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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

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高原气象 2024年第1期43卷 99-113页

作者：陈浩然耿飞刘黎平杨华中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

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... 详细信息

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ΦDP(差分传播相移)、最小二乘拟合计算KDP(差分传播相移率)、“ZPHI”降水廓线算法订正ZH(反射率因子);以ZH和KDP为阈值,使用R(ZH)与R(KDP)分段估测降水,与单独使用R(ZH)和R(KDP)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ZH、 KDP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ZH、 ZDR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(ZH)、 R(KDP)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。

关键词： X波段相控阵偏振雷达线性规划雷达混合仰角定量降水估测

东亚夏季风和中国雨季的趋势变化和关键区气温和海温的影响

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大气科学 2024年第3期48卷 1217-1232页

作者：王婷祝从文马双梅中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

中国降水主要受到西风和季风环流的共同影响,表现出显著的年循环特征。本文基于1961~2020年CN05.1逐日降水资料和JRA55、CRU、HadISST再分析资料,采用谐波分析、相关和回归统计方法,分析了过去60年的东亚夏季风(中国雨季)的建立(开始)... 详细信息

中国降水主要受到西风和季风环流的共同影响,表现出显著的年循环特征。本文基于1961~2020年CN05.1逐日降水资料和JRA55、CRU、HadISST再分析资料,采用谐波分析、相关和回归统计方法,分析了过去60年的东亚夏季风(中国雨季)的建立(开始)、撤退(结束)和持续时间等年循环参数趋势的变化特征。结果显示,自1961年以来,东亚夏季风有建立时间提前,撤退时间推后,持续时间增长的趋势,每十年分别达到了3.54、1.64、5.18天。1999年前后22年我国雨季也存在趋势变化,且在空间上存在显著差异。最近22年(1999~2020年),我国雨季提前主要集中在东北东部、青藏高原东部、西北北部地区,提前时间达5天以上,部分地区超过了20天。雨季滞后主要集中在青藏高原东北,长江以北和西部地区,时间超过了10天。雨季持续时间增加主要集中在青藏高原东北部、我国长江以北、东北东南部地区,时间超过15天以上,部分地区超过25天。研究发现,4月份环贝加尔湖地表气温增加及其伴随的局地反气旋性环流异常,是东亚夏季风建立和我国雨季开始时间提前的关键,而10月份的西北太平洋海温增暖及其伴随的西北太平洋副热带反气旋的异常是导致东亚夏季风撤退和中国北方雨季变长的关键。

关键词：东亚夏季风中国雨季全球变暖年循环变化

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基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

地球物理学报 2024年第1期67卷 21-33页

作者：张雄张阳李小强郑毅曹保锋王宇吕伟涛李鹏国民核生化灾害防护国家重点实验室北京102205 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司武汉430074

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation,LER)多点观测结果.基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System,TEROS),在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件,结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料,对3次事件的高能辐射特征进行研究.分析发现:3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到,是典型的X射线暴,且均具有MeV能量的单光子,最大能量超过2.2 MeV;伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs,伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs,主要与先导发展速度有关;相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量,随着接近回击时刻,该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势,表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素;随到达强度降低,高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变,呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征,更多乃至所有的爆发过程无法被探测到,高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

关键词：闪电高能辐射自然闪电 X射线暴地球伽马射线闪闪电先导

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青藏高原春季区域性极端大风频次下降成因

高原气象 2024年第5期43卷 1087-1101页

作者：付文卓陈斌徐祥德中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

极端大风是一种重要的气象灾害,同时亦是一种重要的气候资源。作为“世界屋脊”的青藏高原(Qinghai-XizangPlateau,QXP)区域是全球和区域气候变化的敏感区,其极端大风事件及其气候变化背景下变化特征与机理尚未完全清楚,尤其在川藏铁路... 详细信息

极端大风是一种重要的气象灾害,同时亦是一种重要的气候资源。作为“世界屋脊”的青藏高原(Qinghai-XizangPlateau,QXP)区域是全球和区域气候变化的敏感区,其极端大风事件及其气候变化背景下变化特征与机理尚未完全清楚,尤其在川藏铁路建设背景下,加深高原区域极端大风事件的科学认知可为铁路建设和运营提供科学支撑和参考。为探讨高原区域性极端大风长期变化特征及其可能原因,利用地面观测最大风速日值数据,定义了青藏高原区域性极端大风事件,在此基础上,采用趋势分析、EOF分析、合成分析等多元统计方法分析了1982-2021年高原中东部区域性极端大风事件的时空分布和变化特征、发生的环流条件及其频次减少的可能原因。分析结果表明:(1)自20世纪80年代以来,青藏高原中东部区域性极端大风事件呈显著下降趋势,以95和99百分位定义的区域性极端大风日数每10年分别下降44天和11.6天,且变化主要表现为空间一致型,主要集中在高原东北部。(2)区域性极端大风发生期间,中高纬位势高度呈“西高东低”,低纬地区呈“西低东高”的分布形势,主要特征表现为蒙古-西伯利亚高压正异常,蒙古地区气旋式环流异常,高原东北部西风异常以及蒙古地区地表温度负异常。(3)全球变化背景下,春季西伯利亚高压强度减弱、上一个冬季东亚大槽强度加强致使高原南北两侧气压梯度减小、西风急流减弱导致动量下传减弱并且伴随着气旋性环流异常减弱,以及亚洲地表温度非均匀性上升使得南北温度梯度变小。这些大尺度环流和局地热力因子的协同影响可能是高原中东部区域性极端大风事件发生频次减少的重要原因。

关键词：青藏高原区域性极端大风东亚大槽地表温度

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2022年夏季青藏高原高温干旱复合事件的双变量归因

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中国科学：地球科学 2024年第7期54卷 2152-2166页

作者：周佰铨翟盘茂廖圳中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

相对其气候态而言,青藏高原2022年夏季的温度之高不可忽视.尤其是高温伴随着少雨,使得2022年夏季成为青藏高原至少自1961年以来最热且降雨量最少的一个夏季.鉴于青藏高原气候变化的敏感性,本文利用HadGEM3-A-N216模式大样本模拟和基于Co... 详细信息

相对其气候态而言,青藏高原2022年夏季的温度之高不可忽视.尤其是高温伴随着少雨,使得2022年夏季成为青藏高原至少自1961年以来最热且降雨量最少的一个夏季.鉴于青藏高原气候变化的敏感性,本文利用HadGEM3-A-N216模式大样本模拟和基于Copula函数的联合概率分布,从双变量极端事件归因的角度研究了以全球温室气体排放为主的人为强迫对此次青藏高原高温干旱复合事件的贡献.结果表明,根据基于1961~2022年期间观测数据拟合的联合概率分布,青藏高原2022年夏季高温干旱复合事件的发生概率达到4000多年一遇.显然,相当正压结构高压异常的控制以及北移的副热带西风急流等大尺度环流异常与青藏高原此次高温干旱复合事件有着直接联系.而从外强迫的影响来看,全球人为强迫促进了青藏高原夏季的地表增暖和降水变率的增大,为2022年夏季高温干旱复合事件的发生创造了有利的条件.青藏高原2022年夏季高温干旱复合事件在人类活动和自然因子共同强迫的大样本集合中发生概率约为283年(142~613年)一遇,而在仅有自然强迫的集合试验中发生概率几乎为0.这表明青藏高原2022年夏季高温干旱复合事件的发生概率中可归因于人为强迫的贡献为100%,也就是说如果没有人类活动导致的全球变暖,青藏高原类似于2022年夏季这种前所未见的高温干旱复合事件不可能发生.

关键词：高温干旱复合事件青藏高原双变量事件归因人类活动强迫

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秸秆燃烧气溶胶的气象反馈及其棕碳吸光效应

中国环境科学 2024年第3期44卷 1212-1224页

作者：王璐瑶张磊安兴琴王格慧中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象科学研究院气象影响与风险研究中心北京100081 中国气象局大气化学重点开放实验室北京100081 华东师范大学地理科学学院上海200062

本文利用WRF-Chem模式模拟研究了2013年6月华北地区秸秆燃烧排放气溶胶的气象效应,并对秸秆燃烧产生的吸收性有机气溶胶(即棕碳或BrC)的光吸收效应进行分析.设置4组敏感性试验,通过与AERONET观测结果对比分析了BrC对光吸收的影响.结果表... 详细信息

本文利用WRF-Chem模式模拟研究了2013年6月华北地区秸秆燃烧排放气溶胶的气象效应,并对秸秆燃烧产生的吸收性有机气溶胶(即棕碳或BrC)的光吸收效应进行分析.设置4组敏感性试验,通过与AERONET观测结果对比分析了BrC对光吸收的影响.结果表明:模式较好再现了研究时段内各变量变化;在不考虑BrC吸收的情况下,秸秆燃烧产生的气溶胶在主要的农业产区造成地表短波辐射的减弱,月平均值减弱约12.42W/m2,且造成近地面降温而2km以上高空增温,其中近地面温度降幅为0.12~3.64℃,致使边界层趋于稳定,垂直扩散能力减弱;气压整体升高,正变压中心与火点密集区域重合.同时,秸秆燃烧引发近地面较强的风辐散,抑制海洋高湿气团向秸秆燃烧区域的水平输送.在考虑BrC的吸收作用后,光学参数的模拟效果得到了一定提升,AAOD模拟值与观测值的拟合线性斜率由0.47升至0.53,AOD斜率值由0.19升至0.21.生物质燃烧排放BrC对气溶胶消光的影响显著,如AAOD与AOD均出现不同程度的上升.

关键词：生物质燃烧 BrC 光吸收 WRF-Chem模式华北地区

2019年超强台风“利奇马”外雨带降水精细结构分析

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中国海洋大学学报(自然科学版) 2024年

作者：彭成祥端义宏冯佳宁 1.复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院 2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室

本文利用中国地面高时空分辨率的降水资料,分析台风“利奇马”(Lekima)登陆期间,其外雨带在浙江沿海地区产生的降水特征。结果表明,“利奇马”外雨带影响下浙江地区降水过程的累计降水、分钟雨强均呈现显著极端性,强降水中心呈现带状分... 详细信息

本文利用中国地面高时空分辨率的降水资料,分析台风“利奇马”(Lekima)登陆期间,其外雨带在浙江沿海地区产生的降水特征。结果表明,“利奇马”外雨带影响下浙江地区降水过程的累计降水、分钟雨强均呈现显著极端性,强降水中心呈现带状分布特征,在空间和时间上具有明显的非均匀性。同时,本次降水呈现出多种时间尺度的波动特征,周期128～192 min的波动信号贯穿了整个降水过程。外雨带主要位于台风移动方向前侧,其不同位置的降水波动特征有所不同,雨带外边缘降水小波功率谱有两个明显的大值中心,即除周期128～192 min波动信号外,还有准周期16～64 min的波动特征;雨带内侧则分为周期128～256 min的波动信号和多个周期在16 min以下的高频波动信号。本文的研究对提高登陆台风的降水精细化预测水平有重要意义。

关键词：台风利奇马降水时空演变波动特征

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基于尺度分析的CMA-GFS全球能量评估

应用气象学报 2024年第2期35卷 156-167页

作者：葛恩博赵滨中国气象科学研究院北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

全球模式能量循环和能量转换规律可准确反映模式动力和物理过程相互作用的物理机制,是诊断大气环流特征的重要方法。基于混合时空域能量循环框架,采用尺度分析方法,利用2022年中国气象局全球数值预报系统(CMA Global Forecast System,CM... 详细信息

全球模式能量循环和能量转换规律可准确反映模式动力和物理过程相互作用的物理机制,是诊断大气环流特征的重要方法。基于混合时空域能量循环框架,采用尺度分析方法,利用2022年中国气象局全球数值预报系统(CMA Global Forecast System,CMA-GFS)全球预报产品及欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ECMWF reanalysis version 5,ERA5),考察CMA-GFS不同尺度下的能量蓄能及转换特征,以此诊断模式的误差来源。结果表明:CMA-GFS可有效预报大气能量循环基本特征,但其对斜压性的高估导致平均环流有效位能偏强,且具有随预报时效逐渐增长的趋势。定常和瞬变涡动能量分别受行星尺度和天气及以下尺度分量主导。涡动有效位能误差由模式斜压性决定,其中CMA-GFS的定常涡动有效位能偏高而瞬变涡动有效位能偏低。定常和瞬变涡动动能均存在系统性低估,负误差主要集中在副热带急流和极夜急流中心附近,偏强的正压输送使更多能量向平均环流转换,涡动能量偏弱。CMA-GFS的4种涡动能量在冬季预报偏低,而在夏季偏高或略偏低,严重削弱了季节变化影响。

关键词：混合时空域能量循环尺度分析定常及瞬变能量 CMA-GFS 系统性误差

产生青海“22·8”极端强降水的三维环流结构分析

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气象学报 2024年第1期82卷 37-54页

作者：李泽雯孙溦宇如聪中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象科学研究院青藏高原气象研究院成都610000 云南大学大气科学系昆明650091

利用探空资料、台站逐时观测资料和ERA5逐时再分析资料,以包含对流层高层气温特征的三维环流结构为切入点,系统分析了2022年8月17—18日引发青海省西宁市大通县山洪灾害的短时极端强降水的精细化特征。结果表明,强降水发生前,中国西北... 详细信息

利用探空资料、台站逐时观测资料和ERA5逐时再分析资料,以包含对流层高层气温特征的三维环流结构为切入点,系统分析了2022年8月17—18日引发青海省西宁市大通县山洪灾害的短时极端强降水的精细化特征。结果表明,强降水发生前,中国西北地区上空300 hPa存在明显暖异常,随着时间推移暖异常略向东南方向移动且强度逐渐增强,并在降水峰值时刻达到最强。在静力平衡的调控作用下,对流层高层暖异常上层出现位势高度正异常,下层出现位势高度负异常。与这种配置相对应,对流层高层出现反气旋式环流异常,为高层辐散创造了有利条件。随着暖异常移动增强,高空西风急流异常向东南移动增强。另外,对流层中、低层出现气旋式切变,低层偏东气流转变为气旋前部偏南气流,为降水地区低层暖湿条件增强、大气不稳定度增大创造了有利条件。这种三维环流结构不仅为强降水形成提供了有利的高、低层环流条件与水汽条件,还为不稳定能量的积蓄奠定了基础。同时,在大通县西北高、东南低的喇叭口地形影响下,低层偏南气流携带的丰富水汽在此处聚集,配合较强的不稳定能量,共同促成了此次短时极端强降水过程。

关键词：青藏高原东北坡短时强降水三维环流结构对流层高层温度