珠江三角洲大气边界层概念模型的建立及其应用

根据珠江三角洲地理环境、气候背景和边界层气象观测特征的分析,建立了反映珠江三角洲大气边界层一般机理的珠江三角洲大气边界层概念模型,可解释珠江三角洲地区环境空气质量变化的原因。本概念模型有助于开展珠江三角洲地区大气扩散能力的分析与气流停滞区或灰霾天气的预测预报。     

珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线观测研究

根据2004年10月珠江三角洲3个代表性观测点大气边界层观测资料, 分析了珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线特征。结果表明:珠江三角洲秋季气温递减率较低, 逆温出现频率较高, 强度较弱, 海风使珠江口贴地逆温的出现时间推迟、低空逆温的出现频率增加。珠江三角洲秋季受多种局地环流影响, 边界层内风廓线比较复杂, 晚上城市群与非城市群地区风向有明显差别; 城市群和珠江口多次分别观测到城市热岛环流和海风环流。     

珠三角北部一次暖区强降水过程中的地形作用

基于ERA5再分析资料、广东省风廓线雷达、雷达拼图产品和实况观测数据, 分析了2020年6月7日夜间-8日珠三角(珠江三角洲)北部暖区强降水过程中主雨带与南岭南部地形走势一致的原因, 阐释地形对此次强降水的触发和维持作用。结果表明: (1)此次过程发生在典型的暖区暴雨环流特征的背景下, 主要影响系统为对流层中层弱短波槽扰动、低空急流和边界层急流脉冲等; (2)雷达回波表现为团状结构, 多以对流单体形态生消, 伴随明显的"列车效应"现象, 但3个不同发展阶段内回波的持续时间、强度, 以及触发地、传播和移动方向等均存在差异; (3)由于边界层西南(偏南)风增强和地形作用, 新的对流单体在珠江口附近和珠三角西北侧被触发, 同时由于南岭南侧地形对边界层暖湿气流的阻挡和拦截等作用, 使得气流在珠三角北部形成明显的辐合抬升, 造成该区域内对流单体移速减慢和汇聚, 增强了降水强度; (4)强降水长时间的持续与海陆热力差异、冷池和边界层暖湿气流增强等引起的地面露点锋和中尺度辐合线有关。露点锋为强降水的发展和维持提供了热力不稳定条件, 地面辐合线加强了对流层底层气流的辐合抬升, 进一步增强了强降水区的降水强度。研究结果有助于认识珠三角北部暖区强降水过程中地形的重要作用, 为今后该区域防灾减灾提供气象理论支撑。      

珠江三角洲区域大气输送和扩散的季节特征

根据1985—2004年NCEP/NCAR再分析资料,采用HYSPLIT扩散模式和虚拟源方法,模拟分析了珠江三角洲大气污染物的空间和时间分布状况,初步讨论了珠江三角洲大气输送和扩散的季节特征,及其长期变化趋势。结果表明:珠江三角洲大气的输送和扩散有明显的季节变化特征,春、夏季大气污染物汇聚区位于珠江三角洲的西北侧,秋、冬季位于偏西侧;春、夏季的汇聚区明显强于秋、冬季。春、夏季大气分别向珠江三角洲西北和偏北方向的山区输送和扩散,而秋、冬季则沿着较为平坦的粤西海岸,向西南偏西方向输送和扩散。秋、冬季大气污染物的滞留时间明显比春、夏季短。1985—2004年大气输送和扩散能力存在年际差异,其中以2004年的输送和扩散能力最弱、1996年最强。     

CHARACTERISTICS OF BOUNDARY LAYER AND ITS EFFECTS ON ATMOSPHERIC AEROSOL CONCENTRATIONS IN DONGGUAN, GUANGDONG

The structure of atmospheric boundary layer determines the ability of atmospheric dispersion and has an essential impact on airborne aerosols. In this paper, the data of a radio sounding experiment held in Dongguan National Meteorological Observation Station, which is in a coastal city in Pearl River Delta, as well as the data of atmospheric aerosols, were utilized in order to analyze the characteristics of atmospheric boundary layer and its effects on surface aerosol concentrations. The results are showed at follows: the local circulations, associated with dominant winds, made complex structures of atmospheric layers, as the cold air and systematic winds weakened in the end of a cold air event. Weakened wind shears and inversion layers, especially a strong near-surface inversion layer, remarkably diminished the atmospheric diffusion abilities and facilitated an especially high concentration of surface aerosols. The convergence line or weak shear line of sea breeze in the ground level helps weaken the atmospheric diffusion abilities and results in atmospheric aerosols accumulation.     

中国东部不同区域城市群下垫面变化气候效应的模拟研究

本文利用法国动力气象实验室发展的大气环流模式(LMDZ)对珠江三角洲(简称珠三角)、长江三角洲(简称长三角)和北京市、天津市、河北省区域(简称京津冀)城市群下垫面变化的东亚气候进行模拟试验, 以探讨不同区域城市群下垫面变化带来的夏季气候效应及其可能机制, 结果表明:珠三角、长三角和京津冀城市群下垫面类型改变后, 地表潜热蒸发显著减少, 为了平衡地面能量收支, 地面温度升高, 进而感热通量、地表有效长波辐射增强, 地表通过升温对能量进行再分配和再平衡, 且下垫面改变引起的温度、地表能量变化基本集中于城市群下垫面变化区域, 温度响应具有显著的局地性;对比不同区域城市化温度响应的强弱, 发现各区域地表气温变化和能量变化存在较好的对应关系, 长三角、珠三角城市群的总能量变化远高于京津冀城市群, 其局地增温也是京津冀城市群的一倍以上;局地温度增加, 虽有利于低层形成热低压, 出现明显上升运动, 但蒸发减弱使局地水汽明显减少, 最终导致降水减少, 表明水汽条件改变是降水减少的主要因素。同时由于中国东部高层呈现南正北负的异常变化, 西太平洋副高加强西伸, 使降水减少区域并没有集中在局地, 特别是东部城市带试验中, 出现了东部地区大范围的降水偏少。     

城市化进程对珠江三角洲地区气温变化的影响

根据1979—2010年珠江三角洲24个气象站的气温观测数据以及NCEP/NCAR R1地表气温再分析月资料,运用OMR（observation minus reanalysis）方法分析了珠三角地区平均气温、平均最高气温、平均最低气温的年、季变化趋势。研究结果表明,过去32年珠三角大部分地区呈增温趋势,年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的OMR趋势分别为0.22/10a、0.19℃/10a、0.23℃/10a,对珠三角地区观测气温增暖的贡献率分别为55.7%、41.7%、57.2%;四季OMR增温趋势冬季最大,夏秋季较小。城市化对区域平均最低气温的影响比对平均最高气温的影响更大。     

灰霾数值预报系统对不同天气型过程数值模拟分析

利用2010年南沙气象探测基地灰霾观测资料,采用灰霾数值预报系统对不同天气型灰霾过程进行数值模拟,研究珠三角地区空气污染的主要控制因子和主要污染成分及不同天气系统影响下各种排放源对珠三角地区的污染贡献。结果表明：灰霾数值预报模式模拟值与实测值趋势基本一致,除个别极值外,模拟结果能较好和定性的反应珠三角地区各污染物浓度变化,是适合珠三角地区的灰霾数值预报系统。在易出现灰霾月的变性高压入海型和不易出现灰霾月的热带气旋外围下沉气流控制时,各污染物浓度均较高,特别是PM₁₀、PM_2.5、元素碳EC（Elemental Carbon）、有机碳OC（Organic Carbon）和CO浓度尤其明显。在易出现灰霾月冷空气南下时和不易出现灰霾月无明显天气系统影响时,元素碳EC、有机碳OC和CO浓度较低,其他污染物浓度接近零。无论是否出现灰霾,相对于空气中的其他污染物,元素碳EC、有机碳OC和CO浓度均较高,说明在珠三角地区碳污染较重。     

基于卫星探测资料的珠江三角洲城市群对降水影响的观测研究

利用卫星观测TRMM降水以及QuikSCAT风场资料, 对珠江三角洲地区及临近区域降水的分布特征进行了探讨, 结果表明: (1) 同一纬度相比, 珠江三角洲城市群所处的区域降水明显多于其周边地区, 表明了城市化可能会使所处区域的降水增加; (2) 珠江三角洲城市群所处区域降水的增加存在明显的季节变化特征, 在前汛期城市所处区域的降水增多较其它季节明显; (3) 珠江三角洲城市化对降水的影响与风场的分布密切关联, 降水增多的区域通常位于城市群所在之处及其下风方向的邻近地区; (4) 珠江三角洲城市化使城市群所处区域的降水时次减少, 而降水强度则加强; (5) 珠江三角洲城市群的天气、 气候效应只对对流性降水产生影响, 而层状降水的分布则与城市群的位置没有明显关联。     

基于天气形势分型的珠江三角洲强对流潜势预报方法

珠江三角洲出现强对流的机制有多种情况,不同天气形势下引起的强对流,其出现时各项强对流指数必然存在一定的差异。本文对强对流的触发机制进行天气形势分型(冷空气影响触发、西南暖湿气流触发、后汛期副高边缘影响,台风影响等),利用广州热带海洋研究所中尺度模式GRAPES的输出资料,计算出不同天气形势下强对流发生前1h当地各层的涉及水汽条件、不稳定能量、动力条件等强对流指数,对强对流指数阈值进行选取和验证,统计出珠江三角洲不同天气形势下短时强降水和雷雨大风出现时的强对流指数阈值,并建立相应的潜势预报系统,分别通过一次典型的雷雨大风和一次短时强降水天气过程验证,表明该系统提供的强对流分型潜势预报概率产品可以较好的指示出强对流发生的时间和位置以及强对流出现的类型,预报与实况观测比较一致。     

苏州—无锡—常州城市带热岛效应个例研究

应用WRF(weather research and forecasting)及其耦合的多层城市冠层模式BEP(building energy parameterization),对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟。此次过程盛行东南风,风向与苏州—无锡—常州城市带走向一致。模拟结果表明:苏州—无锡—常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流。夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送。热岛效应导致城市边界层高度明显上升。白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系。白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降。     

城市化对珠江三角洲强雷暴天气的可能影响

通过对2004年8月11日午后发生在珠江三角洲地区的一次强雷暴天气的高分辨数值模拟，研究了城市化发展可能对雷暴活动的影响问题，主要考察了与城市土地利用类型改变相关的“城市热岛”的形成和演变特征，城区粗糙度增大可能引起的低层辐合的增强过程，及其与雷暴发展强度变化的关系。结果表明:模拟的雷暴发展和演变过程与这一地区城市化的发展有密切的联系。引进了更加真实的关于珠江三角洲地区的土地利用类型资料之后，耦合了陆面模式Noah LSM的MM5模式可以更加成功地模拟出强雷暴天气的发展和演变过程。雷暴系统移经主要城市区后在珠江口西岸的增强过程与这一地区“城市热岛”的效应有关。中午时热岛开始形成于广州城区的上空，之后向南移动，范围扩大。另外，城区粗糙度增大引起的低层辐合增强可能在雷暴发展和演变过程中也起到了作用。模拟的与城市影响有关的低层辐合主要位于500 m以下的近地面层，开始时形成于城市的上风方向，并在下风方向增强， 由此引起的强烈上升运动有利于新的对流的启动和发展，促使雷暴强度增强。     

珠三角关键大气挥发性有机物的模拟精度评估

大气挥发性有机物（VOCs）是导致臭氧污染的关键前体物,是城市空气质量建模不可或缺的重要组成部分,但由于其非常复杂的构成和来源以及监测数据缺乏,目前对其模拟精度的了解仍非常有限。本文利用嵌套网格空气质量模式预报系统（NAQPMS）对珠江三角洲（简称珠三角）地区2017年9月21日至11月20日的VOCs开展了模拟试验,并利用光化学监测网8个地面站点的VOCs浓度监测数据,对模式模拟的关键VOCs组分进行了精度评估。结果发现,模式对强活性的甲苯、乙烯和二甲苯具有较高的模拟精度,模拟浓度偏差百分比为0.4%～26.6%,模拟能较好再现其日均浓度变化趋势和日变化的双峰特征。但是模式对化学反应活性强且与植物排放密切相关的异戊二烯具有很大的模拟偏差,偏差比近100%,无法再现其白天浓度高、夜间浓度低的观测日变化特征。通过分析发现,现有模拟系统主要考虑人为污染物排放而未考虑生物源排放,可能是导致这一模拟偏差的关键原因。同时,评估结果也表明模式在VOCs空间分布模拟上仍面临很大的不确定性。本文结果揭示了珠三角VOCs模拟面临的关键不确定性,表明融合VOCs观测数据来揭示并减小VOCs模拟的不确定性具有非常迫切的需求。     

珠江三角洲地区大气混合层特征分析

该文使用珠江三角洲地区部分测站低空温度探测资料,分析讨论该地区边界层内冬、夏季混合层的高度、厚度变化特征,得出该地区混合层高度偏低并具有多层分布的特点。     

影响珠江三角洲地区的两次冷空气涌过程的地面结构和天气

利用珠江三角洲地区的地面加密观测资料，揭示了影响该地区的一类中小尺度天气系统－锋后冷空气桶，并详细分析了它的地面结构和天气影响。结果表明，这类对流系统非常相似于热带飑线，往往给三角洲地区带来突发性暴雨，但却不易产生强风。该系统的水平尺度很小，只有３０－６０ｋｍ，持续时间达４小时，移速快，约为每小时６０ｋｍ，移向定常，并且它在进入三角洲地区时发展加强，而在移出时减弱消失。和经典的飑线结构的差异在于它     

苏州-无锡-常州城市带热岛效应个例研究

应用WRF（weather research and forecasting）及其耦合的多层城市冠层模式BEP（building energy parameterization）,对2013年8月13日长江三角洲地区一次高温天气过程进行了模拟.此次过程盛行东南风,风向与苏州-无锡-常州城市带走向一致.模拟结果表明：苏州-无锡-常州城市带热岛效应明显,热岛强度向下游城市逐渐增加;在东南风作用下,三座城市的热岛连成一片,形成了一个更强大的热岛环流.夜晚,边界层逐渐趋于稳定,热岛环流减弱,有利于热岛温度向下游地区输送.热岛效应导致城市边界层高度明显上升.白天太湖产生强盛的湖风对其周边城市影响显著,来自太湖的冷气团导致无锡和常州边界层内热岛强度明显下降,抑制城市热岛向上发展,削弱了无锡与常州两城市热岛间的联系.白天太湖使得无锡和常州边界层高度明显下降.     

珠江三角洲城市群对夏季降雨影响的初步研究

利用TRMM 2A25卫星降水数据和CMORPH同化数据对珠三角洲地区的降水分布特征进行了探讨,观测表明：珠三角城市群区域总体处于降水的低值中心,且对流降雨的低值中心尤为明显;同时近10 a珠三角核心城市区域降雨有减少的趋势,这种降水减少的趋势可能与珠三角城市化效应有关。本文进一步利用WRF模式模拟分析了珠三角城市群发展对夏季降雨的影响,结果表明珠三角城市化使得该区域降雨减少,其原因为城市化使得地表的蒸发减弱及其大气中的水分供应减少,同时也抬升了珠三角区域边界层高度相应增强了低层大气水汽垂直混合。     

基于CMA-TRAMS集合预报的“5·22”极端降水事件可预报性分析

2020年5月22日珠江三角洲地区出现了一次极端强降水天气,最大滑动小时雨量201.8 mm,3 h雨量达到351 mm。为探讨此次极端强降水的关键预报因子及可预报性,对热带中尺度集合预报系统（CMA-TRAMS（EPS））降水预报产品进行检验评估和敏感性分析,结果表明:与欧洲中期数值预报中心集合预报系统（ECMWF-EPS）相比,CMA-TRAMS（EPS）的好成员对本次过程降水强度及位置的预报结果与实况更接近,但对极端性预报仍有欠缺。好成员的预报能力来自于对低涡和（超）低空急流的演变特征以及两者强度和位置耦合的有效预测。好成员组预报珠江三角洲东部（超）低空急流南风分量较强,有利于低涡缓慢移动和气旋性辐合增强,致使降水持续时间长、效率高。而低涡自身发展又反馈于急流强度变化,好成员组较准确地刻画了增强的低涡环流反馈导致急流小范围加速的耦合特征。其他成员组预报的低涡和（超）低空急流的耦合位置偏东、偏南,辐合强度偏弱,导致降水强度或落区出现偏差。此外,强降水致使冷池形成,并增强激烈的冷、暖气团对峙（水平温度梯度达0.23—0.76℃/km）,有利于中尺度辐合线维持,加强对流后向传播并产生极端降水量。但CMA-TRAMS（EPS）两组成员在预报中尺度系统的组织性和传播特征方面均存在明显不足,限制了集合预报系统对极端降水的预报能力。      

复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发应用了WRF(Weather Research and Forecasting,天气研究和预报)模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来.通过个例分析,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响.主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,增温幅度为0.1～0.3 K/h,使低空(25～300 m)大气层冷却,降温幅度为0.08～0.15 K/h,风速在150 m以下减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,1 h内升温约0.5 K,增温最大值在混合层顶500～600 m高度.受增温影响,垂直风场和水平风场随之调整,风速在450 m以下增大约0.1 m/s左右,而在450 m以上风速减小0.1 m/s左右.     

广东2009年深秋重旱背景下异常暴雨的特点及成因

在深秋重旱的背景下,2009年11月11～13日广东出现一次少见的暴雨过程,落区主要在干旱严重的粤北和珠江三角洲地区。分析其环流场发现,高纬西风槽东移引导较强冷空气南下,冷暖空气在华南相互作用导致本次暴雨的发生。物理量的诊断和数值模拟结果显示水汽辐合上升释放凝结潜热,对暴雨的维持起到最重要的作用。