热带天气尺度系统中深厚积云对流和低层耦合之间的相位滞后

文章论述了在天气尺度系统中深积云对流和低层辐合之间的相位滞后的起源。众所周知从１９７４年以来已研究过几个可能的原因：１）加热场的传播；２）β效应；３）基本气流的垂直切变；４）热源的垂直倾斜。研究发现最后一个因素是相位滞后的原因。热源垂直倾斜的出现是天气系统内的中尺度对流系统传播和演变的结果。在其演变过程中，垂直加热廓线的变化导致了加热场的倾斜。     

热带气旋外围环流中次天气尺度系统及其与天气尺度系统相互作用的诊断分析

本文应用带通滤波的方法,分离出热带气旋外围环流中的天气尺度和次天气尺度系统。发现热带气旋外围强降水与低层次天气尺度系统的辐合关系相当密切。文中还计算了两种尺度系统间的动能和涡度转换。得出:在650hPa以上基本上是天气尺度系统向次天气尺度系统提供动能,在650hPa以下基本上是次天气尺度系统向天气尺度系统提供动能,整层积分的结果是天气尺度系统向次天气尺度系统提供动能。在900hPa和400hPa之间的涡度转换为次天气尺度系统向天气尺度系统转换,即涡度转换的结果是使得次天气尺度系统气旋性减弱,天气尺度系统气旋性增强。900hPa以下和400hPa以上则相反。整层积分的结果是次天气尺度系统向天气尺度系统提供正涡度。      

SAMIL模式中Tiedtke 积云对流方案对热带降水模拟的影响

目前, 大多数全球耦合模式及大气环流模式在降水模拟中普遍存在不同程度的“热带偏差”问题, 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26也存在这一现象, 主要表现在SPCZ (南太平洋辐合区) 降水过强且过分东伸、 赤道附近降水偏少等方面。本文通过修改SAMIL中的积云对流方案有效地削弱了这一偏差, 并进一步探讨其原因, 发现对流方案修改后, 改变了对流层低层至地面的温度分布状态, 进而影响了风速及散度场的模拟, 最终通过垂直速度的调整反作用于对流过程。比较修改前后对流过程云底质量通量, 发现修改后的方案主要通过削弱浅对流来提高热带降水的模拟性能。     

准平衡和非平衡流对台风百合(2001)内中尺度深厚湿对流的影响

利用台风百合(2001)的高分辨率模式资料, 应用PV－ω反演方法, 在分析台风准平衡和非平衡垂直环流基本特征的基础上, 诊断研究了热力和动力强迫对台风深厚湿对流结构的影响, 结果指出: 准平衡流能够描述台风中具有较长生命史过程的中尺度对流系统的环流结构, 中层大振幅垂直运动主要由准平衡ω方程中凝结潜热释放的热力强迫所决定; 台风低层由动力辐合强迫产生的弱对流, 对眼墙区深厚湿对流的形成起到触发作用; 而高层动力强迫产生的下沉运动则削弱了凝结潜热项的影响, 抑制了垂直运动向高层伸展。非平衡垂直环流结构上呈现的短波振荡和快时间尺度调整的时空分布特征表明, 它是与重力快波频散过程相联系的非定常环流。分析台风中深厚湿对流形成的物理模型可知, 准平衡动力强迫引起的低层弱对流达到一定振幅, 则会引起中层水汽相变引起的凝结潜热反馈, 使得准平衡和非平衡流叠加形成了眼墙区上升运动的大值中心, 加上非平衡垂直环流对动量和热量起到的补偿和调整作用, 构成了台风内中尺度深厚湿对流的组织化过程。     

一次特大暴雨形成中天气尺度和次天气尺度系统的作用

采用中尺度数值模式MM5V2对1998年6月下旬发生在长江流域持续的暴雨过程进行分析研究。通过尺度分离与数值模拟对比试验,着重分析了暴雨过程中天气尺度与次天气尺度各物理量场的结构特征,提出本次暴雨过程形成的物理机制：天气尺度流场与水汽场为降水提供持续的远距离水汽输送通道,次天气尺度流场形成稳定的经向强辐合,为水汽的抬升与凝结提供动力条件;在有利的高、低空急流的配置下,暴雨区落在高空急流轴以南、低空急流轴以北;次天气尺度温度场下暖上冷的热力不稳定层结促进了热力不稳定的发展,促使暴雨增幅;特大暴雨发生地区上空的次天气尺度湿度的高值中心,有利于湿空气在上升运动中释放潜热,形成暴雨的反馈机制。数值试验分离模式初始场不同尺度系统信息,揭示了不同尺度系统在暴雨发生过程中的动力作用,没有中尺度系统的配合,仅有天气尺度系统信息,或只有次天气尺度系统信息,没有大尺度系统的配合,暴雨的强度及范围都将有所消减。分析及数值试验结果表明大暴雨是在天气尺度和次天气尺度系统的共同作用下才得以产生和维持的。     

1998和1999年西北太平洋热带气旋的异常特征及其大尺度条件

应用联合台风警报中心 (JTWC)的资料 ,研究了 1998和 1999年西北太平洋 (WNP)热带气旋 (TC)的活动 ,发现这两年具有较为相似的异常特征 :台风个数明显偏少 ,台风的生成源地显著偏西。对导致这种异常的大尺度条件场的分析表明 ,1998和 1999年的台风季季风槽、垂直风切变、海平面气压等因子的分布都不利于台风在WNP东部海域的生成 ,因此是导致这两年台风偏少和生成源地异常偏西的重要原因。其中 ,季风槽的异常偏西及在盛夏的异常偏北对TC的异常活动产生了主要影响。对低纬大气环流异常的进一步分析表明 ,WNP地区的环流异常是导致季风槽和垂直风切变场异常的主要原因 ,而 1999年异常环流的出现可能是由于低纬大气对印尼附近异常热源强迫的响应所致。由于该热源的存在 ,在其东侧 (WNP地区 )激发出东传的Kelvin波 ,而相应的异常风场则表现为低层盛行异常东风 ,而高层盛行异常西风 ,因此造成了WNP东部和西部海域垂直切变场的近乎相反的变化。同时 ,由于低层异常强的东风不利于季风西风的向东延伸 ,从而使季风槽明显偏西 ,未到达菲律宾以东的热带气旋频发区的位置。     

1998年南海季风爆发时期中尺度对流系统 的研究：Ⅱ中尺度对流系统对大尺度场的作用

通过对1998年南海季风爆发过程中大尺度风场、温度场、厚度场、地面气压场以及视热源与视水汽汇的演变分析研究了对流活动对大尺度场的作用,结果表明:大尺度环流与中尺度对流活动之间可能存在着一种正反馈机制。在季风爆发早期,大尺度背景与中尺度对流活动的关系主要表现为前者为季风爆发以及中尺度对流活动的发生提供有利的天气和动力条件;季风爆发后期持续的大范围中尺度对流活动反过来会对大尺度环流存在明显的反馈作用。由对流活动强烈发展产生的凝结潜热释放在南海北部造成了显著的大气加热,使对流层中上层出现一明显的加热中心,这导致:(1)南海上空经向温度梯度由高层向低层发生反向,形成北高南低的温度梯度,从而使大尺度环流发生季节性改变;(2)相应南海北部地面气压不断加深,形成宽广的季风槽和明显的减压区,促使副热带高压从南海地区最后撤离;(3)随着中低层低压环流的不断发展,对流系统和降水区进一步加强并向南扩展,有利于南海季风在南海中、南部地区爆发和维持;(4)季风槽的加深使其南侧的季风气流与水汽输送进一步加强,促使季风爆发过程达到盛期。     

武汉暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用

利用动能方程计算天气尺度与次天气尺度系统动能以及非线性动能的作用,以分析1998年7月发生在武汉的1次强降水系统中的主要动力过程。结果表明:在暴雨系统中,存在着天气尺度系统与次天气尺度系统间的相互作用,天气尺度动能减小,次天气尺度动能增加,但天气尺度动能和次天气尺度动能不能直接进行转换,而必须通过不同尺度之间的非线性相互作用来实现。也就是说,对次天气尺度系统而言,天气尺度系统是动能源,通过非线性相互作用,把能量传递给次天气尺度系统。     

一次暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用

文章利用动能方程计算天气尺度与次天气尺度系统动能以及非线性动能的作用，以分析强降水系统中主要动力过程。结果表明:在暴雨系统中，存在着天气尺度和次天气尺度系统间的相互作用，次天气尺度运动增加天气尺度动能，使暴雨系统得以维持。     

北京局地降水中地形和边界层辐合线的作用

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、雷达探测资料与NCEP 1°×1°再分析资料等,对低层偏东气流影响下贵州铜仁梵净山东侧4次强降水天气过程进行了分析,重点探讨了在低层偏东气流与地形共同作用下的强降水形成机制,并归纳低层偏东气流影响下的梵净山东侧强降水概念模型。结果表明：（1）高空槽、低层切变线、地面中尺度辐合线是影响梵净山东侧强降水的主要天气系统;（2）低层浅薄偏东气流对梵净山东侧强降水起着关键作用,当低空气流u分量随高度减小时,地形迎风坡气流辐合上升,而气流v分量随高度增加时,地形迎风坡会产生与山脉垂直的水平涡管,在地形抬升作用下涡管向上凸起形成两个涡管环流圈,涡度垂直分量使山脚附近上升气流加强而有利于山脚产生强降水;（3）梵净山东侧强降水区的形成存在三种机制,即迎风坡山脚多次触发对流形成雨量叠加效应、地面中尺度辐合线自身触发组织对流、回波沿地面中尺度辐合线东移形成“列车效应”,三种机制产生的降水带与地面中尺度辐合线走向一致。

     

线状对流中EF3级强龙卷的多尺度机理研究

利用NCEP再分析资料、地面观测资料、多普勒雷达资料、风廓线雷达资料、FY-4A卫星资料、雷达变分同化分析系统输出的高分辨率分析场资料对2018年8月13日17:30发生在天津静海地区的EF3级强龙卷过程进行分析,结果表明:此次过程为发生在线状对流中的强龙卷,且引发龙卷的对流风暴不具备超级单体风暴典型特征,龙卷形成后,在涡旋不断加强的基础上,旋转中心不断下降,且TVS的伸展厚度不断增大。两个线状对流之间新单体的形成发展促使了线状对流的合并,新生对流单体强回波接地时间与龙卷的发生时间有较好的对应关系。在龙卷发生前20 min,分别位于两条边界层辐合线北侧和西侧的偏北风和前方入流的偏东风构成了中低压的辐合旋转流场,当雷暴出流与龙卷发生地的局地风垂直切变中心(在180 m高度可达90×10~(-3)s~(-1))相遇,辐合线上水平分布极不均匀的上升运动迫使水平涡管倾斜,加强了垂直涡度,涡管在垂直方向上被拉伸,根据角动量守恒,旋转加强形成龙卷母体涡旋,因此,发生在线状对流中的强龙卷虽然在对流模态上与超级单体龙卷不同,但龙卷母体涡旋形成的物理机理是一致的。     

1995年中国的中-α尺度对流系统

１９９５年６～８月中国及其沿海共发生了１０２个中－α尺度的对流系统（ＭαＣＳ）。它们主要分布在以下３个地区：华南西部,四川盆地附近和黄河及长江中下游地区。文中还给出了６个发生在不同地区的ＭαＣＳ个例,用以展示中国ＭαＣＳ在发生和发展过程及其云顶黑体温度分布上所表现出来的多样性。     

亚洲-西太平洋夏半年ISO传播特征及其与热带天气尺度波动联系的观测事实研究

利用1979—2007年夏半年(5—10月)逐日平均向外长波辐射资料和NCEP/NCAR再分析资料,应用有限区域波数-频率谱和滞后线性回归方法,研究亚洲-西太平洋(AWP)区域夏半年对流季节内振荡(ISO)的传播特征以及热带天气尺度波动与ISO的联系。结果表明:(1)夏半年AWP区域的对流ISO存在东西传播特征,具有区域性和季节性。在整个AWP区域,以沿赤道东传且周期约30～60 d的扰动为主,而在西太平洋地区则以在10～20°N西传且周期约20～40 d的扰动为主;在初夏ISO以沿赤道东传为主,晚夏ISO向西传播加强,主要活动区域也向北转移,西传波在晚夏西北太平洋区域活动最强;(2)ISO强对流伴随低层西风异常和气旋性环流异常首先生成在印度洋区域,之后沿赤道东传到西太平洋日界线附近,当对流传播到西太平洋时具有西北传播的特征;(3)ISO与热带天气尺度波动关系密切。两种不同时间尺度的对流在西北太平洋同时加强,ISO促进了热带气旋(TC)的群发,而TC群发对流也成为ISO对流在西太平洋西北向传播中的一部分。     

中国东部气溶胶在天气尺度上的辐射强迫和对地面气温的影响

本文应用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting—Chemistry)模式研究中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°～42.6°N,110.2°～120.3°E)平均PM_2.5近地面浓度(40～80 μg m-3)高于南方区域(22.3°～29.9°N,109.7°～120.2°E,30～47 μg m-3)。气溶胶对地面2 m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上08:00(北京时,下同)和下午17:00左右最为显著,最高可降低约0.2～1 K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本文还通过对2006年8月23～25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3 W m-2和-5.8 W m-2,导致地面气温分别降低了0.074 K和0.039 K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4 W m-2和-12.4 W m-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035 K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0 W m-2和-10.5 W m-2,对地面气温的影响为-0.062 K和-0.074 K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5 W m-2和5.8 W m-2,而地表气温则分别增加了0.053 K和0.017 K,相比于间接效应,黑碳气溶胶的直接效应的影响更加显著。     

多尺度天气分析理论和应用Ⅰ:基本原理和天气系统的本质

根据大气运动和结构的多尺度特征,提出了大气微团的多重结构模型,认为大气由不同尺度的微团以多重结构的形式组成,即大尺度微团由若干较小尺度的亚微团构成,而亚微团又由更小的微团组成.利用Navier-Stokes方程推导出亚微团的相对运动方程,在背景场处于平衡状态下推导出亚微团运动方程的平衡形式,发现该方程与电磁学的基本方程具有相同形式,并将大气轻、重两种微团与正、负离子进行了类比.根据推导出的方程对天气系统的发生、发展进行了研究,认为天气系统是由于亚微团在环境场作用下发生分离并在环境场的作用下重新组合而形成的,这一过程在初始扰动的作用下开始,在正反馈过程中不断加强并最终达到一种平衡状态;而轻、重两种亚微团之间的引力是天气系统减弱和消亡的重要原因.利用亚微团运动方程和对微团扰动速度的自转分析,推导出天气系统的诊断方程,并利用该方程对大气环境场的分布与天气系统发生的相互关系进行了诊断分析,结果表明,环境场风速的快速变化、高低空急流附近的动能梯度、环境涡度的正值区以及强风速垂直变化等因素对天气系统的形成十分有利.     

95.8暴雨过程中天气尺度和中尺度系统相互作用的数值模拟

本文依Ｂａｒｎｅｓ滤波原理，利用低通波场的连续性特征进行尺度分离，分析了暴雨过程中天气尺度系统和中尺度系统的作用，并用中尺度数值模式对该暴雨过程中天气尺度和中尺度系统的相互作用进行了数值模拟。     

风切变对中尺度对流系统强度和组织结构影响的数值试验

采用我国实际观测的探空作为中尺度模式Weather Research and Forecasting(WRF)的理想试验的背景场,分别改变整层、低层和中层的垂直风切变,研究其对中尺度对流系统强度和组织结构的影响。结果表明,改变整层垂直风切变对对流系统的强度和组织结构影响最显著,增加整层垂直风切变,对流强度增强且易组织成线状,减小整层垂直风切变,对流强度弱且呈分散状态。从垂直速度、水平风场、散度场和冷池的三维结构特征分析了其影响的机制:(1)风切变增加,上升气流与下沉气流的相互干扰减弱,有利于垂直速度的维持和增强;(2)垂直风切变增加造成水平涡度增加,扭转项的作用分别使上升和下沉运动得到加强;(3)垂直风切变增加,冷池强度和高度增加且集中在系统后部,使系统线状组织性增强。研究还发现,增加垂直风切变造成近地面大风和降水增强,且强降水出现在大风之后,这主要是因为在对流发展阶段上升运动与下沉运动互不干扰情况下,强下沉运动造成的近地面大风,而成熟阶段上升运动不断增强或维持造成雨水比湿不断增加形成强降水。     

地闪与对流性天气系统中降水关系的分析

利用１９９７年夏季在中国科学院兰州高原大气物理所平凉雷电与暴雹实验站设置的３站闪电定位系统所取得的地闪资料与雷达、降水及探空等资料进行了对比分析,发现地闪与对流性天气中的降水有较好的相关性,这种相关性用来对一般性对流天气中降水进行估测是可行的。通过非线性回归近似拟合得到平均雨强与对应时段内的地闪数回归方程为Ｒ＝１．６９２ｌｎＦ－０．２７３,相关系数ｒ为０．８６４１。同时地闪频数与层结最大不稳定能量一样能够指示对流性天气的发生和发展。