变形场锋生条件下斜压锋区上对称波包的发展

文中用 WKBJ方法讨论了叠加在 Hoskins- Bretherton( 1 972 )变形场锋生模型背景上对称斜压波包的发展问题。在锋区斜压气流对称稳定的条件下 ( F2 N2 - M2 =q>0 ) ,大尺度变形场强迫、锋生环流的作用及锋生过程引起的稳定度参数 ( F2 ,N2 ,M2 )的个别变化也会对对称扰动的发展产生作用 ,变形场锋生和锋区环流的上升支下方有利于对称扰动发展 ,而锋区附近非地转垂直切变和稳定度参数的变化对扰动的影响则与对称扰动的结构有关。     

初始扰动对积云发生发展影响的数值模拟

利用完全弹性三维冰雹云模式,模拟研究了初始扰动对积云发生发展的影响。模拟结果表明,对流发生层结条件满足的情况下,不同初始扰动会导致云不同的发生发展。扰动中心位温偏差大小适当,仅增加扰动厚度或降低扰动中心高度均能使积云发展更快、强度更大;适当减小水平扰动半径能促使积云提前发展,但会导致对流强度减弱;而增大扰动中心位温偏差,不但能增加对流强度,还能促使积云提前发展。     

中国冬半年区域持续性低温事件的前期信号

大气变量物理分解的方法应用于寻找中国区域持续性低温事件的前期信号。1960～2008年的冬半年期间, 总数115次强的区域持续性低温事件的对流层低层出现了天气尺度温度的负值扰动, 而在对流层中高层至平流层出现了天气尺度位势高度的负值扰动。其中, 112次事件分别在850 hPa和300 hPa上出现了温度扰动负值中心和位势高度扰动负值中心。追踪850 hPa层的温度扰动能够提前5～9天预示中国区域持续性低温事件的出现。     

集中暴雨

1.和暴雨有关的现象当人们提到“台风”或“积云对流”时,就会想到关于这些现象的实在的印象。但是关于暴雨,即使承认作为“小范围、短时间集中的强雨”的观测事实,而描述扰动的物理图象是困难的。这是因为,暴雨的产生和各种尺度的扰动有关。作为理解暴雨的第一步,应把它作为复合现象来认识。从暴雨降水的集中性来看,它显然是和中尺度扰动密切相关,同时也必须考察它和其他尺度的扰动过程的关联。和暴雨有关的扰动过程,有以下方面: (1)降水物理过程 (2)积云对流(云动力学过程) (3)中尺度扰动 (4)中间尺度扰动 (5)大尺度扰动 (6)北半球范围的环流作为具体例子,简要介绍关于梅雨锋的观测事实。     

我国南方冬季低温雨雪冰冻事件的大气扰动信号分析

利用中国549个站点的温度和降水资料确定了1960～2008年发生在我国南方冬季的23次低温雨雪冰冻事件。对全球大气变量再分析资料做物理分解得到天气尺度扰动分量用于这些事件的早期信号分析。结果表明,在低温事件发生时,南方地区上空300 hPa对应有最大负高度扰动,850 hPa有负温度扰动。这些扰动的传播特性可以作为低温事件发生的早期信号。在低温雨雪站日数大于10的11次事件中,它们的扰动信号平均可提前11.2天追踪到。     

1822号台风“山竹”的涡旋Rossby波特征分析

采用WRF中尺度模式对2018年22号台风“山竹”进行高分辨率的数值模拟,在此基础上,分析台风的精细动力结构和雨带特征。分析结果发现,台风“山竹”的眼墙处具有低层辐合流入、高层辐散流出的动力配置;台风眼墙附近存在切向风速的高值区和明显的垂直上升区,并且随着高度逐渐向外侧倾斜,同时该处的雷达回波也较强,对流系统较为深厚。然后利用尺度分离方法得到涡旋罗斯贝(Rossby）波的扰动场,进一步分析了台风“山竹”内部的涡旋Rossby波特征。研究发现：1）1波和2波会同时沿着切向和径向方向传播,2波的振幅明显小于1波;1波和2波的正涡度扰动大值区基本覆盖强的雷达回波区域,同时伴有较强的对流活动。2）垂直方向上,降水区的涡度扰动呈现出上层为正、下层为负的动力配置时,同时散度扰动的垂直方向也有类似配置时,则会加强对流系统的发展,有利于降水的增强。由此可见,1波和2波扰动的上层辐散下层辐合的动力配置会促使对流系统的加强,同时也会对台风降水的强度和分布有一定的作用。     

中国东部降水和风场的低频振荡特征

本文对中国东部台站4—9月多年日平均降水和1978年4—9月850hPa每日东西风和南北风分量分别进行了谐波分析和带通时间滤波处理.研究结果指出:内陆和东部沿海地区准90天和45天振荡的降水扰动传播方向是自南向北的,而准60天振荡的扰动是从南北两个方向向中间地区传播.长江和珠江流域准90天和45天振荡的扰动具有相反的传播方向,而它们准60天振荡的扰动具有相同的传播方向.此外,在华南汛期、长江中下游梅雨期和华北雨季,一些地区大雨期的出现常常和正降水扰动从不同方向传播到该地区有关.关于1978年4—9月中国东     

南岭静止锋上的对称不稳定性

春季5—6月,南岭山脉甫侧经常存在一条近于东西向的著名的南岭静止锋,它给这个地区造成大量的降水。本文从理论上讨论了南岭静止锋的对称不稳定问题。Hoskins[1]于1974年提出对称不稳定理论,指出在纬向流动的大气中,只有当位涡是负的时候,才会出现对称不稳定,摩擦和非绝热加热是产生对称不稳定的必要条件。Bennetts和Hoskins得到了在锋面雨带中大气不稳定的必要条件为q2=F2N2-S4<或q_w2=F2N_w2-S2N_w2<0。 本文的研究指出,在绝对涡度为正的基本流中,不稳定或弱稳定的层结会使扰动不稳定发展;而在负的绝对涡度中,稳定层结反而有利于扰动的发展。Wave—CISK机制与层结对扰动的共同作用是相互制约的。本文还讨论了地形强迫抬升引起的不稳定问题,指出当层结稳定时,向北倾斜的山坡上的锋面、南高北低的等乙线分布有利于扰动的不稳定发展,而在向南倾斜的山坡上则刚好相反。      

正压大气中长波的演变

本文研究正压大气中非均匀气流(特别是非平直基流)上扰动的演变过程,对[1]进行了推广,对迭加于超长波基流之上的长波扰动和迭加于超长波或长波基流之上的中、短波的扰动的演变特性进行了统一的处理。结果表明:当小槽、小脊的波长变长时,其振幅(能量)增大,扰动发展;波长变短时,振幅变小,扰动衰减。当小扰动已经发展成长波的时候,或者当我们一般地研究长波的演变过程的时候,则上述规律更为明显,即长波发展时,波长变长更为明显;长波衰减时,波长变短也更为明显。利用这些结果,可以解释大气中槽、脊发展时总是伴随着扰动加宽,而槽、脊收缩时,波长很快减小。其次,扰动发展与否完全由扰动的结构所决定,其中主要是由扰动轴线的方向及其与基流的相对位置所决定。北半球发展型扰动的轴线是:在急流以北呈东北—西南向,急流南呈西北—东南向;而衰减型的轴线是:急流北呈西北—东南向,急流南呈东北—西南向。这些结论和角动量传送理论结果以及天气实际都是符合的。     

梅雨锋上边界层中尺度扰动涡旋的个例研究

运用实况自动站、高时空分辨率的雷达和数值模拟资料,对2009年7月24日的梅雨锋暴雨过程进行了分析,结果表明:(1)锋面南侧的暖区弱降水环境内,近地面的风场会有扰动涡旋出现,随着扰动涡旋趋于稳定和向上发展,降水迅速加强,形成短时暴雨,并伴随有大风出现。(2)偏西气流从边界层开始发展并加强为急 流,在向东推进的过程中逐渐抬升,形成了一支从边界层倾斜入对流层低层的急流轴;而偏南气流与偏北风相遇之后,不仅形成风向的辐合和切变,而且在空间上被抬升,形成了一支斜升入流。(3)在近地面风场的切变和 辐合作用下,锋生与辐合同步加强,边界层内的涡度也逐渐增强,由此带动了扰动的发生发展,扰动涡旋在边界层内率先形成,随后,在急流的东传和抬升影响下,扰动涡旋也逐步向东移动、向上发展。(4)近地面风速的加强、风向的辐合切变导致了扰动涡旋的发生和形成,并逐渐发展,这是边界层中尺度扰动涡旋发生发展的动力 因子。     

条件非线性最优扰动方法在黑潮目标观测研究中的应用

对近年来利用条件非线性最优扰动（Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP）方法开展的黑潮目标观测研究进行了总结,主要包括日本南部黑潮路径变异的目标观测研究、黑潮延伸体模态转变的目标观测研究和源区黑潮流量变化的目标观测研究。通过计算这些事件的CNOP型扰动,发现这些事件的CNOP型扰动具有局地特征,可以作为实施目标观测的敏感区。理想回报试验结果表明,如果在由CNOP方法识别的敏感区内实施目标观测,则会大幅度提高上述事件的预报技巧。     

随机参数扰动方法对中国冬季降水集合预报的影响

降水数值预报有很大的不确定性,与降水预报密切相关的物理过程参数化方案中关键参数的不确定性是降水数值预报误差来源之一,对这些参数引入随机扰动的随机参数扰动方法（Stochastically Perturbed Parameterization,简称SPP方法）可以代表模式降水预报的不确定性,是国际集合预报前沿研究领域。为了认识该方法能否代表中国冬季降水数值预报的不确定性,为业务应用提供科学依据,基于中国气象局中尺度区域集合预报模式（Global/Regional Assimilation and Prediction System-Regional Ensemble Prediciton System,简称GRAPES-REPS）,从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等四个参数化方案中选取了16个与降水密切相关的关键参数,引入了随机参数扰动方法,并通过2018年12月12日至2019年1月12日总计31天的冬季集合预报试验,对比分析了SPP方法对等压面要素及降水的集合预报效果。结果显示:在冬季应用SPP方法时,等压面要素的概率预报技巧总体来说优于无SPP方法扰动的对比试验,且对于低层、近地面要素的改进效果优于对中高层等压面要素的改进;但对降水概率预报而言,尽管检验评分数值略优于对比预报试验,但并未通过显著性检验,这表明,在东亚冬季风影响下,随机参数扰动方法对中国冬季降水概率预报技巧没有明显的改进。究其原因,可能是由于SPP方法主要代表对流性降水预报的不确定性,而中国冬季降水过程主要与斜压不稳定发生发展有关,模式降水以大尺度格点降水为主,对流性降水较少,故对冬季降水预报改进不明显,这为业务集合预报模式中应用随机参数扰动方法提供了科学依据。     

中国东部7类暴雨异常环流型

近年来的研究发现,瞬变扰动天气图上的扰动场天气系统对区域暴雨的落区指示能力强于传统天气图上的总场天气系统。为供预报员在业务预报中参考,本文划分1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨为7类扰动场天气系统。与区域暴雨相联系的7类异常环流型分别是:华南切变线、华南涡旋、华南倒槽、长江切变线与槽、沿江涡旋、华北涡旋和东北涡旋。无论是在对流层的垂直剖面上,还是在850 hPa水平分布上,扰动天气图上位势高度低值和风扰动辐合处并配合大的水汽扰动对应有区域暴雨,而传统天气图上的低值系统和高水汽区与暴雨之间存在位置上的偏移。由此建议,用实况大气变量和中期数值模式产品绘制扰动天气图有助于预报员确定区域暴雨落区。     

中国南海夏季风强、弱年多尺度相互作用能量学特征

中国南海夏季风为东亚季风的主要系统之一,其具有多重尺度特征,除季节平均环流场外,低频（季节内振荡）和高频（天气尺度）扰动也十分活跃,各尺度系统存在明显的年际变化。该研究使用ERA-Interim和NCEP/NCAR两套再分析资料,从季风平均动能（MKE）诊断的角度出发,探讨了1979-2010年中国南海夏季风环流年际变化的能量来源及其和扰动场的相互作用过程。结果表明:中国南海夏季风对流活跃年份,中国南海南部（12°N以南）及中南半岛一带为季风平均动能显著增强区,此与南亚季风区西风急流的增强并向东延伸有关;中国南海北部（12°N以北）及西太平洋为气旋性环流盘踞,季风槽加深。中国南海南部季风平均动能增强的能量源自于扰动动量通量与平均环流的相互作用,强季风年,平均环流失去较少的动能给扰动场（亦即平均环流保留较多的动能）。通过进一步探讨高频（<10 d）及低频（10-90 d）扰动场与平均环流不同分量的（散度、涡度、风垂直切变）相互作用过程,发现季风平均动能的增长主要来自于<10 d扰动与季风平均散度和涡度的相互作用。中国南海北部季风槽区季风平均动能的维持来自于大气热源和平均上升运动的相互作用,但同时有较多的季风平均动能向扰动动能转换,有利于扰动的成长。因此,强季风年,中国南海北部热带气旋生成数目增多,夏季北传的季节内振荡也增强,导致中国南部沿海及华南地区出现较多的灾害天气。      

不同大尺度强迫条件下考虑初始场与侧边界条件不确定性的对流尺度集合预报试验

研究了不同大尺度强迫条件下的暴雨个例中,考虑不同尺度特征的初始扰动与侧边界扰动相互作用构造对流尺度集合预报的可行性,为进一步构建“自适应”于不同强对流天气的对流尺度集合预报系统提供依据。结果表明,在大尺度强迫显著的个例1中,以大尺度扰动信息为主的动力降尺度的增长趋势较集合转换卡尔曼滤波(ETKF)更为显著,且总扰动能量在预报中后期超过集合转换卡尔曼滤波,而在大尺度强迫较弱的个例2中,集合转换卡尔曼滤波扰动能量始终高于动力降尺度。此外,当大尺度强迫显著时,初始扰动与侧边界扰动相匹配会产生相互促进的作用,而不匹配时初始扰动会在预报中后期抑制侧边界扰动的发展,当大尺度强迫较弱时,即使是互相间不匹配的初始扰动与侧边界扰动也能在大部分预报时段起到相互促进的作用,说明初始扰动与侧边界扰动的相互作用机制不仅与天气形势相关,也与二者是否匹配挂钩,另外,扰动的发展特征同样依赖于天气形势;从集合离散度的角度来看,当大尺度强迫明显时,侧边界扰动的作用会在更短的时间内取代初始扰动,从而对离散度起到主导地位;两种初始扰动方法相比,集合转换卡尔曼滤波在多数情况下对总离散度的贡献均大于动力降尺度;从降水量预报及概率预报情况来看,大尺度强迫明显的个例可预报性更高,且各集合成员间的差异较小,大尺度强迫较弱的个例则相反,且当两种初始扰动方案与侧边界扰动相结合时,较仅侧边界扰动均有一定提高。      

中国21世纪气候变化情景的统计分析

利用区域气候模式系统PRECIS,分析SRES A2、B2情景下21世纪的三个时段中国地面气温和降水的变化,并对B2情景下中国区域地面气温和降水可能的变化趋势进行统计分析。结果表明,未来极端高温和降水事件将会增加,而极端低温事件将会减少。对全国七大区平均地面气温和降水变化的分析显示：未来东北、华北和西北地区夏季增温大而降水增加少,暖干化趋势较明显;华中、华东和华南地区的夏季降水增加明显而冬季增加较少,尤其是华南冬季的降水明显地减少,这表明这些地区夏季的洪涝和冬季的干旱都会加重。     

热带低频振荡影响中国东部冬季降水的机理

利用1979—2007年中国站点逐日降水记录、NCEP/NCAR大气再分析资料以及OLR资料等,分析了冬季热带低频振荡(MJO)与中国东部降水的关系及其伴随的大气环流扰动型,利用线性化全球大气环流模式模拟了大气对热带对流热源的响应,揭示了MJO影响中国东部冬季降水的机理。结果表明:热带对流活动从赤道印度洋西部东移至赤道西太平洋,中国东部冬季降水先后经历了长江流域多雨、整个南方多雨、华南多雨而长江流域少雨,这个过程大约经历了20 d左右时间。作为对东移性赤道热源的Rossby波型响应,当对流热源中心位于赤道印度洋中西部时,赤道以北地区的热源西部气旋式环流和热源东部反气旋式环流共同形成的西南气流扰动主要影响到中国长江流域,并造成那里多雨;而当对流热源中心东移到赤道印度洋东部时,西南气流扰动主要影响到中国华南地区,并造成那里多雨。     

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

区域集合预报扰动方法研究进展综述

集合预报方法是解决单一数值预报不确定性问题的有效手段,而针对强天气预报的中尺度区域集合预报技术已逐渐受到国内外的重视。对于区域集合预报而言,由于其不确定性来源较为复杂,如何发展有效的扰动方法是研究的热点和难点。本文根据国内外区域集合预报的研究进展,从初值扰动、模式扰动以及侧边界扰动三个方面进行了总结和回顾,并对扰动方法的发展趋势进行了介绍。对于初值扰动,较为主流的方法有动力降尺度,沿用传统的由全球集合扰动方法发展而来的技术为区域集合产生初值,以及专门为区域集合设计的扰动方法。鉴于这些方法各有利弊,目前对于初值扰动方法的研究已经开始发展充分包含大尺度和小尺度不确定性信息的混合扰动方法。区域集合预报模式扰动的研究以物理过程扰动为主,典型方法为多物理过程组合以及随机物理过程扰动,其中多物理过程组合方法简单有效,而随机物理过程扰动方法的物理意义更为明确,是物理过程扰动的趋势。通过多模式组合进行模式扰动的方法也开展了一些相关研究,且对于台风等强天气预报均显示出相对于单模式集合较好的效果。侧边界扰动的主流方法是由大尺度集合预报场来为区域集合提供不同的侧边界,研究结果表明此种侧边界扰动方法简便易行,且有助于提高区域集合预报较长预报时效离散度和预报技巧。     

波与基流相互作用下的对称不稳定中尺度环流的发展

通过建立包含扰动和基流方程组的数值模式，全面讨论了扰动与对称不稳定纬向基流的相互作用。研究表明：扰动与基流的相互作用表现为以下两个方面：(1)扰动改变了基流，而改变了的基流又对扰动有反馈作用；(2)扰动的平均输送同时也改变扰动自身的结构，从而影响扰动的发展。由对称不稳定基流激发的扰动倾斜环流使基流环境场发生的改变不利于对称不稳定的进一步发展；而由扰动的平均输送所产生的影响则有利于对称不稳定的进一步发展，并且后者的作用强于前者。