混合相层状云系模式和中尺度低涡云系的实例模拟

在Ａｎｔｈｅｓｅｔａｌ．的中尺度模式基础上引入胡志晋的双参数层状云模式并重新编制了程序，构成一个包含三种水相态和比较详细云物理过程的三维层状云系模式。为保持在较长时步中计算的稳定和精度，对微物理过程的计算采用混合格式，少数过程采用时间分裂格式，在相变过程的处理上设计了同时计算不同相态相变的参数化方案，按Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法设计了粒子下落格式。用干模式、积云参数化模式、两相显式模式和本文模式对两个中尺度低涡个例作了模拟，对比分析不同模式的模拟能力。结果表明本文模式对涡环流结构、云场和降水分布的摸拟比其他模式更合理，更接近实况。     

关于半拉格朗日半隐式大气模式的时步问题

讨论半拉格朗日半隐式大气模式中时步的限制,展示时步过大时用一般的首尾两点平均方案计算非线性源汇项的严重误差,提出精确的源汇项计算格式并作了特例计算和比较,讨论了被模拟的大气过程和波动的特征对时步的要求,指出柯朗数NC=C·△t/△X是大气模式时空步长匹配的重要参数.指出云降水和大气化学过程特征时间对相应的正定变量的计算时步的限制.     

中国近海大风极值计算方法研究

讨论了中国近海（渤、黄、东、南海）开阔洋面上求算不同重现期大风极值的资料和方法。在没有定点连续气象观测条件下，综合分析现有岛屿站观测、台风记录、船舶报告、数值模式计算风速，分别组成年大风极值序列，使用多种分布模型拟合大风序列，通过检验选定最佳取值。研究结果表明，在拟合各类大风序列时，三参数Ｗｅｉｂｕｌｌ分布显示较强的适用性；而由波浪谱模式和台风风场模式计算风速组成的序列求取不同重现期大风极值，计算结果稳定，气候分布合理。     

广州区域数值预报模式并行化计算

采用消息传递方式 (MPI) 对最近发展的广州区域数值预报模式进行了并行化计算研究。根据模式的结构和计算过程特点, 模式适合采用水平分区方案进行并行计算处理。在曙光3000并行计算机上分别采用一维和二维分区并行方案实现了模式的并行化计算, 并对模式的并行效率、并行加速比和并行通讯时间百分比等做了测试。对测试结果的分析表明:采用8个CPU时, 两种方案都能在1 h内完成72 h的预报, 一维分区方案的并行效率则保持在90 %左右, 可以满足业务运行需要。当模式使用8个以上CPU时, 通讯时间迅速增加并超过了计算时间的50%, 模式并行效率明显下降。CPU相同时, 模式一维分区并行方案比二维分区并行方案并行效率高且实现起来简单。     

应用于双向套网格模式的一种变格距差分解法

本文提出了一种用于双向套网格模式的变格距差分计算方案。该方案在不同格距的网格区采用不同精度的差分格式，它自然地连接粗细网格，避免了一般套网格方案在粗细网格相重合点上进行的重复计算。用解析法和数值试验证明了:它与其它一些变格距差分格式相比，对短波的穿透能力有明显改进，虚假的反射也较小。应用该方案建立了正压原始方程双向套网格模式，并采用空间分解和时间分解计算方法。这不仅使二维问题转化为二个一维问题，而且二维套网格也可简化为一维均匀网格和一维套网格两部分，从而使计算和程序简化。用理想场为初值所做的一系列数值试验表明，该模式中的波可以自由进出粗细网格区，计算稳定。最后，还用该模式做了台风路径预报试验，给出了一些试验结果。     

人工神经网络与遗传算法结合的时间序列预测模式

介绍了遗传算法的基本概念和流程，阐述了人工神经网络作为时间序列预测模式的可行性和不足之处，并提出了人工网络与遗传算法相结合的时间序列预测模式，最后给出了该算法的计算结果，并对结果和模式作了讨论。     

暴雨过程中积云对流反馈作用的诊断研究

根据各收支方程讨论，概述了各研究者采用直接和间接的方法，计算得出长江流域梅雨期暴雨过程中各源汇的空间分布特征。虽然个例，地区和资料不同，其结果各有差异，易比较，但次网格尺度运动对不尺度环境场的反馈作用均非常显著，因而在设计暴雨预报的数值模式时，参数化方案是必不可少的。     

POM对南海海温年变化的模拟

将Internet上的美国普林斯顿大学海洋模式（POM）改造为能够模拟南海（SCS）海洋要素的模式。在POM中,加入了真实的南海海底地形,使用了误差扣除的压力梯度计算方法,引进了海气界面上热通量计算方案,增加了前置和后置处理程序,使模式能够根据研究目的,模拟和预测海洋要素的时间变化及空间分布。利用改造后的POM模拟了南海海温的年变化,并进行了详细的分析和讨论。结果表明,改造后的POM可较好地模拟出南海海温的年变化特征,其模拟性能随季节而有不同。文中对模拟中存在的不足之处也进行了讨论。     

基于三次插值函数算法的时间积分方案与二阶时空余差数值模式——以原始大气运动方程与理想全球模拟个例为例

从大气运动原始方程和欧拉算符出发,用泰勒级数展开,给出二阶时空微商余项预报方程。进而讨论用三次插值函数——双三次曲面拟合求上游点的准拉格朗日时间积分方案与相应的二阶时空余差数值模式——“双三次模式”。则双三次模式是通过实现各个大气物理量场的二阶可导,从而可对预报方程做空间非线性(“三次”)时间离散积分,成为“双三次曲面拟合——时间步积分——双三次曲面拟合——……”一种新算法数值模式。讨论双三次数值模式的数学基础:三次插值函数及其数值分析极性定律用于数值模式。指出:双三次模式和谱模式都具有数学“收敛性”;而Coons双三次曲面具有对变量场拟合二阶可导“最优性”;和Hermite双三次曲面片具有对网格变量场二阶可导运算“等价性”。又指出:有限差分模式的中央差近似斜率和曲率,分别是三次样条斜率和曲率作“三点平滑”。双三次模式适合采用原始大气运动方程,适合采用准拉格朗日时间积分方案,并给出一个理想全球模拟个例。因大气运动本质上是非线性的,理论上可按变量场双三次曲面曲率判断,以采用符合物理诠释的局域或单点平滑,以保持模式时间积分稳定性。且未来容易实现全球多重/时变套网格双三次数值模式。      

论大气边界层的数值模拟方法

本文采用分层模式和连续模式模拟了一维、稳定的大气边界层中一些主要的气象变量随时间的变化规律,讨论了几种气象条件及下垫面条件下计算结果之间的差异,并且还讨论了常值湍流热通量层存在的条件及其高度随时间的变化,从而给出了两种模式适用的范围.     

雷暴下近地面电特性及其对人工引雷的影响

利用已建立的一维时变模式，对雷暴下近地面的电特性进行了计算。计算结果表明：由于地面的不规则性所产生的电晕电流密度可达２．０ｎＡ／ｍ＾２，由此而形成的空间电荷密度在１００ｍ密度以下可达１．１ｎＣ／ｍ＾３，传导电流可达３．５ｎＡ／ｍ＾２，并可延伸到１０００ｍ高度，形成０．１ｎＣ／ｍ＾３和１．０ｎＡ／ｍ＾２的电荷密度和电流密度。     

Fine-resolution simulation of cloud-to-ground lightning and thundercloud charge transfer

2-D 12.5 m-resolution simulations of cloud-to-ground (CG) lightning discharge processes have been performed using an improved stochastic lightning model for different types of cloud charge distributions, such as dipole, tripole, bi-dipole and multi-layer charge structures produced from the numerical simulation of thundercloud electrification. The modelling produced the fine branched channel structure of CG lightning and the results illustrate the relations between CG lightning channel propagation and cloud charge distribution. The simulated features of CG lightning are associated with the observed results. The simulation studies are essential in our understanding of complex charge transfer processes caused by CG lightning discharges in thunderclouds. The induced charges of opposite polarity are deposited or embedded in the local volumes where the bidirectional leaders passed during a CG lightning discharge. Although the embedding affects charge structure only in a pair of significant positive and negative charge regions closest to the ground, the electric field strength acutely weakens and electrostatic energy in thunderclouds is significantly consumed when the discharge terminates. In addition to simulating the upward and downward breakdown of the initial leader to ground and the ensuing return stroke (RS), the simulation assumes that current continues to flow in the channel to ground and determines the upward breakdown until the end of the discharge. For the subsequent discharge sub-process, the upward leader channel tends to transfer the charges with the same polarity as the RS, while the downward leader channel favors transfer of opposite charge to ground. In the sub-processes of a few CG flash simulations, the magnitude of the opposite charges from the downward leader exceeds that of charges with the same polarity from the upward leader so that the net charges transferred to the ground have a reversed polarity to the RS. The simulation presents similar features of CG lightning as those observed in realistic bipolar CG lightning.     

闪电先导三维自持发展模式的建立

为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用,该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时,进行自持发展模拟,计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中,其速度呈逐渐增加趋势,临近最后一跳发生前,上行正先导速度增加明显,整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级,电流强度随时间也具有逐渐增加趋势,该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。     

地面电晕离子对空中引雷始发过程的影响

利用已建立的“地面电晕离子的演化模式”对甘肃省平凉地区一次雷暴过程的空中电荷密度和环境电场的演化情况进行了模拟,发现地面尖端产生的电晕离子如果不被俘获便可在１ｍｉｎ左右内到达５００ｍ的高度上。对空中引雷火箭发射前的空中电场分析表明,引雷成功的关键除有足够长的导线以使导线两端的电场产生畸变外,另一个重要的条件是火箭－导线系统顶端能处于强的环境电场中以满足顶部流光的产生和持续传输。另外,低空较强的环境电场对火箭－导线系统下端下行流光的发展和空气间隙的击穿有重要的促进作用。一次空中引雷触发高度上的电场大于５０．０ｋＶ／ｍ,火箭－导线系统下行正流光持续传输的电场值为１９．０ｋＶ／ｍ,放电过程首先起始于火箭－导线系统下端正流光的产生。根据多年的实验资料,建议实际引雷试验时,以５００ｍ高度上的电场为参考来决定火箭的发射时刻,北方雷暴大于５０ｋＶ／ｍ,南方雷暴大于２５ｋＶ／ｍ。     

湖北地区一次雷暴云电荷结构和放电特征的数值模拟研究

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入非感应起电参数化方案、感应起电参数化方案以及放电参数化方案,对湖北宜昌2014年6月19日一次闪电过程中雷暴云电荷结构和放电特征进行了模拟分析。模拟结果表明,当云内粒子增多、增大,大部分霰粒子逐渐降落到中低层,上部正电荷区减小,底部正电荷堆范围开始扩大,中部负电荷区和底部正电荷区成为主要的起电区域,这种底部正电荷区较厚的三极性电荷结构不利于地闪的产生。在粒子带电分析中,霰与冰晶粒子携带的电荷量均大于云滴,说明霰与冰晶之间非感应碰撞是云中主要的起电过程。虽然云滴的电荷量较小,但霰与云滴之间感应碰撞的作用不可忽视。结合电荷结构的分布,发现底部正电荷堆的垂直分布高度与霰粒子、云滴的电荷浓度的分布有关,且霰与云滴电荷浓度的累积区与底部正电荷堆相一致。     

雷暴对流起电机制理论分析

本文用一维分层模式理论分析了地面降雨、尖端放电、对流运动以及云外电导率变化对雷暴电结构的影响。分析指出,云内对流强度明显地影响着雷暴电结构,强烈的地面降雨和尖端放电可使地面电场强度显著减小,甚至极性翻转。闪电和云顶附近的下沉气流是维持雷暴向上提供充电电流的重要条件。在雷暴中,对流起电机制是一个不可忽略的重要过程。     

Numerical Simulation to Evaluate the Effects of Upward Lightning Discharges on Thunderstorm Electrical Parameters

A theoretical discussion of the discharge effects of upward lightning simulated with a fine-resolution 2D thunderstorm model is performed in this paper,and the results reveal that the estimates of the total induced charge on the upward lightning discharge channels range from 0.67 to 118.8 C,and the average value is 19.0 C,while the ratio of the induced charge on the leader channels to the total opposite-polarity charge in the discharge region ranges from 5.9%to 47.3%,with an average value of 14.7%.Moreover,the average value of the space electrostatic energy consumed by upward lightning is 1.06×10^9 J.The above values are lower than those related to intracloud lightning discharges.The density of the deposited opposite-polarity charge is comparable in magnitude to that of the preexisting charge in the discharge area,and the deposition of these opposite-polarity charges rapidly destroys the original space potential well in the discharge area and greatly reduces the space electric field strength.In addition,these opposite-polarity charges are redistributed with the development of thunderstorms.The space charge redistribution caused by lightning discharges partly accounts for the complexity of the charge structures in a thunderstorm,and the complexity gradually decreases with the charge neutralization process.     

Modification of atmospheric DC fields by space charge from high-voltage power lines

Corona ion discharge is responsible for a flux of small ions emanating from an overhead power line capable of modifying the ambient electrical environment. The ensuing space charge can be detected as a change in magnitude of the earth's natural DC electric field at ground level. DC field mill meters were used to measure the vertical component of electric fields upwind and downwind of 132 and 400 kV power lines. Evidence of space charge blowing downwind of power lines was observed in 21 out of 22 cases. Time series measurements recorded in the downwind direction were highly variable with fields of higher magnitude compared to those recorded upwind. Model DC field profiles were used to estimate a lower limit to the space charge density at body height arising from power lines. The average lower limit was 3000 cm⁻³ excess unipolar charges. The result suggests that between 10% and 60% of outdoor aerosols gain excess charge by the attachment of corona ions. Downwind of a 400 kV line in Somerset that was prone to excessive corona discharge, the estimated mean lower limit excess unipolar space charge density was 6000 cm⁻³, suggesting that up to 100% of aerosols gain excess charge by the attachment of corona ions. Investigations into the time variation of DC electric fields around motorways and the natural diurnal variation of the earth's DC field were also undertaken and compared to the power line data. The results show that the power line time series are clearly distinguishable from typical examples of both types of field variation, demonstrating the relatively highly charged atmospheres that generally exist around high-voltage power lines. The results are of potential public health concern, because they suggest a degree of aerosol charging that may result in a non-trivial increase in lung deposition of inhaled pollutant aerosols.     

中国内陆高原地区典型雷暴过程的地闪特征及电荷结构反演

利用2002年夏季在青海省大通县进行的雷暴及闪电综合观测实验中所获取的6站GPS同步闪电电场变化资料,对8月4日一次下部具有大范围正电荷区的典型性雷暴过程的雷电特征进行详细研究。利用点电荷模式对16次负地闪和2次正地闪所包含的共65次回击所中和电荷源进行的非线性最小二乘法拟合研究发现,负地闪所中和的负电荷距离地面的相对高度在3~5 km,而两次正地闪所中和的雷暴云电荷在5~6 km的高度,表明该雷暴云呈三极性电荷结构。负地闪单次回击所中和电荷量平均为1.48 C,而两次正地闪都为单次回击且中和的电荷量分别为1.37 C和2.68 C。