求解非球形大粒子光散射问题的一种简明数值计算方法

对于实际大气中传输的非偏振自然光的散射问题,所关心的散射参量通常为散射强度和线偏振度。本文通过对光子沿随机抽样人射路径的散射几率进行统计,建立了计算多粒径大粒子系统单次散射相函数及线偏振度的一种简明数值方法。对于粒子表面具有曲率的情况,该方法可以避免处理由表面曲率引入的“发散因子”。由于大气中液滴的形状一般近似为旋转扁椭球,本文也根据所建立的数值计算方法,计算和讨论了旋转扁椭球形液滴的散射相函数和线偏振度。     

GRAPES模式中高精度正定保形物质平流方案的研究Ⅰ:理论方案设计与理想试验

平流计算的精度对数值模式的结果有着重要影响.如何在半拉格朗日模式中发展高阶精度的标量平流计算方案是提高半拉格朗日数值模式精度的重要问题.文中采用计算流体力学中一个新的高精度正定保形的物质平流方案,通过映射单元格方法将其与半拉格朗日模式结合起来,既保留了半拉格朗日时间积分方案中积分时间步长大、计算效率高的特点,又发挥新方...     

气候数值模式在计算网格环境下的应用

气候数值模式研究一直受到大型计算机系统计算性能和计算资源不足的制约。目前越来越多的超级计算领域,正采用网格技术来实现多个计算节点协作的分布式计算环境,以提高计算能力。本研究是气候数值模式在网格环境下的实现方案,依据数值模式数据通讯量的多少,按强关联型和弱关联型两种主要的计算形态对多个气候模式和准数据并行的数值模式在局域网网格和广域网网格环境下实验。实验发现气候数值模式在网格环境下特点:强关联型的数值模式不适合广域网络构成的网格,而弱关联型的数值模式可以在网格计算环境中取得较好的计算效果。另外,合理地组织计算节点的结构,可以有效地提高数值模式的计算效果。这些工作对气候数值模式研究在以网格计算环境为基础的下一代超级计算中的应用有借鉴作用。     

大气环流模式中云系的超级参数化方案及其特征线方法之研究

就大气环流模式中如何有效处理云系,我们的目标:建立能考虑各种尺度和各种过程之间相互作用的多重尺度云系动力学(下称:云系超级参数化),并应同时考虑如下云的几何学与辐射传输两个问题:1)云的几何学,考虑如何描写云内结构的三维不均匀性和表面特征的几何不光滑性;2)云的辐射,考虑复杂云结构的辐射计算问题,并最终在大气环流模式中具体实现.本研究是理论部分,主要论述云系超级参数化框架和计算方法问题,主要结论如下:1)阐明了从多重尺度角度研究大气模式中云系的超级参数化方案是完全必要的.2)本云系超级参数化方案是3维完全Euler流体方程组,保留了全Coriolis力,Ertel全PV守恒,考虑声波等对云和降水微物理过程的影响.该云系超级参数化方案需要与大气大尺度动力学方程组进行耦合.3)关键问题为确定云系局部解的存在时间长度,不必考虑整体解.因为在实际大气中各物理量的不光滑,甚至不连续和间断,是有充分的物理意义的.大气中的间断除粘性和热传导等不可逆过程外,同时伴随着成云致雨的相变过程.4)在可积性和连续性条件下,证明了特征线的存在性;在Lipshitz条件下,证明了特征线的存在性和唯一性.5)给出了特征线积分的Picard方法的具体计算步骤,并同时给出了特征线积分稳定步长的具体条件.6)沿着特征线,初始场随着时间的推移,将发生平移、旋转与纯变形三种位移的几何和,这就是球面上平流方程的保形问题.     

基于ConvLSTM机器学习的风暴潮漫滩预报研究

风暴潮是指由强烈的大气扰动所导致的海面异常升高现象,由热带气旋引起的风暴潮常对沿海地区造成巨大的社会经济、人类活动和生命财产危害。依靠数据驱动的强非线性映射能力的机器学习方法较传统数值模式预报在耗费研究资源和计算时间上更具优势。本文选取广东省珠江口为研究区域,基于卷积长短时记忆网络（Convolutional LSTM network,ConvLSTM）机器学习算法展开风暴潮漫滩预报研究,利用由再分析资料驱动的数值模式产品构建了历史台风漫滩数据集,用于机器学习模型训练、验证和测试。研究了两种预报方式,一种是基于海表面高度场的自回归预报,另一种是依赖预报风场和初始海表面高度场进行的预报;它们可以实现基于数据驱动的风暴潮漫滩预报,其中自回归预报模型表现更优。相较于传统动力学数值预报,基于数据驱动的ConvLSTM预报模型结构更为轻便,所需驱动数据更少,在缺少边界条件、地形、径流等信号时,在短临预报中仍能基本复现数值模式模拟的结果。     

一个三维Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式

建立了一个可靠和较高计算效率的三维Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式(3DMC).该模式在光子释放和定位、地气耦合、辐射率高分辨模拟计算和计算效率等方面有所发展.     

基于深度学习的数值模式降水产品降尺度方法

提出一种基于深度学习的数值模式降水产品降尺度方法。利用深度学习的非线性映射能力和对栅格数据的信息提取能力,建立深度超分辨率模型提取不同分辨率数值模式降水产品间相对应的有效信息,从而将低分辨率数值模式降水产品利用提取的信息重构为高分辨率产品,继而通过构建多时次组合降尺度深度模型提取时间关联性进一步提升了重构准确性。基于欧洲中期天气预报中心不同尺度数值模式降水产品的实验表明所提方法能够比常用的双三次插值方法更有效地将低分辨率降水产品转换为对应的高分辨率产品。      

非均匀层结下的对称不稳定

研究了非均匀层结下的对称不稳定，给出了不稳定发生的判据，并将该微分方程的特征值问题化为一个实对称矩阵的特征值问题，还取不同的层结廓线进行了数值计算。     

台风环境场特征相似预报方法

通过多种场相似计算方法的试验比较,提出环境场特征的场相似分析方法,建立台风相似预报系统。利用1950—2006年NCEP再分析资料,计算关键区域的物理量场特征值;设计图形识别程序,获取每个台风过程的天气形势场各种特征值;建立环境场特征数据库和相应的台风过程实况资料库。预报时,利用数值预报产品和实况资料计算特征值,采用逐步相似筛选的方法,在特征数据库里选出相似历史个例作为预报参照。检验表明:该系统对2007—2009年的台风预报,尤其是台风暴雨雨量预报效果较好。     

一个讨论大气环流季节变化和长期预报的流体力学模式

本文将流体动力学、热力学方程与辐射传递方程联结起来建立一个更合理的长期预报数值模式.在模式中除了考虑摩擦和湍流的作用外,辐射作用不是给定的分布,而是在大气运动的过程中相互调整.根据所建立的预报方程组,提出了两种适于積分的具体形式:两层斜压模式和三度空间问题的形式.     

肇庆市一次超级单体的多普勒雷达资料分析

利用广州S波段多普勒雷达资料,对2004年7月1日夜间发生在广东省肇庆市的一次强对流天气过程进行分析,发现引起这次强对流的风暴具有超级单体风暴的特征。这个超级单体南边出现两条明显的出流边界,分别位于钩状回波的西南和东南。相应的中低层径向速度图呈现一个弱中尺度气旋,旋转速度达12m·s-1。该超级单体的移动方向在盛行风向的右侧约30°,属于右移风暴。     

2010年福建一次早春强降雹超级单体风暴对比分析

利用探空、地面资料以及建阳、龙岩、长乐三部新一代天气雷达资料,对2010年3月5日福建中北部地区5cm强降雹的两个超级单体风暴进行了对比分析。结果表明,干暖盖、强垂直风切变、中高层正涡度区及地面中尺度低压为超级单体的形成提供了良好的环境场。两个超级单体都是由多单体合并后发展起来的,在成熟阶段以右移为主,属长寿命右移风暴:第一个超级单体在发展过程中由于地形作用和新单体的并入经历了3次加强过程,低层出现明显的钩状回波、中高层三体散射特征;第二个超级单体经历了多单体风暴—超级单体风暴—多单体风暴3个阶段,成熟阶段低层呈现出明显的倒"V"形回波特征,中高层有明显向右伸展的云帖。两个超级单体风暴的中气旋都是由中层发展起来,随着中气旋强度不断加强和厚度加大,最强切变中心突降时出现冰雹、大风强对流天气。通过对第一个超级单体中气旋流场分析,发现风暴前、后侧的下沉气流与低层入流形成了明显的辐合旋转作用,下沉的干冷气流进一步推动低层的暖湿入流,形成强烈的上升气流,并在风暴顶形成强辐散,使得风暴长时间维持。第二个超级单体在风暴减弱阶段,风暴右侧出现中气旋分裂,之后减弱、消失。产生强对流天气时,中高层维持高反射率因子,出现三体散射现象、风暴顶强烈辐散以及较大的VIL密度等特征。     

一次强对流风暴的新一代天气雷达特征分析

利用兰州皋兰山的CINRAD/CC多普勒天气雷达资料,对2005年5月30日15～19时发生在甘肃中部地区的一次强对流风暴进行了分析。引起此次强对流风暴的中尺度天气系统是飑线,飑线尾部位于甘肃中部的强雷暴区在15时生成,沿东南方向移动,在16时15分至17时03分多单体风暴加强合并为超级单体风暴,并呈现出人字型回波、带状回波特征。此次超级单体南边出现2条明显的出流边界,一条位于钩状回波的西南,一条位于钩状回波的东南。超级单体左前方的低层反射率因子呈现明显的倒“V”字型结构,最大的回波强度出现在有界弱回波区之上,其值>70 dBZ,相应径向速度图呈现出成熟的中气旋特征,期间垂直液态水含量持续偏高,最大垂直累积液态水含量>70 kg/m2,回波顶高达17～18 km,该风暴具有强烈超级单体风暴的典型特征。     

基于雷达资料四维变分同化和三维云模式对一次超级单体风暴发展维持热动力机制的模拟分析

利用三维云尺度数值模式和雷达资料快速更新循环四维变分同化(4DVar)技术,对京津冀地区一次强降水超级单体风暴发展演变的热动力机制进行了数值模拟和结果分析,并结合雷达、加密探空和自动站资料,揭示了快速变化的近风暴大气环境及风暴自身的热动力三维特征对超级单体形成、发展和演变的影响.雷达回波观测分析表明,这是一次由多单体合...     

2016年6月海南一次龙卷过程分析

利用19612015年陕西省70个气象观测站的逐日降水资料,采用线性倾向估计、趋势分析及Mann Kendall等方法,分析了陕西省不同等级降水量、降水日数及降水强度的气候变化特征。结果表明：无论是降水量、降水日数,还是降水强度,均呈现出南多北少的分布特征,且随着降水级别的逐级增加,地区分布差异逐渐增大;整体上降水量和降水日数呈现出减少趋势,其中降水日数的下降趋势均非常显著,全省年均降水日数的气候倾向率达到了-3.83天·10a-1,通过了0.01的显著性检验,降水强度的增加趋势通过了0.05的显著性检验,每10 a全省年均降水强度增加0.15 mm·d-1;陕西降水量及降水日数的减少主要体现在春秋两季小雨及中雨的减少上,小雨降水强度在夏、秋两季的气候倾向率分别为0.05和0.04 mm·d-1·10a-1,其上升趋势分别通过了0.01和0.1的显著性检验,这是年均降水强度上升的主要原因;陕西年均降水量及降水日数自1984年出现了突变性下降,而降水强度的突变则出现在2004年,之后一直呈现持续的上升趋势。     

一次强降水超级单体风暴多普勒天气雷达特征

利用盐城多普勒天气雷达和地面自动站等资料,对2006年8月6日下午发生在江苏盐城中北部地区的一次由强降水（high precipitation,HP）超级单体产生的大暴雨和龙卷过程进行详细分析。风暴回波演变的形态可分为＂条状—肾形—弓状＂3个阶段：在条状回波阶段,产生龙卷伴随强降水,中气旋在变粗的中段前侧生成,其内有一个垂直涡度约为8×10^-2s^-1的龙卷式涡旋特征（tor-nadic vortex signature,TVS）,高层悬挂回波下有低小的有界弱回波区（bounded weak echo region,BWER）,位于BWER之上高层17 km风暴顶为强烈辐散,辐散值约为1.2×10^-2s^-1;在肾状回波阶段,产生短时大暴雨,低层前侧有包含一个中气旋V字型入流缺口,其后是粗胖的高反射率因子钩状回波区,速度图上中气旋位于中尺度辐合线之中;在弓状回波阶段,产生短时暴雨,风暴减弱后与另外回波合并前侧又有中气旋生成,其后低层右后侧为较大的高反射率因子回波区。在上述3个阶段,该风暴具有HP超级单体风暴共同特征：中气旋、阵风锋位于前侧,强降水包裹着中气旋,沿着预先存在的东南风速辐合线移动。HP超级单体产生的主要天气背景是副热带高压边缘形势,一个东移的高空槽、强烈的热力不稳定和较大的垂直风切变。盐城中北部地区午后地面风场上形成的,与东南海风有关的一条南北向湿热边界层辐合线,对HP超级单体沿着此辐合线发展并维持长生命史有重要作用。     

鲁中地区一次超级单体风暴的雷达观测分析

利用济南、滨州和潍坊多普勒天气雷达及常规观测资料,对2016年6月14日下午到晚间发生在鲁中地区的超级单体回波演变和结构特征进行了分析。结果表明,该超级单体风暴产生在较大的对流有效位能和有利的风垂直切变条件下。其演变分为经典超级单体和强降水超级单体两个阶段。经典超级单体由普通单体迅速演变而来,其特征十分明显。强降水超级单体由经典超级单体风暴与其后侧下沉气流触发的普通单体风暴合并形成。合并过程造成风暴旋转强度增强,并产生类似龙卷的小尺度涡旋,导致了地面大风和大冰雹的出现。     

一次左移反气旋超级单体的观测分析

2006年8月10日在甘肃河西走廊山丹县境内发生了一次左移（反气旋）超级单体灾害性天气,在其2 h生命史期间,山丹县境内降了最大直径2 cm的冰雹。从其发生、发展的天气尺度环境条件、多普勒天气雷达反射率因子、径向速度以及风矢端图、相对风暴螺旋度等角度,揭示了左移超级单体的特征,并利用ID方法对这次左移超级单体的移动路径进行了预报。结果表明：风矢端图上,在1.2~4.5 km高度层,左移超级单体的垂直风切变矢量呈反时针旋转;左移超级单体在发展阶段,0~3 km内相对风暴螺旋度为负值;通过比较,ID方法预报的超级单体位置比现行PUP产品中的SCIT算法绝对误差要小。     

2003年7月8日安徽系列龙卷的新一代天气雷达分析

利用合肥新一代天气雷达资料对2003年7月8日夜间发生在安徽庐江和无为县的龙卷过程进行了简要的分析。7月8日夜间至9日凌晨，与一条自西向东移动的、被包裹在大片层状雨区中的带状对流(飑线)相联系，先后有4个径向速度场上明显的小尺度涡旋特征出现在飑线的前沿。其中一个小尺度涡旋特征持续了大约2小时30分，先后在庐江和无为县产生了龙卷。特别是在无为产生的龙卷，造成了严重的生命和财产损失，其级别为F2～F3，属于较强龙卷。分析表明，此次龙卷为非超级单体龙卷，在反射率因子图上几乎没有任何特征，而在径向速度图上呈现为明显的小尺度涡旋特征，说明新一代天气雷达的使用大大增强了对龙卷的探测能力。