季风及季风与西风带相互关系的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所九层大气环流模式积分20年,分析其对季风的模拟能力并探寻季风与西风带的相互关系.模式计算得到的全球广义季风区的分布和大气质量的跨纬圈输送,与由实测资料算得的结果十分接近;行星热对流环流和地表特性差异对大气质量跨纬圈传输的功效比夏季约为1.8:1,冬季为2.2:2,此值也与实测十分接近;模拟结果还发现西风带和热带的降水性质有着本质差别,前者与风暴轴有关,为大尺度抬升凝结降水,后者受控于大气层结,为对流性降水;西风带和季风降水都受两半球副热带辐散源的驱动影响,冬季风加强北半球的西风带,进而加强西风带降水,夏季风则削弱北半球西风带和其降水;起自南半球的两支夏季风气流在印度洋和南亚一带同位相叠加,引发强大的亚-澳夏季风,并伴有最强的降水中心,而冬季风会在西太平洋暖池形成一对南北对称的辐合中心,并形成冬季最强的降水中心.     

北半球冬季阿留申低压－冰岛低压相关关系的年代际变化及其模拟

使用多种长期观测和再分析资料,分析了北半球冬季阿留申低压和冰岛低压相关关系的年代际变化。结果表明,两低压存在显著的负相关关系,使北太平洋和北大西洋海平面气压形成跷跷板式的变化(Aleutian Low-Icelandic Low Seesaw,AIS)。此外,AIS还存在显著的年代际变化,在1935~1949年和1980年后较为显著,其余时期并不显著。对1980年代的年代际转变分析表明,太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)在1970年代末的位相转变是AIS这次年代际转变的主要原因。PDO由负位相转变为正位相,使全球大部分大洋海表温度升高,而北太平洋海表温度降低,两低压显著变深,低压南部西风增强,从而通过Rossby波的频散效应使两低压强度形成显著负相关。1930年代中期的年代际转变与此类似,但强度较弱。同时,年代际背景的变化也影响到两低压的年际变化。在给定海表温度和海冰分布的驱动下,大气环流模式IAP AGCM4能基本模拟出AIS年代际转变的过程和机理,但仍存在一些偏差。     

大气边界层阵风相干结构的产生条件

壁湍流相干结构的发现是近代湍流研究的重大进展之一,从20世纪50年代开始,在大气边界层湍流中也发现了相干结构——对流云街,并进行了系统的研究。近些年来,人们发现在近地层湍流中也存在相干结构。利用北京325 m气象塔对城市下垫面中大风和小风天气的风速分析,发现较有规律的周期3~6 min的阵风,且有明显的相干结构,而对不同下垫面的阵风研究,均发现存在这种相干结构,这种阵风相干结构对通量输送有不可忽视的作用。本文利用2012年4月甘肃省民勤县巴丹吉林沙漠观测塔的超声风速和平均场风速、温度观测资料,对阵风相干结构的产生条件进行了分析。采用傅立叶变换,将三维超声风速按频率分成基流(周期10分钟以上)、阵风扰动(周期1到10分钟)、湍流脉动(周期小于1分钟)三部分,结合平均场的资料分析发现:阵风相干结构出现在静力中性、不稳定甚至略微稳定的条件下,或者说机械作用主导的大气边界层,阵风区就会出现相干结构,热力作用对其有抑制和干扰的作用。从而,阵风的相干结构和壁面相干结构都出现在中性条件下,是机械湍流的现象,都主导着动量能量的输运。阵风区的相干结构并不等同于对流云街,他们出现在不同的大气稳定度条件下且尺度不同。     

强风天气下边界层结构特征

近地层观测的强风运动表明,叠加在平均流动之上的脉动通常有两种,一种是随机的湍流脉动,还有一种具有相干结构的阵风扰动。分析表明,上层强风的剪切运动产生阵风,并向下传递能量,对近地层的通量传输起到重要作用。本文利用北京325 m气象塔、位于海拔1257 m的妙峰山测风塔和位于海拔1688 m的灵山测风塔的资料,分析了强风天气下,边界层上层出现阵风并向下传递的过程,进一步证实无论在近地层还是边界层上层,强风期间,叠加在平均流动上除了高频湍流脉动之外,还有周期为1~10分钟的阵风,即相干结构。阵风峰期有下沉运动,阵风谷期有上升运动。这些相干结构在边界层上层产生,向下运动和传播过程中受到平均气流梯度的切变作用和地面摩擦,破碎为湍流结构。边界层上层的阵风和湍流产生的动量通量向下传递,使得强风期间,边界层中阵风和湍流对通量具有同样的输送能力,对边界层中沙尘、污染物等气溶胶的传输具有重要作用。本研究为模式中进行通量输送参数化方案的修正提供了观测和理论依据。     

我国低纬高原地区初夏强降水天气研究Ⅱ.2005与2001年5月云南旱涝成因的对比分析

2001年和2005年的5月云南分别出现了严重的洪涝和干旱天气.通过分析研究表明,这两年在大尺度环流形势、季风爆发的早晚和强弱以及ENSO背景的影响等方面都有着显著的不同.2001年5月对流层中层的东亚槽位置偏西且强度偏强,同时南支槽稳定维持且较强,致使冷暖空气易于在云南地区交汇,这可能是在该地区产生较强降水的主要环流形势,而2005年5月东亚槽位置偏东,南支槽较弱,致使云南地区几乎没有水汽来源和缺乏冷暖空气的交汇,这是产生干旱的主要环流形势;同时南海季风爆发的早晚和强弱与云南5月降水也有着较好的关系,2001年5月南海季风爆发偏早且强度偏强,而2005年5月南海季风爆发偏晚且强度偏弱,这两年5月的降水差异较大;对水汽分布的分析还表明,2001年5月云南地区为水汽辐合区,且较常年平均偏大,水汽通量为西南向,且强度较强.而2005年5月云南为水汽辐散区,孟加拉湾的水汽向东进入南海,云南地区非常干燥;从ENSO大背景对其影响的分析可知,2001年5月的洪涝和2005年5月的干旱与这两年的前期海温变化似乎也存在一定的联系.     

北太平洋夏季的两个典型层积云区与海温和大气低层热力过程的关系

比较ISCCP D2层积云云量的季节平均图后发现:除了大洋东部常年有层积云外,北太平洋夏季也存在一片大值区.在副热带东北太平洋和中纬度西北太平洋各取一个10°×10°的区域,分别记为NEP和NWP.利用OI-SST、NCEP/NCAR再分析资料和ERBE资料,通过相关和气候分析,提出了新的物理意义明确的稳定度判据,比较了NEP和NWP两个区的夏季层积云云量与海温、大气热力过程的异同.结果表明:夏季,NEP和NWP都有正的稳定度,有利于层积云的形成和维持.NEP区和NWP区夏季的海气温差、感热通量、潜热通量有明显的差异.从海温和夏季层积云云量的相关分析发现:在NEP区,海温滞后于层积云云量,其相关于滞后3个月时有最大负值,这可能是由于海洋有较大的热惯性,对层积云遮蔽太阳辐射而导致洋面降温的响应需要3个月;而在NWP区,则是海温超前于层积云云量,其相关于超前1个月时有最大负值,这可能是由于从5月份开始海温低于气温,且有暖空气平流,有利于随后层积云、层云和雾的形成.     

低纬高原地区一次强降水过程的中尺度雨团数值模拟研究

对2001年5月31日~6月1日发生于低纬高原地区的一次强降水过程进行了数值模拟,在确定大尺度环流形势场、降水过程及雨团模拟正确的基础上,对引发强降水的主要雨团A,利用模式输出的高分辨模拟结果进行了深入的再诊断分析研究。结果表明:虽然雨团A所在区域未发现有明显的气旋系统（或扰动）,但在其发展强盛期,仍具有明显的中尺度动力和热力结构特征;中低层正涡度中心先于降水系统的发展,而垂直上升运动是低层气流辐合抬升的结果;雨团A的形成与近地层气流辐合线密切相关,并与云南特殊的地形地貌密切关联;南风分量对强雨团A的产生和发展具有重要的作用;同时,受其大尺度环流场的影响,雨团A的发展演变与印缅槽的形成和发展密切相关。对中尺度雨团A的水汽来源分析表明:在中尺度系统发展成熟前有较强的向雨团A区域的水汽输送,并且水汽主要来源其西南侧,即孟加拉湾。     

人工增雨研究和作业的进展以及提高科学化的可行途径——“人工增雨研究专辑”前言

我国人工增雨研究有很好的成果,有大规模作业的丰富经验,近年来又有很大进步。"人工增雨研究专辑"选登其中一些具有普遍意义的成果和经验,以及未来近期内可以再进一步提高的一些思考和建议。作者试图先对这些经验和问题进行归纳概述和分析讨论。大体上说,这些成功的研究成果和作业经验有:选择有利于增雨的历史天气—气候背景条件、临近作业时对作业云的判断、机理的数值模拟、凝结核和雨滴及它们的谱分布规律和新催化剂的研制等。未来近期内应该做、而且可以有结果的使作业进一步科学化的工作,除结合经验介绍而指出的一些外,关键是:1)尽量做到观测—预报—作业—效果检验一体化;直接面对增雨作业效果本身进行检验,这样才能使作业和效果检验科学化。为此应用控制论的观点和方法(尤其是工程控制论和自然控制论)是可行的。2)要开展暖性对流云催化作业的研究。3)一定要对已有的工作经验进行系统总结,并一定要将研究工作和作业实践密切结合起来。4)一定要气象和水利部门协调起来,才能充分有效地解决四度空间的水资源利用问题。此外,还涉及其他一些人工影响天气的问题,如防雹、消雾等。     

大气环流模式中动力框架与物理过程的相互响应

用大气环流模式CAM3.1和IAP AGCM4.0对模式中动力框架与物理过程之间的相互作用及响应关系进行了初步探讨。选用理想的物理过程（Held-Suarez强迫）及完整物理参数化方案,分别对两个模式积分了60 d。试验表明,动力框架与物理过程之间的相互响应在低纬对流层和高纬对流层中上层有着较大的区别。在低纬对流层,动力框架及物理过程产生的温度倾向都有着较大的变率,对总的温度倾向的变率均有较大的贡献,且二者之间为相互补偿的反相关关系;在高纬对流层的中上层,总的温度倾向的变化主要依赖于动力框架的贡献,物理过程造成的倾向变化很缓慢,可近似地看做定常的强迫,且物理过程产生的温度倾向与动力框架产生的温度倾向之间为正位相的响应关系。此外,还对各个物理参数化方案之间的相互作用及响应关系进行了分析。结果表明,在所有过程中,湿过程所引起的温度倾向的变化最为显著,对总的物理过程倾向的贡献也最大;在高纬地区,长波辐射冷却也有较大的变率;短波辐射加热率及垂直扩散加热率的变化相对较小;长波辐射冷却和短波辐射加热之间为近似负反馈的响应关系。     

HUBEX试验区近地面层的湍流输送

1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)期间曾进行了1个月的近地面层湍流观测.分析不稳定条件下湍流的统计特性和谱特征,并与Monin-Obukhov相似理论进行了比较.结果表明,不稳定的时候各湍流量的统计特征与相似理论的预期相符.虽然不稳定条件下温度和湿度涨落的相关系数很高,谱的式样也相近,但湿度谱的峰值频率高于温度谱.协谱曲线的形状显示感热通量的谱峰较宽,表现出w和T在较宽范围的强相关性,而水汽通量谱在高频段下降很快,说明水汽的输送更多地出现在低频部分.从谱相关系数可见,在近中性的时候,各尺度湍流涡的热量输送效率普遍较低,随着不稳定性增强而显著提高.分析还发现,不论不稳定性的程度如何,小尺度湍流的水汽输送效率都较低.水汽通量谱的相关系数随稳定度的变化不如热通量的谱相关系数大,表明近中性时除小尺度湍流外其他湍流涡的水汽输送效率高于热量输送.