中小尺度对流系统的高分辨率数值模拟近况和未来挑战

随着高速、大容量、并行计算能力的迅速增长和中尺度数值模式的不断完善,近年来不断涌现使用1 km乃至次千米网格距开展中、小尺度对流系统的数值模拟研究。这些数值模拟工作展现出目前观测手段还无法得到的动力学一致的高分辨率气象信息,大大提高了对一些中、小尺度对流系统内部结构和演变的理解。但高分辨率数值模拟的未来发展也面临着不少问题和挑战。首先回顾提高模式分辨率至1 km乃至次千米模拟中、小尺度对流系统的进展,并综述目前在高分辨率数值模拟中的资料同化和物理过程处理方法,同时指出中尺度模式中处理积云对流、大气边界层和辐射过程时值得注意的分辨率“灰色区”,然后介绍使用1 km和次千米分辨率模拟中、小尺度对流系统的几篇有代表性的工作。最后讨论高分辨率数值模拟的未来发展和挑战。     

垂直对流与倾斜对流相互作用的数值试验

1.引言对称不稳定性("倾斜对流")在大气中起一定作用的看法是有道理的.除理论研究外,Emanuel和他的同事已观测到部分中纬度斜压系统对于倾斜对流来说是中性的,即θ_e(相当位温)和M(总动量)面相互平行.认为在水平温度梯度存在的情况下只要有垂直对流作用就能使大气稳定到倾斜对流,这是没有道理的,其实倾斜对流本身必定出现,并在垂直对流消失之处取而代之.较为合理的观点是认为这些并不是两种互不相关的现象,而是一种较普遍现象的两种情况.     

京津冀地区与海风锋相互作用的对流系统的发展预判分析

运用WRF模式,对京津冀地形触发对流系统与海风锋相互作用的两个个例开展了数值模拟,通过对两个个例模拟的广义湿位涡异常和雷达回波分布的对比分析,对广义湿位涡异常预判该类天气过程中对流系统发展的潜力进行了检验。分析结果显示,广义湿位涡异常较雷达回波提前0.5至1 h示踪到山地背风坡和海风锋处的对流系统的发展。斜压与水汽梯度相互作用和非绝热加热对广义湿位涡异常提前示踪山地背风坡和海风锋处对流系统发展有重要的贡献。过山气流的显著扰动和午后相对于陆地大气较为冷湿的海风辐合上升是分别造成山地背风坡和海风锋出现明显的斜压与水汽梯度相互作用的主要原因。     

一个高空槽前中尺度对流系统发生发展过程和机制研究

2008年7月6日20时—7日14时,高空低槽前云系产生了一条从广西南宁市到环江县东西宽约80km、南北长达350km的暴雨带,槽前云系南段一个中尺度对流系统在上林县产生了降雨量达265.0mm的特大暴雨。使用常规资料和FY-2C卫星云图、多普勒天气雷达和自动气象站等非常规观测资料进行分析。当高空槽移过青藏高原后,从卫星云图和等熵面分析图上可以检测到槽后有干空气东南下,干空气经云贵高原下沉到桂西和越南北部后,在槽底附近转折向东侵入到桂中,在上林县附近形成一个中尺度涡旋和中尺度负变压中心,中尺度对流系统在中尺度涡旋及中尺度负变压中心上空发生、发展并产生了强降雨,而中尺度涡旋和中尺度负变压中心的出现超前于强降雨约2h。研究表明,中尺度对流系统发生、发展的有利条件是:(1)槽前偏南暖湿气流向桂中暴雨区输送充足的水汽并形成了位势不稳定,为中尺度对流系统的发生发展提供了环境条件;(2)在上林县附近形成的中尺度涡旋辐合上升运动抬升暖湿气流触发对流而形成了中尺度对流系统;(3)对流单体沿低空切变线传播发展并入中尺度对流系统,使中尺度对流系统得以发展和维持。给出了中尺度对流系统发生发展机制的二维概念模型。     

对流天气预报中的环境场条件分析

中尺度对流天气的分析包括以天气型识别和中尺度过程分析为主的主观分析,以及以动力热力物理参数诊断为主的客观分析。利用"配料法"预报的思路,通过诊断有组织的深厚中尺度对流系统发生、发展的4个条件(水汽、不稳定、抬升和垂直风切变),开发了中尺度对流天气的环境场条件分析技术(对流天气图分析和客观物理量诊断技术),并应用于中国国家气象中心的强对流天气预报。以中尺度对流天气的天气图分析方法为例,介绍如何利用高低空观测资料,分析对流天气发生发展的环境场条件;并以数值模式释用为主的强对流特征物理量诊断分析为例,介绍如何动态诊断对流天气的动力热力条件演变。     

华北平原中尺度对流复合体发生的环境和条件

中尺度对流复合体（MCC）会给华北平原带来暴雨灾害。在对MCC普查的基础上，选取发生在华北平原上的3个典型个例合成出代表MCC发生前的环境场，并通过诊断分析考察了华北平原发生MCC的条件。结果表明，华北平原发生MCC的环境既不同于我国南方的MCC，也不同于北美。对于具有明显夜发性的MCC，所得到的MCC发生环境和条件，对预报当天傍晚华北平原是否有MCC发生有一定的参考价值。     

热带和中纬度系统相互作用导致的中尺度对流系统的降水和运动学结构

1.引言从气候上看,春末时东亚上空的东北冬季季风将逐渐演变成夏季西南季风环流型.伴随有中尺度对流系统(MCS)的静止锋经常在台湾地区出现.但实际上伴有强降水的夏季强锋面类型的个例并不多,在过去15年中仅找到两个.然而,1989年7月26日至30日在台湾中部和北部出现的一系列天气现象引起我们的注意,并对此做了深入研究.这些现象有明显的锋面侵袭,超过10英寸降水的活跃MCS和一个热带低压(TD).本文就台湾区域的MCS的运动学     

陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

台风突然加强与环境场关系的气候分析

使用ＥＯＦ分析方法对２０年热带太平洋地区风应力场资料和ＳＳＴＡ资料进行分析，研究它们的空间分布特征模态和时间变化特征，发现风应力场的第一特征向量一海温距平场的第一特征向量的时间系数具有相同的变化特征，它们反映了海洋和大气在这个时空尺度上的相互作用和耦合关系，并与Ｅ１Ｎｉｎｏ循环有较好的对应关系。     

大尺度环境场影响中低层次天气尺度系统发展和移动的初步分析

次天气尺度系统是一类水平尺度为几百公里的天气系统,它的发展常带来暴雨这样的强降水天气,西南低涡、江淮气旋就是这类系统的典型个例.天气分析事实表明,次天气尺度系统的发展和移动受到大尺度环境场的制约,因此,详细地研究大尺度环境场对次天气尺度系统发展和移动的影响是必要的.本文依据滤波原理,把大气运动场分解为大尺度环境场和次天气尺度扰动场,采用动力分析方法,分析了大尺度环境场对次天气尺度系统发展和移动的影响,得到了一些有意义的结果.对一次次天气尺度系统初期发展和移动的诊断,结果与实况比较一致.     

海气相互作用统计动力分析与预报的进展

本文着重介绍近10来年关于海气相互作用的统计动力分析和预报方面的新进展。      

华南暴雨试验过程的环境场和云团特征的初步分析

用诊断方法对 1 998年华南暴雨试验 5月 2 3～ 2 4日强化观测期暴雨的大尺度环境条件和云团的中尺度特征进行了初步分析。指出了中尺度云团具有次第发展的现象 ,并提出了一种可能的机制     

超长波的不稳定与发展的一个初步研究

本文在绝热无摩擦的条件下,讨论了超长波的不稳定与发展。超长波不稳定的控制因子有静力稳定度的垂直差异及风的垂直切变。不稳定的出现要求高空静力稳定度要比低空大,平流层满足了这个要求。风的垂直切变愈大则愈不稳定。 使扰动场对基本场反馈,求出了基本场的垂直切变与静力稳定度的变化方程。发现,扰动对垂直切变的反馈作用很大,而对静力稳定度则很小。根据d/dt(P’+K’)=0(其中P’与K’分别是一个波长中的扰动位能和扰动动能)的条件,求出了扰动发展到极值的时间和振幅。所得扰动发展的时间和极大振幅与实况较为符合,同时扰动极大振幅对于初值振幅具有准保守性。 影响超长波发展的因子除了风的垂直切变与静力稳定度垂直分布的作用外,还有波长。波长的改变对最后所要达到的极大振幅没有影响,而只是波长愈长扰动发展天数愈长。平流层的作用使扰动的振幅低空变小,高空增大。     

雹块微物理和雹云单体关系的初步探讨

雹块微结构中包含着有关雹块在云内生长情况和雹云本身的某些信息。它们之间的关系有些已被认识,更多的还没有被人们所认识。 为揭示雹块微物理和雹云单体的相互关系,1982年夏天我们在新疆昭苏地区开展了雹块微结构和雹云宏观特征的配合探测,取得了一定数量资料。本文根据同年7月4个降雹日(7日、13日、16日、19日)的雷达回波和500多个冰雹切片资料,着重分析了冰雹的胚胎类型,提出了比较细微的雹胚分类标准;并在这个基础上,研究了雹胚类型统计特征和雹云单体的关系,发现复合单体和弱单体的雹胚类型分布有着较明显的差别。     

EFFECTS OF THE AMBIENT TEMPERATURE GRADIENT ON DEVELOPMENT AND MOVEMENT OF TROPICAL DISTURBANCES

The effects of the ambient temperature gradient on the development and movement of tropical disturbanceshave been analysed through a two-layer model of the CISK.The results show that when the gradient exists inthe external area of disturbances and directs to their center,it is favourable to the development of distur-bances,but an unfavourable case occurs when the gradient exists not only in the external but also in theinternal areas of the disturbances.It is also shown that the gradient makes the disturbances tend to movetoward warm environments.These results coincide with the observational facts which take place when coldfronts approach typhoons or tropical cyclones.     

厄尼诺现象与北太平洋海温及云量场关系的初步分析

本文应用经验正交函数的方法展开北太平洋海温场和西太平洋云量场,分析厄尼诺年尤其是1982-1983年厄尼诺年的特点。同时,结合北太平洋信风、南方涛动、南极海冰等对厄尼诺年作了一些初步的探讨。      

南海热带对流季节内振荡对江淮流域旱涝影响的初步分析

使用TBB17年逐月、候平均资料和欧亚500hPa候平均高度距平场,计算了南海地区逐月TBB的标准差,分析其时空分布特征。采用带通滤波方法,分析了江淮流域旱(1985年)、涝(1991、1998年)年南海地区TBB季节内振荡及其经向传播特征。结果表明,江淮流域涝年,南海地区TBB30～60d和10～20d振荡十分活跃,向北传播非常明显。当TBB强对流位相传播到30°N附近的副热带地区时,激发其对流扰动加强,造成江淮流域集中暴雨。而旱年则相反。南海和30°N地区对流活动的强弱差异与500hPa候平均高度距平场的遥相关揭示出江淮流域旱涝年波列结构有很大的不同。     

风速垂直切变对于对流的发展和结构的影响

本文分两个部分。在第一部分中,分析了具有速度垂直切变的盛行风,对于对流发展强度的影响。指出,风速垂直切变对于对流的发展是否有利,决定于对流流场的结构。对于一种特定的流场,通过扰动增长率的计算,定量地讨论了风速垂直切变和不稳定层结对扰动发展的相对重要性。 在第二部分中,进一步求得了考虑风速垂直切变影响后的非线性对流运动方程组在边界热源作用的解,对解的数值计算表明,由于风速垂直切变的作用,对流流场的结构与静止大气中的情况不同,不再是轴对称的,而主要由两个顺时针流动的涡环组成,这种流场结构,与一般移动的雷阵雨云中的流场结构很相似。