正交小波变换研究复杂下垫面边界层的湍流特征

小波变换方法具有较好的时频局部特性,非常适合于分析非平稳的湍流信号。本文对35 m铁塔的超声风速测量数据进行了离散正交小波变换,计算了各向同性系数(ISO isotropy coefficient)及小波功率谱,以此对实验场所代表的水陆交际复杂下垫面的近地面层湍流特征进行了研究。ISO系数可以很好地描述实际大气在不同尺度的各向同性特征。根据ISO系数的分布,我们可以通过设定一定的阈值(ISO=0.7)来得到各向同性小涡的分离尺度(记为ISO0.7),即湍流的各向同性尺度范围。研究表明,下垫面对于边界层湍流各向同性特性具有相当大的影响,当风从不同下垫面吹过时ISO0.7尺度的均值具有较明显的差异。同时湍流度和稳定度对湍流各向同性也有一定的影响。对湍流小波功率谱研究表明,功率谱谱幂率在分离出的小涡所处的频段接近于-5/3。而当风从陆面吹过且湍流度较弱时,湍流小波功率谱小涡以分离尺度所对应的频率(fms)为界具有明显的两段趋势:高于fms的频段,谱幂率一般接近-5/3;而低于fms的频段的谱幂率接近-3/3。这反映了下垫面特征对湍流功率谱的影响。同时在不同的风向转变过程中下垫面对功率谱的影响具有差异。     

边界层大气湍流特征的声雷达探测

声雷达可以直接测量温度脉动谱Φ_T(K_0)或温度结构系数C_T~2值。由于大气中谱的尺度很宽,在边界层大气中,用声雷达测得的Φ_T(K_0)或C_T~2是一个随机量,具有正偏态分布的特性,并满足对数正态分布。 从Φ_T(K_0)的频谱分析中得到,在频率为10~(-3)—3×10~(-3)秒~(-1)的范围内,存在着一个能量的峰值区,峰值和高频之间,能量的过渡带很陡。过去一般认为中尺度范围是大气谱段中能量的低值区。本文的分析发现,在中尺度范围内,无论在稳定或不稳定层结,经常存在着几分钟到十几分钟的周期活动,并对能量产生较大的贡献。这对今后大气湍流理论的研究,是一个值得注意的问题。此外,由于大气中谱尺度很宽,必须正确地选取气象要素或其它物理量的平均时间,才能获得稳定的气象要素的平均值。     

湖南岳阳一次大暴雨过程近地层湍流特征分析

利用杭瑞高速洞庭湖大桥测风塔上的三维超声风速仪观测资料以及岳阳气象站逐小时降水资料,分析了2016年7月3—5日湖南岳阳一次大暴雨过程的三个不同时段近地层湍流特征。结果表明:(1)强降水来临前180—230min和结束前10—50 min的近地层物理量场出现异常,且强降水来临前的物理量场异常出现时间较结束前早。风速、湍流强度、湍流动能在大暴雨过程中出现异常偏大,强降水来临前230 min,风速出现最大值4.875 m·s~(-1);强降水结束前50min,湍流强度出现最大值,水平纵向、水平横向、垂直向的湍流强度分别为1.255、1.173、0.195。(2)强降水来临前与结束前,湍流功率谱密度出现异常偏大。大暴雨过程中的湍流功率谱密度减小,湍流功率谱密度最大值的频率左移。(3)强降水来临前的湍涡尺度最大,强降水期间的湍涡尺度次之,强降水结束后的湍涡尺度在三者中最小,低频大涡为大暴雨过程中的湍流活动提供了能量。     

城市街渠大气湍流结构的小波分析

利用小波分析方法对城市街渠大气湍流场特征进行了初步研究，发现小波变换能够很好地揭示湍流的串级结构和多尺度结构。结合Fourier分析对湍流中不同尺度涡旋对能量的贡献进行了比较，发现噪声能量主要集中在高频处。     

天津市郊大气边界层湍谱特征分析

用１９９０年７月在天津市郊的观测资料，计算了风速谱、温度谱及动量和热量通量的协谱。结果表明，市郊下垫面上的大气湍流谱特征与平坦地形上得到的典型结果基本一致，但满足各向同性的湍流尺度似乎比在平坦地形上的略大，谱的峰值频率区域略窄，谱的低频区（含能区）特征与平坦地形上的情况也不同。     

加利福尼亚附近的海温强迫及其与北太平洋年代际振荡的可能联系

本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气;在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。     

资料同化中二维特征长度随模式分辨率变化的分析研究

特征长度是资料同化中的重要参量，决定了观测信息在空间的传递特征，而特征长度随模式水平分辨率增减而变化的特点与背景误差湍流功率谱分布特点密切相关。通过对不同来源实际资料计算获得的特征长度数据分析和对理想数据数值试验分析，结果表明随着模式分辨率的提高，特征长度会按照二次根的规律递减。特征长度的这种变化由背景误差湍流功率谱，特别是与次天气尺度（20～60波）到中尺度波（大于60波）的湍流功率谱斜率特征决定。当湍流功率谱斜率从-5/3变化到-4时，特征长度随模式分辨率变化的敏感性降低。作者估计出的温度场的实际背景误差湍流功率谱斜率在次天气尺度到中尺度大约在-2.8左右。对特征长度的估计除传统方法外，可以根据背景误差的湍流功率谱斜率特征来更方便地给出，该方法可作为传统方法的补充来匹配应用。     

2015—2017年夏季南京雨滴谱特征

利用2015—2017年夏季南京地区的雨滴谱数据,对南京在梅雨开始前、梅雨期及梅雨结束后3个不同时段降水的宏微观特征进行分析发现:梅雨开始前对流活动强度偏弱,但对流降水的雨滴平均质量加权直径、分钟级强降水频率和逐小时累积短时强降水的频率为3个时段中最高;天气尺度强迫提供的有利于降水的持续性条件、弱对流强度下充分的凝结过程及微物理相关过程对云粒子的损耗偏弱,是有利于该时段大雨滴形成和降水效率提高的重要因素。梅雨结束后,高温高湿环境易产生剧烈对流活动,导致对流降水的大尺度雨滴样本比例及分钟级极端降水发生频率位于3个时段的首位。层云降水时,梅雨期降水频率、降水率及雨滴尺度平均值均位于首位,小尺度雨滴样本比例最低;有利天气尺度强迫条件下的充分碰并作用是主要原因之一。不同时段雨滴谱谱形参数（μ）与斜率（Λ）之间的二项式关系式的差异与μ的取值有关。     

巴丹吉林沙漠北缘拐子湖近地层湍流能谱特征分析

利用2013年6月巴丹吉林沙漠拐子湖地区流沙下垫面的陆气通量观测资料,计算并分析了该研究区不同大气稳定层结条件下的湍流速度各分量谱和温度谱及湍流的局地各向同性特征。结果表明:该研究区风速各分量的湍流强度随平均风速的增加而逐渐减小,当平均风速2 m/s时,风速各分量的湍流强度逐渐稳定且基本限定在0.5以内。在不同大气稳定度下,湍流速度和温度能谱曲线在惯性副区内逐渐有合并趋势且遵循Kolmogorov提出的-2/3定律,速度各分量谱在高频段均满足各向同性且符合低频限制理论。随着稳定度的增加,风速分量的能谱曲线逐渐降低且向高频端移动,风速分量和温度能谱对应的谱峰长度则逐渐减小。该研究区水平湍流尺度范围为9.0~600 m,垂直湍流谱峰波长为10.79~75 m。该结果介于草地和森林下垫面之间,与塔克拉玛干沙漠腹地的试验结果较为接近。     

不同下垫面的大气边界层湍流扩散特征

利用海洋、戈壁、城郊和城市4种不同下垫面上的湍流观测资料,运用多尺度湍流概念和方法计算分析了风速谱和扩散参数等湍流特征量。结果表明:下垫面的粗糙度对大气边界层湍流特征影响很大,随着粗糙度的增大,速度谱的峰值频率向高频方向移动,扩散参数增大。     

Comparing the theoretical versions of the Beaufort scale, the T-Scale and the Fujita scale

2005 is the bicentenary of the Beaufort Scale and its wind-speed codes: the marine version in 1805 and the land version later. In the 1920s when anemometers had come into general use, the Beaufort Scale was quantified by a formula based on experiment. In the early 1970s two tornado wind-speed scales were proposed: (1) an International T-Scale based on the Beaufort Scale; and (2) Fujita's damage scale developed for North America. The International Beaufort Scale and the T-Scale share a common root in having an integral theoretical relationship with an established scientific basis, whereas Fujita's Scale introduces criteria that make its intensities non-integral with Beaufort. Forces on the T-Scale, where T stands for Tornado force, span the range 0 to 10 which is highly useful world wide. The shorter range of Fujita's Scale (0 to 5) is acceptable for American use but less convenient elsewhere. To illustrate the simplicity of the decimal T-Scale, mean hurricane wind speed of Beaufort 12 is T2 on the T-Scale but F1.121 on the F-Scale; while a tornado wind speed of T9 (= B26) becomes F4.761. However, the three wind scales can be uni-fied by either making F-Scale numbers exactly half the magnitude of T-Scale numbers [i.e. F′half = T / 2 = (B / 4) − 4] or by doubling the numbers of this revised version to give integral equivalence with the T-Scale. The result is a decimal formula F′double = T = (B / 2) − 4 named the TF-Scale where TF stands for Tornado Force. This harmonious 10-digit scale has all the criteria needed for world-wide practical effectiveness.     

Analysis of the Characteristics of the Low-level Jets in the Middle Reaches of the Yangtze River during the Mei-yu Season

Here, we analyze the characteristics and the formation mechanisms of low-level jets(LLJs) in the middle reaches of the Yangtze River during the 2010 mei-yu season using Wuhan station radiosonde data and the fifth generation of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ERA5) reanalysis dataset. Our results show that the vertical structure of LLJs is characterized by a predominance of boundary layer jets(BLJs) concentrated at heights of 900–1200 m.The BLJs occur most frequently at 230...     

准两年振荡对大气中微量气体分布的影响

NCAR的包含化学、辐射、动力相互作用的两维模式（SOCRATES）移植回国后进行了初步的模拟试验,用以研究某些对环境问题重要的微量气体的化学、辐射、动力传输过程。在不考虑极地平流层云和气溶胶表面非均相化学等情况下,模式积分多年,计算结果稳定,模拟的风场、温度场显示出正常的季节变化,模拟的微量气体分布与卫星实测资料对照,结果也比较一致。为了探讨热带平流层风场的准两年周期振荡（QBO）对平流层微量气体分布的影响,我们做了QBO强迫的数值试验,即在模式中加入QBO强迫,并与不考虑QBO强迫的模拟结果对比。结果表明,QBO与其相关的次级环流所引起动力输送的变化,使平流层微量气体分布发生变化。     

阴山山脉对内蒙古中部地区气象要素影响初探

文章选用阴山山脉山北乌拉特后旗、白云、达茂旗、苏尼特左旗、化德,山南杭后旗、包头、呼和浩特、察右前旗、兴和1971—2000年气温、降水量、天气现象等资料进行对比分析,得到阴山山脉对内蒙古自治区中部地区气象要素影响初步结论。     

加强业务管理提高测报质量

我局从1999～2003年,测报工作连续4年未出现错情,在此期间共有1个250个班,9个百班无错通过上级业务部门验收.在仪器保管、使用、维护上符合要求,对外报送的各种表、簿都能做好出门合格.     

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾.首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示;夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气环流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响力方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环:流演变中的重要作用.青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在孟加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在孟加拉湾爆发.结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动,下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统.而且高原的加热强迫还能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流.研究还表明,盛夏的南亚高压存在"青藏高压型"和"伊朗高压型"的双模态,它们与高原加热状态有关,且显著地与亚洲季风区的气候分布密切联系.     

西伯利亚高压强度与北大西洋海温异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温等资料,采用EOF、相关分析等方法,研究了西伯利亚高压(Siberian High,SH)强度和北大西洋海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的联系及其时空变化。结果表明:1)冬季SH在1960s中后期开始偏弱,2003年后略增强。2)各季北大西洋SST指数(全区平均SST的标准化距平)均在1960s中期后偏低,1990s末后偏高。北大西洋海温三极子位相由正转负的时间在春冬季(1970s初)晚于夏秋季(1960s初),而后均在1990s中期后进入正位相。3)各季偏高(低)的北大西洋SST指数和海温三极子正(负)位相均有利于冬季SH偏强(弱),但前者与SH的关系更显著,且冬季最强。北大西洋北部和西南部是影响SH强度的关键区,但SH对北部SST异常的响应范围在冬季最大,而对西南部的响应范围在夏季最大。4)当冬季大西洋SST指数异常偏高时,下游激发出的罗斯贝波列使乌拉尔山高压脊加强,使SH上空负相对涡度平流增大,高层辐合和低层辐散增强,整个对流层下沉气流深厚,促使SH增强,反之亦然。     

梅雨发生前对流层顶及平流层异常信号的分析

利用NCEP和欧洲中心的ERA-Interim再分析资料结合中国国家气候中心的20a梅雨观测资料,分析了梅雨发生前江淮地区对流层顶和位涡的异常以及北半球环状模指数的变化。研究表明,江淮地区在梅雨开始前3—5天会出现对流层顶的下降,且高度的经向变化比纬向变化更为明显。对流层顶的降低与北方冷空气的南下入侵、东亚季风的爆发以及急流轴北跳引起的频繁的对流层顶折卷过程有关。对流层顶的下降伴随着来自平流层的高位涡冷空气的入侵。而梅雨发生前江淮地区上空对应正位涡异常,这一异常的建立和维持与贝加尔湖、西西伯利亚、鄂霍次克海附近的正位涡异常有关;而梅雨发生前江淮地区平流层温度达到极大值,梅雨爆发后开始下降,纬向风则处于西风到东风的转换期。梅雨期的总降水量与对流层上部平流层下部的北半球环状模指数存在一致的正相关关系,而在梅雨发生前15—30天,这种相关性尤为显著。这一结果说明,在对流层顶附近的北半球环状模指数对梅雨期降水量的预测有较好的指示意义。     

气候变化对中国农业旱灾损失率的影响及其南北区域差异性

在全球变暖背景下,干旱灾害对中国农业生产的影响日益严重,然而由于旱灾损失的复杂性及其显著的区域差异,至今对中国农业旱灾损失规律及其影响机制的认识十分有限。文中利用1961年以来中国农业干旱灾害的灾情资料和常规气象资料,系统分析了近50年来中国农业干旱灾害不同受灾强度分布比率和综合损失率等指标的变化趋势及其在北方和南方的区域差异,研究了20世纪90年代的气温突变对农业旱灾损失率的影响特征,探讨了农业旱灾综合损失率对气温和降水等气候要素变化的依赖关系及其在气候空间的分布特征。结果发现,在气候变化背景下,近50年来中国农业旱灾综合损失率平均每10 a约增加0.5%,风险明显增大。而且,北方综合损失率每10 a约增加0.6%,高出南方1倍,风险增大的速度明显比南方快;北方农业旱灾几乎在很宽松的气温条件下就可以发生,而南方更多发生在气温较高的年份。并且,在气温突变后,变化趋势明显加剧,全中国综合损失率约增加了0.9%,风险明显增高;而且北方综合损失率的增值高达1.8%,是南方的4倍还多,气候突变对北方农业旱灾风险的影响明显比南方更凸出。综合损失率在北方对降水变化的响应要更敏感,而在南方对气温变化的响应更敏感。同时,关键影响期降水对综合损失率的影响比全年降水影响更显著;北方的关键影响期作用比南方更凸出。这些新的科学认识对中国农业旱灾防御具有重要意义。     

Potential Vorticity Diagnostic Analysis on the Impact of the Easterlies Vortex on the Short-term Movement of the Subtropical Anticyclone over the Western Pacific in the Mei-yu Period

By employing NCEP-NCAR 1°×1° reanalysis datasets, the mechanism of the easterlies vortex(EV) affecting the short-term movement of the subtropical anticyclone over the western Pacific(WPSA) in the mei-yu period is examined using potential vorticity(PV) theory. The results show that when the EV and the westerlies vortex(WV) travel west/east to the same longitude of 120°E, the WPSA suddenly retreats. The EV and WV manifest as the downward transport of PV in the upper troposphere, and the variation of the corresponding high-value regions of PV significantly reflects the intensity changes of the EV and WV. The meridional propagation of PV causes the intensity change of the EV. The vertical movement on both sides of the EV is related to the position of the EV relative to the WPSA and the South Asian high(SAH). When the high PV in the easterlies and westerlies arrive at the same longitude in the meridional direction, the special circulation pattern will lower the position of PV isolines at the ridge line of the WPSA. Thus, the cyclonic circulation at the lower level will be strengthened, causing the abnormally eastward retreat of the WPSA. Analysis of the PV equation at the isentropic surface indicates that when the positive PV variation west of the EV intensifies, it connects with the positive PV variation east of the WV, forming a positive PV band and making the WPSA retreat abnormally. The horizontal advection of the PV has the greatest effect. The contribution of the vertical advection of PV and the vertical differential of heating is also positive, but the values are relatively small. The contribution of the residual was negative and it becomes smaller before and after the WPSA retreats.