利用常规气象资料建立的导线覆冰模型

利用2001-2009年冬季四川省二郎山观冰站的覆冰资料和气象资料,在明确影响导线覆冰因子及建立覆冰模型理论框架的基础上,分析了覆冰厚度与若干气象因子的联系,结果发现覆冰增长与水汽压、风速等单一气象指标之间的相关并不理想;尝试用若干气象指标综合咸水汽输送量指标,该指标与覆冰增长率有较显著的相关。在此基础上建立了一个以风速、温度、水汽压等常规气象观测要素为参数的导线覆冰模型,将综合覆冰拟合的冰厚与实测冰厚值进行比较,拟合结果较好地模拟了实际覆冰,达到工程应用的目的。     

基于CALMET-WRF耦合的复杂地形下导线覆冰的精细化数值模拟研究

利用耦合了WRF模式的CALMET模型,对2022年1月5—10日山西省南部中条山区导线覆冰事件的天气背景场进行了数值模拟,在评估了WRF和CALMET对气象要素的模拟效果的基础上,分别利用WRF和CALMET模拟的气象场驱动Makkonen覆冰模型,对本次导线覆冰过程进行了数值模拟,得到了如下结论:1)相比于WRF模式的模拟结果,CALMET降尺度后的气象场能更符合实际地形影响下近地面温度场和风场的分布规律,其模拟的近地面低温区(气温<0 ℃)范围较WRF模拟范围更大。2)CALMET的气温均方根误差整体较WRF模式减小0.5～1 ℃,相关系数由0.5～0.8提升至0.6～0.85;风速的均方根误差较WRF减少了1 m/s,相关系数较WRF提升0.2,说明WRF模式结合CALMET模拟气象场更加接近真实观测结果。3)利用CALMET降尺度场驱动覆冰模型能较好地反映微尺度地形下电线积冰的时空分布特征,各杆塔模拟的覆冰厚度偏差较WRF显著减小了2 mm,且降低了模式对覆冰启动的滞后时间。     

A bin-microphysics cloud model with high-order, positive-definite advection

An axisymmetric, anelastic model of a convective cloud is described. The model comprises prognostic equations for the azimuthal vorticity, the perturbation potential temperature, the perturbation water vapor mixing ratio, 44 categories of cloud condensation nuclei, and 100 categories of liquid-phase hydrometeors. Results from a control simulation show that the model is capable to reproduce realistically the life cycle of a convective cloud including the production of warm rain.A discussion of the role of advection in bin-microphysics models is presented and sensitivity tests were performed regarding the order of advection. The results show that, although the global characteristics of all simulated clouds were similar, significant differences occur with respect to their microstructure, particularly close to the cloud edges, when the order of the advective scheme changes. The conclusion is that intermediate-order advection schemes can indeed be used in cloud-resolving simulations, as far only as the gross characteristics of the cloud/cloud system are being investigated, but not poor, low-order schemes. On the other hand, the sensitivity with respect to the advection suggests that the evaluation of cloud phenomena that occur in fine-scales, such as entrainment and certain microphysical and radiational processes, must require the use of accurate, higher-order schemes.     

水分子结构模式及液态固态水若干特征成因探讨

水是包括海洋大气在内的地球生态系统中极重要又有很多特殊性的物质。其特性的成因尚远非清晰。本文提出一种水分子(H_2O)结构及其固态液态水体的结构模式,探讨和模拟计算了其若干特征的成因,结果能较好符合实测值。(1)从氢(H)氧(O)原子结构和电子绕各原子核及相互绕行规律的等概率随机轨道中实现符合库伦力和开普勒运动规律的优势轨道耦合成平均状态稳定的准刚性的水分子结构。其核心是O原子与等距离分立其两侧的2个H原子构成的等腰三角形,其间距平方之比(H-H)_2/(H-O)_2=2.5;电子云活动空间为1个由4个等边三角形为面构成具有6个等长稜的正四面锥体结构水分子模式(可简称"水分子正锥体模式");该模式具有很大电偶极矩。(2)水分子的端点间在约0.27 nm距离内可以按"+""-"电荷吸引原则耦合。6个水分子将按正、负电荷对接耦合,连接成六边环形"壁"的"笼式隧道空间",可容纳其他物质,无电荷显示,电导率极地。(3)在空气中0℃以下凝结冰晶时三维不对称,"薄片"的雪花形成概率更大,其形态也按自相似原则体现了水分子结构的六角六边六针形的特征。(4)液态水分子维持固态水冰的"冰/水笼"结构模式,但由于2个氢原子上的电子同时到达1个"-"电荷端的概率为1/11,当0℃以上部份水分子能摆脱框架水分子束缚后,可以再耦合一个从框架上"脱落"的"自由水分子"使其进入水笼,从而水容积缩小;固体冰和液态水的密度之比为11/12=0.916 667。自由水分子和水笼框架上的水分子可以随时互换(在10-5s时间尺度上),并适应固体壁的形态,既是不可压缩,又有柔软、可变形特点;水在0~100℃时的空/占比达2.28,模式可解译高温高压的水汽中检测到2.16 g·cm-3,水热传导系数很大,比热容量很大,有"异常"的U形特点,且液态水的比热容量略大于固态水冰的热容量的1/2等特征。(5)讨论了水对O_2、H_2S、NaCl、KCl等的溶解度随温度变化的若干特征的成因和计算模式。通过NaCl饱和溶液实验,证实了本文模式。(6)与液态水体表面特征有关的特点及本文实际应用将在随后续文中讨论。     

三峡库区对局地暴雨和江面大风影响的理论模型

从考虑水汽凝结潜热作用的两维非静力平衡方程组出发,利用江陆边界条件,从理论上求得适用于陆地水体的解析解。结果表明,当0〈k〈1.0℃·km-1时（k为水汽凝结潜热）,江风环流比陆风环流强,两岸比江面容易形成暴雨;当k〉1.0℃·km-1时,江风环流比陆风环流弱,江面比两岸容易形成暴雨;当0.5℃·km-1≤k≤0.9℃·km-1时,江陆面上方低层易出现大风。在江陆风环流中心附近流线出现与锋面类似的间断面,可用于解释雷达图上的海陆面上空类切变线的线状回波。此回波与冷锋相遇,易形成暴雨。     

WRF模式对江苏一次强降水过程的模拟分析

利用NCEP最终分析资料,使用WRF模式模拟了2008年7月22—23日出现在江苏的一次强降水天气过程。结果表明：WRF模式能较好地模拟出这次降水的区域,对这种中尺度天气系统具有良好的预报能力。在这次降水过程中,低空风场切变线和冷空气以及与高空急流的合理配置加强了强降水区垂直环流的发展,使降水区对流发展;而高空辐散、低空辐合的流场特征也促进了强降水的产生;这次过程的水汽输送在850hPa上最强,850hPa的强水汽输送是产生强降水必需的水汽条件;从能量方面看,江苏全境都处于K指数高值区,特别是江苏中北部有相当高的能量聚集,为强降水提供了不稳定条件。暴雨区上空螺旋度呈低层正中心、高层负值区的分布,螺旋度的高低层耦合是触发并维持低压暴雨的动力机制。     

双参微物理方案对一次强降水过程的数值试验

利用WRF模式,分别采用WDM6和Morrison双参微物理方案对2009年7月23—24日,华东地区的一次强降水过程进行数值模拟。通过对地面累积降水量、降水强度和云中微物理量分析,对比研究了以上两种双参微物理方案对降水的预报效果。结果显示两种方案都低估了强降水区域的降水强度,而且提早预报了降水发生的时间。但相比之下,Morrison方案更接近实际的观测结果,而WDM6方案的误差在50%以上。分析了云中微物理量场和参数化方案计算过程,发现由于WDM6方案对雨滴的定义不合理,在结果中存在大量小粒径的雨滴,使平均粒径远小于典型雨滴,导致雨水的下落过程中,蒸发作用的强度被高估,而沉降过程的强度被低估,因而低估地面降水。     

WRF模式对弱强迫系统中雷暴预报个例研究

用WRF2．2版本,针对2006年7月13日洛阳市区,发生在副高边缘偏东南暖湿气流中的雷暴进行了模拟预报,结果表明WRF模式能描述弱强迫天气尺度系统中的中小尺度对流系统,能捕捉到常规天气图上难以分辨出来的雷暴单体。模式输出的中尺度要素场可以确定雷暴发生的地点;模式探空的对流有效位能、抬升指数、沙瓦特指数、K指数随时间演变曲线的拐点,能指示雷暴发生的时间。个例分析表明WRF模式在预报弱强迫天气系统雷暴时具有较好的性能,用WRF模式来作雷暴的分析预报早一条可行的徐径。     

A high-resolution 43-year atmospheric hindcast for South America generated with the MPI regional model

An evaluation of the present-day climate in South America simulated by the MPI atmospheric limited area model, REMO, is made. The model dataset was generated by dynamical downscaling from the ECMWF-ERA40 reanalysis and compared to in-situ observations. The model is able to reproduce the low-level summer monsoon circulation but it has some deficiencies in representing the South American Low-Level Jet structure. At upper levels, summer circulation features like the Bolivian High and the associated subtropical jet are well simulated by the model. Sea-level pressure fields are in general well represented by REMO. The model exhibits reasonable skill in representing the general features of the mean seasonal cycle of precipitation. Nevertheless, there is a systematic overestimation of precipitation in both tropical and subtropical regions. Differences between observed and modeled temperature are smaller than 1.5°C over most of the continent, excepting during spring when those differences are quite large. Results also show that the dynamical downscaling performed using REMO introduces some enhancement of the global reanalysis especially in temperature at the tropical regions during the warm season and in precipitation in both the subtropics and extratropics. It is then concluded that REMO can be a useful tool for regional downscaling of global simulations of present and future climates.     

“海棠”台风降水非对称分布特征成因的定量分析

2005年7月19日08时～20日08时“海棠”（Haitang)台风登陆福建省前后24小时期间, 带来一次明显降水过程, 且台风北侧降水较南侧强, 呈明显非对称分布。利用WRF模式对此次降水过程进行了数值模拟, 基于模拟结果, 不仅分析研究了相对湿度、 垂直上升运动场, 同时还进行改进的湿Q矢量诊断分析, 以及计算分析地形抬升和地表摩擦的强迫作用, 定量分析“海棠”台风降水非对称分布特征形成的可能成因。结果表明:（1) WRF模式成功地模拟出了此次降水非对称分布特征、主要降水落区, 以及300 mm以上极端强降水的强度、位置, 模拟效果令人鼓舞。（2) 垂直上升运动条件可能是造成降水非对称分布特征的主要因素。（3) 台风北侧改进的湿Q矢量散度辐合强度明显较其南侧强, 进一步计算分析发现, 改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水场也呈明显非对称分布, 且台风北侧强于南侧。（4) 地形因子强迫产生的降水强度约是改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水强度的1.6～2.5倍, 且地表摩擦作用强迫产生的降水强度约是地形抬升作用强迫产生的降水强度的2～3倍。     

利用区域尺度气象模式模拟黑河地区地表能量通量的研究

应用中尺度区域模式RAMS (the regional atmospheric model system), 在40余组不同参数的条件下模拟中国干旱半干旱黑河地区的地表能量通量和土壤温度特征, 并以此探索模式在干旱半干旱地区的适用性。为了证明模拟结果的准确性和模式的稳定性, 模拟连续运行30天, 其中包含晴好和阴雨的天气过程。模拟结果表明: 即使使用较为可靠的NECP再分析气压层资料和实地探测资料, 进行初始场和参数的输入, RAMS的默认设置也很难较为合理地反演出地表能量通量, 只有合理地调整好其土壤特征参数, RAMS才能得到与实测资料符合得较好的结果。土壤特征参数对模拟结果影响较大, 影响因子的重要性依次为: 土壤含水量、 土壤层总厚度、 土壤温度。     

一种基于全球动力模式和SMART原理结合的统计降尺度区域季节气候预测方法

针对江苏夏季旱涝和高温热浪等异常气候的预测难题,以江苏夏季站点降水和气温为预测目标,建立了一种基于全球动力模式BCC_CSM1.1（m）和最优可预测气候模态和异常相对倾向（SMART）原理结合的统计降尺度季节气候预测方法。利用历史观测资料和SVD方法提取决定中国夏季降水异常相对倾向的同期热带地区向外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation,OLR）和北半球中高纬500 hPa位势高度场异常相对倾向的最优可预测气候模态,并利用逐步回归法构建其与同期江苏站点降水和气温异常相对倾向同期关系的统计降尺度模型;将动力模式对最优可预测气候模态的预测带入统计降尺度模型,实现对区域降水和气温异常相对倾向的预测;最后通过引入观测的近期背景异常实现对降尺度的降水和气温总距平的预测。通过对1991—2019年江苏夏季降水和气温的回报检验表明,本文建立的统计降尺度模型效果较BCC_CSM1.1（m）动力模式的直接预测效果有显著提高,为区域精细化季节气候预测提供了一种有效的手段。