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复杂下垫面对四川一次暴雨影响的敏感性模拟研究

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高原气象 2024年第5期 1286-1301页

作者：梁沛乐王磊李谢辉符梓霖成都信息工程大学大气科学学院

四川盆地下垫面复杂多样，暴雨频发，探究不同下垫面要素对区域性降雨的影响有着重要意义。本文利用美国国家环境预测中心全球再分析资料和不同类别的土地利用资料，其中包括MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）、 ... 详细信息

四川盆地下垫面复杂多样，暴雨频发，探究不同下垫面要素对区域性降雨的影响有着重要意义。本文利用美国国家环境预测中心全球再分析资料和不同类别的土地利用资料，其中包括MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）、 USGS（United States Geological Survey）、 2015年LUCC2015（Land use datasets in China 2015）和2015年GLASS（Global Land Surface Satellite）土地利用资料，使用WRF（Weather Research Forecast）模式对四川省一次暴雨事件进行数值模拟。通过四组土地利用实验和两组地形敏感性实验，研究了地表类型和地形高度对暴雨的影响。结果表明：不同土地利用类型试验对强降水区域影响较大，相比MODIS试验，USGS的降水区域更集中，强中心范围更大；LUCC2015试验在盆地东北部的降雨强度减弱，但降水区域更集中；由于土地利用较单一，GLASS试验的两个强降水中心强度均减弱，东北部的降水中心南移。不同土地利用对模拟的近地表气象要素场也产生影响：城市建筑群减少时，2 m温度降低0.5～1℃；植被覆盖度减少，导致2 m温度增加，10 m风速增强；地表粗糙度降低，10 m风速明显增强，为2～4 m·s-1。地形对暴雨的影响显著，盆地西部山地降低后，由于缺少山脉阻挡，低层的水汽和能量更丰富，水汽和能量能够输送到四川更北的地区。低层气流在山前辐合加强，激发更强的气流抬升运动，导致降水强度增强、位置西移、范围更集中。相反，地形抬升后，山脉阻挡了南部的暖湿气流进入，致使水汽和能量分散，盆地西部和东部的气流辐合减弱，低层气流抬升减弱，最终降水强度减弱，降水面积减少。

关键词：暴雨数值模拟土地利用地形四川

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气溶胶粒径吸湿增长因子的机器学习模型

中国环境科学 2024年第2期44卷 638-645页

作者：米家媛李娜佟景哲倪长健成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225 辽宁省气象装备保障中心辽宁沈阳110166

利用成都市2017年10~12月浊度计、黑碳仪和GRIMM180环境颗粒物分析仪的逐时观测数据,结合该时段同时次大气能见度(V)、相对湿度(RH)和二氧化氮(NO_(2))监测资料,基于Mie散射理论和免疫进化算法反演气溶胶粒径吸湿增长因子.首先,以RH、C_... 详细信息

利用成都市2017年10~12月浊度计、黑碳仪和GRIMM180环境颗粒物分析仪的逐时观测数据,结合该时段同时次大气能见度(V)、相对湿度(RH)和二氧化氮(NO_(2))监测资料,基于Mie散射理论和免疫进化算法反演气溶胶粒径吸湿增长因子.首先,以RH、C_(BC)、C_(BC)/C_(PM1)、C_(PM1)/C_(PM2.5)以及C_(PM2.5)/C_(PM10)作为解释变量集,构建了3种气溶胶粒径吸湿增长因子的机器学习模型(XGBoost模型、CatBoost模型和LightGBM模型),对应的决定系数(R 2)分别为0.869、0.893和0.898,均方根误差(RMSE)分别为0.108、0.097和0.090,平均绝对误差(MAE)分别为0.061、0.054和0.052.通过3种模型进行测试表明,气溶胶粒径吸湿增长的机器学习模型显著降低了传统单变量气溶胶粒径吸湿增长模型在高湿条件下的模拟偏差,也提升了气溶胶粒径吸湿增长多变量GAM模型的计算精度.最后,分析了不同解释变量对机器学习模型模拟效果的影响,确认了黑碳是气溶胶吸湿增长模型的主控变量.研究进一步阐明了气溶胶粒径吸湿增长因子多因素影响的复杂性,并为其模型的科学表征提供了新途径.

关键词：气溶胶粒径吸湿增长因子机器学习解释变量集成都

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川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析

高原气象 2024年第1期43卷 227-240页

作者：范德民张宇苏有琦张茜成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站四川成都610225

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... 详细信息

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CO_(2)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。

关键词：湍流通量质量评价通量贡献区森林下垫面

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霾过程黑碳对气溶胶散射吸湿增长的影响

中国环境科学 2024年第9期44卷 4835-4843页

作者：佟景哲米家媛涂朝勇李娜李宗昊邓也倪长健成都信息工程大学大气科学学院成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站四川成都610225 辽宁省气象装备保障中心辽宁沈阳110166 成都市环境保护科学研究院四川成都610072

利用成都市2017年10~12月逐时的“干”气溶胶散射系数、吸收系数和环境气象监测资料,结合同时次气溶胶粒径吸湿增长因子(Gf)的反演数据,分析了4类霾强度条件下黑碳浓度(C_(BC))的变化特征,并基于广义可加模型(GAM)探讨了C_(BC)对气溶胶... 详细信息

利用成都市2017年10~12月逐时的“干”气溶胶散射系数、吸收系数和环境气象监测资料,结合同时次气溶胶粒径吸湿增长因子(Gf)的反演数据,分析了4类霾强度条件下黑碳浓度(C_(BC))的变化特征,并基于广义可加模型(GAM)探讨了C_(BC)对气溶胶散射吸湿增长因子(f)的影响机制.结果表明:(1)轻微、轻度、中度和重度霾强度条件下的C_(BC)均服从对数正态分布,其均值随霾强度的增加而增大,变差系数则随霾强度的增加而减小.(2) C_(BC)与Gf之间呈现非线性负相关,C_(BC)与C_(PM2.5/PM10)(细颗粒物质量浓度与粗颗粒物质量浓度之比)之间则呈现非线性正相关(均通过了α=0.01的显著性检验);随着霾的渐近演化,Gf随C_(BC)增加而减小的趋势持续增强,C_(PM2.5/PM10)随C_(BC)增加而增大的趋势则持续减弱.(3) Gf与C_(PM2.5/PM10)之间存在显著的交互作用(通过了α=0.001的显著性检验),以Gf与C_(PM 2.5/PM10)为双变量的GAM模型能更好地表征f的变化特征.

关键词：气溶胶散射吸湿增长因子黑碳霾过程 GAM模型

基于CMIP6模式评估结果对未来青藏高原降水多情景预估

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高原气象 2024年第1期43卷 59-72页

作者：李博渊胡芩成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225

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... 详细信息

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(SharedSocioeconomicPathway,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。

关键词：青藏高原 CMIP6模式评估未来预估

西南地区2000-2020年植被覆盖度时空变化与影响因素分析

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高原气象 2024年第1期43卷 264-276页

作者：刘雨亭王磊李谢辉郭蕾成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225

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 Cov... 详细信息

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。

关键词：植被覆盖度气候因子地形因子人类活动 Hurst指数西南地区

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江西省地闪特征及其与雷达特征量关系研究

气象 2024年第5期50卷 591-602页

作者：丁艺涵支树林许东蓓燕若彤常秉松成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室成都610225 江西省气象台南昌330096

利用2013—2020年3—9月江西省多普勒天气雷达和地闪观测资料,对地闪分布特征及其与雷达主要特征量之间的关系进行统计分析。结果表明:江西省地闪频数从东北到西南逐渐减小,其北部鄱阳湖平原为地闪频数高值区;地闪频数具有明显的季节变... 详细信息

利用2013—2020年3—9月江西省多普勒天气雷达和地闪观测资料,对地闪分布特征及其与雷达主要特征量之间的关系进行统计分析。结果表明:江西省地闪频数从东北到西南逐渐减小,其北部鄱阳湖平原为地闪频数高值区;地闪频数具有明显的季节变化和日变化特征,总地闪频数在16:00达到一天的峰值;地闪频数与低层(3 km)雷达回波强度的关系可用对数拟合方程来描述,地闪频数与低层雷达回波面积的变化趋势正相关,回波越强相关性越强,但二者存在位相差,地闪增加先于回波面积增加的情况约占57%~60%,大多数情况下可在18 min内发现两者均有增加;箱线图特征显示,随着回波强度增大,地闪发生时的回波伸展高度相应减小,而回波厚度略增大,从而得出不同强度回波的地闪发生格点周围10 km半径范围的雷达回波特征。

关键词：地闪雷达回波特征分析

基于CEEMD的希尔伯特-黄变换算法在森林边界层湍流中的应用

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高原气象 2024年

作者：王彦淇张宇苏有琦张茜叶敏成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站

为解决传统经验模态分解算法（Empirical Mode Decomposition, EMD）中存在的模态混叠现象，引入了互补集合经验模态分解算法（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition, CEEMD）和镜像延拓算法对EMD算法分解中存在的缺陷... 详细信息

为解决传统经验模态分解算法（Empirical Mode Decomposition, EMD）中存在的模态混叠现象，引入了互补集合经验模态分解算法（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition, CEEMD）和镜像延拓算法对EMD算法分解中存在的缺陷进行改进。本文选取四峨山人工森林区的湍流观测的个例数据，首先对比分析了两种方法的差异，明确CEEMD算法的优势；随后选取了不同高度下稳定层结和不稳定层结的个例数据，应用希尔伯特-黄变换算法对该个例下的风速u和温度T序列的湍流特征进行了分析，探讨了希尔伯特黄变换算法的应用。结果表明：CEEMD的算法分解结果更加精细，模态函数的模态混叠缺陷得到了更好的压制，模态能量分布更集中，希尔伯特边际谱存在更多的能量尖峰，能量分布更加清晰。不同的模态函数存在有各自的特征频率，分解所得的模态函数中包含着不同尺度的运动，其中包含有满足-2/3斜率的惯性副区的湍流运动，以及对应着含能区的低频大尺度模态，且CEEMD分解得到的边际谱能量尖峰很好的反映了各模态函数的含能特征。个例分析表明：CEEMD算法可以作为一个典型的二分滤波器，经CEEMD分解后，该个例湍流信号中u风的各模态函数中存在有3～6 min的阵风波动，不同高度、不同稳定层结下湍流特征表现有所差异，正午不稳定层结下相比夜间稳定层结下希尔伯特边际谱幅值更高，三维风速在各个高度混合更好，且较低高度由于冠层的作用，存在对大尺度湍涡的破碎作用，边际谱相比其他高度表现出低频小而高频大的特征，而温度T在该个例下与三维风速表现有所不同：稳定层层结下不同高度湍涡混合更好，而不稳定层结下由于不同高度热力吸收的差异，较低高度边际谱幅值较高，并随着高度的升高而减小。

关键词：希尔伯特黄 CEEMD 湍流森林下垫面镜像延拓

1961~2020年中国区域不同等级降水的变化趋势及其可能成因

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大气科学 2024年第2期48卷 619-644页

作者：薛媛杨庆马柱国李超成都信息工程大学大气科学学院成都610225 中国科学院大气物理研究所东亚区域气候—环境重点实验室北京100029

已有的研究表明,增暖背景下全球降水的格局发生了变化,弱降水总体呈减小趋势,而强降水在一些区域呈明显的增加趋势。但在区域尺度上不同等级强度降水的变化还缺乏系统的研究。本文基于中国838个气象站点的降水资料,研究了1961~2020年来... 详细信息

已有的研究表明,增暖背景下全球降水的格局发生了变化,弱降水总体呈减小趋势,而强降水在一些区域呈明显的增加趋势。但在区域尺度上不同等级强度降水的变化还缺乏系统的研究。本文基于中国838个气象站点的降水资料,研究了1961~2020年来中国弱降水、中等强度降水和极端降水长期变化趋势及其年代际分量与年代际海温振荡型的关联性。结果表明:中国不同等级降水变化的空间分布差异较大。弱降水仅在西北西部和青藏高原地区以增加为主,在华南和西南地区以显著减少为主;中等强度降水在西南地区东部以显著减少为主,在其余地区以增长为主;强降水在大部分地区呈现增长趋势,仅在京津冀和重庆部分地区呈现减少趋势。中国大部分地区的弱降水量(日数)对总降水的贡献率以减少为主,中等强度降水日数、强降水量(日数)的贡献率以显著增长为主,各区域强降水贡献率与中等强度降水和弱降水贡献率呈相反的年代际变化。其中,弱降水日数和中等强度降水日数的变化主导了总降水日数的变化,中等强度降水量和强降水量的变化主导了总降水量的变化。进一步研究发现,在年代际尺度上,中国大部分地区的不同等级降水与太平洋年代际振荡(PDO)的相关系数随等级增大而趋于负值,与大西洋多年代际振荡(AMO)的相关系数则随等级增大而趋于正值。各区域不同等级降水与PDO/AMO相关关系的年代际突变主要发生在1980年代至1990年代。

关键词：降水等级贡献率太平洋年代际振荡(PDO) 大西洋多年代际振荡(AMO)