大涡模拟试验中台风梯度风平衡分析

尽管经典台风强度理论是基于梯度风平衡模型,但是已有的飞机观测资料和数值模拟研究发现,边界层中和眼墙附近存在非梯度风平衡气流,前人数值模拟发现,眼墙附近最大的超梯度风可以达到切向风速的16.7%。大涡模拟可以模拟出滚涡和龙卷尺度涡旋等小尺度系统,这些小尺度系统对梯度风平衡可能产生影响,使用中尺度天气预报模式结合大涡模拟（WRF-LES）对模拟台风内核区域方位角平均的梯度风平衡进行了分析,三个大涡模拟试验的水平分辨率分别为333 m、111 m和37 m,结果表明非梯度风平衡气流并未因为分辨率提高而显著增强或产生结构差异,最大超梯度风出现在边界层顶处最大切向风半径的内侧,达到梯度风速的10.8%~16.1%。进一步分析发现,不同台风中心定位方法会影响非梯度风平衡气流,最小气压方差法和最大切向风法可以得到与前人模拟一致的结构,而气压权重法得到的低层超梯度风中心远离眼墙、靠近台风中心,位涡权重法得到的低层超梯度风的径向范围向内扩大,最小气压方差法和最大切向风法更适合用于梯度风平衡研究中的台风中心定位。     

有地形模式中气压梯度力误差和扣除法的模拟试验

在现有有地形的数值模式中，陡峭地形区气压梯度力的计算存在一个普遍问题，即计算精度较高的格式比较繁琐而费时，简单省时的格式又精确和不稳定，为解决这个问题，作者等在最近提出了一种方法，称为气压梯度力的误差扣除法，该方法假定：气压梯度力的计算误差主要来自地形而与气压形势关系较小，用理想场对该方法进行检验后表明，这一方法是成功的。     

湖北大畈核电站周边地区龙卷风参数的计算与分析

通过气象站记录、灾害大典、气候影响评价等多种途径,收集了核电站周边地区的300 km×300 km区域1956—2000年间的龙卷风资料,并根据《核安全导则汇编（上册）》规定的方法详细计算了龙卷风各个参数间的关系,最后给出核电站的龙卷风设计基准参数,即最大风速为70 m/s（对应概率为1×10-8）,平移速度13.5 m/s,旋转半径206 m,最大气压降9.9 hPa,设计基准等级为F3级,这些结论已在设计部门得到应用。     

热带风暴"米克拉"异常路径特征及原因分析

利用高空和地面常规资料、地转引导气流及热带风暴受力平衡中各力的分解,对"米克拉"异常路径进行分析,指出东移的西风槽影响着副高的进退,热带风暴移动路径主要受大型气压梯度力所牵引,并在台风内力作用下右偏于地转引导气流方向;热带风暴沿着高空正涡度的长轴移动.     

1950—2009年夏季菲律宾低空越赤道气流的变化特征

利用1950—2009年NECP/NCAR的月平均经向风再分析资料,根据夏季(6—8月)菲律宾低空越赤道气流的特征,定义了该支气流的强度指数IS和位置偏移指数IL,并根据这两个指数分析了菲律宾越赤道气流的时间变化特征及对应的环流特征,以及其与亚洲夏季降水的关系。结果表明,IS主要呈现弱、强、弱、强的年代际变化特征,IL主要呈现振荡、稳定、径直转向的年代际变化特征。IS与由低层澳大利亚高压北侧冷空气活跃和西太平洋副热带高压减弱所造成的经向气压梯度的变化有关,IL与澳大利亚地区和赤道低槽区高、低层的南北气压梯度有关。IS与印度尼西亚、孟加拉湾南部、热带西太平洋和澳大利亚东部的降水关系密切,IL与孟加拉湾和中国南海南部的降水关系密切。此外,IL与澳大利亚上空的垂直运动具有密切联系。     

关于爆炸影响气流的力学效应

本文从分析爆炸产物中最强有力的冲击波对介质的作用性质入手,来探求爆炸对介质气流的作用力。发现在序列定点爆炸时,除了随时间变化着的压力波动外,在炸点周围可以形成一个平均等效压力场。这个压力场在大约半径为100m的范围内所具有的气压梯度力,相当于扰动温度为-2℃的负浮力,在爆炸点与云内上升气流配置适当时,可以在这个范围内把3—4m/s的上升气流制动到零。     

灾害性天气过程中气象要素小尺度水平梯度分析

利用深圳机场跑道两端气象观测资料,统计了气象要素年平均小尺度水平梯度变化,并选择4个典型灾害性天气过程,分析不同天气条件下水平梯度变化的特征.两站气象观测记录的年平均值在探测精度范围内是相等的,标准差、偏度系数、峰度系数等的变化一致.年平均水平气压梯度为0.0064hpa/km,温度年平均水平温度梯度为0.035℃/km,年平均水平风速梯度1.1×10-4/s. 飑线过程中水平气压梯度可达年均值的170倍以上,水平温度梯度最大0.6℃/km,风速最大相差8m/s,相当于5.3×10-3/s的水平风速梯度;强对流过程中气象要素及其水平梯度变化与飑线过程的基本一致;连续暴雨过程可以出现0.15hpa/km水平气压梯度、0.5℃/km水平温度梯度以及90°的风向偏差等稳定持续10小时的现象;冷空气影响期间0.1hpa/km的水平气压梯度可以持续30小时以上.     

冬半年华南动力性稳定层的探讨

本文研究冬半年华南时常出现的一类稳定层,该稳定层具有上层偏北气流暖而干,下层偏南气流涼而湿的特性,它的出现始于秋而终于初夏,范围较大,时间持久。 该类稳定层的生成是上层偏北气流下沉绝热增温和下层偏南气流上升绝热降温共同作用的结果。它的生长和消失决定于东亚大型天气过程。 华南冬季对流层大气具有三层流场的结构,即近地面的东北气流和其上一层的西南气流,以及对流层上半部的偏北气流。在春季则具有低空偏南气流及其上偏北气流的两层流场结构。这种流场结构,东亚大地形所起的作用是相当重要的。本文所讨论的稳定层就是这种流场结构下的产物。     

有地形模式中气压梯度力误差扣除法

：在现有有地形的数值模式中，陡峭地形区气压梯度力的计算存在一个普遍问题，即计算精度较高的格式比较繁琐而费时，简单省时的格式又不精确和不稳定。为解决这个问题，作者等在最近提出了一种方法，称为气压梯度力的误差扣除法。该方法假定：气压梯度力的计算误差主要来自地形而与气压形势关系较小。用理想场对该方法进行检验后表明，这一方法是成功的。本文则用气候模式对作者提出的有地形数值模式中气压梯度力的误差扣除法进行了模拟检验。所用模式是作者等使用多年的Ｐ－混合坐标系５层模式，选用了四种气压梯度力的计算格式，即ＤＤＤ格式、Ｃｏｒｂｙ格式、平均温度格式和经典中央差格式。比较了这四种格式在有无误差扣除时的模拟结果，发现：对于计算精度较高的格式，如ＤＤＤ格式、Ｃｏｒｂｙ格式及平均温度格式，有无误差扣除的结果相差不大，但误差扣除法仍可在一定程度上改善模拟效果。对于计算精度差的格式，如经典中央差格式，在无误差扣除时计算不稳定，得不到模拟结果，进行误差扣除后，从根本上提高了其计算精度，因而也提高了计算的稳定性，达到了较满意的模拟效果。而且与其它格式的模拟结果相当接近。本文提出的误差扣除法可同时用于格点模式和谱模式。     

一次罕见黄渤海大风天气成因分析

利用气象常规资料、风廓线资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2015年10月1日黄渤海罕见大风天气成因进行分析。结果表明:较强冷空气与快速发展的入海气旋相互作用形成强气压梯度是导致此次海上强风的主要原因。对流层中低层强冷平流区与地面变压风大值区有较好的对应关系。上下相接的整层冷平流有利于地面形成强气压梯度和变压梯度。气压梯度在大风形成的初期起主导作用,变压梯度有利于强风的维持。本次过程出现明显动量下传现象,大风形成初期,500~1000m出现低空动量下传并影响地面风场,高空槽过境后,2000m以上的高空动量能够影响地面风场。风廓线观测到低层强风并伴有强的下沉运动,可以作为海上大风临近预警的指标之一。     

福清核电厂厂址区域龙卷风设计基准参数的估算

基于1959～2017年福清核电厂区龙卷风的调查资料,采用Rankine涡模型估算该区域超过某一特定风速的概率分布,通过概率值导出设计基准龙卷风和基准设计风速,按照压降模型计算出龙卷风的压降,研究结果表明:福清核电评价区域龙卷风的总压降为4.29 kPa;平移速度13.8 m/s,最大旋转风速57.6 m/s,最大压降速率为1.18 kPa/s,基准设计风速为71.4 m/s,属于F3级别的龙卷风;在125 kg下落的穿甲弹类和2.5 cm实心钢球两种不同情景下计算出的龙卷风产生的飞射物的最大水平碰撞速度均为24.99 m/s、碰撞动量依次为3123.75 kg m s?1和1.615 kg m s?1。这些计算结果,从龙卷风的角度,为政府相关部门在规划和建设福清核电厂时提供了可靠的理论依据。     

风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

Air Flow Structure Over Short-gravity Breaking Water Waves

Despite its importance for momentum and mass transfer across the air–sea interface, the dynamics of airflow over breaking waves is largely unknown. To fill this gap, velocity and vorticity distributions above short-gravity breaking waves have been measured in a wind-wave tank. A Digital Particle Image velocimetry technique (DPIV) was developed to accomplish these measurements above single breaking waves, propagating in mechanically-generated wave groups and forced by the wind. By varying the wind speed and initial characteristics of the groups, the airflow structure was captured over waves at different stages of the breaking process, and breaking with various intensities. The instantaneous airflow that separates from a sharp breaking crest is very similar to that occurring over a backward facing step. The separation bubble is however strongly unsteady: the steeper the wave crest and the larger the Reynolds number based on the crest-height, the higher the separated layer and the farther downwind the reattachment point. Instantaneous flow topology displays specific features of three-dimensional separation patterns. The tangential stress above the wave profile does not exhibit spikes at reattachment but grows progressively downwind from zero at reattachment to a value at the next crest approximately that found at the upwind breaking crest. Static pressure measurements revealed that large pressure falls are generated by vortices in the separated layer, as found in separated flows over solids. This study may provide useful data for theoretical and numerical modelling of the flow and associated phenomena.     

2013年7月7日苏皖龙卷环境场与雷达特征分析

以雷达探测资料为主,结合探空资料、天气图和地面灾情,对2013年7月7日苏皖2省交界处的龙卷进行了分析。结果表明：⑴龙卷是在低层有明显的风切变的有利形势下产生的,环境场具有较强的对流不稳定性、大的低层垂直风切变和较低的对流凝结高度。⑵反射率因子在60 dBZ左右;速度图上有正负速度对,低仰角的转动速度〉13 m·s-1;近地面相邻像素间速度差〉11 m·s-1,满足TVS速度差的最低阈值要求;天长龙卷和高邮龙卷都是发生在风暴发展极为旺盛后的1~2个体扫内,也发生在VIL比较大而下降到40~45 kg·m-2左右之时;天长龙卷发生在连续多个TVS之后,高邮龙卷发生在中气旋下降和TVS出现之时。风暴参数和TVS参数表征的指标越强越有利于龙卷的发生,影响范围也越大。⑶这次龙卷验证了出现龙卷的各项雷达识别指标：最强回波在6 km以下;有气旋性辐合,低仰角旋转速度〉13 m·s-1;既探测到中气旋也探测到TVS。⑷对经典龙卷概念模型进行简化,建立的简易模型证实了传统的龙卷风暴概念模型,给出了龙卷发生在TVS靠近上升气流一侧的解释。     

ON ENVIRONMENTAL CONDITIONS OF THE GENESIS OF TORNADO IN THE ZHUJIANG RIVER DELTA IN SPRING

Using observational data and the data of disastrous investigation of tornado in Zhujiang River Delta and Guangzhou's sounding from March to May of 1976-1983, the environmental conditions of genesis of tornado are analysed and compared with those of nontornadic local storm.It is found that the favorable conditions of genesis of tornado are lower pressure, unstable stratification and stronger wind in the deep layer of troposphere and higher temperature and humidity in low level, among which, lower pressure, more unstable stratification and layer wind are primary conditions for a severe local storm to possibly develop into a storm with accompanying tornado.The tornado mechanism is not related to vertical wind shear.     

Note on the Growth Rate of Water Waves Propagating at an Arbitrary Angle to the Wind

The dependence of the turbulent airflow over water waves on the angle,, between mean wind and wavedirections is investigated. To this end,an existing semi-analytical model is extended. In this model, the main simplification of the problem is obtained by using the well-established divisionof the wave boundary layer into inner and outer regions for modelling turbulence. The effect of waves on turbulence is restricted to the thin inner region. Simulations show that the influence of the wind speed component transverse to the wave direction on the air flow, and hence on the growth rate of the waves, is small. This is confirmed by calculations with a numerical model that solves the full Reynolds equations using a second-order turbulence closure scheme. The growth rate of slowly moving waves (as compared to the wind speed) is then proportional to cos², whereas, for faster waves, it has a narrower angular distribution.     

2013年3月20日广东东莞罕见龙卷冰雹特征及成因分析

利用常规观测、NCEP/NCAR再分析、多普勒天气雷达及自动气象站资料等,对2013年3月20日发生在东莞的一次罕见龙卷、冰雹等致灾性强对流天气过程进行分析。结果表明：1）龙卷过境时的单站气压、温度、风向风速与雷雨大风过境时明显不同,前者具有较典型的龙卷特征。2）华南地区高低空强的风随高度增大的垂直变化、上干下湿的位势不稳定层结以及低层高湿、增温为对流天气发展提供了有利的环境条件,冷空气南压和近地面边界层中小尺度辐合系统为其提供了触发机制。3）中等强度的对流有效位能（CAPE）、强的0-6 km深层垂直风切变以及较强的0-1 km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性。4）龙卷、冰雹强对流风暴的发展加强与近地面边界层中小尺度辐合系统加强有密切关系。5）同时出现冰雹、大风、龙卷时,最强回波为72 dBz;龙卷出现在超级单体的钩状回波附近,更靠近后侧V形缺口;多时次观测到三体散射（TBSS）回波,与降雹对应;反射率垂直剖面图上可见明显的低层弱回波区、中高层回波悬垂,有界弱回波区（BWER）先于龙卷20多分钟出现。径向速度图上,龙卷出现时超级单体风暴同时具有龙卷涡旋特征（TVS）和中气旋特征。     

Experimental Study on Effects of Ground Roughness on Flow Characteristics of Tornado-Like Vortices

The three-dimensional wind velocity and dynamic pressure for stationary tornado-like vortices that developed over ground of different roughness categories were investigated to clarify the effects of ground roughness. Measurements were performed for various roughness categories and two swirl ratios. Variations of the vertical and horizontal distributions of velocity and pressure with roughness are presented, with the results showing that the tangential, radial, and axial velocity components increase inside the vortex core near the ground under rough surface conditions. Meanwhile, clearly decreased tangential components are found outside the core radius at low elevations. The high axial velocity inside the vortex core over rough ground surface indicates that roughness produces an effect similar to a reduced swirl ratio. In addition, the pressure drop accompanying a tornado is more significant at elevations closer to the ground under rough compared with smooth surface conditions. We show that the variations of the flow characteristics with roughness are dependent on the vortex-generating mechanism, indicating the need for appropriate modelling of tornado-like vortices.     

2019年4月13日广东徐闻强龙卷天气分析

利用常规高空地面观测、广东省区域加密自动站、湛江多普勒雷达以及FY-4A高分辨可见光云图等资料对2019年4月13日广东省湛江市徐闻县EF3级强龙卷过程进行分析。结果表明:强龙卷发生在低纬地区海岸带附近,路径长约16 km,历经"三次陆上、两次海上"的复杂过程,持续约36 min。产生龙卷超级单体的中尺度对流系统出现在地面暖低压槽前、中低层显著西南气流和偏南急流汇合处;环境条件表现为强的垂直风切变、低的抬升凝结高度、大的风暴相对螺旋度和能量螺旋度,地面存在触发对流的中尺度辐合线和小尺度涡旋。龙卷罕见地经过徐闻县和安镇政府自动站,该站受到龙卷涡旋不同部位影响,风向随时间呈顺转—逆转—顺转的变化特征,并测到15级强风;气压和气温陡降,平均气压、平均气温最大降幅分别为2.6 hPa·(5 min)^-1、1.7℃·(5 min)^-1。龙卷发生在一个主要伴随正地闪、高质心的超级单体风暴中,钩状回波和回波悬垂特征明显,并伴有低层强中气旋和龙卷涡旋特征;中气旋强度和顶高呈反位相变化,3次(2次)强度峰值(谷值)和3次(2次)顶高谷值(峰值)正好与龙卷3次(2次)陆上(入海)活动时间对应,龙卷在陆地上(海面上)时,中气旋较强(较弱)、顶高较低(较高)。龙卷出现在钩状回波顶端、β中尺度对流系统上风侧TBB梯度最大处、水汽羽之下和中气旋底高低于500 m期间。