Some Characteristics of the Surface Boundary Layer of a Strong Cold Air Process over Southern China

In southern China,cold air is a common weather process during the winter season;it can cause strong wind,sharp temperature decreases,and even the snow or freezing rain events.However,the features of the atmospheric boundary layer during cold air passage are not clearly understood due to the lack of comprehensive observation data,especially regarding turbulence.In this study,four-layer gradient meteorological observation data and one-layer,10-Hz ultrasonic anemometer-thermometer monitoring data from the northern side of Poyang Lake were employed to study the main features of the surface boundary layer during a strong cold-air passage over southern China.The results show that,with the passage of a cold air front,the wind speed exhibits low-frequency variations and that the wind systematically descends.During the strong wind period,the wind speed increases with height in the surface layer.Regular gust packets are superimposed on the basic strong wind flow.Before the passage of cold air,the wind gusts exhibit a coherent structure.The wind and turbulent momentum fluxes are small,although the gusty wind momentum flux is slightly larger than the turbulent momentum flux.However,during the invasion of cold air,both the gusty wind and turbulent momentum fluxes increase rapidly with wind speed,and the turbulent momentum flux is larger than the gusty wind momentum flux during the strong wind period.After the cold air invasion,this structure almost disappears.     

Atmospheric Response to Mesoscale Ocean Eddies over the South China Sea

The South China Sea(SCS) is an eddy-active area. Composite analyses based on 438 mesoscale ocean eddies during 2000–2012 revealed the status of the atmospheric boundary layer is influenced remarkably by such eddies. The results showed cold-core cyclonic(warm-core anticyclonic) eddies tend to cool(warm) the overlying atmosphere and cause surface winds to decelerate(accelerate). More than 5% of the total variance of turbulent heat fluxes, surface wind speed and evaporation rate are induced by mesoscale eddies. Furthermore, mesoscale eddies locally affect the columnar water vapor, cloud liquid water, and rain rate. Dynamical analyses indicated that both variations of atmospheric boundary layer stability and sea level pressure are responsible for atmospheric anomalies over mesoscale eddies. To reveal further details about the mechanisms of atmospheric responses to mesoscale eddies, atmospheric manifestations over a pair of cold and warm eddies in the southwestern SCS were simulated. Eddy-induced heat flux anomalies lead to changes in atmospheric stability. Thus, anomalous turbulence kinetic energy and friction velocity arise over the eddy dipole, which reduce(enhance) the vertical momentum transport over the cold(warm) eddy, resulting in the decrease(increase) of sea surface wind. Diagnoses of the model's momentum balance suggested that wind speed anomalies directly over the eddy dipole are dominated by vertical mixing terms within the atmospheric boundary layer, while wind anomalies on the edges of eddies are produced by atmospheric pressure gradient forces and atmospheric horizontal advection terms.     

Upper ocean response of the South China Sea to Typhoon Krovanh (2003)

To quantitatively investigate the dynamic and thermal responses of the South China Sea (SCS) during and subsequent to the passage of a real typhoon, a three-dimensional, regional coupled air–sea model is developed to study the upper ocean response of the SCS to Typhoon Krovanh (2003). Owing to the scarcity of ocean observations, the three-dimensional numerical modeling with high resolution, as a powerful tool, offers a valuable opportunity to investigate how the air–sea process proceeds under such extreme conditions. The amplitude and distribution of the cold path produced by the coupled model compare reasonably well with the TRMM/TMI-derived data. The maximum SST cooling is 5.3 °C, about 80 km to the right of the typhoon track, which is consistent with the well-documented rightward bias in the SST response to typhoons. In correspondence to the SST cooling, the mixed layer depth exhibits an increase; the increases in the mixed layer depth on the right of typhoon track are significantly higher than those on the left, with maxima of 58 m. This correspondence indicates that the SST cooling is caused mainly by entrainment. Under the influence of typhoon, a cyclonic, near-surface current field is generated in the upper ocean layer, which moves with the typhoon. The typhoon-induced horizontal currents in the wake of the storm have strong near-inertial oscillation, which gradually propagates downward. The unique features of the SCS response to Typhoon Krovanh are also discussed, such as Kuroshio intrusion and coastal subsurface jets.     

南海季风试验研究

介绍了"九五"国家攀登项目"南海季风试验"外场观测系统和主要结果.该试验是一次旨在了解南海季风爆发,维持和变化主要物理过程的大气与海洋联合试验,是由十几个国家与地区参加的一次大型国际合作项目.通过1998年5～8月的外场观测试验,取得了大量和多种大气与海洋的加密观测资料,为南海和东亚季风及其与海洋的相互作用研究提供了比较完善的资料集.目前研究正在深入阶段.作者只是对这个试验的一般情况作了说明.     

南海台风状况下海气界面热量交换研究

根据国家海洋局南海分局的Marex(马瑞克斯)数据浮标观测资料、南海断面线 调查资料和西沙海洋站资料，计算了南海海气界面热量交换值。研究结果表明:不论是夏季还是秋季，在台风环流内海气界面热量交换均非常强烈，主要贡献来自潜热通量(Qv)，位于(20.49°N，114.14°E)附近海域。夏季台风环流内显热通量(Qk)出现负值，海面有效反射辐射(Qe)出现减弱现象；秋冬季节台风环流内Qk量值增加显著均为正值，Qe有加强的现象。分析实测资料发现:1961～1989年8次ElNino事件过程中，西沙海洋站水温比赤道太平洋水温提早出现增暖现象的有4次，水温推迟出现增暖现象的也是4次。西沙海洋站水温增暖出现在12月的仅有1次。ElNino事件发生后，南海水温异常增暖，但是海气界面热量交换反而减弱。     

浪花和飞沫水滴在海面大风边界层中的垂直传输

对我们在南海海域建立的大气边界层观测站的资料进行分析表明,在冷涌和热带气旋（包括强台风）过境的大风期间,在边界层底层10 min平均的水平风速u基本不随高度而变,甚至大都伴随有明显的上升气流w。而且风场脉动中含有强相干性的阵风扰动（ v _g,频率位于1/60~1/600 Hz频段）,以及近于随机性的高频湍流脉动（ v _t,频率大于1/60 Hz）,它们的特性以及w都可以很好地用水平风速u来参数化表示。取实测的（u,w）和脉动 v '= v _g+ v _t,或取实测的u与参数化的 v _g、 v _t和w,应用拉格朗日随机模式作数值模拟,结果表明:由破头浪发射出来的浪花和飞沫水滴（半径r_p为10~500 μm）有相当大的一部分可以飞离大气底层而进入100 m高以上的大气中,继而对进入大气中的海盐气溶胶通量有重要贡献,不可以被忽略。在水滴的垂直传输过程中,阵风扰动起了极重要的作用,而在w>0且较显著时w更起重要作用。我们对上扬率（可上升至100 m以上高度的水滴数与由海面发射出的水滴数之比）作出了初步的参数化公式,有很高的精度,主要的参量是无量纲量u2/（r_qg）,其中r_p和g分别是水滴半径和重力加速度。     

南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征

根据南海季风试验期间“科学1号”和“实验3号”在加密观测期间所得到的1天4次的探空观测资料,分析了南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征。结果表明：（1）南海北部季风爆发的日期是5月17日,而南海南部季风爆发的日期是5月21～22日左右,季风爆发在南海北部表现出与南部明显不同的特征,其突然的爆发性更为显著。（2）南海季风爆发前后,混合层高度的变化在南海南部与南海北部有明显的不同。在季风爆发前,都存在着明显的混合层,但其厚度不同。南海南部混合层的高度变化在930～970hPa范围内,而南海北部偏高,约为900～980hPa。随着季风的爆发,混合层厚度减小,甚至消失。（3）南海季风爆发前后对流层中低层表现出明显不同的层结结构。季风爆发前,空气比湿较小,大气稳定,混合层顶高度较高,在对流层中存在一个明显的干层。随着季风的爆发,干层逐渐减弱,或趋于消失。这主要是由于季风爆发后,西南季风把大量暖湿空气输送到南海地区,对流活动增强,大气呈现不稳定层结并伴有降水发生的结果。     

Evaluation of the Ocean Feedback on Height Characteristics of the Tropical Cyclone Boundary Layer

In this study, the interaction between the tropical cyclone（TC） and the underlying ocean is reproduced by using a coupled atmosphere-ocean model. Based on the simulation results, characteristics of the TC boundary layer depth are investigated in terms of three commonly used definitions, i.e., the height of the mixed layer depth（HVTH）, the height of the maximum tangential winds（HTAN）, and the inflow layer depth（HRAD）. The symmetric height of the boundary layer is shown to be cut down by the ocean response, with the decrease of HVTH slightly smaller than that of HTAN and HRAD. The ocean feedback also leads to evident changes in asymmetric features of the boundary layer depth. The HVTH in the right rear of the TC is significantly diminished due to presence of the cold wake, while the changes of HVTH in other regions are rather small. The decreased surface virtual potential temperature by the cold wake is identified to be dominant in the asymmetric changes in HVTH. The impacts of ocean response on the asymmetric distributions of HTAN are nonetheless not distinct, which is attributed to the highly axisymmetric property of tangential winds. The HRAD possesses remarkable asymmetric features and the inflow layer does not exist in all regions, an indication of the inadequacy of the definition based on symmetric inflow layer depth. Under influences of the cold wake, the peak inflow area rotates counterclockwise distinctly. As a consequence, the HRAD becomes deeper in the east while shallower in the west of the TC.     

南海夏季风期间水汽输送的气候特征

通过分析NCEP/NCAR 1973～1998年(共26年)4～8月的再分析比湿场和风场资料,研究了南海夏季风期间的水汽输送特征.夏季,东亚上空水汽水平输送特征在各月有很大差异,这是夏季风环流系统演变的结果.孟加拉湾南部地区是中国长江中下游和南海地区重要的水汽源地,来自上游孟加拉湾南部地区的水汽输送对南海季风的爆发具有重要意义.经向水汽输送主要有利于20～30°N之间华南地区的水汽辐合.从总的收支看,南海地区是一个水汽汇区.南海季风爆发早晚年的水汽输送通道存在明显差别.在爆发偏早年,从赤道印度洋到南海地区的输送通道建立早且维持时间长,4～5月南海易成为水汽辐合区;在偏晚年,南海地区水汽则是辐散的,不利于形成季风性降水.南海季风爆发早晚年与长江中下游旱涝年的水汽输送有一定联系.     

南海障碍层的季节变化及其与海面通量的关系

对气候平均态的温度和盐度分析证实,夏、秋季南海南部上层海洋存在障碍层现象.决定障碍层出现的关键因素是净淡水通量,而障碍层的深度和厚度分布则受风场的显著影响,障碍层受混合层和等温层发展的调制.夏季,南海南部上层海洋在东南向Ek-man水平输运以及东侧下降运动双重因素作用下,较淡的水体在南海东南侧堆积,混合层底部高温水脱离混合层保留在等温层中,造成障碍层在南海东南侧最为深厚,达到30 m.最厚障碍层出现的位置和最厚"南海暖水"出现的位置几乎重合,障碍层的"热障"作用促进了"南海暖水"的发展.     

南海台风生成前48 h环流特征及热力与动力条件

利用1979—2019年4—11月中国气象局上海台风研究所热带气旋最佳路径资料和静止卫星红外云图资料,筛选出189例南海台风,结合欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料,分析南海台风生成前48 h至生成时刻的天气环流和动力、热力条件。结果表明：南海台风生成于热带洋面大范围的高海表温度、高水汽含量和高不稳定层结区,其生成前的主要环境背景环流是赤道辐合带、西南季风或东风波等;台风生成前扰动中心常常处于其北侧风切变小而南侧风切变大的过渡带中,少数扰动中心倾向于风切变小值中心附近,风切变与扰动的发展之间无显著相关;扰动中心一般与垂直涡度中心重合,垂直涡度中心是表征扰动自身强弱的物理量,但垂直涡度自身的大小与未来扰动发展趋势关系不明显,而Okubo-Weiss（OW）指数则对于扰动的发展以及扰动位置确定有较好的指示意义;在扰动发展过程中,扰动中心附近存在一个贯穿整个对流层的位涡柱,低层扰动部分与位涡柱中的中低层位涡相互作用,有利于扰动发展。     

南中国海强对流云系的气候学特征分析

利用日本气象研究厅提供的1980～1997年共18a3h一次的Tbb资料,采用统计Tbb≤-36℃出现频率的方法,研究了南海及邻域对流活动的区域统计分布特征,为预报提供参考依据。     

南海西南季风多时间尺度变化及其与海温的相互作用

利用NCEP再分析资料和OLR、SST观测数据, 研究了南海地区西南季风的多时间尺度变化特征, 对比分析了强弱西南季风年大气环流的差异.南海西南季风的强弱变化与海表面温度 (SST) 之间存在显著的相互作用, 年际或以上时间层次变化主要表现为南海西南季风强弱与东太平洋海温、南海-阿拉伯海海温存在显著负相关.对月季时间层次, 东太平洋海温变化对西南季风强度变化的影响仍起重要作用, 南海-阿拉伯海海温与西南季风之间相互作用不但表现为西南季风对海温的作用 (西南季风强 (弱) 导致后期海温降低 (升高)), 同时海温变化对西南季风也起相当重要的作用, 前期海温正 (负) 距平有利于西南季风增强 (减弱).     

南海夏季风对华南夏季降水年代际变化的影响

华南夏季降水和南海夏季风都具有准两年的变化特征。研究表明：20世纪70年代以后，华南夏季降水年代际变化主要表现在准两年尺度平均方差的变化上，当准两年方差大时，相应的华南夏季降水多，反之亦然。但是在1976年以前南海夏季风对华南夏季降水的影响并不大，这似乎与两者准两年变化关系的年代际变化有关。南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化在1953-1976年是弱的反位相变化关系，相反地，这一时段它们的非准两年变化成分有很强的正相关；在1977-2000年这一阶段，南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化具有很强的正相关，但是它们的非准两年变化成分的相关性则很差。分析结果还表明，20世纪70年代大气环流的年代际变异使得华南夏季降水准两年变化在最近20多年成为其年际时间演变的主导成分。     

Characteristics of the Boundary Layer Structure of Sea Fog on the Coast of Southern China

Using boundary layer data with regard to sea fog observed at the Science Experiment Base for Marine Meteorology at Bohe,Guangdong Province,the structure of the atmospheric boundary layer and the characteristics of the tops of the fog and the clouds were analyzed.In addition,the effects of advection,radiation,and turbulence during sea fog were also investigated.According to the stability definition of saturated,wet air,the gradient of the potential pseudo-equivalent temperature equal to zero was defined as the thermal turbulence interface.There is evidence to suggest that two layers of turbulence exist in sea fog.Thermal turbulence produced by long-wave radiation is prevalent above the thermal turbulence interface,whereas mechanical turbulence aroused by wind shear is predominant below the interface.The height of the thermal turbulence interface was observed between 180 m and 380 m.Three important factors are closely related to the development of the top of the sea fog:(1) the horizontal advection of the water vapor,(2) the long-wave radiation of the fog top,and(3) the movement of the vertical turbulence.Formation,development,and dissipation are the three possible phases of the evolution of the boundary-layer structure during the sea fog season.In addition,the thermal turbulence interface is the most significant turbulence interface during the formation and development periods;it is maintained after sea fog rises into the stratus layer.     

南海海温异常影响南海夏季风的数值模拟研究

采用p－σ九层区域气候模式(p－σRCM9）模拟并研究了南海海温异常对南海夏季风的影响, 数值模拟结果表明, 5月份的南海海温对南海夏季风的爆发日期起关键作用: 5月份南海海温持续增温 (降温）, 南海夏季风爆发日期偏早 (偏晚）。南海夏季风爆发后, 南海异常增温, 同期的南海夏季风增强, 而后期的南海夏季风减弱; 南海异常降温, 则与之相反。机制分析表明, 南海海温正(负)异常增强(减弱)了海面与行星边界层之间的能量交换, 主要是潜热通量的输送, 并在大气中通过积云对流加热率的变化来影响对流层热量的分布, 进而引起对流层中低层辐合和高层辐散的变化, 然后使得环流场和风场作出相应地调整, 环流场和风场又会反过来影响积云对流加热率的变化, 这是一个正反馈过程。在5月份南海增温(降温)强迫下, 5月份南海地区的对流活动加强(减弱）, 使得对流层低层副热带高压提前(延后)撤出南海, 从而有利于南海夏季风爆发偏早(晚）。在南海海温异常强迫下, 中国东南部和南海地区的降水率异常主要是由积云对流所产生的降水率异常引起。     

南海北部大气气溶胶水溶性成分谱分布特征

通过对南海腹地岛屿测站和南海北岸测站气溶胶样品中水溶性成分的分析，以及与华南大陆清洁测点和城市测点的对比，结果表明:海岛测点气溶胶总质量与诸离子浓度均大大低于海岸与大陆测点。其分布以三峰型出现的比较多，海岛与海岸气溶胶中水溶性成分以SO2-4，Cl-与Ca2+，Na+为含量比重最大的离子成分；与华南大陆测点相比，Cl-，Na+比重显著增加而NH+4的含量比重有所下降。     

南海及邻域弱对流云系活动的TBB资料特征

利用日本气象研究厅提供的 1 980～ 1 997年共 1 8年 3小时一次的TBB资料 ,采用统计TBB≤ - 2 8℃出现频率的方法 ,研究了南海及邻域对流活动的区域统计分布特征     

OLR与南海热带气旋发展的关系

利用OLR资料,对近十多年(1990～2000年)的南海热带气旋的发生、发展与OLR之间的关系进行了分析研究。研究结果表明：南海热带低压能否发展加强成热带风暴与南海区及其附近OLR值的变化有较好的对应关系;OLR低值中心存在于辐合带中热带低压易发展;在双台风状态下,两个低值中心的强弱情况和距离决定热带低压能否发展。通过定义一个南海热带低压的发展指数IOD（Index of Development）来定量描述OLR等值线的梯度变化和南海热带低压发展的关系;当南海热带低压的发展指数IOD≥9时,热带低压易发展成为热带风暴     

大气边界层湍流能量交换特征研究进展

从一维湍流能量平衡方程出发,回顾了近几十年湍流能量平衡方程中的各项以及Karman常数k的研究成果,总结了大气边界层湍流能量交换特征的研究概况和热点问题,并对今后发展趋势做了展望。实验研究表明,湍流能量平衡方程中的各项在不同条件下有不同的形式;传统的能量产生和耗散的局地平衡假设存在不足,特别是在不稳定条件下,垂直的湍流输运和压力脉动对湍流能量收支起了非常重要的作用。Karman常数与Rossby数和Reynolds数无关,在比较光滑的下垫面上k近似等于040±001。