东北冷涡下一次飑线和MCV的形成与水平涡度的关系

利用WRF中尺度数值模式,NCEP/NCAR分析资料,多普勒雷达观测资料等,对2016年7月25日一次东北冷涡下的飑线过程进行数值模拟,研究了飑线形成和维持与水平涡度的关系及飑线过程中中尺度对流涡旋(MCV)的形成机制,分析发现,高低层水平涡度逆时针旋转对本次飑线的形成和维持有很好的指示意义。(1)飑线发生前,高层渤海湾西侧出现水平涡度的逆时针旋转中心,并有较强的辐散配合,低层水平涡度为逆时针弯曲,为飑线产生提供了有利的上升运动条件。随后高层多个对流单体的水平涡度气旋式涡旋合并形成较大范围的气旋式涡旋结构,触发低层的上升运动,同时低层对流区前部形成一致的气旋式弯曲使得对流单体组织成带状结构,形成飑线。(2)飑线成熟时期高层水平涡度表现为统一大范围气旋式涡旋结构,低层则呈现典型的S型弯曲结构,水平涡度x方向的分量沿对流带从南至北表现为正负正,y方向的分量始终为正,并由对流带的中心向两侧减小,显示出水平涡度矢量旋转的方向对飑线影响的重要性。(3)由垂直涡度方程的分析得出,在飑线发展中期,MCV形成前,雷达反射率回波在500 hPa左右表现出明显的旋转,此时主要与500 hPa以上强的正涡度水平平流项及中层倾侧项和水平散度项有关,之后,在这几项的作用下使得中层风场产生气旋式旋转,形成MCV。      

2013年7月四川盆地一次特大暴雨的中尺度系统演变特征

利用常规观测资料、地面加密资料、卫星观测资料和NCEP再分析资料等,对2013年7月8日四川盆地西部大暴雨过程的天气背景、水汽来源、地面环境场特征、中尺度云团活动等进行了分析并开展了数值模拟研究。这次过程发生在中纬度“东高西低”的环流背景下,西风槽与西太平洋副热带高压稳定的同时有高原东部小槽东移,孟加拉湾低槽槽前西南暖湿气流在盆地转为偏东风,输送充沛水汽。地面偏东风与偏北风形成的中尺度辐合线上有对流云团发展加强,为此次大暴雨的发生提供了有利的中尺度辐合条件。模拟结果表明,在川西高原地形阻挡影响下,偏东气流被迫抬升,配合中低层低涡发展形成的辐合上升,形成有利于对流系统发生和维持的环境条件。近地层辐合线北侧偏北冷空气的侵入促使对流不稳定能量释放,对对流的触发和维持有一定作用。     

亚洲地区碳气溶胶的时空特征及其直接气候效应

利用耦合了陆面和化学过程的区域气候模式Reg CM4.0,对2000—2008年亚洲地区碳气溶胶的时空分布特征及其直接气候效应进行了模拟研究。结果表明:碳气溶胶在冬夏两季主要分布于印度半岛和我国中东部地区,其中印度半岛东北部和四川盆地地区为主要的大值区。夏季随着亚洲季风的爆发和雨季的到来,碳气溶胶的含量和分布范围较冬季有明显的减弱和北移。冬季碳气溶胶对整个亚洲地区的地表主要起冷却作用,而夏季在我国的四川盆地、华北和华南等地则出现了升温现象,这种局部升温现象与黑碳的"半直接效应"密切相关。碳气溶胶对降水影响的空间分布呈现出明显的地域不一致性,对南亚夏季风有一定的增强作用。东亚和南亚地区对碳气溶胶的气候响应存在较大差异,主要表现在夏季南亚地区低层降温、中高层增温,而东亚地区的增温却主要集中在低层。     

1982—2009年冬夏两季热带季节内振荡的趋势特征

采用1982—2009年美国国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)逐日向外长波辐射(outgoing longwave radiation,OLR)资料,利用EOF方法,分析了20～70 d北半球夏季(6—9月)季节内振荡(boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO)与冬季(12月—次年2月)季节内振荡(也称Madden-Julian Oscillation,MJO)不同的强度趋势。结果表明:BSISO指数有明显加强的趋势,而MJO指数的趋势则不明显。进一步利用频率—波数分析方法将季节内振荡(intraseasonal oscillation,ISO)分成西传和东传两部分。结果表明:东传的BSISO在其活动中心——热带印度洋地区有显著加强的趋势,而东传的MJO在其活动中心的趋势则不明显,仅在其活动中心西南部即热带印度洋西南部有减弱的趋势。为探究其原因,文章进一步分析了海表温度(sea surface temperature,SST)和纬向风垂直切变的趋势变化。结果表明:1982—2009年,西太平洋和印度洋SST无论冬夏均持续增暖,SST并不能解释冬夏两季ISO不同的趋势特征;而夏季热带印度洋地区对流层中低层东风垂直切变减弱,冬季海洋性大陆地区东风垂直切变增强。由此认为:热带印度洋东风垂直切变减弱有可能有利于东传的BSISO加强;而海洋性大陆地区东风垂直切变加强有可能削弱东传的MJO,但这种减弱效应被冬季海洋性大陆地区增强的上升运动产生的加强效应抵消,所以MJO的变化趋势并不显著。     

INFLUENCE OF THE INTERANNUAL VARIATION OF CROSS-EQUATORIAL FLOW ON TROPICAL CYCLOGENESIS OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC

The influence of the interannual variation of cross-equatorial flow(CEF) on tropical cyclogenesis over the western North Pacific(WNP) is examined in this paper by using the tropical cyclone(TC) best track data from the Joint Typhoon Warning Center and the JRA-25 reanalysis dataset. The results showed that the number of TCs forming to the east of 140°E over the southeastern part of the western North Pacific(WNP) is in highly positive correlation with the variation of the CEF near 125° E and 150° E, i.e., the number of tropical cyclogeneses increases when the cross-equatorial flows are strong. Composite analyses showed that during the years of strong CEF, the variations of OLR, vertical wind shear between 200-850 h Pa, 850 h Pa relative vorticity and 200 h Pa divergence are favorable for tropical cyclogenesis to the east of 140°E over the tropical WNP, and vice versa. Moreover, it is also discussed from the view of barotropic energy conversion that during the years of strong CEF, an eastward-extended monsoon trough leads to the rapid growth of eddy kinetic energy over the eastern part of WNP, which is favorable for tropical cyclogenesis;but during the years of weak CEF, the monsoon trough is located westward in the western part of the WNP, consistent with the growth area of eddy kinetic energy. As a result, there are fewer TC geneses over the eastern part of WNP.Besides, the abrupt strengthening of a close-by CEF 2-4 days before tropical cyclogenesis may be the one of its triggers.     

一次梅雨锋暴雨的边界层热通量输送与湍流动能收支分析

利用中尺度WRF模式对于2007年7月一次典型的梅雨锋暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,对于边界层内的热通量输送和湍流动能的时空变化特征,以及湍流动能各收支项的分布及变化特征进行了分析。结果表明,降水发生时段内边界层热通量和湍流动能的时空分布特征与晴空日变化特征表现出显著不同,潜热通量随高度自下而上呈现"正—负—正"的分布,感热通量以负值为主,负值中心高度与潜热通量由负转正的高度相对应,湍流动能的发展高度与持续时间都有所增加,降水区近地面湍流动能弱于其他区域,但是在468 m以上高度则显著强于其他区域。降水区湍流动能的来源主要是平均风切变所产生的机械湍流,浮力作用与粘性耗散在降水期间消耗湍流动能,湍流输送作用将低层的湍流动能输送至较高的高度,使低层减小而高层增大,临界高度与湍流动能的大值中心高度对应。     

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。      

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究I.理论分析

本文是讨论梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用问题的开始部分。为了分析梅雨锋暴雨过程中的多尺度能量相互作用,从z坐标系中的运动方程和热力学方程出发,把基本物理量分成大尺度背景场（>2000 km）、α中尺度（200~2000 km）和β中小尺度系统（< 200 km）分量,利用滞弹性近似,推导了大尺度背景场、α中尺度和β中小尺度系统三个尺度的动能方程和位能方程。能量方程中包含了各尺度动能之间的转换、位能之间的转换以及动能和位能之间的转换。动能方程主要包括各尺度动能之间转换项、动能输送项、水平气压梯度力做功项、垂直方向扰动气压梯度力做功项、浮力做功项、地转偏向力分量做功项以及摩擦力做功项。位能方程主要包括各尺度位能之间转换项、位能输送项、浮力做功项以及非绝热加热做功项。其中浮力做功项为位能和动能之间的能量转换项,是暴雨发生发展过程中比较关键的能量转换项。关于将能量方程用于梅雨锋暴雨过程中并且诊断能量相互作用影响暴雨发展和消亡过程的物理机制等问题,将在以后的研究中给出。     

城市化和西太平洋副热带高压增强对中国复合热浪的协同作用

基于黑球湿球温度识别了中国复合热浪,并定量分析了城市化和西太平洋副热带高压（简称西太副高）对中国复合热浪的协同作用。结果表明：1979—2019年中国复合热浪的发生天数、强度和影响范围都在逐步上升,尤其在2010年以后出现跃升,比20世纪80年代增大了4倍左右;城市化快速发展和西太副高增强协同加剧了中国复合热浪;较早发展的城市化对热浪天数、强度、范围增长的贡献分别是9.2％、12.5％、7.5％,而同期西太副高的增强对三类热浪指数有约30％的正贡献,甚至在考虑全球变暖对西太副高的加强作用时,西太副高的贡献增至70％左右。这表明,快速发展的城市化和全球变暖背景下增强的西太副高的协同作用可以解释80％以上21世纪初中国复合热浪的跃升。     

CAUSATION ANALYSIS OF THE DIRECT CLIMATE EFFECTS OF ANTHROPOGENIC AEROSOL ON EAST-ASIAN SUMMER MONSOON

A regional climate model coupled with an aerosol model is employed to numerically simulate the direct climate effects of the anthropogenic aerosol emitted in South Asia and China in the East Asian summer monsoon during 1988 to 2009. Based on the data of the numerical simulation, composite analysis and correlation analysis are used to make diagnostic study of climate dynamics. Results show that the month of maximum emission of the mean column burden of the anthropogenic aerosol in the main emission areas of South Asia is opposite in phase to that in China. Summer is the season of maximum emission amount in China, but the emission amounts are more in South Asia in spring and winter. On the whole, the mean column burden of the anthropogenic aerosol in China is relatively high compared with that in South Asia. The trend of distribution of aerosol is SW-NE in China, and Sichuan Basin is the emission center of aerosol. The effect of negative short wave radiative forcing alters the gradient of pressure between land and sea, weakening the development of East Asian summer monsoon over the northern part of Yangtze-Huaihe River Basin. We also discuss the feedback effect of East-Asian summer monsoon which is changed by the anthropogenic aerosol on the concentration and distribution of aerosol in China.