Q矢量的改进与完善

在完全考虑非绝热加热项潜热作用的前提下，从原始方程出发，推导出改进后的湿Q矢量(以下记为Q^M)的表达式以及用其散度作强迫项的ω方程，并结合一次梅雨锋暴雨天气过程将改进前、后的湿Q矢量诊断能力进行比较，结果发现：(1)改进后的湿Q矢量对同时刻的地面降水的反映能力较原湿Q矢量(Q^*)有显著的提高。(2)在整个梅雨锋暴雨过程中，600hPa高度上的改进后的湿Q矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心的位置对同时刻的地面实际降水的强度及雨区位置都有非常好的指示作用。     

引入对流凝结潜热作用对非均匀饱和大气中非地转湿Q矢量的改进研究

结合2009年第8号台风"莫拉克"登陆福建省引发的强降水过程,通过考虑对流凝结潜热加热,探讨了对非均匀饱和大气中非地转湿Q矢量(Qum)的改进。结果表明:(1)2009年8月9日08:00(北京时,下同)～10日08:00台风"莫拉克"给浙江大部分地区和福建中北部地区带来了一次暴雨过程,WRF模式较成功地模拟出了此次强降水过程。(2)850hPa Qum矢量散度场对同期降水落区具有一定指示意义,散度辐合强度变化与降水强度变化趋势有一定的对应关系。(3)此次暴雨过程中伴有大量的对流凝结潜热释放,最大潜热中心主要位于600hPa。(4)考虑对流凝结潜热加热作用得到改进的Qum矢量,600hPa改进后的Qum矢量散度辐合区对同期降水落区的指示作用得到进一步增强,诊断能力也得到进一步提高。     

垂直螺旋度的拓展研究及应用

垂直螺旋度Hp由垂直速度和垂直涡度构成,反映涡度的垂直平流。通过尝试将Q矢量引入垂直螺旋度进行研究,即基于Q矢量散度和垂直涡度构造出一种新型垂直螺旋度HQ。HQ为Hp的拓展形式,二者差别主要在于计算HQ时无需求解垂直速度。同时,结合一次典型的江淮梅雨锋气旋暴雨过程研究,结果表明,HQ对降水落区及降水强度水平分布的不均匀性均具有较好的反映能力,且揭示出暴雨上空垂直涡度平流呈倾斜分布特征。进一步分析表明,对于垂直涡度而言,HQ三维空间分布特征与辐合的Q矢量散度有更多的相似性,这在一定程度上反映出HQ与Q矢量散度联系更为密切。     

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演在台风暴雨研究中的应用进展

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演是近代天气学中的先进动力诊断工具。Q矢量被视为估算垂直运动的有效方法。螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量。位涡是一个综合反映大气热力和动力性质的物理量并具有守恒性和可反演性。位涡反演是指在给定位涡分布和边界条件且假定运动是平衡的情况下,可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度等物理量的分布。台风暴雨形成机理及其预报研究一直是大气科学研究领域的重点和业务天气预报工作的难点。文章将着重总结分析国内外有关将Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演方法应用于台风暴雨研究的进展状况,并对未来如何综合应用上述诊断工具进行了展望。     

湿Q矢量释用技术及其在定量降水预报中的应用

新发展了一种湿Q矢量释用技术:利用松弛法迭代求解以非地转干Q矢量散度为强迫项的方程得到垂直运动场ω ₁, 然后由ω ₁计算湿Q矢量散度场, 接着再利用松弛法迭代求解以湿Q矢量散度场为强迫项的ω方程得到垂直运动ω ₂, 最后由ω ₂结合水汽条件进行降水量计算, 得到湿Q矢量释用降水场。结合一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程研究表明, 湿Q矢量释用降水场对同期观测降水场水平分布特征、极端降水强度都具有一定的反映能力, 反映出湿Q矢量释用技术具备实际应用的可行性和一定合理性。将此释用技术应用于华东区域数值预报模式 (基于MM5 V3.6而建立, 以下简称MM5) 产品, 得到湿Q矢量释用定量降水预报 (QPF) 场, 其独立于模式本身输出的QPF场, 但与模式QPF场具有相同的时空分辨率。针对2004年6—8月汛期华东地区一次梅雨锋降水过程和一次登陆台风降水过程, 结合实况雨量资料, 比较分析了湿Q矢量释用QPF场和MM5模式QPF场对实际观测降水场的反映能力, 结果表明, 前者对有无降水、10.0 mm/24 h以上明显降水的反映能力明显优于后者。进一步进行预报统计检验表明, 湿Q矢量释用预报有无降水、小雨及10.0 mm/24 h以上降水的TS评分、正确率都明显高于MM5模式, 而漏报率、空报率则是前者明显低于后者。这也充分反映出湿Q矢量释用技术应用于QPF研究的有效性。最后, 探讨了数值预报产品释用技术对数值预报模式性能的依赖性, 并指出未来对湿Q矢量释用技术进一步改进的方向及其广泛应用前景。     

THE IMPACT OF INITIAL FORCED WIND ON THE PREDICTABILITY OF THE ZEBIAK-CANE COUPLED OCEAN-ATMOSPHERE MODEL

With simultaneous observed sea surface temperature anomaly (SSTA), the difference between NCEP/NCAR 925hPa reanalysis wind stress anomaly (NCEPWSA) and FSU wind stress anomaly (FSUWSA) is analyzed, and the prediction abilities of Zebiak-Cane coupled ocean-atmosphere model (ZC coupled model) with NCEPWSA and FSUWSA serving respectively as initialization wind are compared. The results are as follows. The distribution feature of NCEPWSA matches better with that of the observed SSTA than counterpart of FSUWSA both in 1980s and in 1990s; The ZC ocean model has a better skill under the forcing of NCEPWSA than that of FSUWSA, especially in 1990s. Meanwhile, the forecast abilities of the ZC coupled model in 1990s as well as in 1980s have been improved employing NCEPWSA as initialization wind instead of FSUWSA. Particularly, it succeeded in predicting 1997/1998 El Ni?o 6 to 8 months ahead; further analysis shows that on the antecedent and onset stages of the 1997/1998 El Ni?o event, the horizontal cold and warm distribution characteristics of the simulated SSTA from ZC ocean model, with NCEPWSA forcing compared to FSUWSA forcing, match better with counterparts of the corresponding observed SSTA, whereby providing better predication initialization conditions for ZC coupled model, which, in turn, is favorable to improve the forecast ability of the coupled model.     

Water Vapor, Cloud, and Surface Rainfall Budgets Associated with the Landfall of Typhoon Krosa （2007）： A Two-Dimensional Cloud-Resolving Modeling Study

Water vapor, cloud, and surface rainfall budgets associated with the landfall of Typhoon Krosa on 6--8 October 2007 are analyzed based on a two-dimensional cloud-resolving model simulation. The model is integrated with imposed zonally-uniform vertical velocity, zonal wind, horizontal temperature, and vapor advection from NCEP/Global Data Assimilation System (GDAS) data. The simulation data that are validated with observations are examined to study physical causes associated with surface rainfall processes during the landfall. The time- and domain-mean analysis shows that when Krosa approached the eastern coast of China on 6 October, the water vapor convergence over land caused a local atmospheric moistening and a net condensation that further produced surface rainfall and an increase of cloud hydrometeor concentration. Meanwhile, latent heating was balanced by advective cooling and a local atmospheric warming. One day later, the enhancement of net condensation led to an increase of surface rainfall and a local atmospheric drying, while the water vapor convergence weakened as a result of the landfall-induced deprivation of water vapor flux. At the same time, the latent heating is mainly compensated the advective cooling. Further weakening of vapor convergence on 8 October enhanced the local atmospheric drying while the net condensation and associated surface rainfall was maintained. The latent heating is balanced by advective cooling and a local atmospheric cooling.     

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.     

1997/1998年ElNio事件发生、发展可能机制的进一步研究

基于美国哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观象台LDEO(Lamont-Doherty Earth Observatory)海表温度资料和NCEP/NCAR再分析风场资料,分析了1997/1998年ElNio期间西太平洋暖池海表温度和西风距平的时间演变特征,同时也分析了东太平洋暖池海表温度和北风距平的时间演变特征。结果表明,1997/1998年ElNio事件期间,西太平洋暖池海表温度变化及异常西风和东太平洋暖池海表温度变化及异常北风都与Ni o3指数变化密切相关。将东、西太平洋暖池及异常北风、西风一并结合起来考虑,进一步研究了1997/1998年ElNio事件发生、发展的可能机制:异常西风驱动西太平洋暖池东端暖水向东伸展直接有利于赤道东太平洋海表温度增加;异常西风激发东传的暖Kelvin波对东太平洋的冷上升流有抑制作用,从而有利于赤道东太平洋海表温度增加;东传的异常西风可以通过埃克曼漂流效应将赤道两侧的海表暖水向赤道辐合从而加强了赤道附近的下沉流,也有利于赤道东太平洋赤道附近海表温度增加。几乎与此同时,北风距平通过产生北风吹流将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近直接导致Nio3区海表温度增...     

1997／1998E1 Nino事件的热力学诊断分析

本文基于以925hPaNCEP／NCAR再分析风应力距平为初始强迫场的Zebiak-Cane海气耦合模式对1997／1998E1Nino事件集合预报平均结果,对1997／1998E1Nino事件进行热力学诊断分析。结果表明：（1）在整个E1Nino事件过程中,在赤道太平洋从西到东的各个Nino区中,平流作用主要起促进作用,而热力阻尼项则基本为衰减或抑止作用。（2）从Nino4区到Nino1＋2区,纬向平流对SSTA上升的促进强度变化不大,而经向平流和垂直上升流对SSTA增加的促进作用在逐渐增强。同时,热力阻尼项对SSTA变化的抑制作用也呈依次增强。（3）平流项中,经向平流的贡献相对湿著。