夏季绿洲气候效应的观测和数值模拟

利用“金塔绿洲能量水分循环观测试验”的资料和中尺度数值模式对绿洲小气候效应进行了17天较长序列的研究,在模拟过程中每天替换土壤湿度。研究结果表明：在分析时段内2004年7月6目前和9日后分别盛行西北风和东风两种背景风;白天,绿洲低层相对沙漠是一个冷源,随着高度的增加逐渐转为暖中心,温度场在600～700hPa之间转变。当背景风较大时,绿洲上空的温度中心会偏向绿洲中心下游。白天绿洲低层风场平均态为在东风背景场的基础上向南北两侧辐散,随着高度的增加风场逐渐由辐散转为向绿洲的辐合,转变高度在700hPa以下,且低于温度场的转变高度。白天绿洲上以下沉运动为主,绿洲风次级环流是绿洲上夏季晴天长期存在的平均态。当背景风较小时绿洲低层可形成向四周辐散的风场,当背景风场过大时,无绿洲环流生成。绿洲为高湿场,在绿洲边缘沙漠上存在的逆湿和高水汽柱,既阻止沙漠上干热气流侵入绿洲,又防止绿洲上水汽的流失。白天沙漠、绿洲的地表能量通量差异较大,绿洲上以潜热为主,沙漠上以感热为主,二者量级相当。绿洲上的边界层高度低于沙漠的,对绿洲生态系统起一定的保护作用。     

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。     

夏季金塔绿洲冷岛效应的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5对金塔绿洲2003年7月31日～8月2日的观测资料进行了模拟研究，分析了金塔绿洲的温、湿、气压、风场演变。结果表明，绿洲上白天为湿冷中心，气压场表现为低层（850hPa）高压，高层（700hPa）低压。受背景场影响，温、湿、气压中心偏离绿洲中心，风场向背景风的垂直向辐散。但绿洲上的感热和潜热场形状不受背景风场影响，不产生变形、偏离，同绿洲形状重合。     

夏季金塔绿洲与沙漠次级环流近地层风场的初步分析

利用2004年6～8月在甘肃省酒泉金塔地区进行的“绿洲-沙漠能量和水分循环的野外观测试验”的风场资料,分析了该地区两种不同的绿洲沙漠低层风场结构。结果表明：绿洲沙漠的温差效应可以激发绿洲和沙漠间的次级环流,在白天绿洲沙漠边缘低层是辐散气流,夜间表现为辐合气流;在大背景风场较强的情况下,在背景风场风向方向上局地环流被掩盖,而其它方向上局地环流占主导地位;大背景风场处于转换期,如西风转东风时,当西风削弱。而东风还没有产生时,绿洲地区背景风场很小,绿洲沙漠环流较为明显。     

山东初冬一次极端降水和大风天气成因分析

利用常规地面、高空观测、雷达及ERA5再分析等资料，对山东初冬一次极端降水、大风天气成因分析，结果表明：低槽东移发展，冷空气南压，低空切变线配合东北、西北地区地面高压坝形成的“阻挡”形势利于极端降水的产生。本次水汽条件具有较强的极端性，水汽通量辐合远强于气候平均态，925 hPa和700 hPa水汽通量辐合大值区分别与雨、雪区域配合较好。降雨时垂直上升运动中心在边界层，升至600 hPa时转为降雪，降雨时低层辐合、高层辐散，降雪时由低到高呈辐散-辐合-辐散分布。冷锋过境条件对称不稳定触发产生对流，随后在冷锋后侧逆温层上由锋生过程的上升支环流强迫产生高架对流。强冷空气扰动从内蒙古高原下滑至华北平原，与近地面冷平流汇合增强，产生较强变压风，同时促进了势能向动能转换和动量下传。地形强迫造成下沉运动增强，华北地区低层形成锋面次级环流，环流前部锋区暖界面为地转偏差辐合，冷界面为地转偏差辐散。环流内有水平动能和地转偏差大值区，偏北气流和下沉运动使水平动能向南、向下输送，导致地面极端大风。     

云南中尺度对流系统地闪分布差异及成因

利用NCEP/NCAR资料以及气象卫星和闪电定位系统等探测资料对2010年3种中尺度对流雷暴系统进行分析。结果表明:MCS频繁地闪对应着TBB≤-52 ℃,但其低中心及其梯度大值区和地闪频数空间分布不同,MCS具有后侧对流发展型、中间对流发展型、前侧对流发展型等三种特征;北方低槽切变配合南方倒槽、高层偏北气流叠加在低层偏南气流上的垂直风场结构、深厚的减弱台风低压倒槽为MCS提供有利环流背景,而近地面800 hPa中尺度辐合线是诱发MCS的直接影响系统,且对流和地闪易于在偏南暖湿气流或风辐合一侧发展;500 hPa以下水平风辐合及高低层间垂直风切变和垂直风辐合导致强烈上升运动,低层上升气流和高层下沉气流的有利配合及稳定次级垂直环流保障上升气流的维持,为MCS发展提供抬升动力机制;高层强大偏东风和垂直风切变导致对流区在MCS后侧,高层偏东风速小于承载层导致对流区出现在MCS前侧,而弱的风或弱的垂直风切变则导致地闪发生在MCS中部对流区;低层大气温度高于周围大气和650～750 hPa高湿层的存在为MCS发展提供足够热力不稳定条件和充沛水汽条件。      

2005年6月湖南大暴雨过程的天气动力学诊断分析

利用NCEP分析资料和实测资料，对2005年6月初湖南大暴雨过程进行了天气动力学诊断分析。结果表明：暴雨区中上升运动和水汽辐合均大于周围区域，中低层为对流不稳定层结。暴雨区位于非地转湿Q矢量辐合强迫的次级环流上升支中，其南北两侧为非地转下沉气流，下沉气流的补偿有利于暴雨系统的维持。非地转湿Q矢量辐合区对6小时暴雨落区预报有指示意义。暴雨区位于700hPa湿位涡和850hPa湿相对位涡负值中心附近偏暖湿气流一侧。低层暖湿平流和强上升运动致使低层湿空气辐合补偿、热量上传，利于高层辐散增强，抽吸作用加强低空辐合，促使暴雨发展。     

南宁市一次大暴雨的中-αMCS分析

运用卫星云图、雷达回波、Micaps常规及物理资料，对2005年6月5～7日南宁市一次大暴雨的中-αMCS分析，结果发现它发生在200hPa强辐散作用、低层切变线靠近高层辐合区，以及地面倒槽辐合区强上升垂直运动的耦合有利的环境场中。中-αMCS具有低层气旋式辐合、高层反气旋式辐散的配置，高层辐散是低层5倍以上。中-αMCS在发生发展过程中，有来源于孟加拉湾、南海、西太平洋充沛的水汽输送，主要输送层在925hPa。暴雨发生时对流不稳定。雷达径向风速分布揭示了这次暴雨中存在尺度很小的边界层辐合、低层冷平流的动力触发作用。     

高原低涡移出高原的动力结构特征分析

利用ECMWF资料对2001年6月1~5日东移出高原的低涡个例的动力结构进行了诊断分析。结果表明:(1)低涡东移过程中,闭合等高线或者闭合气旋式环流的垂直厚度随时间呈加厚趋势;(2)高原低涡在东移过程中,垂直方向上几乎都是正涡度,500hPa上正涡度随时间呈增强趋势;(3)在高原上时涡区明显低层辐合、高层辐散;移出高原后表现为微弱的低层辐合、高层辐散,甚至低层辐散、中层辐合、高层辐散。(4)处于高原上时涡区整层都为上升运动,移出高原以后上升运动微弱,中低空经常为下沉运动。(5)低涡处于高原上时,涡区在边界层始终有水汽辐合,移出高原以后在低空只有微弱的水汽辐合甚至辐散。涡区外围东南侧的槽前脊后区存在低空急流,是水汽通量和水汽辐合的大值区。      

南宁市一次大暴雨的中-αMCS分析

运用卫星云图、雷达回波、Micaps常规及物理资料,对2005年6月5~7日南宁市一次大暴雨的中-αMCS分析,结果发现它发生在200hPa强辐散作用、低层切变线靠近高层辐合区,以及地面倒槽辐合区强上升垂直运动的耦合有利的环境场中。中-αMCS具有低层气旋式辐合、高层反气旋式辐散的配置,高层辐散是低层5倍以上。中-αMCS在发生发展过程中,有来源于孟加拉湾、南海、西太平洋充沛的水汽输送,主要输送层在925hPa。暴雨发生时对流不稳定。雷达径向风速分布揭示了这次暴雨中存在尺度很小的边界层辐合、低层冷平流的动力触发作用。     

ANALYSES OF WIND STRUCTURE OF TYPHOON FUNG-WONG (2008) AND ITS RELATION TO PRECIPITATION REGION

Using real analysis data of 1°×1° resolution of the National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR), the nondivergent wind component and irrotational wind component obtained by the harmonic-cosine(H-C) method, and the wind structure of Typhoon Fung-Wong (coded 0808 in China) in 2008 was analyzed. The results indicated that the irrotational component was advantageous over the total wind in reflecting both the changes in convergent height and the asymmetrical convergence of Fung-Wong. In Fung-Wong, the nondivergent component was larger than the irrotational component, but the latter was much more variable than the former, which was obtained only from the wind partition method. Further analyses on the irrotational component demonstrated that the location of the convergent center at lower levels was almost the same as the divergent center during the development of Fung-Wong, and its convergent level was high in its life cycle, with the most highest up to 400 hPa when it became stronger. After the typhoon landed in the provinces of Taiwan and Fujian, respectively, its convergent center at lower levels was slowly detached from the divergent center at high levels and the convergent height was also depressed from high levels to lower levels. Gradually, this weakened the intensity of Fung-Wong. This kind of weakening was slow and Fung-Wong maintained its circulation for a long time over land because of its very thick convergent height. Analyses on wind partitioning provided one possible explanation to why Fung-Wong stayed for a long time after it landed. Furthermore, the asymmetric vertical ascending motion was induced by the asymmetric convergence at lower levels. In general, when typhoons (such as Fung-Wong) land, the rainfall region coincides with that of the convergence region (indicated by the irrotational component at lower layers). This means that the possible rainfall regions may be diagnosed from the convergent area of the irrotational component. For an observational experiment on typhoons, the convergent region may be considered as a key observational region.     

吉林省主汛期典型多雨年和少雨年成因对比分析

将1951-2011年吉林省主汛期降水量排名的前、后6位分别定义为多、少雨年,利用NCEP（2.5°×2.5°）再分析资料计算主汛期平均高度场、温度场、风场及比湿、涡度等物理量场;根据天气学原理和常规天气预报经验,对比分析主汛期典型多雨与少雨天气系统结构形态、分布位置、中心强度等特征。结果表明：500 hPa多雨年568等高线较少雨年平均偏南3个纬度,副热带高压588等高线较少雨年平均偏西7个经度偏北1个纬度;低层辐合高层辐散是多雨年的重要特征;850 hPa和700 hPa平均水汽含量多雨年明显多于少雨年;典型多雨年850 hPa风场贝加尔湖附近为单辐合中心,少雨年为双辐合中心。     

华北夏季降水减少与北半球大气环流异常的关系

利用华北地区20站夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用趋势分析、合成分析等方法,对华北夏季降水减少与北半球大气环流异常进行对比分析。结果表明,华北夏季降水量1951—2008年呈显著减少趋势,平均每10 a减少13.4 mm,1965年发生了气候突变,之后降水量减少更加明显。北半球大气环流在1965年前后有明显不同：1）1951—1965年夏季500 hPa高度场欧洲大槽、贝加尔湖槽较深,乌拉尔山高压脊较强,经向环流表现突出;而1966—2008年夏季欧洲大槽、贝加尔湖槽较浅,乌拉尔山高压脊较弱,纬向环流表现突出。2）1951—1965年夏季500 hPa蒙古冷槽位置偏北偏西,冷空气活动经常影响华北地区;而1966—2008年夏季蒙古冷槽位置东移南压到河套附近,冷空气经常影响华北以南以东地区。3）1951—1965年夏季海平面气压场蒙古低压异常强大,而1966—2008年蒙古低压明显减弱。4）1951—1965年夏季850 hPa东亚夏季风一直伸展到华北、东北地区,蒙古地区存在明显的气旋性环流,在河套附近产生风向辐合;而1966—2008年东亚夏季风在到达30°N附近风速显著减小,很少越过长江到达华北地区,在长江流域形成了风速辐合,同时蒙古地区的气旋性环流消失,河套附近的风向辐合变的很弱。1951—1965年华北多雨是由于东亚夏季风水汽的有效输送和河套附近的风向辐合造成的,而1966—2008年长江流域多雨是由于东亚夏季风在这里产生了风速辐合造成的。华北夏季降水减少与北半球大气环流异常有很好的联系。     

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

南方两次相似降雪(雨)过程的对比研究

2006年2月中旬和下旬,长江三角洲一带分别发生降雪和降雨过程,预报过程中对降水形态的预报存在失误。通过对这两次过程的比较分析,期望为今后的预报中区分南方地区的固态降水和液态降水提供一定参考。得出以下一些主要结论:降雪过程高空槽前以偏西气流为主,环流较平;降水过程,槽前西南气流强盛,偏南分量明显。南方大雪的产生须由东北风回流产生的冷平流在华东一带形成冷中心,而北到西北风产生的冷平流降温往往因为降水与降温不同步,无法形成大雪。降雪过程开始前,850hPa附近存在干层,而降雨过程则是中低层都湿。逆温层和700～800hPa的温度对降水形态有重要影响。降雪过程结束时高层先变干,而降雨过程结束时是中层先变干。降雪过程,上空大气中冰雪区集中,含雪量和冰晶含量大值中心与降雪带位置相对应。降雨过程含雪量下界抬高,含雪量和冰晶含量大值中心落后于降雨带,并且南压过程中快速减弱,冰雪区分散。     

金塔绿洲小气候效应的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了夏季金塔绿洲小气候效应特征。绿洲的存在改变了沙漠地区原有的环流结构和湿度分布;绿洲边界层低,沙漠边界层较高,绿洲较低的边界层结构实际上是一个保护层,使得绿洲大气中水分保存在较低边界层中,对绿洲生态系统的发展起到了保护作用;绿洲地区感热通量小,潜热通量大;沙漠地区感热通量大,潜热通量小。通过能量和水分的非均匀分布驱动了绿洲环流,使沙漠区域产生上升气流,绿洲区域产生下沉气流。     

夏季河西地区绿洲-沙漠环境相互作用热力过程的初步分析

从绿洲和沙漠地面能量平衡方程和水分平衡方程出发,得到了表达绿洲稳定度和绿洲环流的表达式,绿洲地表温度低于沙漠的最主要原因是绿洲地表明显的蒸发。绿洲上大气稳定度的增加对于维持绿洲是一个重要的自我保护机制。从动力学角度来看,绿洲区明显的下沉(上升)运动将使大气稳定(不稳定)。反照率效应将减弱绿洲风环流,相反,蒸发效应会驱动它。绿洲中过多的蒸发使绿洲地表温度低于周围沙漠。这种温度差异使绿洲风环流产生,并且使绿洲区产生下沉运动、沙漠区产生上升运动。     

台风“山竹”（2018）远距离暴雨的成因分析

热带气旋远距离暴雨（TRP）往往成为高影响天气,是业务预报难点。本文用地面、探空观测资料、雷达遥感资料以及NCEP一日四次0.5°×0.5°再分析资料,对2018年第22号台风“山竹”登陆广东期间在长江三角洲（简称长三角）地区引起的远距离暴雨过程进行分析。结果表明:（1）这是一次发生在副热带高压（简称副高）控制范围内的热带气旋远距离暴雨,低层受台风倒槽影响。（2）这次过程第一阶段暴雨主要是在强的对流不稳定条件下,由对流层低层“山竹”倒槽中的辐合线触发对流产生,同时对流层高层“山竹”的极向流出汇入加大了中纬度西风风速,在长三角地区上空产生辐散,有利于上升运动的维持。第二阶段,对流不稳定条件有所减弱,但前一阶段强回波产生的低层偏北外出气流与东南风形成辐合线,辐合线上还有中γ尺度的涡旋产生,又促进了对流发展。850 hPa台风倒槽北端形成一个低涡,500 hPa副高边缘发展出一个短波槽,暴雨的动力条件更为有利。（3）长三角的3个强降水中心分别在长江口、杭州湾北岸的嘉兴沿海及宁波沿海,都是在水陆边界附近。（4）远距离暴雨区的涡度收支诊断发现:暴雨的初始扰动主要由近地层水平辐合辐散项提供,850 hPa的水平辐合辐散项和扭曲项共同作用形成和加强低涡,并通过垂直运动上传使中层700～500 hPa附近涡度增长,进而发展出500 hPa短波槽。850 hPa涡度来自于台风倒槽和副高边缘的偏南急流。（5）在这次远距离暴雨过程中,台风“山竹”与海上西太平洋副高之间形成偏南低空急流,向长三角输送水汽,这与典型TRP事件相似。不同之处在于:典型TRP中暴雨的初始扰动一般由西风槽提供,而这次过程主要由低空台风倒槽和偏南急流提供,涡度上传形成高空短波槽,是不同于典型TRP事件的一个物理过程。     

利用RAMS模式对山谷城市冬季局地风场的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的中尺度数值模式RAMS, 采用三重嵌套的方法, 模拟研究了兰州山谷地区局地环流特征。结果表明： （1）兰州市近地面流场以偏东风为主, 在城市东西部之间的狭窄地带, 风速相对较大些, 在东西部山谷城市中心区域有大片的静风区; 冬季兰州市山谷夜间是辐合流场, 白天是辐散流场。受城市热岛环流的影响, 白天热岛环流抑制谷风环流, 夜间增大山风环流, 夜间的山风风速大于白天的谷风风速。（2）白天, 兰州市区山顶和山谷之间上空气柱以下沉气流为主, 这主要是由于地形作用使得白天盛行谷风环流和山峰加热作用的共同影响。夜间, 兰州市区山顶和山谷之间上空以上升气流为主, 这主要是由于地形作用使得市区和山谷在夜间盛行山风环流, 但是冬天夜间兰州市区和山谷上空有较厚的逆温层存在, 抑制了气流的上升运动。（3）在午后13：00左右, 兰州市区山谷从近地面到400 m高度, 辐散场在逐渐减弱, 在510 m左右的高度转变为辐合场; 皋兰山顶上空从近地面到400 m高度, 辐合场在逐渐减弱, 在510 m左右的高度转变为辐散场。在凌晨01：00左右, 兰州市区山谷从近地面到400 m高度, 辐合场在逐渐增强, 到400 m高度达到最强, 从400 m到510 m高度又逐渐减弱; 皋兰山顶上空从近地面到220 m左右的高度, 辐散场在逐渐减弱, 在400 m左右的高度辐散场转变为辐合场, 从400 m到510 m左右的高度, 皋兰山顶的辐合场逐渐增强。     

2019年台风利奇马引发山东特大暴雨成因分析

利用地面观测资料、雷达资料、FY-2G卫星云图资料及欧洲中心细网格资料,对台风利奇马登陆北上引发山东特大暴雨的成因进行分析。发现:利奇马登陆北上过程中,冷空气先后从台风的西部、西南部与南部侵入至台风中心内部,使其暖心结构逐渐减弱,其变性时段发生在10日20:00至11日08:00。山东的特大暴雨主要出现在台风变性前12h至台风变性后6h。变性之前的暴雨主要是由于台风螺旋云带与高空槽尾部云系相叠加造成的,变性之后的暴雨则是由于冷空气侵入致使台风外围云系演变成强对流复合体造成的。变性之前,对流层内800～500hPa风速小,500～250hPa风速大,气层内有暖平流,整层的上升运动,降水以暖区对流降水为主;变性之后800～500hPa风速大,500～250hPa风速小,500hPa至地面是上升运动,以上为下沉运动,降水以斜压锋区附近的对流降水为主。当500hPa至地面气层内出现冷平流时,湿层变薄,降水趋于减弱。特大暴雨区出现在台风中心西北方向,与850hPa假相当位温锋区与水汽通量散度辐合大值区相吻合。