灾害性冰雹过程的重力波演变特征

在灾害性冰雹过程的不同阶段,大气中有不同特征的重力波出现。使用重力波周期-振幅谱的动态分析方法,把冰雹过程从不同的发展阶段加以考察,发现了一些雹云发展和重力波演变特征之间的联系。它们有助于找到一种对灾害性冰雹过程作出较长时效临近预报的方法和进行深入研究的线索。     

大气对流层重力波研究进展

重力波对暴雨等强对流天气有着触发机制的作用,甚至影响着大气环流、大气结构和演变.综合近50年来国内外有关大气对流层重力波的研究成果,为重力波的进一步研究提供参考.多年研究表明：暴雨等强对流系统、山脉地形等为对流层重力波波源;重力波强度与风垂直切变、背景绝对涡度成正比,传播速度与波的振幅、水平波宽成正比,重力波在稳定大气中得到了加强,潜热加热有利于重力波的形成;重力波的探测手段为微压器、卫星、雷达观测等,通过重力波探测目前基本掌握了重力波的日、月、季节的活动规律.     

重力波浅谈

正如绵延起伏上下不息的水面波一样,在地球大气中重力波真是无时不在无处不有,而且它们的波长可从10~1公里的短重力波,到波长为10~4公里的长重力波,在大气中构成了堪称为重力波的大家族。在这个重力波家族中,几乎每一种重力波成员,对于大气环流的演变以及天气的变化,起着各自不同的作用,扮演着不同的角色。所以,在探索大气运动规律以及正确做好天气预报过程中,大气重力波也是很值得注意和研究的一个问题。     

对流和加热对重力惯性波的激发

用线性模型讨论了对流和加热对重力惯性波的激发，分别讨论了初始垂直速度扰动和初始位温扰动及大气内部加热在静态层结大气中激发的重力惯性波，及重力惯性波过程引起的大气温压场的变化。得到的结果可以帮助理解中小尺度系统的发生发展，对流过程与环境大气的相互作用。     

对流和加热对重力惯性波的激发

用线性模型讨论了对流和加热对重力惯性波的激发，分别讨论了初始垂直速度扰动和初始位温扰动及大气内部加热在静态层结大气中激发的重力惯性波，及重力惯性波过程引起的大气温压场的变化。得到的结果可以帮助理解中小尺度系统的发生发展、对流过程与环境大气的相互作用。     

贵州中部大气重力波活动的天气气候学分析

使用贵阳市１９９４年以来１６个月连续的大气重力波单测点探测资料及动态谱分析技术,对贵州中部大气重力波活动进行了天气气候学分析。     

一次飑线大风的多种资料分析和临近预报

利用临沂新一代天气雷达(CINRAD/SC)观测资料,结合MICAPS资料、加密自动气象站观测资料、MM5模式数值预报产品,对2006年4月28日发生在临沂的一次以灾害性大风为主、有弱降水相伴随、局部还有冰雹发生的飑线天气过程进行了分析.文中利用多种资料重点探讨了弓形回波带来的灾害性大风的形成机制.模式产品分析表明:灾害性大风发生区处在高空急流左侧,此处是正涡度平流和辐散区,强的垂直风切变导致了重力波的产生,300～500 hPa高度上产生的中尺度重力波(MGW)是本次大风过程的启动机制.造成地面大风的强下沉气流是来自于对流层中上层的干冷空气.雷达观测表明:本次过程中,大风区雷达径向速度出现模糊,强回波区对应径向风速辐合,具有较小的VIL值、有界弱回波区和中层径向辐合等特征.雷达径向速度图上高层负径向速度中心值的迅速减小和低层负径向速度中心值迅速增大是高空下沉气流迅速下沉的结果,是产生地面灾害性大风的直观表现.     

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律:重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40~80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律:惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40~80 min比周期为140~160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。     

小尺度地形引起的切变重力波

在大气边界层中,特别是山区的边界层中,经常可以观测到重力波的活动。例如Bull和Neisser分析了1974年4月至7月的2300时的微气压计记录。他们发现约38％的观测时间里都存在振幅至少为10—20 dPa的重力波活动,其中大多数重力波的振幅为25—70 dPa。由于风速切变和温度层结的不同,重力波引起的垂直位移的大小可能为百米,也可能达到整个夜间边界层厚度的量级。 很多大气活动都可能引起重力波,例如锋面、低空急流、局地风切变、逆温及强对流等等。地形特别是在夜间也是产生重力波的重要来源。当稳定度随高度急剧减少或风速随高度急剧增加时,在山脊的背风坡经常可以发现一系列的波动活动。     

青藏高原东北侧冰雹微物理过程模拟研究

以青藏高原东北侧及毗邻地区诱发冰雹灾害的东移短小切变线天气过程为研究背景,采用中国科学院大气物理研究所三维冰雹云分档模式,用MM5V3中尺度气象模式提供冰雹云模拟研究所需的环境大气状况,模拟研究了冰雹形成和增长的微物理过程。结果表明：模式再现了当时冰雹、大风及暴雨的实况;中尺度水分和动力条件是冰雹形成和增长的重要因素,它们决定了冰雹云的强度和冰雹的大小;冰雹形成和增长过程中的微物理过程决定了冰雹云的消亡,冰雹在空中形成的潜热释放延长了降雹的时间;云中冰雹发生、增长的主要区域和云内上升气流配合良好,是防雹消雹的主要范围。     

一次冰雹云过程及其催化试验的数值模拟分析

本文应用中科院大气所建立的三维完全弹性冰雹云模式，对2000年6月9日发生在江苏射阳地区的一次冰雹云过程及其催化试验进行了数值模拟，根据模式输出的高时空分辨率资料，分析了冰雹云发生发展过程中的热力和动力场作用及微物理过程的变化，对这次冰雹云形成的机制作了初步分析，并作了一系列碘化银催化试验，对催化防雹的物理机制又进行了较为深入的探讨。     

中尺度重力波指数与暴雨冰雹等强对流天气的关系

该文采用中尺度风场计算低频重力波指数,对暴雨、冰雹、大风等强对流天气进行了诊断分析和预测。结果表明:低频重力波指数Cし*与对流的暴发性发展相联系,对暴雨、冰雹、大风等强对流天气都有很好的预报意义;强对流天气一般发生在Cし*-10的区域;Cし*的大小与预报时效相联系;中尺度风场比大尺度风场的重力波指数更能反映出重力波指数与强对流天气的关系。     

利用FY-3C气象卫星GNSS掩星估计全球重力波变化与分析

大气重力波是地球大气层中广泛存在的重要大气动力学扰动,研究其分布和变化规律对理解大气物理、大气结构以及大气动力学等具有重要意义.传统大气重力波探测手段,如雷达和探空气球等,均存在探测时间短、有效探测高度低等缺点,全球卫星导航系统（GNSS）掩星观测具有全天候、低成本、高精度等优点,被广泛应用于地球大气探测和研究,为研究区域或全球重力波变化和活动特征提供了新的观测手段.本文利用中国第一颗搭载GNSS掩星设备气象卫星——风云3C （FY-3C）获得的掩星数据,反演得到2014年8月—2016年12月大气温度轮廓线,并首次估计重力波参数分布,分析了重力波参数的时空变化分布特征.结果表明,海陆季节性对流导致冬夏两季的重力波势能强于春秋两季,赤道对流作用导致赤道区域重力波强于两极,夏季南半球中低纬度地区重力波活动频繁,冬季北半球中低纬度区域重力波活动频繁.重力波随着高度的上升,势能逐渐下降.另外,地形是低层大气重力波的主要来源.     

佛山地区不同类型雷暴过程大气重力波的频谱动态特征研究

利用佛山地区2017年1月至2019年10月高精度微压计数据,统计分析佛山地区不同类型雷暴天气的大气重力波频谱特征,结果表明:雷暴天气与重力波的生成、发展密切相关,长周期（90～270 min）、短周期（1～90 min）重力波在不同类型雷暴天气有明显的差异。不同类型雷暴期间,都有大振幅（≥110 Pa）、宽周期范围的长周期重力波,但是强雷暴期间长周期重力波的振幅更大、周期范围更宽,中心振幅大于130 Pa的重力波发生的比率更高;不同类型雷暴激发的短周期重力波具有共同特征,表现为周期10～90 min、中心振幅11～47 Pa,但是大部分强雷暴都会激发10～90 min短周期重力波,发生的比率高于弱雷暴,并且强雷暴更易激发更短周期（1～20 min）重力波,更利于振幅较大（≥50 Pa）的短周期重力波发生。近距离雷暴比远距离雷暴对长、短周期重力波有更积极的影响。部分雷暴发生前约114～168 min,会有长、短周期重力波先兆活动,其中,长周期（90～270 min）重力波平均中心振幅84～106 Pa、短周期（30～90 min）重力波平均中心振幅12～43 Pa;相比远距离雷暴,近距离雷暴的重力波先兆活动发生比率更高;雷暴强度对重力波先兆活动也有影响,强雷暴过程振幅更大、短周期（20～30 min）的重力波先兆活动发生率更高。重力波先兆活动这一特征可能对雷暴预警有意义。     

对流云街激发的重力波和波动阻力

大气边界层中的对流活动,可以在其上部稳定层中激发出重力波,并引起垂直动量输送,影响到对流层和平流层中的动量平衡过程.从二层模式中大气波动方程的线性解出发,得出了对流云街激发的重力波波阻解析表达式,并讨论了大气条件对波阻的影响.这些分析可有助于大气环流模式(GCM)中此类重力波波阻参数化表达式的建立和改进.     

吉林省两次区域性冰雹过程对比分析

利用NCEP 0.25°×0.25°再分析资料和吉林省多普勒雷达资料,对2014—2016年吉林省出现的两次典型区域性冰雹天气过程进行了对比分析.通过两次过程的天气形势、环境条件、雷达回波等的具体分析,得出以下结论:两次过程都具有中层冷平流输送,水汽条件影响强对流灾害性天气的类型,垂直风切变都达到中等强度以上,不稳定条件充分;从冰雹的落区来看,灾害性天气落区与触发系统和引导气流关系密切;从冰雹发生的时间来看,两次过程都发生在中午至傍晚时段内;冰雹发生前,冰雹云均有快速增强的过程,强度加大,高度更高;VIL值达到最大值的时间提前冰雹发生时间1～2个体扫.     

对流层与下平流层大气重力波的气候及差异特征研究——以太原为例

大气重力波对全球大气的动力、热力结构具有重要影响,研究重力波参数气候特征是研制全球大气模式中重力波参数化的一个重要环节,通过引入重力波的影响,有利于提高大气模式的预报能力。本文利用2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料,对其对流层(2～9 km)、下平流层(17～24 km)大气重力波参数的气候特征及其之间差异特征进行研究。结果表明:(1)在1-12月,相对于对流层,下平流层的平均重力波水平波长、周期、固有相速、能量上传百分比均偏大,垂直波长均偏小,但群速在2月、5-9月偏大,其他月份偏小;(2)对流层与下平流层之间的重力波参数偏差、绝对差较大,相关性弱;(3)对流层、下平流层的重力波参数及其之间的偏差,在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异;通过研究太原地区上空对流层、下平流层大气重力波参数的气候及其之间差异特征,进一步补充了中国区域的大气重力波参数气候特征,有利于研制更适合中国区域数值预报模式的重力波参数化方案。     

一次暴雨过程的重力波特征分析

选取四川省的一次暴雨个例分析研究大气中对流活动和重力波的相互内在联系。针对这次暴雨过程,采用MICAPS探空资料和天气雷达资料,并且结合天气学分析以及重力波指数的分析方法对暴雨的形成原因和重力波的机制进行了研究。结果表明:重力波与暴雨有一定的内在联系,重力波引导了暴雨的发展;非线性平衡方程对于诊断大幅度的重力波有很好的指示作用。     

三维静力适应过程中声重力波的特性和能量转换研究

为了研究三维静力适应过程的机理,推导三维静力适应方程组并导出声重力波的频散特征、解析解和能量转换关系以及位涡方程。结果表明,三维静力适应过程实际上就是三维声重力波和重力内波的频散过程,声重力波和重力内波的频率在水平方向上可以区分开来。声重力波的频率随着水平波数和垂直波数的增大而增大。取近轴近似,其解析解在空间上呈螺旋曲面,为大气中热通量和动量从一个区域向另一个区域的输送提供了一种机制,从而为研究大气提供了新的视角。垂直速度在动能与有效势能的转换、有效势能与有效弹性势能的转换中发挥着重要的作用,并且只发生在垂直方向上。在静力适应过程中总能量和位涡是守恒的。适应终态中有效势能比有效弹性势能大一个数量级。      

非均匀层结大气中的重力惯性波及其激发对流的物理机制

本文用WKBJ方法求解Boussinesq近似下的重力波方程,导出非均匀层结大气中重力惯性内波的一个守恒波作用量(称为广义波作用量)。根据广义波作用量守恒原理,着重讨论了重力惯性内波在发展过程中尺度变化的规律;在适当的条件下,重力波随着其尺度的变化而可能崩溃(或破碎),从而激发对流的发展。