大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

引入考虑凝结作用的连续性方程与积云对流参数化方案修正

文章研究了在热带海洋面上的水蒸发，发现水蒸发进入大气层将改变地面气压场，且蒸发潜热分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能)，蒸发内潜热立即成为大气热能的一部分，而蒸发外潜热直接对大气层作功，使得大气位能增加；研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对于环境气压场与位势高度场的直接影响。用郭晓岚积云对流参数化方案(已考虑凝结内潜热对大气的加热作用)，加入了考虑因大尺度凝结降水和积云对流参数化凝结降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化，后者应是凝结外潜热过程作用的结果。在上述研究过程中，必须引入考虑凝结作用的连续性方程，且最终可以改变有积云对流凝结降水发生的数值预报模式动力框架。     

单块积云对环境大气能量的转换和输送

本文建立了一个二维弹性积云数值模式,利用西太平洋考察的平均探空资料,采用能量学方法,讨论单块积云对环境大气能量的转换和传输,为积云参数化提供依据。 文中计算了积云发展演变过程中各种形式的能量的变化。结果表明在云演变过程中释放的凝结潜热是积云发展的主要能量来源,但积云对大尺度的反馈主要不是凝结潜热直接加热大气,而是通过对流及蒸发等过程使积云对流影响的整个区域内大气位势不稳定减小,而离云较远的地区层结变得更不稳定。     

非绝热加热对冷锋锋生过程影响的比较研究

本文利用半地转模式研究了非绝热加热对冷锋锋生过程的影响。计算结果表明，非绝热加热包括大尺度凝结潜热、积云对流加热和感热都可以在加热区诱发出附加的锋生场。从而使加热区内的锋区强度得到明显加强；三种加热都能使上升速度增大，其中大尺度凝结潜热释放可在锋前出现一条宽约２００ｋｍ的强降水带．积云对流加热可使上升运动区范围缩小或在低层出现中尺度雨带，感热加热是产生中尺度雨带的一种可能机制。计算还表明，大尺度凝结潜热对锋生过程的影响最明显。它可以影响锋生过程中所有物理量。而积云对流加热和感热加热只对位温场和垂直速度场有明显影晌。但影响程度没有大尺度凝结潜热大。     

台风中－α尺度重力惯性波的发展与暴雨增幅

通过数值模拟和诊断研究得出，９２１６号台风暴雨的增幅过程与台风中－α尺度重力惯性波的发展、传播，非均匀层结的分布以及积云对流潜热反馈有关。大尺度非线性平流项的作用激发出大尺度的重力惯性波，积云对流潜热加热作用导致非地转风场扰动大大加强，从而使重力惯性波波幅加大，上升运动增强，暴雨加大。当重力惯性波向稳定度减小的方向传播时，波能量最易加强     

用积云参数及数值预报产品作对流性降水量模拟试验

应用部分实时资料和数值预报输出产品，以积云参数化为基础，依据湿绝热过程中饱和湿静力能量守恒原理，并通过克拉贝龙方程转换，实现积云形成所需不汽凝结量及积云面积比等积云参数的计算，进而实现对流性降水量的模拟计算，对计算值再做经验订正，建立对流性降水量的经验预报公式，预报效果较好。     

论江淮气旋生成的一种机制

本文从理论上探讨了夏季江淮气旋生成的一种机制。理论分析和理论计算说明,江淮气旋的生成是积云对流与天气尺度的气旋性扰动间正反馈的结果,其机理类似于热带海洋上台风的形成。较深厚的积云对流所造成的凝结加热和涡度混合是气旋生成的主要原因。没有积云活动,仅仅是大尺度凝结加热不大可能促成这种气旋的生成。     

积云参数化和分辨率对MJO数值模拟的影响

用中国科学院大气物理研究所发展的一个大气环流模式,使用不同的积云参数化方案和分辨率进行了6个模拟试验,考察了积云参数化方案和模式分辨率对热带大气季节内振荡（MJO）模拟的影响。结果显示：积云参数化方案和分辨率都会影响MJO的模拟。但积云参数化方案决定了模式对MJO模拟的基本能力,决定了模拟的MJO的基本特征。分辨率的变化并不能使模拟的MJO发生本质的改变,分辨率的作用更多的是对MJO的模拟起一定的调制作用,而这种调制作用又受到积云参数化方案的制约。在改进积云参数化方案的基础上提高模式的分辨率会在某些方面改善MJO的模拟。但是分辨率的提高需要同时提高水平分辨率和垂直分辨率,单独提高水平分辨率会降低模式模拟MJO的能力,引入更多的小尺度的高频扰动。非绝热加热垂直廓线对模式模拟MJO有重要的影响,而非绝热加热廓线很大程度上取决于所使用的积云参数化方案。模式水平分辨率的变化不会对加热廓线的结构产生明显的影响,而垂直分辨率的变化会对加热廓线的垂直结构产生一定的调制作用,进而对模拟的MJO起到调制作用。     

台风凤凰形成发展过程中对流凝结潜热和感热的作用

应用NCEP再分析资料,计算分析了台风凤凰发生和发展过程中的积云对流潜热加热和海面感热通量.表明:感热释放通过海气相关作用使海面风及对流层涡度增强,可能是台风初始低压的形成机制;积云对流潜热释放不但使台风中心增暖并使台风中间层上升运动增强,从而促使台风加强和发展,因此,对流凝结潜热是台风凤凰维持和发展的主要热力和动力因子.     

临汾地区雷暴的一种预报方法

关于积云的理论研究和实际观测指出,积云发展的主要能量来自大气的静力不稳定度.实践证明用气块法表示大气不稳定度来作积云发展和雷暴天气的预报,往往失败,其原因是因为影响积云发展和产生雷暴天气的因素很多,除了特定地形、天气形势下的辐合辐散、锋面和中小尺度系统外,在积云生成和发展中,还有湍流、云外补偿性的下沉气流以及挟卷作用等,但在目前全面地去考虑或计算它们的影响有一定困难.     

南海地区中层气旋生成的斜压不稳定与CISK机制

本文所用的动力学模型是在给定切变基本流情况下,加进积云加热效应。结果表明斜压不稳定扰动的临界波长,因积云加热作用而明显变短,当积云加热达每天3.5度时,扰动发展的尺度和中层气旋的尺度是吻合的。在本文的后一部份,考察了积云对流的摩擦作用,结果也得出扰动的不稳定性,但一般而言,积云摩擦对扰动是起阻尼作用的,当摩擦造成的次级环流产生不稳定的加热效应时,摩擦可促进不稳定发展。      

Tropical sea surface temperature: An interactive one-dimensional atmosphere-ocean model

Because the atmosphere and ocean are interacting systems, it is inappropriate to specify sea surface temperature when dealing with the atmosphere, or atmospheric anemometer level temperature and moisture when dealing with the ocean. All of these quantities should be determined interactively in terms of the external forcing: the solar constant.In the tropics, it is shown that the (cumulus) convective processes may be described by a one-dimensional cloud model. The near-surface ocean may similarly be described by a one-dimensional mixed-layer model. The coupling is achieved through a sea surface flux budget combined with the flux parameterizations implied by Monin-Obukhov similarity theory.The coupled one-dimensional atmosphere-ocean model is applied to the equilibrium situation in which all temperatures reach a steady state. Since the ocean, lacking an internal heating or cooling mechanism, can only be heated or cooled through sensibleheat fluxes through the sea surface, in equilibrium these fluxes must vanish. The atmosphere, however, maintains a stable lapse rate by balancing cumulonimbus heating against net radiative cooling. All water precipitated from cumulonimbus clouds must have evaporated from sea surface. It is shown that this equilibrium system is closed and determinable solely in terms of the solar constant.For various values of the solar constant, the sea surface temperature, the flux of latent and sensible heat from the surface, the height of the tropopause, mixed layer, and trade inversion layer, and generally, the entire vertical structure of the tropical atmosphere and near-surface ocean can be determined. The equilibrium sea surface temperature is shown to be relatively insensitive to changes in the solar constant, additional solar flux being compensated mainly by additional evaporation. Finally, the usefulness and limitations of the model are pointed out.     

A DIAGNOSTIC STUDY OF AN EXPLOSIVELY DEEPENING OCEANIC CYCLONE OVER THE NORTHWEST PACIFIC

The vertical motions and secondary circulation of an explosively deepening oceanic cyclone,which oc-curred over the Northwest Pacific Ocean and was in conjunction with 200 hPa-level jet stream and hascentral pressure falls of 33.9 hPa/24h,have been computed from seven-level nonlinear balance model and Saw-yer-Eliassen-Shapiro equation for the transverse ageostrophic circulation.The vertical motions are partitionedinto contributions from large-scale latent heat release,effect of cumulus heating,thermal advection,differen-tial vorticity advection,etc.,while the secondary circulation stream function is partitioned into contributionsfrom geostrophic deformation,transfer of momentum and heat in the area of cumulus and diabatic heating.The principal results are the following.Large-scale latent heat release is very crucial to the explosive de-velopment of cyclones.If there is enough transfer of moisture,the positive feedback process between ascentof air and large-scale heating would work.The cumulus heating and the transfer of momentum and heatin the area of cumulus play an important role during the explosively deepening stage.Thermal advection isthe initial triggering condition for large-scale heating and the conditional instability for the convection ofcumulus.     

地面热通量对降水的影响

本文利用一个10层细网格模式,在考虑边界层摩擦和积云对流参数化的基础上,设计了几种方案,就地面热通量对暴雨系统的影响进行敏感性试验,得出以下初步结果:(1)在一定的环境流场下,地面热通量对最大降水的发生时间可能发生影响,可使午后降水减小,凌晨降水加大;(2)地面热通量对降水影响的主要机制是通过改变近地层的层结稳定度来改变地面湍流系数,并与低空急流中心风速的水平分布不均相耦合,造成水平散度场和水汽辐合场的改变,并通过平流作用将此变化了的场移至雨区上空,引起雨区降水条件的改变;(3)云和CO_2对辐射和地面热     

加热效应对南海季风低压垂直环流的贡献

人们对季风低压的研究大多是限于印度季风低压,而对南海季风低压研究甚少。近年来作者用合成法对南海季风低压的结构做了一些研究,同时根据FGGEⅢB资料用涡度方程和扰动动能方程做诊断分析,讨论了南海季风低压的发生发展过程。结果表明:对于南海季风低压的形成和维持,积云对流和环境场的作用有着重要贡献,而斜压不稳定和正压不稳定的贡献很小。     

西北太平洋温带气旋爆发性发展的热力-动力学分析

利用天气、位涡分析和导出的Lagrangian型广义Z－O发展方程的诊断分析,考查了两个西北太平洋温带气旋爆发件发展的主要强迫机制和热力一动力空;司结构。结果表明,热力强迫对爆发性气旋发展起主要控制作用,当反映大气斜乐性的Laplacian温度平流、积云对流和湍流加热为主的热力强迫共同作用使地转相对涡度急剧增长时,气旋便出现了爆发性发展,其中积二尺度的对流加热贡献更大。Laplacian绝热冷却、大气向海洋的感热输送和摩擦效应起阻滞发展的作用,也是控制气旋衰亡的主要过程。爆发性发展启动同子因例而异,涡度平流、Laplacian温度平流和Laplacian大尺度加热均可成为主要启动因子。垂直积分平均分布和垂直结构考查进一步佐证了诊断分析的结果,并揭示了气旋爆发性发展过程中一些重要的热力-动力学分布特征。     

初夏华南两类季风槽的对比研究——1.诊断分析

本文采用多层非线性平衡模式及动能平衡和能量转换方程对华南两类季风槽进行了对比研究。研究表明,陆上类风的无辐散部分引起的垂直运动是基本的,而大尺度凝结加热和积云对流加热引起的垂直运动有很大的增幅作用,海上类垂直运动场主要靠弱积云对流维持。两类季风槽内辐散风的动能制造及次网格尺度效应都是主要的动能源,而无辐散风则引起负的动能产生。两类季风槽内都有一致的正斜压转换。      

“98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断

1998年7月20~23日 (“98.7”) 发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程, 不仅与700 hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关, 而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。利用非静力模式MM5.V2.12成功模拟提供的高分辨输出资料对这次特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支进行了诊断。结果发现:当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q₁和视水汽汇Q₂出现, 而强的Q₁与Q₂和强降水区基本是对应的; Q₁随高度增高而增大, 最大加热位面基本上都在486.1 hPa (σ=0.54) 附近; 在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生、发展的一种重要热力机制; 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气; 在暴雨初期, Q₂的双峰结构与低空层积云及中空积云对流凝结变干有关; Q₂的中空峰值大体与Q₁的峰值相应, Q₂的深厚变干层与Q₁的深厚加热层非常一致。 诊断结果表明, 用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q₁和Q₂进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q₁和Q₂的诊断, 可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线提供可靠的物理依据。     

IMPACTS OF CUMULUS PARAMETERIZATION AND RESOLUTION ON THE MJO SIMULATION

Madden-Julian Oscillations (MJO) in six integrations using an AGCM with different cumulus parameterization schemes and resolutions are examined to investigate their impacts on the MJO simulation. Results suggest that the MJO simulation can be affected by both resolution and cumulus parameterization, though the latter, which determines the fundamental ability of the AGCM in simulating the MJO and the characteristics of the simulated MJO, is more crucial than the former. Model resolution can substantially affect the simulated MJO in certain aspects. Increasing resolution cannot improve the simulated MJO substantially, but can significantly modulate the detailed character of the simulated MJO; meanwhile, the impacts of resolution are dependent on the cumulus parameterization, determining the basic features of the MJO. Changes in the resolution do not alter the nature of the simulated MJO but rather regulate the simulation itself, which is constrained by cumulus parameterization schemes. Therefore, the vertical resolution needs to be increased simultaneously. The vertical profile of diabatic heating may be a crucial factor that is responsible for these different modeling results. To a large extent, it is determined by the cumulus parameterization scheme used.