副高外围对流雨带中的对流—对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压(简称副高)西北外围对流雨带的云图特征进行了分析,利用WRF3.3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟,在模拟较成功的基础上,利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明:副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成,单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系,东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层(700 hPa以下)的对称不稳定区,700~500 hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展,700~500 hPa的对流不稳定度明显减弱,而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区,中高层为垂直上升区,左侧对应下沉气流,呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征,体现了对流—对称不稳定的作用。对流层低层(750 hPa以下)锋生的存在提供了对流—对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500~800 hPa等厚度线基本平行,而与500 hPa等高线存在明显的交角,雨带中的对流单体随环境气流移动,雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。     

副高外围对流雨带中的对流—对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压（简称副高）西北外围对流雨带的云图特征进行了分析,利用WRF3.3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟,在模拟较成功的基础上,利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明：副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成,单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系,东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层（700 hPa以下）的对称不稳定区,700～500 hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展,700～500 hPa的对流不稳定度明显减弱,而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区,中高层为垂直上升区,左侧对应下沉气流,呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征,体现了对流—对称不稳定的作用。对流层低层（750 hPa以下）锋生的存在提供了对流—对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500～800 hPa等厚度线基本平行,而与500 hPa等高线存在明显的交角,雨带中的对流单体随环境气流移动,雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。     

热带气旋海棠(2005)强度数值模拟试验

通过设计台风追随自移动嵌套网格、考虑海洋飞沫作用改进MRF边界层参数化方案、设计垂直-倾斜对流参数化方案等对MM5 V3.7中尺度模式进行改进,以NCEP逐日再分析资料为初始场,对2005年第5号热带气旋"海棠"进行了数值模拟试验。结果表明:通过设计自移动嵌套网格解决了热带气旋业务数值预报模式中细网格区域大小和位置难于确定问题,通过提高模式分辨率能大幅增强数值模式对热带气旋强度的预报能力;考虑海洋飞沫作用后,热带气旋范围内低层热通量明显增强,从而使模式大气低层增温和增湿明显,有利热带气旋内对流发生发展;考虑倾斜对流不稳定作用后,使倾斜对流有效位能得到释放,进一步提高了模式对热带气旋内部物理过程的描述能力。通过改进MM5模式,有效提高了热带气旋强度的数值模拟能力。     

"海棠"(Haitang)台风降水非对称分布成因初步研究

2005年第5号台风"海棠"登陆福建省前后所引发的降水呈明显的南北非对称分布特征。逐时MT1R静止气象卫星IR1云图分析揭示,陆地上台风环流云系呈南北非对称分布。浓白色的降水云区主要位于台风北侧,而在此期间,台风南侧云系则相对较暗。在WRF模式成功模拟的基础上,分析模拟的700 hPa高度上相对湿度和垂直上升运动场表明,垂直上升运动场呈现出与降水场相似的南北非对称分布特征,而台风南北两侧空气相对湿度呈均匀分布。进一步改进的湿Q矢量(Q*)以及地形抬升和地表摩擦作用(简称地形因子)分析表明,Q*矢量散度辐合区、地形因子强迫产生的垂直上升速度区都呈南北非对称分布特征。综合考虑指出,"海棠"台风降水分布的南北非对称性,主要由动力因子(Q*矢量(相当于上升运动)、地形抬升与地表摩擦以及垂直上升运动场)引起的,而热力条件(包括相对湿度)是不重要的。     

二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式.模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数,并具有最优协调分辨率,弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷.数值试验表明:模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力.在条件性对称不稳定条件下,扰动发展呈现为强倾斜环流特征,垂直速度场有狭窄的强倾斜上升运动,与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展.诊断分析表明:在扰动发展演化过程中,条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在.     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.     

两个路径相似台风暴雨过程的模拟分析

以两个路径相似的台风"海棠"和"凤凰"为研究对象,利用MM5模式对其二次登陆过程进行模拟并通过与实况的对比表明,模式对台风路径和暴雨的模拟是成功的。利用模式输出从动力、水汽、不稳定层结和地形等四方面对暴雨落区和强度进行诊断,结果表明:低层螺旋度正值区与未来12 h暴雨落区有良好对应关系,高层螺旋度负值区偏离暴雨区,螺旋度高低层耦合产生的倾斜上升气流是触发和维持台风暴雨的动力机制。在台风登陆过程中,浙南闽北一直有源源不断的水汽输入,登陆点北侧水汽输送大于南侧是造成台风降水非对称分布的重要原因。台风由暖洋面移入大陆"冷场"加强了不稳定层结,在"海棠"台风暴雨过程中,弱冷空气侵入台风环流,触发不稳定能量释放在暴雨增幅中起了重要作用,暴雨出现在相当位温等值线密集的向北倾斜锋区。地形对暴雨的增幅作用十分显著,迎风坡由于地形动力抬升有利于上升运动加强,使得对流发展旺盛,降水增加,形成暴雨中心。     

与台风”海鸥”相关暴雨过程的水汽和干侵入研究

利用常规观测资料、NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料和WRF3.2模式的模拟结果分析了一次由台风"海鸥"与西风槽远距离相互作用产生的山东暴雨过程的水汽和干冷空气活动。结果表明:水汽辐合主要来自南边界的水汽流入,南边界水汽输入的增强主要是台风向北的水汽输送造成的,对流层低层的低涡使水汽在山东中西部地区集中。南北方向水汽辐合的大小与降水量有较好的对应关系。暴雨过程中有明显干冷空气活动,暴雨初期,对流层顶的干冷空气先行侵入降水区,引起高层西风加速和辐散加强,进而导致上升运动发展。暴雨发展期,对流层中层(500 hPa或600 hPa)干冷空气由西北向东南以偏西气流的方式侵入降水区,与暖湿空气以东西风的形式辐合上升。暴雨强盛期,对流层中层不仅有来自中纬度西北方向的干冷空气侵入,而且还有来自高纬的干冷空气侵入。干侵入始终具有高层超前于低层的特点,有利于位势不稳定的发展。干冷空气与暖湿空气活动的加强使山东地区中低层锋生加强,激发非地转垂直上升运动,是上升运动加强的机制之一。暴雨过程中对流性不稳定和条件性不稳定共存,干冷空气侵入使等相当位温面倾斜及强迫暖湿气流沿锋面倾斜上升,有利于条件性对称不稳定的发展。     

贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3.6模式对2004年5月29~30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟,模拟结果与实况基本一致。在此基础上,用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析,以解释强降水发生的物理机制。结果表明,这次降水是由多种尺度系统相互作用,高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的;高层辐散区发展、低层辐合加强,形成"抽气机"效应,低层正涡度和高层负涡度加强,垂直涡度发展,激发出次级环流;对不稳定性的分析表明,降水开始为对流不稳定能量触发,降水加强后对流不稳定层次降低,对流不稳定能量减弱;中层锋区附近θe面陡立,有倾斜涡度发展,继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展,降水加强。     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

一个陆面过程参数化模式与 MM5的耦合

在法国陆面过程模式的基础上,为了表示冠层叶片遮挡对水分蒸发阻抗的影响,在植被覆盖部分引入了遮盖因子,然后将这个修正的陆面过程参数化模式耦合到MM5模式中。耦合后的模式模拟出了因为降水造成土壤湿度变化和植被覆盖动态作用对地面通量的影响,而原MM5模式模拟结果则没有反映上述动态变化对地面通量的作用。原MM5模式和耦合模式模拟了1993年8月17日到20日以内蒙古半干旱草原为中心的中尺度区域的气象场,模拟结果和IMGRASS预观测资料进行了对比,对比说明新的陆面过程模式提高了MM5模式对地面通量和边界层各物理量（风、温、湿）的模拟精度。     

不同深对流参数化方案在降水预报中的比较试验

用中尺度模式（ＭＭ５）与国家气象中心全球谱模式相嵌套,对华东地区２７个测站两个月（１９９７年３月和７月）的降水预报,进行了３类深对流参数化方案的比较试验,发现不同深对流参数化方案对降水预报质量的影响存在一定的差异,而且这种差异在７月份要比３月份明显。     

A note on surface layer parameterizations in the weather research and forecast model

Two surface layer parameterization schemes along with five planetary boundary layer (PBL) schemes in the Weather Research and Forecasting model (WRF) are analyzed in order to evaluate the performance of the WRF model in simulating the surface variables and turbulent fluxes over an Indian sub-continent region. These surface layer schemes are based on the fifth-generation Pennsylvania State University—National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5) parameterization; (a) Old MM5 scheme having Businger-Dyer similarity functions and (b) revised MM5 scheme utilizing the functions that are valid for full ranges of atmospheric stabilities. The study suggests that each PBL scheme can reproduce the diurnal variation of 2 m temperature, momentum flux and sensible heat flux irrespective of the surface layer scheme used for the simulations. However, a comparison of model-simulated values of surface variables and turbulent fluxes with observed values suggests that each PBL scheme is found to systematically over-estimate the nocturnal 2 m temperature and 10 m wind speed with both the revised and old schemes during stable conditions.     

包含“开关”变量的MM5四维变分资料同化系统

数值模式中的湿物理过程对于模拟各种尺度的天气现象非常重要,但它会使得模式方程的状态变量不连续,这种不连续在模式程序中表现为“开关”变量。本文对包括Kuo降水参数化方案的非静力中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统进行研究,利用对实际降水的模拟,比较详细地讨论了有关的“开关”变量以及切向线性化和伴随问题。结果表明：对于一个离散的数值模式,保持“开关”变量与基态一致,用伴随码方法构造的伴随模式计算的梯度值能够为最小化过程提供较好的下降方向;Kuo方案中对流每隔一个积分步的交替发生并不影响目标函数最小化的收敛速度;“开关”变量的存在也不影响将风、温度、气压和比湿结合起来同化对MM5降水预报准确性的提高。     

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅱ：改进模式的检验试验

为了检验用Fritsch-Chappell积云参数化方案改进的MM4模式^[1]对梅雨锋暴雨系统的模拟能力，初步确定该模型的稳定性，可靠性，用不同的侧边界条件，地形条件，行星边界层参数化方法进行了模拟试验，并将模拟结果与采用Kuo-Anthes积云参数化方案的模式模拟结果分别进行了比较，结果表明，改进模式对高度场和降水的预报均有改善，并能预报出一些细致特征，此外，改进模式对侧边界条件和地形极为敏感，而对行星边界层参数化方法的敏感性较弱，因此在模式侧边界条件选取和地形处理方面应十分谨慎。     

Development of an Integrated Vertical-Slantwise Convective Parameterization Scheme and Its Associated Numerical Experiments

An integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme,based on the vertical Kuo-Anthes and the slantwise Nordeng convective parameterization schemes,is introduced into the MM5 model.By employing the MM5 model with the proposed scheme,numerical simulations of a snowstorm event that occurred over southern China on 28 29 January 2008 and of Typhoon Haitang (2005) are conducted.The results indicate that during the snowstorm event,the atmosphere was convectively stable in the vertical direction but with conditional symmetric instability (CSI) in the lower troposphere,and when the area of CSI developed and extended to upper levels,strong rising motion occurred and triggered the release of large amount of energy,producing enhanced convective precipitation with the total precipitation much closer to the observation.The development and strengthening of CSI corresponded to changes in the intensity of snowfall,convergence,and ascending motions of air,revealing that CSI was responsible for the initiation and growth of the snowstorm.The results from a 72-h explicit simulation of Typhoon Haitang indicate that CSI occurred mainly at lower levels with a well-defined spiral structure,and it tended to have a larger impact on the intensity of typhoon than on its track.The minimum pressure at the typhoon center for the 72-h runs with the integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme was on average 3 hPa (maximum 8 hPa) lower than that from the runs with only the vertical cumulus parameterization scheme.Introducing the influence of CSI into the model has improved the warm core structure at the middle and upper levels of the typhoon,with stronger and persistent upward motions causing increased precipitation,and the latent heat released through convection in turn made the typhoon develop further.     

Implementation of a Stable PBL Turbulence Parameterization for the Mesoscale Model MM5: Nocturnal Flow in Complex Terrain

The difficulties associated with the parameterization of turbulence in the stable nocturnal planetary boundary layer (PBL) have been a great challenge for the nighttime predictions from mesoscale meteorological models such as MM5. As such, there is a general consensus on the need for better stable boundary-layer parameterizations. To this end, two new turbulence parameterizations based on the measurements of the Vertical Transport and Mixing (VTMX) field campaign were implemented and evaluated in MM5. A unique aspect of this parameterization is the use of a stability-dependent turbulent Prandtl number that allows momentum to be transported by the internal waves, while heat diffusion is impeded by the stratification. This improvement alleviates the problem of over-prediction of heat diffusion under stable conditions, which is a characteristic of conventional atmospheric boundary-layer schemes, such as the Medium Range Forecast (MRF) and Blackadar schemes employed in MM5. The predictions made with the new PBL scheme for the complex terrain airshed of Salt Lake City were compared with those made with a default scheme of MM5, and with observations made during the VTMX campaign. The new schemes showed an improvement in predictions, particularly for the nocturnal near-surface temperature. Surface wind predictions also improved slightly, but not to the extent of temperature predictions. The default MRF scheme showed a significantly higher surface temperature than observed, which could be attributed to the enhanced vertical heat exchange brought about by its turbulence parameterization. The modified parameterizations reduced the surface sensible heat flux, thus enhancing the strength of the near-surface inversion and lowering the temperature towards the observed values.     

Development of an integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme and its associated numerical experiments

An integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme, based on the vertical Kuo-Anthes and the slantwise Nordeng convective parameterization schemes, is introduced into the MM5 model. By employing the MM5 model with the proposed scheme, numerical simulations of a snowstorm event that occurred over southern China on 28-29 January 2008 and of Typhoon Haitang (2005) are conducted. The results indicate that during the snowstorm event, the atmosphere was convectively stable in the vertical directi...     

THE STUDY OF URBAN CANOPY PARAMETERIZATION SCHEME FOR MM5*

Based on some advanced urban parameterization schemes for mesoscale model,a new urban canopy parameterization (UCP) for MM5 is developed.The UCP takes into account the impacts of urban infrastructure and anthropogenic activity on the dynamic,thermal structures of urban surface layer and the urban surface energy budget in a more rational way according to conformation of MMS.The UCP is implemented in MM5 and validated by IOP data in 2001 winter BECAPEX and automatic meteorological station data in Beijing area.The results illustrate that UCP versus traditional urban parameterization in MM5,it can make MM5 reproduce main characteristics of winter UBL in Beijing,which include urban heat island and its diurnal evolvement,nocturnal elavated inversion in downtown area,and some dynamic stuctures such as TKE peak at the top of urban canopy,lower wind speed in urban surface layer and so on.     

MM5模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验

文中在综合国外一些较先进的中尺度模式城市作用参数化方案的基础上 ,从城市下垫面结构对城市边界层大气作用的物理机制及实际应用两方面出发 ,对城市下垫面结构和人为活动等因素对边界层结构的影响及中尺度模式中城市化作用的合理体现等问题进行了较全面的考虑 ,改进和设计出能够较全面、细致地描述城市结构对大气边界层动力、热力结构的影响 ,且适合中尺度模式结构特点的城市冠层参数化方案 (UCP) ,并实现了其与MM5模式的耦合。进行了耦合后的UCP方案及采用原城市作用方案的MM5模式对BECAPEX试验期间北京地区气象条件多重嵌套细尺度进行了模拟试验 ,并与观测结果对比 ,结果表明 :相比于MM 5模式中原有表示城市作用的参数化方案来讲 ,设计的UCP方案在很大程度上提高了MM 5模式对城市边界层热力和动力结构的模拟能力。