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中国气象局2021年 第32卷 第3期
摘要
PDF 639KB
2021, 32(3): 257-271.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210301
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摘要:
声波对气溶胶和云雾粒子聚并的作用和影响是当今云雾物理和人工影响天气领域研究的前沿科学问题。已有研究表明：声聚并机制主要包括同向团聚机制、流体力学机制（包括共辐射压效应、共散射效应和声波尾流效应）和声致湍流机制等；气溶胶粒子在声场中的聚并现象是在多种声聚并机制共同作用下出现的；低频强声波在声聚并机制作用下会增加云雾滴粒子之间的相对运动，促进粒子间的碰并过程，对云雾滴生长和降水过程有显著的影响。但由于声波聚并过程的复杂性、实验条件的多样性和理论的局限性，使声聚并效率最高的最佳实验条件和参数配置依然具有很大的不确定性，需要进行大量实验与数值模拟的综合研究。今后应加强声聚并对云雾滴作用的云室和数值模拟研究，并开展声波对云雾过程和降水影响的野外综合观测试验评估，这对发展人工影响天气（如人工消雾、增雨等）新技术有重要的科学意义。
声波对气溶胶和云雾粒子聚并的作用和影响是当今云雾物理和人工影响天气领域研究的前沿科学问题。已有研究表明：声聚并机制主要包括同向团聚机制、流体力学机制（包括共辐射压效应、共散射效应和声波尾流效应）和声致湍流机制等；气溶胶粒子在声场中的聚并现象是在多种声聚并机制共同作用下出现的；低频强声波在声聚并机制作用下会增加云雾滴粒子之间的相对运动，促进粒子间的碰并过程，对云雾滴生长和降水过程有显著的影响。但由于声波聚并过程的复杂性、实验条件的多样性和理论的局限性，使声聚并效率最高的最佳实验条件和参数配置依然具有很大的不确定性，需要进行大量实验与数值模拟的综合研究。今后应加强声聚并对云雾滴作用的云室和数值模拟研究，并开展声波对云雾过程和降水影响的野外综合观测试验评估，这对发展人工影响天气（如人工消雾、增雨等）新技术有重要的科学意义。
2021, 32(3): 272-288.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210302
摘要:
利用1979—2019年4—11月中国气象局上海台风研究所热带气旋最佳路径资料和静止卫星红外云图资料，筛选出189例南海台风，结合欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料，分析南海台风生成前48 h至生成时刻的天气环流和动力、热力条件。结果表明：南海台风生成于热带洋面大范围的高海表温度、高水汽含量和高不稳定层结区，其生成前的主要环境背景环流是赤道辐合带、西南季风或东风波等；台风生成前扰动中心常常处于其北侧风切变小而南侧风切变大的过渡带中，少数扰动中心倾向于风切变小值中心附近，风切变与扰动的发展之间无显著相关；扰动中心一般与垂直涡度中心重合，垂直涡度中心是表征扰动自身强弱的物理量，但垂直涡度自身的大小与未来扰动发展趋势关系不明显，而Okubo-Weiss（OW）指数则对于扰动的发展以及扰动位置确定有较好的指示意义；在扰动发展过程中，扰动中心附近存在一个贯穿整个对流层的位涡柱，低层扰动部分与位涡柱中的中低层位涡相互作用，有利于扰动发展。
利用1979—2019年4—11月中国气象局上海台风研究所热带气旋最佳路径资料和静止卫星红外云图资料，筛选出189例南海台风，结合欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料，分析南海台风生成前48 h至生成时刻的天气环流和动力、热力条件。结果表明：南海台风生成于热带洋面大范围的高海表温度、高水汽含量和高不稳定层结区，其生成前的主要环境背景环流是赤道辐合带、西南季风或东风波等；台风生成前扰动中心常常处于其北侧风切变小而南侧风切变大的过渡带中，少数扰动中心倾向于风切变小值中心附近，风切变与扰动的发展之间无显著相关；扰动中心一般与垂直涡度中心重合，垂直涡度中心是表征扰动自身强弱的物理量，但垂直涡度自身的大小与未来扰动发展趋势关系不明显，而Okubo-Weiss（OW）指数则对于扰动的发展以及扰动位置确定有较好的指示意义；在扰动发展过程中，扰动中心附近存在一个贯穿整个对流层的位涡柱，低层扰动部分与位涡柱中的中低层位涡相互作用，有利于扰动发展。
2021, 32(3): 289-301.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210303
摘要:
利用CIMSS微波卫星产品和多普勒天气雷达资料，分析超强台风利奇马（1909）的长时间双眼墙特征，并采用集合卡尔曼滤波方法同化雷达径向风资料，诊断利奇马双眼墙的三维结构演变特征。结果表明：在双眼墙演变过程初期，受强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响，外眼墙对流减弱，呈非对称特征。Sawyer-Eliassen方程诊断结果显示：台风利奇马（1909）内、外眼墙次级环流之间的相互作用不明显，不同于发生眼墙替换过程的台风，其外眼墙处非绝热加热引起的下沉运动发生在内眼的眼心，内眼墙的上升运动并未受到外眼墙次级环流抑制。另外，在强垂直风切变条件下，非对称的外眼墙不能持续增强收缩并取代内眼墙，因此双眼墙结构得以长时间维持。可见，台风利奇马（1909）外眼墙的非对称结构和特殊的次级环流分布是其双眼墙能够长期维持的重要原因。
利用CIMSS微波卫星产品和多普勒天气雷达资料，分析超强台风利奇马（1909）的长时间双眼墙特征，并采用集合卡尔曼滤波方法同化雷达径向风资料，诊断利奇马双眼墙的三维结构演变特征。结果表明：在双眼墙演变过程初期，受强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响，外眼墙对流减弱，呈非对称特征。Sawyer-Eliassen方程诊断结果显示：台风利奇马（1909）内、外眼墙次级环流之间的相互作用不明显，不同于发生眼墙替换过程的台风，其外眼墙处非绝热加热引起的下沉运动发生在内眼的眼心，内眼墙的上升运动并未受到外眼墙次级环流抑制。另外，在强垂直风切变条件下，非对称的外眼墙不能持续增强收缩并取代内眼墙，因此双眼墙结构得以长时间维持。可见，台风利奇马（1909）外眼墙的非对称结构和特殊的次级环流分布是其双眼墙能够长期维持的重要原因。
2021, 32(3): 302-314.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210304
摘要:
利用1961—2019年中国2407个气象站的日最高气温资料，在判别华南、长江、黄淮和华北4个区域持续高温过程的基础上，比较各区域持续高温过程的气候变化特征。结果表明：华南区域性持续高温过程跨越季节最长，从5月中旬至10月初均可能出现；华南区域性持续高温指数存在显著的线性增长趋势，其增长率最高（3.3 d·（10 a）-1）。长江区域性持续高温过程持续性强，气候平均年累积日数最多，但通常出现区域持续高温过程最迟；长江区域性持续高温指数存在线性增长趋势。黄淮区域性持续高温指数的线性增长趋势不明显，但黄淮区域历史上仅有的4次非夏季持续高温过程均发生于20世纪90年代末至21世纪初。华北区域性持续高温过程气候平均年累积日数少、结束早；华北区域性持续高温指数存在显著的线性增长趋势，线性增长相关系数仅次于华南。长江和华南两区域持续高温指数的相对强弱存在显著的年代际变化，1961—1978年长江明显强于华南，1979—2019年则为华南略强于长江。
利用1961—2019年中国2407个气象站的日最高气温资料，在判别华南、长江、黄淮和华北4个区域持续高温过程的基础上，比较各区域持续高温过程的气候变化特征。结果表明：华南区域性持续高温过程跨越季节最长，从5月中旬至10月初均可能出现；华南区域性持续高温指数存在显著的线性增长趋势，其增长率最高（3.3 d·（10 a）-1）。长江区域性持续高温过程持续性强，气候平均年累积日数最多，但通常出现区域持续高温过程最迟；长江区域性持续高温指数存在线性增长趋势。黄淮区域性持续高温指数的线性增长趋势不明显，但黄淮区域历史上仅有的4次非夏季持续高温过程均发生于20世纪90年代末至21世纪初。华北区域性持续高温过程气候平均年累积日数少、结束早；华北区域性持续高温指数存在显著的线性增长趋势，线性增长相关系数仅次于华南。长江和华南两区域持续高温指数的相对强弱存在显著的年代际变化，1961—1978年长江明显强于华南，1979—2019年则为华南略强于长江。
2021, 32(3): 315-331.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210305
摘要:
风廓线雷达已在我国得到大范围的业务布网应用，现有业务产品主要为风场信息。为了充分发挥风廓线雷达的作用，获取更多的天气过程信息，该文提出仅使用风廓线雷达返回信号功率谱进行数据定标（DCNP）的方法。使用雷达系统噪声功率对返回信号功率谱单位幅度进行标校计算，基于标校后的雷达探测功率谱分布数据计算回波强度功率谱密度分布、回波强度、大气折射率结构常数。利用2017年北京风廓线雷达、2016年南京风廓线雷达和2018年梅州风廓线雷达观测数据，对我国业务运行的3种主要型号风廓线雷达进行算法评估试验。定标方法的计算结果稳定，风廓线雷达不同探测模式之间的一致性较好。使用每个测站定标结果与相邻天气雷达数据进行比较，风廓线雷达回波强度定标结果与天气雷达也有较好的一致性。DCNP方法与基于信噪比（SNR）的强度计算方法进行比较，与SNR方法相比，DCNP方法定标结果更加稳定可靠。
风廓线雷达已在我国得到大范围的业务布网应用，现有业务产品主要为风场信息。为了充分发挥风廓线雷达的作用，获取更多的天气过程信息，该文提出仅使用风廓线雷达返回信号功率谱进行数据定标（DCNP）的方法。使用雷达系统噪声功率对返回信号功率谱单位幅度进行标校计算，基于标校后的雷达探测功率谱分布数据计算回波强度功率谱密度分布、回波强度、大气折射率结构常数。利用2017年北京风廓线雷达、2016年南京风廓线雷达和2018年梅州风廓线雷达观测数据，对我国业务运行的3种主要型号风廓线雷达进行算法评估试验。定标方法的计算结果稳定，风廓线雷达不同探测模式之间的一致性较好。使用每个测站定标结果与相邻天气雷达数据进行比较，风廓线雷达回波强度定标结果与天气雷达也有较好的一致性。DCNP方法与基于信噪比（SNR）的强度计算方法进行比较，与SNR方法相比，DCNP方法定标结果更加稳定可靠。
2021, 32(3): 332-346.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210306
摘要:
利用2014—2019年6个台风合计34组数据，通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比，分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性。初步分析表明：有30组数据完整度高于80%，且平均标准差为3.64 m·s-1，平均误差为4.67 m·s-1。30组数据中有19组数据的对比结果较好，均呈现风廓线雷达与探空廓线在250 m高度以上重合度较高、250 m高度以下重合度较低的特征，其原因可能与探空低层加速以及风廓线雷达低层受干扰有关。将250 m高度以下的数据剔除后和剔除前对比发现，数据质量得到提高。从空间分布看，低质量数据大多分布在台风中心距离观测点200 km及以外的区域，但较高质量数据相对于台风中心并无明显的倾向性分布。从降水分布看，未发现数据质量与降水关系明显。尽管使用的数据比较有限，但风廓线雷达在台风边界层结构观测中展现较好应用潜力。
利用2014—2019年6个台风合计34组数据，通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比，分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性。初步分析表明：有30组数据完整度高于80%，且平均标准差为3.64 m·s-1，平均误差为4.67 m·s-1。30组数据中有19组数据的对比结果较好，均呈现风廓线雷达与探空廓线在250 m高度以上重合度较高、250 m高度以下重合度较低的特征，其原因可能与探空低层加速以及风廓线雷达低层受干扰有关。将250 m高度以下的数据剔除后和剔除前对比发现，数据质量得到提高。从空间分布看，低质量数据大多分布在台风中心距离观测点200 km及以外的区域，但较高质量数据相对于台风中心并无明显的倾向性分布。从降水分布看，未发现数据质量与降水关系明显。尽管使用的数据比较有限，但风廓线雷达在台风边界层结构观测中展现较好应用潜力。
2021, 32(3): 347-357.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210307
摘要:
针对Ka波段毫米波云雷达观测中出现的非云回波，提出改进的质量控制方法，并利用2018年9月—2020年8月福建平和观测资料，定量评估质量控制效果及其对云-降水探测的影响。结果表明：提出的改进方法能较好改善雷达探测结果，可有效滤除非云回波。非云回波对3 km高度以下的弱云探测有重要影响，且非云回波的探测率与雷达灵敏度密切相关，整体随高度上升而下降；同时非云回波存在明显的日变化特征，午后—前半夜因湍流活动较强，非云回波的探测率也较高；后半夜—日出前因湍流活动减弱，非云回波的探测率逐渐下降。
针对Ka波段毫米波云雷达观测中出现的非云回波，提出改进的质量控制方法，并利用2018年9月—2020年8月福建平和观测资料，定量评估质量控制效果及其对云-降水探测的影响。结果表明：提出的改进方法能较好改善雷达探测结果，可有效滤除非云回波。非云回波对3 km高度以下的弱云探测有重要影响，且非云回波的探测率与雷达灵敏度密切相关，整体随高度上升而下降；同时非云回波存在明显的日变化特征，午后—前半夜因湍流活动较强，非云回波的探测率也较高；后半夜—日出前因湍流活动减弱，非云回波的探测率逐渐下降。
2021, 32(3): 358-369.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210308
摘要:
基于FY-2E气象卫星相当黑体亮度温度（TBB）和云分类数据（CLC）及全球闪电探测网（WWLLN）闪电数据，通过对TBB不超过-32℃的云区进行椭圆拟合，定义1 h内上述云区或椭圆区域有WWLLN闪电发生的个例为雷暴云，获得雷暴云时间、位置、形态、结构、闪电活动等特征参量，构建雷暴云特征数据集，并基于该数据集初步分析了我国陆地和毗邻海域的雷暴活动特征。研究表明：我国华南、西南、青藏高原东、中部和南海雷暴最为活跃，华北和东北地区是北方雷暴活动较强的区域。雷暴活动时间变化海陆差异明显，陆地雷暴活动峰值出现在6—8月，南海雷暴活动一个峰值出现在5月左右，另一峰值出现在8月后，且纬度越低出现越晚。陆地大部分地区雷暴活动在14：00—20：00（北京时）达到峰值，毗邻海域雷暴活动峰值主要出现在早上。雷暴云TBB不超过-32℃面积符合对数正态分布，峰值区间位于1×103~1×104 km2，平均值为3.0×104 km2。南海雷暴云面积最大，陆地上大于雷暴云面积平均值1.2×105 km2的区域主要分布于我国地形的第一阶梯和柴达木盆地。
基于FY-2E气象卫星相当黑体亮度温度（TBB）和云分类数据（CLC）及全球闪电探测网（WWLLN）闪电数据，通过对TBB不超过-32℃的云区进行椭圆拟合，定义1 h内上述云区或椭圆区域有WWLLN闪电发生的个例为雷暴云，获得雷暴云时间、位置、形态、结构、闪电活动等特征参量，构建雷暴云特征数据集，并基于该数据集初步分析了我国陆地和毗邻海域的雷暴活动特征。研究表明：我国华南、西南、青藏高原东、中部和南海雷暴最为活跃，华北和东北地区是北方雷暴活动较强的区域。雷暴活动时间变化海陆差异明显，陆地雷暴活动峰值出现在6—8月，南海雷暴活动一个峰值出现在5月左右，另一峰值出现在8月后，且纬度越低出现越晚。陆地大部分地区雷暴活动在14：00—20：00（北京时）达到峰值，毗邻海域雷暴活动峰值主要出现在早上。雷暴云TBB不超过-32℃面积符合对数正态分布，峰值区间位于1×103~1×104 km2，平均值为3.0×104 km2。南海雷暴云面积最大，陆地上大于雷暴云面积平均值1.2×105 km2的区域主要分布于我国地形的第一阶梯和柴达木盆地。
2021, 32(3): 370-384.
DOI: 10.11898/1001-7313.20210309
摘要:
为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征，利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品，分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱（包括直径2~5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹）的识别以及雨滴谱的演变特征，结果显示：济南双偏振天气雷达0.5°仰角PPI上在德州和陵县观测点附近识别的粒子主要为雨滴，临邑为冰雹加大雨；安装在3个观测点的降水现象仪均识别出少量冰粒子，3个观测点的冰粒子谱数密度低、分布不连续。雹暴降水开始阶段，出现少量大雨滴，这是风的筛选和蒸发作用导致的雨滴谱，具有低的小粒子数密度和较多大雨滴；雹暴强降水增大阶段，雨滴谱特征是小雨滴数密度偏低、大雨滴较多，即总的雨滴浓度低、雷达反射率因子高；雨强减弱阶段，小雨滴数密度显著增大、大雨滴数密度偏少，即总的雨滴浓度显著增大，但雷达反射率因子偏低。
为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征，利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品，分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱（包括直径2~5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹）的识别以及雨滴谱的演变特征，结果显示：济南双偏振天气雷达0.5°仰角PPI上在德州和陵县观测点附近识别的粒子主要为雨滴，临邑为冰雹加大雨；安装在3个观测点的降水现象仪均识别出少量冰粒子，3个观测点的冰粒子谱数密度低、分布不连续。雹暴降水开始阶段，出现少量大雨滴，这是风的筛选和蒸发作用导致的雨滴谱，具有低的小粒子数密度和较多大雨滴；雹暴强降水增大阶段，雨滴谱特征是小雨滴数密度偏低、大雨滴较多，即总的雨滴浓度低、雷达反射率因子高；雨强减弱阶段，小雨滴数密度显著增大、大雨滴数密度偏少，即总的雨滴浓度显著增大，但雷达反射率因子偏低。
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