沙粒启动机制的理论分析

从理论上对沙粒的初始启动与垂直抬升作了理论分析。结果指出,沙粒脱离地面的位置顺序是沙平面上凸拐点处、斜面上外突较大的地方、极大值点、水平面、极小值点以及凹槽的拐点处;提出了沙丘的平化运动、缩移运动与持相运动;气动力起沙的条件是:小粒径沙粒、大风、涡度场(与水平风同符号)、不稳定(层结不稳定与切变不稳定)以及粘性流;冲击起沙的条件是:大粒径沙粒、小风、涡度场(宜与水平风反符号)、稳定大气以及湍流;最后提出了沙尘暴启动的交替循环机制。     

黄土高原冬季湍流相干结构在地表能量平衡中的作用

地表能量不平衡问题是近40年一直困扰微气象学界的重要难题.本文利用黄土高原定西干旱气象与生态环境试验站的相关数据,通过将湍流分解为相干结构部分和非相干结构部分,在涡动相关法中引入相干结构(Coherent structure,简称为CS)的贡献,探讨了CS在地表能量平衡中的作用.研究发现：(1)CS出现频次高,间歇性显著,在30 min平均时间中出现的数目为38个,出现时间与未出现时间分别占40%和60%左右;(2)CS对通量影响显著,引入CS贡献后,白天垂直动量通量、感热、潜热和湍流通量(感热与潜热之和)等4个通量计算的准确性均获得显著提高,分别提高达26%(0.01 m²·s^-2)、24%(25.33 W·m^-2)、31%(6.23 W·m^-2)和30%(31.66 W·m^-2).而不考虑CS的传统方法对这4个通量低估达19%、22%、21%和23%;(3)CS对4个通量的贡献分别为36%、41%、33%和50%;(4)传统方法得到的地表能量平衡闭合率EBR只有0.76、能...     

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟 结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO₂和NO₂浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO₂和NO₂浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好.     

CESM模式对东亚地区环流特征的模拟检验

利用CMAP逐月降水资料和欧洲天气预报中心ERA-interim的再分析资料,分析了CESM模式对东亚地区降水及夏季环流的模拟性能。结果表明:(1)CESM可以模拟出东亚地区大气环流、地表温度、水汽输送及降水随季节南北进退等主要特征。(2)该模式降水模拟结果与CMAP资料的对比显示,冬季降水的空间偏差主要表现为青藏高原南侧模拟降水偏多,而青藏高原西北部和日本海附近降水模拟偏少。夏季降水的空间偏差主要表现为陆地偏多,偏差最显著的区域位于青藏高原南侧,而海洋上偏少。降水偏差在季节变化上主要体现为低纬度地区雨带出现时间偏早,中高纬度地区出现时间偏晚且持续时间偏长。(3)模式模拟的夏季地表温度与ERA再分析资料相比在陆地模拟的结果明显偏低,在海洋上模拟的偏高。模式模拟的夏季500 h Pa西太副高较ERA再分析结果异常偏西至我国的江淮地区且强度偏强,这与模式模拟的夏季江淮地区降水较CMAP结果偏少密切相关。(4)夏季经向垂直环流的对比显示,模式模拟结果与ERA再分析结果的主要差异出现在青藏高原及其附近地区,模拟结果在高原的南北侧均出现明显的异常垂直环流,南侧的异常垂直环流伸展高度高,范围狭窄,这与模式模拟的夏季降水在高原南侧明显偏多有关。     

不同初始场对一次西北地区暴雨影响的数值模拟研究

利用WRF3.8.1模式研究了GRAPESGFS、FNL和ERA-interim三种资料形成的不同初始场对2017年8月6-7日西北地区一次暴雨过程模拟结果的影响。此次暴雨是由于南亚高压和高空急流的加强,副热带高压西伸北抬,偏东风低空急流和低空切变线的发生发展造成;三种资料中只有GRAPESGFS资料中可以分析出偏东风低空急流,这可能是导致模拟的降水分布出现差异的主要影响系统。以三种资料作为初始场模拟的环流演变特征在中低层具有一定的差异,500 hPa层GRAPESGFS资料的模拟结果在甘肃中南部地区为一深槽,FNL资料的为一尺度较小的闭合低压,而ERA-interim资料模拟的低值系统不明显;三种资料均可以模拟出700 hPa偏东风低空急流和气旋式环流,强度略有差异。三种资料形成的初始场模拟的降水分布特征方面差异明显,从强降水中心位置和区域平均降水率变化特征来看,FNL资料形成的初始场模拟效果最好;从TS评分等评估指标来看,GRAPESGFS资料形成的初始场模拟效果最好,但是20 mm量级以下空报率相对较大;ERA-interim资料的模拟效果最差。     

西藏林芝地区一次暴雨过程的中尺度模拟与分析

利用常规观测资料、FY-2E卫星观测的TBB资料,对2015年8月19日发生在林芝地区的一次暴雨过程进行天气分析,并利用中尺度数值模式WRF的模拟结果分析此次暴雨过程中尺度系统的结构特征。结果表明,此次暴雨过程发生在高原低涡切变的环流形势下,伴随辐合线发展的线状对流系统是此次暴雨发生的主要原因。WRF模式可较好地模拟出暴雨过程的环流形势和降水的落区、量级。西南风引导的暖湿气流为暴雨的发生、发展提供充沛的水汽条件;对中尺度结构的分析表明,低层辐合、高层辐散的结构以及在降水区存在的正涡度伴随强烈的上升运动为此次暴雨过程提供了有利的动力条件,假相当位温的分布能够为暴雨提供有利的热力条件,垂直螺旋度低层正中心的配置反映出大气的不稳定分布,有利于中尺度对流系统的发展与维持。     

02.6梅雨期一次暴雨β中尺度系统结构和演化的数值模拟研究

通过利用观测资料和中尺度数值模拟结果,对2002年6月18～19日("02.6")的一次梅雨锋暴雨β中尺度系统结构和演化及其发展机理进行了研究,分析发现:(1)此次暴雨过程发生在500 hPa东亚大槽不断加深发展的阶段,也是中纬度大气长波调整的时期.东亚大槽后的冷空气和副热带高压前缘的暖湿气流在江淮流域交汇为此次暴雨的产生提供了有利的大尺度条件.同时,对流层低层不断加强的西南气流为此次暴雨过程提供了有利的水汽条件.(2)1小时观测的降水量和TBB的分析表明,此次暴雨的产生主要是由于β中尺度对流云团发展分裂     

冲击起沙的概念模型

冲击起沙是最重要的起沙方式。鉴于Lu和Shao提出的体积模型的不足,通过分析沙床受到冲击后应力的传递规律,类比于电子的跃迁模型,提出了冲击起沙的跃迁模型来解决冲击起沙问题。该模型的基本思想是,沙粒冲击沙床时,能量会沿冲击点向周围粒子扩散,当某一粒子获得的能量大于跃出所需要的能量时,该粒子即从床面跃出;多余的能量将转化为该粒子的跃出初动能。冲击起沙问题由此变成了一个研究跃出能量的大小和能量传输规律的问题。根据该模型,基于能量传输的吸收系数法和传输方程近似法,给出了两维和三维情形下冲击起沙释放的粒子数、速度分布和冲击坑形状的表达式。两维情形下显示,冲击坑的大小与释放的粒子数和粒径大小正比,而且伴随着冲击坑的形成,可能会发生崩塌现象。吸收系数法显示,两维冲击坑随着吸收系数的增大是先增大,后反而出现了收缩。传输方程近似法显示,两维冲击坑的大小正比于kt。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟北大核心CSCD

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

"99·6"梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5和四维资料同化逼进方法及双向三重嵌套网格技术,对1999年6月23～25日(简称"99·6")发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟.结果表明:模拟结果与观测结果的比较指出,高分辨数值模式MM5可以成功地模拟梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展;模拟结果显示,在α中尺度低涡切变线发展过程中,低层强的西南急流和东北气流增强了低层的辐合;而高空的西风急流和东风急流则增强了高空的辐散;正是由于这种从高空到低空环流的配置,才促进了α中尺度低涡不断发展;模拟低涡切变线不同部位的垂直环流和物理量场表明,"99·6"梅雨锋低涡切变线的结构非常复杂:在梅雨锋的发展期,暖锋附近的垂直上升运动最强,低涡中心次之,冷锋附近最弱.模拟结果也表明,由于下垫面特征的不同,中国和日本的梅雨锋暖锋附近环流结构有较大的区别;模拟结果显示,在α中尺度低涡发展过程中,不断有扰动在低涡前部发展,激发并分裂出一系列的β中尺度系统,β中尺度系统运动剧烈,但由于其低层辐合强于中空辐散,所以当它远离母体时会很快衰减.