选取典型干旱年份和湿润年份的夏季(6 -8月), 后向追踪该区域的水汽输送轨迹, 对沿轨迹输送的水汽通量变化进行对比分析。研究发现, 源自洋面的水汽主要来自高原南部的孟加拉湾, 高原西南侧的阿拉伯海, 赤道以南的印度洋以及南中国海四个区域, 水汽输送主要受南亚和印度夏季风控制, 并受索马里跨赤道急流影响。通过对比分析干、 湿年份的水汽输送轨迹的特征, 发现干湿年轨迹路径除南海源地外基本不变, 轨迹上水汽通量随轨迹高度抬升而减少, 且湿润年的损耗始终低于干旱年, 其中孟加拉湾源地的轨迹得到洋面的水汽补充, 在湿润年水汽通量有较强的增长。干湿年份的蒸发、 降水、 环流场形势的对比也佐证了这一发现。最终湿润年到达雅鲁藏布江峡谷边界的水汽通量大于干旱年, 尤其是经由雅鲁藏布江峡谷区域南边界进入的水汽通量显著增大, 这表明, 除源地水汽贡献和大尺度季风环流影响外, 水汽输送途中的降水损耗相关过程对雅鲁藏布江峡谷区域水汽收支具有决定性作用。
- 新疆北部暖区暴雪的中尺度模拟及云微物理特征研究
- 李桉孛, 琚陈相, 周雅蔓, 李曼, 李如琦
- 2024 Vol. 43 (1): 127-140. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00040
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暖区暴雪罕见且易致灾, 对其准确预报既是重点又是难点。本文采用WRF中尺度模式中Lin、 Thompson、 WDM6和WSM6四种云微物理方案对2016年11月中旬一次典型新疆北部暖区暴雪过程进行数值模拟, 评估模式对暖区暴雪过程的模拟能力, 遴选最优参数化方案, 分析暴雪过程中水凝物粒子垂直分布及演变特征, 探讨导致暴雪过程的相关中尺度系统的发生发展规律。分析结果表明: (1)不同云微物理参数化模拟中, Lin方案效果最佳, 较为成功地模拟出降雪量级、 落区和趋势。(2)云中各种水凝物粒子活跃于对流层中下层, 其中以霰和雪最多, 自高层向低层分别分布着冰晶、 雪、 云水、 霰粒子, 阿尔泰山迎风坡附近为各水凝物粒子浓度大值中心, 强降雪区四种云中水凝物粒子高值中心垂直对齐有利于各粒子间的转化。(3)上游高湿系统沿西路移动, 低空偏南急流增强时水汽汇合强烈, 阿尔泰山脉西麓迎风坡阻挡利于水汽辐合; 低空偏南急流使暴雪区低层增温, 不稳定条件增强, 垂直次级环流发展, 次级反环流的增强促进不稳定能量的释放, 加剧垂直运动增长, 为大暴雪的发展和维持提供较强的动力抬升条件, 对暴雪起增幅作用。
- 新疆北部不同区域暖区暴雪过程水汽特征分析
- 庄晓翠, 陈丽娟, 李博渊, 苗运玲
- 2024 Vol. 43 (1): 141-155. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00041
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利用NCEP/NCAR再分析资料, 主要运用HYSPLIT(拉格朗日后向轨迹)方法模拟追踪了1980 - 2020年冬季新疆北部27次暖区暴雪天气水汽特征, 分析不同源地水汽源-汇关系及其对暴雪的贡献。结果表明, 500 hPa主要水汽源地为格陵兰岛和大西洋及其沿岸、 地中海和黑海及其附近, 对阿勒泰地区暴雪贡献最大的水汽源头是大西洋及其沿岸附近, 塔额盆地为地中海和黑海及其附近, 沿途损失均较大; 700 hPa主要为北欧、 大西洋及其沿岸附近、 地中海和黑海及其附近, 对阿勒泰地区暴雪贡献最大的是地中海和黑海及其附近, 塔额盆地是北欧, 沿途损失最大前者是地中海和黑海及其附近, 后者为大西洋及其沿岸; 850 hPa上主要为中亚、 地中海和黑海及其附近, 前者对暴雪的贡献最大, 到达暴雪区后增加较多。各源地水汽随西风气流达到关键区后, 主要从偏西(西南)和西北两条路径输入暴雪区, 前者占主导地位; 对流层低层阿勒泰地区较塔额盆地水汽源地和路径更复杂。基于上述分析, 构建了暖区暴雪水汽来源及路径的贡献模型, 对阿勒泰地区、 塔额盆地各层水汽贡献进行了细致的描述。
- 河西走廊西部一次暴雨过程降水特征及极端性分析
- 张君霞, 黄武斌, 王一丞, 赵彦琴, 王基鑫
- 2024 Vol. 43 (1): 156-165. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00036
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2022年8月12日20:00至13日20:00(北京时)酒泉市金塔县发生一次极端暴雨过程, 金塔站24 h降水量和小时降水量均突破历史极值。利用逐分钟、 逐小时、 日降水观测数据及地面-雷达-卫星三源融合降水分析产品(CMA Multi-source Merged Precipitation Analysis System, CMPAS)1 h降水量数据, 分析了此次暴雨天气过程的降水特征及极端性。结果表明: 此次暴雨过程具有过程雨量大, 局地性强, 小时雨强强, 对流性明显等特征, 主要降水时段为夜间, 暴雨中心位于酒泉市金塔县。11个气象观测站累计雨量达建站以来最大值, 金塔站88 mm, 是酒泉市所有国家气象观测站降水观测的次大值, 超过62年来(1961 -2022年)汛期平均值的58%; 13个气象观测站小时降水量达建站以来最大值, 金塔站56.2 mm, 位居酒泉市所有气象站小时降水量的首位, 接近62年来金塔站8月平均雨量的3倍, 历史极端性明显。金塔站有3个降水时段, 强降水主要发生在第二时段, 逐分钟降水强度强, 持续时间长。强降水中心首先出现在金塔站东南部, 随后向西北移至金塔站附近, 且强降水范围扩大, 持续3 h后降水强度减弱并向东南方向移出, 暴雨区降水过程结束。
- 滇中地区不同影响系统下3次短时强降水过程的大气环境特征和雷达特征分析
- 周泓, 闵颖, 许彦艳, 纳丽佳, 业红伟
- 2024 Vol. 43 (1): 166-183. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00046
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利用常规观测资料、 NCEP 1°×1°再分析资料、 逐时和逐5 min自动站降水资料以及昆明CINRAD/CC多普勒雷达资料, 针对滇中地区2021年主汛期不同影响系统下的3次短时强降水过程, 对比分析了降水特征、 环流形势、 大气环境特征以及雷达回波的结构、 形状、 演变的基本特征。结果表明: 3次短时强降水过程影响系统差异主要在于500 hPa天气系统不同, 700 hPa都有切变线影响, 但是形成原因各异, 地面均有辐合线或弱冷锋配合。3次过程的环境条件在不稳定层结、 近地层水汽、 垂直风切变方面与中国其他地区短时强降水发生的环境条件具有一致性, 但是在大气整层可降水量、 对流有效位能、 SWEAT指数等方面存在明显差异。对流回波的形状有点状回波、 块状回波、 带状回波、 絮状回波等。对流风暴分为高质心型、 低质心型以及混合型; 短时强降水有单独出现某种对流风暴类型的阶段, 也有多种对流风暴类型同时出现的阶段; CAPE值和SWEAT指数与对流风暴类型具有一定的相关关系。强回波剖面呈柱状结构或者塔状结构, 35 dBz强回波接地, 而没有悬垂特征。短时强降水多产生于长时间停滞型或移动缓慢型的对流回波, 还有部分短时强降水产生于“列车效应”中。短生命周期的单体生消形成的短时强降水持续时间绝大部分在1 h以内, 但是单体合并组织和反复生消或者“列车效应”形成的短时强降水持续时间常在1~3 h。高质心型对流风暴产生的瞬时雨强可达10 mm·(5min)-1以上, 低质心型和混合型对流风暴可产生的雨强范围较大, 大多在3~10 mm·(5min)-1, 少数也可达到10 mm·(5min)-1以上。
- 基于机器学习的中国夏季降水延伸期预报及土壤湿度的可能贡献
- 叶宇辰, 陈海山, 朱司光, 董寅硕
- 2024 Vol. 43 (1): 184-198. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00025
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延伸期预报准确率较低的问题仍然是目前重要的科学难题, 做好延伸期预报对防灾减灾具有重要意义。本文利用机器学习方法开展了中国夏季降水延伸期(5~30天)预报试验, 并探讨了土壤湿度对降水延伸期预报的可能贡献。结果表明机器学习方法的预报结果准确率要比传统线性模型方法有较大改善, 且在诸多机器学习方法中, 以Catboost, Lightgbm和Adaboost三个机器学习模型为最优。进一步分析发现长江流域表层土壤湿度异常导致的蒸发异常和感热异常, 能够引起大气环流和垂直运动异常, 最终对夏季降水产生影响。使用三个最优的机器学习方法的集合计算出模型中各个预报因子的贡献率, 发现在长江流域的延伸期降水中, 局地土壤湿度主要在5~10天占主导作用, 而前期降水主要在10~15天占主导作用, 长江流域20~30天的延伸期降水基本上受到大尺度环流控制。还评估了非局地土壤湿度在延伸期降水中的作用, 发现中南半岛表层土壤湿度主要对15~30天的长江流域延伸期降水有重要贡献。将中南半岛表层土壤湿度加入到东北地区延伸期降水模型中, 发现对该地区延伸期降水预报准确率并无提升作用, 验证了机器学习模型的可用性。该研究为延伸期降水预测以及探究预报因子贡献率提供了一定的参考。
- 播撒碘化银人工消雹对冰雹云微物理过程和起放电过程影响的数值模拟研究
- 鲁鲜, 郭凤霞, 吴泽怡, 刘舟, 邓洁, 陈可, 王清源
- 2024 Vol. 43 (1): 199-216. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00026
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为了全面了解人工消雹对云中冰相粒子的浓度和时空变化以及冰雹云微物理过程和起放电的影响, 本文利用包含了AgI催化方案的三维强风暴动力电耦合数值模式, 以AgI播撒量为唯一变化量进行了多组模拟实验。结果表明, 催化过后, 整体上, -40~0 ℃范围内的冰晶、 雪花和霰粒子数浓度和比含水量增多。播撒AgI使霰的平均尺度减小, 向雹的转化比例大为降低, 因此冰雹的比含水量和浓度都减小。随着AgI播撒剂量的增加, 冰晶、 雪花和霰粒子的数浓度和比含量整体变化趋势不变, 增大与减小区域相对应, 但变化更明显; 消雹效果会更好, 但降雨量呈先增加后减小。播撒AgI会使冰雹云前期正的非感应起电率区出现时间提前, 中心增强, 上界高度抬升, 后期负的非感应起电率区中心增强。所以, 播撒后前期主要使底部次正电荷区增强, 后期主要使上方主正电荷区和中部负电荷区增强。随着催化剂量增多, 这些变化越明显。播撒AgI对地闪有一定的抑制作用, 而使云闪和总闪少量增多, 首次放电和云闪的峰值时间提前, 放电持续性更强, 闪电频发时段的闪电频率略有降低。
- 向下短波辐射差异对草甸化草原地表辐射平衡的影响
- 李甫, 周秉荣, 王力, 马文哲, 霍金虎
- 2024 Vol. 43 (1): 217-226. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00035
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基于向下短波辐射分位数, 对中国气象局海北牧业试验站2014年9月至2020年12月四分量辐射观测数据按月进行分组。分析了向下短波辐射差异对草甸化草原辐射平衡的影响, 为明晰不同光照条件下辐射平衡变化和成因提供了依据。结果表明: 在相同月份中, 不同光照条件下地表接收的向下短波辐射呈现出极显著的对数变化趋势, 组间差异超过了季节之间的差异。不同光照条件下向上短波辐射和大气长波辐射也表现出较大差异, 其中大气长波辐射差异主要与空气湿度以及云量差异有关。随光照条件的增加, 地表接收的净短波辐射增多, 支出净长波辐射也增多。所以不同光照条件下净全辐射与向下短波辐射的比例相差不大。不过, 光照条件差异会对向下短波辐射与净全辐射的关系模型产生影响。
- 川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析
- 范德民, 张宇, 苏有琦, 张茜
- 2024 Vol. 43 (1): 227-240. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00027
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由于通量观测容易受复杂下垫面和仪器精度影响, 需基于涡动相关系统观测原理对原始数据进行严格的预处理和质量控制。本研究选用2021年5 -12月来自于川南地区四峨山森林下垫面的涡动相关系统的湍流观测资料, 观测设备架设在不同高度包括粗糙副层内、 粗糙副层与常通量层边界以及常通量层内。利用上述观测数据量化了两种坐标旋转方案下湍流通量计算结果的差异性, 并结合湍流稳定性和发展性检验对通量资料序列进行了质量评价, 最后分析了不同大气稳定度和不同观测高度下足迹函数所表示的通量贡献区域变化范围。结果表明: 二次坐标旋转校正后的通量数据大于平面拟合后的数据, 且两者的校正差距随观测高度的增加而增大。从通量数据质量等级分布特征来看, 感热通量数据质量优于潜热通量及CO2通量, 且低层数据质量优于高层。38 m和56 m观测高度主风向在东北-西北方向上呈现昼夜相反的变化, 其中5 -9月尤为明显。不同大气稳定度下的通量贡献范围存在一定的差异, 在大气稳定条件下, 38 m观测高度的通量信息80%来源于距离观测塔西侧50~1400 m区域; 在大气不稳定条件下, 通量测量的源区水平范围在0~500 m之间。在56 m观测高度且大气稳定条件下, 通量贡献80%的源区边界距测点可达1500 m; 不稳定条件下, 源区范围在0~750 m之间。冬夏两季在稳定大气条件下贡献区范围有明显差异, 在38 m观测高度上, 夏、 冬季节最大湍流通量信息分别来于1320 m、 700 m。在相同大气稳定度下, 通量贡献区的分布受观测高度的影响, 56 m观测高度通量源区大于38 m的通量源区。
- 基于CE-318观测的甘肃省气溶胶光学特性分析
- 黄芳芳, 马伟强, 王遂缠, 张鸿, 孔小怡, 卢品睿, 王旭东, 刘昊, 闫一丹
- 2024 Vol. 43 (1): 241-253. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00030
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对于大气气溶胶地基观测资料的定量分析是了解气溶胶光学特性和大气污染特征的基本途径, 可为探讨污染治理方向提供一定的依据。近年来, 利用地基观测资料分析甘肃省不同区域气溶胶光学特性的研究较少。为了解甘肃省不同下垫面的大气气溶胶光学特性, 本文基于2018年4月至2020年9月CE-318型太阳光度计观测资料, 通过ASTPwin软件反演获得了甘肃省四个站点的气溶胶光学厚度AOD, 计算了Angstrom波长指数α, 分析了甘肃省不同区域不同季节AOD和α的分布和变化特征以及气溶胶光学厚度和波长指数的关系。结果表明: (1)观测时段内, 所有站点各波段AOD的变化趋于一致, 且AOD值随波长增大而减小。兰州和皋兰山AOD值冬季最高, 春、秋季次之, 夏季最低, 兰州冬、春季AOD值分别比年均值超出14.98%和4.68%, 皋兰山冬季AOD值比年均值超出3.88%。敦煌和民勤AOD值均为春季最高, 比各自的年均值高出24.49%和26.30%。敦煌AOD季节分布为: 春季>夏季>冬季>秋季, 而民勤则表现为从春到冬季逐渐减小的趋势。(2)兰州和皋兰山春夏季主控粒子为粗模态, 秋冬季则为细颗粒物主导。敦煌和民勤大气气溶胶常年由粗模态粒子主控。2019年冬季, 兰州市区AOD值比其城郊的皋兰山高出68.0%; 敦煌和民勤2019年春季沙尘气溶胶污染较为严重, 敦煌AOD值比民勤超出42.42%。(3)四个站点AOD和α的频率分布均呈单峰曲线, 不同季节AOD高频次分布范围存在差异性, 但都处于1.0以下。α的高频次范围分布较为复杂, 兰州春季、皋兰山春夏季、敦煌四季、民勤春夏秋季, α分布区间均小于1.0, 而兰州夏秋冬季、皋兰山秋冬季、民勤冬季α主要分布于1.1以上。(4)不同季节AOD和α的关系存在差异, 表现为不同季节, 大气出现严重或者局部污染时, 气溶胶的主控粒子粒径大小不同。春季大气出现局部或者严重污染、夏季大气局部污染时, 四个站点气溶胶主要是大粒径粒子, 其中沙尘气溶胶的贡献较大。夏季大气处于严重污染时, 皋兰山气溶胶主要是细模态粒子, 兰州、敦煌、民勤气溶胶依然由粗模态主控, 但是兰州小粒径粒子导致的污染比重高于其余两站, 其中85%以上属于城市工业-气溶胶污染。秋季大气处于严重污染状况时, 兰州和皋兰山均由细模态粒子主导, 其中城市工业-气溶胶占比明显增加, 而敦煌和民勤依然由粗模态粒子主导, 其中沙尘气溶胶占比偏重。冬季大气严重污染时, 兰州依然由细模态粒子主导, 而其他三站由粗模态粒子占据主导地位, 冬季大气局部污染时, 敦煌和民勤粗模态粒子与细模态粒子同时出现, 皋兰山以细模态粒子为主。分析可知, 总体上甘肃偏北地区气溶胶污染以沙尘气溶胶为主, 而偏南地区气溶胶污染表现为粗模态与细模态粒子交替出现, 这为下一步结合卫星遥感资料研究甘肃不同区域的气溶胶特性及大气污染特征提供了一些参考。
- 基于雷达估测降雨及WRF-Hydro模型的典型山洪模拟研究
- 胡迎春, 陈耀登, 高玉芳, 彭涛
- 2024 Vol. 43 (1): 254-263. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00044
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受复杂地形与基础气象水文资料缺乏限制, 山区小尺度流域的水文预警预报技术较为薄弱, 利用高分辨率雷达观测资料驱动分布式水文模型是提高山区小流域洪水预报性能的有效途径之一。本文以位于重庆中部的山区小流域二河流域为研究区域, 开展基于雷达估测降雨数据的WRF-Hydro模型在山区小流域的山洪模拟研究, 以评估雷达估测降雨的水文应用效果和WRF-Hydro模型在山区小流域的适用性。选取流域内典型的暴雨洪水过程, 利用S波段的多普勒天气雷达的估测降雨数据驱动WRF-Hydro模型, 并结合新安江模型进一步对比分析模拟效果。研究结果表明: (1)在二河流域, 采用雷达估测降雨数据驱动WRF-Hydro 模型, 可以较好地模拟洪水过程、 洪水流量以及峰现时间, 纳什效率系数高于0.65, 克林-古普塔效率系数高于0.50, 相关系数高于0.85。(2)将 WRF-Hydro 模型与新安江模型进行比较分析, 在二河流域, WRF-Hydro 模型的模拟效果优于新安江模型, 纳什系数差值0.03, 相关系数差值为0.04, 进一步表明 WRF-Hydro 模型在山区小流域较优的洪水模拟性能。总体而言, 基于雷达估测降雨数据的 WRF-Hydro 模型在二河流域表现出了良好的模拟洪水的性能, 可进一步在类似小尺度山区流域进行应用研究。
- 西南地区2000 -2020年植被覆盖度时空变化与影响因素分析
- 刘雨亭, 王磊, 李谢辉, 郭蕾
- 2024 Vol. 43 (1): 264-276. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00052
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西南地区是我国重要的生态安全屏障区, 也是生态脆弱和气候敏感区。本文基于MOD13A3的NDVI数据集, 利用像元二分模型首先计算了西南五省市区2000 -2020年西南整体和分省市区年、 生长季和四季的平均植被覆盖度FVC(Fractional Vegetation Cover), 并对不同时间尺度的FVC进行了时空变化特征分析, 然后利用ERA5的气温、 GPCP卫星降水和DEM等资料, 对过去21年影响西南地区FVC变化的主要影响因素进行了讨论, 最后利用Hurst指数对FVC的未来变化趋势进行了预测。结果表明: (1)2000 -2020 年以来, 西南地区东部FVC整体呈增加趋势, 尤其在重庆和贵州增加最快, 西藏地区总体呈下降趋势。(2) 西南地区FVC在空间上总体呈现东高西低的特点, 2000 -2020年平均FVC为0.46, 在年际空间变化上FVC的上升区域占西南地区总面积的43.9%, 下降区域占53.5%。(3)降水对FVC起促进作用, 气温在不同地区则表现出不同的影响。(4)人类活动对FVC的影响很大, 对植被的促进、 抑制和无影响区域分别占栅格百分比的40.4%、 47.6%和12.0%。(5)高程和不同时间尺度的FVC都显著相关, 但都呈现出极显著的下降趋势; 不同时间尺度的FVC随坡度增加都显著增加, 但当坡度大于25°后FVC会逐渐减小; 坡向对西南地区FVC的影响相较于坡度、 高程和气候因子的影响并不显著。(6)未来西藏、 西南地区东部的四川、 云南和贵州交界处的FVC整体将呈增加趋势, 而四川西部和横断山脉的大部分地区将呈减少趋势。研究结果能为西南地区生态保护方案的制定提供数据支撑和科学指导。