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北京地区X波段双偏振天气雷达差分反射率因子系统偏差分析及订正

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高原气象 2024年

作者：文浩王辉张扬吴蕾李瑞义中国气象局气象探测中心中国气象局大气探测重点开放实验室北京市气象探测中心中国气象科学研究院

差分反射率因子(ZDR)是反映大气中云和降水粒子形状的重要偏振参量，但其极易受硬件设备和环境影响导致质量变差，分析ZDR系统偏差并开展订正，是双偏振雷达数据有效应用的关键。本文采用2023年7月北京8部X波段速调管双偏振天气雷达资... 详细信息

差分反射率因子(ZDR)是反映大气中云和降水粒子形状的重要偏振参量，但其极易受硬件设备和环境影响导致质量变差，分析ZDR系统偏差并开展订正，是双偏振雷达数据有效应用的关键。本文采用2023年7月北京8部X波段速调管双偏振天气雷达资料，利用小雨法筛选出ZDR数据获得其逐仰角逐径向平均值，分析了ZDR的受影响因素和受影响程度；并利用相应时段的大量雨滴谱数据，通过T矩阵法计算的ZDR中值作为基准，开展全体扫ZDR的系统偏差订正。结果表明：（1）避雷针对于北京X波段雷达ZDR有较大的影响，影响范围在10°～25°，平均影响幅度在0.16～1.21 dB;（2）门头沟和怀柔雷达的ZDR数据，除受避雷针影响外，还分别受近距离铁塔、信号塔的影响，受影响方位角度小于避雷针；（3）差分反射率因子受部分波束遮挡会导致较大的系统偏差，房山X波段雷达ZDR数据显示部分波束遮挡可使其值增大1.19 dB;（4）本文提出的系统偏差订正方法能够明显改善所有仰角所有径向由避雷针、部分波束遮挡等因素导致的ZDR值不合理的情况。

关键词： X波段双偏振天气雷达差分反射率因子系统偏差

土壤湿度产品对2021年3月华北强沙尘暴模拟结果的影响

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中国沙漠 2024年第2期44卷 172-184页

作者：丁涵泳康汉青吕晶晶南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室江苏南京210044 中国气象科学研究院中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081

针对2021年3月华北两次强沙尘暴过程,研究了10款土壤湿度产品在沙尘源地(戈壁沙漠地区)的空间分布,并选择了其中4款(ERA5、 GLDAS、NCEP/FNL和SMAP L3)驱动WRF-CMAQ对两次沙尘暴过程进行模拟。最后结合110个受沙尘影响城市的实际观测结... 详细信息

针对2021年3月华北两次强沙尘暴过程,研究了10款土壤湿度产品在沙尘源地(戈壁沙漠地区)的空间分布,并选择了其中4款(ERA5、 GLDAS、NCEP/FNL和SMAP L3)驱动WRF-CMAQ对两次沙尘暴过程进行模拟。最后结合110个受沙尘影响城市的实际观测结果,对4款产品的模拟效果进行评估,以研究其对两次沙尘过程模拟准确性和实用性的影响。结果表明:(1)仅基于卫星反演的产品,普遍存在缺测区域,且空间分布的异质性较强,4款产品中仅SMAP L3表现较好;“开放环”模型产品和经过卫星数据同化的模型产品在空间分布上均一性较强,质量较高。(2)在沙尘源地,ERA5、ERA5-Land和SMAP L3中的土壤湿度较低,AMSR2-JAXA、GLDAS、GLEAM、NCEP/FNL和SMAP L4中的土壤湿度相对较高。(3)第一次沙尘过程中4款产品对PM_(10)浓度的预测都有一定的低估;第二次沙尘过程中ERA5和SMAP L3高估而NCEP/FNL和GLDAS低估了统计站点的PM_(10)浓度;模拟值的高低与其所基于的沙尘源地土壤湿度均值呈负相关。在两次沙尘暴过程的模拟结果中,SMAP L3和ERA5两款产品表现较好,GLDAS次之,而NCEP/FNL产品造成了对沙尘浓度的明显低估。

关键词：土壤湿度沙尘暴数值模拟

碳中和情景下人为排放对全球对流层臭氧的影响研究

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中国环境科学 2024年第6期44卷 3517-3530页

作者：王欣玥张佳蕾侯雪伟吴儒鸿南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心气象灾害教育部重点实验室气候与环境变化国际合作联合实验室中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室江苏南京210044 中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081

本文采用地球系统模式,以未来碳中和排放清单和平流层示踪物O_(3)S为基础,揭示了未来对流层O_(3)及其前体物的变化特征及成因.研究结果表明:碳中和排放情景下,特别在冬春季节,全球范围内的NO_(x)人为排放和飞机排放量均显著降低,这使得... 详细信息

本文采用地球系统模式,以未来碳中和排放清单和平流层示踪物O_(3)S为基础,揭示了未来对流层O_(3)及其前体物的变化特征及成因.研究结果表明:碳中和排放情景下,特别在冬春季节,全球范围内的NO_(x)人为排放和飞机排放量均显著降低,这使得近地面NO_(x)浓度随之降低.NO_(x)作为对流层O_(3)的重要前体物之一,其浓度的剧烈减少使得近地层O_(3)浓度显著降低,但在中国东部地区,由于NO对O_(3)滴定作用的减弱,最终使得冬季近地面O_(3)呈现增加趋势;垂直方向上O_(3)浓度减少最为显著的区域集中在对流层顶附近,减少量达26×10^(-9)以上,且夏季最为显著,这主要与飞机排放减少导致的平流层O_(3)浓度降低有关.碳中和排放情景下平流层入侵对全球近地面O_(3)的平均贡献减少量在冬季最高,为1.7×10^(-9),夏季最低,为0.9×10^(-9);北半球平流层入侵贡献减少量最显著区域集中在高纬地区,达4×10^(-9).垂直方向上,平流层入侵贡献减少量随高度增加,在对流层上层,平流层的贡献量降低高达24×10^(-9)以上,且冬季最强.总之,碳中和排放情景下地表人为排放及飞机排放的改变对全球O_(3)污染有很好的减轻作用,平流层贡献量的降低对未来O_(3)浓度的变化也有重要贡献.

关键词：碳中和排放情景对流层臭氧人为排放 CESM2 平流层贡献

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

葵花-8卫星AOD资料在CMA-MESO/CUACE

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高原气象 2024年第5期43卷 1259-1270页

作者：田伟红庄照荣韩威沈学顺中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 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重点开放实验室北京100081

CMA-MESO/CUACE CW化学天气耦合模式是自主研发的大气化学耦合模式,目前CMA-MESO/CUACE CW3DVar同化系统实现了地面气溶胶观测可吸入颗粒物PM_(2.5)和PM10的同化,为增强耦合同化系统非常规观测的同化能力,文中在CMA-MESO大气化学天气耦... 详细信息

CMA-MESO/CUACE CW化学天气耦合模式是自主研发的大气化学耦合模式,目前CMA-MESO/CUACE CW3DVar同化系统实现了地面气溶胶观测可吸入颗粒物PM_(2.5)和PM10的同化,为增强耦合同化系统非常规观测的同化能力,文中在CMA-MESO大气化学天气耦合三维变分同化框架基础上,利用查表法获得气溶胶消光系数,然后建立气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)和气溶胶组分之间关系的观测算子、切线性观测算子和伴随观测算子,实现AOD观测资料的同化应用。针对2016年12月18-20日华北、黄淮地区一次污染天气过程进行同化预报试验,试验结果表明同化葵花-8卫星(Hi‐mawari-8)气溶胶光学厚度观测后,PM_(2.5)分析的重污染区范围有所扩大,山西东南部分析与实况分布更为接近,但是山东大部地区PM_(2.5)分析偏强,与观测相比PM_(2.5)质量浓度存在高估。同时同化Himawari-8 AOD观测和地面气溶胶站点观测的PM_(2.5)分析最优,分析与观测距平相关系数最高,平均偏差、均方根误差及标准差最小。重污染区的PM_(2.5)预报检验结果表明,同化Himawari-8AOD观测对大于350µg·m^(-3)量级PM_(2.5)预报正贡献可以持续到48 h,但整体来说,同时同化Himawari-8AOD观测和地面气溶胶站点观测对各个量级的PM_(2.5)质量浓度预报质量最优。

关键词：气溶胶光学厚度观测(AOD) CMA-MESO三维变分 CUACE 葵花-8(Himawari-8)

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

临沂市夏季羰基化合物来源及其对大气氧化性的影响

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环境化学 2024年

作者：杨雪赵世阳张根胡书豪王金鹤朱超山东建筑大学市政与环境工程学院中国气象科学研究院大气成分与环境气象研究所(碳中和监测与评估中心)中国气象局大气化学重点开放实验室

羰基化合物在大气光化学中扮演着重要角色,影响大气自由基丰度、大气氧化性强度以及臭氧(O3)光化学反应产率.通过对2022年8月临沂市大气羰基化合物及相关物种外场观测,结果发现甲醛(HCHO)体积分数φ(HCHO)和乙醛(CH3CHO)体积分数φ(CH3C... 详细信息

羰基化合物在大气光化学中扮演着重要角色,影响大气自由基丰度、大气氧化性强度以及臭氧(O3)光化学反应产率.通过对2022年8月临沂市大气羰基化合物及相关物种外场观测,结果发现甲醛(HCHO)体积分数φ(HCHO)和乙醛(CH3CHO)体积分数φ(CH3CHO)分别为(4.95±2.01)×10-9和(3.34±1.40)×10-9.根据多元线性回归结果发现二次生成是HCHO和CH3CHO主要来源,分别贡献其总体积分数的34.28%和35.95%.用基于观测约束的模式(Observation-Based Model,OBM)分析发现影响甲醛二次净生成速率的主要前体物为生物源烯烃和人为源烯烃(主要是正丁烯、乙烯和丙烯).影响乙醛二次净生成速率的主要前体物是人为源烯烃(正丁烯和丙烯)、烷烃(正己烷和正丁烷)和苯.烯烃类物质是影响临沂市羰基化合物体积分数水平的关键前体物物种.羰基化合物对大气氧化性的贡献最强,占比高达为74.64%.本研究强调了烯烃对羰基化合物污染的重要影响,并指出光化学污染日,羰基化合物对大气氧化性的重要作用,对未来国内外中小城市羰基化合物污染控制具有指导意义.

关键词：羰基化合物 OBM模型相对增量反应活性(RIR) 关键前体物大气氧化性

沙尘气溶胶影响新疆对流云降水的数值模拟研究

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大气科学 2024年第3期48卷 1173-1188页

作者：孙博爱银燕陈倩况祥陈泔真邹泽庸南京信息工程大学/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室北京100081

为研究沙尘气溶胶层对云和降水的影响,本文使用耦合了分档云微物理方案(SBM)的Weather Research and Forecast Forecasting model(WRF)高分辨率天气模式(WRF-SBM),模拟了2016年7月8日发生在新疆阿克苏地区的一次强对流天气过程,并分别... 详细信息

为研究沙尘气溶胶层对云和降水的影响,本文使用耦合了分档云微物理方案(SBM)的Weather Research and Forecast Forecasting model(WRF)高分辨率天气模式(WRF-SBM),模拟了2016年7月8日发生在新疆阿克苏地区的一次强对流天气过程,并分别讨论了处于不同高度的沙尘层对云动力、微物理和降水形成过程中的作用。结果表明:沙尘层处于对流层中低层时,沙尘气溶胶作为云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)对云微物理过程的影响比其处于中高层时更明显,沙尘气溶胶使得CCN增加,云滴数浓度增加,云滴有效半径减小,降水延迟;而沙尘层处于对流层中高层时,沙尘气溶胶作为冰核(ice nuclei,IN)对云微物理过程影响更明显,沙尘气溶胶使得IN浓度增加,冰晶数量增加,雪、霰、雹的凇附增长率增加,参与融化过程的冰相粒子增多,降雨率增大。本文仅讨论了发生在新疆的这次对流天气过程对处于不同高度的沙尘气溶胶层的可能响应,要全面认识沙尘气溶胶对不同类型云降水过程的影响,需要进行更多的、有观测资料约束的模拟研究。

关键词：沙尘气溶胶分档微物理方案对流云

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华北平原及沿山和沿海五个城市夏季短历时降水过程的日变化分析

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气象学报 2024年第4期82卷 490-509页

作者：丁乙窦晶晶王迎春苗世光樊利强中国气象科学研究院北京100081 北京城市气象研究院北京100089 中国气象局城市气象重点开放实验室北京100089 国家气象中心北京100081

利用华北平原294个国家级气象站1980—2022年夏季(6—8月)逐时降水资料,分析了华北平原夏季短历时降水过程的日变化时、空分布特征,结合地面气温和风的日变化,综合分析了4个沿山城市(北京、石家庄、济南、郑州)和1个沿海城市(天津)在城... 详细信息

利用华北平原294个国家级气象站1980—2022年夏季(6—8月)逐时降水资料,分析了华北平原夏季短历时降水过程的日变化时、空分布特征,结合地面气温和风的日变化,综合分析了4个沿山城市(北京、石家庄、济南、郑州)和1个沿海城市(天津)在城市发展前期(1980—1989年)和后期(2013—2022年)短历时降水过程日变化特征及差异。结果表明:华北平原短历时降水过程整体呈现傍晚单峰的日变化特征;平原站点的达峰时间自东南向西北推后。5个主要城市在城市发展后期,短历时降水过程的日振幅都出现不同程度的减小;沿山城市短历时降水过程日峰值出现时间提前了1—2 h,而沿海城市天津无明显峰值时间,且高值时段提前;沿山城市50 mm以上短历时降水过程概率均有所升高,其中北京和石家庄40 mm以上的降水过程概率分别升高了2倍和5倍,而沿海城市天津40 mm以上的降水过程概率下降了43%。华北平原短历时降水过程的日变化与局地地形的热、动力作用和地面盛行风有关。城市局地增温效应导致沿山、沿海城市与周围地形热力差异更加明显,增强了沿山城市的山风和沿海城市的海风;同时,城市增温导致城市午后地面风辐合增强。近地面层上述热力差异变化导致的风场变化可能是沿山城市短历时降水过程日峰值提前、沿海城市短历时降水过程集中时段变为白天的重要原因。

关键词：短历时降水过程日变化城市效应地形华北平原