天气学的发展概要——关于锋面气旋学说的四个阶段

参照流体力学发展的4个阶段,以锋面气旋模型为例将天气学也分为:"古代"、经典、近代和现代4个发展阶段。"古代"天气学的代表是1863年航海家Fitz-Roy绘制的第一个风暴概念模型,它是对实践经验的总结,但不失其科学性;100年前挪威气象学派锋面气旋模型是基于牛顿力学的经典天气学代表,确立了斜压性是天气变化机理的核心,但将锋面视为物质面是其有悖流体连续性原则的重大缺陷;50年前芝加哥学派的锋面气旋三维模型是基于对准地转动力学理论深刻物理洞察力的近代天气学代表;20世纪末暖锋后弯卷入爆发性气旋模型是高科技时代基于大规模数值计算的现代天气学代表。在大数据时代,现代天气学需要学习和继承近代天气学用深刻的物理洞察力来分析天气学问题。     

京津冀地区一次中-β尺度对流风暴云砧结构的演变特征

联合使用新一代多普勒雷达三维体扫资料和静止气象卫星资料,分析了京津冀地区一次中-β尺度对流风暴云砧结构的三维演变特征。以15 dBZ雷达回波为阈值,提出了分析云砧演变过程的三个有效指标:风暴的"高中层面积差"、"高低层面积差"和"低层面积"。在此基础上,将云砧结构的演变过程划分成四个阶段:云砧结构形成期、云砧结构维持期、云砧结构崩溃期和风暴消亡期。雷达和静止卫星观测到的云砧演变特征具有明显的相关性:雷达最大组合反射率因子与IR1通道最低TBB呈显著的相关性,均在云砧结构的形成期或维持期达到极值;极值后,强冷云区(TBB小于-45℃)面积在15 min内就达到峰值,而弱冷云区面积在大约1 h后的云砧崩溃期才达到峰值。     

基于切线伴随技术计算GRAPES-Meso模式的奇异向量

集合数值天气预报的关键问题就是如何生成有效的初始扰动。奇异向量反映了初始扰动在大气系统相空间中演变发展的最不稳定方向,基于奇异向量产生的集合样本是模拟概率密度函数的最合理方法。以非静力、半隐式半拉格朗日GRAPES-Meso中尺度数值预报模式为基础,采用Lanczos迭代算法,利用GRAPES-Meso的切线伴随模式计算GRAPES奇异向量。为了检验求得的奇异向量的正确性,提出了两种检验奇异向量正确性的方法:一是比较计算的奇异值的一致性;二是依据特征向量在矩阵变换中的方向不变性意义,验证GRAPES奇异向量空间结构的正确性。最后研究了不同的时间间隔对GRAPES奇异向量的影响,结果表明GRAPES奇异向量在36小时的最优时间间隔误差增长速度最快,这表明在非静力、半隐式半拉格朗日格点模式中利用切线伴随技术计算奇异向量是可行的。     

中尺度对流系统红外云图云顶黑体温度的分析

采用ＧＭＳ卫星红外云图的云顶黑体温度（ＴＢＢ）等值线分析方法，对１９９２年８月初在中国３个地区，不同环流背景下发生的中尺度对流系统（ＭＣＳ），即西南低涡内、西太平洋副热带高压的西北边缘和副高内部的ＭＣＳ进行了分析。结果表明，ＴＢＢ等值线分析方法能较细致地揭示ＭＣＳ的形成过程。冷云盖周围ＴＢＢ等值线疏密所反映的云顶温度梯度，对ＭＣＳ的发展有很好的指示意义。文中还给出了一个在消散阶段出现涡旋状结构的ＭＣＳ。这种涡旋结构不同与北美发现的中层中尺度气旋，它可能是凝结加热所产生的对流层高层的高压反气旋环流的反映。     

海洋数据多维动态显示系统的设计与开发

该文针对我国海洋系列卫星应用的需要，探讨了海洋数据多维动态显示系统设计与开发中的关键技术。从系统主要功能设计入手，讨论了多维动态数据结构和数据流程的设计，阐述了系统详细开发方案，给出了统一空间分辨率、统一地理投影和海量数据快速显示的解决方法，开发并实现了海洋数据多维动态显示系统的原型系统。     

9216 号台风登陆后的云系结构变化

利用GMS卫星云图资料和物理量诊断场资料，分析了9216号台风的云系结构及其在登陆后发生的变化。研究结果表明，9216号台风云系结构的变化反映了台风和高、低空环境流场之间的关系。分析表明，由9216号台风造成我国沿海罕见的风暴潮及大范围暴雨，与强大的高空急流入口区右侧的辐散气流及其东侧的强低空急流有密切的关系。     

香港特大暴雨β中尺度线状对流三维结构研究

β中尺度狭窄线状对流系统是造成锋前暖区暴雨的主要角色, 对其结构和机理的研究具有重要意义。作者使用高时空分辨率的多普勒雷达观测资料, 对1998年6月8～9日香港暴雨过程中的β中尺度的狭窄线状雨带进行流场、回波强度和散度的时空四维结构的深入剖析, 利用观测资料得到线状β中尺度对流系统的三维流场和水平散度结构, 发现线状β中尺度对流系统的水平散度垂直配置与低层强降水回波之间存在一定的关系, 并给出发展和成熟阶段中线状β中尺度对流系统的流场和散度场配置的基本结构。     

华南前汛期锋面垂直环流及其与中尺度对流系统的相互作用

对1998年华南暴雨试验加密观测期间(IOP)5月23日强降水个例的数值模拟结果分析指出,锋面对于中尺度对流系统而言除了提供对流运动的触发机制外,两者之间还可能存在复杂的相互作用。华南前汛期中伴随对流活动的冷锋具有独特的垂直环流结构。它主要表现为暖湿气流不是沿锋面上滑,而是在冷锋前沿的对流雨团中直接上升到高空,锋面上方上滑的暖空气完全被对流雨团北侧的补偿性下沉气流所代替;而在锋后以及锋前暖区内均有对流活动发生的情况下,低空流入锋区前沿和锋区上方雨团的空气不是来自锋前暖区,而是来自锋后。对对流系统内部雨团进行的三维轨迹追踪也揭示出锋面上空对流雨团内存在一部分来自锋后并穿越锋区的上升气流。这是因为锋面并不是真正意义上的物质面,它只是大气温、湿属性有显著差别的界面,因此存在穿越锋区的运动并不是完全不可能发生的。在华南前汛期中,锋区两侧温度对比比通常意义上的锋面要小,这也是可能发生穿越锋面运动的原因之一,表明中尺度对流系统由于具有与梅雨锋在跨锋方向相类似的尺度而有可能对梅雨锋的流场结构发生影响。     

基于数学形态学的三维风暴体自动识别方法研究

基于雷达数据的风暴体识别、追踪及预警方法是重要的临近预报技术之一,其中准确的风暴体自动识别是进行风暴体自动追踪和预警的前提。在风暴体识别中常会碰到的两个问题是:虚假合并和从风暴簇中分离出相距较近的风暴单体。美国国家大气科学研究中心提出的TITAN(Thunderstorm Identification,Tracking,Analysis,and Nowcasting)算法使用单阈值进行识别,容易将相邻的多单体回波识别为一个风暴体。美国国家强风暴实验室提出的SCIT(Storm Cell Identification and Tracking)算法使用7个反射率因子阈值进行识别,可以较好地分离出风暴簇中的风暴单体,但它直接抛弃了低阈值的识别结果,导致风暴体内部结构信息的丢失。SCIT的这种识别策略可能会使处于初生阶段、强度较低的风暴体被错误地抛弃掉。TITAN和SCIT都无法完全识别出相邻风暴的虚假合并。为了解决这两个问题,文章提出了基于数学形态学的识别方法。该方法首先使用第1级阈值进行单阈值识别;其次,对识别得到的风暴体执行基于动态卷积模板的腐蚀操作,以消除虚假合并;然后,使用高一级阈值进行识别,并对识别得到的风暴体进行膨胀操作,当风暴体的边界在膨胀的过程中相互之间接触,或接触到了原来较低阈值识别的风暴体的边界时,则停止膨胀过程;最后,逐次使用更高级别的阈值进行识别,并在每一级阈值的识别过程中执行腐蚀和膨胀操作。试验结果表明,通过在多阈值识别的过程中综合使用膨胀和腐蚀操作,基于数学形态学的三维风暴体识别方法不仅能够成功地识别出风暴体的虚假合并,同时还能在从风暴簇中分离出相距较近的风暴单体时,尽可能多地保留风暴单体的内部结构信息。     

气象资料的集成管理

介绍了为国家攀登项目“海峡两岸汲邻近地区暴雨试验研究”中所要求的对性质、来源不同的资料进行集成而开发的气象资料集成管理系统的开发、结构和功能。