ERA-Interim中的中国地区水分循环要素的时空演变特征分析

本文利用1979–2011年欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的再分析资料 (ERA-Interim), 运用经验正交函数展开 (EOF) 和相似系数等方法, 对中国地区水分循环诸要素的时空特征进行了计算与分析. 研究结果表明: 在空间分布特征上, 蒸发量、纬向水汽通量和经向水汽通量均与大气可降水量的空间分布最相似, 大气可降水量和降水量均与蒸发量的空间分布最相似, 降水量与纬向水汽通量的相似系数略大于其与经向水汽通量的相似系数; 在时间演变上: 年降水量在1979–2002年间, 呈现非常显著的上升趋势; 在2002–2011 年间, 呈现显著的下降趋势. 年蒸发量在该两个时段的变化趋势与年降水量一致, 但均比年降水量明显; 年蒸发量在1979–2011年间呈现非常显著的上升趋势, 其年际变化明显小于年降水量. 可降水量和水汽通量散度在1979–2011年间的长期变化趋势不明显, 但可降水量的年际变化呈阶段式增大, 水汽通量的年际变化一直较大. 纬向与经向水汽通量均存在2–3年为周期的年际变化; 此外, 纬向水汽通量在1979–2011年间还存在显著的下降趋势. 春、秋季的水汽通量都存在显著下降的长期变化趋势, 夏、冬季的长期变化趋势不明显. 四季都存在2–3年为周期的年际变化. 此外, 夏季还存在明显的年代际转折. 关键词： 水分循环 时空特征 EOF 相似系数     

全球水汽再循环率的空间分布及其季节变化特征

本文利用ERA-Interim再分析资料,结合新建的水汽再循环数值模式研究了全球降水再循环率和蒸发再循环率的空间分布及其季节变化特征,并给出了主要水汽源地对中国降水的贡献率,结果表明:全球降水再循环率的空间分布特征明显,各地区降水对外界水汽输送的依赖程度不同;陆地蒸发再循环率与降水再循环率的分布大体一致,但是在海洋上差别很大.全球水汽再循环率的季节变化显著,而且北半球降水再循环率的季节变化整体上强于南半球;全球重要水汽源区各季节蒸发再循环率均很低,绝大部分蒸发量都输送到了其他地区.水汽再循环率除与区域的位置、形状有关外,区域的水平尺度也会对其产生影响,随着水平尺度的增大,水汽再循环率呈曲线上升.中国大陆地区降水再循环率为32.6%,蒸发再循环率为44.9%,西北太平洋、南海、孟加拉湾、阿拉伯海以及澳大利亚西部海域对中国降水的贡献较大.本文基于水汽平衡方程建立的数值模式,具有坚实的数理基础,得到的结果可信度较高.     

2011年春夏季长江中下游地区旱涝急转特征分析

本文选用美国环境预报中心/国家大气研究中心提供的全球再分析资料, 中国气象局国家气候中心提供的中国740站降水资料及中国气象信息中心提供的中国区域 2011年降水格点资料,对2011年长江中下游地区6月初旱涝急转现象及环流背景特征进行简要分析, 结论如下: 1) 2011年1-5月长江中下游地区降水较气候平均值偏少且降水变率较小, 6月长江中下游地区降水量急剧增多,发生旱涝急转现象,其转折点为第31候(6月第1候); 2)旱涝急转前后,水汽通量及其经验正交函数分解的第1, 2模态的时间和空间演变均表现出弱水汽输送向强水汽输送转变的特征; 3)转折前后大气环流场差异显著. 急转前,北半球冬季风偏强,南半球夏季风偏弱,在春季,东亚大槽偏强导致季风的转换延迟, 不利于南方暖湿气流的北上,南方降水偏少,并发生大范围持续性的严重干旱. 6月初(急转期)环流迅速调整,西太平洋副高突然西伸北跳,东亚大槽异常偏西偏强、 鄂海阻高减弱,使冷暖空气在长江中下游地区汇合,有利于该地区的降水发生并持续, 是长江中下游地区由严重干旱向洪涝急转的主要原因.     

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．     

影响华北盛夏降水的水汽路径客观定量化的研究

基于1951—2011年美国气象环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料以及国家气候中心提供的中国160站月平均降水资料,定义垂直于某一截面的平均水汽通量为描述水汽路径强度的客观化指标,计算发现与华北降水密切相关的水汽路径有5条:孟加拉湾水汽路径、太平洋水汽路径、西南和东南汇合水汽路径(以下简称汇合水汽路径)、由西输入水汽路径以及南海水汽路径.研究结果表明,汇合水汽路径、由西输入水汽路径及南海水汽路径有明显的年代际变化,这种年代际变化是与华北盛夏降水量的年代际变化基本一致的.通过滑动相关分析可以发现,对华北盛夏降水产生影响的主要是由西输入水汽路径,这可能是受西风带的影响.通过合成分析的结果同样表明由西输入华北的水汽输送增强时,伴随着太平洋水汽路径的输送明显增强,绕过了华南和长江中下游直接输送至华北和东北,从而引起华北和东北的降水量偏多;虽然其他水汽路径对华北盛夏降水的影响相对比较小,但是2000年开始,孟加拉湾水汽路径对华北盛夏降水的影响逐渐增强.     

近60年新疆降水趋势与波动机制分析

用小波多尺度分析和回归等方法研究了近60年新疆降水记录的波动与趋势特征, 结果发现21世纪头十年降水亦然保持增加趋势, 但春、夏降水已呈弱的非线性下降趋势, 秋、冬季节降水增加趋势明显. 这可能与气候暖化的季节不均匀性有关. 年降水量的振荡与北大西洋涛动(NAO)关系密切, 二者约80%的方差都集中在年际尺度和多年代尺度成分两个带上, 年际变化之间呈显著负相关关系. NAO的多年代尺度成分位相超前降水10年左右, 而大西洋海温的多年代尺度涛动与之相差5年, 后者与降水的关联更为密切. "极差"分析表明, 对应于NAO的极端正或负位相事件, 下游的降水和水汽环境明显不同. 在NAO极端负位相年, 中亚和新疆降水都明显增加, 来自欧洲南部的水汽输送和中纬度瞬变涡动水汽输送均偏强, 中亚大气可降水量上升, 冷空气路径偏西, 瞬变天气系统易得到西南水汽输送带的配合, 水汽辐合增强, 有利于新疆和中亚的降水. 反之, 西风带水汽输送偏弱, 天气过程偏少, 降水量偏小, 易发生干旱. 因此, NAO的异常是新疆和中亚降水年际波动的主要原因之一. 关键词： 新疆降水 北大西洋涛动 水汽输送 瞬变涡动     

20世纪90年代末东亚夏季降水年代际变化及其成因初探

基于1983—2011年月总降水量、环流和海温的再分析资料,给出了20世纪90年代末东亚夏季降水的年代际调整的区域特征,及其对应的大气环流内部过程和可能的海温外强迫的年代际变化.研究结果表明,在20世纪90年代末期东亚北部夏季降水比东亚南部夏季降水由湿向干的表现更为明显,东亚南部地区夏季降水则是在20世纪90年代初和21世纪初发生年代际的转折.此外,东亚地区夏季的500 h Pa高度场、850 h Pa风场、U200风场、水汽输送场和东亚太平洋遥相关型指数和东亚夏季风指数等在20世纪90年代末期也表现出明显的年代际变化特征.进而从大气内部过程的角度验证了20世纪90年代末东亚夏季降水发生的年代际调整.与此同时,北太平洋和西太平洋海表温度表现出由偏低向偏高的转变,这可能是导致20世纪90年代末期东亚夏季气候年代际变化的重要外部成因之一.     

近海台风对中国东部夏季降水的贡献

目前汛期预测主要针对季风系统形成的降水, 而对台风等热带系统的影响并未考虑, 其主要原因是台风是一个剧烈的天气尺度过程, 与短期气候预测尺度并不匹配, 因而无法进行考虑. 这也成为提升汛期预测技巧的一个制约因素. 针对这样的问题, 本文从气候的角度, 提出一个能较为客观地衡量台风对夏季降水影响强弱的指数––台风影响指数. 利用1960–2011年中国东部站点降水资料及中国气象局上海台风所整理的热带气旋资料, 从月、季尺度对中国夏季台风影响强弱变化特征进行分析, 探讨台风对东部地区夏季降水的贡献. 结果表明: 1)台风从6月至8月呈增强的趋势, 6月份最弱, 7月份居中, 8月份最强; 2)从台风降水及占总降水的比例分布来看, 纬向呈东部高西部低, 经向呈从东北地区至华南地区依次增大的趋势, 长江以南地区台风降水量占夏季降水量的比重可达10%以上, 7, 8月份东南沿海地区的台风降水量最大可达100 mm以上, 可达当月总降水量的40%; 3)台风影响指数与夏季降水的相关表明, 台风对中国东部降水的影响具有时、空差异性, 6月份与华南地区呈负相关, 7 月份与东南沿海地区呈正相关, 而与长江中下游地区呈负相关; 8月份与华南、华北地区呈正相关、与长江中下游地区呈负相关. 这主要是由台风、夏季风和西北太平洋副热带高压共同影响的. 关键词： 台风影响 东部 夏季降水 贡献     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际环流异常特征及与海温的多尺度相关性研究

黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干 湿状况的年际和年代际变化特征十分明显. 但以往主要是针对夏季进行分析, 而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限. 本文基于中国589站最近50 a (1961–2010年)月降水和气温月平均资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料以及NOAA提供的海表温度(Sea Surface Temperature, SST) 资料, 运用带通/低通滤波、小波分析、EOF/REOF和回归分析等方法, 在对中国秋季干湿时空演化分类的基础上, 通过研究秋季黄土高原中部干湿演变周期、大气环流特征及与海温的多尺度相关关系, 以揭示影响黄土高原中部秋季干湿变化的物理机理, 并确定影响该区域干湿状况的前兆信号. 小波功率谱分析表明, 黄土高原中部秋季干湿指数存在准4 a和准8 a的周期, 1970–1990年准8 a尺度周期振荡尤为明显. 年际(周期≤ 8 a) 尺度上偏湿年的大气环流特征是, 欧亚大陆中高纬呈“双阻型”, 200 hPa西风急流显著北移, 日本海-鄂霍茨克海受反气旋控制, 其底部的偏东水汽输送带将水汽输入研究区. 年代际(周期 > 8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是, 东亚大陆为一致的低值系统; 200 hPa东亚副热带西风急流减弱北移, 研究区主要水汽来源由经孟加拉湾在中南半岛转向的南风水汽输送及中纬度的西风水汽输送组成. 整个序列上, Nino3区SST指数(Nino3I)超前5个月与秋季干湿指数已呈显著的负相关关系, 而孟加拉湾–中国南海SST指数(BayI)则超前3个月与干湿指数呈现显著的负相关关系. 年际尺度上, 秋季Nino3I, BayI均与秋季干湿指数存在显著相关(准4 a, 4–6 a), 而年代际尺度上, 只有BayI与秋季干湿指数存在显著相关性(准10 a). 黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际周期的确定、大气环流异常特征的认识及与海温的多尺度相关关系的建立, 不仅揭示了影响该区域干湿变化的物理机理, 也为干旱气候预测提供了重要的前兆信号. 关键词： 黄土高原中部 干湿特征 海表温度 小波分析     

双台风条件下水汽的中尺度输送特征与收支诊断

应用WRF(v3.4)模式输出资料,揭示双台风条件下水汽的输送与收支特征及其对台风强度的影响.分析表明,"菲特"台风与副热带高压、中高纬地区槽脊、西面大陆高压及其东南面尾随台风"丹娜丝"存在周边系统相互作用,这种相互作用使得"菲特"台风背景风场改变,从而影响其水汽输送通道的调整.水汽输送特征分析表明,周边系统相互作用,特别是尾随"丹娜丝"台风作为水汽"收集-输送"站的作用,对"菲特"台风在近海强度的维持及后期偏北强降水有重要影响.水汽通量辐合带的分布和演变与台风强对流带的分布和演变具有一致性,即水汽的输送对台风内核区强对流带的强度和结构具有重要影响.水汽收支诊断分析表明,水汽输送对两类台风强度的变化具有重要影响,即总的水汽通量与台风强度随时间的变化均具有较好的一致性.东边界是台风的主要水汽输送来源,南、北边界次之,西边界为负贡献;各边界水汽输送主要分布在对流层底层,西边界的对流层中低层为负贡献.水汽的垂直输送对台风内部水汽的再分配起着重要作用,同时水汽垂直输送大值带的持续时间与台风研究区域内强对流大值带的持续时间一致,说明水汽的垂直输送对"U"型和"V"型台风区域的强对流也具有重要的影响.     

Isotopic composition of atmospheric moisture from pan water evaporation measurements

A continuous and reliable time series data of the stable isotopic composition of atmospheric moisture is an important requirement for the wider applicability of isotope mass balance methods in atmospheric and water balance studies. This requires routine sampling of atmospheric moisture by an appropriate technique and analysis of moisture for its isotopic composition. We have, therefore, used a much simpler method based on an isotope mass balance approach to derive the isotopic composition of atmospheric moisture using a class-A drying evaporation pan. We have carried out the study by collecting water samples from a class-A drying evaporation pan and also by collecting atmospheric moisture using the cryogenic trap method at the National Institute of Hydrology, Roorkee, India, during a pre-monsoon period. We compared the isotopic composition of atmospheric moisture obtained by using the class-A drying evaporation pan method with the cryogenic trap method. The results obtained from the evaporation pan water compare well with the cryogenic based method. Thus, the study establishes a cost-effective means of maintaining time series data of the isotopic composition of atmospheric moisture at meteorological observatories. The conclusions drawn in the present study are based on experiments conducted at Roorkee, India, and may be examined at other regions for its general applicability.     

A decomposition study of moisture transport divergence for inter-decadal change in East Asia summer rainfall during 1958-2001

In this paper,we report on the results of an investigation into inter-decadal changes in moisture transport and divergence in East Asia for the two periods 1980-2001 and 1958-1979.The aim is to explore the mechanism of summer rainfall change in the region after abrupt changes.The relevant changes are calculated using ERA-40 daily reanalysis datasets.The results show that both stationary and transient eddy moisture transports to the Chinese mainland have declined since the abrupt change in atmospheric general circulation in the late 1970s,leading to more rainfall in South China and less in the North.The anomalous rainfall pattern coincides well with anomalous large-scale moisture divergence in the troposphere,of which stationary-wave or monsoon transport is dominant,in comparison with the contribution of the transient eddies.Furthermore,their divergences are found to be in opposite phases.In addition,meridional divergence is more important than its zonal counterpart,with an opposite phase in East Asia.Abnormal zonal moisture convergences appear in northwestern and northeastern parts of China,and are related to the excess rainfalls in these regions.An increase in transient eddy activity is one of the major mechanisms for excess rainfall in northern Xinjiang.Consequently,the anomalous rainfall pattern in East Asia results from a decline of the East Asian monsoon after the abrupt change,while the rainfall increase in northwestern China involves anomalies of both stationary waves and transient eddies on boreal westerly over the midand high latitudes.     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比     

强降水过程中垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式的诊断分析

在垂直螺旋度的基础上,定义了散度通量,水汽垂直螺旋度和水汽散度通量三个宏观物理量.针对两次强降水过程,利用NCEP/NCAR实时分析资料对这些物理量进行诊断分析,结果表明,这些物理量能够比较准确地综合表征强降水系统所共有的典型动力场垂直结构,进而与降水系统的发展演变密切相关.这些物理量垂直积分的异常值区与观测的6 h累积地面降水具有良好的对应关系,表明它们对强降水的落区和降水系统的发展移动具有良好的指示预测意义.NCEP-GFS每日四次6 h预报场资料的计算表明,垂直螺旋度和散度通量及其拓展形式（水汽垂直 关键词： 垂直螺旋度 散度通量 水汽垂直螺旋度 水汽散度通量