斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

旋转大气中地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的β平面准地转正压涡度方程,进行2组积分时间长度为48h的试验,分析旋转大气中地形对多涡自组织的影响。地球旋转作用的引入主要会引起以下的差别：无旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡全部吸收或全部组织起来;旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡部分吸收或部分组织起来,差别较明显。中尺度地形对准终态涡位置的影响不同。无旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较小,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约100km;旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较大,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约200km,两者相差一倍左右。     

中国东部雨季降水事件的静默时间特征及内在动力学机制初探

为了挖掘降水的内在非线性动力学机制,基于1960—2017年4—9月的中国日降水数据,利用百分位阈值法确定不同强度的降水事件,定义相邻同强度降水事件之间的间隔时间为"静默时间",描述同阈值降水事件再次发生的历时长短。"平均静默时间"可以表征不同强度降水事件的群发性特征,即某一时段内,平均静默时间越短(长),同类型降水事件再次发生的历时越短(长),其群发性程度越强(弱)。分析不同强度降水事件的平均静默时间在中国东部地区的空间分布和时间演变特征表明:1960—2017年,一般强度降水事件在长江中游地区较其余地区群发性强,而东北南部地区则较弱;极端降水事件在中国东部北方地区群发性较强,而在南方地区则偏弱。就气候态演化过程而言,一般强度降水事件的群发性在长江以南地区有所增强,在东北南部地区则呈减弱趋势;极端降水事件的群发性特征在中国东部北方地区不断减弱,但在南方地区持续增强。各站点降水事件静默时间的概率密度函数均呈幂律分布,且时、空上呈无标度特征,表明日降水系统为现实世界中的自组织临界系统,为时间序列分析角度理解降水事件内在非线性动力学机制提供了新的视角。     

小尺度系统对涡旋自组织的影响

在涡旋自组织动力学的框架内,利用．厂平面准地转正压模式讨论小尺度涡旋系统对两个中β尺度涡旋的自组织过程的影响。4组数值试验表明：小尺度涡旋的存在,可能会改变双涡相互作用的终态,使原本不合并的两个涡旋组织起来;双涡相互作用的终态对小尺度涡旋的初始位置敏感;存在“Z”型敏感区域,当小尺度涡旋出现在这一区域时,就有可能改变双涡相互作用的终态;小尺度涡旋对双涡相互作用产生影响需具备4个条件,即初始位于敏感区内,有足够的强度,距离适当且生存时间足够长。     

斜压大气中双涡自组织与台风形成的初步研究

从数值研究和个例分析两个方面讨论了斜压大气中双涡自组织与台风形成的关系.首先,利用PSU/NCAR 第五代数值天气预报模式(MM5),设计了6个弱环境流场下的理想试验,研究斜压大气中双涡自组织对台风形成的影响,结果表明:斜压大气中双涡自组织存在一个临界距离dc,其值在380 km左右.当双涡间距d≤dc时,双涡可以自组织形成台风环流,当d>dc时,自组织现象不能发生.其次,选取一个对我国有重要影响典型台风个例,分析双涡自组织对其形成的影响,结果表明双涡自组织过程是对我国有重要影响台风形成的典型方式之一.     

地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的f平面准地转正压涡度方程，实施5组积分时间长度为72h的试验，研究了中尺度地形对涡旋自组织的影响。结果指出：无地形时，准终态涡是一个带有螺旋带的类似台风的涡旋；有地形时，准终态涡是一个无螺旋带但有两个低涡量区的准圆形涡旋。有无地形两个准终态涡中心的位置可以相距100km以上。     

雪崩、分形与雷暴放电中强闪的自组织演化

强调了雪崩、分形与远离平衡系统自组织演化的联系。利用2003年夏季青藏高原中部地区雷暴放电的地面电场野外观测资料,基于近年来发展的分形及多重分形分析中的去势涨落分析(detrend-ed fluctuation analysis,DFA)方法,对强闪前电场信号的关联及多重分形特征进行了分析,发现强放电前过程具有明显的分形和多重分形特征,多重分形谱与推广的二项倍增串级模式符合。分析在一定程度上表明了雷暴强放电发生的可能的自组织演化性。     

多涡自组织的初步研究

在涡旋自组织动力学的框架内,用f平面二维准地转模式研究了初始场上不规则分布的由12个β和γ中尺度涡构成的涡群如何自组织成一个较大涡旋的问题.结果表明,多涡自组织是一个逐次合并的过程,开始时是相邻双涡的合并,然后形成三涡流型,最后才形成一个α中尺度的终态涡.因此,多涡共存条件下的双涡作用,是多涡自组织的一个基本的物理过程.初始场上的每一个涡或涡块,主要有两类\     

多尺度系统中台风自组织的研究

在一个4种尺度（副热带高压、台风、β中尺度涡群和γ中涡尺度）共存的系统中,用压原始方程模式数值地研究台风自组织及其强度变化问题。结果指出：（1）由于多尺度的相互作用,在初始台风衰减的过程中,在该台风的西南方经自组织形成了一个新的台风,其尺度、强度与初始台风相同。在初始台风衰减消失后,新的台风维持一定的强度继续向偏西北方向移动。（2）初始γ中涡的个数和位置对自组织起来的台风的强度有显著影响。其影响机制是非线性相互作用的结果在不同尺度层次的传递。γ中尺度层次或γ中—β中层次的相互作用直接影响到β中层次涡作用的结果,或者使双β中涡合并,或者使双β中涡分离。\nβ中涡层次的相互作用直接影响到台风层次——新台风自组织的过程。这种影响最后反到自组织起来的台风的强度和路径变化的宏观行为。     

全球大气能量演变及其与太阳活动的关系

利用1979—2010年间的JRA-25再分析资料、太阳常数观测资料,重现了1979—2010年间的各能量的时间序列,并对整层大气、对流层大气和平流层大气这3个大气层能量的演变规律及其与太阳活动的关系进行了分析。结果表明:(1)整层大气的总能量和对流层大气的总能量,两者都存在一个显著的3.7 a的周期;而平流层大气的总能量具有一个显著的11~22 a的振荡周期;平流层大气对太阳活动的响应,与对流层大气对太阳活动的响应有所不同:平流层大气的总能量的变化略落后于太阳常数的变化,但是整层大气和对流层大气的总能量的变化均是超前于太阳常数的变化。(2)整层大气、对流层大气和平流层大气这3个层次的总能量和太阳常数分别具有显著的4~11 a的共振周期、5.5~7.3 a的共振周期和3.7~11 a的共振周期。     

区域酸性沉降的数值研究 I. 模式

建立了一个三维时变的欧拉型区域酸性污染物沉降模式，模式包括源排放、平流输送、湍流扩散、干沉积、气相化学、液相化学及湿清除等六大部分。考虑到计算条件的承受能力和应用性的要求，在把握酸沉降形成的关键过程的前提下，合理地简化设计模式。相对于国内已有的工作，本模式在干沉积、气相化学、液相化学和湿清除等方面均有所改进。     

青岛大气气溶胶的浓度分布和干沉降的观测研究

根据青岛沙尘天气历史资料和近年来的青岛地面气溶胶观测资料,分析了青岛沙尘日数的长期变化趋势、季节变化特征以及气溶胶质量浓度、谱分布和干沉降的季节变化.分析结果表明,1961～1988年青岛沙尘日数呈波动变化,且幅度较大.1999年以来沙尘日数明显增加,且以浮尘天气为主.青岛在1961～2001年扬沙日数年平均值为1.83天,是北京同期的13%;年浮尘日数为2.93天,是北京同期的75%.青岛沙尘发生日数主要集中在冬春季,春季最高,冬季次高;夏季没有沙尘天气,秋季很低.青岛气溶胶质量浓度有明显的季节变化,春季最高,冬季次之,秋季又次之,夏季最低.大流量观测的总悬浮颗粒物(TSP)年平均浓度为177μgm-3,安德森分级采样器观测的气溶胶质量浓度为123μg m-3,两者的差别与不同的观测时间和观测仪器有关.在3月和4月,粗细粒子的浓度相差很大,粗粒子分别占总浓度的80%和62%.青岛气溶胶沉降通量在0.06～0.2 g m-2d-1之间,平均值为0.13 g m-2d-1,是北京沉降通量的30%.     

区域酸沉降模式

本文提出一个区域的欧拉酸雨模式,包括了大气中污染物质的输送、扩散、非线性化学转化和干湿沉降等物理和化学过程.气相化学反应有18种化学物质,包含了二氧化硫气相氧化的主要化学方程.液相氧化反应包含了H_2O_2,O_3及催化剂对二氧化硫的氧化过程.水平方向有35×35个网格点,垂直方向分15层.选用了四川、贵州地区1988年的8次降水过程对模式作了检验,结果证明模式能较好地模拟这个地区的二氧化硫、硫酸根及降水pH的分布状况.     

Current Atmospheric Deposition Loads and Their Trends in the Czech Republic Determined by Mapping the Distribution of Moss Element Contents

Biomonitoring of atmospheric deposition loads of 13, 14 and 35 elements and their compounds through moss analysis was carried out in the Czech Republic (CZ) in 1991, 1995 and 2000, respectively. The last biomonitoring campaign revealed very high contents of typical soil elements and lanthanides in southern Moravia. The variations in current element contents in moss, which can be explained by the action of six factors, were correlated with altitude, with total biennial precipitation, and with the bedrock types in the sampling plots. The element contents in moss samples repeatedly collected from the identical plots showed a steady decrease in atmospheric deposition loads in the CZ in the last decade of the 20th century. The main reasons for this phenomenon are listed. The results of cluster analyses and PCAs have found no substantial changes in the qualitative element composition of atmospheric deposition in CZ in recent years. Isoline maps are presented, which document changes in the distribution of Cd, Pb and S contents in moss in 1995 and 2000. An estimate of absolute deposition loads (g m^–2 year^–1) for given areas of the CZ can be made, using the list of bulk deposition indices.     

Multi-fractal Behaviors of Relative Humidity over China

The multi-fractal behaviors of relative humidity over China are studied using the multi-fractal detrended fluctuation analysis (DFA) method. Three multi-fractal parameters (the spectrum width Δα, the asymmetry Δα as , and the long-range correlation exponent α 0 ) of the singularity spectrum are introduced to quantify the multi-fractal behaviors. The results show that multi-fractality exists in daily humidity records over most stations in China and is mainly due to the broad distribution of the probability density of the sequence values. Strong multifractal behaviors over some stations in the Yunnan, Guangdong, and Inner Mongolia provinces are obvious. These behaviors are mainly caused by different longrange correlations between large and small fluctuations. The asymmetry of the singularity of relative humidity records is weak, except for a small number of stations in the far east and west of China, where the singularity spectrum is left-skewed. Finally, the long-range correlations in North China are stronger than those in South China, which indicates better predictability in North China. By studying the parameters of the multi-fractal spectrum, various data of long-range power law correlations of the relative humidity records are obtained, which may provide theoretical support for climate prediction.     

The Seasonal Fate of PCBs in Ambient Air and Atmospheric Deposition in Northern France

Polychlorinated biphenyls (PCBs) as Σ21 congeners, were investigated in atmospheric bulk deposition over one year, along a northern transect of France, including 5 sites from the Atlantic coast to the east of Paris. Evidence was obtained for an easterly rise of the PCB concentrations, from 3 to 76 ng L⁻¹. The PCB patterns were depleted in low chlorinated congeners in rural areas whereas at urban sites, the profiles were typical of local sources. The seasonal variations of concentrations were mainly controlled by the temperature. Next, at Paris, PCB distribution between the gaseous and the particulate phases was studied, considering seasonal parameters and different fate processes. Their distribution showed a prevalence of congeners in the gaseous phase (0.15–1.17 ng m⁻³) which occurrence decreased from 93 to 68% with the rise of congener chlorination level. In the particulate phase, they ranged from 0.01 to 0.27 ng m⁻³, only. Rainwater concentrations ranged from 3.1 to 13.1 ng L⁻¹. A total rain water/air washout ratio was determined and showed a negative correlation with those reported in the literature. That might be attributed to the importance of particle scavenging. The annual bulk deposition ranged from 8 to 29 μg m⁻². A decreasing trend of PCB atmospheric levels over the last fifteen years was confirmed in the studied area.     

沙尘传输路径上气溶胶浓度与干沉降通量的粒径分布特征

利用2002年春季中国北京、青岛和日本福冈3个地区的分级气溶胶浓度资料,结合改进的Wil-liams模型,分析了沙尘传输路径上空气动力学直径≤11μm气溶胶(PM11)浓度和干沉降通量的粒径分布特征,并估算了黄海海域春季PM11的干沉降通量及不同粒径气溶胶的贡献。结果表明:3个地区PM11浓度粒径分布在非沙尘时期呈双峰分布,两个峰值分别出现在细颗粒(<2.1μm)部分和粗颗粒(2.1～11μm)部分;沙尘时期,3个地区PM11浓度粒径分布均趋于单峰分布,峰值位于粗颗粒部分,并且越靠近沙尘源地,这种趋势越明显。较强沙尘天气时期,粗颗粒部分的浓度峰值粒径从沙尘源地附近到黄海西岸、东岸呈降低趋势,但在一般沙尘天气时期,这种现象并不明显。沙尘时期和非沙尘时期,3个地区粗颗粒的干沉降通量均随粒径增加而增大,细颗粒的干沉降通量随粒径的变化不明显。虽然沙尘时期粗颗粒沉降通量较非沙尘时期有明显增加,但粗颗粒对PM11干沉降通量的贡献与非沙尘时期相比,并没有明显的变化。较强沙尘天气时期,3个地区粗颗粒的干沉降通量明显高于一般沙尘天气时期;细颗粒的干沉降通量较一般沙尘天气时期略有增加。黄海海域春季沙尘时期PM11的干沉降通量约为31.70～58.59mg.m-2.d-1,非沙尘时期约为8.33～15.94mg.m-2.d-1。粗颗粒是黄海海域春季PM11干沉降通量的主要贡献者,约占PM11干沉降通量的94.2%以上。     

Biomonitoring of Atmospheric Heavy Metal Deposition by Mosses in the Vicinity of Industrial Sites

At four industrial regions, heavy metal concentrations and calculated depositions were investigated by sampling and analysing mosses. In each region, a special spatial pattern of heavy metal concentrations was detected, reflecting the industrial processes. Metals most likely originating from the industrial sites showed an exponential decrease of concentrations and depositions with increasing distance from the pollution source. The exponential deposition pattern was in some cases modified by a series of natural factors, like the main direction of winds or orographic conditions. The distance at which deposition dropped to background values was up to 20 km. Beside the fact that the moss-metho is a useful tool for deposition measurement in the vicinity of stationary sources, some improvements for using this method are discussed, highlighting factors such as a proper calculation of deposition from concentrations, or the better knowledge of correlations between heavy metal concentrations in mosses and effects on human health.     

基于DFA的雷暴日时间序列分形特征分析

运用最小二乘法、非趋势波动分析(DFA)与小波变换三种方法对比分析许昌市1961—2012年52 a雷暴日时间序列的变化特性,揭示雷暴日的长程相关性及其内在规律。研究结果表明:许昌市52 a月雷暴日时间序列属于分形时间序列,存在内在的长程相关性,其雷暴日数每10 a减少1.6689天,雷暴日时间序列长程幂律相关的标度指数为0.8940,该幂律关系至少可持续17个月,并将2011年和2012年观测数据作为验证数据加以验证,结果与DFA分析结果一致;雷暴日时间序列具有2个显著的标度不变区域,存在一个突变点,反映了雷暴日系统具有复杂的物理作用机制;三种分析方法均得出许昌市雷暴日呈减少趋势的结论,最小二乘法虽然能定量计算出雷暴日每10 a的减少量,但年度尺度较大,精确度变低,而DFA和小波分析法的分析结果更加细致;但在定量描述雷暴日变化趋势上DFA法优于小波分析结果,而在分析雷暴日时序的细节分量和周期特性时小波分析更加清晰;DFA法可作为预测未来雷暴日发展趋势时长的有效方法之一。     

太湖沿岸湿沉降的化学特性及水体酸化的趋势

通过对太湖沿岸湿沉降的实际监测，运用统计学方法研究了太湖沿岸3个测点自2002年7月至2003年6月大气降水pH值和化学离子组成，并结合文献和太湖水体的常规观测资料，分析了太湖流域大气降水酸化的趋势及地表水酸化的状况。结果表明：太湖地区的酸雨比较严重，沿岸酸沉降具有普遍现象；大气降水中主要阴离子是SO4^2-，约占全部测定阴离子的48％。Ca^2＋是主要的阳离子，约占全部阳离子的37％；太湖酸雨频率及酸雨强度近20a来有增强的趋势，但水体pH变化不大，水体有轻微酸化的迹象。