2008年初江南冻雨过程的湿大气锋生

通过2008年1月10日至2月2日发生在我国江南的冻雨过程和前期降雨过程的对比分析,得到下列结论：这次江南冬季持续的冻雨天气是准静止锋活动的结果,用相当温度梯度表示的湿大气锋生可以有效地描述准静止锋的活动特征及其与降水的关系。湿大气锋对应的降水性质与锋面垂直结构有关,锋区上相当温度的逆温结构是形成冻雨的天气学原因．研究进一步揭示,相当温度梯度可提前5～10d预示降水天气过程的开始,也能提前预示过程的结束,而二者的这种关系反映了大气中能量积累和释放的过程．     

西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线特征

利用1998年夏季第2次青藏高原大气科学试验当雄观测站的边界层观测资料以及拉萨、改则和武汉等地探空资料,分析讨论西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线的特征. 研究结果表明,高原地区白天对流边界层发展可高达2200m,显著超过中纬度平原地区和海面上对流边界层高度. 高原对流边界层中温度廓线具有较好的混合特征,湿度廓线有时在某一高度上出现湿度极大值. 高原对流边界层内热量和水汽收支分析表明,水平平流作用对边界层结构具有重要作用. 在对流边界层中平均风速垂直分布存在风切变现象. 水平温度梯度形成较强的斜压性是形成边界层风切变的主要原因.     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧(原暖湿区)的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5km(约500hPa)处,锋下向上的深对流注入可达10km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧（原暖湿区）的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5 km（约500 hPa）处,锋下向上的深对流注入可达10 km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

大气温度反馈的机理及其对全球增暖的贡献

大气和地表之间热辐射交换引起的地气温度耦合(即大气温度反馈)是影响地表能量收支平衡的重要因子.文章旨在阐述大气温度反馈机理,讨论影响其强度和空间分布的主要因子;并以全球变暖为例,论述大气温度反馈如何与外强迫和气候反馈过程耦合最终对全球增暖产生贡献.基于ERA-Interim再分析资料,利用地表反馈响应分析方法,计算大气温度反馈核,以此来阐述大气温度反馈的物理机制及其强度的空间分布与气候态温度、水汽和云水含量空间分布的关系,以及全球增暖加速期间大气温度反馈对全球平均表面温度增加的贡献.分析表明大气温度反馈过程主要通过与气候系统外强迫和内部过程的耦合作用,将各独立过程引起的地表能量收支异常信号放大.研究结果表明大气温度反馈显著放大了CO_2浓度升高、冰雪融化、水汽含量增加和海洋热量吸收减缓引起的地表增暖,削弱了云量增加引起的地表降温效应.同时,也放大了地表潜热通量增加造成的地表冷却效应.从全球平均结果来看,全球快速变暖前后,尽管外强迫和气候系统内部过程引起的全球平均总地面直接能量通量扰动为负,但大气温度反馈造成的全球平均总地面能量通量扰动却为正,且后者幅度远大于前者,这导致全球平均总地面净能量通量扰动正异常.由此可见,大气温度反馈对全球变暖起到了至关重要的作用.     

风垂直切变对中尺度地形对流降水影响的研究

针对长江中下游中尺度地形特点以及暴雨过程发生发展期间风垂直切变的主要观测特征,设计了一系列中尺度地形的三维理想数值试验,分析了干大气地形流和重力波特征,探讨了条件不稳定湿大气地形对流降水的模态分布,在此基础上研究了圆形、直线风垂直切变和切变厚度对中尺度地形对流降水强度和模态分布的影响.结果发现:在 F_r≈1的干大气条件下,气流遇到地形后分支、绕流和爬升现象同时存在,地形激发的重力波在水平和垂直方向上传播,其在迎风坡、背风坡、地形上游和下游的振幅不同,并组织出不同强度的垂直上升运动.在F_r > 1的条件不稳定湿大气下,地形对流降水主要存在三种模态,即迎风坡和背风坡准静止对流降水以及地形下游移动性对流降水,地形对流降水的形成与重力波在低层组织的上升运动密切相关.风垂直切变对地形对流降水的强度和模态分布有重要作用,其中圆形风垂直切变(风随高度旋转)不仅影响地形下游对流降水系统的移动方向,而且影响迎风坡和背风坡山脚处对流降水中心的分布和强度;直线风垂直切变(风随高度无旋转)主要影响地形对流降水的移动速度和强度.风随高度自下而上顺(逆)时针旋转,地形对流系统向下游传播时向右(左)偏移.风垂直切变主要通过影响地形重力波的结构和传播以及对流系统的形成、移动方向和速度,来影响地形对流降水的模态分布,其中对流层中低层的风垂直切变对地形对流降水强度和模态分布有重要影响.     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

近地层参数化对海南岛海风降水模拟的影响

利用WRF模式探讨了两种近地层参数化方案(MM5方案和Eta方案)对2013年5月31日海南岛一次海风降水过程模拟的影响.结果表明,改变近地层方案可对当地的海风环流及相应的降水特征产生明显影响,两个试验最重要的差别主要体现在模拟的海风及降水的强度差异上,与MM5试验相比,Eta试验的低层海风及辐合程度更强,相应的降水也更强,表现为岛屿总格点降水量、大于10mm的降水区域、最大格点降水三个量化指标均比较大.通过分析两种方案在不同降水阶段的地表通量及近地层变量场,发现Eta试验模拟的降水前环境场更有利于对流的启动,随着午后热力湍流的不断增强,将MM5方案替换为Eta方案可使近地层感热通量、潜热通量分别增加约3.57%、5.65%,动量通量减小约10.79%,感热、潜热的增加使Eta试验中近地层大气的加热加湿作用更加明显,相应的低层大气不稳定度更高,再配合海风锋前较强的辐合上升运动,局地不稳定能量的释放变的更加容易,因此降水强度更大.     

一次北京大暴雨过程低空东南风气流形成机制的数值研究

2002年6月24~25日,北京门头沟附近发生了一次大暴雨过程.观测资料和数值模拟均发现,在暴雨发生前和发生过程中,北京地区边界层内出现了一支强盛的东南风气流.东南风气流沿太行山东坡爬升,触发了对流.为探讨这支低空东南风气流的形成原因,本文通过数值模拟和敏感性试验,对这支东南风气流的形成机制进行了研究.结果表明,这支低层东南风气流是一支冷湿的、伴有较强风速辐合的气流,主要是在天气尺度系统作用下生成的.东南风气流形成过程中,地表感热加热作用对其强度有加强作用.大暴雨开始后的潜热加热作用对这支东南风气流有正反馈作用,使气流的强度大大增强,因此,在降水开始后气流强度也增强,降水最强时低空急流的强度达最强.暴雨开始后,由于夜间地表降温造成山风效应,导致在北京西部山脚下出现偏北风.     

我国干旱区深厚大气边界层与陆面热力过程的关系研究

大气边界层是地球大气重要物理特征之一.干旱气候背景下的大气边界层特征与人们以往对典型大气边界层的认识有很大不同,其形成机制也比较特殊.本文利用冬、夏两季典型时段在极端干旱区敦煌开展的大气边界层和陆面过程综合观测试验,对大气边界层厚度与净辐射、地-气温差和感热通量等陆面热力因素的日变化特征进行了对比分析,研究了大气边界层的发展和维持衰退过程与陆面热力和动力过程的关系,发现发展过程消耗的能量要比维持衰退过程高得多,而且进入残余层后对流边界层发展对陆面热力作用更敏感,发展也更迅速.风速的动力作用对大气边界层发展也有一定的影响,尤其对冬季稳定大气边界层影响较大.极强的陆面热力作用是我国干旱区形成深厚大气边界层的主导因素.     

东亚副热带夏季风建立与中国汛期开始时间

采用谐波等分析方法,讨论了季节转化过程中东亚大陆降水和对流层风场时空分布特征、海-陆热力差异以及大气加热与风场和降水之间的季节变化关系,确定了春季中国江南降水的副热带夏季风性质.分析认为,3月份中国江南春雨是东亚副热带夏季风降水的孕育阶段,4月初东西向海陆热力差异在东亚副热带地区最早完成冬夏的季节性反转,时间早于南海夏季风爆发并对应华南前汛期的开始,标志着东亚副热带夏季风的建立和中国汛期降水的开始.东亚副热带夏季风主要活动在东亚100°E以东、20°N以北地区,春季（3~4月份）中南半岛和江南地区大气加热的持续作用可能导致了东亚东西向海陆热力差异在副热带地区完成反转.其中,江南上空大气热源是导致该地区对流层低层西南风、上升运动和降水增强的主要原因.     

基于Cloudsat探测的一次非典型东北冷涡结构及其降水

采用ERA-Interim气象分析资料、云顶亮温TBB资料、Cloudsat云雷达资料、降雨量资料等,对2009年6月10日至12日我国东北地区的一次冷涡天气过程进行研究,重现了该冷涡的精细三维结构和演变过程.分析表明冷涡发生前,东北亚地区处于南北双槽结构之间,随后北槽向赤道发展切断后形成东北冷涡.南槽背景的冷涡热力结构特殊,强冷空气集中在涡内西北象限,暖湿空气在东北象限,南部为相对中性空气,该配置导致北部暖锋强盛,西部冷锋仅在发展初期较强,冷涡过程没有经典挪威学派的气旋锢囚锋出现.冷涡发展初期,狭长冷舌快速入侵南下,冷舌前冷锋对流降水较强,冷舌后部左侧还有暖锋降水;冷涡发展后期,冷锋减弱,冷锋上的高层云停止降水,系统内主要为冷涡北部的暖锋雨层云降水;冷涡成熟后,中心辐合加强,有较强的对流性降水.     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟

利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合, 模拟了半干旱区沙漠绿洲非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用过程, 成功地模拟了局地气候效应和地表温度、净辐射、感热和潜热通量特征并与实测资料进行了比较. 给出“绿洲效应”这一自然现象的垂直剖面上更为清晰准确和细致的结构特征, 结果表明: “绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”; 它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱, 具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流. 这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.     

大气边界层研究进展

大气边界层对云和对流的发展、演变有重要作用.本文回顾了在大气边界层高度计算方法,边界层的时空分布特征、结构和发展机理,以及边界层参数化方案等方面的主要研究进展.大气边界层高度计算方法主要分为基于大气廓线观测数据计算和基于模式参数化方案计算两大类;大气边界层高度频率分布形态具有明显的日变化特征,并且稳定、中性和对流边界层...     

青藏高原地形重力波对东亚春季降水的重要作用

春季持续性降水是东亚夏季风爆发前的主要雨季,对东亚地区乃至全球水循环都具有深刻影响.过去研究揭示了青藏高原大尺度地形的动力和热力作用对东亚春季降水的重要影响,但青藏高原小尺度地形的作用尚不明确.本研究发现,副热带西风流受青藏高原小尺度地形扰动激发的地形重力波,同样对东亚春季降水具有重要贡献.垂直传播的地形重力波在对流层中层发生破碎,产生纬向拖曳,从而驱动跨越青藏高原的经向环流.在青藏高原南侧,经向环流上升支的动力抽吸作用使得对流层低层气压减弱,从而增强经向气压梯度力和西南季风,将更多水汽输送至下游东亚地区,最终导致春季降水的增多.该研究有助于更加全面地理解青藏高原多尺度地形对东亚春季降水的影响,为西风-季风协同作用提供了新的视角.     

地幔对流拖曳力影响青藏高原东北缘地壳运动格局的数值模拟研究

基于近期关于青藏高原东北缘岩石圈速度、流变结构和地壳形变的观测和研究结果,建立了青藏高原东北部岩石圈三维有限元模型,并考虑了地幔对流拖曳力、高原重力势能、块体间相互作用等外部和内部条件对青藏高原东北缘岩石圈现今运动格局的控制作用.将地表运动速率的数值模拟结果与观测结果进行比较,结果表明:活动地块相互作用和高原地形蓄积的重力势能对高原内部向高原边缘逐渐变小的地壳运动特征具有控制作用,而以往关注不多的地幔对流拖曳力对青藏高原内部的地壳运动方向具有明显的控制作用;此外,基于岩石圈水平运动速率与下伏地幔对流速度差异、地震波各向异性观测提出的不同地块垂直连贯变形差异等观点,提出模型范围不同地块岩石圈底部地幔拖曳力作用强度存在差异的设想,并引入了地幔拖曳力强度因子并进行数值模拟,得到的地表形变速率模拟结果与GPS观测结果更为一致,模拟结果进一步支持了地震波各向异性观测提出的观点,即不同地块的壳幔耦合程度存在显著差异.     

湍流湿度脉动特性研究——根据淮河流域实验资料

利用淮河流域实验得到的湍流湿度脉动资料 ,应用统计理论、Fourier分析和小波分析方法 ,对湍流湿度脉动的统计特征、谱特征和间歇性特征作了初步分析 .结果表明 :(1)在淮河流域这样的高湿地区 ,水汽对其地表能量平衡 ,能量输送与循环具有重要作用 ;(2)湍流湿度脉动的能谱和互谱在惯性副区基本符合“ - 2 /3”次律和“ - 4/3”次律 ;(3)淮河流域湍流湿度脉动场存在很强的间歇性 ,不符合Kolmogorov湍流理论 .利用离散正交小波变换将湍流湿度脉动场中的耗散事件分离出来 ,通过引入限制因子 ,将湍流脉动场中的耗散事件滤去后 ,能较好地抑制湍流湿度的间歇性 .但与风速脉动相比 ,湍流湿度场间歇性的抑制效果较差 .     

气溶胶辐射效应对城市边界层影响的数值模拟研究

近年来,伴随污染和城市化进程的加剧,气溶胶辐射效应对城市边界层的影响日益显著.文章以北京地区一次冬季污染过程为例,采用中尺度数值预报模式,在优化辐射方案中气溶胶垂直廓线的基础上验证了模式的有效性,分析了气溶胶对辐射和边界层的影响过程,最后通过敏感性试验探究了气溶胶、城市化和气象要素间的相互关系.结果表明:(1)优化后的模式可以较好地模拟北京地区温度场、湿度场、风场的分布特征.(2)气溶胶在大气中通过削减到达地面的入射短波辐射使地表温度降低,通过对辐射的吸收或后向散射作用,使高层温度升高,温度场的变化使层结稳定性增强,从而减少近地层的能量输送,使边界层高度下降.(3)随着气溶胶光学厚度的增加,乡村地区最易变为稳定层结,郊区较易变为稳定层结,城区最难变为稳定层结,且气溶胶辐射效应、城市下垫面以及二者的共同作用是影响城市边界层气象要素变化的主要原因.     

青藏高原地-气过程动力、热力结构综合物理图象

根据第二次青藏高原大气科学试验（ＴＩＰＥＸ）３个边界层观测基地（改则、当雄。昌都）及相关的卫星、探空、地面等加密观测（ＩＯＰ）资料，综合分析了青藏高原地－气物理过程及其动力学模型，揭示了高原边界层动力学特征和高原湍流运动规律；发现高原边界层低层风向、风速具有多层次变化特征，高原边界层对流混合层较为深厚，高原边界层大气密度远小于平原特征相联系的高原湍流运动“强浮力”效应。高原深厚边界层Ｅｋｍａｎ螺线及高原边界层动力“抽吸泵”效应。研究了高原近地层局地水汽静态分布状况和水汽的侧边界平流输送特征。分析了高原近地层与边界层异常热力结构，其中包括高原强辐射现象、高原中部地面强热源特征等。综合上述青藏高原近地层与行星边界层动力、热力结构特征，提出了描述高原边界层湍流与对流混合机制的综合物理图象。揭示了显著影响中国长江流域洪涝的青藏高原对流云团的生成、发展和移动的特征，给出与高原“爆米花”云系频发相关的湍流运动和对流泡动力、热力结构概念模型。