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江淮夏季不同对流过程的无人机边界层观测特征分析

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大气科学学报 2024年

作者：李厚凝李昕李煜斌吴泓曾明剑南京气象科技创新研究院中国气象局交通气象重点开放实验室中国气象科学研究院—江苏省气象局中国气象科学研究院南京信息工程大学大气物理学院

利用2019年7-10月江苏盐城5个站点的旋翼无人机观测对夏季对流天气发生前的大气边界层特征进行分析。利用ERA5和L波段雷达探空对旋翼无人机观测的温度、湿度和风场数据进行了观测偏差和误差的定量化估计。在不同高度层，无人机观测温度... 详细信息

利用2019年7-10月江苏盐城5个站点的旋翼无人机观测对夏季对流天气发生前的大气边界层特征进行分析。利用ERA5和L波段雷达探空对旋翼无人机观测的温度、湿度和风场数据进行了观测偏差和误差的定量化估计。在不同高度层，无人机观测温度和探空观测的平均偏差为-0.2～0.02 ℃，观测误差为0.44～0.59 ℃；相对湿度和ERA5的平均偏差为1.27%～7.14%，观测误差为7.14%～10.71%；风速、风向和探空观测的平均偏差分别为0.40～1.34 m/s和-3.87°～4.98°，观测误差分别为1.24～1.62 m/s和10.50°～23.96°。各变量同两个参考数据集具有较好的一致性，数据准确度满足边界层分析要求。针对三类不同天气背景下的夏季对流天气过程进行了边界层特征分析，无人机观测分别揭示了重要的信息：非天气尺度强迫的弱降水个例，无人机观测捕捉到了降水前边界层顶逆温层高度变化和局地风场辐合，边界层内的状态变化解释了弱降水成因；天气尺度强迫且主导系统位置稳定的降水个例，降水由大尺度低层不稳定导致，边界层特征呈现出对大尺度强迫的响应；天气尺度强迫且系统快速移动的降水个例，因平流引起边界层内气象要素迅速变化，边界层高度由于冷空气入侵急剧下降，近地层出现风向与主导系统移动方向一致的风速大值区。本研究为未来对流性天气数值模式同化建立了基础。

关键词：无人机观测对流天气过程边界层观测特征

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土壤冻融过程中的水热参数化方案研究进展

高原气象 2024年

作者：侯雅李伟平左金清中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室中国气象局地球系统数值预报中心中国气象局气候预测研究重点开放实验室/国家气候中心

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分，其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程，并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此，研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有... 详细信息

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分，其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程，并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此，研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制，总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果，包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言，砾石具有高导热率和低热容，有机质具有低导热率和高热容，他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外，砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用，进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明：（1）当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算，其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响，该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性；综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用，对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。（2）过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实；相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实；导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用，改善了对冻土区水文过程的模拟效果。（3）土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化，水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征，细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。（4）等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征，导致对冻融深度的严重高估或低估，尤其是对厚度较大的模式深层土壤，冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括：绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实；虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响，但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节；模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件，这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。

关键词：土壤冻融过程参数化方案土壤导热率土壤水文参数冻融锋水热耦合

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对流边界层灰区尺度数值模拟研究进展

地球科学进展 2024年第3期39卷 221-231页

作者：魏伟白嘉怡中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心重点开放实验室北京100081

随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案(适用于几公里或更粗水平... 详细信息

随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案(适用于几公里或更粗水平分辨率)和大涡模拟三维湍流闭合方案(适用于几十米以下水平分辨率)的假设条件在这一尺度上均不成立,称为对流边界层的灰区尺度。在讨论传统参数化方法的适用性和局限性的基础上,从理论、方案方法和影响3个方面介绍了对流边界层灰区尺度的研究进展,总结了近20年来国内外发展的各对流边界层灰区尺度模拟方法的特点,探讨了该尺度上边界层过程对数值模式中其他物理过程(如浅/深对流等)的影响,最后展望了未来可能的研究方向和思路。

关键词：灰色区域尺度自适应边界层参数化对流边界层

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基于下投式探空资料的热带气旋边界层结构分析

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地球物理学报 2024年第6期67卷 2085-2095页

作者：苏媚媚明杰李晨南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210023 中国气象局雷达气象重点开放实验室南京210023 中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室河北雄安新区071800 南京大学连云港高新技术研究院江苏连云港222000

本文使用来自大西洋海域5218个探空仪和西北太平洋海域448个探空仪资料,以及全球海表面温度资料、热带气旋路径资料和强度统计预测方案资料,分析了46个大西洋飓风和11个西北太平洋台风所处的环境特征和边界层结构,并对热带气旋快速增强... 详细信息

本文使用来自大西洋海域5218个探空仪和西北太平洋海域448个探空仪资料,以及全球海表面温度资料、热带气旋路径资料和强度统计预测方案资料,分析了46个大西洋飓风和11个西北太平洋台风所处的环境特征和边界层结构,并对热带气旋快速增强时的边界层结构做了进一步研究.结果表明:两海域增强组热带气旋更多地受到偏北的垂直风切变的影响,增强组热带气旋所处的环境也明显比减弱组热带气旋要更加湿热;且与大西洋飓风相比,西北太平洋台风所处的环境相对湿度更大,海洋热容量亦较高;从径向分布特征来看,增强组的热带气旋总体而言边界层更加温暖,比湿相对较低;相比于快速减弱的飓风,快速增强的飓风所受到的中低层垂直风切变方向更偏向北方,所处环境更湿热,温度分布更对称,但比湿较小.研究结果能为热带气旋的强度预报特别是快速增强(减弱)的预报提供参考.

关键词：热带气旋边界层结构下投式探空仪快速增强

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湖南两次暴雪过程的双偏振雷达云相态垂直特征观测分析

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灾害学 2024年

作者：戴劲何宁郭泽勇周卫华中国气象局大气探测重点开放实验室中国气象局龙卷风重点开放实验室(广东) 湘潭市气象局阳江市近海经济产业气象保障重点实验室新邵县气象局

针对2021年和2022年湖南两次大范围暴雪过程，该文利用ERA5全球再分析数据和长沙探空雷达、长沙S波段双偏振雷达等探测资料，深入分析了该过程的发生发展条件和云微物理特征。研究环境条件发现，正涡度区厚度伸展至450 hPa，中高层存在... 详细信息

针对2021年和2022年湖南两次大范围暴雪过程，该文利用ERA5全球再分析数据和长沙探空雷达、长沙S波段双偏振雷达等探测资料，深入分析了该过程的发生发展条件和云微物理特征。研究环境条件发现，正涡度区厚度伸展至450 hPa，中高层存在强烈的垂直运动，西南气流输送大量水汽，为强降雪提供了有利的动力、热力和水汽条件。进一步利用长沙双偏振雷达资料分析了两次降雪的微物理特征，结果显示：①暴雪与雪霰的基本反射率和极化参量纹理特征存在明显差异，可以有效识别两种降水粒子；②相态垂直廓线表明，雪的低层层云对应着相态转变；高层速度显著大于低层，且近地面降雪回波的下落速度低于层云降雨；③雷达极化参量的垂直演变特征表明两次降雪过程均有冰晶淞附层，其特征表现为高的差分反射率(ZDR)、差分相移率(KDP)和低的相关系数(CC)。研究证实双偏振雷达能够捕捉降雪云团的精细结构演变，可为强降雪的短临预报提供科学依据。

关键词：暴雪双偏振雷达发生发展条件云微物理监测

CMA-GFS对一次强降水过程预报评估及诊断改进

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中山大学学报（自然科学版）（中英文） 2024年第2期63卷 46-58页

作者：王蕾陈起英徐国强胡江林中国气象局地球系统数值预报中心/中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室北京100081

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气... 详细信息

2022年6月6~10日我国江淮-华南地区发生一次大范围强降水过程,造成重大洪涝灾害。强降水发生在850 hPa切变线附近,当切变线南压至华南地区时,配合西南暖湿气流,造成华南地区大暴雨降水。利用ERA5再分析数据及降水融合产品,评估了中国气象局全球同化预报系统(CMA-GFS)对此次过程的预报效果,诊断了预报偏差来源,进行了针对性敏感试验。结果表明:CMA-GFS对影响此次雨带位置和移动的南亚高压脊线移动、副高范围变化趋势以及850 hPa切变线移动预报与再分析结果一致,因此对雨带位置和移动趋势预报效果较好,但存在切变线降水偏弱,福建东部沿海、广东北部及广西中部的分散性大暴雨漏报,广东北部雨带偏北及暖区暴雨漏报问题;偏差诊断显示,CMA-GFS对切变线北侧风速预报偏弱3~8 m/s,广西、广东中北部水汽辐合偏弱2×10^(-5)~5×10^(-5)g/(m^(2)·Pa·s),导致切变线降水偏弱,南侧南风分量偏强3~5 m/s导致广东北部雨带偏北约60 km,华南沿海850 hPa急流偏弱4~6 m/s,暖区水汽输送偏少4~10 g/(cm·hPa·s),导致暖区暴雨漏报;采用美国全球预报系统(NCEP-GFS)分析场初始化明显改善了雨带位置预报,采用WSM6云微物理方案及收紧积云对流参数化方案中对流触发条件改善了切变线降水中心位置和量级预报,暖区降水量级也由小到中雨增强至中到大雨。

关键词： CMA-GFS 强降水误差诊断预报改进

环境湿度影响人工催化消减雨效果的数值模拟研究

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大气科学 2024年第2期48卷 572-584页

作者：花少烽查思佳陈宝君中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室北京100081 中国气象局人工影响天气中心北京100081 上海市金山区气象局上海201508

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产... 详细信息

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产生了减雨效果,低空干区的存在是影响催化效果的关键。当低空存在深厚的相对湿度很小的干层时,催化导致减雨效果;当增加低层的相对湿度即弱化低空干层,催化减雨效果减弱甚至出现增雨效果。催化增强了雪的形成过程但减弱了雪的增长过程尤其是凝华增长,导致雪粒子浓度增加但粒径减小,融化产生更多的小雨滴增强了蒸发过程,最终导致地面降水减少。

关键词：人工消减雨碘化银催化环境干层雪融化雨蒸发

云降水和人工影响天气暖云催化数值模式研发与应用进展

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地球科学进展 2024年第7期39卷 671-684页

作者：沈淑婧史月琴刘卫国花少烽孙晶中国气象局人工影响天气中心中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室北京100081

暖性云系是主要的降水云系之一,也是开展人工影响天气作业的重要对象,使用催化数值模式进行机理研究、催化预估和效果评估,将为人工影响天气作业提供关键依据和科学指导。针对半个多世纪以来的暖云催化数值模式发展,在系统介绍和对比基... 详细信息

暖性云系是主要的降水云系之一,也是开展人工影响天气作业的重要对象,使用催化数值模式进行机理研究、催化预估和效果评估,将为人工影响天气作业提供关键依据和科学指导。针对半个多世纪以来的暖云催化数值模式发展,在系统介绍和对比基于总体积水、分档、拉格朗日超级粒子及混合微物理方案的吸湿性催化模式研发进展的基础上,全面阐述了系列模式围绕播撒型盐粉及燃烧型焰剂在人工增雨、消雾、消减雨、实际催化效果评估以及暖云催化机理研究方面的应用,剖析了当前研究中存在的问题和不足,并对未来研发和应用重点方向进行展望。将对深入发展暖云催化数值模式并基于其开展云降水机理研究和我国人工影响天气业务应用具有重要的指导意义。

关键词：暖云催化数值模式微物理方案人工影响天气

青海湖流域不同下垫面类型对地表温度的生物物理影响

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干旱区研究 2024年第1期41卷 24-35页

作者：李永广苑广辉南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室江苏南京210044

本研究选取青海湖流域亚高山灌丛和温性草原两个不同土地覆盖类型的站点,利用湍流通量数据和自动气象站数据对比生长季和非生长季两个站点的微气象要素和地表能量平衡收支,评估土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Land Cover Changes,LULCC... 详细信息

本研究选取青海湖流域亚高山灌丛和温性草原两个不同土地覆盖类型的站点,利用湍流通量数据和自动气象站数据对比生长季和非生长季两个站点的微气象要素和地表能量平衡收支,评估土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Land Cover Changes,LULCC)对地表温度的生物物理影响。亚高山灌丛相比温性草原具有更低的地表温度、气温和土壤温度,在生长季两个站点的地表温度、气温和土壤温度的差异更为明显,而非生长季相对湿度的差异更为明显。根据直接分解温度理论(Direct Decomposed Temperature Metric,DTM),分析不同下垫面对地表温度的生物物理影响。结果表明:白天灌丛相比草原的冷却作用主要贡献因素是短波辐射、地表土壤热通量和感热通量项,其中短波辐射在灌丛的冷却中起到正反馈作用,而后两者起到负反馈作用。夜间灌丛的冷却作用主要贡献因素是地表土壤热通量项。在相同气候和天气背景下,不同下垫面确实会对地表温度有明显的生物物理反馈作用。

关键词：土地利用和土地覆盖变化地表温度辐射收支地表土壤热通量湍流通量青海湖流域