斜压切变基流中横波型扰动的特征波动 Ⅱ:谱函数

“斜压切变基流中横波型扰动的特征波动Ⅰ谱点分布”一文中分析了斜压切变基流中横波型扰动的谱点分布，这里又对其谱函数进行了分析讨论。结果表明当基流在垂直方向存在切变时，重力惯性波与涡旋波的谱函数在垂直方向上均可出现临界层，临界层的高度随频率σ而变化，即重力惯性波与涡旋波都存在连续谱，但涡旋波与重力惯性波连续谱的结构却不同；对天气尺度扰动，两支重力惯性波和1支涡旋波的连续谱不重叠，此时每支波动仅有1个临界层；而对次天气尺度的扰动，重力惯性波与涡旋波的连续谱区会发生重叠，在连续谱的重叠区，重力惯性波仍只有1个临界层，但涡旋波则可以有2个或3个临界层。无论是涡旋波还是重力惯性波其连续谱的波包随时间都是衰减的，但涡旋波波包比重力惯性波波包衰减得慢。     

非线性垂直切变基流中横波型扰动的不稳定

通过数值计算扰动的波谱和谱函数,对垂直非线性切变基流中横波型扰动的不稳定作了数值研究,给出了不稳定谱函数的结构,讨论了不稳定的性质。主要结论有:在基流为非线性垂直切变时,对三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,此时出现的不稳定扰动其性质是准地转涡旋波的不稳定,即Rossby波的斜压不稳定。在中α尺度中高端,虽有涡旋波和重力惯性波连续谱区的部分重叠,但这时不稳定的性质仍是涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定。在中α尺度低端,既有准平衡涡旋波的不稳定,又有非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定(第一类混合波不稳定)。中β尺度不稳定的性质则是非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定,包括第一类混合波不稳定和第二类混合波不稳定。上述情况与线性垂直切变基流的结论相一致,但这里因基流垂直分布较复杂,垂直方向会出现散涡比以1为界的多段交替分布。综上,对于横波型扰动,只要基流不是常数,且层结稳定,虽此时存在纯重力惯性波连续谱区,但均无纯重力惯性波的不稳定,只有涡旋-重力惯性混合波的不稳定。     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制I. 涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组, 分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时, 大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征.在大气层结比较稳定的情况下, 如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流), 此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播, 甚至于快速向东传播.基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用.如果考虑基流的二次切变, 可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式, 涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的.涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变, 亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致.涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关, 它的能量是频散的, 其在纬向x方向也存在群速度.在基本流场的风速存在二次切变时, 横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定; 而在基本流场的风速仅仅存在线性切变, 不存在二次切变时, 横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定.     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组，讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时，其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说，对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子，并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播；（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说，在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下，此时根本不存在涡旋Rossby波，横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时，此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波），涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的，涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0），此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中，涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

垂直切变基流中非地转涡旋波的不稳定

利用Boussinesq方程研究了扰动传播方向与垂直切变基流有一夹角时的不稳定问 题，即斜交型不稳定问题。当Richardson数不大时，在α中尺度波段其增长率最大，此时该斜交型不稳定的性质既不同于重力惯性波的对称不稳定，也与Rossby波的斜压不稳定有差异，而是非地转涡旋波的不稳定。     

大气波动的波谱和谱函数──垂直切变基流中的波谱分析

作者研究了具有垂直切变基流时大气波动连续谱的重叠问题和临界层出现的情况。发现随着基流切变的增大和扰动波长的减小, 一支涡旋波和两支重力惯性内波的连续谱区会互相靠拢, 最后发生重叠, 这时已不能区分为快波、慢波, 而能否重叠的关键在于临界波长与扰动波长的相对大小, 基流切变越大, 扰动波长越短, 重叠现象就越严重。这可用作划分运动尺度的客观标准。当运动尺度大于临界波长时, 是大尺度的, 这时三支波动连续谱区互相不重叠, 涡旋波是准地转的; 当运动尺度小于临界波长时, 可认为是中尺度的, 此时出现连续谱重叠现象。采用该方法划分的尺度标准与通常的标准在量级上则相一致。     

热带气旋螺旋云带动力不稳定的性质

热带气旋螺旋云带的不对称特征,在热带气旋的路径和强度变化中起着重要作用,对其动力性质的研究是整个热带气旋研究中的重要组成部分.文中分别对一个正压无辐散涡旋模型和正压原始方程涡旋模型进行线性化,采用标准模方法计算扰动的谱点和谱函数,研究扰动在基本流场中的不稳定问题,从而讨论了热带气旋中螺旋云带动力不稳定的性质.将一指定的基流廓线代入这两个模型,均会出现不稳定扰动.前者的流动为涡旋运动,仅在不稳定扰动的两个峰值之间可以看出螺旋状的结构特征,在距涡旋中心140 km的外围,不稳定扰动沿径向没有波动分布,没有螺旋云带状结构.此处相应于涡旋Rossby波的停滞半径(stagnation radius),在此半径之内出现的螺旋结构称为内螺旋云带,而在此半径之外出现的螺旋云带称为外螺旋云带.也就是说前者仅出现了眼壁(最大风速半径之内的最大扰动中心)、内螺旋云带,而后者则出现了眼壁、内螺旋云带和外螺旋云带.这说明滤去重力惯性波的正压无辐散涡旋模型(前者)只适合于解释热带气旋不稳定内螺旋云带的形成和结构,当综合考虑不稳定内、外螺旋云带的形成时,水平辐合、辐散的作用不能忽略,此时必须要用正压涡旋模型(后者).在该模型中因最不稳定扰动随涡旋半径的不同,其分别体现了涡旋Rossby波和重力惯性波的特点,故其是不稳定的涡旋Rossby-重力惯性混合波,其不稳定的性质是非平衡的.由此可知,要同时解释内、外螺旋云带的生成和结构,则非平衡的涡旋Rossby-重力惯性混合波不稳定理论应是更合适的选择.     

垂直切变基流中的非平衡不稳定

采用计算横波型扰动波谱和谱函数的方法,研究了当基本气流具有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的不稳定,给出了不稳定扰动的结构,讨论了不稳定的性质。发现：对于三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,若此时出现不稳定扰动,其性质属于纯涡旋波的准地转不稳定,与Eady模态类似,是Rossby波的斜压不稳定;在中 尺度中高端,其不稳定性质仍是纯涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定;在中 尺度低端则出现了第一类混合波的非平衡不稳定,包括涡旋-逆传重力惯性混合波的不稳定和涡旋-顺传重力惯性混合波的不稳定,前者低层体现了涡旋波的特点,高层体现了重力惯性波的特点,后者反之;在中 尺度波段,若存在不稳定则均为非平衡的涡旋-重力惯性混合波不稳定,其包括第一类和第二类混合波的不稳定,后者低层体现重力惯性波的特点,中层体现涡旋波的特点,高层则又体现了重力惯性波的特点。     

斜压切变基流中横波型扰动的特征波动──Ⅰ:谱点分析

文中对谱点的分布作了定性分析和数值计算。结果发现：当基流存在切变时,无论是重力惯性波还是涡旋波都存在连续谱。在通常的环境下,对天气尺度的扰动,3支波动的连续谱不重叠,3支波动明显可分;当扰动尺度小于临界波长l0时,可出现涡旋波和一支重力惯性波的两波连续谱区的重叠,当扰动尺度小于l0／2时,可出现涡旋波和一对重力惯性波的三波连续谱区的重叠,此时两种波动不可分。当出现重叠谱时,若出现不稳定扰动,其频率的实部落在重叠谱区。     

总云量产品在中国区域的分析检验

对ISCCP、常规观测以及MODIS总云量3种目前使用较多的总云量资料进行对比分析, 重点考察时间序列较长的ISCCP和常规观测总云量, 给出定量对比结果, 为使用这3种总云量资料的用户提供参考。研究表明:ISCCP与常规观测总云量相比, 7月二者的空间分布具有很好的一致性, 但白天ISCCP总云量比常规观测总云量多, 夜间却往往比常规观测总云量少, 二者误差分布表现为东部和东南部小于西北部的特征; 而1月二者空间分布比较一致, 但是在天山和东北地区高、低值中心经常不匹配, 这两个区域总云量资料需慎用; 7月ISCCP总云量精度明显高于1月。ISCCP、常规观测以及MODIS总云量对比结果表明:1月MODIS总云量比其他两种资料大, 而7月为最小。相对常规观测, 1月ISCCP总云量精度优于MODIS, 而7月MODIS总云量略优于ISCCP。     

两层正压准平衡海洋模型的中纬度自由涡旋波动解

建立了具有瑞利摩擦且仅考虑大洋西海岸或同时考虑大洋东、西海岸的两层正压准平衡海洋模型,并做了解析求解,用以研究中纬度的自由涡旋波。得到的主要结论有:模型中该波动的解为波包。在仅考虑大洋西海岸时该波包的载频频率是连续谱;而同时考虑大洋东、西海岸时其为离散谱;且均有载频频率越高(周期越短)水平尺度越大的特点,对过分低频的波动,则会使准平衡的假定不再适用。模型中该波动波包载频的周期约在26天至24年。因考虑了摩擦,该波包的振幅随时间呈指数衰减,但摩擦系数的大小仅影响其衰减程度而不改变其空间结构,最终该波包振幅趋于0,故该两层正压海洋模型的解就趋于大气风场的强迫特解。模型中该波包的载频都是西传的;频率较高则西传较快,波包的特性和变形都很明显;频率低,则西传慢,其波形接近平面简谐波。在该两层正压模型中,该波动上层流场与正压模型中的流动类似,而下层海洋流动则其流速与上层海洋相同,而流向相反。该模型中该波动的性质是准平衡(准无辐散)的涡旋波,当摩擦不太大且其水平尺度在10km以上时,其性质则为准地转的Rossby波。     

对偶Kriging插值方法在气象资料分析中的应用

非对偶Kriging方法是一种局部插值, 因此对每个插值点都要重新求解Kriging线性系统从而非常耗时。该文介绍了通过等价变换将泛Kriging方法转换成对偶Kriging方法, 对偶Kriging方法是一种全局插值, 其Kriging线性系统不依赖插值点, 因此仅需一次求解Kriging线性系统即可计算所有插值点的值, 从而极大提高了计算效率。数值试验的实际计算表明, 对偶Kriging方法不仅计算精度完全与泛Kriging方法一致, 整体效果相当于或优于GrADS绘图软件的Cressman方法; 而且对偶Kriging方法的计算效率远高于泛Kriging方法。最后, 该文通过统计与拟合得到了降水的4类半变异函数模型的表达式, 并通过敏感试验研究4类半变异函数模型对降水分析精度的影响。     

北京高速公路大气能见度演变特征及其物理分析

根据首都国际机场高速公路专业气象自动监测站网所提供的高时间分辨率资料, 对大气能见度演变特征以及相应的物理因子进行分析。结论如下: (1) 大气能见度具有明显的日变化和逐月变化特征。就日变化而言, 能见度以14时最大, 但最低值出现时段却不一定。对于季节变化, 全年以夏季大气能见度状况最好。 (2) 无论是季节变化还是日变化, 高速公路上的大气能见度与气象要素之间都是复杂的非线性关系, 而不是简单的线性关系。通过对21个月中能见度最低月资料的分析表明, 大气能见度与湿度间呈明显的乘幂分布关系, 其与气温呈U型相关。但在月平均能见度最大月, 能见度则与湿度呈指数关系。 (3) 从物理上来看, 大气能见度与湿度的关系, 主要是通过水汽分子的Rayleigh散射和雾的Mie散射两个方面来表现; 风速则是由于压力阻力卷起大气气溶胶来影响大气能见度的; 而0℃附近温度影响大气能见度则主要是通过Bergeron三相过程。 (4) 200 m以下的低能见度基本上是湿度在100%的情况下发生的, 即都是大雾天气影响的直接结果, 但对200 m以上的低能见度则不同, 200～1000 m其间有一半是雾, 而1～4 km的能见度中不到三分之一是雾, 主要是由灰霾、 沙尘暴等天气现象造成。     

1961—2016年我国区域性暴雨过程的客观识别及其气候特征

利用全国2287个气象观测站1961—2016年逐日降水资料,基于对暴雨区进行连续追踪的思路,采用暴雨相邻站点数和暴雨区中心距离确定了中国区域性暴雨过程的客观识别方法;根据区域性暴雨过程的平均强度、持续时间和平均范围构建了区域性暴雨过程的综合强度评估模型。利用该客观方法对1961—2016年中国的区域性暴雨过程进行识别,并分析其气候和气候变化特征。结果显示：我国区域性暴雨过程年均38.5次;区域性暴雨过程一年各月均可出现,但主要出现在4—9月,其中7、8月发生最为频繁,6月区域性暴雨过程持续时间长、范围广、综合强度强,这与长江中下游地区梅雨现象有关。一年中,区域性暴雨过程首次出现日期平均为3月6日,末次出现日期平均为11月14日;1961—2016年,我国年区域性暴雨过程首次出现日期呈明显提前、末次日期呈显著推后、暴雨期呈显著延长的变化趋势;年发生总频次呈微弱增多,较强区域性暴雨过程次数呈明显增加趋势;区域性暴雨过程的覆盖范围和综合强度均呈显著增大趋势。南方型区域暴雨过程变化趋势与全国的基本一致;北方型首次日期呈提前、末次日期呈推后趋势,发生频次有微弱减少趋势,覆盖范围、持续时间、综合强度均无明显变化趋势。     

基于DERF2.0的中天山北坡经济带秋季延伸期强降温过程预报检验

基于观测及DERF2.0预报数据,应用多种气候检验指标,针对1983—2013年间中天山北坡经济带8个代表站的秋季日最低气温进行检验,结果表明:(1)秋季日最低气温的预报效果存在空间和年际差异。东部奇台、木垒预报效果优于中西部6站;整体预报能力延伸期弱于中短期,且随预报时效延长而减弱。(2)预报与观测的相关程度较高,但滤除秋季降温背景趋势后日最低气温预报与观测之间的相关程度降低明显,在延伸期时段相关系数从0.8降至0.3以下。不论是否去趋势,温度序列由暖向冷转变的季节趋势越明显,预报的相关性就越好。(3)逐日最低气温预报偏差以偏低为主,随季节推进由9月初的最大-6℃逐渐转变为11月底的2℃以内;多年综合预报PS评分普遍低于60分,站点之间差别较大,奇台站评分相对最高,乌鲁木齐最低,乌鲁木齐的逐年PS评分与其秋季年平均温度分布反向对应,年平均温度越高(低),评分越低(高)。(4)24 h变温的预报偏差整体小于逐日温度,但预报的整体相关程度和相对于观测的离散程度均较逐日温度差,预报时效在5 d内的24 h变温预报效果相对最好。(5)强降温过程的预报能力整体偏弱,初始过程的温度预报偏低,结束过程的温度预报偏高,过程降温幅度预报偏小,过程降温幅度越大,偏小程度越严重,预报时效越长,预报偏差越大。DERF2.0模式的延伸期预报产品对于中天山北坡经济带的秋季强降温过程预报具有一定的参考价值,但是支持能力有限,需要考虑更多方法来探讨提高延伸期预报水平。     

有地形坡度的非线性Kelvin行波

提出了一个考虑地形坡度的非线性Kelvin行波解的模型，在假定了地形坡度沿山脉走向不变而仅在垂直于山脉走向的方向有改变的情况下，求得了该模型的解析解，这有助于加深对沿海山地捕获波的认识。文中还将该解与经典情形(即侧边界取为垂直刚壁而底面为水平)的解作了比较，发现前者的波速与扰动振幅均较后者要小，这与我国东南沿海武夷山区的沿海山地捕获波的情况相一致。     

CFSv2在湖北省梅雨特征量延伸期预报中的应用

利用NCEP的气候预报系统第二版(CFSv2)提供的逐日降水模式资料,采用集合预报方法开展区域性夏季降水预报,使用出入梅日期均方根误差(RMSE)、准确率(ACCU),梅雨期长度均方根误差(RMSE)及梅雨雨强距平符号一致率(Pc)等3种方法评估模式资料对湖北省梅雨特征量的预报能力。结果表明:入梅预报提前13 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,出梅预报提前14 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,梅雨期长度预报提前14天的RMSE小于5 d,梅雨雨强预报提前14 d的Pc可达0.5以上。梅雨特征量总体预报时效为14 d左右,CFSv2模式资料对区域性夏季降水在梅雨延伸期时段表现出一定的预报技巧。     

2009年6月九江一次典型雷击事故原因分析

根据2009年6月江西省九江一次雷击事故现场的勘察结果,利用雷电监测数据和剩磁检测数据对雷电流大小进行了对比分析,认为造成雷击事故的可能原因有三方面,分别是电源SPD的保护级别不够、SPD的容量太小、接地引下线过长和截面积太小。最后,提出了相应的整改建议。     

兰州市区2002年春季3～4月近地层大气气溶胶的监测与分析

对兰州市区2002年春季3~4月近地层TSP连续观测资料进行分析,结果表明:(1)兰州市区TSP的质量浓度随着沙尘天气的发生而显著增加,沙尘天气越强,TSP的质量浓度越高,对兰州市区的空气污染越严重;(2)在不同天气情况下,兰州市区TSP与PM10的质量浓度有很好的对应关系,沙尘天气越强,其质量浓度都越高,但两者增减的比例各不相同;(3)在不同天气情况下,同级粒径粒子的质量浓度各不相同,但在同种天气情况下,各级粒径粒子质量浓度的分布规律却相同;(4)TSP样品色度的3个独立分量与空气质量有一定的对应关系,L*、a*、b*值越大,空气中沙尘含量越高,空气污染越严重,兰州市区在一般天气情况下L*、a*、b*值均较小,说明兰州市区空气污染主要以本地排放的黑色有机物为主。