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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

基于累加气候概率的FSS检验方法对多模式短时暴雨预报的评估

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大气科学 2024年第4期48卷 1478-1498页

作者：董美莹邱金晶陈锋吴梦雯陈晔峰邓芳萍浙江省气象科学研究所杭州310008

为深入认识数值天气模式强降水精细化预报性能,本文以短时强降水多发的浙江省2019年5到10月降水为例,采用分数技巧评分(Fractions Skill Score,简称FSS)邻域检验方法,评估了6个业务模式短时降水预报准确性,重点探讨了各模式短时暴雨预... 详细信息

为深入认识数值天气模式强降水精细化预报性能,本文以短时强降水多发的浙江省2019年5到10月降水为例,采用分数技巧评分(Fractions Skill Score,简称FSS)邻域检验方法,评估了6个业务模式短时降水预报准确性,重点探讨了各模式短时暴雨预报能力及天气背景的影响。结果表明:(1)基于站点降水的累加气候概率,确定了短时小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的预报技巧评分阈值各为0.583、0.522、0.506、0.502和0.500,改进并实现了FSS方法对长时间序列各等级降水预报技巧尺度的综合评估。(2)只有上海中尺度区域数值预报业务系统和浙江中尺度区域数值预报业务系统的暴雨预报平均评分达到预报技巧,相应技巧尺度为159、159和183 km;这3个产品共有约6成预报达到技巧评分,其技巧尺度累积频率从3 km至183 km可增幅近50%,这种尺度选择性评价可为不同尺度下产品应用提供参考。(3)不同天气背景下各模式预报性能差异明显。台风类、梅雨类和弱天气尺度强迫类短时暴雨预报的最优模式分别是欧洲中期天气预报中心全球预报模式、上海中尺度区域数值预报业务系统和浙江中尺度区域数值预报业务系统,各技巧尺度为27、99和135 km,模式产品使用中需分类区别对待。

关键词：分数技巧评分数值天气预报模式短时暴雨评估

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西北干旱区绿洲时空变化及驱动力

应用生态学报 2024年第8期35卷 2206-2216页

作者：焦岩闫峰卢琦王艳姣中国林业科学研究院生态保护与修复研究所北京100091 中国林业科学研究院荒漠化研究所北京100091 中国气象局国家气候中心北京100081

基于2000-2020年Landsat影像和数字高程模型等数据,采用面向对象的方法进行绿洲分类,使用趋势分析、重心迁移及地理探测器等方法对西北干旱区绿洲时空特征及其驱动力进行研究。结果表明:2000-2020年,西北干旱区绿洲面积呈线性增加趋势,... 详细信息

基于2000-2020年Landsat影像和数字高程模型等数据,采用面向对象的方法进行绿洲分类,使用趋势分析、重心迁移及地理探测器等方法对西北干旱区绿洲时空特征及其驱动力进行研究。结果表明:2000-2020年,西北干旱区绿洲面积呈线性增加趋势,绿洲面积年均增速为1079.66km^(2)·a^(-1)。绿洲面积增长率由高到低依次为阿拉善、南疆、河西走廊和北疆地区。西北干旱区绿洲主要呈带状或点状分布在天山南北麓、昆仑山、祁连山北麓和阿拉善高原,北疆绿洲面积变化表现为北部增加、南部减少;南疆绿洲主要沿河流扩张,但部分绿洲边缘出现退缩;河西走廊绿洲的扩张与退缩均发生在西北部河流沿岸;阿拉善绿洲呈散点状扩张,无明显退缩区域。北疆和南疆绿洲的重心大体上向东北方向移动,河西走廊绿洲重心沿西北方向迁移,阿拉善绿洲重心呈南北向波动迁移。农田生产潜力对北疆绿洲和河西走廊绿洲空间分异的解释能力最强,分别为43.6%和45.3%;影响阿拉善绿洲分布变化最敏感的因子是降水(解释能力为27.6%);南疆绿洲分布响应最敏感的环境因子是土壤类型(解释能力为44.9%)。西北干旱区绿洲中,人类活动因子之间的交互作用以双因子增强为主,自然因子之间的交互作用为双因子增强和非线性增强。

关键词：绿洲时空特征地理探测器驱动力西北干旱区

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极区气溶胶光学厚度研究现状与展望

极地研究 2024年

作者：陈李静张雷佘勇姚振东曾昭亮田彪郑宇丁明虎中国气象科学研究院灾害天气实验室成都信息工程大学

近年来日益突出的极区大气污染以及气候变化问题使得气溶胶深入研究成为重要课题。气溶胶光学厚度(Aerosal Optical Depth, AOD)作为表征气溶胶光学特性的重要参数之一,其与大气颗粒物和气象要素的相关性可用以指示气溶胶对大气污染和... 详细信息

近年来日益突出的极区大气污染以及气候变化问题使得气溶胶深入研究成为重要课题。气溶胶光学厚度(Aerosal Optical Depth, AOD)作为表征气溶胶光学特性的重要参数之一,其与大气颗粒物和气象要素的相关性可用以指示气溶胶对大气污染和气候的影响。从全球角度看,目前对气溶胶研究在中纬度地区的开展较多,而由于受观测连续性和遥感能力特别是卫星遥感反演精度的限制,对南北极地区的气溶胶研究开展较少。本文分析了极区AOD研究的历史、现状和瓶颈,概述极区AOD总体研究的进展,探索地基观测和卫星遥感等制约其深入研究的能力及原因。

关键词：极区气溶胶光学厚度地基观测卫星遥感

西藏高寒草地物种多样性和生产力的环境驱动机制

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生态学报 2024年第14期44卷 6254-6264页

作者：匡苗苗周广胜周梦子郑州大学地球科学与技术学院郑州450001 中国气象科学研究院郑州大学生态气象联合实验室郑州450001 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

全球变暖影响物种多样性和生产力及其关系。关于全球和区域的物种多样性与生产力关系已有许多研究,但气候变暖背景下西藏高寒草地物种多样性与生产力的关系及其环境驱动机制研究仍然很少。基于西藏高寒草地实测的35个样点调查数据,利用... 详细信息

全球变暖影响物种多样性和生产力及其关系。关于全球和区域的物种多样性与生产力关系已有许多研究,但气候变暖背景下西藏高寒草地物种多样性与生产力的关系及其环境驱动机制研究仍然很少。基于西藏高寒草地实测的35个样点调查数据,利用回归分析、Pearson相关性分析、方差分解和结构方程模型等方法,探究了物种多样性和生产力的关系及其影响机制。研究发现:(1)高寒草地的物种丰富度指数和香农-威纳指数与地上植被净初级生产力(ANPP)呈显著正相关关系,且ANPP对物种丰富度指数的变化更为敏感;(2)物种丰富度指数与经度、土壤有效氮、土壤有效磷、年降水量呈显著正相关;Shannon-Wiener指数与海拔和纬度呈显著负相关,与年均温度呈显著正相关;ANPP与经度、土壤有效氮、年降水量和年均温度呈显著正相关,与海拔、纬度和土壤有效钾呈显著负相关;(3)地理因子、土壤养分和气候因子的交互作用对物种丰富度指数和ANPP的贡献率最大,分别为10.99%和32.91%,地理因子和气候因子的交互作用对Shannon-Wiener指数的贡献率最大,为13.61%;(4)地理因子通过调控土壤养分和气候因子间接影响物种多样性和ANPP,土壤养分和气候因子均直接影响物种多样性和ANPP。研究结果揭示了环境因子对物种多样性和生产力的综合调控机制,为西藏高寒草地生态系统科学应对气候变化提供了依据。

关键词：高寒草地生产力物种多样性地理因子土壤养分气候因子

副热带高压控制下一次极端暴雨成因分析及成功预警

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灾害学 2024年

作者：郭萍段绍玲郑建萌张万诚陈静杨宏庆中国气象局横断山区(低纬高原)灾害性天气研究中心云南省临沧市气象局云南省气候中心中国气象局大理山地气象野外科学试验基地云南省气象科学研究所中国气象局大理国家气候观象台

2022年10月8日，临沧市双江县忙懦乡遭遇历史性极端暴雨，最大小时雨量达到57.2 mm。该文通过高空、区域自动站雨量、ERA5再分析、FY-2G、多普勒天气雷达等资料综合分析，揭示此次暴雨的成因：①此过程的大尺度环流背景是在强盛的副高... 详细信息

2022年10月8日，临沧市双江县忙懦乡遭遇历史性极端暴雨，最大小时雨量达到57.2 mm。该文通过高空、区域自动站雨量、ERA5再分析、FY-2G、多普勒天气雷达等资料综合分析，揭示此次暴雨的成因：①此过程的大尺度环流背景是在强盛的副高控制下，由中尺度系统触发产生的强降雨。②强降雨期间大气层结不稳定，存在暖湿底层与干冷高层，低抬升凝结高度和自由对流高度；强降雨发生与水汽输送和水汽辐合大值区相对应，低层辐合中高层辐散且与强垂直上升运动区配合。③两个强降雨时段对应不同的雷达回波特征，初时段无大范围的降雨回波，局地出现中-γ尺度对流回波；次时段降雨回波范围扩大，形成列车效应。④忙懦乡的地形和低层东偏南气流对中尺度对流系统的触发与维持起到关键作用。⑤"1262"服务模式提前发出警报，夜间强降雨得以有效预警，避免了人员伤亡，成为预警联动的成功案例。

关键词：极端暴雨副热带高压中尺度系统临沧市递进式气象服务

泰山一次强雹暴微物理特征双偏振雷达和雨滴谱观测分析

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气象 2024年第9期50卷 1129-1141页

作者：夏凡吴举秀申高航潘佳文山东省气象防灾减灾重点实验室济南250031 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 山东省气象科学研究所济南250031 长岛国家气候观象台山东长岛265800 山东省气象工程技术中心济南250031 山东省临沂市气象局临沂276004 厦门市气象局厦门市海峡气象开放重点实验室厦门361012

为了研究雹暴的微物理特征,利用双偏振雷达和雨滴谱仪探测资料,结合粒子相态分类算法,对2020年6月1日发生在泰山的一次降雹天气进行了分析,获得了雹暴云影响泰山站时附近区域雷达参量、水凝物粒子、降水粒子谱分布特征。研究表明:雹暴... 详细信息

为了研究雹暴的微物理特征,利用双偏振雷达和雨滴谱仪探测资料,结合粒子相态分类算法,对2020年6月1日发生在泰山的一次降雹天气进行了分析,获得了雹暴云影响泰山站时附近区域雷达参量、水凝物粒子、降水粒子谱分布特征。研究表明:雹暴云前缘开始影响泰山站时,反射率因子(ZH)梯度大值区紧邻泰山站,与差分反射率(ZDR)弧位置大致重合,此处主要为大滴粒子,由上空霰粒子融化形成;雨滴谱为双峰结构,对降水贡献较大的为2~3 mm粒子。当雹暴云主体影响泰山站时,其前侧径向出现三体散射,上空出现悬垂回波,泰山站附近区域主要识别为雹粒子;泰山站南侧出现有界弱回波,该处辐合升运动增强,被ZDR大值半环绕,主要分布大滴与雹粒子,夹杂霰与湿雪粒子;归一化等高频率(CFAD)显示冰相过程增强;-10℃层以下雹粒子主要由-10~0℃层的霰粒子凇附上升气流携带的大滴与中小雨粒子形成,这些粒子无法下落碰并形成尺寸较大的降水粒子,雨滴谱变为单峰结构,对降水贡献最大的为14~16 mm粒子。雹暴云主体离开泰山站,CFAD显示冰相过程减弱,冰晶凇附过冷云滴转化成霰的效率降低,泰山站上空识别出大量的冰晶与干雪粒子,出现层状云降水特征;雨滴谱再次变为双峰结构,第二峰值为2~3 mm粒子,对降水贡献最大。

关键词：雹暴云双偏振雷达雨滴谱微物理特征

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

BCC-CSM2模式耦合同化对北极海冰次季节预测的影响

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气象学报 2024年第3期82卷 340-355页

作者：邱孙俊杰刘向文姚隽琛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

近年来北极海冰的加速融化对北半球天气和气候的影响逐渐加剧,开展准确的海冰次季节预测已成为迫切需求。基于北京气候中心气候系统模式(BCC-CSM2),采用多种耦合同化方案(大气同化、海洋-大气同化、海洋-海冰-大气同化)产生模式初值,开... 详细信息

近年来北极海冰的加速融化对北半球天气和气候的影响逐渐加剧,开展准确的海冰次季节预测已成为迫切需求。基于北京气候中心气候系统模式(BCC-CSM2),采用多种耦合同化方案(大气同化、海洋-大气同化、海洋-海冰-大气同化)产生模式初值,开展大气(FST-A)、海洋-大气(FST-AO)、海洋-海冰-大气(FST-AOI)预测试验,进而探讨了多圈层耦合同化对北极海冰次季节预测的影响。结果表明,随着耦合同化分量的增加,模式对海冰密集度气候态和变率的预测技巧逐渐提高,其中FSTAOI在所有试验中表现最优。海洋-海冰-大气同化对预测的影响存在明显的季节性差异,其在大多数月份(尤其是少冰期(9—10月))能够明显降低海冰密集度预测误差,但在快速融冰期(6—7月),若干海冰边缘区(波弗特海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海附近)的密集度误差随预测时间延长而快速增大。因此,多圈层耦合同化在总体上能够有效改善北极海冰次季节预测,但其在快速融冰阶段对预测的影响存在较大不确定性。进一步诊断表明,在快速融冰期,采用海洋-海冰-大气同化初值的试验在预报开始阶段(主要指第1周)低估了海冰边缘区的密集度。在海冰-反照率正反馈机制影响下,这可能导致模拟地表短波辐射吸收增加,引起海水升温和海冰融化加快,进而导致海冰误差快速增长。未来研究将致力于继续提升海洋-海冰-大气多分量耦合同化的协调,以持续改进北极海冰次季节—季节预测能力。

关键词： BCC-CSM2 耦合同化北极海冰次季节预测