中纬度夏季一次深厚对流过程的数值模拟研究:高空热力层结和风切变影响

针对一次发生在中纬度夏季的深厚对流过程进行的数值模拟研究的结果,引入一个较详细描述深厚对流状态下云微物理过程的参数化方案,对一个有限差分三维非静力弹性大气数值模式进行了改进.数值模拟得到了与天气雷达观测一致的结果.结果还显示,对于这次穿透高度超过了对流层顶的深厚对流过程,与高空斜压扰动有关的上对流层弱稳定热力层结对系统的维持起到了重要的作用.另外,还发现强烈的对流发展到对流层顶的高度时,受上曳体的驱动,在对流层顶附近的稳定层结中产生浮力性的扰动;它们与风切变相结合,进而对系统的水平移动产生控制作用.     

东经120°E中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征

利用为期一年的卫星遥感温度（SABER/TIMED）资料重建了120°E子午圈内中间层和低热层大气潮汐各主要频率分量（周日、半日和8小时潮汐）.这些主要频率分量随高度振幅增大，在97 km高度达到显著的振幅；其中迁移性周日潮汐在97 km高度出现极大振幅，然后随高度衰减.本文从考察迁移性成分和非迁移性成分各自在总潮汐中贡献角度出发，着重讨论了那些对形成该子午圈中97 km高度上整体潮汐扰动起控制作用的潮汐成分.结果显示，对周日和半日频率这两种潮汐而言，迁移性成分控制了它们的总体时空分布.在春分季节，迁移性周日潮的控制作用最显著，决定了赤道和两半球热带的活动中心；其中北半球副热带地区的季节变化形势与以往利用武汉（30°N，114°E）流星雷达风测量资料开展分析得到的结果是一致的；其他季节受非迁移性成分明显影响，例如，在本文关注的2005年中，夏至季节受（1，0）模、（1，-3）模和（1，-2）模的共同影响形成了从赤道向南延伸的活动中心，极值中心位于赤道附近，振幅达到了20 K以上，是全年的最大值.受迁移性成分控制，半日潮活动主要出现在两半球热带地区，北半球活动中心位于秋分季节（振幅达到13 K），南半球活动中心位于春分和夏至之间.其他季节受非迁移成分的影响，形成若干分布在两半球的活动中心.在本文关注的40°S～40°N范围内，与周日潮和半日潮相比，8小时潮汐具有显著较低的振幅；另外，虽然迁移性成分在一年中的大部分时间系统地分布在两半球热带地区，但是非迁移成分具有与迁移性成分相当或更大的振幅，在整体上控制了这种潮汐的时空分布.     

半拉格朗日、半隐式欧拉方程组大气数值模式研究

介绍了一个具有较高时间积分效率的三维弹性大气数值模式。其中,控制方程为能够描述大气非静力及可压缩性的欧拉方程组,时间积分采用了高效率的“半拉格朗日、半隐式”方案。通过引用一个简化的“云物理过程”参数化方案,针对大气中深厚湿对流过程的若干问题进行了数值试验,结果表明,模式能够对该过程中的一些基本和复杂现象进行有效地模拟。试验结果还表明,动力学框架具有很好的稳定性,能够实现高效率的时间积分,它还具有较好的频散特性,保证了空间计算的精度,从而完好地描述了风暴的形态。     

东经120°E中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征

利用为期一年的卫星遥感温度(SABER/TIMED)资料重建了120°E子午圈内中间层和低热层大气潮汐各主要频率分量(周日、半日和8小时潮汐).这些主要频率分量随高度振幅增大,在97km高度达到显著的振幅;其中迁移性周日潮汐在97km高度出现极大振幅,然后随高度衰减.本文从考察迁移性成分和非迁移性成分各自在总潮汐中贡献角度出发,着重讨论了那些对形成该子午圈中97km高度上整体潮汐扰动起控制作用的潮汐成分.结果显示,对周日和半日频率这两种潮汐而言,迁移性成分控制了它们的总体时空分布.在春分季节,迁移性周日潮的控制作用最显著,决定了赤道和两半球热带的活动中心;其中北半球副热带地区的季节变化形势与以往利用武汉(30°N,114°E)流星雷达风测量资料开展分析得到的结果是一致的;其他季节受非迁移性成分明显影响,例如,在本文关注的2005年中,夏至季节受(1,0)模、(1,-3)模和(1,-2)模的共同影响形成了从赤道向南延伸的活动中心,极值中心位于赤道附近,振幅达到了20K以上,是全年的最大值.受迁移性成分控制,半日潮活动主要出现在两半球热带地区,北半球活动中心位于秋分季节(振幅达到13K),南半球活动中心位于春分和夏至之间.其他季节受非迁移成分的影响,形成若干分布在两半球的活动中心.在本文关注的40°S~40°N范围内,与周日潮和半日潮相比,8小时潮汐具有显著较低的振幅;另外,虽然迁移性成分在一年中的大部分时间系统地分布在两半球热带地区,但是非迁移成分具有与迁移性成分相当或更大的振幅,在整体上控制了这种潮汐的时空分布.     

平流层－对流层相互作用的多尺度过程特征及其与天气气候关系—研究进展

在过去5年中,在国家自然科学基金委员会和中国科学院的项目支持下,针对以大气上下层相互作用中的多时空尺度过程特征及其与天气气候的关系为主要关注内容,开展了几个方面的研究。本文介绍其中的一些主要进展与结果,包括:(1)平流层臭氧的探测与分析研究;(2)平流层－对流层质量交换(STME)与对流层顶特征研究;(3)中层大气多尺度波动特征研究;(4)大气辐射传输和中层大气卫星临边遥感新方法研究。     

利用卫星数据考察平流层传播性行星波活动特征

中层大气是大气波动盛行的区域。这些波动不仅是这里大气扰动的主要形态,伴随其传播的耗散成为作用在背景流场上的动力强迫和作用于环境物质上的湍流混合,影响到了中层大气的各个方面,尤其对一些典型环流结构的形成起着控制作用。简要地回顾了这个研究领域发展的历史。与此同时,利用美国卫星温度探测数据（SABER/TIMED温度数据）考察了平流层（20~70 km高度范围）传播性行星波活动的整体性质,给出了他们的空间分布和年变化形式。利用温度标准差（T SDEV）代表行星波活动的强度,当前研究显示无论在热带外地区或以赤道为中心的热带地区,全年传播性行星波活动都是相当显著的。结合同期定常行星波活动强度分析结果,通过比较说明在热带外地区,传播性波动和定常波动表现出相近的季节活动性;从T SDEV数值看,在定常波活动达到最强的季节(冬末春初),这两类波动活动的强度达到了相当的程度（TSDEV=12~14 K）。当前结果还显示,在定常波活动受到显著抑制的夏季条件下,传播性波动成为平流层行星波活动的主导成分。在赤道地区的分析结果表明传播性波动是这里的控制性波动,并且其活动强度在全年都处在相当稳定的状态;T SDEV分析结果还给出了一个值得关注的现象,从平流层下部开始（20 km高度）逐渐随高度增大（大于2 K）,但是这种随高度增长的趋势在30 km高度左右突然终止;从30 km开始直到中间层底部,T SDEV几乎不随高度变化,这隐含地说明这里的波动处于一种饱和的状态。     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流(位于~9km高度)演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟.事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下.模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征.模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象.分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播.功率谱分析结果表明盛行波动具有~700km水平尺度、9~12h时间尺度以及4~5km垂直波长.由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减.同时,在18~20km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应.估算结果表明,在11~20km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86m·s-1·day-1的动力阻曳.     

光强和盐度对龙须菜生长及光合特性的影响

持续降雨会引起光照强度和海水表层盐度的变化。近年来，受梅雨影响，福建省龙须菜（Gracilariopsis lemaneiformis）栽培产量波动明显。为揭示其原因，本实验设置3个盐度梯度（低盐: 16，中盐: 24，高盐: 32）和两个光强水平［低光: 30 μmol/(m²·s)，高光: 120 μmol/(m²·s)］，共6个不同处理组合，研究其对龙须菜生长和光合特性的影响。结果发现：①盐度、光照强度和二者交互作用对龙须菜的相对生长速率和净光合速率均具有显著影响（P<0.05），适当降低盐度、增加光照有利于提高藻体相对生长速率和净光合速率，同时盐度适当降低条件下藻体呼吸速率被显著抑制；②光照强度和盐度对龙须菜有效光合量子产率、最大相对电子传递速率、光能利用效率均具有显著影响（P<0.05），在光照增加条件下有效光合量子产率和最大相对电子传递速率随盐度增加呈先增加后降低的趋势，光照强度和盐度的交互作用仅对光能利用效率影响不显著（P>0.05）；③盐度对龙须菜的光合色素含量具有显著影响（P<0.05），在同一光强条件下藻体色素随着盐度增加呈先升高后降低的趋势；在盐度适当降低条件下，光照增加显著促进其叶绿素a的合成；盐度和光照强度的交互作用对龙须菜的叶绿素a和藻红蛋白含量具有显著影响（P<0.05）。进一步分析表明：光照充足条件下盐度的适当降低促进藻体光合作用的增强和光合色素合成，进而促进龙须菜的生长；当盐度过低时，龙须菜的生长、光合作用和色素合成均受到明显抑制。结果表明梅雨季节龙须菜栽培产量潜在地取决于光照强度、海水表层盐度及其耦合作用的变化。     

一个改进的汛期降水预报的热力学模式

本文在地气系统热平衡方程、土壤热传导方程和Ｇ．Ｗ．Ｐａｌｔｒｉｄｇｅ关于行星大气等效红外辐射温度参数化公式三个方程的基础上,建立了一个用于汛期（４－９月）降水预报的区域模式。它有效地修正了汤懋苍等提出的“一个长期降水预报的热力学模式”中存在的一些问题。