天气尺度系统稳定性结构、相路特征的分岔及热源时间振荡影响问题的探讨

本文研究了有关天气系统突变的非线性因子的影响效应,指出环境大尺度基本流场的平流输送及不同尺度系统的能量转换可能对天气尺度系统异变起了重要作用;由大气扰动偏离与趋于平衡态的过程,看出扰动发展与衰减的速率与平流输送、不同尺度能量转换的非线性作用有关,还研究了扰动稳定性结构与相路特征的分岔问题和热源对扰动解的影响效应,揭示出热源时间振荡与大气扰动存在着非线性的相关,可能导致扰动的突变。     

轴对称涡旋非线性运动平衡态、失稳和突变影响因子的研究

本文采用非线性动力系统数学模型,探讨了轴对称涡旋运动平衡态、失稳和突变现象的影响因子。提出了低涡、台风系统扰动异变现象不仅与对流加热、耗散因子相关,而且还与系统外界热量、动量的非线性平流、下垫面的感热、潜热输送结构相关。本文还导出了系统突变相关因子的临界关系式。     

非线性CISK模型台风发展的多平衡态特征

取有基流、有热源强迫和耗散的非静力方程组,讨论了常定加热源下以及加热和上升运动为线性和非线性相互作用时扰动的平衡振幅。在两者为非线性相互作用时,得到了台风发展的多平衡态特征,并对台风强度突变的物理原因进行了初步的探讨。     

扰动与基本带状环流非线性相互作用的实验研究

本文用转盘实验的方法,研究了均质正压流体运动中扰动与基本带状环流的非线性相互作用。着重考察了两类典型初始扰动场——即迭加在基流上的槽状扰动和多闭合涡旋中心扰动结构的演变过程。发现:非线性相互作用过程是以波动形式表现的。两类初始扰动场各自经历不同的演变过程,并趋向于不同的平衡态。槽状扰动结构有利于基流对扰动动能的吸收,流场最终趋向于轴对称带状环流状态,而且纬向波数越大,吸收过程越明显。多闭合涡心结构不利于基流对扰动动能的吸收。基流与扰动在动能随时间的变化上表现出准周期性振荡。实验结果与旋转适应过程理论有很好的一致性。     

GRAPES全球集合预报系统不同随机物理扰动方案影响分析

为了更好地理解不同随机物理扰动方案对全球中期集合预报的影响差异,本研究基于GRAPES全球集合预报系统（GRAPES-GEPS）对比分析了随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT）、随机动能补偿（Stochastic Kinetic Energy Backscatter,SKEB）及联合使用SPPT与SKEB三种模式扰动方案所产生的扰动特征及其对集合预报的影响。为避免初值扰动影响,考察随机物理方案所产生的扰动特征时,不使用初值扰动。通过扰动与误差相关性分析（PECA）发现,不同随机物理扰动方案所产生的扰动对预报误差均具有一定的描述能力,而且联合使用SPPT与SKEB方案时,扰动对误差的描述能力最好。对所有扰动方案来说,扰动总能量最初主要集中在热带地区对流层中高层以及平流层低层。随着预报时效的延长,扰动总能量不断增大,其大值区不断向热带外地区转移。从扰动总能量的谱结构来看,扰动能量均呈现升尺度发展的特征。在基于奇异向量初值扰动的GRAPES-GEPS中,随机物理扰动方案的使用均能够显著增加不同地区等压面要素的集合离散度,并在一定程度上改善集合平均误差。由于集合离散度的增大,预报失误率显著减小。连续分级概率评分也有所减小,尤其是在热带地区,改进更为明显。此外,中国地区不同量级（小雨、中雨、大雨和暴雨）降水概率预报技巧在一定程度上得到改善。上述改进均在联合使用SPPT与SKEB方案时最好,这与扰动总能量、扰动与误差相关分析结果一致。      

华南前汛期一次大暴雨过程的扰动位涡反演与数值研究

利用NCEP 1°×1° 6h再分析资料、位涡反演和数值试验方法,分离与不同物理过程有关的扰动位涡进行反演诊断．在此基础上移除模式初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡反演的平衡场进行敏感性试验．对2006年5月21—22日一次热带扰动系统北上在广东珠江三角洲地区引发的大暴雨天气过程进行了探讨。结果发现：对流层中低层与潜热释放有关的正扰动位涡是影响热带扰动形成、维持及发展的主要因子之一;与潜热释放无关的扰动位涡对副热带高压的形成和维持有重要作用,影响热带扰动系统的移动路径;边界层内的扰动位涡有利于南海热带洋面北上气旋性扰动的发生、发展与维持;中高层扰动位涡对气旋性扰动系统的直接影响很小;下边界扰动位温不利于气旋性扰动系统的形成、维持与发展。数值敏感性试验表明,初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡在暴雨数值模拟中有重要作用,它们不同程度地影响热带扰动的强度、活动路径的模拟．并影响暴雨强度和落区;与非绝热物理过程有关的扰动位涡很大程度上影响暴雨强度,而与非绝热物理过程无关的扰动位涡很大程度上决定暴雨落区。     

区域集合预报系统的集合变换卡尔曼滤波初始扰动的余弦分析约束方案

基于GRAPES区域集合预报系统,针对初始扰动对预报误差描述能力依然不足的问题,在动力降尺度构造集合初始扰动的基础上,本文利用集合变换卡尔曼滤波（ETKF）方法更新集合扰动以捕获更多中小尺度扰动信息,提出并发展了一种融合资料同化分析增量特征信息的新的分析约束扰动方法——余弦分析约束扰动,对ETKF更新后集合初始扰动的不合理信息进行适应性自主调整,使得不同空间尺度的初始扰动物理结构和振幅尽可能与相应的预报误差结构和振幅相一致。试验结果表明,随天气形式的持续演变,强降水区域分析约束调整的集合初始扰动的中小尺度信息明显更为丰富,且温度扰动显示出更明显的优势;在模式积分初期,余弦分析约束扰动方案的集合离散度和扰动能量在空间分布与演变特征等方面均表现出更为合理的发展趋势,初始扰动质量及预报性能由此得到了有效改善。     

微物理方案及其参数对EnSRF资料同化的影响研究

利用自主构建的基于风暴尺度的WRF-En SRF系统同化模拟多普勒雷达资料,讨论了微物理方案及其参数的不确定性对同化效果的影响。试验采用组合微物理方案以及扰动微物理方案中的参数的方法,结果表明,模式误差非常小甚至可以忽略时,使用单个微物理方案并扰动参数能够使真实风暴的主要特征在分析场中较未扰动参数得到更好地反映;存在模式误差时,使用单个微物理方案并扰动参数后,分析场中的各要素的分布较未扰动参数更加接近真实风暴,同化效果得到改进,且改进效果比模式误差非常小时更为明显;存在模式误差时,组合微物理方案并扰动参数后,分析场中对流云团的形态较未组合方案或未扰动参数更接近真实风暴,主要要素场的配置最能反映真实风暴的特征,同化效果最为理想。结果也表明,扰动参数时、参数扰动范围较小时,同化效果较优。     

非线性斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用

本文用β平面两层准地转斜压模式,讨论了具有摩擦耗散作用和对流凝结加热作用的斜压不稳定有限振幅问题,并对所得的有限振幅斜压波的振幅控制方程进行了数值积分。结果指出,在无耗散作用时,斜压不稳定波的振幅是周期振荡的。当摩擦耗散作用仅存在于下层时,不稳定波振幅最终趋于一个为零的平衡态;当上下层都存在摩擦耗散时,对流加热强度较弱(即m~*<1),则存在着一个振幅为零,另外两个为非零的多平衡态,而扰动波振幅最终趋于非零的平衡态。对流加热较强时(即m~*≥1),则仅存在振幅为零的单个平衡态,扰动波振幅最终趋于这个平衡态。     

GRAPES区域集合预报系统应用研究

为发展GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)区域集合预报系统(GRAPES Regional Ensemble Prediction System,GRAPES-REPS),采用集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动方法以及多物理过程组合的模式扰动方法,基于业务区域模式GRAPES_MesoV3.3.2.4构建了区域集合预报系统,进行了连续40 d的批量试验,重点分析了ETKF初值扰动的结构及其演变特征,并通过概率预报检验方法对GRAPES-REPS进行了集合预报系统性能检验和降水预报检验,分析了该系统对强降水个例的预报效果。试验结果表明,GRAPES-REPS能产生较合理的集合预报初值扰动,扰动结构随流型依赖并对观测有较好的响应,且扰动成员相互正交。扰动总能量分析表明集合扰动能够随预报时效保持合理增长状态。集合预报检验表明集合预报结果优于控制预报,集合成员间在72 h预报时效内能保持合理的集合离散度。将该区域集合预报系统与业务上基于WRF模式的区域集合预报系统WRF-REPS进行了降水预报对比,表明GRAPES-REPS的降水预报能力表现要优于业务WRF-REPS。强降水个例分析表明集合预报能较好预报出强降水中心,预报效果明显优于控制预报。     

STUDY ON THE STABILITY STRUCTURE OF SYNOPTIC SCALE SYSTEMS,THE BIFURCATION OF PHASE PATH CHARACTERISTICS AND THE INFLUENCE OF THE TIME-OSCILLATION OF HEAT SOURCE

This paper discusses the stability structure and the bifurcation of phase path characteristics of synoptic scale system.The analytic results show that the catastrophe of the synoptic scale disturbance may be caused by the nonlinear effects of barotropic and baroclinic instability and advection of ambient large-scale flow.Also,foregoing nonlinear effects on the speed of development and decay of the system are presented in the processes deviating from or approaching to equilibrium state.It has been found that there is a resonance phenomenon between the time-oscillation of heat source and the atmospheric disturbance.     

相当正压Rossby波和斜压Rossby波相互转换的分析

利用由两层准地转模式简化的低谱模式，得知相当正压结构Ｒｒｏｓｓｂｙ波为平衡态，讨论了具有相当正压结构的Ｒｏｓｓｂｙ波存在所需条件；并以定常Ｒｏｓｓｂｙ波（相当正压结构）为基态，导出反映高低层Ｒｏｓｓｂｙ波位相变化的振荡方程，指出高低层位相差的变化与垂直切交流的扰动、平均层上流函数和热成风流函数波动部分振幅扰动（Ａ’和Ｂ’）的关系，说明相当正压结构和斜医结构的Ｒｏｓｓｂｙ波是相互转换的。     

Strong wind structure near a sea-land roughness discontinuity

During the winters of 1977 and 1978, the Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) carried out a study on the Atlantic littoral in order to determine the modifications to which an air flow is subjected in the surface boundary layer, as it crosses a sea-land discontinuity. The study shows that, in the zone directly leeward of the shore, the structure of the flow is strongly influenced by the acceleration effect of the dune and by the magnitude of the land roughness. In particular, there is a significant disturbance of the logarithmic equilibrium of the air flow.     

北上台风云系结构变化的遥感定量特征指标研究及应用

定量诊断分析北上台风的云系结构特征对于预报有重要意义,研究选取2011—2020年16个北上台风,定义南北对称度因子S1和一三象限对称度因子S2,作为反映北上台风云系结构的指标。当S1＜0时,通常台风南侧和西南侧的云量较多,并常与季风云系相连,台风一般表现为“9”字型结构;当S1＞0时,通常台风北侧和东北侧的云量较多,台风南侧的云系减弱,台风一般表现为“6”字型结构。台风北上过程中由S1＜0向S1＞0转变,在云系结构特征上表现为由“9”字型结构转化为“6”字型结构。而这种结构特征的转变初始表现为台风核心区域内第一象限云量增多并向东北方向伸展,同时第三象限对流云衰减以及云量减少,此时,一三象限对称度因子S2＞0并快速增大,台风有快速减弱的趋势。南北对称度因子和一三象限对称度因子作为北上台风云系结构诊断分析的两个重要指标,为台风强度、降雨的监测和预报形成了定量参考。      

集合预报风场扰动的物理结构及演变特征

初始扰动结构和振幅的合理性直接影响到集合预报的质量和整体性能,合理的初始扰动结构是确保集合预报扰动质量的关键.本文基于欧洲中期天气预报中心数据、我国T639全球集合预报系统以及GRAPES区域集合预报系统的预报场,针对模式初值不确定性,主要研究了风场初始扰动结构及其集合离散度、扰动能量等结构和演变特征,分析了集合预报风...     

垂直方向静力适应过程的机理研究

为了研究垂直方向静力适应过程的机理,通过垂直方向静力适应方程组导出适应过程的守恒量、适应终态和解析解,并对解析解进行数值模拟。研究结果表明:适应终态是由初始守恒量和基本场决定。垂直速度解析解是由声波和地面反射的声波组成。随着高度的增加,垂直速度呈现e的负指数衰减。适应时间依赖于初始扰动的强度和空间尺度,扰动值越大,范围越广,适应时间越长。浮力振荡频率值的大小影响适应范围,当浮力振荡频率值减小,静力适应影响范围将更广。     

The multiscale factors favorable for a persistent heavy rain event over Hainan Island in October 2010

A case study is presented of the multiscale characteristics that produced the record-breaking persistent heavy rainfall event(PHRE) over Hainan Island,northern South China Sea(SCS),in autumn 2010.The study documents several key weather systems,from planetary scale to mesoscale,that contributed to the extreme rainfall during this event.The main findings of this study are as follows.First,the convectively active phase of the MJO was favorable for the establishment of a cyclonic circulation and the northward expansion of the Intertropical Convergence Zone(ITCZ).The active disturbances in the northward ITCZ helped direct abundant moisture from adjacent oceans towards Hainan Island continuously throughout the event,where it interacted with cold air from the midlatitudes and caused heavy rain.Second,the 8-daylong PHRE can be divided into three processes according to different synoptic systems:peripheral cloud clusters of a tropical depression-type disturbance over the central SCS in process 1;interactions between the abnormally far north ITCZ and the invading cold air in process 2;and the newly formed tropical depression near Hainan Island in process 3.In the relatively stable synoptic background of each process,meso-α and meso-β-scale cloud clusters repeatedly traveled along the same path to Hainan Island.Finally,based on these analyses,a conceptual model is proposed for this type of PHRE in autumn over the northern SCS,which demonstrates the influences of multiscale systems.     

副热带流型多平衡态的转换与加热场变动的两重性

中高纬度高低指数环流多平衡态与副热带流型双稳态两者形成的原因不同。前者由地形强迫下基波与谐波及谐波之间的平流非线性所引起,后者归因于加热场分布与非线性平流之间的相互作用。 大范围加热场分布的变动可以激发副热带稳态流型的转换。但是,这种变动的持续时间,必须大于某个临界值;否则,该变动将被原稳态作为扰动所吸收,这就显示出加热变动的两重性。     

海温热力强迫-涛动和低频振荡机理的动力学研究

用动力分析和数值计算的方法讨论了对海温热力强迫的响应，结果表明，对于行星尺度系数，海温热力场的持续强迫作用可以很快激发出稳定的大气平衡态响应，该响应表现出明显的大尺度东－西及南－北向涛动特征，对于天气尺度系统，海温热力场则主要激发出大气低频振荡，研究结果揭示了海温势力构型与大气响应形式的基本对应关系和动力过程，提出了一些新观点。