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摘要:基于1958—2020年ERA5再分析数据,探讨了El Niño衰减年初夏西太平洋副热带高压(简称西太副高)在准静止阶段的南北位置差异及其对中国初夏降水的影响。结果表明,当El Niño衰减年副高脊线显著偏北时,副高强度强于气候态,形态上呈现明显西伸与北抬。在异常环流场上,西北太平洋异常反气旋(western North Pacific anomalous anticyclone,WNPAAC)强盛且宽广,北界可达35°N,导致了副高在准静止阶段位置偏北。同时,西太副高引导水汽向较高纬度输送,造成长江以北降水偏多、华南降水偏少。而当El Niño衰减年初夏西太副高偏南时,其强度较副高偏北时减弱,主体位置更偏向西南。在异常环流场上,WNPAAC主要位于较低纬度,致使副高在准静止时期位置偏南。另外,西太副高将水汽主要输送至低纬度地区,造成长江以南降水偏多、以北偏少,形成与西太副高偏北组完全不同的降水分布型。WNPAAC在副高准静止阶段南北位置差异的形成中起到了关键作用。进一步分析表明,El Niño衰减年初夏WNPAAC的差异主要受热带海温异常空间分布的调控。在副高偏北年,WNPAAC的形成主要受热带北大西洋强迫;而在副高偏南年,北印度洋增暖则成为激发WNPAAC的关键因子。

摘要:基于1982—2023年NOAA第二版最优插值海温数据和ERA5大气再分析资料,探究了夏季日本海海洋热浪事件形成的主要原因及其可能机理。结果表明,夏季日本海海洋热浪发生时,日本海处于深厚高压系统控制之下,云量偏少,海表吸收更多的短波辐射,使得海温上升。根据日本海海洋热浪事件发生时的大气环流,基于大气遥相关指数将海洋热浪分类,得到影响日本海夏季海洋热浪的主要大气环流型,即受纬向的欧亚型遥相关(Eurasian teleconnection pattern,EU)和经向的东亚-太平洋型遥相关(East Asia-Pacific teleconnection pattern,EAP)波列共同作用,主要表现为欧亚大陆中高纬地区上空纬向“+-+”波列,东亚经向上“-+-”波列,正位势高度异常中心位于日本海上空。日本海海洋热浪开始前15 d起乌拉尔山地区的土壤湿度持续异常偏干,以及前6 d起菲律宾以东洋面的异常降水活动,是造成该大气环流型的主要原因。采用线性斜压模式(linear baroclinic model,LBM)的数值模拟验证了此结论。

摘要:当El Niño发生时,西北太平洋会出现一个异常反气旋(western North Pacific anomalous anticyclone,WNPAC),对东亚气候产生重要影响。本文评估了第六次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)中的模式对该WNPAC的模拟情况,包括CMIP6模式集合平均以及模式间离散性的主要特征。分析表明,CMIP6模式集合平均模拟的WNPAC位置偏西,且强度偏弱。利用正交经验函数分解出模式间离散性的主模态,其第一模态表现为WNPAC的纬向位置差异,第二模态则为WNPAC强度的差异。前者与El Niño时赤道中东太平洋暖海温异常西伸有关,而最终可以归因到赤道太平洋气候态冷舌的模拟偏差;而后者则与耦合模式中的“风-海温”正反馈强度有关。大部分模式模拟的赤道太平洋气候态SST冷舌偏强,且对“风-海温”正反馈模拟偏弱,使得CMIP6模式整体上模拟的WNPAC偏西且偏弱。

摘要:利用中国气象局国家气象信息中心逐小时降水量数据及ERA5再分析资料,对2016—2024年湖南省汛期(4—9月)不同历时极端强降水事件(extreme heavy rainfall event,EHRE)的时空分布特征及其形成机理进行分析和探讨。结果表明:1)湖南省汛期EHRE高频区主要分布在武陵山脉、雪峰山东麓和南岭山脉等地,EHRE发生概率随降水量、强度和最大小时降水量增加呈先增后减的变化特征,随历时增加呈减小的变化特征。2)EHRE“开始-发展-结束”三个特征时间点均呈双峰型旬际分布,主峰出现在6月下旬,次峰出现在8月上旬,不同历时EHRE“开始-发展-结束”日变化的相位差异显著,短历时EHRE高发于午后至傍晚,时长2 h,中历时EHRE于夜间开始并发展,次日上午结束,时长7～8 h,长历时EHRE主要时段为夜间至次日午后,时长约14 h。3)短历时EHRE主要表现为副热带高压(以下简称“副高”)位置偏东和偏北,其西南侧为显著负高度距平控制,中纬度短波槽和热带低值系统活动频繁,而中、长历时EHRE则与中高纬长波调整及副高-西风槽的持续性相互作用密切相关。4)湖南省汛期EHRE以短历时为主,长历时EHRE发生概率较低,强降水(≥250 mm)EHRE发生概率随历时增加而增大,而高强度(≥30 mm·h^-1)EHRE发生概率随历时增加而减小。5)湖南省汛期雨强极值高值区主要分布在武陵山脉和雪峰山北麓,雪峰山南段东侧至越城岭北侧的盆地维持低值中心,不同历时EHRE的雨强极值具有明显的次季节依赖性和昼夜分布非对称性的变化特征。

摘要:以探索高分辨率集合预报初值扰动构建方法为目标,实现了集合变换(ensemble transform,ET)初值扰动方法在中国气象局自主研发区域数值预报系统(China Meteorological Administration Mesoscale Model,CMA-MESO)的应用,并与已有多尺度混合(multi-scale blending,MSB)初值扰动方法对比,开展了华北地区冬季高影响天气过程的连续试验。针对初始扰动的误差增长特征分析表明,两种初始扰动方案的高分辨率区域集合预报均能较好捕捉到不同尺度扰动信息,主要模态结构和扰动振幅适当,方案总体合理,生成的扰动场在中小尺度扰动部分都有较高的动能谱能量,高层扰动动能谱能量随时间均呈现增长趋势,而扰动总能量都表现出从低层到高层先增后减的特点;差别在于ET方法初始时刻小尺度扰动信息较多,增加了扰动波谱能量。统计检验显示,ET方法对不同等压面、不同要素的预报能力相较于MSB方法总体有提高。天气学检验也表明,两种方法对华北降水的落区、走向和强度预报效果相似,对复杂地形条件下山地站点地面要素预报具有参考价值。此外,ET方法的计算效率高,具备业务预报应用潜力。

摘要:基于中国气象科学研究院气候系统模式的次季节-季节预报系统(CAMS-CSM S2S Forecast System)回报试验结果,对全球各大洲表面气温的预报技巧特征进行分析。结果显示,预报技巧存在间歇性提升的现象,即预报技巧窗口。从季节分布来看,全球各大洲表面气温的预报技巧窗口更多出现在北半球冬季,在东亚地区冬季预报技巧窗口累计持续时间超过700 d,约占东亚地区全部窗口持续时间的62%;澳大利亚的预报技巧窗口多出现在北半球夏季,预报技巧窗口累计持续时间为315 d,约占澳大利亚地区全部窗口持续时间的31%,这可能与澳大利亚的地理位置有关。在厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)不同位相期间,预报技巧窗口发生频次存在差异。当El Niño事件发生时,在北美洲的冬春季(1—4月),CAMS-CSM S2S预测系统的预报技巧窗口出现频次更高,达到50%以上;当La Niña事件发生时,CAMS-CSM S2S预测系统的预报技巧窗口在非洲区域出现频次与其他模式相比更高,预报技巧窗口发生频次超过30%。进一步对预报技巧窗口的形成物理机制进行研究,有助于推广次季节预报的实际应用。

摘要:如何准确刻画弱天气强迫下的中小尺度扰动增长特征,并构建能够合理表征强、弱天气强迫下预报不确定性的初始扰动,是发展集合预报初始扰动技术亟待解决的关键问题。基于中国气象局对流尺度集合预报系统(China Meteorological Administration Regional Ensemble Prediction System,CMA-REPS V4.0),本文选取发生在同一时期分别受强、弱天气强迫影响的降水事件作为研究对象,除进行动力降尺度初始扰动的控制试验外,还设计了以余弦分析约束方法改善初始扰动质量的对照试验,以进一步探究其对后续集合扰动增长及两类天气强迫下降水预报性能的影响。研究结果表明,两组对流尺度集合试验均以中β尺度(20～200 km)扰动增长最为明显,与弱强迫相比,在强强迫条件下两组试验的较小尺度(≤200 km)集合扰动非线性增长明显更快。在两类天气强迫条件下,在采用余弦分析约束方法调整扰动后的试验中,较小尺度扰动升尺度过程的完成均较控制试验有所提前。两类天气强迫对应的区域平均降水预报结果显示,包含更丰富中小尺度扰动信息的初始扰动有利于CMA-REPS V4.0降水预报性能的提升,且初始扰动的质量对可预报性较高的强强迫降水前期预报具有更积极的影响。

摘要:基于MERRA-2的气溶胶数据集,重点分析了北非的两个主要沙尘源区,即西北非(West North Africa,WNA)和中北非(Central North Africa,CNA),两个区域均具有显著的年际变化。其中WNA春季沙尘排放通量与前冬温度和春季风速相关,而CNA地区的沙尘排放通量的年际变化主要由风速主导。通过回归分析发现,负相位的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)和厄尔尼诺会诱发WNA冬季的暖气温;而北太平洋海温暖异常(常伴随拉尼娜)则在春季对WNA风速的增加起到重要作用。CNA冬季的风速异常则与NAO(正相位)和北太平洋海温暖异常有关。研究结果表明,厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)与北非沙尘排放通量的年际变率关系较弱,但北太平洋海温异常信号稳定且显著,可视为影响北非沙尘排放通量年际变化的海温指标。

摘要:随着大气污染治理的深入,氨减排已经成为深化PM_2.5污染治理的重要途径,国务院最新发布的《空气质量持续改善行动计划》已提出稳步推进大气氨污染防控的需求。然而,现有研究多聚焦于氨排放在单个区域尺度上对PM_2.5质量浓度的非线性影响,对不同区域氨减排效果差异、氨排放健康风险及其相应的经济损失缺少综合量化。本研究基于GEOS-Chem模型和GEMM模型,全面评估了2020年中国东部三大城市群(京津冀、长三角、珠三角)氨减排对PM_2.5质量浓度及健康风险的影响。研究发现:1)PM_2.5质量浓度对氨减排呈现显著非线性响应,当减排幅度从20％递增至100％时,东部地区年均PM_2.5质量浓度降幅由3.55％升至35.50％,其中铵盐和硝酸盐质量浓度大幅下降而硫酸盐质量浓度变化有限;2)1月氨丰度评估表明,在氨充足条件下PM_2.5改善效果受限,但突破区域氨丰度临界阈值(长三角和珠三角需减排60％以上,京津冀需减排80％以上)即可实现PM_2.5质量浓度的显著下降;3)健康风险及其相应经济损失的评估显示,2020年三大城市群PM_2.5暴露导致17.803～53.938万人过早死亡,其中22％～38％可归因于NH₃排放,NH₃排放相关的健康经济损失达1 515.6～8 136.6亿元,且健康效益会随减排强度增强呈非线性增长。本研究为制定区域差异化氨减排策略提供了科学依据,为协调生态环境保护与经济社会发展提供了参考。

摘要:基于2016—2020年4—9月ADTD(advanced TOA and direction system)闪电定位系统、全球降水测量计划多卫星遥感反演产品(global precipitation measurement integrated multi-satellite retrievals for GPM,GPM IMERG)及欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(ECMWF reanalysis v5,ERA5),分析了中国南方内陆地区强降水事件的降水面积与强度的区域特征,揭示了强降水事件中闪电频次与大气温湿垂直结构的关联性。研究发现,西北(100°～105°E,25°～30°N)和西南(100°～105°E,22.5°～27.5°N)地区强降水事件具有覆盖面积小、但降水强度大的特征,而东北(105°～115°E,25°～30°N)和东南(105°～115°E,22.5°～27.5°N)地区强降水呈现面积大、但降水强度小的特征。4个地区都存在强降水时闪电频次低的现象,但闪电频次都与温湿廓线层结存在关联性。在强降水条件下,闪电较多时,相对湿度在低层(850 hPa以下)较高、中高层(500～400 hPa)更低,垂直梯度大;云水含量高且集中于800 hPa附近,云冰集中于200 hPa附近。闪电较少时,相对湿度在低层较低,与中层接近;云水含量低,垂直分布均匀,云冰高度较低。4个地区,闪电频次对不同温湿层结因子的敏感性不同:西北、西南地区主要受低层(1 000～800 hPa)相对湿度影响,东北地区的闪电活动主要受1 000～200 hPa平均温度控制,东南地区则受中高层(500～400 hPa)相对湿度递减率影响最大。

摘要:针对2024年2月宜昌地区的两次雨雪过程(“02.01”过程和“02.20”过程),利用微波辐射计与毫米波测云仪垂直观测资料,研究了降水相态变化特征与成因,分析了相态转换过程中温度层结、云顶温度以及云物理结构的演变特征,并基于云顶温度、暖层与冷垫厚度等关键参数,构建了降水相态识别模型。结果表明:1)两次过程雨、冰粒、雪等相态的转换与地面降温同步,毫米波测云仪反射率因子和径向速度与降水强度变化一致。2)两次过程云中产生充足冰相粒子的云顶温度阈值为-5 ℃,暖层厚度小于0.5 km和大于1.0 km是冰相粒子不融化和完全融化的阈值,冷垫厚度小于0.8 km和大于2.0 km是液态粒子不冻结和完全冻结的阈值。3)固态降水发生时,两次过程的温度层结差异明显:雨夹冰粒时,分别为“冷-暖-冷-暖”4层模式和“冷-暖-冷”3层模式;降雪时,分别为单“冷”结构和“冷-暖-冷”3层结构。

摘要:基于2016—2021年5—9月(暖季)逐小时地面自动站观测数据、雷达资料和ERA5再分析资料的统计分析发现,渤海湾以西、河北沧州附近常存在一条准东西向中尺度辐合线(沧州辐合线),其位置与沧州附近短时强降水中心有较好的对应关系,且无天气尺度系统强迫类时,沧州辐合线附近发生短时强降水的比例远高于辐合线以外的区域。辐合线过程日合成场与平均场对比分析显示,沧州辐合线形成于西风带低槽底部与副热带高压西侧的过渡区,天气尺度强迫弱,低层位于弱南风风速辐合的湿舌中。热动力结构合成分析表明,沧州辐合线及其南北两侧20~30 km范围为高温高湿的辐合区,伴随降水类辐合线的辐合更强且更暖湿,地面温度和露点均较无降水类高2~3 ℃。沧州辐合线本质上是弱的地面中尺度系统,但在高温高湿的环境背景下,可成为主导降水显著增强的中尺度系统。沧州辐合线可在无天气尺度系统强迫下独立触发、组织强降水,亦可在存在天气尺度系统强迫情形下使得对流风暴增强,进而引发强降水。

摘要:波浪灾害作为最常见的海洋灾害之一,对海上活动安全与作业效率构成严重威胁。为提高海浪预报精度、有效降低海上事故风险,本研究提出一种基于Vision Transformer(ViT)算法的区域波浪预报模型。利用欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析数据对ViT模型进行训练,重点探讨了不同输入要素组合对模型性能的影响,并分析了输入数据时间长度对模型预报技巧的作用。结果表明,以有效波高与海面10 m风矢量作为输入时,模型表现最优。进一步分析显示,采用18 h历史数据作为输入,可使ViT波浪预报模型达到最高的预报准确度与技巧水平。本研究构建的ViT波浪预报模型在南海、东海及西太平洋的24 h有效波高预报中,均方根误差为0.323 m,相关系数为0.848,能够为海洋灾害预警与海上安全作业保障提供有力的技术支持。