非对称的非绝热加热对热带气旋移动影响的数值研究

采用中尺度数值模式（MM4）,以9414号台风为个例,应用卫星资料,引入非对称的非绝热加热,讨论其对9414号台风移动的影响。计算结果表明,引入与实况吻合的非对称非绝热加热分布后,该台风的路径预报和降水预报有明显改进,若同时考虑台风范围初始水汽场的非对称分布,这种改进作用尤为明显。从业务应用考虑,还构造了几种典型的螺旋状结构的非绝热加热计算方案引入模式的热力过程中,结果表明:不同螺旋状结构的加热分布对台风的移动有不同的影响,当选择与实况云系分布相近的螺旋状结构时,也可提高台风路径预报正确率,可应用于业务模式。     

水汽和潜热释放对背风波影响的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS进行了理想场的数值模拟,分析研究了水汽和潜热释放对大气层结稳定度的影响以及其在背风波的发展和演变过程中的作用,研究发现,潜热释放对大气层结分布的影响要远大于水汽对大气层结分布的直接影响,如果没有潜热的释放,水汽对背风波的发展和演变的作用非常小,而潜热释放可以使湿层结稳定度急剧下降,迅速破坏原有的层结分布,使这个区域出现非拦截的强烈的垂直运动,波动的崩溃更加迅速和明显。但需要说明的是在试验中,将数值模式里控制潜热释放的参数设为:0、1/2、2的假定情况,则在实际的大气运动过程中是不可能存在的。     

第四讲:热力学量和非绝热加热率的计算

大气运动包含着动力学和热力学过程。热力学过程受许多气象因素制约,其中水汽的时空变化极大,水汽的作用使热力学过程趋于复杂化。非绝热过程是影响大气运动演变至关重要的因素,大尺度气流对非绝热强迫的反应可在几天后出现。在物理量诊断分析及数值预报模式的设计中,均要考虑大气中辐射盈亏、水汽凝结和感热输送等物理过程。本讲分两部分:第一部分主要介绍大气中的热力保守量的计算以及构造γ_m 曲线(湿绝     

印度夏季风垂直环流圈的数值试验

为了研究山脉、非绝热加热、特别是大气湿非绝热过程(水汽凝结、云与辐射过程的反馈和积云对流过程等)对印度季风垂直环流的影响,本文利用一个五层原始方程模式,对印度季风中断和活跃过程分别进行了五种数值试验。试验中采用了实际地形,初始场取自FGGE—3B格点资料。结果表明:包括湿过程的非绝热加热作用对沿80°E附近的经向垂直环流的结构和强度有重要影响。当减少大气中的水分含量或略去积云对流过程或去掉整个非绝热过程时,季风环流圈的范围和强度均减小。季风中断与季风活跃时期,山脉与不同季风环流相互作用的结果也不同,中断时期,在印度中部有山试验比无山试验的上升运动弱、降水量少;活跃时期则相反。     

中国大陆夏季水汽稳定同位素空间特征

大气降水的水汽来源主要是海洋,而借助降水稳定同位素空间分布格局可以反演水汽输送路径,进而示踪水汽来源。利用全球降水同位素监测网数据,基于GIS平台完成了中国大陆夏季大气降水δD、δ¹⁸O和过量氘空间格局表征。中国大陆夏季氢氧稳定同位素空间分布存在着地域分异,其成因与不同水汽源及诸多环境效应密切相关。非季风区内的西北内陆高值中心与欧亚大陆自蒸发及经由西风带输送的大西洋水汽相关,青藏高原高值则是由高程效应所造成。季风区内大气降水稳定同位素总体呈现出自东南向西北递减趋势,多由纬度效应、大陆效应共同作用而形成;我国西南地区氢氧稳定同位素明显低于同纬度东南地区的,西南地区地形复杂和气流暖湿造成的雨量效应应该是主因。过量氘空间格局则与中国大陆三大气候带分界线基本吻合,区分了西北内陆低值区、青藏高原高值区及东部的自西南向东北递减趋势显著区。依据季风区内大气降水过量氘空间分布特征,大体推断出中国大陆西南夏季风与东南夏季风的区域影响分界可能在"长沙—西安"一线附近。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. I：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7~8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330~360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

经圈环流在大气对SSTA强迫响应中的作用

本文建立了一个包括经向Hadley环流作用的简单半谱模式并从1982年欧洲中心的客观分析资料中得到全球纬向平均场。经一系列数值实验发现，当SSTA处于赤道地区时，由它强迫产生的波动可以同时向南北半球传播。但若考虑经向Hadley环流（υ）的作用，波传播的空间位相和振幅就有比较明显的变化，并更接近于实际大气环流异常情况。当非绝热加热源位于偏离赤道的南北半球时，实验结果表明，如果不考虑Hadley环流，南北半球的非绝热加热很难在另一半球产生强的大气响应；考虑了Hadley环流后，则非绝热加热产生的波动可向另一半球传播。数值实验结果还表明，夏季当非绝热加热源的位置改变时，大气对其改变的响应不明显，而冬季大气对非绝热加热源的纬向位置的响应却非常敏感。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. II：向平流层的绝热和非绝热传输

夏季7～8月青藏高原及周边地区上对流层水汽质量的年际异常分布为整体异常型和东西偶极异常型所主导。本文基于ERA-Interim再分析资料并利用HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）轨迹模式,分析了两个主导分布型对应的水汽质量向平流层绝热和非绝热传输的异常特征,结果表明:青藏高原上空水汽质量整体偏多（少）时,对应南亚高压和青藏高原地区垂直向上的水汽质量非绝热输送偏强（弱）,青藏高原及周边水汽质量向平流层的绝热和非绝热传输均偏强（弱）。水汽质量整体偏多与偏少年,水汽质量向平流层绝热和非绝热传输的主要区域和层次相近,只是水汽质量整体偏多年,水汽质量向平流层非绝热传输的层次略高。当青藏高原上空水汽质量呈西多/东少分布时,对应南亚高压偏西,青藏高原西北、东北侧水汽质量向中纬度平流层的绝热传输偏强,青藏高原南侧高层水汽质量向热带平流层的经向绝热传输也偏强,而青藏高原北侧水汽质量向中纬度平流层的经向绝热传输明显减弱。同时青藏高原主体上空水汽质量向平流层的非绝热传输偏强,而青藏高原南侧高层和北侧低层水汽质量向平流层的非绝热传输偏弱。水汽质量呈西少/东多分布时有相反的结果。轨迹模式模拟的结果证实了水汽质量整体偏多年,青藏高原及周边地区绝热进入平流层的轨迹频次偏多;也证实了水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西北、东北和南侧绝热进入平流层的轨迹频次偏多,而青藏高原北侧绝热进入平流层的轨迹频次偏少。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常.Ⅰ：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7～8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330～360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。     

三维多层流过山产生的山地重力波研究

为了研究了三维多层气流过山产生的三维山地重力波和大气船波动力学理论,在本文中,改进了一个多层流过山的三维山地重力波的线性理论计算模式,分析了三维多层流过孤立山地产生的三维山地重力波和大气船舶波的物理机制及其表现特征。揭示了多层流过孤立地形产生发散模态和横波两种模态拦截背风波的气象条件,增强了人们对山地重力波动力学的理解和对山脉重力波及其相联系的山脉天气的预测能力。     

三层模式中风场对背风波的影响

为了研究风场对背风波的影响,针对边界层附近为弱稳定层结的背风波,建立了一个三维三层的理论模型和线性计算模式,分析了各层中风速和风向的变化对背风波特征的影响,揭示了气流过孤立山脉产生背风波的有利风场条件。结果表明：背风波的波长、振幅等特征对各层风速和风向的变化具有相当的敏感性,波长随着低、高层风速的增大而增大,随着中层风速的增大先减小后增大;振幅随着低、中层风速的增大先增大后减小,随着高层风速的增大而增大。此外,风速和上下层风向切变的增大均使背风波的形态逐渐由横波型转为辐散型,但是上下层风向的切变对背风波形态的影响比风速更为显著。     

条件不稳定湿大气中三维理想地形上空对流的动力学特征

条件不稳定湿大气情况下,气流经过三维地形可以形成不同性质的对流系统以及不同特征的地形流结构,其对流系统、地形流的性质主要取决于地形上空的对流触发、对流-地形流-重力波三者之间的相互作用,同样这些过程对于地形降水的性质、分布起重要的作用.根据不同湿Fr数(Froude number),湿条件不稳定大气经过三维小尺度山地上空时其对流和地形流动存在4种不同的流域(flow regirnes):(1)下游传播对流模态;(2)上游传播和下游传播共存对流模态;(3)山峰附近准静止和下游传播共存对流模态;(4)下坡稳定和下游传播对流共存模态.地形上空对流系统主要可以通过两种不同机制形成:(1)地形直接的抬升或减速作用;(2)在地形流形成后,由于地形流本身特性(如上游分离、背风涡旋和下坡重力波破碎)触发.在较大的Fr数情况下,地形上空对流生成后反过来可以破坏上、下游的地形流结构,但对背风坡的重力波破碎影响较小.不同初始对流有效位能(CAPE)不仅可以影响对流系统的传播、发展,而且可以影响整体地形流性质.较低的初始CAPE有利于地形流的形成,此时对流对地形流结构特征的影响相对较小,其流场性质与低Fr数流域性质相似.     

太行山东麓焚风天气的统计特征和机理分析Ⅱ:背风波对焚风产生和传播影响的个例分析

利用中尺度模式WRF3.3对太行山东麓焚风典型个例进行了数值模拟。结果表明,太行山东麓焚风的发生和移动与山脉背风波密切相关。由此建立了太行山东麓焚风的概念模型:西北或偏西气流途经山西盆地、山西境内的山脉或高原,再越过太行山,在其东麓形成背风波。背风波的下沉气流气温按干绝热方式上升,同时下沉气流也会对低层大气产生压缩增温效应,使得太行山东麓产生焚风。背风波即为重力波,可以伴随着下沉气流向下游移动,正变温区同时也向东移动。变温区移动的速度和重力波的传播速度相同。背风波的产生,需要Scorer数向上足够的减小,而且不连续,即要求大气是稳定的且存在明显的风速切变。     

七月中、低纬地区定常波动和加热场的模拟特征

本文利用P-σ混合坐标原始分程球带模式的最新版本,对七月中、低纬地区的定常波动及非绝热加热场进行了数值模拟。结果表明,模式成功地模拟出了北半球夏季对流层中波数为2的定常波动。高层波峰出现在大陆,波谷出现在海洋上,低层则相反。南半球的副热带高压带也模拟出来了。降水量的模拟也是成功的,特别是位于ITCZ中的积云对流性降水。加热场的模拟结果指出,七月份的热源区除了主要分布在北半球的几个主要大陆上,还分布在热带海洋上ITCZ所在区;其余的广大洋面则显示出冷源的性质。其中热带海洋的热源以潜热加热为主(主要分布于大气的中高层),大陆上的热源有的以感热为主(主要分布于大气的低层),有的仍以潜热加热贡献较大。海洋的冷源是由长波辐射冷却造成的。      

不稳定边界层下地形重力内波

水槽实验及线性理论研究表明,当低层大气处于近中性或不稳定时,如果地形引起的动力扰动足够强,地形扰动可在上部稳定层结中激发出重力内波,波动反过来影响低层流场,引起动量输送。低层大气处于近中性或不稳定时,地形波同样对大气运动可产生波阻,这应引起模式工作者的重视。最后讨论了大气粘性对中性或不稳定层结下地形波的影响。     

Analysis of the Characteristics of Inertia-Gravity Waves during an Orographic Precipitation Event

A numerical experiment was performed using the Weather Research and Forecasting(WRF) model to analyze the generation and propagation of inertia-gravity waves during an orographic rainstorm that occurred in the Sichuan area on 17 August 2014. To examine the spatial and temporal structures of the inertia-gravity waves and identify the wave types, three wavenumber-frequency spectral analysis methods(Fourier analysis, cross-spectral analysis, and wavelet cross-spectrum analysis)were applied. During the storm, inertia-gravity waves appeared at heights of 10–14 km, with periods of 80–100 min and wavelengths of 40–50 km. These waves were generated over a mountain and propagated eastward at an average speed of 15–20 m s~(-1). Meanwhile, comparison between the reconstructed inertia-gravity waves and accumulated precipitation showed there was a mutual promotion process between them. The Richardson number and Scorer parameter were used to demonstrate that the eastward-moving inertia-gravity waves were trapped in an effective atmospheric ducting zone with favorable reflector and critical level conditions, which were the primary causes of the long lives of the waves. Finally, numerical experiments to test the sensitivity to terrain and diabatic heating were conducted, and the results suggested a cooperative effect of terrain and diabatic heating contributed to the propagation and enhancement of the waves.     

复杂山区上空垂直速度场和热力对流活动的理想数值模拟

利用英国气象局高分辨率的边界层数值模式BLASIUS,针对中国西北一个复杂山区进行了一系列的理想数值模拟,分析了在不同天气条件下山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响,同时讨论了与地形有关的对流触发机制。模式结果表明,复杂山区的垂直运动在稳定层结和风速较大的情况下较易预测,而在中性层结下,山区上空的垂直运动分布随机性强。在Froude数小于0.5的条件下,气流往往被山峰阻塞而在迎风坡造成地形强迫和辐合性抬升,从而易在迎风坡触发深对流活动;在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合而造成垂直运动。绕流的辐合是触发深对流活动的另一重要因子。在大风或Froude数较大的条件下,地形重力波容易在山地下游被激发。地形重力波与对流活动的相互影响在模式中清楚可见。在适当的条件下,重力波除了可以与对流活动相耦合从而使气团上升到更高的高度外,重力波的走向很可能会影响到深对流系统的传播路径。研究还发现稳定度对相邻两条对流线之间的距离长短也有影响。稳定度较小时,相邻两条对流线之间的平均宽度趋向变大而单个对流线的强度也相应变大。定量化的结论和理论升华值得进一步的数值模拟研究。     

地形影响的飞机颠簸及其数值仿真实验

首先利用中尺度数值模式ARPS模拟气流过山生成飞行数值仿真所需要的风场，然后利用飞机载荷因数变量方程进行飞机飞行的数值仿真试验。研究结果表明，气流过山产生的山脉重力波由于风切变临界层破碎，一方面能在对流层产生较强的湍流引起晴空飞机颠簸，另一方面也能在山脉背风面产生强烈下坡风，背风转子环流及低空湍流，影响飞机的起飞和着陆。揭示了飞机在过山脉地形背风面所产生的大气湍流中飞行时引起飞机颠簸的物理机制，有助于增强飞机颠簸的预测能力和飞行气象保障能力。     

Numerical modeling studies of lee mesolows,mesovortices and mesocyclones with application to the formation of Taiwan mesolows

Summary Numerical experiments are performed for inviscid flow past an idealized topography to investigate the formation and development of lee mesolows, mesovortices and mesocyclones. For a nonrotating, low-Froude number flow over a bell-shaped moutain, a pair of mesovortices form on the lee slope move downstream and weaken at later times. The advection speed of the lee vortices is found to be about two-thirds of the basic wind velocity, which is due to the existence of a reversed pressure gradient just upstream of the vortices. The lee vortices do not concur with the upstream stagnation point in time, but rather form at a later time. It is found that a pair of lee vortices form for a flow withFr=0.66, but take a longer time to form than in lower-Froude number flows. Since the lee vortices are formed rather progressively, their formation may be explained by the baroclinically-induced vorticity tilting as the mountain waves become more and more nonlinear.A stationary mesohigh and mesolow pressure couplet forms across the mountain and is produced in both high and low-Froude number flows. The results of the high Froude number simulations agree well with the classical results predicted by linear, hydrostatic mountain wave theory. It is found that the lee mesolow is not necessarily colocated with the lee vortices. The mesolow is formed by the downslope wind associated with the orographically forced gravity waves through adiabatic warming. The earth's rotation acts to strengthen (weaken) the cyclonic (anticyclonic) vortex and shifts the lee mesolow to the right for an observer facing downstream. The cyclonic vortex then develops into a mesocyclone with the addition of planetary vorticity at later times. For a flow over a steeper mountain, the disturbance is stronger even though the Froude number is kept the same.For a southwesterly flow past the real topography of Taiwan, there is no stagnation point or lee vortices formed because the impinging angle of the flow is small. A major mesoscale low forms to the southeast of the Central Mountain Range (CMR), while a mesohigh forms upstream. For a westerly flow past Taiwan, a stagnation point forms upstream of the mountain and a pair of vortices form on the lee and move downstream at later times. The cyclonic vortex then develops into a mesocyclone. A mesolow also forms to the southeast of Taiwan. For a northeasterly flow past Taiwan, the mesolow forms to the northwest of the mountain. Similar to flows over idealized topographies, the Taiwan mesolow is formed by the downslope wind associated with mountain waves through adiabatic warming. A conceptual model of the Taiwan southeast mesolow and mesocyclone is proposed.With 16 Figures