积云参数化的台风移动预报模式的试验

一、引 言 日本气象厅使用在业务上的台风移动预报模式是Ookochi于1978年研制的。这个模式有两个缺点,即移动性的多嵌套网格系统和规定的加热场。这样,多嵌套网格系统很难与积云参数化相配置,并且难以一次模拟较多的台风,规定的加热场不能真实地描述对流加热情 况。因此,我们研制了一个含有积云参数化的简单的系统模式。为了检验这个模式的性能,使之作为一个业务预报模式,我们进行了实时资料的试验,由新模式所作出的预报将详细地与以前使用的多嵌套网格系统所作出的预报进行比较。     

登陆型台风“尤特”积云对流参数化方案的数值模拟研究

利用中尺度气象模式WRF-ARW 3.7.1版本,选取6种积云对流参数化方案,对台风"尤特"进行了数值模拟敏感性试验,讨论了不同积云对流参数化方案对影响我国最大的西北太平洋登陆型台风的模拟情况。结果表明:积云对流参数化方案对台风路径和强度影响较为明显;模式对大尺度环流配置模拟的差异是造成台风路径差异的主要原因;在模拟时间较长的情况下,台风核心区对流层中下层的不稳定层结及较为强盛的上升运动使得台风强度偏强。     

积云对流参数化方案模拟我国东南沿海及台湾海峡地区降水的适用性

我国东南沿海及台湾海峡地区地形和下垫面情况复杂,积云对流活动强烈,这给该地区降水的模拟和预测带来很大困难。为探讨不同积云对流参数化方案在我国东南沿海及台湾海峡地区的适用性,选择了4种参数化方案(Anthes-Kuo方案、Arakawa-Schubert方案、Fritsch-Chappell方案和MIT-Emanuel方案),基于区域气候模式RegCM 4.0分别模拟了该地区的降水情况,并选用了与模式分辨率相当的TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission,0.25°×0.25°)月平均降水资料进行验证。模拟结果表明,4种方案均能大致模拟出我国东南沿海及台湾海峡地区降水的空间结构和季节变化特征。其中,Fritsch-Chappell方案和MIT-Emanuel方案均能较好地模拟出降水空间分布,包括台湾岛南部和广东沿海的降水极值中心,而MIT-Emanuel方案降水的季节和年际变化特征模拟最好,如能够基本再现夏季降水在6月和8月份的双峰结构。此外,基于各高度层假相当位温的计算结果表明,MIT-Emanuel方案模拟的对流活动强烈,产生的对流性降水较多,使得其模拟的降水量值更接近实测资料。因此,MIT-Emanuel方案可能是最适用于模拟我国东南沿海和台湾海峡地区降水的积云对流参数化方案。     

MPAS-A模式中不同积云对流参数化方案对西北太平洋台风模拟效果的影响

利用MPAS-A模式,针对模式中的New-Tiedtke,Grell-Freitas和Kain-Fritsch 3种积云对流参数化方案,选取2016—2017年期间的10个西北太平洋台风个例,研究了不同积云对流参数化方案对西北太平洋台风路径与强度模拟效果的影响,并讨论了其影响的物理机制。试验结果表明:3种积云对流参数化方案对MPAS-A台风模拟效果存在一定差异,New-Tiedtke方案模拟的路径和强度总体效果与观测最接近。影响机制分析表明,不同积云对流参数化方案使得模拟西太副高的位置不同,即引导西北太平洋台风的环境气流不同是造成路径差异的原因;而不同积云对流参数化方案模拟的台风中心对流不稳定高度不同,即潜热输送和释放不同,是造成台风强度不同的原因。     

热带地区积云对流的长期变化特征

使用１９７９年１月至１９８４年１２月向外长波辐射（ＯＬＲ）资料，对热带地区积云对流的长期变化特征进行了研究。结果表明：热带地区积云对流活动存在显著的季节变化，冬季积云对流区主要是东西向，位于南印度洋和西太平洋的近赤道地区；夏季则北移至北印度洋和菲律宾附近的西太平洋地区。低纬地区积云对流活动存在明显的季节性位移，北印度洋地区的积云对流活动主要集中在５—１０月，７—８月位置最北；北半球热带西太平洋地区的积云对流活动则主要集中在６—１１月，８—９月位置最北。标准差分析表明，冬季北半球热带西太平洋、赤道中太平洋及热带印度洋东部地区积云对流的年际变化最明显。经验正交函数（ＥＯＦ）分析的主要空间型反映了赤道中太平洋、热带西太平洋、阿拉伯海和副热带西太平洋地区的积云对流活动存在一定的关系。结合遥相关计算还表明秋云对流存在４种遥相关型，即２种东西向偶极型涛动型、西太平洋型和北印度洋型。     

热带地区积云对流的长期变化特征

使用１９７９年１至１９８４年１２月向外长波辐射（ＯＬＲ）资料，对热带地区积云对流的长期变化特征进行了研究，结果表明，热带地区积云对流活动存在显著的季节变化，冬季积云对流区主要东西向，位于南印度洋和西太平洋的近赤道地区，夏季则北移至北印度洋和菲律宾附近的西太平洋地区，低纬地区积云对流活动存在明的季节性位移，北印度洋地区的积云对流活动主要集中在５－１０月，７－８月位置最北；北半球热带西太平洋地区的积云     

渤海海峡沉积物输运的参数化计算

本文以2018年冬季渤海海峡两个站位的定点连续观测数据为基础,使用一维参数化方案,计算了观测站位底边界层内的水平悬浮物输运通量以及推移质输运量。在参数化方案中,简化的一维对流扩散方程被用于计算底边界层内的垂向悬浮物浓度。为了验证参数化方案的可靠性,本文基于观测数据对比了两种底剪切应力计算模型、四种临界起动剪切应力计算方法和两种一维对流扩散方程解法。对比结果表明:(1)不同模型计算的底剪切应力结果相近;(2)临界起动剪切应力受到颗粒间黏性作用的影响;(3)一维对流扩散方程的求解过程需要考虑沉积物浓度的分层效应和不同粒级颗粒临界起动剪切应力的差异。基于上述对比结果确定的最优参数化方案,进一步计算了观测站位的沉积物输运量:(1)在有再悬浮的时段,距底5 m内的水平悬浮物通量占全水深悬浮物通量的比例(T01站约为21%,T02站约为17%)显著高于相同层位水通量的占比;(2)依据参数化方案估算的冬季平均的悬浮物通量比忽略底边界层悬浮物浓度垂向变化的传统方法结果高约16%;(3)推移质输运量比悬移质输运量约低两个数量级。     

试以时空整体性假设替代光速不变性假设

虽然迄今还没有发现有一个物理实验结果不符合狭义相对论,但v=c在洛仑兹变换中是个奇点。而狭义相对论正是把相对性原理从力学推广到电磁场(v=c)。 在狭义相对论中,空一时、电流密度-电荷密度、动量-能量等基本物理量均组成四维复矢量。即且其内积对不同惯性系具有不变性。由此得到启发,尝试以时-空整体性假设替代光速不变性假设,使在洛仑兹变换中不出现v=c这个奇点。     

试以时空整体性假设替代光速不变性假设

虽然迄今还没有发现有一个物理实验结果不符合狭义相对论，但v=c在洛仑兹变换     

由积云对流导致大尺度涡度的产生

一、引言 几个新近的场研究已经确定,在对流活动中次网格过程的大尺度涡度收支的重要。这种大尺度涡度的形成,推测起来主要由于积云对流,类似于由显然可见的大尺度过程而产生的的量值。预报参数化引起瑞利摩擦或简单铅直动量交换没有成功的获得分析积云导致涡度源所发生的变化。(Stevens,1979年;Esbensen等,1982年;Sui,1984年)。本文的目的是介绍对由积云对流而形成的大尺度涡度选择预报参数化,并且叙述它在大尺度持续对流中的应用。如同积云泡的产生和衰变一样,受积云动力环流和位势涡度的集中,围绕Ertel位势涡度的再分配而建立起参数化,如同Fraedrich(1974年)正式阐述的。参数化同样重视由于积云泡中潜热释放引起的位势涡度的产生。处理潜热释放使用郭氐积云参数化。     

一种海冰热力过程参数化方案

由于海冰热力过程太复杂,难于精确计算冰面和水面热量收支方程中的每一项,并且净热量收支比每项小得多,因此难以确定海冰热力一动力模式中的净热通量。本文根据渤海的水文气象观测,详细分析了太阳短波辐射、长波辐射、云量、感热和潜热等对海冰热力增长函数的贡献,给出了一种海冰热力过程的参数化方案。并选取２个典型的个例进行了对比研究。模拟结果表明,该参数化方案能较好地模拟渤海海冰的热力过程。     

海面水汽输送机制及参数化

本文在海面存在波动的情况下,讨论海面垂向水汽通量的物理过程及其参数化表示方法。首先,说明海面气层的分层状况,湍流和片流所具有的特征。其次,描述局地非定常的分子扩散过程,表述海面湍涡概率,以及加权给出海面水汽通量的表达式和相应的参数化公式。最后,利用渤海中部石油平台观测到的水文气象资料,对本模式进行验算且与已有模式作若干对比。结果证明本模式的理论分析可能更符合实际。     

在亚州夏季风不同时期中积云作用的研究

一、引 言 在大尺度数值天气预报模式中积云参数化的重要性是众所周知的。几位作者如Tiedtke1984,Mohanty等(1984)借助了大气环流模式已对积云参数化方案的性能进行了研究。然而,对于小尺度参数化方案的性能及其相对于大尺度模式的独立性几乎没有任何尝试性研究。Lord(1978)在几个较小的尺度上研究了Arakawa和Schubert(1974)积云参数化方案(以下简称A—S方案),这几个较小的尺度就是全球大气研究计划大西洋热带实验(GATE),马绍尔群岛,委内瑞拉国际气象与水文实验(VIMHEX)以及气团变性实验 (AMTEX)等。 本文的目的是在季风的三个不同阶段中(即爆发前、季风爆发和季风中断)研究A—S方案。这一工作是Das等(1985)以前研究工作的延续,在Das等的工作中,A—S方案仅在季风低压的情况下进行了研究。     

太湖水体光学衰减系数的特征及参数化

利用2001-2002年周年太湖全湖不同湖区湖泊光学及表层水样的实测资料,分析了太湖水体表层光学衰减系数与透明度、无机和有机颗粒物质及叶绿素a的相关关系,建立了表层水光学衰减系数与无机、有机颗粒物质及叶绿素a多元线性回归方程。结果表明,光学衰减系数与透明度的关系为：Kdg0.096 1.852/ST;表层水光学衰减系数与无机、有机颗粒物质及叶绿素a多元线性回归方程为：Kd=0.219 0.0768Ciss 0.214Cdet 0.006Cchl;光学衰减系数变化的主要影响因子是无机及有机颗粒物。     

1000hPa温度平均预报的参数化方法

海洋和大气相互制约,预报海表面温度变化所要考虑的因素之一是栈面上大气的温度变化.因此,准确预报出1 000hPa大气温度变化对提高海表面温度预报水平将有很大的帮助.长期温度预报的方法有多种.如Adem^[1]的模式,它主要以热力学为基础;还有我国长期数值值预报小组^[2]和巢纪平等^[3]的模式.他们的预报结果都有一些很成功的预报个例,但仍需作大量的例子才能检验其方法的可倍度.     

中南半岛及南海海域烟雾混合层积云的微观特性研究

中南半岛地区生物物质燃烧活动使其成为东南亚烟雾气溶胶的高值区,排放的烟雾可以传播到南海海域,影响当地层积云的微观特性和降水活动,进而对气候产生影响。本文利用2007—2019年CALIPSO和CloudSat卫星数据筛选了190个烟雾气溶胶与层积云混合的个例,其中中南半岛等陆地上空(代表陆地)的烟雾混合层积云为88个,南海海域(代表海洋)的烟雾混合层积云为102个。基于个例的研究发现：相对于海洋上的烟雾混合层积云,陆地上的烟雾混合层积云中云的液态粒子数浓度(Number concentration of liquid water drops, LNC)、液态粒子有效半径(Geometric mean radius of liquid water drops, LER)和液态水含量(Liquid water content, LWC)的值都更高。与清洁层积云相比,烟雾气溶胶主要通过半直接效应影响海洋上的层积云,而主要作为云凝结核(Cloud condensation nuclei, CCN)通过间接效应影响陆地上的层积云。当气溶胶光学厚度(Aerosol optical depth, A...     

浮冰界面融化速率参数化方案的实验室研究

融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存,三者融化速率是底面大于侧向,侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小,侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案,在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样,开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验,获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据,构建试样直径厚度比这一新指标,通过物理分析和数学统计手段,建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度,侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案,期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。     

基于遥感数据的三维温度场参数化分析方法研究

为了满足海洋研究以及海洋调查的需求,本文基于Argo剖面和海表面温度数据开发了一个新的拟合三维温度场的算法。选取西北太平洋区域作为验证算法有效的实验海区。该水域的经纬度范围设定为：30°～40°N, 140°～155°E, 水平分辨率为0.25°。深度方向为从海表到2 000 m水深,水域划分为29层。拟合算法首先将Argo温度剖面以5个深度划分为6层,分别为混合层、夹层、温跃层、过渡层、第一深层、第二深层,然后以第一猜想值和线性回归得到的海表面温度作为初始条件重构三维温度场。重构的三维温度场的剖面与原观测剖面的均方根误差较小,相关性较好,表明该算法是合理有效的。     

海气耦合模式中挟卷参数化的比较

利用美国国家气象中心的综合性大气-海洋资料序列(COADs),采用三种海气耦合模式对海洋挟卷速度的表达方法,计算了实测资料影响下模式挟卷速度的分布特征。利用求得的挟卷速度和由资料序列求得的热量通量分布,采用Niiler—Kraus一维混合层SST预报模式,估计了各种模式扶卷作用对SST的影响。通过比较各个模式的计算结果,提出: 1.挟卷作用是影响SST变化分布的一个重要因子。挟卷速度的分市取决于所采用参数化形式中主要影响因素的分布情况。不考虑平流作用时,模式SST的分布也取决于挟卷参数化形式中主要影响因素的分布。2.由海气耦合不稳定模态的分析得出三个模式对不稳定海气耦合波影响的特征。