摘要:

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摘要:输电线路覆冰灾害随气候变化日益频发,覆冰类型及其天气学成因的差异直接影响电网防冰减灾策略的制定。然而,同一线路在短时间内连续发生不同类型覆冰(如雨凇与混合凇)的机制尚不明确,现有研究多聚焦单一覆冰过程,缺乏对连续覆冰事件中天气系统转换与局地气象要素协同作用的系统分析。鉴于此,本研究以2023年12月安徽省南部山区输电线路连续两次覆冰事件为例,结合ERA5再分析数据、探空观测和覆冰厚度监测数据,揭示了雨凇与混合凇的成因差异及其消融机制。研究发现:第一次覆冰以雨凇为主,由贝加尔湖横槽南下冷空气与前期暖湿气流交汇形成逆温层,过冷水滴冻结导致覆冰(最大厚度为14.2 mm);第二次覆冰以混合凇为主,因蒙古高压快速东移与西太平洋副高北抬引发整层低温(<0 ℃)和暴雪天气,冰晶直接附着(最大厚度为24.5 mm,峰值增速为17.1 mm·h^-1)。研究明确了逆温层存在与否是覆冰类型分异的关键,并发现太阳辐射与涡度场调整对消融的协同控制作用:两次消融均伴随净太阳辐射骤增与“高空正涡度-低层负涡度”的涡度场,但第二次事件因覆冰过厚发生自然脱落。垂直运动分析表明,雨凇形成依赖逆温层诱导的对流,而混合凇则与下沉气流及低层辐合密切相关。

摘要:为探究不同下垫面变化对城市热环境的影响,基于WRF(weather research and forecasting)模式研究了2010年与2020年间城市下垫面土地利用类型变化对郑州市热环境的影响。数值模拟结果表明:城市建设用地范围扩张导致郑州市2 m气温增加了0.14 ℃,夜间气温的增幅较日间更大;在空间上,新增城市建成区的气温变化较其他地区更为显著,金水区和管城区的气温增幅最大,分别为0.50 ℃和0.47 ℃;城市建设用地范围扩张导致城乡气温差增大了0.26 ℃,进一步加剧了城市热岛效应。此外,通过模拟结果驱动城市尺度边界层模式,对城市布局变化较大的北龙湖周边区域进行了精细化模拟;结果表明,相比将北龙湖规划为城乡建设用地和农田,将其规划为水体在一定程度上缓解了周边地区气温的不断升高。

摘要:地表的云短波辐射效应(shortwave cloud radiative effect,F_CRE)在气候变化中扮演关键角色,但在不同的云种类下具有很大的不确定性且其主控因子不明。本文利用美国南部大平原中心站14年15 min分辨率的云种类和同期地表短波辐照度等观测资料,分析了8种云(淡积云Cu、层云St、高积云Ac、高层云As、卷层云Cs、卷云Ci、浓积云Co、深对流云Dc)的F_CRE特征及其影响因素,引入云相对辐射效应(relative F_CRE,F_RCRE)参量,结合XGBoost及SHAP模型揭示了不同云种类下两种云辐射效应指标的差异及主控因子,并评估了二者的不确定性。结果表明:1)虽然8种云的F_CRE强度总体上与云量、云反照率呈正相关关系,与天顶角呈反相关关系,但其细节却显示不同云种类的云参量与F_CRE存在复杂的非线性关系。2)在95％置信区间内,云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci的F_CRE波幅为-350～206 W·m^-2,云量和反照率双高的Co和Dc为-1 172～289 W·m^-2,其他具有中等云属性的St、Cs和As为-926～371 W·m^-2,这表明不同云种类的F_CRE不确定性很大。F_CRE受云参量、辐射参量和天顶角的影响,其主控因子达5～6个,且因子不一是其不确定性大的重要原因。3)引入的F_RCRE本质上同F_CRE所反映的云辐射特征一致,但其主控因子仅稳定剩下云量、云反照率和直接辐照度3个,分离了天顶角对它的影响。8种云的F_RCRE较F_CRE的不确定性降低了2.6％～66.0％,平均下降了10.7％,其中强对流性云Co和Dc下降最为显著。4)对于云量和云反照率双高的Co和Dc,云反照率对F_RCRE的调制作用更为显著,反之,云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci,云量的调制作用更加显著。该研究为深入理解云-辐射相互作用、降低气候模拟中云辐射效应的不确定性提供了新的思路。

摘要:聚焦塔克拉玛干沙漠人工绿地(塔中)与自然沙地(肖塘)的沙尘传输差异,通过BSNE(big spring number eight)梯度集沙仪采集2024年4月1日—7月10日沙尘样品,系统分析了两地沙尘水平通量及粒度分布特征。研究发现:1)沙尘水平通量空间异质性显著,肖塘的沙尘水平通量(65.3 kg·m^-2·h^-1)约为塔中的(29.7 kg·m^-2·h^-1)2.2倍,表明自然沙地更易产生沙尘输送。垂直分布规律呈现明显差异:塔中通量随高度呈“降-增-降”非线性波动,在8和63 m处存在转折点,打破了传统幂函数分布规律;而肖塘通量随高度递减,符合幂函数分布。2)粒度组成以极细沙(48.8％)和粉沙(40.6％)为主,合计占比达89.4％。随高度增加,两地均呈现粉沙比例递增、平均粒径细化的趋势,但塔中整体粒径较粗,分选性更优,峰态分布更集中。3)重力作用导致两地的下层(<10 m)局地物质富集。下垫面和沙尘来源不同是造成沙尘水平通量和粒度分布存在差异的主要因素,风速、风向及植被状况是导致沙尘水平通量随时间变化的重要原因,且随风速的增大而增大。

摘要:为深入研究工业园区大气挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)污染对环境的影响,利用气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-flame ionization detection/mass spectrometry,GC-FID/MS)对江苏省南京某化学工业园区大气中123种VOCs进行为期24个月的连续观测,分析各季节VOCs质量浓度水平和组成特征,臭氧(O₃)生成敏感性控制因素;利用区域背景臭氧估算法研究本地光化学反应对臭氧的生成贡献,并开展健康风险评估。结果表明,观测期间园区总挥发性有机物(total volatile organic compounds,TVOC)的平均质量浓度为296.89 μg·m^-3,2021年12月—2022年11月较上一年度同期TVOC质量浓度有所改善,两年四季的TVOC质量浓度排序均为:春季＞冬季＞夏季＞秋季,含氧挥发性有机物、烷烃、烯烃是贡献最多的3类物质。大量氮氧化物(NO_x)和VOCs经光化学反应消耗会促进二次污染物O₃的生成,污染日夜间NO_x和TVOC质量浓度高于清洁日,07:00后随着光化学反应的进行,NO_x和TVOC质量浓度逐渐降低,最低值普遍低于清洁日。园区的O₃主要受VOCs的控制,尤其是夏季,工业园区的本地生长贡献率最高达33%,且烯烃(丙烯、乙烯、1,3-丁二烯、反式-2-丁二烯等)是园区臭氧生成潜势(ozone formation potential,OFP)的主要贡献物。在健康效应方面,对于非致癌风险,该地区除2022年夏、秋季外,其余时期均存在显著的非致癌风险;对于终身致癌风险,2020年冬季存在较多的有较大可能致癌风险的VOCs,尤其需关注1,2-二溴乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、二氯溴甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、苯、1,3-丁二烯和乙醛。

摘要:亚洲中高纬度地区是受全球变暖影响最严重的地区之一,其生态系统对气候变化高度敏感,该地区植被的未来变化存在很大不确定性。本研究使用第3版全球陆表卫星遥感数据集(Global Land Surface Satellite Product Version 3,GLOBMAP)、第3代全球植被指数数据集(Global Inventory Modeling and Mapping Studies 3rd generation,GIMMS 3g)、全球陆表参数产品(Global Land Surface Satellite Products,GLASS)3套独立的遥感数据集中的叶面积指数(leaf area index,LAI)变量与耦合模式比较计划第5阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)的15个模型、第6阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)的19个模型模拟的叶面积指数及气候因子数据,基于多模型集合均值的方法对亚洲中高纬地区植被的历史及未来特征进行了系统评估。研究结果表明,CMIP6较CMIP5在模拟叶面积指数及其关键气候影响因子(包括地表气温、降水量和地表下行短波辐射)时的不确定性均有所降低。预计在中等排放情景(RCP4.5和SSP2-4.5)和高排放情景(RCP8.5和SSP5-8.5)下亚洲高纬度地区未来的LAI都将增加,且高排放情景下的增长率比中等排放情景更快。未来LAI的增加在暖季比冷季更为显著,表明植被的季节性周期和振幅都将得到增强。在LAI的高值区域,其年度均值与年际标准差增幅相较于LAI的低值区域将更加明显。

摘要:南极表面气温变化是全球气候变化研究的重要组成部分。近年来,南极大陆的部分区域出现了显著的变暖与极端天气,这对南极冰架稳定性与冰盖物质平衡产生了严重影响。本文综述了目前南极各区域表面气温的变化特征及其潜在机制。南极表面气温变化趋势存在明显的区域差异:西南极区域显著增暖,尤其是在冬季与春季;南极半岛出现快速变暖,年平均气温趋势达0.5 ℃/(10 a)左右,极端高温可超过10 ℃;东南极内陆地区的气温变化则相对平缓。气温变化受大气环流影响,其通过调控向极能量和水汽输送改变南极各区域的气温分布。同时,短期局地环流异常会导致极端气温出现。

摘要:利用1979—2021年CN05.1中国区域高分辨率逐日降水数据、ERSST V5月平均海温数据及ERA5逐月大气再分析数据,基于90百分位方法定义极端降水阈值,分析了华北夏季极端降水日数的时空变化规律及其和热带东太平洋-大西洋偶极型海温异常的联系,并揭示了二者联系的可能物理机制。研究结果显示,华北夏季极端降水日数具有明显的年际变化,与同期热带东太平洋(大西洋)海温异常呈显著负(正)相关关系。热带东太平洋-大西洋偶极型海温异常是夏季热带东太平洋-大西洋海温异常的主模态,当其处于正(负)位相时,热带东太平洋海温异常偏冷(暖),热带大西洋海温异常偏暖(冷),华北地区极端降水日数异常偏多(少)。热带东太平洋-大西洋偶极型海温异常处于正位相时,Walker环流异常增强,热带西太平洋海温异常升高,局地Hadley环流异常增强,从而在西北太平洋形成异常反气旋环流,增强了东亚夏季风,有利于西北太平洋水汽向华北地区输送并形成辐合;热带大西洋暖海温异常还增强了局地的对流活动,引起西欧-地中海区域对流层高层异常辐合、形成正涡度异常,激发了自西欧沿着中高纬地区向下游传播的准静止波列,形成了华北至东北亚地区的反气旋环流异常,有利于维持华北地区的异常上升运动。夏季热带东太平洋-大西洋偶极型海温异常正位相可通过上述机制引起华北夏季极端降水日数增多;反之亦然。

摘要:气候是决定农业生产的要素之一。近年来中国耕地面积呈现增加-减少-增加的波动特征,但是关于耕地面积对气候变化的响应却鲜有研究。本文基于高时空分辨率的耕地分布数据和气象再分析数据,应用固定效应模型,在分离政策等人为因素的情况下,拟合了中国耕地面积对温度和降水的响应函数,定量评估了2000—2019年日尺度温度、降水对中国耕地面积的影响。结果显示,温度升高、日降水量适量增加有利于耕地面积增加。相较于降水,温度对耕地面积的影响更大,整体导致耕地面积增加1.22％。在研究时段内,气候变化使得中国耕地面积略有增加,主要是由于寒冷(日平均气温低于-10 ℃)天数的减少和高温(日平均气温高于30 ℃)天数的增多造成的,两者的影响分别为0.67％和0.31％。未来需要更加关注极端天气事件对耕地面积的影响。

摘要:为揭示2023年7月29日—8月1日华北区域性极端暴雨过程的发生维持机制,基于地面高空观测及全球1°×1°再分析资料,利用多种诊断方法,分析了此次暴雨期间天气尺度系统的活动及其提供的水汽、动力及热力条件的结构和变化。研究表明,此次暴雨过程有多系统共同作用,热带季风系统、台风残余环流、副热带高压形成“链式”结构,尤其台风“杜苏芮”残留低压北上,打通了中国东部沿海到华北的海陆水汽通道,将热带印度洋、南海、西北太平洋地区的水汽“牵引”持续输送至华北,异于常年的丰富水汽汇入为极端降雨提供了必要条件。天气尺度系统在“23.7”暴雨中的作用至关重要,中高纬度高空环流演变,尤其是西风急流位置和强度调整,在华北上空制造了反气旋负涡度增长和高层辐散,高空抽吸强迫高层大气上升运动向中下层传导,与后续的东南低空急流激发的低层气旋性辐合上升运动通过垂直次级环流形成耦合,加强和维持了华北区域的大气对流活动。同时,降雨过程中释放的大量非绝热加热对暴雨系统垂直动力结构及华北地区上空环流形势起到正反馈贡献,进一步加强降雨环境,促进和维持了强暴雨的发生。此次特大暴雨过程是以动力驱动为主、热力驱动为辅,两者共同作用的结果。

摘要:利用欧洲中期天气预报中心提供的全球大气再分析资料、美国国家海洋和大气管理局提供的高分辨率海表温度逐日数据集和最佳路径数据集(the international best track archive for climate stewardship,IBTrACS)等资料,采用WRF(weather research and forecasting)模式,对2022年第11号台风“轩岚诺”在东海黑潮快速增强的原因进行了诊断分析和数值模拟研究。结果表明,台风快速增强期间其中心处于东海黑潮主轴上,此时台风中心远离高空槽和高空急流,环境风垂直切变在增强时段维持在较高水平,超过8 m·s^-1,均不利于台风增强,而东海黑潮区海表温度异常达到1~3 ℃,为台风发展提供大量热通量,同时26 ℃等温线深度达85~110 m,0~250 m深度范围内海水温度异常在台风快速增强前达2.5 ℃左右,表明上层海洋热含量丰富,有助于抑制台风经过引起的冷却作用。因此,东海黑潮区显著的海表温度暖异常和海洋上层热含量正异常对台风的快速增强起了关键作用。

摘要:2023年5号台风“杜苏芮”在登陆北上过程中,台风后部暴雨给福建省带来极端性降雨过程。本文基于观测资料,对台风“杜苏芮”登陆福建后的大气动力条件进行分析,并进一步通过一系列数值试验,揭示了双低空急流对台风“杜苏芮”后部暴雨的增幅机制。结果表明:1)台风“杜苏芮”登陆西移过程中,受地形影响,其低层环流快速衰减,中层残余环流产生天气尺度低空急流(synoptic-weather-system-related low-level jet,SLLJ),同台湾海峡峡管效应形成的边界层急流(boundary-layer jet,BLJ)相耦合。2)从动力学角度出发,SLLJ叠加台湾海峡区域的BLJ,形成BLJ前侧(出口区)辐合、700 hPa上SLLJ后侧(入口区)辐散的配置情况,促进局地产生强烈上升运动,有利于深厚对流活动。3)敏感性试验揭示:台风后部暴雨与本体环流强度及地形密切关联,分别通过影响SLLJ与BLJ的强度来调制双低空急流的耦合强度;水汽条件可影响台风过程总降水量。综上所述,双低空急流耦合过程对台风“杜苏芮”后部暴雨具有增幅作用。

摘要:对一种降水预报跨量级通用综合评价方法(precipitation accuracy score,PAS)进行了邻域法改进。改进方案通过预报与观测资料匹配技术,采用距离权重评分统计方法,旨在减轻双重惩罚问题,同时确保评分系统能合理表征位置预报的准确性。研究应用邻域PAS方法,基于2021年汛期中国气象局智能网格实况产品,对江苏本地精细化天气分析预报系统进行整体和典型个例检验,同时引入均方根误差(root mean square error,RMSE)、结构相似性(structural similarity,SSIM)、峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)、概率空间中的稳定公平误差(stable equitable error in probability space,SEEPS)等跨量级检验指标进行了对比。结果表明,邻域PAS方法显著回避了原方法在位置预报上的双重惩罚问题,更符合预报人员的主观预期和预报应用服务的要求,具有明显优势。邻域PAS评分、PAS评分与现有多个跨量级指标均表现出良好的相关性,多方验证了方法的有效性。同时,相较于RMSE,该方法更有效地平衡了对不同量级降水的敏感性;而与SSIM和PSNR相比,则展现了更强的可解释性,多个个例显示评分结果更符合预报员的认知。邻域PAS方法相比于SEEPS技巧评分保留了对大量级降水的检验分辨能力,同时减轻了PAS方法检验大量级降水产生的严重双重惩罚,一定程度平衡了大量级降水检验的两难问题。