凝结潜热对锋生的影响

本文在二维半地转峰生模式中，考虑了水汽凝结加热和边界层抽吸作用对锋生及越锋环流的影响。水汽凝结加热考虑了大尺度凝结加热和对流凝结加热两种方式。计算结果表明：水汽凝结加热和边界层抽吸对峰区环流具有显著的作用，凝结加热使锋生加快，使锋区上升运动倍增，并使其水平尺度明显减少。边界层抽吸作用也使垂直环流加强。现在     

梅雨锋动力锋生方程组及其应用

利用湿静力温度Tσ作为参数，导出梅雨锋锋生的方程组，并用该方程组计算了1991年江淮梅雨锋强降水的个例。结果表明:该方程组可分析梅雨锋的动力锋生；在梅雨锋中存在近似垂直分布的对称的横向次级环流，环流中干冷侧的横向穿锋环流可建立湿状态的稳定性；非地转变形项对梅雨锋锋生（消）起主导作用，同时次级环流的上升运动与锋生有正反馈关系。另外，梅雨锋中Tσ水平锋生对未来6小时降水具有一定的指示意义。     

浙江省梅雨锋强降水的锋生及环流特征分析

为了研究浙中西（浙江省中部和西部）梅雨锋强降水的锋生及环流特征,以2016年6月15日一次典型梅雨为代表,采用ERA-INTERIM（0.25°×0.25°）再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温和雷达资料,运用风场分解、合成分析等方法对锋生与强降水的对应关系及环流结构进行分析。结果表明:此次典型梅雨处于有利的天气尺度背景下,强降水区与中低层锋生区有较好对应。锋区维持时,强降水区伴随中层倾斜锋生和形变锋生;锋区南压时,强降水区伴随中层倾斜锋生和低层水平锋生。低层梅雨锋北侧为超地转偏西气流,南侧为非地转东南气流,它们分别影响了北侧非平衡偏北气流和南侧平衡西南气流的发展,从而影响锋生系统。在锋区存在低层地转偏差辐合、高层辐散的上升运动,形成次级环流上升支,锋后反之。此外,锋前低空纬向风为次地转,而锋后低空纬向风为超地转,高空纬向风为次地转,这进一步促进了次级环流的发展。合成场中,在200 hPa西风槽槽后及槽前分别存在西北气流和西南气流显著增强区;在700 hPa浙北（浙江北部）地区存在东北气流显著增强区。合成锋生各分解项的水平及垂直分布与典型个例较类似。低层锋生主要由散度项贡献,形变项次之,倾斜项则起负作用;中层锋生主要由倾斜项贡献,形变项次之;高层锋消主要由倾斜项贡献。     

变性台风Winnie(9711)环流中的锋生现象

基于T106一日四次1.125°×1.125°格点资料, 采用非地转湿Ｑ矢量对登陆台风Winnie(9711)变性加强过程中环流内的锋生现象进行诊断分析。结果表明, Winnie变性加强与其环流内的中尺度锋生过程密切相关, 其低层环流中可发现包围台风中心的环状锋生现象。其中, 北侧锋带与西侧锋带在结构、性质上有所不同, 北侧锋具有暖锋特征, 而西侧锋具有冷锋特点。台风残余低压环流中心位于两条锋带的交汇处, 其变性加强过程类似于一个温带气旋在地面锋上的发展过程。Winnie变性加强过程中, 北侧暖锋锋生强, 锋面次级环流明显, 降水区主要出现在该锋带附近。西侧冷锋锋生弱, 无明显锋面次级环流, 降水不明显。强锋生区首先在台风上空高层产生, 随后增强下传, 加强了低层锋生过程。中低层锋生强度以及锋上垂直运动与凝结潜热作用有密切关系。     

高空急流加速与低层锋生

本文从动力学上找到了低层锋生函数同急流区内纬向平均风加速的关系,指出高空急流加速有利于大气低层锋生,并从天气学的角度给出了高空急流加速同低层大气锋生的环流形态特征。即高空波的动量和热量通量在急流区的辐合,促使高空急流加速,并引起急流入口区上下层之间的质量调整,在急流轴高度以下出现一个反环流,反环流的上升支同其下原有的弱锋前的上滑爬升气流发生耦合,造成上滑气流加强,低层锋面坡度变陡,冷暖对比明显,引起大气低层锋生。     

我国锋生环流特征初探

本文利用Sawyer-Shapiro的模式,通过实例发现我国的锋生环流可分为四种类型,且诸型都对应一定的天气形势。另外,还发现锋生环流的上升支气流的位置、层次和强弱与锋面天气的分布等颇协调;锋生区对锋面的活动具有指示意义。这对更确切地认识具有鲜明特征意义的锋面系统,改善天气学预报手段也许有一定作用。     

锋生过程对扰动发展的影响

本文用WKBJ方法讨论了叠加在Hoskins-Bretherton［1］]锋生模型背景上的小扰动发展问题。考虑了大尺度变形场、锋区斜压气流及锋生环流对扰动发展的作用，发现锋生过程有利于与锋平行的中小尺度扰动发展，而锋消则有利于沿锋传播的横波型扰动发展。     

1991年梅雨锋暴雨与锋生环流的诊断分析

利用原始方程模式锋生环流诊断方程对１９９１年７月一次梅雨锋暴雨过程进行诊断分析。计算结果表明，锋面横向次级环流在低层是一个热力正环流，低空急流出口区的次级环流使锋面附近的上升运动得到加强：１００ｈＰａ青藏高压东侧的偏北风与中层的偏南风耦合形成择流层上层的反环流叠加在锋面横向环流上形成深厚的上升气流区是暴雨发生的动力条件。     

华东地区6-7月锋生的气候学特征及环流结构

利用中国华东地区212个站点2000-2010年6-7月逐日降水资料和NCEP/NACR再分析资料,运用运动学锋生函数公式,分析了华东地区6-7月锋生、锋面及其环流结构的气候学特征。结果表明,锋生函数值在华东区域呈现不均匀分布,且不同性质的运动学锋生具有不同的锋生强度和分布。其中,江淮地区是6-7月综合锋生最强的区域。根据风场在850 hPa强锋生带的切变及辐合情况,将6-7月的锋生类型分成4个大类,即暖切变型锋生、冷切变型锋生、西风辐合型锋生、东风辐合型锋生,其中,冷切变型锋生又分为两个亚类。不同类型的锋生个例数不同,江淮地区最多的是暖切变型锋生。不同锋面的水平结构与垂直结构存在显著差异,但对于强锋生过程,340 K假相当位温等值线与锋区平行且穿过锋区,其对判断强锋生过程和锋区位置具有指示意义。强锋生事件的出现有其大尺度环流背景,而不同类型的强锋生事件的环流背景差异较大:背景气旋或反气旋环流的中心位置、强度、辐散辐合场的分布、垂直环流结构等方面有不同程度的差异。降水与锋生强度紧密相关。锋生较强时,降水较多。暖切变型锋生日降水量最大,降水发生在锋区内部,与强锋生带走向一致;冷切变型次,两种类型的降水均发生在锋区的南侧,呈东北—西南走向;西风辐合再次之,降水发生在锋区内部偏南一侧。     

一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析

基于观测资料和NCEP再分析资料,并结合中尺度数值模拟,对2012年1月14—15日我国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定(conditional symmetric instablility,CSI)进行诊断分析。结果表明,南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动,在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程,构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景;来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必须的水汽条件,异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。在降水过程中锋面附近有多条中尺度雨带活动,锋生函数分析表明,14日夜间广西境内锋生明显增强,在潜热释放的影响下CSI开始发展,相应的锋生次级环流也有所发展,锋前暖区中的上升运动随之增强,导致广西北部形成较强的中尺度降雨带。分析表明,锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程(Sawyer-Elissen方程)在不同稳定性条件下的解,锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。     

Observations and Large-Eddy Simulations of Entrainment in the Sheared Sahelian Boundary Layer

At the top of the planetary boundary layer, the entrainment of air, which incorporates dry and warm air from the free troposphere into the boundary layer, is a key process for exchanges with the free troposphere since it controls the growth of the boundary layer. Here, we focus on the semi-arid boundary layer where the entrainment process is analyzed using aircraft observations collected during the African Monsoon Multidisciplinary Analysis experiment and large-eddy simulations. The role of the entrainment is specifically enhanced in this region where very large gradients at the planetary boundary-layer top can be found due to the presence of the moist, cold monsoon flow on which the dry, warm Harmattan flow is superimposed. A first large-eddy simulation is designed based on aircraft observations of 5 June 2006 during the transition period between dry conditions and the active monsoon phase. The simulation reproduces the boundary-layer development and dynamics observed on this day. From this specific case, sensitivity tests are carried out to cover a range of conditions observed during seven other flights made in the same transition period in order to describe the entrainment processes in detail. The combination of large-eddy simulations and observations allows us to test the parametrization of entrainment in a mixed-layer model with zero-order and first-order approximations for the entrainment zone. The latter representation of the entrainment zone gives a better fit with the conditions encountered in the Sahelian boundary layer during the transition period because large entrainment thicknesses are observed. The sensitivity study also provides an opportunity to highlight the contribution of shear stress and scalar jumps at the top of the boundary layer in the entrainment process, and to test a relevant parametrization published in the recent literature for a mixed-layer model.     

北京地区严重污染物状况下的大气边界层结构与参数研究

利用北京３２５ ｍ 铁塔资料对出现在１９９８ 年９ 月２６～３０ 日的一次严重污染过程的边界层结构和决定大气污染物扩散稀释的边界层参数作了分析和研究。分析发现, 这段时间边界层稳定层结占绝大多数, 白天在近地面的不稳定层结上还时有逆温盖, 另外在此期间风速较小。利用此资料还得到了北京严重污染状况下决定边界层湍流的一套基本物理参数     

CMA-GFS 4DVar边界层过程线性化的改进北大核心CSCD

持续发展和优化切线性模式的线性化物理过程,保持与非线性模式一致是改善四维变分同化(4DVar)分析和预报效果的有效方法之一。目前业务系统的CMA-GFS模式采用基于Charney-Phillips(C-P)跳点的边界层参数化方案,而CMA-GFS 4DVar系统中采用基于Lorenz跳点的边界层线性化方案。为改善CMA-GFS 4DVar系统的边界层分析和预报效果,基于C-P跳点的边界层参数化方案研发了新边界层线性化方案,并通过对方案中地表热量通量和水汽通量扰动、自由大气的理查逊系数扰动、边界层的热量和动量交换系数扰动等进行更加精细地规约化约束,在确保CMA-GFS切线性和伴随模式稳定运行的情况下,减少线性化过程对切线性模式预报精度的影响。切线性近似试验检验表明:相较于原方案,新边界层线性化方案可以减少边界层位温和比湿的相对误差,最大可减少10%。批量4DVar循环同化试验表明:新边界层线性化方案可以有效改善切线性模式对低层位温、风场和比湿扰动的预报精度,减少4DVar内外循环目标泛函的相对差异,并提高700 hPa位势高度的可预报时效。     

2018年春节期间琼州海峡持续性大雾监测分析

2018年春节期间,琼州海峡持续6 d（2月15—20日）有雾,最低能见度不足200 m。主要从气象卫星监测上分析此次琼州海峡持续性海雾的时间演变特征,并从大气海洋条件分析形成持续性海雾的原因,得出如下结论：1）2018年2月华南东侧西太平洋海面温度较常年同期偏高,有3个暖海面温度距平中心,为持续性大雾提供暖湿气流;2）此次持续性大雾过程琼州海峡位于均压场,但西南低涡起着辅助的作用,致使海洋性的南风在边界层抵御了干燥的大陆性气团,利于维持边界层的湿度;3）低层流场为暖湿气流,925 hPa近地面湿层上空有一个干中心维持,“上干下湿”的湿度层结有利于海雾维持和向上发展形成一定厚度的海雾;4）低云增加和弱降水是使18日全天海雾得以维持的重要因素。     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

地基微波辐射计探测大气边界层高度方法

采用2013年中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测试验站的地基微波辐射计和激光雷达观测数据,以激光雷达探测的大气边界层高度为参考,分别利用非线性神经网络和多元线性回归方法建立微波亮温直接反演大气边界层高度的算法,并对比两种方法的反演能力, 同时分析非线性神经网络算法在不同时段及不同天气状况下反演结果的差异。结果表明:非线性神经网络算法的反演能力优于多元线性回归算法,其反演结果与激光雷达探测的大气边界层高度有较好一致性,冬、春季的相关系数达到0.83,反演精度比线性回归算法约高26%;对于不同时段和不同天气条件,春季的反演结果最好,晴空的反演结果好于云天; 四季和不同天气状况的划分也有利于提高反演精度。     

A Study of the Atmospheric Boundary Layer Structure During a Clear Day in the Arid Region of Northwest China

The local climate and atmospheric circulation pattern exert a clear influence on the atmospheric boundary layer （ABL） formation and development in Northwest China. In this paper, we use field observational data to analyze the distribution and characteristics of the ABL in the extremely arid desert in Dunhuang, Northwest China. These data show that the daytime convective boundary layer and night time stable boundary layer in this area extend to higher altitudes than in other areas. In the night time, the stable boundary layer exceeds 900 m in altitude and can sometimes peak at 1750 m, above which the residual layer may reach up to about 4000 m. The daytime convective boundary layer develops rapidly after entering the residual layer, and exceeds 4000 m in thickness. The results show that the deep convective boundary layer in the daytime is a pre-requisite for maintaining the deep residual mixed layer in the night time. Meanwhile, the deep residual mixed layer in the night time provides favorable thermal conditions for the development of the convective boundary layer in the daytime. The prolonged periods of clear weather that often occurs in this area allow the cumulative effect of the atmospheric residual layer to develop fully, which creates thermal conditions beneficial for the growth of the daytime convective boundary layer. At the same time, the land surface process and atmospheric motion within the surface layer in this area also provide helpful support for forming the particular structure of the thermal ABL. High surface temperature is clearly the powerful external thermal forcing for the deep convective boundary layer. Strong sensible heat flux in the surface layer provides the required energy. Highly convective atmosphere and strong turbulence provide the necessary dynamic conditions, and the accumulative effect of the residual layer provides a favorable thermal environment.     

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.     

塔克拉玛干沙漠腹地晴天与沙尘暴天气大气边界层对比分析

根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。     

我国西部高原大气边界层中的对流活动

利用 1 998年第 2次青藏高原野外试验中的多普勒声雷达探测、低空探测观测以及卫星观测资料对高原大气边界层内的对流现象进行分析研究。声雷达探测到了高原边界层内有强烈的对流活动。这种对流泡中心的垂直速度可超过 1m/s,并存在尺度为 1个多小时的周期性 ,表现为中小尺度的有组织的湍流活动。高原边界层强对流得以发展和维持的物理机制是 :强辐射加热、复杂的地形地貌形成的下垫面不均一性造成边界层斜压性、边界层内的平流活动等 ,这些现象都有利于对流的发展。在这些条件的作用下 ,边界层内可以产生一系列有组织的强湍流大涡旋活动 ,这些大涡旋形成的热泡在向上发展的过程中有的能够发生合并 ,变得更大也更为猛烈 ,达到凝结高度以上可形成对流云 ,并发生充分的对流混合。成云过程凝结潜热释放更有利于对流运动进一步发展 ,使对流云逐步发展成更大的对流云团 ,从而产生卫星云图中显示的云团发展过程。