“鱼尾”状地形热力效应对天山降水系统及水资源的影响

利用卫星遥感资料、逐月2.5°×2.5°和1°×1°NCEP/NCAR再分析资料、逐月1°×1°CRU降水资料,以青藏高原与天山山脉相连区域的热源为切入点,重点探讨高原与天山山脉相连区域的热源、天山区域大气水份循环和云水资源的相关特征,计算了整层水汽、水汽输送、水汽相关矢及视热源等动力、热力诊断物理量,分析了天山区域夏半年降水的时空分布和变化特征。结果表明,天山区域降水和整层水汽集中区位于天山西部;天山区域强垂直运动能够描述出地形效应引起的气流爬升特征。分析天山地区的大气视热源与水汽汇的垂直结构揭示了天山西部充沛云水资源和高原与天山山脉相连的类似"鱼尾"区域的视热源存在显著相关。利用对"鱼尾"地形的整层视热源与整层水汽输送通道的相关矢分析,追踪影响夏半年天山地区丰富云水资源的远距离海洋水汽源,结果发现,夏半年天山地区的水汽源主要来自南部的大西洋、孟加拉湾、阿拉伯海和北部的北冰洋。天山地区水汽、降水和"鱼尾"地形热源具有12年的显著周期,在该周期上,20世纪50年代至末期,"鱼尾"地形热源的周期变化比天山地区的整层水汽的周期变化提前3~4年,而在50-80年代天山地区的整层水汽比降水提前3~4年,之后至末期提前1~2年。天山区域云水资源的年际变化特征一定程度上反映了该区域大气水份循环结构对"鱼尾"地形热源的响应机制。     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

青藏高原大气水分循环特征

青藏高原对亚洲季风环流的形成有重要作用,同时作为"世界屋脊"拥有丰富的冰川、积雪、河流、湖泊和地下蓄水层。青藏高原特殊大地形动力和热力作用深刻地影响着亚洲与全球大气水分循环,也对全球气候与环境产生深远的影响。基于青藏高原在亚洲夏季风系统大气水分循环过程的重要地位,从青藏高原对全球大气水分循环重要作用的视角,综述了青藏高原大气水分循环过程中青藏高原局地热力对流、高原的"阶梯式"水汽流爬升"第二类条件不稳定(CISK)"物理模型、青藏高原视热源结构影响及多尺度水汽汇流通道、海洋-青藏高原"水汽源-汇"结构、青藏高原跨半球垂直环流圈水分循环结构、青藏高原大气水分循环综合模型等的相关研究进展,剖析了青藏高原大气水分循环综合模型的研究背景,探讨了青藏高原特殊大地形热力驱动机制及其云水效应,描述出与青藏高原热力驱动的亚洲区域和跨半球垂直环流圈水分循环结构,揭示了青藏高原热力强迫与海洋-大气-陆地水文过程特殊的相互反馈作用。青藏高原发源的亚洲河流水系是为人口众多的亚洲区域供给生活、农业和工业用水的重要水资源之一。因此,认识在全球变暖背景下青藏高原的水分循环及其对水资源变化影响至关重要,仍需深入地探讨青藏高原大气水分循环机制及其全球影响效应。     

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

塔里木盆地夏季降水年代际的变化及联系的大尺度环流[*]

基于1961-2020年夏季塔里木盆地33站逐日降水数据和NCEP/NCAR大气环流再分析数据,分析了塔里木盆地夏季降水的年代际变化特征及影响环流。结果表明,塔里木盆地夏季降水在1986/1987年发生了由少到多的年代际突变,降水显著增加的区域主要位于盆地的西部和北部,主要由降水日数的增加贡献。不同年代际背景下,影响塔里木盆地夏季降水的环流配置存在一定差异。1961-1986年,影响盆地夏季降水的中亚副热带急流位置显著南移,中亚上空的异常气旋位于40°N附近,水汽源于阿拉伯海;1987-2020年,影响盆地夏季降水的中亚上空异常气旋位置位于40°N以南,水汽源于孟加拉湾和西北太平洋。东大西洋—西俄罗斯大气遥相关型在塔里木盆地夏季降水的年代际变化中扮演了重要角色。     

南疆西部干旱区两次极端暴雨过程对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料、ERA5分析场数据等资料,对南疆西部两次极端暴雨过程的环境条件和形成机理进行对比分析,以更深入理解南疆极端降水特征和产生机制。两次过程分别发生在春季和夏季,高层环流存在显著差异,南亚高压分别呈东部型和双体型,但配合中层的“阶梯槽”形势,均为极端降水提供了特殊有利的环流背景。低空700～850 hPa偏东急流是南疆西部极端降水发生的重要天气系统,其不但是暴雨发生地主要水汽通道,还与地形形成强烈辐合,是极端降水重要的触发和水汽集中机制。引入二阶湿位涡对两次暴雨过程的非均匀特征及可能产生机制进行了对比分析。结果表明,二阶湿位涡高值区与降水的发展演变呈现较高一致性,二阶湿位涡主分量包含对流稳定度与绝对涡度垂直梯度的耦合,体现极端降水大气的主要动热力结构特点:发生在2021年6月15～16日的夏季过程,极端降水区主要位于昆仑山沿线,与塔里木盆地南侧强烈的低层气旋性旋转有关,旋转促进水汽快速集中,垂直方向表现为中层负涡度叠加于正涡度之上,垂直涡度梯度显著,同时水汽抬升凝结,中层大气加湿加热,对流稳定度在垂直方向非均匀性增强,两种垂直梯度结构均有助于垂直运动增强,促进极端降水形成;发生在2020年4月17～24日的春季过程,降水主要位于南疆西部喇叭口地形区,“阶梯槽”形势造成的越山干冷气流和塔里木盆地的偏东暖湿气流辐合,形成中层正涡度带,激发上升运动,是极端降水的主要成因。     

山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征

利用山东省气象站的降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料,分析了1962-2016年山东夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律,探讨了夏季降水与水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源。结果表明:从常年值来看,山东平均夏季降水量为401.2 mm,大气可降水量为3478.8 mm,降水转化率为11.5%。降水转化率和降水量的时空演变特征更加一致,经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切,当大气可降水量充沛、外部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时,更加有利于山东南部地区降水的发生发展,从而形成夏季降水量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地,巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是重要的冷空气输送区域;当山东上游盛行偏西风时,自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽扰动并发展,是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件。     

1961—2000年塔里木盆地夏季空中水汽的变化

利用1961--2000年塔里木盆地内36个地面气象站的降水资料以及美国NCEP／NCAR6__9月再分析资料对盆地上空的水汽变化进行了分析。结果显示,塔里木盆地全年或夏季的降水都呈现增长趋势,明显增湿的转折年份为1991年;盆地的东、西边界为水汽的主要输入、输出边界,且水汽输送量呈减少趋势,而南、北边界的水汽输送量略有增加;夏季水汽收支多年来没有发生显著变化,并与降水存在较好的相关性;在多雨和少雨的夏季,水汽输送方向恰好相反,多雨夏季,来自东方的水汽对盆地降水贡献最大;综合水汽收支、降水、冰川、径流、温度等多种因素的气候变化趋势来看,塔里木盆地增湿的两个可能重要因素为：一是盆地内部参与每次降水过程的水汽增加了,二是垂直上升运动增强了。     

1999年夏季江淮地区热源和水汽汇时空变化特征

利用1999年的NCAR再分析网格点风场、温度场、湿度场及含HUBEX试验加密观测的降水资料等,诊断分析了夏季长江流域梅雨暴雨集中期及其前后江淮地区的大气热源、水汽汇的时空分布及多时间尺度特征.     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

塔克拉玛干沙漠地表热力异常与南疆夏季降水的关系

利用塔里木盆地25个常规气象站1979-2003年夏季(6-8月)逐月降水资料和NCEP/DOE新再分析月平均地表热通量资料,采用SVD诊断方法分析了塔克拉玛干沙漠春、夏季地表热力异常与南疆夏季降水之间的关系.结果表明:地表热力场与降水场的第一模态代表了两场间的主要耦合特征,具有较好的时空相关;沙漠中部偏西偏北区域(38°～40°N、78°～83°E)与南疆西部、西北部地区为SVD耦合相关的显著区域;南疆夏季降水与沙漠春、夏季地表感热呈负相关关系,与地表潜热呈正相关关系;前期春季塔克拉玛干沙漠地表感热、潜热异常变化可作为夏季南疆降水异常具有指示意义的一个信号.     

夏季伊朗高原和热带印度洋热力异常与同期塔里木盆地降水的可能联系

基于1979～2019年日本气象厅提供的地表感热与大气环流再分析资料,美国国家海洋和大气管理局提供的月均海表温度数据和国家气象信息中心提供的月降水数据,分析了夏季伊朗高原感热和热带印度洋海温与同期塔里木盆地降水的可能联系。奇异值分解分析表明,两个地区热力异常均与塔里木盆地夏季降水联系紧密,可以通过影响500 hPa风场和水汽输送来调制塔里木盆地夏季降水的变化。当伊朗高原感热和热带印度洋海温均偏强（弱）时,对应中亚上空受异常气旋（反气旋）控制,蒙古高原上空为反气旋（气旋）控制,二者共同作用塔里木盆地上空盛行异常偏南（北）风,形成有利（不利）的动力条件;同时印度半岛上空受异常反气旋（气旋）环流控制,中亚上空为异常气旋（反气旋）,阿拉伯海水汽可（不可）由以上两个系统两步输送至新疆上空,导致盆地夏季降水整体偏多（少）。当伊朗高原和热带印度洋热力异常反相变化时,盆地降水空间差异性较大,部分区域降水偏多,部分地区降水偏少。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴发生条件分析

利用塔中气象站1997—2002年的气象资料, 从沙尘源丰富程度、风动力条件和空气稳定度等方面分析了塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴的成因。结果表明:在塔克拉玛干沙漠腹地, 沙尘源极为丰富, 为沙尘暴发生提供了必要条件, 降水基本不能改变沙面的湿润状况, 沙尘源丰富度不是沙尘暴发生的限制因子; 风动力是沙尘暴发生的重要条件, 而月平均风速和大风日数是风动力的重要定量表征指标; 空气稳定性也是沙尘暴发生的重要条件, 温度和天气过程是其重要标志, 沙尘暴发生与温度呈正相关, 沙尘暴多发生在夏季和午后; 降水是沙漠腹地天气过程的重要指标, 月降水日数和降水总量与沙尘暴日数呈正相关; 20世纪90年代以来沙尘暴逐年减少, 这种变化趋势可能与全球气候变化有关。     

Diurnal and Seasonal Variation of Clear-Sky Land Surface Temperature of Several Representative Land Surface Types in China Retrieved by GMS-5

The retrieved results in this paper by GMS-5/VISSR thermal infrared data with single time/dual channel Split-Window Algorithm reveal the characteristics of diurnal and seasonal variation of clear-sky land surface temperature (LST) of several representative land surface types in China,including Tarim Basin,Qinghai- Tibetan Plateau,Hunshandake Sands,North China Plain,and South China.The seasonal variation of clear-sky LST in above areas varies distinctly for the different surface albedo,soil water content,and the extent of influence by solar radiation.The monthly average diurnal ranges of LST have two peaks and two valleys in one year.The characteristics of LST in most land of East Asia and that of sea surface temperature (SST) in the south of Taiwan Strait and the Yellow Sea are also analyzed as comparison.Tarim Basin and Hunshandake Sands have not only considerable LST diurnal cycle but also remarkable seasonal variation. In 2000,the maximum monthly average diurnal ranges of LST in both areas are over 30 K,and the annual range in Hunshadake Sands reaches 58.50 K.Seasonal variation of LST in the Qinghai-Tibetan Plateau is less than those in East Asia,Tarim Basin,and Hunshandake Sands.However,the maximum diurnal range exists in this area.The yearly average diurnal range is 28.05 K in the Qinghai-Tibetan Plateau in 2000.The characteristics of diurnal,seasonal,and annual variation from 1998 to 2000 are also shown in this research. All the results will be valuable to the research of climate change,radiation balance,and estimation for the change of land surface types.     

夏季青藏高原和热带印度洋热力异常对塔里木盆地夏季降水的影响

基于1979～2017年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)全球大气数值预报再分析资料ERA-Interim提供的地表潜热及大气环流再分析资料和英国Hadley气候预测和研究中心提供的全球逐月海表温度格点资料以及新疆气象信息中心提供的塔里木盆地26个站逐月降水资料,研究了夏季青藏高原和热带印度洋热力异常对塔里木盆地夏季降...     

A composite analysis of diurnal cycle of GPS precipitable water vapor in central Japan during Calm Summer Days

Summary The diurnal variations of water vapor in central Japan were investigated with GPS-derived precipitable water (PWV) and surface meteorological data as classified to three kinds of locations. Twenty-five clear days in central Japan in August 2000 were investigated to clarify the role of water vapor in the nocturnal maximum in the diurnal cycle of convective rainfall. The diurnal variations of PWV and some meteorological factors were composite during the selected days at 6 stations. The PWV shows a clear diurnal cycle with the amplitude of 3.4 mm to 8.8 mm and changes little during the period from the morning to noon. The daily amplitude of PWV is the largest in basin and smallest in plain although mean of PWV keeps high value in plain. A typical feature of the diurnal variation in central Japan is a maximum appearing in the evening. The time of maximum is from 1800 LST to 2000 LST, and minima appears at noon nearly in mountainous area and basin, while in early morning in plain. The diurnal maximum of PWV appears earlier in mountainous region than in plain. A diurnal cycle of specific humidity can be observed in all locations, and the amplitude in mountainous region is especially large compared with that in basin and plain. It is important to notice that there are remarkable differences in specific humidity among the six stations. The results suggest that the diurnal variation of PWV seems to be strongly affected by the local thermal circulations generated by the topography around these stations. The moisture transport causes the differences in phase of the diurnal cycle of PWV between different locations as well as the phase difference in precipitation. A very clear diurnal variation in surface air temperature is similar to that of solar radiation, with a minimum in the morning and a maximum in early afternoon. Maximum of surface wind speed are corresponded to peak of precipitation very well. It can be concluded that the amplitude of solar radiation increases with altitude as opposed to the situation of PWV generally. The precipitation observed frequently in the evening also shows a similar diurnal variation to that of the PWV, indicating the peak of precipitation appearing in late afternoon or in the evening over central Japan. Meanwhile the PWV reaches its nocturnal maximum. There is a good relationship between the diurnal cycle of observed precipitation and that of the PWV. Authors’ addressess: Guoping Li, Department of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, #3 Section 3, Ren Min Nan Road, Chengdu, Sichuan 610041, P.R. China; Dingfa Huang, Department of Surveying Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, China; Fujio Kimura, Tomonori Sato, Institute of Geoscience, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan.     

The quasi-stationary feature of nocturnal precipitation in the Sichuan Basin and the role of the Tibetan Plateau

The nocturnal precipitation in the Sichuan Basin in summer has been studied in many previous works. This paper expands the study on the diurnal cycle of precipitation in the Sichuan Basin to the whole year. Results show that the nocturnal precipitation has a specific quasi-stationary feature in the basin. It occurs not only in summer but also in other three seasons, even more remarkable in spring and autumn than in summer. There is a prominent eastward timing delay in the nocturnal precipitation, that is, the diurnal peak of precipitation occurs at early-night in the western basin whereas at late-night in the center and east of the basin. The Tibetan Plateau plays an essential role in the formation of this quasi-stationary nocturnal precipitation. The early-night peak of precipitation in the western basin is largely due to strong ascending over the plateau and its eastern lee side. In the central and eastern basin, three coexisting factors contribute to the late-night peak of precipitation. One is the lower-tropospheric southwesterly flow around the southeastern edge of the Tibetan Plateau, which creates a strong cyclonic rotation and ascendance in the basin at late-night, as well as brings abundant water vapor. The second is the descending motion downslope along the eastern lee side of the plateau, together with an air mass accumulation caused by the warmer air mass transport from the southeast of the Yunnan-Guizhou Plateau, creating a diabatic warming at low level of the troposphere in the central basin. The third is a cold advection from the plateau to the basin at late-night, which leads to a cooling in the middle troposphere over the central basin. All these factors are responsible for precipitation to occur at late-night in the central to eastern basin.     

近50年塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠及其周边地区气候变化特征的对比分析

利用塔克拉玛干沙漠及古尔班通古特沙漠及其周边地区（包括平原和山区）76个气象站1961-2010年的逐日地面观测资料,对比分析了两个沙漠及其周边地区气温和降水变化特征。结果表明：塔克拉玛干沙漠及其周边地区年平均气温明显高于古尔班通古特沙漠及其周边地区,但是升温速率低于古尔班通古特沙漠,两大沙漠及其周边地区年平均气温的差值在缩小,塔克拉玛干沙漠周边山区上升速率接近或者大于大部分平原地区,而古尔班通古特沙漠周边山区上升速率与平原地区相比总体偏小,塔克拉玛干沙漠及其周边地区年平均气温的突变时间在1989-1993年,古尔班通古特沙漠及其周边地区的突变时间在1994-1995年,同时均存在8～9a振荡周期;古尔班通古特沙漠及其周边地区年降水量是塔克拉玛干沙漠及其周边地区的2.5倍,增加速率高于塔克拉玛干沙漠及其周边地区,增加相对幅度小于塔克拉玛干沙漠及其周边地区,两大沙漠及其周边地区年降水量的差值进一步加大但加大的速度在减缓,塔克拉玛干沙漠及其周边地区的突变时间在1984年,古尔班通古特沙漠及其周边地区的突变时间在1983-1986年,塔克拉玛干沙漠及其周边地区存在5a、7～8a和18a的振荡周期,古尔班通古特沙漠及其周边地区存在2～4a、6～8a、18a的振荡周期。     

地面气旋影响下两次华北暴雪（雨）过程分析

利用GRAPES模式、常规观测和NCEP再分析资料对2010年1月3日和2012年11月3日两次气旋影响华北地区的暴雪（雨）天气过程的形成机理进行对比分析。结果表明：两次暴雪（雨）过程中降水落区与地面气旋的相对位置有较大差别,“0103”过程发生在气旋的东部,“1103”过程发生在气旋的北部。通过检验,GRAPE模式能较好模拟两次降水的落区。通过数值模拟结果分析造成这种落区差异的原因。从热力方面来看,气旋的热力性质不同,“0103”过程一直保持暖心结构,“1103”过程冷空气不断被气旋卷入,使气旋逐渐变为冷心结构,造成冷暖空气相互作用方式不同。另一方面,“0103”过程冷暖空气的交汇发生在气旋与高压系统之间,且在气旋中心附近形成锢囚;而“1103”过程发生在气旋内部,过程的锋面系统由北向南倾斜。另外,“1103”过程水汽是被近地层气旋不断卷入;从风场垂直分布来看,两次过程发生前均有近地面层偏东风的建立,结束时均伴随着中低层系统过境,风向由南风转为北风,但降水过程中风场的演变明显不同。     

Cloud Properties and Its Relation to Precipitation over Northwest China

The temporal and spatial distribution of cloud properties over Northwest China has been analyzed using the ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) monthly mean D2 data from July 1983 to September 2001. The result shows that the regional average total cloud amount, optical thickness, and water path are 52.5%-58.3%, 2.6-6.6, and 44.9-77.6 g m-2, respectively. The major feature of spatial distribution is that higher value areas of cloud properties are all over Tianshan, Kunlun, and Qilian Mountains, while the lower values of cloud properties are over Tarim Basin, the western desert of Inner Mongolia, and the northwestern part of the Loess Plateau. The higher values of cloud amounts are generally associated with higher level of precipitation. For example, the amounts of stratiform clouds with large water path values are good consistent with precipitation. But the amounts of cumuliform and stratocumuliform clouds do not have de nite relation to precipitation.