鄂东两次暴雨前后近地层物理量场异常特征分析

利用湖北黄石长江南岸50 m高铁塔的风梯度、超声风及气温、湿度观测资料,对2007年5月31日及7月1-2日两场暴雨前后近地层风温湿场和降水前湍流特征进行了计算分析,探索其异常变化特征,为进一步认识黄石地区强降水的近地面层物理过程提供依据。结果表明:(1)降水前温度下降,湿度上升,平均风向发生明显转变,水平风速与垂直气流速度在降水前出现显著增大;降水后,风向平缓变化,平均风速再次增大。(2)垂直气流速度在降水前频繁上下振荡,激发湍流活动。(3)降水前湍流动能增大,湍流动量通量和感热通量增大向上传递,湍流强度逐步增大。湍流动能最大值的出现早于湍流通量,湍流活动在临近降水时进一步加强。可见暴雨发生前后近地层风温湿场有明显的变化,降水前湍流活动增强。     

两次台风过程近地层湍流度和阵风因子分析

利用2005年台风"麦莎"和"卡努"期间青岛海岸实测三维风观测资料,挑选6个10 min平均风速≥8 m/s的强风时段,使用矢量分析方法研究台风影响华东地区时近地层的平均风速风向变化、湍流度和阵风因子变化等湍流特性,结果表明台风影响期间,近地层湍流脉动风速不稳定,水平方向、垂直方向风速风向快速变化;虽然台风"麦莎"、"卡努"入海地点不同,不同强风时段近地层湍流度差异也较大,但湍流强度都表现为Iu(横向)＞Iv(纵向)＞Iw(垂直向).两次台风影响过程不同强风时段近地层阵风因子的变化与湍流度的变化是一致的,在风速增大风向转变的时段,湍流度和阵风因子明显增大.     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

湖南岳阳一次重度霾过程近地层物理量场异常特征分析

利用杭瑞高速公路洞庭湖大桥北岸测风塔的梯度风观测资料、三维超声风温仪资料以及岳阳气象站提供的逐小时气溶胶浓度和能见度观测资料,对湖南岳阳2017年1月28日的一次重度霾天气中的重污染过程的近地层物理量变化特征进行了分析,结果表明:（1）重污染来临前约130 min即28日01:50（北京时间,下同）,水平风速、垂直风速、高低层风切变都出现零值,大气处于静稳状态。重污染结束前180 min即28日09:00,上述物理量和高低层温度切变出现零值。（2）湍流强度在重污染来临前有强烈异常信号,其中水平纵向湍流强度异常信号最明显,于重污染发生前130 min出现异常峰值4.15,重污染结束前180 min出现异常峰值3.24。（3）湍流动能和动量通量都在重污染来临前130 min接近0.0 m2/s2,即湍流交换最弱,有利于污染物在近地面的持续堆积和重污染过程的发生。近地层的平均物理量和湍流特征量的异常信号的出现时间有较好的一致性,即出现在重污染来临前的130 min和结束前的180 min。揭示了重度霾污染天气的近地层物理量时间变化规律,着重分析了霾污染的生成、发展、消亡全过程的边界层湍流异常的前期信号,为深入认识霾污染天气进行有益的探索并为这类天气的预测预警提供科学依据。     

2010年春季北京地区强沙尘暴过程的微气象学特征

利用北京大学校园地区PM10质量浓度观测资料、中国科学院大气物理研究所325m气象塔气象要素梯度和湍流观测资料,分析了北京地区2010年3月20～22日两次强沙尘暴过程微气象学要素和沙尘参量的时空演变以及湍流输送特征,为理解北京地区强沙尘暴天气沙尘输送规律和微气象学特征提供参考。结果表明:3月20～22日强沙尘暴过程前后不同高度温度先升后降,气压和相对湿度则相反。强沙尘暴来临时,高层风速先迅速增大,低层风速增加略有滞后,风切变明显加强,PM10浓度最大值和风速极大值出现时间较吻合。强沙尘暴过境时,不同高度向下的湍流动量输送、向上的湍流热量输送和湍流动能明显加强。与3月21日非沙尘暴日相比,强沙尘暴过程湍流动量通量增加,有利于沙尘粒子的水平和垂直输送过程;由于冷锋过境,水平热通量增大;垂直热通量因白天温度垂直梯度减小而减小,夜间因逆温层被破坏而增加;水平湍流动能对湍流动能占主要贡献,垂直湍流动能仅占水平湍流动能的10%～25%。     

森林近地层大气湍流特性观测分析

利用长白山森林生态系统定位研究站观测资料,及2003年8月和9月涡旋相关资料,分析和比较了该地区近地层包括风速、风向、大气稳定度在内的平均场特征,以及湍流强度、无量纲化风脉动方差相似性和地表通量变化特征。结果表明:(1)8月和9月稳定度都基本集中在0附近;(2)风速2 m·s-1的环境中,湍流发展最为旺盛,随着风速的增大湍流强度先迅速减小,当风速增大到3 m·s-1后,湍流强度偏离0值变大了一些,再继续增大到一定风速大小以后,湍流强度基本不随风速变化;(3)无量纲化三维风脉动方差符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"定律,其最佳通用相似函数在稳定和不稳定条件下都可以拟合得到;(4)地表通量均表现出明显的日变化特征,8月以潜热为主,感热较小;9月仍以潜热为主,但是相比8月明显偏小,感热变化不大。     

北京冬季大风过程大气边界层特征分析

利用北京中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔的气象梯度资料和湍流资料,分析了2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中气象要素和湍流输送特征的变化。第一次大风过程的强度和持续时间均高于第二次大风过程。强烈的风速垂直切变主要集中在距地面100 m高度范围内,最强风速垂直切变达到0.31 s~(-1)。大风过程中,阵风系数呈现随高度减小的趋势,越接近地面,阵风系数愈大。阵风强度的变化与阵风系数相似,100 m以下高度时,阵风强度随高度增大而减小。大风过程自上而下改变边界层结构,平均动能、湍流动能和摩擦速度最先从上层(280 m)发生变化且迅速增加。近地层由于风速垂直梯度的显著差异,近地层垂直方向的湍流强度最大。大风时各功率谱在低频区(0.01 s~(-1))达到峰值,大风过后各高度的能量都有所下降。     

青藏高原东部土壤冻融过程中近地层湍流统计特征分析

利用玛曲黄河源区气候与环境综合观测研究站的湍流资料,分析了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中近地层湍流统计特征的差异.结果表明,冻融过程中不同阶段近地层湍流输送特征表现出一定的差异性;各个阶段不稳定层结下无量纲化的风速分量脉动方差与稳定度符合1/3次方律,近中件条件下无量纲化的风速分量脉动方差近似为常数,水平方向上的风...     

台风“珍珠”登陆期间动量通量的多尺度分析

利用台风"珍珠"登陆前后的近地层湍流观测资料,分析了该台风经过观测场地前后地面气象要素的变化及其动量通量特征。结果表明,台风"珍珠"经过观测场地前后的近地层气象要素发生了急剧的变化,并且在台风前部存在强的中尺度对流系统,反映在风速能谱密度结构上,频率f在3×10-4~2×10-3Hz之间的中尺度信号对能谱的贡献比平稳天气形势下的能谱贡献大很多,尤其是顺风方向风速的能谱密度的峰值与湍流信号的峰值相当;动量通量分析结果表明,台风中心经过观测场地的前后三小时,近地层通量以向下输送的中尺度通量为主,湍流通量的贡献相对于中尺度通量较小,也是向下输送的;而在其他时段,近地层通量主要以向上输送的湍流通量为主,中尺度通量量值很小,可以忽略。     

北京城郊近地层湍流实验观测

本文利用两台FA-11超声风速温度仪于1992年3月到４月间在北京325 m气象观测塔47 m和120 m两个高度观测到的风速三个正交分量以及声虚温的湍流脉动资料，计算和分析了北京城郊粗糙下垫面近地层湍流特征量及其日变化，无量纲垂直速度和声虚温的方差随稳定度的变化，风速分量和温度的归一化湍流能谱以及动量和热通量的互谱及其随稳定度的变化。并且与平坦均一下垫面近地层湍流观测的结果进行了对比。     

新疆中天山一次城市暴雪过程诊断分析

采用NCEP逐日4次1°×1°再分析资料和Micaps常规观测等资料,对2011年3月发生在新疆中天山城市暴雪过程进行天气学诊断分析。诊断计算包括：中尺度分析、水汽通量、水汽通量散度、水平散度、垂直速度、高低空风场、螺旋度、假相当位温等。结果表明：暴雪是南北两支锋区在中亚地区交汇后东移发展造成的,降雪前乌鲁木齐城区出现东南大风,地面强烈减压升温为暴雪天气触发不稳定能量提供了热力条件,500 hPa有＞30 m·s^-1的西南急流,700 hPa存在低空切变,散度和垂直速度表现为明显的高层辐散、低层辐合的对称结构。降雪强盛期整层呈现上负下正的垂直螺旋度对,θ_se低能舌伸至200 hPa,700 hPa至400 hPa维持θ_se高能舌区,湿层厚度高达300 hPa。这种物理量场的配置有利低层湿空气聚合及向上的抬升运动,为暴雪的产生提供了必要条件。此次冷空气以偏西路径影响城区,在冷空气明显的条件下,受城市热岛效应影响,强降雪容易发生在温度较高的城区,同时降水中心倾向于出现在锋区的位置。     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

2008年初东亚高空急流变化的可能原因及其对我国南方低温雨雪冰冻灾害的影响

利用欧洲中期预报中心再分析数据和中国气象局提供的降水数据分析了2008年1月到2月初东亚急流对我国南方雨雪冰冻灾害的影响,并给出东亚急流变化可能的原因。东亚急流强度和位置的变化引起其入口区的垂直运动的变化,从而使得我国南方降雨的位置和强度发生改变。为了研究灾害发生期间东亚急流变化的原因,利用扰动动能方程分析了与东亚急流有关扰动动能以及方程各项的变化,结果表明：扰动动能的变化能够很好的表示东亚急流的变化;扰动位势平流对扰动动能的发展至关重要。东亚急流北部弱风区存在较小的扰动动能中心,位势通量矢量将这个中心的扰动动能输送到东亚急流的入口区并辐合,使得东亚急流增强。     

三门峡市回流形势下“雷打雪”天气的物理成因

利用高空与地面观测资料、1°×1°的NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,从天气形势、物理量场和回波演变特征等方面对三门峡市2013年2月3日回流形势下"雷打雪"天气过程进行了分析。结果表明:500 hPa和700 hPa的低槽是这次暴雪伴雷电天气过程的主要影响系统,地面倒槽与回流冷空气的共同作用是造成此次过程对流发展旺盛的直接原因。地面温度对降水相态的变化有明显的指示意义:在降水相态转变前的1 h内的纯雨阶段,地面温度基本维持在1~2℃之间;在降水相态转变时,地面温度会降至0℃及以下;在固态及固液态混合降水期间,地面温度基本维持不变。逆温层及"上干冷、下暖湿"的垂直结构是判定此次不稳定能量强度的重要依据。雷达风廓线资料显示出此次过程中雷电活动发生在低层冷暖平流交汇处、风切变逐渐加大时,随着风速切变的稳定,以及暖平流的向上扩展,雷电活动结束。     

高空急流的维持对我国南方暴雪的影响

利用欧洲中期预报中心再分析数据（ERA- Interim）分析了2014年2月9日、2015年12月5日、2016年1月20日和2018年1月24日高空急流扰动动能对暴雪的影响。在暴雪发生的过程中,通常伴有高空急流的存在。高空急流一方面维持自身的存在,另一方面其引起的垂直运动有利于暴雪的发展。垂直运动的上升支有两个方面的作用,一个是将低层暖湿空气输送到高层,为暴雪提供源源不断的水汽,另一个是将急流中的扰动动能向下输送到低层冷暖气流交汇区域,该区域也是水平风切变较大的区域,为该区域提供扰动动能,进一步促进暴雪的发生和发展。     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

陕西东南部一次伴有雷暴的暴雪天气分析

利用常规观测、多普勒天气雷达和ERA—Interim再分析资料(0.25°×0.25°),对2016年11月22日陕西东南部地区一次伴有雷暴的暴雪天气过程进行诊断分析。结果表明:(1)此次暴雪是在低层东路回流冷空气与中层暖湿气流共同作用下形成的,700 hPa存在强的风向风速辐合,辐合区前部16 m/s的西南急流,为暴雪产生提供了有利的动力和水汽条件。急流加强是降雪增幅的主要原因。(2)冷季、强的锋区和低空急流、冷垫、逆温层、锋区之上湿的中性到条件不稳定层结、强切变低CAPE、雷达带状回波是此类天气预报中需要关注的特征。(3)整体层状云降水中,局地对流性云团旺盛发展,是此次暴雪的云系特征,暴雪发生在对流云团加强西伸、移速减缓的时段;与本地暖季相比,暴雪对流云团的面积较小,最大反射率因子所在的高度较高。(4)由动力锋生产生的次级环流上升支促使冷垫之上的暖湿气流快速上升,触发条件对称不稳定能量释放,使气块在逆温层之上获得正浮力,是暴雪发生并伴有雷暴的主要物理机制。     

湖北省黄石市暴雪预报系统设计与实现

利用黄石市1980年1月至2010年12月的暴雪个例资料和NCEP的再分析资料,运用神经网络方法建立暴雪预报的人工神经网络预报模型,在预报模型和MICAPS 3.0系统的基础上,选取VB语言开发环境和VFP数据库,在Windows操作系统上建立了黄石市暴雪预报系统,实现了黄石市暴雪天气的客观预报功能。该系统的研发对提高暴雪预报准确率具有很现实的指导意义,同时其研发方法可以应用到其他类型灾害性天气预报系统的研发,在地市级气象台站具有广阔的推广空间和应用前景。系统挂靠黄石市气象台的预报业务平台,自投入业务运行以来,运行稳定,效果良好。     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

利用单多普勒雷达资料做冷流暴雪的中尺度分析

基于单多普勒天气雷达资料采用EVAP方法反演风场, 并结合径向速度、 反射率因子、 自动气象站和探空风场等观测资料, 对2005年12月6～7日山东半岛一次冷流暴雪过程的中尺度特征进行了深入分析, 结果表明： (1)雷达回波呈狭窄带状, 移动缓慢近乎停滞, 径向速度上存在风向切变线, 烟台和威海的暴雪不同步是冷流暴雪的典型特征; (2)首次通过雷达反演证实了逆风区实际就是风场切变在径向速度图上的反映, 垂直各层水平风场存在中尺度切变线, 且与强回波带相对应, 切变线的位置决定暴雪的落区; (3)通过雷达反演风场和风廓线共同揭示出强降雪产生时对流层中层有西北风、 西南风和东北风三股气流, 明显的西南气流位于850～700 hPa, 表明冷流降雪过程并非传统认为的仅有西北冷平流, 而是不同气流辐合的结果; (4)对流层中层的西南暖平流为云的播种和反馈机制提供了有利的天气背景条件, 使得冷流降雪增强, 这在常规观测资料中无法看到。