多模式热动力耦合诊断系统与暴雨预报

应用包含热动力耦合强迫的新型散度演化方程,研发了该方程的诊断计算方案和相应的软件系统,以多个数值预报模式产品为资料源,计算得到关于强降水激发、维持的热动力耦合诊断场,形成了一个多时效的诊断场序列,它包含了正压非平衡强迫和热动力耦合强迫对散度演化的作用,反映了暴雨激发和持续的数值特征,为探索暴雨激发维持机理和寻求暴雨预报指标提供了数据支持。多模式诊断场的综合分析是集合预报方法的一种实践,有利于提高预报准确率。我们对2009年的两次暴雨个例进行了诊断分析,结果表明:T213、T639模式的诊断场能够较为准确的预报出暴雨的开始和结束,有明显的预报指示意义。      

应用新型散度方程诊断暴雨的触发和增幅机理

分析散度及其变化是进行暴雨研究的途径之,而传统的散度方程不能显示包含热力场分布影响散度演变的问题。因此,利用陈忠明等导出的新型散度方程和NCEP/NCAR(1°×1°经纬度)再分析资料,针对贵州省2007年7月25—26日持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,定量诊断分析大气运动的正压非平衡强迫、湿斜压非地转与风垂直切变耦合强迫在暴雨发生发展过程中的作用,并与地面1、6h降水观测资料和卫星云图资料进行对比分析。探讨正压非平衡强迫、湿Q矢量与垂直风切变的湿斜压热动力耦合强迫导致辐合增加与暴雨发生、发展的动力机制。结果表明:强降水主要发生在近中性或弱不稳定层结条件下。大气运动的正压非平衡强迫导致辐合增加是强降水过程的触发机制;在暴雨维持和增幅过程中,湿斜压热动力耦合强迫在强降水的维持方面扮演了重要角色。当强降水过程发生后,才存在湿斜压热动力耦合强迫作用,湿斜压热动力耦合强迫作用是暴雨增幅的动力机制。未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置与散度演变的强负值区变化一致。新型散度方程对强降水预报有指导意义,可以作为诊断散度场演变的一种有效的数学工具。     

暴雨激发和维持的正、斜压强迫机制的理论研究

针对暴雨天气的发生、发展都伴随着对流层中低层有很强的气流与水汽辐合持续的天气事实，摒弃传统研究中把散度方程局限于水平动力方程约束的观念，从湿斜压原始方程出发，导出了包含热、动力耦合强迫作用的散度演化方程，揭示了正压大气非平衡强迫和湿斜压大气热、动力耦合强迫在暴雨激发和维持中的重要作用，阐明了持续性暴雨过程中对流层中低层强烈的气流与水汽辐合长时间维持的动力机制。     

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料,从新型散度方程出发,针对2007年7月16~20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用,并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明:1)强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2)在强降水开始时期,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合,正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著,是本次降水开始的启动机制。3)在降水发展维持时段,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好,斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应,对强降水的发展维持起了至关重要的作用,是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4)正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义,有助于提高暴雨预报准确率。      

非绝热加热、湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长的一种机制

大气热力状态的非均匀分布及其与动力场的相互作用激发大气动力场发生变化,其事实已被许多数值模拟证实。散度作为度量大气运动辐散、辐合强度的物理量,其变化应受到大气热力状态分布及其与动力场相互作用的影响。然而,在传统的大气动力学理论框架中,并没有从理论上揭示大气热力场分布及其与动力场相互作用对散度场变化的影响。通过对热力学方程做变形处理,并与动力学方程结合,在替换平衡近似下(alternative balance),导出了显式包含非绝热加热分布与垂直风切变相互作用、斜压热动力耦合强迫影响的新型散度方程。利用该方程,重点分析了非绝热加热非均匀分布与垂直风切变相互作用对散度场变化的影响,从动力学理论上初步揭示了非绝热加热分布与垂直风切变相互作用激发大气散度场变化的物理机制。     

圣帕台风暴雨的非地转湿Q矢量的诊断分析

利用WRF中尺度模式模拟了台风"圣帕"登陆后减弱成热带低压造成湖南省大暴雨的过程,使用模拟输出的高分辨率资料,借助非地转湿Q矢量对这次暴雨过程做了详细的诊断分析.结果表明:非地转湿Q矢量能比较清楚地揭示此次暴雨演变过程,尤其700 hPa的非地转湿Q矢量散度场对降水预报具有较好的指示意义,其散度辐合区域对应着降水的落区,散度辐合强度变化指示着降水强度的变化趋势,并且非地转湿Q矢量散度辐合强度的大小可预示着未来3～6 h降水的强弱,是具有预报价值的;非地转湿Q矢量散度是非地转ω方程的强迫项,并与地形条件共同作用激发了地面中尺度系统的发展与次级环流的形成,是此次暴雨得以发展与维持的机制.     

一次北方暴雨的Q矢量诊断分析研究

考虑水汽相变的凝结潜热作用,引入广义位温,发展了包含广义位温的Q矢量,并在此基础上推导了非地转湿大气Omega方程。(1)包含广义位温的Q矢量是Omega方程的唯一强迫项,由拟涡度伸展矢量、锋生矢量和非绝热加热梯度等三项构成。(2)利用包含广义位温的Q矢量对一次北方夏季暴雨进行诊断分析,发现包含广义位温的Q矢量对降水区的垂直运动结构有良好指示意义,可以综合表征次级环流、锋生和锋消、大尺度和中尺度强迫等多种物理因素,而这些均是影响暴雨发生发展的重要因素,因而包含广义位温的Q矢量及其散度与强降水的发生发展密切相关。(3)利用美国全球预报系统24 h预报场对包含广义位温的Q矢量散度进行计算,结果表明预报的Q矢量散度在时间和空间上与观测6 h降水联系紧密,根据预报的Q矢量散度的异常能够判断降水的可能落区。     

“96·7”新疆特大暴雨中T_(63)产品预报能力的天气学检验

对“96·7”新疆特大暴雨过程中T63数值预报模式的高度场、气压场、涡度场、散度场、垂直运动场、相对湿度场、降水量等部分产品的预报能力进行了天气学检验分析。     

一种适用于中国夏季暴雨系统诊断的非地转Q矢量ω方程

根据中国夏季暴雨系统的有关特点,导出一种适用于低层（８５０ ｈ Ｐａ 附近）单层ω诊断的非地转ω方程,它有别于迄今各种以“平衡方程”约束的非地转 ω方程。其中还适当地隐含非绝热作用,也包含了低层摩擦强迫。整个强迫场仍可写成一种简洁直观的矢量（ Ｑ）散度形式,以便应用于一般气象台业务分析预报中。     

2004年异常梅雨中浙中一次局地暴雨过程分析与诊断

利用MICAPS系统的实况资料和T213、欧洲中心等数值预报产品,结合雷达回波图,对2004年7月6日浙中地区出现的局地暴雨过程进行环境场和物理量场分析,发现:高低空气流耦合是触发这次暴雨的机制,暴雨就落在低空急流入口区的左侧、高空急流出口区的右侧;热力、动力、水汽条件在降水前都有较好的配合;欧洲中心数值预报产品的形势预报能力较强;T213预报产品中的垂直速度、涡度、散度等物理量的趋势转折预报与这次暴雨有着较好的对应关系.     

一次暴雨中尺度涡旋发展机制诊断分析研究

中尺度涡旋可以持续激发新对流,是造成局地持续性降水的重要系统。基于经典涡度方程的诊断无法描述热力信息对于涡旋发展的贡献。本文采用Boussinesq近似对涡度方程进行整理,将方程唯一强迫项定义为垂直速度位涡,其形式与位涡类似,利用垂直速度替换位温。进一步在垂直速度位涡倾向方程中,以气压水平梯度的形式引入热力过程的间接作用,定量描述动热力配置的贡献。以2021年6月15日发生在南疆的一次极端暴雨为例,利用高分辨率数值模拟资料,初步分析了低层动热力强迫作用向垂直涡度的传递。结果表明,垂直速度位涡的局地变化主要来自热力强迫项中低层垂直风切变与低层冷池的耦合作用,两者在降水区前侧产生大范围的正值区。该区域与垂直速度位涡的正值区重叠,促进垂直速度位涡的增长,进而维持降水前缘的正涡度,有利于产生较强的上升运动,触发新对流并造成持续性降水。     

全型垂直涡度倾向方程的另一导出形式

地球大气运动同时满足牛顿第二定律与热力学第一定律,利用大气动力与热力方程对热力与动力变量的联系,直接将变形处理后的大气运动方程(涡度方程)与热力学方程结合起来,导出了显式包含热力与动力作用的全型垂直涡度倾向方程。     

晴空湍流(CAT)对大尺度和中尺度动力强迫过程的响应

该文利用中尺度客观分析资料，对θ坐标系下Ri数倾向方程中的非湍流变形强迫场进行了诊断分析，以揭示晴空湍流（CAT）对大尺度和中尺度动力强迫过程的响应关系。计算结果表明:晴空湍流往往出现在对流层高层或高空急流附近。在层结稳定的高层大气薄层中，Ri数较小的空气微团遇有较强的非湍流变形强迫场时，由于动力强迫和Ri的耦合作用，往往导致晴空湍流的发生。     

大气随机动力学与可预报性

偶然性与必然性过程及其相互转化是世界事物变化复杂性的根源。根据布朗运动统计理论,提出了分子热运动是不稳定流体中湍流形成之源,由此形成不同宏观尺度的随机运动是大气运动固有的属性。观测事实表明,太阳辐射作为决定大气运动与变化的主要因子,它的变化具有随机性,是大气的随机强迫因子,它对气候变化具有决定性影响。地-气相互作用是一个时变的非线性相互反馈的耦合过程,形成了下边界对大气复杂的随机强迫作用,其界面交换耦合随机动力学模式尚待建立。由于大气过程固有的随机性以及随机的外强迫耦合作用,大气确定性预报的时效是有界的,它决定于预报对象的不确定性及其空间尺度与时间尺度,以及预报时效内的大气不确定性。由此,客观存在着大气过程的报不准关系。     

TCM-90现场试验台风能量频散波列特征

采用ＴＣＭ－９０（台风运动－９０）台风现场科学试验资料,对台风ＦＬＯ,ＥＤ个例进行了诊断分析,并做了有关数值试验研究。分析研究结论揭示了台风涡旋作为一动力、热力强迫源或ＣＩＳＫ不稳定结构,其与环境场相互作用可激发出动能频散波列;台风扰源通过频散机制可构成类似２维Ｒｏｓｓｂｙ波的经向波列;台风涡旋的移动路径与上述能量传播特征有一定的相关关系。     

Indian Ocean variability in the CMIP5 multi-model ensemble: the zonal dipole mode

The performance of 21 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) models in the simulation of the Indian Ocean Dipole (IOD) mode is evaluated. Compared to CMIP3, CMIP5 models exhibit a similar spread in IOD intensity. A detailed diagnosis was carried out to understand whether CMIP5 models have shown improvement in their representation of the important dynamical and thermodynamical feedbacks in the tropical Indian Ocean. These include the Bjerknes dynamic air-sea feedback, which includes the equatorial zonal wind response to sea surface temperature (SST) anomaly, the thermocline response to equatorial zonal wind forcing, the ocean subsurface temperature response to the thermocline variations, and the thermodynamic air-sea coupling that includes the wind-evaporation-SST and cloud-radiation-SST feedback. Compared to CMIP3, the CMIP5 ensemble produces a more realistic positive wind-evaporation-SST feedback during the IOD developing phase, while the simulation of Bjerknes dynamic feedback is more unrealistic especially with regard to the wind response to SST forcing and the thermocline response to surface wind forcing. The overall CMIP5 performance in the IOD simulation does not show remarkable improvements compared to CMIP3. It is further noted that the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and IOD amplitudes are closely related, if a model generates a strong ENSO, it is likely that this model also simulates a strong IOD.     

1998年夏季副热带高压的短期结构特征及形成机制

通过对 1998年 7月副热带高压短期结构及其演变的诊断 ,指出 5 0 0hPa西太平洋副热带高压内并非均一的下沉运动 ,而是多处、多时存在上升运动 ,这是由西太平洋副热带高压的复杂的动力和热力性所决定。诊断还发现 ,在西太平洋副热带高压脊区下方的近地面层 ,多存在一个辐散下沉层 ,这是副热带高压内天气一般多晴空或少云的主要原因。利用动力学理论 ,研究副热带高压的复杂结构的成因 ,指出在 5 0 0hPa副热带高压的西部 ,高低空风场的分布决定了该区域必然多上升运动 ;高空强负涡度平流的存在是副热带高压内出现下沉运动的主要强迫机制     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8～9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明：8～9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。     

A theoretical model of multi-regime convection in a stratocumulus-topped boundary layer

The possible effects on stratocumulus circulations caused by drizzle and radiative cooling or heating are investigated theoretically using a simple Nonlinear Dynamical System (NDS). These effects are incorporated implicitly via the background temperature profile, and are expressed as departures from neutral conditions. These neutral conditions are assumed to be dry adiabatic in the surface, sub-cloud and inversion regions, and moist adiabatic in the cloud region.The NDS domain is divided into six distinct regions that represent those commonly observed in the planetary boundary layer (PBL): 1) the surface layer, 2) the sub-cloud layer, 3) the cloud-base layer, 4) the cloud layer, 5) the cloud-top layer, and 6) the capping inversion. The NDS successfully represents the effects of the capping inversion. Circulations are limited in their upward extent by the inversion, and would only penetrate into it when surface forcing rates are quite large.Surprisingly, when there are identical forcing rates but different initial conditions for the dynamic and thermodynamic flelds, the NDS yields two solutions throughout a wide range of cloud-base stabilities. This range covers the transition from a stable to an unstable cloud-base layer (layer 3 above). The first solution is a steady one having a decoupled form, with separate circulations in the sub-cloud region and the cloud region. The second solution is a temporally varying one exhibiting periodic coupling. The circulation in this case starts as a shallow eddy near the surface. This eddy grows into a deeper plume that penetrates into the inversion before finally dying and beginning the process again. The existence of these two fundamentally different solutions for the same forcing rates, or multi-regime convection, suggests that the PBL response to a particular forcing rate may depend critically on the initial conditions of the dynamic and thermodynamic fields. As a consequence, future modeling efforts of the PBL should consider a broad range of initial flelds.