用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息，需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果，对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明：模式模拟的各种大气廓线中，风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值，与实况有较好的一致性，但在廓线出现转折的地方，如：逆温层和风向转折时，模式预报较差。露点（湿度）廓线的预报误差较大，不能反映出真实水汽场的分布。因此，模式预报的深层（地面至500hPa）垂直风切变与探空具有较好的一致性，而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想，其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。     

我国东南沿岸及复杂山地后汛期降水日变化的数值研究

利用2009~2017年7~9月福建省逐小时地面加密自动站资料和2015~2017年7~9月厦门站的探空资料,通过K均值聚类法和中尺度数值模式(WRF3.9.1.1版本)理想数值模拟,分析了我国东南沿岸及复杂山地(福建)后汛期降水日变化特征,揭示了地形热力环流以及海陆风环流在热对流降水日变化形成中的作用,探讨了环境温湿廓线及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度和日峰值出现时间的影响。结果发现:我国东南沿岸复杂山地(福建)后汛期降水日变化受地形热力环流和海陆风环流的影响和调制,白天辐射加热在复杂山地形成的局地热力环流激发出对流降雨带,午后受海风环流的影响,对流降雨带组织发展达到峰值,之后随着地形热力环流和海风环流减弱雨带逐渐减弱。武夷山及周边复杂山地的降水日变化主要受地形热力环流的影响,在午后对流降水达到峰值,夜间减弱几近消失。理想数值试验进一步证实了我国东南沿岸复杂山地地形热力环流对对流降雨的触发以及海陆风环流在山地对流雨带组织发展中的作用,环境温湿廓线以及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度以及日峰值出现的时间具有重要影响,其中环境温湿廓线的大气抬升凝结高度、大气可降水量、大气的对流不稳定度以及大气中低层湿度分布的不同,会影响热对流降水日峰值强度,并通过影响山地热力对流触发时间,改变热对流降水日峰值时间,而环境风垂直廓线的低层气流强度和方向、中低层垂直风切变的不同,会影响地形热力对流系统的启动、组织发展和移动等特征,进而影响热对流降水日峰值强度以及热对流降水日峰值时间。     

基于星载测雨雷达2004-2014年观测的川渝地区降水垂直结构的气候特征

使用热带测雨卫星（TRMM）搭载的测雨雷达（PR）2004-2014年长达11 a的连续观测资料对青藏高原东南缘川渝地区不同季节不同降水类型的垂直结构特征进行了统计分析,并建立了相应的气候态反射率垂直廓线（Vertical Profiles of Reflectivity,简称VPR）。结果表明,由于不同的微物理及动力过程,降水类型对反射率垂直廓线的结构特征影响很大,90%的层云0℃层亮带峰值强度低于32 dBz,50%的对流云最大反射率强度超过35 dBz。降水类型及强度均对反射率垂直廓线的形状影响很大,层云系统发生中及大雨时其冰雪区的聚合反应效率明显较发生小雨时高。反射率垂直廓线特征参数具有一定的区域性和季节特征,且地表加热和地形高度的作用会加强上升气流对反射率垂直廓线形态的影响,上升气流的强度影响着冰雪及雨水区的碰并增长率以及低层的蒸发作用,从而进一步影响低层雨区的反射率垂直廓线斜率,边界层的相对湿度是另一个影响雨区反射率垂直廓线斜率及蒸发率的重要因素。星载测雨雷达的云分类算法在青藏高原东南缘地区受到一定的挑战,仍有改进的空间;未来可以将基于星载测雨雷达建立气候态层云典型反射率垂直廓线应用于联合地基天气雷达网观测以弥补后者在复杂地形条件下探测范围及能力受限的缺陷,从而改进雷达定量降水估测的误差。      

不同积云对流参数化方案对中国东部降水模拟的对比分析

本文将目前国际上气候模式中应用比较广泛的三种积云对流参数化方案引入到P-σRCM9区域气候模式中,并考察了不同积云对流参数化方案对P-σRCM9区域气候模式模拟中国降水性能的影响.分析发现四种积云对流参数化方案(包括原方案)下模拟的积云对流加热率基本上都呈现出单峰特征,且加热峰值出现在对流层中低层.并发现积云对流参数化方案对冬季降水平均场和年际变率模拟的影响较小,而对夏季降水模拟的影响更加重要.同时注意到Kuo方案和Anthes-Kuo方案模拟的冬、夏季降水平均场和年际变率均较其他两个方案更接近观测.     

低纬高原上中尺度模式的积云参数化方案研究

在低纬高度上的中尺度数值模式研究中，积云参数化方案的设计是极其重要的，而垂直加热廓线和增湿系数的方案设计是Kuo型积云参数化方案中两个重要的问题。本文从垂直加热廓线和增湿系数的角度设计了多种改进的Kuo型积云参数化方案进行数值试验。试验结果表明，垂直加热廓线采用位湿法，增湿系数采用指数型定义法的Kuo型改进方案较适合云南低纬高原上的中尺度数值模式；低纬高原上的增湿系数比我国东部沿海及一些平原地区要大；在改进积云参数化方案的基础上考虑低纬高原地形的影响，能进一步提高中尺度数值模式在低纬高原上的模拟效果。     

云三维结构对加热率廓线及通量影响的模拟

大气加热率强度与结构是驱动全球大气环流的关键因素,实际加热率分布与云三维结构密切相关。作者使用三维蒙特卡洛辐射传输模式,模拟计算了云分辨模式所得3个典型三维云场的加热率廓线及通量;定义了两个参数来同时描述加热率廓线的垂直分布和强度,通过与独立像素近似算法对比,定量统计分析了高分辨率下云三维结构对辐射的影响。结果表明,在高分辨率条件下云三维结构对加热率廓线和通量影响十分显著,且不同结构云场所体现的影响各具特点,提出需要考察现有大气模式中云三维结构对当前所用加热率计算方案的订正方向。     

IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟评估

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年(1979~2008年)的模拟结果,评估了IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。分析结果表明IAP AGCM4.0模式可以在一定程度上模拟出热带大气季节内振荡的主要时空谱结构特征,在周期30~80天处存在明显的谱能量中心;模式模拟的季节内振荡东传的主要特征与观测基本一致,东移波的能量远大于西移波。基于RMM指数(All-season Real-time Multivariate MJO Index)的分析表明,模式模拟的850 h Pa和200 h Pa季节内尺度风场和对流活动在赤道地区的空间分布与观测基本一致。但与观测相比,模式模拟的热带大气季节内振荡的周期较短,东传速度快于观测,虚假的西传特征过强,对流活跃区域范围较小、强度较弱。就非绝热加热而言,模式模拟结果与再分析资料比较接近,但最大加热在印度洋和西太平洋地区出现的位相较晚。进一步分析表明,模式中影响对流触发的相对湿度阈值(RHc)的不同取值(RHc分别取为85%、90%、95%和100%),可以显著影响热带大气非绝热加热垂直廓线,从而影响模式对热带大气季节内振荡的模拟;当对流触发相对湿度阈值取为90%时,IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡模拟的能力相对最好,非绝热加热垂直廓线在不同位相的分布特征也与再分析资料最为接近。这说明模式对流参数化方案中不同参数的合适选取,可以改进模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。     

对流凝结加热的垂直分布与低纬大气的30～60天低频振荡

运用一个包含Wave-CISK机制的斜压半地转8层模式和本征函数展开方法，研究了三种不同的对流凝结加热廓线对低纬大气的30—60天低频振荡的影响。研究表明，不同的加热廓线分布时30～60天低频振荡具有不同的相速和周期，并且低频振荡特征相速的量级都是o(10m／s)，由Wave-CISK机制激发的低频CISK—Kelvin波和CISK—Rossby波都是稳定的。同时，还进一步揭示了不同加热廓线对低纬大气30～60天低频振荡垂直结构的影响。     

9914号台风降水云系雨强的三维结构初探

利用TRMM卫星的测雨雷达资料，研究了9914号台风降水云系在3个不同时次雨强的水平和垂直结构。结果表明：3个时次层状云降水在像素数量上及对总降水量的贡献上均比对流性降水大；3个时次层状云降水和对流性降水的平均雨强均随台风强度加强有较大的增幅；对流性降水与层状云降水的雨强的垂直廓线有明显的差别，但两类降水廓线本身在3个时次差别不大。对流性降水廓线按斜率不同大致分为3段，雨强均随高度减小，5～6km高度段减速最快。层状云降水廓线大致分为4段，在4．5km高度附近出现明显的亮带结构。     

垂直探测雷达的降水云分类方法在北京地区的应用

风廓线雷达采用相干累积技术提高雷达探测灵敏度,用于对降水云体进行垂直探测,能获取高分辨率的云体返回信号的全谱信息。利用多年降水天气统计资料,针对北京延庆地区降水特征,提出了基于风廓线雷达谱参数(回波强度、速度和谱宽)的降水云分类方案。该方案将降水资料分为浅对流、浅层状云、深对流、深层状云、混合—排除和混合—包含等六种降水类型。根据该方案,利用风廓线雷达结合双偏振雷达和自动雨量站观测资料,对2012年9月1日和2013年6月27日发生在延庆地区的两次降水天气过程进行了分析。结果表明,风廓线雷达谱参数垂直廓线可以较好的描述降水云体的垂直结构,回波强度廓线发展趋势与地面降水量趋势吻合较好。当降水存在对流时,地面降水量出现明显增大,同时伴随着大速度值区和高空大谱宽值区。利用基于风廓线雷达的分类方案识别降水云,可以降低降水类型误判的几率。     

华北地区一次黄河气旋发生发展时所引起的暴雨诊断分析

利用NCEP/NCAR的再分析资料和GMS红外黑体亮度温度 (T_BB) 资料等, 对1991年6月9—11日的一次黄河气旋暴雨过程进行了诊断分析。结果表明:黄河气旋的发生发展是大气斜压性强烈发展的结果, 强的高空辐散与正涡度平流共同作用形成了黄河气旋, 对流层低层的暖平流促进了黄河气旋的进一步发展, 并对其移动方向有引导作用; 暴雨出现在黄河气旋的初生、发展阶段, 产生于气旋前部暖区的盾状云系中; 暴雨的水汽有西南和东南两个来源, 其中西南水汽通量大于东南; 暴雨区上空大气具有很强的对流不稳定性, 中尺度对流云团的发生发展, 造成了气旋降水分布的不均匀性和强降水中心; 降水造成的凝结潜热释放对气旋的发展有正反馈作用。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF THE OCCURRENCE AND DEVELOPMENT OF A MID-TROPOSPHERIC CYCLONE OVER THE SOUTH CHINA SEA

In this paper,the processes of the occurrence and development of a mid-tropospheric cyclone (MTC hereinafter)over the South China Sea are successfully simulated,adopting the convective heating profile calculated from the ana-lysed data.And a series of numerical experiments show that the convective heating rate, especially its vertical profile,plays a key role in the occurrence,development and maintenance of the MTC.When there is highly concentratedconvective heating in middle layer(400—450hPa),the MTC could occur and maintain for longer time.And the key tosuccessfully predict the MTC by numerical model is to correctly specify the convective heating profile in the model.     

黄河中下游地区一次暴雨过程的数值模拟和诊断

利用非静力中尺度模式WRF V3.2.1及其输出的高时空分辨率资料,对2007年7月29~30日发生在黄河中下游地区的暴雨天气过程进行了数值模拟和诊断分析。结果表明:(1)广义位温的大值中心区与相对湿度90%的高湿区相一致,暴雨区上空的广义位温等值线呈漏斗状从对流层中高层向低层伸展,在漏斗的底部,其垂直梯度也相应增大,暴雨中心位于广义位温的大梯度区;(2)P坐标下,对流涡度矢量垂直分量(Cz)与降水量随时间演变二者呈现反位相,且Cz极值的出现滞后降水峰值1 h左右;对流涡度矢量垂直分量的垂直积分的发展演变与降水落区、强度的发展变化相对应,对强降水落区、强度的发展变化具有指示意义。     

近57a长江黄河源区径流量变化异同特征分析

利用1956~2012年长江和黄河源区内2个水文站点逐月流量数据,分析了近57a两江源区径流的长期变化趋势、突变特征以及周期特征的异同。结果表明:长江源区径流量月变化呈单峰型,峰值在7月;黄河源区则表现为双峰型,峰值分别出现在7月和9月。近57a来,长江源区各季节及年平均径流量均呈现上升趋势,而黄河源区表现为年平均、春季和秋季平均流量呈下降趋势,而夏季和冬季则表现为上升趋势的特征。长江源区1960年和1968年前后的突变点比较可靠,在1998年前后可能也存在一次突变;而对于黄河源区,则在1960年和1968年前后的突变点具有较高的可靠性。长江源区年径流量主要存在9~10a和准22a的变化周期,而黄河源区年径流主要存在4a、7~8a和准16a的变化周期。      

垂直-倾斜对流一体化参数化方案的实现及数值试验

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,并引入MM5模式中.利用该方案对2008年1月28-29日发生在中国南方的一次暴雪过程和2005年"海棠"台风过程进行了数值模拟,模拟结果表明,此次暴雪过程在垂直方向主要表现对流稳定状态,但在对流层低层始终存在条件件对称不稳定层,并且当条件性对称不稳定区向高层发展时,伴随着强上升运动作为触发机制,引发条件性对称不稳定能量的释放,产生更多的对流降水,使模拟的总降水量与实况更加一致.条件性对称不稳定的发展加强与降雪强度、辐合辐散和上升运动变化一致,条件性对称不稳定是造成暴雪发展加强的主要机制之一.通过对"海棠"台风72 h的模拟表明,条件性对称不稳定主要发生在台风的低层,且其水平分布呈螺旋状结构.条件性对称不稳定效应对台风路径影响较小,但对台风强度影响较大,在模式中考虑垂直-倾斜对流一体化参数化方案后,与仅考虑垂直积云对流参数化方案相比,72 h模拟的平均台风中心最低气压降低了3 hPa,最大达8 hPa.在模式中考虑条件性对称不稳定的影响,可使模式台风中上层的暖心结构更加明显,上升运动和对流性降水增强,对流释放的更多凝结潜热使台风得到进一步加强.     

Vertical Structures of Convective and Stratiform Clouds in Boreal Summer over the Tibetan Plateau and Its Neighboring Regions

Cloud is essential in the atmosphere, condensing water vapor and generating strong convective or large-scale persistent precipitation. In this work, the relationships between cloud vertical macro- or microphysical properties, radiative heating rate, and precipitation for convective and stratiform clouds in boreal summer over the Tibetan Plateau (TP) are analyzed and compared with its neighboring land and tropical oceans based on CloudSat/CALIPSO satellite measurements and TRMM precipitation data. The precipitation intensity caused by convective clouds is twofold stronger than that by stratiform clouds. The vertical macrophysics of both cloud types show similar features over the TP, with the region weakening the precipitation intensity and compressing the cloud vertical expansion and variation in cloud top height, but having an uplift effect on the average cloud top height. The vertical microphysics of both cloud types under conditions of no rain over the TP are characterized by lower-level ice water, ice particles with a relatively larger range of sizes, and a relatively lower occurrence of denser ice particles. The features are similar to other regions when precipitation enhances, but convective clouds gather denser and larger ice particles than stratiform clouds over the TP. The atmospheric shortwave (longwave) heating (cooling) rate strengthens with increased precipitation for both cloud types. The longwave cooling layer is thicker when the rainfall rate is less than 100 mm d^?1, but the net heating layer is typically compressed for the profiles of both cloud types over the TP. This study provides insights into the associations between clouds and precipitation, and an observational basis for improving the simulation of convective and stratiform clouds over the TP in climate models.     

不同深对流参数化方案在降水预报中的比较试验

用中尺度模式（ＭＭ５）与国家气象中心全球谱模式相嵌套,对华东地区２７个测站两个月（１９９７年３月和７月）的降水预报,进行了３类深对流参数化方案的比较试验,发现不同深对流参数化方案对降水预报质量的影响存在一定的差异,而且这种差异在７月份要比３月份明显。     

降水与副热带高压位置和强度变化的数值模拟

利用国家气象中心的T63业务数值模式,通过不同的对流潜热加热的敏感性试验,研宄降水对西太平洋反气旋中、短期运动的影响.结果表明,非绝热加热在垂直方向的不均匀将引起加热区附近风场的变化,从而影响到副热带高压位置和强度的改变.而副热带高压的变化又会反过来影响降水区位置的变化.由此证明,在中短期过程中,降水与副高之间存在着相互作用.     

Development of an Integrated Vertical-Slantwise Convective Parameterization Scheme and Its Associated Numerical Experiments

An integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme,based on the vertical Kuo-Anthes and the slantwise Nordeng convective parameterization schemes,is introduced into the MM5 model.By employing the MM5 model with the proposed scheme,numerical simulations of a snowstorm event that occurred over southern China on 28 29 January 2008 and of Typhoon Haitang (2005) are conducted.The results indicate that during the snowstorm event,the atmosphere was convectively stable in the vertical direction but with conditional symmetric instability (CSI) in the lower troposphere,and when the area of CSI developed and extended to upper levels,strong rising motion occurred and triggered the release of large amount of energy,producing enhanced convective precipitation with the total precipitation much closer to the observation.The development and strengthening of CSI corresponded to changes in the intensity of snowfall,convergence,and ascending motions of air,revealing that CSI was responsible for the initiation and growth of the snowstorm.The results from a 72-h explicit simulation of Typhoon Haitang indicate that CSI occurred mainly at lower levels with a well-defined spiral structure,and it tended to have a larger impact on the intensity of typhoon than on its track.The minimum pressure at the typhoon center for the 72-h runs with the integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme was on average 3 hPa (maximum 8 hPa) lower than that from the runs with only the vertical cumulus parameterization scheme.Introducing the influence of CSI into the model has improved the warm core structure at the middle and upper levels of the typhoon,with stronger and persistent upward motions causing increased precipitation,and the latent heat released through convection in turn made the typhoon develop further.