一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析.研究结果表明:(1) 具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案.(2) 梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化.雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1-2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用.(3) 除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500-700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子.     

模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡（SPDO）和北太平洋年代际振荡（即PDO,本文称为NPDO）分别与华北盛夏（7—8月）降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明：在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO（NPDO）与华北盛夏降水存在显著正（负）相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关（EAP）波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.     

不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据和重要手段。目前,通常采用2～4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2～4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5～5.0km)获取2014—2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。     

动力数值模式侧边界强迫的改进试验

通过修正嵌套模式侧边界缓冲区温度强迫项的计算方法,使区域气候模式所刻画的温度日变化信息与不同下垫面区域的天气变化规律相符合.进而利用数值模式ASRegCM研究了侧边界缓冲区温度强迫的改进处理对嵌套模式模拟效果的影响,并讨论了其对模拟结果改进的可能机制.数值试验结果表明,该侧边界缓冲区强迫的改进对地面气温和降水距平分布的...     

航空短期区域气候模式预测系统研究

基于国家气候中心的海气耦合业务预测系统CGCM_1.1的预测资料产品,集成并完善了一个单向嵌套的、中尺度海气耦合的区域气候模式ASRegCM,并以其为数值计算核心,建立了一套航空短期区域气候预测业务系统ASRCPOS。对1983～2002年（共20年）的回报试验结果显示,ASRCPOS业务预测水平较前期统计预测为主业务系统的预测水平有一定程度的提高。尤其是在对连续型变量地面气温的距平,以及对非连续型变量地面降水的距平量级预测能力方面,该动力业务系统预测能力较前期业务系统有所改善。回报结果同时显示,业务系统在异常天气气温的预测方面存在较大的改进空间,对月以下时间尺度预报的解释应用方面仍存在一定的局限。     

有序人类活动造成的土地利用变化对区域降水的可能影响

人类社会发展主要通过土地利用变化和温室气体排放两种途径影响着气候环境，因此，完善的气候模式需要从这两方面与社会经济学模式进行耦合。作者从土地利用变化的角度出发，引入系统动力学模型预测的土地利用数据库资料，并利用该资料动态地修正区域气候模式的下垫面地表覆盖类型，实现了社会经济学模式与区域气候模式的单向耦合。在此基础上，利用耦合的区域环境系统集成模式（RIEMS 2．0），将社会经济稳定发展和高速发展两种驱动情景下不同时段的土地利用资料，分别进行数值模式运行。最后根据得出的预测结果，从降水的空间分布和时间演变等方面分析了未来50年中国气候可能的年代际演变特征，同时对土地利用变化影响区域气候的机理进行了探讨。 主要研究结果表明，区域气候变化尤其是区域降水对土地利用变化的响应较为敏感，而且土地利用变化引起的气候效应不仅局限于土地利用发生改变的区域，因此，研究土地利用变化对区域环境的影响要综合考虑其区域分布以及各区域的变化程度。长时间的气候预测研究，在气候模式中耦合社会经济学模式是必要的。仅考虑土地利用的变化，未来50年华南地区年降水量将呈现减少的趋势，北方地区的年降水量在2010。年左右将呈现增长的趋势，且增长的趋势可能持续到2050年。预测结果同时显示，西部干旱半干旱区沙漠绿化，增加东北及内蒙古西部地区的森林面积，华北地区退耕还草等措施对北方地区年降水量的增加是有益的。同时，对应西部沙漠面积扩大，华北地区城市用地增加，东北及内蒙古西部地区林地退化以及华南地区林地增加等土地利用的变化，北方的干旱化趋势会进一步加剧。土地利用变化可以引起气候模式下垫面参数中的地表反照率、粗糙度等发生改变，变化的地表覆盖类型与大气的能量和水分通量交换差异作用于大气的流场和温度场等要素，从而改变了区域的气候环境。     

梅雨锋暴雨云团中冰相粒子结构和演变特征的个例数值模拟

利用非静力平衡中尺度数值模式MM5(V3-6),对2003年7月4-5日发生在江淮流域的一次中小尺度暴雨过程进行了数值模拟,主要研究结果表明,冰晶、雪和霰三种冰相粒子分别主要分布在200 hPa、300 hPa和400 hPa附近的气压层.冰晶模拟结果的偏差趋势与模式模拟的地面降水的偏差趋势是基本一致的,而霰粒子模拟结果的区域偏差的倾向则能反映模式模拟域地面降水的偏差梯度,模式对地面降水模拟的好坏与模式对冰相态粒子总体质量密度的水平分布的描述有重要的关系.对流云中冰晶和霰的密度随时间的演变与地面降水也有很好的相关性.云水与冰相粒子的碰并作用过程是形成此次中小尺度暴雨对流云中主要的微物理过程.