陕西气象科技服务在公共气象服务中科学发展的战略思考

对流有效位能（CAPE）是强对流天气分析预报的重要参数。通过理论推导,提出了载水气块和非载水气块两种情况下对流有效位能的两个新的计算公式,便于业务应用;并讨论了对流有效位能的局地变化因子和预报思路。     

湿静力平衡温度及其在大气对流运动中的应用

提出了一个新的大气动力-热力学温湿参量——湿静力平衡温度（T_s）。它与密度温度（T_ρ）有密切关系。作为T_s的应用示例,简化了积云一维时变模式垂直运动方程;提出了“载水气块”和“非载水气块”统一的新的“对流有效位能”表达式。结合实例,计算了“载水气块”和“非载水气块”两种情况下的对流有效位能（分别记作CAPE_w和CAPE）以及对流抑制能量（分别记作CIN_w和CIN）等,“载水气块”与“非载水气块”两种情况的“对流有效位能”及“对流抑制能量”有较大差异。作为强对流天气分析预报的重要参数,目前计算对流有效位能和对流抑制能量的通用公式存在一定缺陷;在对“对流有效位能”的理解方面存在某些模糊认识和盲点。从新的观察角度对“对流有效位能”的概念做了详细分析并进一步阐明了其确切含义。新的方案同样可以方便地在T-lnp图上进行稳定度分析,并可根据新的公式对T-lnp的某些缺点进行修正。     

埃玛图状态曲线和几个特殊指标的其他算法

文章阐述了另外一种温度对数压力图(Emagram)制作方法,根据该方法对状态曲线以及对流有效位能(CAPE)、对流抑制能量(CIN)、自由对流高度(LFC)和平衡高度(EC)进行了计算。     

对流有效位能在强对流预报中的应用研究

利用2003年3-10月清远探空站逐日资料，得到不同气块抬升高度的对流有效位能（CAPE），利用相关统计方法，对CAPE与强降水、雷雨大风的关系进行统计分析，结果表明：不同气块起始高度得到的对流有效位能相差很大，其中最佳对流有效位能始终是最大的；CAPE850与强降水呈显著正相关；CAPE850、MUCAPE、CAPEINV与雷雨大风呈显著正相关；CAPE850、MUCAPE、CAPEINV三者中，CAPE850与强对流的相关系数最高，但计算MUCAPE，了解大气的极端不稳定状况可以减少漏报的几率；CAPE变化趋势与强对流日的对应关系在前后汛期有不同的表现，前汛期对应关系较好。     

关于虚温订正CAPE求算方法的讨论

对流有效位能(CAPE)是强对流天气分析和预报中的重要参数,准确的CAPE计算应该采用虚温订正。目前MICAPS和GRADS两种常用软件计算经过虚温订正的CAPE时,积分起点采用的都是订正前的自由对流高度(LFC),即LFC是气块温度与环境温度之差由负值转为正值的转折点的高度。本文理论分析表明,虚温订正后环境的层结曲线和气块的状态曲线都将发生变化。作为求算虚温订正CAPE时的积分起点、环境虚温和气块虚温曲线的交点——LFC也有相应变化,且虚温订正后LFC通常是降低的。虚温订正后的LFC若仍采用订正前的高度,显然与LFC的定义相悖。实际分析示例表明,LFC变化对CAPE数值大小的贡献或许是不明显的,但是它在图形上的表示更加合理,物理意义更加清晰。     

对流温度含义阐释及部分示意图隐含悖论成因分析与预报应用

分析和预报局地对流时常用到对流温度,对流凝结高度常被用于估计局地对流云的云底高度。对流温度和对流凝结高度用于局地对流分析时存在一定的前提,且其蕴含的物理意义非常丰富。论文剖析了几本较为经典的气象专业书籍中对流温度概念图示,指出其中隐含的悖论,包括与大气稳定度基本常识相悖、违反大气能量学理论、以及与物理量本身含义明显抵触。进一步阐释构图不够严谨、对对流温度含义理解不完全到位是出现这种悖论的根本原因。并构造了物理意义清晰、气象基本理论更为合理的对流温度示意图。利用观测资料,分析了北京夏季对流云的发生频数和生成时间,尝试用对流温度预报局地对流云的生成,用对流凝结高度预报局地对流云云底高度。结果表明,对流温度在局地对流云的预报中具有一定的指示意义,对流凝结高度能在一定程度上反映出局地对流云的云底高度。如果将最高温度不低于对流温度1℃作为判定能否产生对流云的一个标准,临界成功指数达到45%。     

对流有效位能的本质和一种新的计算方法

详细阐释了对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)的本质;提出了CAPE新的计算公式;简要介绍了与CAPE计算有关的物理过程和一些新的物理量。结合实例,用新的公式和目前通用的公式,对CAPE和对流抑制能量(convective inhibition,CIN)分三种情形进行对比计算:1)可逆湿绝热过程;2)假绝热过程;3)等假相当位温过程。计算结果表明,假绝热过程比可逆湿绝热过程CAPE新算法明显偏高、CIN明显偏低;MICAPS默认方法与等假相当位温过程计算结果大体相近。     

对流温度在北京夏季局地热力对流云分析中的应用

利用北京近郊地区南苑机场1990-2000年6-8月观测资料,分析了北京夏季对流云出现日数、出现时间、云底高、生命史等基本特征;利用北京站1995-2000年6-8月常规探空资料,分析了北京夏季对流温度和对流凝结高度的特征,尝试用对流温度预报对流云的出现,用对流凝结高度预报对流云的云高。结果表明:对流温度在局地热力对流云的预报中具有一定的指示意义,对流凝结高度能在一定程度上反映出对流云的云高。有对流云时,对流温度与实测温度之差在4℃以内的,占对流云总数的80%。在对流温度与实测温度之差≤4℃的有对流云日内,对流凝结高度与实测对流云云高之差90%以上都是在1200m以内,500m以内的也达到了53%。     

对流有效位能预报能力的统计分析

利用每天4次的NCEP再分析资料和天津地区地面实测温度和露点资料,计算2001—2010年5—9月经过虚温订正的对流有效位能(CAPE),考察天津一般雷雨及雷雨大风发生前0~6h内的CAPE变化及其与雷雨和雷雨大风发生的关系。对4000多个样本的统计表明:一般雷雨发生前CAPE的平均值达1455.2J·kg-1,比无雷雨的平均值大一倍以上;雷雨大风前CAPE平均值高达2 500 J·kg-1。显著性检验表明,CAPE均值对于区分无雷雨、一般雷雨、雷雨大风的信度达99%。和沙氏指数的比较表明:对流有效位能在判别有无雷雨的能力上与沙氏指数相当,区分普通雷雨和雷雨大风天气的能力上超过沙氏指数。     

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。     

大气层结不稳定能量的简便计算方法

本文运用大气能量学、大气热力学和大气动力学基本原理,提出了适用于载水气块在可逆湿绝热上升过程中,和非载水气块在假绝热上升过程中,大气层结不稳定能量的两个简便计算公式。     

中国沿海城市的气块后向轨迹分析

该文讨论了大连、青岛、上海、福州、厦门和广州６个沿海城市的气块长距离后向输送轨迹。输送层假设在１５００ｍ上。计算了１９８５年１、４、７、１０月份的轨迹。轨迹分析得出：①气块后向轨迹与天气形势和季节有关，且南北方有差异；②北方沿海城市的７２小时气块后向轨迹输送距离要比南方沿海城市远些。     

中国沿海城市的气块后向轨迹分析

该文讨论了大连、青岛、上海、福州、厦门和广州６个沿海城市的气块长距离后向输送轨迹。输送层假设在１５００ｍ上，计算了１９８５年１、４、７、１０月份的轨迹，轨迹分析得出：（１）气块后向轨迹与天气形势和季节有关，且南北方有差异；（２）北方沿海城市的７２小时气块后向轨迹输送距离要比南方沿海城市远些。     

Parameterization for the depth of the entrainment zone above the convectively mixed layer

It has been noted that when the convective Richardson number Ri* is used to characterize the depth of the entrainment zone, various parameterization schemes can be obtained. This situation is often attributed to the invalidity of parcel theory. However, evidence shows that the convective Richardson number Ri^* might be an improper characteristic scaling parameter for the entrainment process. An attempt to use an innovative parameter to parameterize the entrainment-zone thickness has been made in this paper.Based on the examination of the data of water-tank experiments and atmospheric measurements, it is found that the total lapse rate of potential temperature across the entrainment zone is proportional to that of the capping inversion layer. Inserting this relationship into the so-called parcel theory, it thus gives a new parameterization scheme for the depth of the entrainment zone. This scheme includes the lapse rate of the capping inversion layer that plays an important role in the entrainment process. Its physical representation is reasonable. The new scheme gives a better ordering of the data measured in both watertank and atmosphere as compared with the traditional method using Ri^*. These indicate that the parcel theory can describe the entrainment process suitably and that the new parameter is better than Ri^*.     

黄山地区气溶胶吸湿增长特性数值模拟研究

应用多种化学组分气溶胶的绝热气块分档模式,对2008年春季黄山地区气溶胶吸湿增长特性进行了模拟分析.结果表明:黄山地区气溶胶吸湿增长因子f的大小与粒子半径、相对湿度、粒子化学组分、上升速度及上升高度密切相关,且小粒子吸湿增长比大粒子显著.吸湿增长因子与相对湿度呈正相关,相对湿度越接近粒子的临界饱和比,吸湿增长因子变化越显著.可溶性有机气溶胶,通过增加溶液中溶质的百分比来影响临界饱和比,使吸湿增长因子增大.若不考虑不可溶粒子的成核作用,会高估粒子的吸湿性.随着上升速度增大,吸湿增长因子降低,降低程度与粒子初始高度的相对湿度有关.上升高度通过改变气块相对湿度的变化来影响气溶胶吸湿增长因子.     

澳大利亚气象研究中心的轨迹计算及其应用

从天气分析和预报提供的后向轨迹信息可以加强预报指导。澳大利亚气象研究中心（ＢＭＲＣ）开发了一个计算三维后向和前向轨迹的软件，使用的资料是澳大利亚气象局有限区域３６小时３个风速分量的业务预报。它们有三种可用的输出形式；后向轨迹、前向轨迹及３６小时气块垂直位移等值线场。这个软件已用于分析诊断研究。     

输送对区域本底站痕量气体浓度的影响

利用HYSPLIT4轨迹模式计算了临安、上甸子和龙凤山区域大气本底站2005年7月-2007年6月的气块后向轨迹, 并通过聚类分析取得了各站点平均轨迹的空间分布和季节变化等结果。将各站点同期观测到的O₃, SO₂, NO_x和CO浓度通过滑动平均法去除季节变化, 取得其短期变化信号, 并将轨迹与这种短期变化信号对应, 比较真实地反映了排放源空间分布和轨迹移动特性对污染物浓度的影响。研究结果表明:移动高度高、速度快的气块不利于污染物积累, 对站点污染物起清除作用。但个别来自高空的轨迹会将富含O₃的气块输送到地面, 从而使站点O₃浓度升高。各站均有大约50%~60%的轨迹输送污染气块, 导致站点气体浓度升高。临安站的污染主要来自S-SW和N-SE扇区; 上甸子站的污染最主要来自SE-SW扇区, 其次来自N-SE和W-N扇区; 龙凤山的污染主要由来自S-WSW扇区。     

沙瓦特指数的一种迭代算法

为了提高沙瓦特指数的计算精度, 在沙瓦特指数计算方案中引入二分法:先用于计算抬升凝结高度上的要素, 进而计算假相当位温, 再依据假相当位温守恒性质用于计算500 hPa气块温度。与其他方案对比表明, 该迭代算法计算的沙瓦特指数精度较高; 与查表法所得的气块温度对比表明, 该迭代算法得到的气块温度的最大绝对误差为1.36 ℃, 平均误差 (-0.68 ℃) 与平均绝对误差 (0.69 ℃) 数值接近; 迭代算法与查表法之间以系统性偏差为主; 此外, 该迭代算法计算量小, 收敛速度快, 具有推广应用价值。     

1998年长江流域特大洪涝期水汽输送过程的诊断分析

利用基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9）,结合轨迹聚类法和气块追踪法,探讨1998年6月12日—8月27日期间长江流域强降雨的水汽输送轨迹、主要水汽源地及其水汽贡献,发现此次强降水过程的水汽源地主要为印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋;不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地存在差异。降水第一阶段水汽主要来自孟加拉湾—南海,水汽输送贡献为35%。降水第二阶段水汽主要由印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋三个区域共同提供,水汽输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾—南海的水汽输送占主导地位,它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。降水第四阶段水汽主要来源于孟加拉湾—南海,贡献为40%。强降水过程中大气环流的调整,导致了不同阶段水汽源地的变化及各源地水汽贡献的差异。     

应用LAPS资料分析安徽沿淮一次短时暴雨特征

利用LAPS系统融合分析资料对安徽沿淮一次短时暴雨过程进行中尺度天气分析,探讨降水过程成因机制及天气结构特点,同时验证LAPS分析资料的实用性。结果表明：过程主要影响系统为中尺度气旋式涡旋,其向安徽北部沿淮地区移动为暴雨的发生、发展提供了触发机制。雷达降水回波主要出现在850hPa中尺度涡旋南侧以及700hPa槽前西南气流辐合上升运动过程中,持续的低空急流及其带来的水汽共同为暴雨过程提供了水汽条件和动力机制。比较雷达回波发展和云中液态水含量演变发现,云中液态水含量极大值区多出现在雷达回波单体的新生区域,借助于LAPS云中液态水含量分布结果对预测雷迭回波发展趋势及降水分布有借鉴作用。