云中冻结增温

气块垂直上升时气温的改变是由状态变化过程中吸收的热量、释放的潜热、气压的改变以及水汽、水、冰的混合比等因素所决定。如果满足准静态绝热过程,常用的方法是利用热力图解:在抬举凝结高度以下,从干绝热线上读得相对应气压的温度值;在凝结高度以上,则从假绝热线上读得相对应气压的温度值,作为它的近似解。这里忽略一个重要的事实:在气块中过冷态水被扰动后冻结,要释放潜热,使之气块增温。从观测资料的估计,苏联曾用飞机投掷仪从浓积云的中上部发现过500～600微米的大水滴,这里的平均含水量高达25～30     

饱和湿大气Brunt-Väisälä频率及修正的相当位温

实际大气中受扰动的饱和气块发生凝结后,凝结水会部分脱离气块.以前研究饱和湿大气的Brunt-Väisälä频率(N2m)没有考虑凝结水的部分脱离,相当位温(θe)也忽略了饱和气块的混合比的作用.文中针对这些不足,在假设饱和空气中只存在气液转换条件下,推导出液态水部分脱离气块的、更符合实际情况的N2m表达式和修正的饱和湿大气θe表达式.新的N2m表达式增加了部分脱离气块的液态水的作用项,新的θe表达式中包含有饱和气块的混合比,并对有关的表达式分别作了讨论和比较.     

饱和湿大气Brunt-V3/4is3/4l3/4频率及修正的相当位温

实际大气中受扰动的饱和气块发生凝结后 ,凝结水会部分脱离气块。以前研究饱和湿大气的Brunt V is l 频率 (N2 m)没有考虑凝结水的部分脱离 ,相当位温 (θe)也忽略了饱和气块的混合比的作用。文中针对这些不足 ,在假设饱和空气中只存在气液转换条件下 ,推导出液态水部分脱离气块的、更符合实际情况的N2 m 表达式和修正的饱和湿大气θe 表达式。新的N2 m 表达式增加了部分脱离气块的液态水的作用项 ,新的θe 表达式中包含有饱和气块的混合比 ,并对有关的表达式分别作了讨论和比较     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

沙瓦特指数的一种迭代算法

为了提高沙瓦特指数的计算精度, 在沙瓦特指数计算方案中引入二分法:先用于计算抬升凝结高度上的要素, 进而计算假相当位温, 再依据假相当位温守恒性质用于计算500 hPa气块温度。与其他方案对比表明, 该迭代算法计算的沙瓦特指数精度较高; 与查表法所得的气块温度对比表明, 该迭代算法得到的气块温度的最大绝对误差为1.36 ℃, 平均误差 (-0.68 ℃) 与平均绝对误差 (0.69 ℃) 数值接近; 迭代算法与查表法之间以系统性偏差为主; 此外, 该迭代算法计算量小, 收敛速度快, 具有推广应用价值。     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

对人工影响天气若干问题的探讨

自然降水过程一般分为成云和降水形成两个阶段, 人工影响虽然可能在降水形成阶段起某些作用, 但最终决定降水的因子还是使云产生的抬升运动和被抬升气块中的水汽含量。人工增雨作业部位和时机的选择主要取决于是否有利于云产生抬升运动。因此, 在加强云宏、微观条件观测的同时, 要特别加强对抬升运动和被抬升气块中水汽含量的观测, 而且相应的云降水数值模拟工作也要考虑能反映降水系统的动力场和水汽场模拟能力。     

北京几次弱降水过程预报失误分析

在选取的北京地区2011年冬季至2012年春季9次弱降水过程中,预报员出现了4次空报、2次漏报,预报效果总体不理想。通过对9次过程的预报检验、天气分析和多模式预报对比,得到如下认识:北京地区弱降水过程天气形势复杂多样,按高空大气环流形势可分为两槽一脊型、一槽两脊型、一槽一脊型,按地面天气形势可分为冷锋型、华北锢囚锋型、东风与倒槽型和东风回流型;弱降水过程普遍具有对流层低层水汽条件差或动力抬升弱的特点;对湿层浅薄、饱和层高度高、抬升凝结高度高的弱降水过程,数值模式容易出现空报;而对低层湿度条件好、饱和层高度低、抬升凝结高度低但高空系统弱的降水过程,模式又容易出现漏报;预报员主观预报出现空、漏报主要源于对天气系统的结构及发生发展机理认识不足,对边界层水汽、抬升等关键降水要素缺乏预报订正经验。     

沙瓦特指数的数值计算方案比较研究

比较了三种假相当位温(θse)计算式的精确度,分析了θse对沙瓦特指数(SI)计算的重要影响,提出精度较高的SI计算实用方案。该方案首先利用干绝热过程中位温和比湿守恒性质迭代求解抬升凝结高度处温压变量;计算起始气块的θse;然后基于湿绝热过程假相当位温的守恒性质,采用Stackpole迭代方法计算湿绝热上升到500 hPa的气块温度,进而计算SI。研究发现,θse的误差是SI计算误差的重要来源,采用准确的θse计算方案非常重要。经计算比较,发现θse的Bolton公式和李任承公式计算精度较高,而经典的Rossby公式计算得到的θse表现为系统性偏低,偏低量随气块温湿的增加而增大。相应地,采用Bolton公式计算θse所得到的SI之精度最高,与查表值703个算例之间的平均绝对误差仅0.45℃,李任承公式效果与之接近;而传统的Rossby公式相应的平均绝对误差为0.66℃。与前人的SI算例对比表明,本方案计算精度得到进一步提高,在预报业务中具有一定实用价值。     

祁連山区的气压系統

通过祁連山及其邻近地区高度在3000米左右的三十多个地面观測站和附近十多个探空站气压的分析,发現在山区平均气压图上存在着五个中型气压系統:即疏勒河高压、山区东段高压、黑河低压、柴达木低压及(黄河)河曲低压。討論了它們的强度范围和位置的年变化;并由冬季山区各要素的分布状况,推測出存在于山区的平均垂直环圈与气压系統是相对应的;分析了两个中型系統影响雨量分布的实例。最后,討論了这些系統与溫度場的关系。     

静力稳定度的能量分析

目前,在天气分析和研究工作中,讨论强对流天气的发生条件时,对静力稳定度的使用常有混乱之处。理论上多采用条件不稳定,以铅直减温率大于湿(饱和)绝热减温率为判据;气象台业务上多使用潜在不稳定,即气块绝热上升到达某一参考高度后,其气块温度比环境空气温度高;近年来,国内又流行使用所谓“位势不稳定”,实际上是狭     

云中绝热温度递减率同微结构的关系

1.湿绝热温度递减率的物理假定 云中绝热温度递减率(Γ_a)过去都用湿绝热递减率(Γ_w)来近似。它的基本假定认为云中水汽在垂直运动时的凝结(包括蒸发)过程是瞬时完成的,水汽在凝结时的过饱和度(包括欠饱和度)较小,可以略去不计,即水汽比温(Q_v)和饱和比湿(Q_s)相等。在冰晶云中也和水滴云相似,只是Q_s值分别为冰晶饱和值和水面饱和值。根据上述假定在同环境没有热量、水分交换的条件下可以写出云中气块在上升或下沉(含有云粒的气块)的温度(T)比湿(Q_s)的方程组:     

沙氏指数计算方案探讨

从沙氏指数的物理定义出发,给出了计算沙氏指数的4种方案并进行了误差分析。A方案没有考虑水汽凝结潜热,计算结果误差大;B方案虽然考虑水汽凝结潜热,但计算方法没有考虑湿绝热线的曲率等问题,计算结果虽优于A方案,但误差仍较大;C方案不仅考虑水汽凝结潜热,并从计算方法上作了改进,不仅考虑了湿绝热线的曲率等问题,同时避免了由气压直接求取气温造成误差较大的问题,计算结果优于A、B方案,比较理想,可在实际工作中使用;D方案由假绝热方程经过转化求得上升气块的温度,然后算出沙氏指数,虽然精确,但计算复杂,实际应用较困难。     

动力气象学和天气实践的关系

动力气象学又叫理论气象学,包括大气热力学和大气动力学两部份,是一门以数学物理学为基础,研究地球大气运动的规律的学科。这门学科中所确立的规律乃是天气学的理论基础,在天气实践中一直有广泛的应用:如表示气压和高度的微分关系的静力公式或其相当的积分关系的压高公式长时期在天气实践中被用于在温度层结已知的条件下,由气压确定高度或根据高度确定气压。     

位势高度计算中气压-高度公式的简化及其误差

对高空气象学领域而言,位势高度是重要的一个参量,为天气学和气候学业务应用所提供的高度一般是位势高度。位势高度通常采用探空所实时测量的温度、气压和湿度来计算,计算公式为气压-高度公式(简称压高公式)。本文针对压高公式进行了推导分析,并指出公式中简化的由来以及定量计算了简化所引起的误差,分析表明,压高公式中的重力加速度变量若用当地不同高度的实际重力加速度来代替现行的恒定值,将会减小位势高度的计算误差。     

一η坐标模式降水预报敏感性试验

采用η坐标模式,对1995年8月23～24日四川盆地西部一次强降水过程进行了降水敏感性试验.试验结果表明适当放宽饱和凝结比临界条件,可增大大尺度降水成分,但对不同地域、不同季节需适当调整饱和凝结比.减小积云活动特征时间,将导致积云对流降水增大,总降水也增大;当增大饱和气压差绝对值时,对降水的范围、中心预报及其演变有一定程度改进,与实况较为接近.     

乱流大气中地形对风压場的作用

本文从大气是乱流的介貭这一点出发,討論了地形对风場和气压場的作用,推导出了考虑地形作用的正压預报模式。在地轉近似的假定下得到:当气压梯度与地形梯度相重合而方向相同(反)时,发生加(減)压。还討論了地形对准常定气压波形成的各种作用,指出南北两半球緯圈平均气压、季际变化的不同,可以由地形作用来解释.     

位势高度计算中气压〖CDF*2〗高度公式的简化及其误差

对高空气象学领域而言,位势高度是重要的一个参量,为天气学和气候学业务应用所提供的高度一般是位势高度。位势高度通常采用探空所实时测量的温度、气压和湿度来计算,计算公式为气压〖CD*2〗高度公式（简称压高公式）。本文针对压高公式进行了推导分析,并指出公式中简化的由来以及定量计算了简化所引起的误差,分析表明,压高公式中的重力加速度变量若用当地不同高度的实际重力加速度来代替现行的恒定值,将会减小位势高度的计算误差。     

副热带高压脊线附近江苏两次强对流天气对比分析

利用常规观测资料、地面自动站资料、多普勒天气雷达资料和FY-2D、FY-2E卫星云图资料等,对江苏2010年8月18日和23日两次发生在副热带高压脊线附近强对流天气进行对比分析。结果表明:(1)在副热带高压控制下,当有足够强的抬升机制时,500 h Pa副热带高压脊线附近也会触发强对流天气,强对流天气发生在925 h Pa切变线和地面辐合线附近。(2)两次强对流天气发生前大气层结不稳定,呈上干下湿状态分布;这两个个例显示雷暴大风强对应于中高层大气干,而短时强降水强对应于低层湿层厚。(3)18日近地层强动力抬升作用,触发了对流风暴;23日抬升凝结高度、自由对流高度及对流温度较低,且没有对流抑制能量,边界层动力抬升和地面热力抬升共同作用触发了对流风暴。(4)多普勒天气雷达径向速度图上出现低空辐合,早于对流风暴新生时间,且低空辐合随时间持续或增强,有利于局地对流风暴的新生和发展,这对临近预报预警有一定的参考意义。     

青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系

根据1979-2008年青藏高原地区14个探空站对流层项气压资料以及同期各标准等压面上的温度资料,分析了不同季节高原上空两类对流层顶高度与高空各层温度之间的关系;在此基础上,结合同期的NCEP／NCAR月平均再分析资料以及NASA提供的TOMS／SBUV月平均臭氧总量资料,分别讨论了高原上升运动以及高原臭氧总量与对流层顸高度的耦合关系。结果表明：高原第一（二）对流层顶高度全年处在300～200hPa（100hPa附近）高度,在季节变化、年际变化以及长期变化趋势上,两类对流层顸高度与各自对应高度层上的温度存在着密切的反相变化关系,当对流层顶高度偏高（低）时,相应高度上的温度偏低（高）。上升运动有助于两类对流层顶高度的抬升,尤其是当高空200（100）hPa附近有上升运动时,有利于第一（二）对流层项高度抬升。各季节高原臭氧总量与第二对流层顶高度均呈显著的负相关关系,当臭氧含量减少（增加）时,该对流层顶高度将偏高（偏低）,近年来伴随着高原臭氧总量的减少,高原第二对流层顸高度出现了明显的抬升。