短波辐射对东北冷涡强对流影响的模拟分析

针对短波辐射对东北冷涡强对流的可能影响,应用MM5模式对2002年7月12日东北冷涡诱发的强风暴个例进行了数值模拟试验.发现在东北冷涡天气尺度环流背景下,大气接收的短波辐射通过激发中尺度环流影响强对流的发生时间,而不是通过影响不稳定能量的积累触发强对流;地面短波辐射对对流层低层大气的加热作用是触发本次东北冷涡强对流的重要条件.地面短波辐射加热在对流层低层产生中尺度辐合扰动及对流不稳定层结共同促使了对流的爆发和维持.     

华南沿海一次暴雨中尺度对流系统的形成和发展过程

应用观测分析和数值模拟方法研究了2004年5月13～14日发生在华南西部沿海的一次暴雨中尺度对流系统（MCS）。结果发现：MCS开始发生在低层切变线南侧的偏南气流中，强盛时其水平范围达中口尺度，生命史近10个小时。在MCS的形成和发展过程中，低层的涡旋环流不明显，但其上空对流层中层500hPa上有流场的扰动与之对应。观测分析及数值模拟结果均表明沿海地形引起的辐合在对流的启动中有重要的影响。而对流发展起来后，由于凝结加热的作用，中层的扰动得到加强和发展，主要表现为涡度的增大，气旋性环流在500hPa高度附近表现最为明显，并在MCS东移发展的过程中起着重要的组织作用。MCS在有利地形触发作用下发生。并通过对流层中层扰动组织发展的过程，有别于华南其它一些暴雨过程常伴有低层涡旋系统向上发展的形式，有其独特的特征。还对中层扰动的增强过程和物理机制进行了分析，并提出了一个用于解释中层扰动对MCS组织发展影响的观点。     

一次降雪过程持续原因分析

利用多种观测资料和中尺度数值模拟资料,对2011年2月14日发生在江淮地区的一次预报失误的持续性降雪过程进行较为全面的分析.结果表明:前期的降水导致近地面维持较大湿度,补充南下的冷平流促使低层大气接近饱和,降雪持续期间,水汽集中在对流层低层浅薄的层次中;对流层中层发展和维持的强冷平流导致降水区上空迅速降温减湿,从而在对流层中低层,逐渐建立起弱对流不稳定层结.而叠置其上的稳定层则将对流活动和水汽的向上输送限制在对流层低层内,使得水汽和能量得以在一定范围内集中;不断补充南下的冷空气强迫近地层风场发生扰动,形成的中尺度切变线,为这种浅薄层次下的弱对流活动提供了触发条件.尽管辐合抬升较弱,但与其它季节相比,气温较低的冬季,在抬升凝结高度较低的大气中,水汽易凝结成云致降水.造成这次预报失误的原因,是忽略了近地层系统的变化.另外,对补充冷空气的影响作用考虑不充分.     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.     

华北秋季强弱线型对流发展时天气尺度环境条件探讨

华北地区进入秋季以后,弱对流过程增加.为了提高秋季对流天气强度的诊断识别能力,选择了9月份发生在相似背景下,强弱不同的两个线型对流个例作了对比分析.结果表明,强对流发生在深厚的天气尺度上升区中(上升运动伸展到200 hPa附近),而且对流层低层环境大气的绝对湿度较大;而弱对流发展时,上升运动仅存在于500 hPa以下,边界层内的比湿只有5～7 g·kg-1,较强对流个例低2～5 g·kg-1.它们是导致对流强弱不同的主要原因.强对流个例深厚的上升运动源于低层辐合切变线、露点锋和高空槽的强迫,此外对流层上部的强辐散叠置在低层辐合区上空,有利于上升运动加强并向高层发展.弱对流产生时,冷空气侵入到对流层中层以下,造成下沉区的下边界较低,不能产生深厚的上升运动.这是强弱个例垂直运动伸展高度不同的动力因素.热力学条件差异主要在对流层中下层.强对流产生时,对流区内有能量聚积,CAPE达到1087 J·kg-1,而且暖湿层和对流性不稳定层伸展到600～700 hPa.弱对流个例,仅边界层相对暖湿,CAPE只有68J·kg-1.上述关于力和热动力条件差异研究结果表明,天气尺度上升运动伸展的高度、对流层下层空气的绝对湿度、暖湿层和不稳定层的厚度等可能是影响华北秋季对流强弱的重要环境因素.     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

基于WRF模式的暴雨天气过程的数值模拟及诊断分析

利用新一代中尺度数值预报模式WRF2.2和1°×1°的NCEP气象再分析资料,对2009年9月17日发生在江苏南部地区覆盖沪宁高速公路的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟。经AWMS（the automatic weather monitoring system）实测数据验证,此次天气过程的模拟效果较为理想。对模式输出的物理量进行诊断分析后发现：长江中下游地区的β中尺度低涡的发展、移动对暴雨过程中降水的加强和维持起着重要的作用;水汽辐合带在500hPa以下非常显著,在暴雨区形成了深厚的高湿环境,为暴雨的产生、加强和维系提供了重要的水汽条件;暴雨区内前期及降水过程中都存在较为强烈的垂直运动,且涡度场与散度场在垂直结构配置上一致,使得大气层结不稳定能量释放,形成了旺盛的对流天气;对流层中上层大气为中性层结,低层为位势不稳定,所以整层大气有对流发展,有利于暴雨的形成。     

发展与不发展南海热带低压的数值研究

本文利用广东热带所的数值预报模式和ECMWF的格点资料,对两个南海低压进行了对比数值分析。其中一个低压在24小时内发展为台风,而另一个不发展。分析发现,二者初始场的温、湿、风、压结构都存在着显著差异。最为明显的是,发展者低层有明显的暖心结构和深厚的高湿层,使得条件不稳定层深厚;而不发展者暖心在高层明显,低层无暖心,而且,中低层湿度较小,所以条件不稳定层较浅薄。两个低压的不同发展趋势都得到了很好的数值模拟结果。利用模式输出结果的对比分析,讨论了南海热带气旋发展与不发展的最基本物理过程及其作用。表明对流层中低层的深厚高温层的存在及相应的温度结构和风场所导致的较强的对流加热的维持和加强,对低压的发展极为重要。     

干侵入对济南“7. 18”暴雨的作用

利用NCEP/NCAR再分析资料对2007年7月18日发生在济南地区的短时大暴雨过程进行了详细的分析, 发现这次强降水过程是在高空槽和低空风切变的有利形势下产生的。济南附近最大干空气侵入出现在暴雨发生前1～2天, 干空气侵入有利于深厚干层的形成和维持, 而深厚干层的存在则有利于对流有效位能在中高层的产生、 积聚和释放, 从而导致强的对流上升运动, 为暴雨的产生提供了条件。济南以北地区干空气侵入现象在暴雨过程中一直存在, 主要有两种表现形式: 对流层顶附近向下的干空气侵入和对流层低层由北向南的干空气侵入。济南外的干侵入一方面有利于低层产生辐合、 高层产生辐散, 导致上升运动的发展, 另外一方面还对锋区的形成和移动具有重要作用。上述两方面表明干侵入在这次暴雨过程中起到了至关重要的作用。     

对流对称不稳定的发展演变和环流特征

利用1999年6月一次典型梅雨锋暴雨过程和敏感性试验的数值模拟结果分析了对流对称不稳定的发展演变和环流特征.结果表明：条件对称不稳定是大气稳定状态和条件不稳定状态之间的中间纽带,大气由稳定向不稳定或者由不稳定向稳定的演变均通过条件对称不稳定来实现;对流对称不稳定环流的形成与不稳定层的配置有关,当低层为条件不稳定而高层叠加深厚的条件对称不稳定时,对流对称不稳定环流低层出现垂直上升气流,高层出现范围较广的倾斜上升气流,对称不稳定能量释放产生中尺度云带.当低层和高层出现条件不稳定,中间呈条件对称不稳定或弱稳定度层结时,从低层到高层出现较深厚的垂直上升气流,湿重力不稳定能量的释放导致了云带的形成.     

对流层顶折叠检测新方法及其在中纬度 灾害性天气预报中的应用

对流层顶折叠是中纬度地区对流层上层—平流层下层区域(简称UT/LS)内的一个重要的大气现象,它与气旋生、暴雨强对流触发以及降水增幅密切相关。由于这些天气条件下的大气状况异常复杂,因此目前国际上普遍采用的基于干大气条件的对流层顶折叠检测方法存在很大局限性。本文在借鉴已有的卫星资料和数值预报相结合的模式识别法的基础上,通过统计分析的方法建立了高层大气水汽与广义湿位涡、臭氧浓度的关系以及对流层顶折叠与高空急流的位置关系,同时考虑了动力对流层顶高度在判识过程中的辅助作用,建立了一套基于FY-2E静止气象卫星遥感数据的,适用于与暴雨强对流有关的对流层顶折叠动态监测新方法。在利用FY-3A和FY-3B反演的臭氧总量、臭氧垂直廓线以及ECMWF Interim资料计算的位涡等资料对算法进行精度验证的基础上,将该方法在2012年7月21日北京特大暴雨天气过程以及2013年5月14~17日华南大暴雨天气过程的监测和分析上进行了应用,并取得了较好的效果。从应用效果看,本文提出的这种对流层顶折叠识别方法是合理可行的,并具有一定的应用价值,可为中纬度地区暴雨强对流天气的监测和预警提供参考指标。     

“93.5”黑风暴发展结构和不同模式分辨率的数值试验

1993年5月4～6日在我国西北部地区发生了一次“黑风暴”。用改进的MM1和高分辨PBL参数化及40 km细网格控制试验能基本上模拟出“93.5”黑风暴的结构和演变。模拟结果表明，黑风暴发展时段，在PBL内与一个中尺度气旋性强涡旋相伴，在对流层内与一个垂直涡柱相伴。这个伸展至对流层顶的涡柱下（上）半部是与低（高）空强烈辐合（辐散）入（外）流相伴的气旋（反气旋）性涡柱。该黑风暴结构不同于一般锋面结构，其主要判别是:界面坡度陡，θe水平梯度大，斜压性强，PBL内暖心明显。该暖心结构与下垫面剧烈热力强迫有关。不     

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

春季青藏高原西北侧一次平流层臭氧向对流层传输的模拟研究

利用NCEP/NCAR FNL客观分析资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料以及臭氧监测仪(OMI)的臭氧廓线资料,结合区域大气化学模式WRF-Chem对中国春季一次高空冷槽过境引起的对流层顶折卷过程(2012年3月19—21日)进行了分析,并从平流、湍流混合、对流输送等几个方面诊断分析了平流层臭氧向对流层的传输特征和细节。结果表明,发生于青藏高原西北侧的对流层顶折卷事件,其所在位置处于热带对流层顶向中纬度对流层顶的过渡区,由于陡峭的对流层顶南北梯度,在该区域发生的平流层-对流层物质交换(STE)比对流层顶东西方向折卷引起的物质交换要强烈和持久,跨越等熵面的物质交换和湍流混合对平流层-对流层物质交换有很大的贡献。大地形对平流层-对流层物质交换过程有显著的影响,且具有明显的日变化特征。早晚时段,大地形导致的爬坡上升气流显著,抑制了平流层空气与对流层空气的混合交换。午后,大地形热力作用增强,受背风坡局地环流的影响,靠近山顶处湍流混合作用对上对流层臭氧浓度升高的贡献显著增强,且地形越高,这种效应越显著。地形的湍流混合作用在2.5 km高度以上凸显,此高度之上地形平均高度每升高100 m,湍流混合的贡献增加约1%。     

“2013·7·21”杭州湾北岸短时大暴雨的中尺度分析

利用FY 2E卫星的TBB资料、多普勒雷达资料、中尺度自动站资料以及基于WRF模式的5 km全程同化数据,对2013年7月21日杭州湾北岸短时大暴雨天气进行了中尺度分析,结果表明：此次对流性暴雨发生与近地面西南偏西气流和东南偏东气流的辐合作用密切相关,湖州东部地区由局地热对流引起的偏西气流出流增强了嘉兴西部地区的偏西气流强度,从而触发两股气流间的辐合扰动并产生对流运动,当对流运动发展到一定程度时,在对流层低层出现了下沉气流,其中一部分气流向东契入近地面的偏东气流内,致使此处的辐合抬升运动加强,从而在对流层中层形成了新的垂直上升运动。此外,在对流性暴雨发生前0～3 km的环境风垂直切变较小,导致这次短时大暴雨过程中强对流单体的维持时间较短。暴雨区附近的近地面存在较为浅薄的中性或稳定层结,其上相对位温垂直递减明显,大气层结极不稳定。     

导致一例强沙尘暴的若干天气因素的观测和模拟研究

利用常规观测资料和数值模拟方法对 2 0 0 1年 4月 6～ 8日由蒙古气旋强烈发展触发的内蒙古地区强沙尘暴天气过程进行了分析研究。结果表明 :在这次“锋面气旋型”沙尘暴过程中 ,气旋冷锋是该天气系统引发沙尘暴的主要因素 ,冷锋过境对沙尘暴的触发作用远强于气旋发展。影响沙尘暴的天气因素中 ,地面大风形成主要源于气旋发展和锋后强冷平流 ,高空动量的有效下传则是另一重要原因。高空急流加强及其形成的次级环流使高空动量下传到对流层中层 ,其下方形成深厚混合层使这一动量继续下传到地面 ,是高空动量有效下传的机制。“混合层”可以从本质上反映有利沙尘暴形成的大气层结特征 ,其强度和高度很大程度决定沙尘暴的强弱。这次过程深厚混合层的形成是深厚干对流和强沙尘暴产生的主要原因。而它的形成则是长时间地面加热的结果 ,这也是特强沙尘暴仅发生在内蒙古中部偏北地区而不是下垫面条件更为适宜的内蒙古西部的原因。混合层空气的平流作用对内蒙古中部偏北地区深厚混合层的形成具有相当的贡献 ,其作用程度与地形分布密切相关。地面热通量试验证明地面加热不仅对冷锋过境产生的上升运动强度具有直接影响 ,也影响混合层形成和高空动量下传 ,并因此影响沙尘暴强度。     

深对流系统对污染气体CO垂直动力输送作用的数值模拟研究

本文采用高分辨率WRF-Chem模式模拟了2014年7月27日和8月24日发生于长三角地区的两次强度不同的深对流系统对污染气体CO的再分布作用,对比分析了模拟的两次深对流系统在CO垂直输送过程中的差异。通过与实际雷达回波的比较发现,两次模拟的深对流发生时间、回波强度等都与实际观测接近。8月24日深对流过程发生前的对流有效位能和0～6 km垂直风切变强度均高于7月27日个例,因此 8月24日深对流系统更不稳定,发展高度更高。从CO浓度垂直剖面、质量通量随高度的变化特征发现,7月27日的深对流系统最高可以将CO输送到14 km高度处,8月24日的深对流系统最高可以将CO输送到16 km高度处。对CO浓度的垂直通量散度平均垂直廓线分析看出,7月27的深对流系统主要将CO输送到12 km附近,导致7月27日个例对流层中层的CO浓度更高,8月24日的深对流系统主要将CO输送到15 km附近,导致8月24日个例对流层上层的CO浓度更高。对垂直通量求和的分析表明,8月24日的深对流系统每小时垂直输送的CO浓度是7月27的1.3倍,而考虑到8月24日的深对流系统持续时间更长,8月24日的深对流系统对CO的垂直输送作用远远大于7月24日的深对流系统的垂直输送作用。     

Downward transport and modification of tropospheric ozone through moist convection

This study estimated the largely unstudied downward transport and modification of tropospheric ozone associated with tropical moist convection using a coupled meteorology-chemistry model. High-resolution cloud resolving model simulations were conducted for deep moist convection events over West Africa during August 2006 to estimate vertical transport of ozone due to convection. Model simulations realistically reproduced the characteristics of deep convection as revealed by the estimated spatial distribution of temperature, moisture, cloud reflectivity, and vertical profiles of temperature and moisture. Also, results indicated that vertical transport reduced ozone by 50% (50 parts per billion by volume, ppbv) in the upper atmosphere (12–15 km) and enhanced ozone by 39% (10 ppbv) in the lower atmosphere (<2 km). Field observations confirmed model results and indicated that surface ozone levels abruptly increased by 10–30 ppbv in the area impacted by convection due to transport by downdrafts from the upper troposphere. Once in the lower troposphere, the lifetime of ozone decreased due to enhanced dry deposition and chemical sinks. Ozone removal via dry deposition increased by 100% compared to non-convective conditions. The redistribution of tropospheric ozone substantially changed hydroxyl radical formation in the continental tropical boundary layer. Therefore, an important conclusion of this study is that the redistribution of tropospheric ozone, due to deep convection in non-polluted tropical regions, can simultaneously reduce the atmospheric loading of ozone and substantially impact the oxidation capacity of the lower atmosphere via the enhanced formation of hydroxyl radicals.     

夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究

基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART, 通过气块轨迹计算, 对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送 (Troposphere to Stratosphere Transport, 简称TST) 的近地层源区、 输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明: (1) 夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区, 一个是热带西太平洋地区; 另一个是青藏高原南部、 孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区, 上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近 (约16 km高度), 两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现, 穿越对流层顶高度的质量输送只有约10％能够进入20～22 km高度的平流层中, 且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区 (约贡献75%), 这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。 (2) 轨迹分析显示, 夏季亚洲季风区对流层进入平流层的 “入口区” 主要在 (25°N～35°N, 90°E～110°E) 区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、 北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。 (3) 亚洲季风区TST两个主要的过程, 一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程, 它可以使近地层大气在1～2天内输送到平流层中, 贡献了整个TST的10%～30%; 另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送, 该输送是一个相对的慢过程, 时间尺度一般为5～30天。此结果意味着, 源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。     

Development of an eye-wall like structure in a tropical cyclone model simulation

Structural changes during the intensification of a tropical storm into a hurricane in a numerical simulation are examined. A 10 layer primitive equation model that employs a horizontal grid spacing of 20 km over 4400 × 4400 km area is integrated. An elongated band in vertical motion over the storm area intensifies slowly during the first few hours. In the upper troposphere high pressures arise due to condensational heating. Between 8–12 h strong outflow winds develop in the upper troposphere due to the increased pressure gradients. Strong divergence occurs in the outflow wind region, and a large increase in the vertical motion, condensational heating and intensification rate of the storm ensues. Between 12–24 h the elongated band of the storm stage transforms into an eye-wall like structure, and the tropical storm intensifies into a hurricane. Regions with negative moist potential vorticity appear in the high troposphere. Widening of area of condensation and slanting of the convergence area occurs with height in the high level negative moist potential vorticity regions. Results suggest that the formation of anvil clouds in some cases may be due to the development of slantwise convection on the outer periphery of a hurricane's eye-wall.