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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

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

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近40年中国冬季寒潮的气候特征及大气环流异常

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应用气象学报 2024年第3期35卷 298-310页

作者：王淼淼丁明虎吕俊梅陈军明中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室雄安新区071000

利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据,根据寒潮标准及强度指数,对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类,探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明:近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势,其影响范... 详细信息

利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据,根据寒潮标准及强度指数,对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类,探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明:近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势,其影响范围扩大,而强寒潮的强度呈显著增加趋势,且年际变化幅度明显增大。中国寒潮冷空气主要来源于新地岛东南地区,路径因寒潮类型而异。分析全国型、东北华北型和西北华北型寒潮前期和同期大气环流异常特征发现:格陵兰岛的异常深厚暖高压是全国型寒潮的重要前兆,欧亚大陆对流层中高层纬向波列是其爆发的显著特征;东北华北型寒潮与冷涡在中低纬度异常高压系统阻挡下的东移有关;西北华北型寒潮与东欧平原上空暖性高压脊的发展及欧亚大陆两脊一槽的形势密切相关。所有类型寒潮爆发前均有乌拉尔阻塞高压的维持和西伯利亚地区冷空气的堆积。

关键词：寒潮冷空气路径西伯利亚高压乌拉尔阻塞高压

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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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长三角地区近地层臭氧高值特征及其成因分析

环境化学 2024年

作者：牟显金赞侯雪伟朱小东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中国气象局大气化学重点开放实验室

为研究长三角地区近地层臭氧污染现状及成因，对2018年3月1日至2021年2月28日三年间环境空气质量数据中的臭氧、二氧化氮和同期欧洲中期天气预报中心全球气候第五代大气再分析数据（ECMWF ERA5）进行了深入分析，结果表明，2018年至202... 详细信息

为研究长三角地区近地层臭氧污染现状及成因，对2018年3月1日至2021年2月28日三年间环境空气质量数据中的臭氧、二氧化氮和同期欧洲中期天气预报中心全球气候第五代大气再分析数据（ECMWF ERA5）进行了深入分析，结果表明，2018年至2020年间，长三角地区臭氧浓度呈现夏季最高，春季次之，冬季最低的季节变化特征.空间分布上呈现明显的“北高南低”特征，春季和夏季的南北差异较明显，而秋、冬季的臭氧浓度在空间上分布较均匀.臭氧浓度日变化呈单峰型分布，06:00—08:00达到最低值，14:00—16:00达到最高值；臭氧污染事件主要发生在夏季的苏南和皖苏北地区；2018年月平均臭氧浓度呈单峰型分布，6月份达最高，2019年和2020年均呈双峰结构，受疫情影响，2020年的峰值浓度略有降低. 2019年5月31日至6月19日期间，徐州地区臭氧污染持续20 d，南京地区持续18 d，为近三年长三角典型城市地区臭氧污染持续最长的时段.臭氧污染期间，两地的臭氧8 h滑动平均日最大浓度一直保持在高位.此外，温度达到峰值的时间较臭氧浓度峰值总是提前1 h左右，这可能与近地面大气光化学对气象条件响应速度的滞后性有关；徐州地区和南京地区发生臭氧污染事件的成因多与局地光化学反应有关，降雨量大幅下降也有一定贡献.除此外，徐州和南京两地在此期间存在两次明显的平流层向对流层传输过程（STT），是臭氧浓度升高的另一原因.此外，徐州和南京受南风和偏南风影响，缓慢的臭氧区域水平输送作用也可能会加剧本地臭氧污染.

关键词：长江三角洲臭氧污染时空特征平流层—对流层输送

双层均匀口袋电荷模型下闪电起放电特征的数值模拟研究

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大气科学 2024年第3期48卷 1059-1071页

作者：罗林洁谭涌波郑天雪南京信息工程大学应急管理学院南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/中国气象局雷电重点开放实验室北京100081 福建省龙岩市气象局龙岩364000 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南京210041

大量基于观测的研究认为闪电通道的延展尺度与电荷的分布形态息息相关,强对流区频繁始发的小尺度闪电对应雷暴云内的背景电荷很有可能为“口袋电荷”的分布模式。为验证口袋电荷背景下能形成此类云闪并给出该电荷背景下闪电起、放电的... 详细信息

大量基于观测的研究认为闪电通道的延展尺度与电荷的分布形态息息相关,强对流区频繁始发的小尺度闪电对应雷暴云内的背景电荷很有可能为“口袋电荷”的分布模式。为验证口袋电荷背景下能形成此类云闪并给出该电荷背景下闪电起、放电的一般规律,本研究将闪电放电参数化方案植入到双层均匀口袋电荷模型中开展了大量随机模拟试验。模拟过程中固定了电荷区的总尺度,通过改变电荷对数进行探讨,着重讨论各电荷背景下闪电起始和放电行为的异同。模拟结果表明:(1)随着电荷对数的增加,闪电启动需要的电荷浓度和电荷总量均增加。(2)小电荷区的水平垂直尺度比是影响闪电起始行为的关键因子,除此之外各电荷背景下闪电起始位置和启动概率在水平、垂直方向上的差异还与多对电荷的空间配置关系和逃逸击穿阈值有关。(3)闪电的水平、垂直范围和面积均与小电荷区的尺度息息相关,小电荷区的几何特征限制了闪电的空间特征。(4)电荷区的分布也显著影响着闪电的发展形态,各电荷背景下闪电初始先导角度的分布范围和集中区域有所差异。相较于电荷区倾向于为扁平椭圆形的情况,当电荷区垂直与水平尺度相等时,初始先导角度变化范围明显增大,水平发展的个例明显增多。

关键词：数值模拟小尺度闪电电荷分布模式口袋电荷起始位置闪电面积

六盘山地形及相对湿度对微波辐射计反演气温的影响

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大气科学 2024年第2期48卷 659-670页

作者：邱玉珺舒志亮陆春松林彤党张利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 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室银川750002 宁夏气象防灾减灾重点实验室银川750002

利用2018年4月至2019年11月的六盘山隆德站微波辐射计探测资料与平凉站探空资料,研究了微波辐射计反演温度(TM)对空气相对湿度的敏感性。首次提出湿度敏感性系数(HSR)和零度漂移度(ZDD)概念,利用这两个参量在不同高度层的分布特征,研究... 详细信息

利用2018年4月至2019年11月的六盘山隆德站微波辐射计探测资料与平凉站探空资料,研究了微波辐射计反演温度(TM)对空气相对湿度的敏感性。首次提出湿度敏感性系数(HSR)和零度漂移度(ZDD)概念,利用这两个参量在不同高度层的分布特征,研究了六盘山地形对空气相对湿度和温度的影响,主要结论如下:(1)非降水天气条件下,空气相对湿度越大,HSR与1.0的差别越大,ZDD也越大。(2)六盘山地形对大气层的湿度垂直分布影响较大。爬坡气流或抬升气流明显增加了3 km以下气层湿度水平,晴天和阴天条件下空气相对湿度分别在山顶以上0.5 km气层和1.0~2.0 km气层达到最大,TM比实际温度最大能偏低2.7℃。(3)地形对气层湿度的影响进一步影响了空气温度的垂直分布,阴天条件下的大气逆辐射加热使得3 km以下气层平均升温2.3℃,因湿度敏感性产生的温度影响平均达到0.9℃,最高能达到1.7℃。

关键词：微波辐射计温度敏感性六盘山地形

西北太平洋热带气旋频次的延伸期动力-统计预报方法和评估

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大气科学学报 2024年第1期47卷 65-79页

作者：徐邦琪魏澎钱伊恬游立军南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 福建省灾害天气重点实验室/中国气象局海峡灾害天气重点开放实验室福建福州350028 福建省气象信息中心福建福州350028

介绍了西北太平洋热带气旋(TC)频次的延伸期预报方法,比较了新构建的动力-统计和统计预报模型的预测技巧,并探讨了预报误差来源及改进方向。动力-统计预报模型是基于动力模式预测的热带季节内振荡(ISO)信号及ISO-TC生成的同期统计关系... 详细信息

介绍了西北太平洋热带气旋(TC)频次的延伸期预报方法,比较了新构建的动力-统计和统计预报模型的预测技巧,并探讨了预报误差来源及改进方向。动力-统计预报模型是基于动力模式预测的热带季节内振荡(ISO)信号及ISO-TC生成的同期统计关系来进行预报;统计预报模型则是基于TC生成的前兆ISO信号建模预报。预报评估结果显示,动力-统计混合预报模型的预报技巧高于统计预报模型,原因在于影响TC次季节变化的前兆信号并不稳定,且随着预报超前时间迅速消散,无法提供有效且稳定的可预报源;相反地,TC生成与同期的ISO背景场显著相关,动力模式对ISO(预报因子)有较好的预报能力,因此动力-统计相结合的预报方法为TC延伸期预报提供了有效途径。虽然目前动力-统计预报模型的预报技巧可达5~6周,但仍有进一步改进和提高的空间。通过对不同类型TC预报技巧检验和误差分析,研究认为年际和年代际背景场对ISO调控TC活动的影响不可忽略,且热带外ISO信号(如罗斯贝波破碎和西风急流强度等)对TC频次和轨迹也有显著影响,这些因子为TC延伸期预报提供了潜在可预报源。

关键词：热带气旋季节内振荡延伸期预报可预报性来源热带外信号