地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (9): 881 -889. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.055

综述与评述    下一篇

华北降水日循环与陆气耦合和气溶胶联系的研究进展
魏江峰 1 , 2( ), 宋媛媛 1 , 2, 逯博延 3   
  1. 1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
    2.南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京 210044
    3.浙江省台州市椒江区气象局，浙江 台州 317700
  • 收稿日期:2023-05-16 修回日期:2023-06-15 出版日期:2023-09-10
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(41975084)

Research advances in the Diurnal Cycle of Precipitation in North China and its Relationship with Land-Atmosphere Coupling and Aerosols

Jiangfeng WEI 1 , 2( ), Yuanyuan SONG 1 , 2, Boyan LU 3   

  1. 1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
    2.School of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
    3.Jiaojiang District Meteorological Bureau, Taizhou Zhejiang 317700, China
  • Received:2023-05-16 Revised:2023-06-15 Online:2023-09-10 Published:2023-09-25
  • About author:WEI Jiangfeng, Professor, research areas include land-atmosphere interactions, water cycle, and climate effects of aerosols. E-mail: jwei@nuist.edu.cn
    SONG Yuanyuan
    LU Boyan. Research advances in the diurnal cycle of precipitation in north China and its relationship with land-atmosphere coupling and aerosols
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(41975084)
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降水日循环是气候系统中多种动力和热力过程共同作用的结果，与水循环和陆气相互作用密切相关。在华北地区，降水日循环受到山谷风环流、边界层惯性振荡和海陆风环流等影响，主要表现为凌晨和下午两个峰值。同时，人为排放导致的较高的气溶胶浓度也对降水日循环有一定影响。介绍了华北降水日循环的基本特征和影响因素，并总结了近期在华北降水日循环与陆气耦合的联系、华北降水日循环的模式模拟及气溶胶的影响等方面的研究，归纳了已有的科学认知，总结了现有研究的不足和面临的挑战。总之，深入研究降水日循环及其影响因素，可以帮助我们更好地理解降水的形成机制和演变规律，为提高降水精细化预报能力提供科学支撑。

关键词: 降水日循环, 陆气耦合, 气溶胶

The Diurnal Cycle of Precipitation (DCP) is the result of various dynamic and thermodynamic processes in the climate system and is closely related to the water cycle and land-atmosphere interactions. In North China, the DCP is influenced by factors such as valley wind circulation, boundary layer inertial oscillations, and sea-land breeze circulation, exhibiting two peaks during the early morning and afternoon. In addition, the DCP in North China is influenced by anthropogenic aerosol emissions. This study introduces the fundamental characteristics and factors influencing the DCP in North China and summarizes recent research on the connection between the DCP and land-atmosphere coupling in North China, the modeling of the DCP, and the influence of aerosols on the DCP. The existing scientific knowledge is synthesized, and its shortcomings and challenges are outlined. Overall, investigating the DCP and its influencing factors can help us better understand the mechanisms of precipitation formation and evolution. This provides scientific support for enhancing the accuracy of fine-scale precipitation forecasting.

Key words: Diurnal cycle of precipitation, Land-atmosphere coupling, Aerosols.

中图分类号: 

图1 不同类型降水事件区域平均的降水（灰色曲线）、蒸散发（E）、垂直积分的水汽辐合和总柱水变化趋势的日循环特征（据参考文献［ 47 ］修改）
Fig. 1 Diurnal cycle of mean area-averaged precipitation （grey curves） and evapotranspiration （E）， vertically integrated Moisture Flux Convergence and tendency of atmospheric precipitable water for different types of precipitation events （modified after reference ［ 47 ］）
图2 ERA5和MERRA-2中华北地区陆气耦合强度和气象变量的概率密度分布（据参考文献［ 47 ］修改）
（a）和（b） ERA5和MERRA-2在12：00-14：00时段平均的蒸散比（EF）和总柱水（PW）双变量概率密度分布（阴影），15：00-17：00时的降水量作为PW和EF的函数叠加（每个点代表1个下午降水量）；（c）（d）与（a）（b）相同，但为EF和抬升凝结高度（LCL）的双变量概率密度分布；（e）和（f）15：00-17：00时500 hPa垂直速度（ ω500）和950 hPa风场散度（ DIV950）的概率密度分布；（g）和（h）12：00-14：00时垂直积分的水汽辐合（MFC）和蒸散发（E）的概率密度分布
Fig. 2 Land-atmosphere coupling strength and the probability density distribution of meteorological variables in North China for ERA5 and MERRA-2 （modified after reference ［ 47 ］）
（a） and （b） bivariate Probability Distribution Function （PDF）of Evaporative Fraction （EF） and Precipitable Water （PW） in 12：00-14：00 LST for ERA5 and MERRA-2 （shading）. Afternoon precipitation in 15：00-17：00 LST are overlayed as a function of PW and EF （each point represents the precipitation rate of one afternoon）. （c） and （d） same as （a） and （b） but for the bivariate PDF of EF and Lifting Condensation Level（LCL）. （e） and （f） PDFs of 500 hPa ω （ ω500） and 950 hPa wind divergence （ DIV950） in 15：00-17：00 LST. （g） and （h） PDFs of MFC and E in 12：00-14：00 LST for ERA5 and MERRA-2
图3 降水效率、地表蒸散发和外部水汽对下午、凌晨降水事件与非降水事件差异的贡献
Fig. 3 Efficiency effect， surface effect， and remote effect that contribute to the average precipitation differences between rainy-afternoon days， rainy-early morning days and non-precipitation days
图4 参数化的对流方案（PC）和显式对流方案（EC）试验模拟的降水日循环及与观测和再分析数据的对比（据参考文献［ 60 ］修改）
（a）和（b）分别是PC和EC试验模拟的2014年夏季平均降水日循环特征及与观测的比较。PC试验［（c）~（e）］和EC试验［（f）~（h）］、CMA［（i）~（k）］和GSMaP［（l）~（n）］观测数据及ERA5数据［（o）~（q）］在12：00-19：00 LST期间的平均降水峰值时刻差异（左边列），以及不同气溶胶浓度/排放下它们的差异（右边两列）；图右下角数字为空间数值的区域平均值；CTL、Exp2和Exp4试验分别为无人为排放、实际人为排放和5倍实际排放下的集合试验结果
Fig. 4 Diurnal cycle of summer precipitation simulated by the PC and EC experiments （modified after reference ［ 60 ］）
（a） and （b） are summer 2014 mean diurnal cycle of precipitation from PC and EC experiments，respectively， and their comparison with observations. The bottom rows are precipitation peak time in 12：00-19：00 LST （first column） and their differences between different aerosol concentrations/emissions （right two columns） in PC ［（c）~（e）］ and EC ［（f）~（h）］ experiments， CMA ［（i）~（k）］ and GSMaP ［（l）~（n）］ observations， and ERA5［（o）~（q）］. The area mean value is shown in the right corner of each panel. CTL， Exp2， and Exp4 are WRF-Chem experiments with no anthropogenic emissions， standard anthropogenic emissions， and five times of standard anthropogenic emissions， respectively
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