改进的雷达回波顶高、垂直积分液态水含量及其密度算法

鉴于新一代天气雷达回波顶高和垂直积分液态水含量产品的若干缺陷,提出其改进算法,并增加垂直积分液态水含量密度算法。改进的回波顶高算法通过极坐标方式将该产品的空间分辨率从4 km×4 km提高为1°×1 km,且通过垂直线性内插处理得到更精确的回波顶高值。改进的垂直积分液态水含量算法通过扩大计算范围（460 km）满足监视来自上风方向对流的需求,通过去掉18 dBz阈值的限制、提高空间分辨率（1°×1 km）以及保存未分等级的数据,从而提高其产品的精细化分辨能力,以满足监视初生天气潜在发展的需求。通过对比分析算法改进前后的回波顶高和垂直积分液态水含量产品以描述改进产品的优点,结果表明：改进后的回波顶高产品已无原产品中的锯齿状振荡;回波顶高值大于等于改进前的;改进的垂直积分液态水含量产品纹理更加光滑、结构更加精细。相比垂直积分液态水含量,垂直积分液态水含量密度更适合作为冰雹判别指标。     

大气模式垂直离散的比较研究

对温度有关量的垂直离散进行了讨论。分析指出：垂直离散量的计算应分别情况不同对待，温度垂直廓线较光滑的，可以直接用差分或Ｔｓｃｈｅｂｙｓｃｈｅｆ多项式等进行计算；温度垂直廓线不太光滑的，须用能近似表示廓线不太光滑部分的基本廓线进行分离，再用差分等计算，才能取得较好的结果。用理想场计算的例子表明：用上述方法计算的结果都比直接用差分等计算的结果好，特别是在计算位势高度和温度垂直平流时效果更为明显     

数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响

随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)...     

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。     

两种逐线积分辐射模式大气吸收的比较研究

由于缺乏完整的和精确的实验室测量结果, 目前无法判断各种逐线积分方案的最终精度.因此, 逐线积分模式精度的比较基本上只能在模式之间进行.比较了作者研制的快速高效逐线积分大气吸收计算方法(简记为ZS2000), 与国际上用得较多的LBLRTM (Line-By-Line Radiative Transfer Model) .得出: 二者在长波区间向上和向下辐射通量的相对差别对整层大气均小于3.1%, 大气冷却率的绝对差别对整层大气均小于0.13 K·d-1, 处于ICRCCM (Intercompariso     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

用格子Boltzmann方法构建大气动力学模式的初步研究

文中建立了一个格子Boltzmann模型 ,经过Chapman Enskog展开得到的方程组能完整描述正压大气的动力过程 ,成功地模拟了正压地转适应过程 ,对Obukhov的经典例子进行了数值检验。结果表明 ,Obukhov的结果只体现了科氏力和气压梯度力的平衡 ,而本模型可以精确地描述科氏力、惯性力和气压梯度力三者的完整平衡 ,与Obukhov线性理论相比 ,气压变化量的数值相差 2 8% ,说明了线性适应理论只在定性方面正确 ,在定量方面还不准确。数值结果还表明粘性力在地转适应过程中基本不起作用。同时 ,还模拟了一个更大尺度的适应问题 ,验证了气压场与风场适应过程取决于尺度大小这一论断数值试验表明 ,格子Boltzmann方法用于模拟大气运动是可行的 ,而且因其编程简洁方便 ,天然具有极好的并行性能 ,对于建立模拟大气和海洋这样涉及复杂动力热力过程的多相大规模数值模式很有发展潜力     

海陆分布和地形对大气垂直环流影响的诊断研究

本文利用GFDL10年平均的气候资料,分析了海陆分布和地形对大气中经圈和纬圈垂直环流的影响。文中提出了用运动学方法分别在P和σ坐标系中计算大气垂直运动ω或W的新方法。讨论了欧亚非洲季风的垂直环流特征,并与非季风区相应垂直环流围进行了比较。结果表明,在具有明显南北向海陆差异的经度上（如欧亚大陆所在处）,垂直的季风经圈环流具有较大的强度,且有明显的季节变化。而在只有海洋的经度上,垂直经圈环流较弱,季节变化不明显。在纬圈方向,垂直环流圈在海陆差异较大的北半球中高纬度带也比海陆差异较小的低纬和赤道地区复杂得多。地形的作用迭加于海陆热力差异的作用之上,加强了地形区和自由大气间的热力差异,使青藏高原和落基山脉所在的经度带内的垂直环流圈变得更加复杂,季节变化更明显。     

用数字滤波方法进行数值模式的初始化

将数字滤波原理用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的初始化。选取两个初值进行了实验。通过对模式短时间积分得到的时间序列进行滤波处理，有效地滤去了初始场中的高频重力波振荡，保留了其中有天气意义的扰动，同时对分析场的改变很小。５ｄ预报的结果说明，经过初始化后的预报较为平稳，场较为光滑。对比实验表明，绝热和非绝热初始化的效果很接近。这种方法简便有效，是一种实用的初值化方法     

初始扰动垂直结构对热带斜压大气半地转适应过程的影响

文中利用一个半位势涡度时间不变式对热带斜压大气地转适应过程中的尺度准则进行了研究。结果表明 :对深厚系统而言 ,只要初始扰动的纬圈特征尺度足够大 ,则不论其初始扰动的经圈特征尺度多大 ,适应后的压力场的变化都很大 ,而纬圈流几乎维持不变 ,压力场向纬圈流适应 ;至于浅薄系统 ,对纬圈和经圈特征尺度都很大的初始扰动而言 ,适应后的压力场易于维持 ,主要是纬圈流向压力场适应 ;但当初始扰动呈现出纬圈型扰动特征时 ,适应后的压力场变化也很大 ,压力场向纬圈流适应     

Tschebyscheff 函数在大气模式垂直离散问题中的应用

文章就常用全球谱模式中的垂直离散问题进行了讨论,给出了用Tschebyscheff函数积分静力方程、连续方程,以及计算垂直平流、垂直扩散等的方法。还对某些气象要素在垂直方向微商呈现间断的问题进行了分析,指出了其中存在的问题和应采取的措施。     

气流对物质和能量的输送量的垂直分布

给出了气流导致的物质和能量的输送量的一般公式。指出了空气对不同物质或者能量的输送量在不同高度上是不同的,输送量最大层次所在高度一般与高空急流并不重合。水汽的最大输送量出现在距离地面2km的低空：     

深对流云对不同高度示踪气体层垂直输送的数值模拟研究

采用考虑化学气体传输过程的云模式模拟了2014年7月30日发生在安徽滁州境内一次深对流过程,研究深对流活动对不同高度示踪气体的输送及再分布作用。结果表明,在积云发展阶段,强上升气流使得云内源层示踪气体有效地向上输送,对流层中部强的夹卷过程及水平入流使得云外气体入云输送至主要对流区,并在垂直气流的作用下进一步影响各层示踪气体的分布。各层示踪气体均可向上输送至对流层上部,其中对流层中部示踪气体（2.1~4.5 km、4.5~7.5 km和7.5~10.8 km）的向上输送作用与近地层示踪气体（0~2.1 km）的贡献相当。例如,输送到11~13 km的示踪气体有4.9%来自近地层,6.3%来自2.1~7.5 km。此外,近地层示踪气体可在深对流的水平输送下向云侧边界扩散,将局地污染输送到云外周边地区。源层高度位于2.1~4.5 km的示踪气体可下沉输送至近地层,形成新的局地污染。随着源层高度的抬升,示踪气体向下输送作用减弱,其中对流层上层示踪物（10.8~15 km）无法输送到6 km以下。     

夏季索马里越赤道气流垂直结构的变化特征及其与东亚夏季风活动的关系

采用NCEP/NCAR和ERA40再分析月平均资料,对比分析夏季垂直尺度上五层(1000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa)索马里越赤道气流(SMJ)的时空演变特征。指出对流层中低层SMJ存在不同的垂直结构,且具有年际、年代际变化特征。夏季SMJ垂直结构主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型(“A”型和“B”型),细分为一致增强型(“A+”型)、一致减弱型(“A-”型)、上弱下强型(“B+”型)和上强下弱型(“B-”型)。进一步分析指出,SMJ垂直结构与东亚夏季风活动关系密切,SMJ“A+”(“A-”)型垂直结构对应东亚夏季风偏强(弱),我国内蒙古东部、华北地区降水偏多(少);夏季SMJ“B+”(“B-”)型垂直结构对应东亚夏季风偏弱(强),我国江南、日本地区降水偏少(多)。     

青藏高原及周围地区的平均垂直环流特征

为得到青藏高原及周围地区平均垂直环流的图像,更好地理解该地区的降水气候,利用美国NCEP/NCAR1961～1990年30年平均的ω、u、v、z等再分析格点资料,计算分析了该地区的平均垂直运动场和经、纬圈环流图,分析了它们的年变化特征和可能的原因.结果表明,该地区冬、夏半年的平均垂直运动场和经、纬圈环流有很大的年变化;揭示了夏季在西北干旱区和华北半干旱区分别存在干旱和半干旱经圈环流,夏季在高原325°N以南还存在巨大的向西纬圈环流等事实;也指出高原大气热源强度的年变化与随后高原及周边地区平均垂直环流的年变化联系密切.高原及周围地区的平均垂直环流特征也能较好地解释各地的降水气候.     

DEMETER耦合气候模式对西北太平洋纬向风

文章评估耦合气候模式预测台风季节(6～10月)西北太平洋纬向风垂直切变幅度(MWS)的年际变化能力,分析显示欧洲多模式集合气候预测系统计划(DEMETER)中耦合模式数据基本具有回报MWS基本空间分布特征的能力,而回报MWS空间能力的不足区域与模式回报MWS与西北太平洋年台风数(WNPTF)的虚假显著相关区域相一致。过程中还显示西北太平洋低纬海区MWS与WNPTF正(负)相关,而强El Niño年时该海区MWS对应正(负)异常,强La Niña年时则相反;这意味着在台风季节,强El Niño年的WNPTF容易比强La Niña年的WNPTF偏多。在考察MWS的时间变异特征时,将MWS区域平均时间序列(MWS_T)和MWS的EOF第一特征向量对应的时间系数(MWS_PC1)定义为纬向风垂直切变指数,讨论指数与WNPTF、强ENSO间的关系。分析显示,MWS_T(MWS_PC1)分别与Niño3.4指数、WNPTF 显著相关,模式集合较好地再现了这种特征;但对强ENSO信号的响应,两个指数在ERA-40数据中是相反的,而在模式集合中却是一致的。     

强对流天气对O3和CO的垂直输送作用

利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料,取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料,对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O₃和CO浓度垂直分布变化进行对比,考察强对流性天气发生对O₃和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O₃和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积,从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生,飞机进入对流云上层时,O₃浓度和CO浓度升高,O₃和CO浓度变率增大,在对流层上部浓度出现峰值;当飞机飞出对流云时,O₃和CO浓度相对较低,在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O₃和CO浓度相对较小,浓度变率也较小,无峰值产生。分析表明:O₃和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切,且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。     

夏季青藏高原热力场和环流场的诊断分析——Ⅱ:环流场的主要特征及其大型垂直环流场

本文使用经过青藏高原气象科学实验测站观测资料订正过的欧洲中心FGGE-Ⅲb资料,对1979年7月月平均进行分析,计算了垂直速度、散度、垂直剖面函数和速度势函数等物理量以及上升气流轨迹,给出了夏季高原主体地区环流场的主要特征和详细的高原地区不同经纬度剖面垂直环流场的特征和分布. 配合夏季高原高层强大稳定的反气旋高压带,高原主体地区为整层上升气流区,但ω场有东西两个上升中心,它们是两个对流活动上升中心,两部的中心位于狮泉河和改则之间偏北的地区,东部的位于那曲一带. 本文给出了高原地区三个主要的经向环流圈(南北两侧下沉的小环流圈、跨赤道的季风环流圈)的经度位置和高原地区与西太平洋之间发生遥相关的主要纬度位置,发现在跨赤道的季风环流圈中,在赤道以南的下沉气流主要来自高原与15°N之间,从高原上升的气流仅在对流层上部(200hPa左右)跨过赤道.从高原西部上升的气流往往从非洲至印度尼西亚一带跨过赤道,而从高原东部及其东侧我国大陆上升的气流往往下沉在太平洋和北大西洋地区.     

Slow and Intraseasonal Modes of the Boreal Winter Atmospheric Circulation Simulated by CMIP5 Models

Abstract The authors evaluate the performance of models from Coupled Model Intercomparison Project Phase 5（CMIP5）in simulating the historical（1951-2000）modes of interannual variability in the seasonal mean Northern Hemisphere（NH）500 hPa geopotential height during winter（December-January-February,DJF）.The analysis is done by using a variance decomposition method,which is suitable for studying patterns of interannual variability arising from intraseasonal variability and slow variability（time scales of a season or longer）.Overall,compared with reanalysis data,the spatial structure and variance of the leading modes in the intraseasonal component are generally well reproduced by the CMIP5 models,with few clear differences between the models.However,there are systematic discrepancies among the models in their reproduction of the leading modes in the slow component.These modes include the dominant slow patterns,which can be seen as features of the Pacific-North American pattern,the North Atlantic Oscillation/Arctic Oscillation,and the Western Pacific pattern.An overall score is calculated to quantify how well models reproduce the three leading slow modes of variability.Ten models that reproduce the slow modes of variability relatively well are identified.     

用线性化全球原始方程谱模式研究地形强迫行星波垂直传播特征

本文用线性化全球原始方程谱模式来研究地形强迫行星波的垂直传播过程及演变特征.模式的积分结果表明:行星波的能量沿两支波导进行传播,在波从对流层向平流层传播中,极地波导起着主要作用.由于重力波破碎的阻尼作用,地形强迫的行星波无论它的波作用量或振幅都呈现振荡状态.