陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

印度洋潜热通量对南海夏季风爆发的影响

利用OAFlux热通量资料和ERA-Interim高度场资料,分析了热带印度洋区域潜热通量的变化与南海夏季风爆发之间的关系,初步探讨了热带印度洋潜热通量变化对南海夏季风爆发早晚的影响过程。结果表明,2月热带印度洋区域的潜热通量与南海夏季风爆发之间存在密切的联系,当2月热带印度洋区域潜热通量较常年偏多（少）时,当年南海夏季风爆发偏晚（早）。当2月热带印度洋的潜热通量异常偏多（少）时,海洋向大气释放更多（少）的潜热,潜热通量通过对流凝结作用对大气加热形成大气热源,再通过大气环流逐渐影响2—4月的高度场,使得南海上空的850 hPa高度场出现异常偏高（低）,即副热带高压偏强（弱）。异常强（弱）的副热带高压结合孟加拉湾弱（强）的异常西南风,造成南海夏季风爆发偏晚（早）。因此可以认为热带印度洋2月的潜热通量变化是影响南海夏季风爆发的重要因素。      

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

近海水汽初值和对流影响一次华南前汛期沿海强降水对流系统发展过程的机理研究

本研究在对华南季风降水试验（SCMREX）观测资料分析的基础上,采用数值模拟试验探讨南海北部区域湿度场初值误差和海上对流对2014年5月8日华南沿海地区的一次强降雨过程的中尺度对流系统（MCS）的发展和移动的影响。加密探空和风廓线观测分析表明在珠江口地区有西南风和偏东风急流形成的辐合区,为对流在该地区增强发展提供了条件。增加和减少近海湿度以及关闭积云和微物理过程潜热释放,所造成的温度场以及风场的变化对广东沿海地区的对流的强度和移动路径都有明显的影响。特别是增加海上关键区的湿度,由于海上对流的发展改变了整个区域的环流,抑制了陆地上对流的发展。关闭海上关键区对流过程潜热的释放,导致低空急流到达更加偏北的位置,对流系统在模拟的后期向东北移动。通过这些试验表明,海上的湿度等要素场和对流活动对沿海地区的降雨预报有着十分重要的影响,需要进一步加强海上观测及其资料同化方法。     

青藏高原植被下垫面对东亚大气环流影响的数值试验

采用Ｊ．Ｗ．Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ（１）地表植被参数化方案，利用Ｐ－ａ原始方程５层模式（２），分析了青藏高原有植被和无植被两种不同下垫面情况下的大气响应，结果表明有植被下垫面通过增加向大气输送潜热通量，加强了高原上空的热低压，增强了高原北部的热成风，加强了高原南侧的季风环流，使青藏高原及我国东南地区的降水增多。     

1998年南海季风爆发时期中尺度对流系统 的研究：Ⅱ中尺度对流系统对大尺度场的作用

通过对1998年南海季风爆发过程中大尺度风场、温度场、厚度场、地面气压场以及视热源与视水汽汇的演变分析研究了对流活动对大尺度场的作用,结果表明:大尺度环流与中尺度对流活动之间可能存在着一种正反馈机制。在季风爆发早期,大尺度背景与中尺度对流活动的关系主要表现为前者为季风爆发以及中尺度对流活动的发生提供有利的天气和动力条件;季风爆发后期持续的大范围中尺度对流活动反过来会对大尺度环流存在明显的反馈作用。由对流活动强烈发展产生的凝结潜热释放在南海北部造成了显著的大气加热,使对流层中上层出现一明显的加热中心,这导致:(1)南海上空经向温度梯度由高层向低层发生反向,形成北高南低的温度梯度,从而使大尺度环流发生季节性改变;(2)相应南海北部地面气压不断加深,形成宽广的季风槽和明显的减压区,促使副热带高压从南海地区最后撤离;(3)随着中低层低压环流的不断发展,对流系统和降水区进一步加强并向南扩展,有利于南海季风在南海中、南部地区爆发和维持;(4)季风槽的加深使其南侧的季风气流与水汽输送进一步加强,促使季风爆发过程达到盛期。     

温室气体对亚洲夏季风影响的数值研究

利用NCEP/NCAR再分析资料检验全球气候模式CAM5.1模拟亚洲夏季风的能力,CAM5.1模式能够较好再现亚洲夏季风的基本特征。通过工业革命前（1850年）、工业革命后（2000年）温室气体排放情景的敏感性试验探讨近现代温室气体增加对亚洲夏季风的影响机制。结果显示:温室气体增加导致亚洲大部分区域地面气温增加,印度半岛中部、中南半岛和中国东部地区夏季风增强,印度半岛中部及北部、中南半岛中北部和中国东部地区夏季降水增加。分析大气能量收支和转换发现,温室气体增加通过增强大气对流凝结潜热释放的方式加强大气热源;夏季陆地为暖区,不均匀加热引起全位能增加,从而增强全位能向辐散风动能的转换和辐散风动能向无辐散风动能的转换,最终导致这些区域夏季风增强。其中,对流凝结潜热增加是温室气体增加造成大气稳定度降低、对流活动加强、对流云厚度加大、对流降水增加的结果;同时,对流降水增加是总降水增加的主要原因。     

夏季海洋性大陆区域OLR年际变动与中国长江中上游旱涝的关系

利用1979—2007年的NECP资料、GISST月平均资料和中国160个降水测站资料，用SVD方法分析了热带海洋性大陆区域OLR与夏季中国降水场的关系。结果表明：孟加拉湾、南海季风槽、南太平洋辐合带（SPCZ）、印尼群岛及其附近海域的对流活动与我国夏季长江中上游降水场存在密切联系。若孟加拉湾、南海季风槽、南太平洋辐合带区的OLR偏高（偏低），及东印度洋、印尼群岛附近的OLR偏低（偏高），则夏季长江中上游及以北地区的降水偏多（偏少）。定义了与长江中上游降水相关的海洋性大陆区域OLR指数IMCOLR，并由IMCOLR指数确定高低值年再进行合成分析，发现印尼群岛及其海域气柱内净的辐射和海表热通量的异常增加，有利于该地区对流活动增强和OLR负异常的产生和维持；而孟加拉湾、南海和热带西太平洋存在海表热通量的减弱和辐射冷却的加强，有利于对流活动减弱，导致潜热释放异常减少和维持OLR正异常。热带海洋性大陆区域对流活动IMCOLR与海表温度异常间的相关关系表明，热带海洋性大陆地区对流活动的年际变动可受到热带印度洋海温异常和太平洋区域“三级型”海温异常的共同影响。这些热力强迫异常可导致对流层低层大气异常响应，产生P-J类遥相关，影响中国长江流域中上游降水异常。     

1998年SCSMEX期间南海夏季风海气交换的主要特征

根据1998年“南海季风试验（SCSMEX）”强化观测期间“实验3号”和“科学1号”科学考察船船基大气海洋自动观测系统两点连续观测的大气、海洋资料,使用考虑到风速和大气层结影响的整体输送公式计算海-气间的湍流通量交换。根据计算结果分析南海夏季风期间海表大气要素和海温日均值的逐日变化、海洋向大气输送的潜热通量和感热通量以及大气向海洋输送的动量通量等。结果表明：这次夏季风于5月21日从南海南部开始爆发,然后向北部扩展全面爆发。夏季风期间南海南部和南海北部的大气、海洋结构和海气交换特征等都有明显差别。此外,海表温度的变化除了与太阳总辐射有关外,主要是与海洋向大气输送的潜热通量变化有关,对本次夏季风发生较晚、强度较弱作了海-气交换的物理解释,并与1992～1993年西太平洋热带海域西风爆发过程作了比较。     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

A numerical study of a TOGA-COARE squall-line using a coupled mesoscale atmosphere-ocean model

1. Introduction Air-sea interaction plays an important role in theglobal seasonal to inter-annual climate variability,most notably, the El Ni?no and Southern Oscillation(ENSO) phenomenon (Webster and Lukas, 1992). Be-cause of its widespread impacts on …     

Numerical Study of the Role of Microphysical Latent Heating and Surface Heat Fluxes in a Severe Precipitation Event in the Warm Sector over Southern China

Simulations of the severe precipitation event that occurred in the warm sector over southern China on 08 May 2014 are conducted using the Advanced Weather Research and Forecasting (WRF-ARWv3.5.1) model to investigate the roles of microphysical latent heating and surface heat fluxes during the severe precipitation processes. At first, observations from surface rain gauges and ground-based weather radars are used to evaluate the model outputs. Results show that the spatial distribution of 24-h accumulated precipitation is well reproduced, and the temporal and spatial distributions of the simulated radar reflectivity agree well with the observations. Then, several sensitive simulations are performed with the identical model configurations, except for different options in microphysical latent heating and surface heat fluxes. From the results, one of the significant findings is that the latent heating from warm rain microphysical processes heats the atmosphere in the initial phase of the precipitation and thus convective systems start by self-triggering and self-organizing, despite the fact that the environmental conditions are not favorable to the occurrence of precipitation event at the initial phase. In the case of the severe precipitation event over the warm sector, both warm and ice microphysical processes are active with the ice microphysics processes activated almost two hours later. According to the sensitive results, there is a very weak precipitation without heavy rainfall belt when microphysical latent heating is turned off. In terms of this precipitation event, the warm microphysics processes play significant roles on precipitation intensity, while the ice microphysics processes have effects on the spatial distribution of precipitation. Both surface sensible and latent heating have effects on the precipitation intensity and spatial distribution. By comparison, the surface sensible heating has a strong influence on the spatial distribution of precipitation, and the surface latent heating has only a slight impact on the precipitation intensity. The results indicate that microphysical latent heating might be an important factor for severe precipitation forecast in the warm sector over southern China. Surface sensible heating can have considerable influence on the precipitation spatial distribution and should not be neglected in the case of weak large-scale conditions with abundant water vapor in the warm sector.     

A Study on the Mesoscale Convective Systems during the Summer Monsoon Onset over the South China Sea in 1998 Part II: Effect of Mesoscale Convective Systems on Large-Scale Fields

1. Introduction The strong convective weather is developed under the favorable large-scale circulations, which demon- strated the large-scale weather system's controlling ef- fect on strong convections. Once the convection is formed, it will produce the feedback effect on the large-scale environmental conditions by transporting momentum, heat and moisture upward, and influence or change the environmental wind, humidity, tem- perature, atmospheric stratification fields and so on, thus forming t…     

A Study on the Mesoscale Convective Systems during the Summer Monsoon Onset over the South China Sea in 1998 Part Ⅱ: Effect of Mesoscale Convective Systems on Large-Scale Fields

The apparent heat sources and apparent moisture sinks, and large-scale wind, temperature as well as the surface pressure fields during the summer monsoon onset over the northern South China Sea (SCS) in 1998 were diagnosed. The results suggested that there was a kind of positive feedback mechanism between large-scale circulations and mesoscale convective systems (MCSs). Before the monsoon onset, the largescale background provided favorable synoptic and dynamic conditions for the summer monsoon onset and the formation of mesoscale convective activities, whereas after the summer monsoon onset, occurrence of the persistent and extensive mesoscale convective activities produced obvious feedback effect on large-scale circulations. Because of the release of latent heating produced by enhanced convective activities, the intense atmospheric heating appeared over the northern SCS, which resulted in: (1) the meridional temperature gradient over the SCS reversed from upper-level to low-level and then the large-scale circulations were changed seasonally;(2) correspondingly, the surface pressure over the northern SCS deepened continually and formed a broad monsoon trough and the obvious pressure-fall areas, thus making the subtropical high move out of the SCS eventually;(3) with the development of the low pressure circulations in the middle and low troposphere, the MCSs further enhanced and extended southward, which was conducive to the SCS monsoon onset and maintenance over the middle and southern SCS;and (4) the deepening of monsoon trough facilitated the monsoon flow and moisture transport on its southern side, thus the monsoon onset reaching peak period.     

南海季风爆发期间中尺度对流云带演变特征与持续性加强的机理研究

南海季风爆发与随后爆发的东亚季风,与夏季东亚地区旱涝关系密切,而相伴的南海对流活动与季风爆发的维持和发展存在何种相互关系,是需要探究的.为此,利用热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)的雷达(Precipitation Radar,PR)、微波成像仪(TRMM ...     

东海黑潮区潜热变化对中国春季降水的影响及其影响过程

本文利用美国NCEP/NCAR再分析资料、哈德来(Hadley)中心海温数据、国家气候中心的观测站降水和客观分析海气通量(OAFlux)潜热感热通量资料,研究了1960~2010年春季黑潮区潜热输送对中国春季降水的影响及其影响过程。本文以黑潮流经的中国东部海域及邻近海域为研究对象,该区域是黑潮的主体区域,在文中简称为东海黑潮区。对中国东海以及邻近海域海温与降水的分析表明,在夏季该区域可能以大气强迫海洋为主,而在春冬两季可能主要为海洋强迫大气为主,秋季则可能为不明显的海气相互作用。在春季西北太平洋区域中感热和潜热都对黑潮流经的区域有比较好的敏感性,黑潮流经区域感热和潜热的气候平均值分别约为30 W m-2与120 W m-2;春季的感热通量标准差大值区主要集中在日本以西区域,潜热通量标准差主要集中在中国东海区域与日本东南区域(即东海黑潮区域)。春季潜热EOF第一模态的主要变化就集中在东海黑潮流域。相关分析与合成分析的结果表明,当黑潮潜热指数为正时,华南地区春季降水偏多,长江以北地区偏少,反之亦然。在物理过程分析中,黑潮潜热指数大于0.8时,长江以南的中国大陆有比较强盛的异常北风,使得水汽无法输送到更北的地区,导致在华南地区水汽的积累,并且在海面出现有利于降水的垂直运动异常延伸到大陆上,使华南地区降水增多,而长江以北的东部地区由于水汽输送偏弱,导致水汽积累偏少,从而降水减少。当黑潮指数小于-0.8时,有较强盛的异常南风,有利于水汽输送到北方地区,水汽在华北地区积累,导致长江以北出现降水正异常,而华南地区由于南风偏强,水汽输送加强,导致水汽无法在此区域积累,并且出现不利于降水的垂直运动异常,从而导致降水偏少。     

Simulation of snowstorm over the Yellow Sea using a mesoscale coupled model

This study aims to examine the favorable conditions for an ocean effect snowstorm across the Yellow Sea over the southwestern coast of Korea on 21 December 2005, using a coupled model with a Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System as the atmospheric component and the Regional Ocean Modeling System as the oceanic component. Simulation of heavy snowfall event, which was 44.3 cm of snow accumulated in 24-hour, was performed to investigate the mesoscale structure, dynamics and development mechanisms in the snowstorm. As a result from 48-hour integration, the results of simulation showed that barotropic instability and turbulent heat fluxes played important roles in the formation of snowstorm. The enhanced surface diabatic heating was dominant in the latent heat flux, and eventually induced convective instability. An additional factor was the favorable condition of synoptic environment, accessing the cold air transport by the approach of the upper-level cold vortex over the warm ocean. Besides these factors, conditional symmetric instability (CSI) is a mechanism which can result in a heavy snowfall with sufficient moisture and upward vertical motion. A slantwise convection from the release of CSI could support a complex snowfall event with heavier than expected amounts. The result comparison between a coupled model and an uncoupled model supports that airsea coupling has an impact of decreasing of about 10% in a snowfall amount on the snowstorm.     

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。