中尺度非均—边界层气候的数值研究——(Ⅱ)夏季的数值试验

用修改的 Nickerson 等提出的中尺度模式,对我国北方夏季非均一下垫面上的边界层气候特征进行了研究。结果表明,在晴朗、静风和无扰动系统的条件下,下垫面的非均一性对边界层气候起着决定性的影响。边界层气候特征和低空急流强度与局地环流关系密切。干燥裸地上边界层内出现的逆湿现象,是由下垫面非均一的湿度场和中尺度平流共同引起的。     

干旱地区中尺度非均匀边界层气候的数值研究

为了用中尺度模式研究干旱地区非均匀下垫面与大气的相互作用及其对边界层气候的影响，本对Nickerson等提出的β-中尺度模式进行了某些修改．在此基础上我们着重对模式进行了敏感性试验．结果表明：模式对植被覆盖度和背景风速十分敏感。其次我们用此模式研究了我国北方(40°N，100°E)夏季非均匀下垫面对边界层气候的影响．     

中尺度非均一边界层气候的数值研究: (Ⅱ) 夏季的数值试验

用修改的Nickerson等提出的中尺度模式，对我国北方夏季非均一下垫面上的边界层气候特征进行了研究。结果表明，在晴朗、静风和无扰动系统的条件下，下垫面的非均一性对边界层气候起着决定性的影响。边界层气候特征和低空急流强度与局地环流关系密切。干燥裸地上边界层内出现的逆湿现象，是由下垫面非均一的湿度场和中尺度平流共同引起的。     

层积云覆盖的边界层数值模拟研究(Ⅰ):数值模式的建立

层积云是一种在湍流作用下形成的边界层云,在这种边界层中,层积云顶即边界层顶,云层和非云层耦合在一起,为了加深对这种层积云覆盖的边界层的理解,许多作者已经做了大量的野外观测和数值试验研究,然而在数值模拟研究中存在湍流和云物理模式相互脱节的现象,针对这种缺陷,本文在湍流控制方程组中引入云滴控制方程,发展了一个新的用于研究海区层积云覆盖的边界层的数值模式,所建模式具有如下特点：（1）实现了云物理模式与湍流模式的相互耦合;（2）实现了云滴分档凝结模式和三阶湍流闭合边界层模式相互耦合,利用所建模式对大涡模拟对比试验所采用的个例进行了数值模拟,数值模拟结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层微湍流结构和云微物理过程。     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验——Ⅰ．对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场，表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换，并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气。对台风Dan的模拟个例表明。由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同，风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异。不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异，与此相对应，在不同边界层方案下，Eta方案模拟的台风强度偏大；而Burk—Thompson和Blackadar方案略次之，在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱，体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响。     

中尺度数值模式中湿过程参数化的敏感性试验

本文利用一个三维中尺度模式，分别采用两种不同的湿过程处理方案ＦＰＡ和ＮＣＡ模拟同一个洋面冷锋个例，以考察模拟结果对湿过程参数化方案的敏感性。两种方案的区别在于前一种使用了次网格湿对流参数化而后者没有。通过比较分别使用ＦＰＡ和ＮＣＡ方案所进行的模拟ＦＰＳ和ＮＣＳ，发现冷锋结构在两者间出现较大差异。从８５０ hPa等压面|Δθe|等值线图所显示的结构看，ＮＣＳ中冷锋呈现为一长一短两条锋带，而ＦＰＳ中冷锋仅呈现为一条锋带。在相应的冷锋横向垂直剖面中，ＮＣＳ中存在两个相邻的锋面垂直环流，而ＦＰＳ中只有一个。另外，ＮＣＳ中对流不稳定的冷锋区出现垂直运动过分发展的现象，而ＦＰＳ中不存在这个问题。通过与卫星云图比较，我们注意到，ＮＣＳ中尽管出现了垂直运动过分发展的现象，但相对于ＦＰＳ而言，其模拟的冷锋结构与实际较为接近，成功地模拟出云图上显示的双冷锋结构。ＮＣＳ中垂直运动过分发展的一个重要原因是模式中采用的静力平衡近似。ＦＰＳ中次网格对流参数化方案的使用，通过减少甚至消除对流不稳定度，一方面使垂直运动的过分发展倾向受到约束，另一方面也可能使在对流不稳定层结下的锋区环境中本应出现的中尺度结构失去了形成的机会。     

对华北中尺度低压个例的数值模拟及敏感性试验

选取典型个例，用MM4模式对华北中尺度低压进行模拟分析以及敏感性试验。检验了MM4模式对行星边界层中尺度系统的预报能力。通过调整风场，温度场，气压场与地形的配置关系，设计多种试验方案，并讨论了气流与山脉交角大小，冷暖平流对华北中低压的影响，结果表明，气流与山脉交角大，低层暖平流或弱冷平流，对华北中低压形成是有利的。反之，则不利于华北中低压出现。通过对天气观测事实和模拟试验结果进行分析，提出对华北中低压有重要作用的大尺度背景条件。     

低空急流发生、发展的数值试验(Ⅰ)——数值模拟

为探讨低空急流发生、发展的物理机制及积云对流的影响,本文用一改进的有限区域五层原始方程模式,对发生于1983年夏季梅雨期间长江流域以南的一次低空急流过程作了数值模拟。并对急流特征、急流区质量调整及积云对流加热的影响作了初步分析。     

辐射雾生消的数值研究(Ⅰ)——数值模式

本文建立了一个描述辐射雾生消过程的数值模式,预报量包括风速、温度、比湿、雾含水量及雾滴浓度等。 采用了新的雾微物理过程参数化方法及湍流交换系数公式,构造了考虑水汽、水滴对红外辐射吸收和发射及水滴对短红外辐射散射的辐射参数化计算方案。 对具有代表性的实际雾过程模拟,结果表明,模式可行。     

中尺度数值天气预报的初步试验

通过用中尺度MM4模式对2004年11月14日到15日天气过程进行数值模拟预报试验，了解MM4模式和用数值预报模式进行天气预报的全过程。对MM4模式的初次应用表明，中尺度数值模拟及预报的研究在一般台站是可行的，中小尺度数值预报模式为今后发展地县精细化预报及中尺度过程诊断分析提供了良好的工具。     

非绝热β中尺度非线性不稳定的数值研究

本文从无粘、非绝热的Boussinesq方程出发,凝结加热参数化采用Emanuel的Wave-CISK方案,研究了在考虑凝结加热时β中尺度非线性不稳定问题,发现潜热释放会加强不稳定,且其作用时段在不稳定发展的中后期;非线性作用使得波形发生变化,也改变了波动的传播速度。     

中尺度数值天气预报的初步试验

通过用中尺度MM4模式对2004年11月14日到15日天气过程进行数值模拟预报试验,了解MM4模式和用数值预报模式进行天气预报的全过程。对MM4模式的初次应用表明,中尺度数值模拟及预报的研究在一般台站是可行的,中小尺度数值预报模式为今后发展地县精细化预报及中尺度过程诊断分析提供了良好的工具。     

边界层夜间急流的数值试验

为了揭示边界层风温场在日变化过程中的相互联系,展示不同条件下夜间急流形成过程的具体图象,本文应用非定常边界层模式,对四种型式、具有一定代表性的典型初始风场,在不同的温度层结下的日变化过程进行了数值试验,并从边界层动力学角度,剖析了夜间急流形成的物理机制。     

中尺度模式中辐射作用的敏感性试验

在中尺度区域气候模式RIEMS中通过考虑和不考虑辐射对大气温度变化的影响来研究中尺度气象过程对辐射的敏感性。结果表明,在月尺度上,辐射可以引起平均约2℃的温度差,从而影响气压形势场和中尺度气象过程,进而影响降水。但在日尺度上,辐射的作用可以不计。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究(II):逆湿现象的数值模拟研究

研究了逆湿现象,针对陆面过程模式的缺陷,利用文献[1]给出的逆湿现象形成的物理模型,设计了新的陆面过程参数化方案.该新方案成功地模拟出了发生在绿洲附近的沙漠上的逆湿现象,模拟结果与实际观测的结果相互吻合,这表明所建立的新的陆面过程参数化方案是可行的.这些结论将为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示.     

边界层过程对暴雨影响的敏感性试验

用MM5v3模式对江淮暴雨进行了计入与不计入边界层和计入与不计入地面通量的敏感性试验,结果指出二者的影响是一致的,地面通量是边界层影响的主要部分。一般说,不计边界层影响,则湿位涡、水汽通量散度、涡度、低空急流等分布发生变化,其中心位置改变,强度也有改变(大部分减弱),造成总的降水减弱和降水位置的改变。边界层正是通过湿位涡、水汽通量散度、涡度、低空急流等因素的综合影响来影响暴雨,并影响暴雨的落区和强度。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(二)伴随模式系统的检验与试验

在《中尺度数值模式的资料同化系统——（一）伴随模式的设计》一文的基础上,进一步对伴随模式码的检验问题做了讨论。表明采用共轭码方法是可行的。其导出的伴随模式与理论推导的共轭方程是相容的。试验发现该同化系统有消除随机干扰的能力,同化效果好。在同化过程中,系统是先同化大尺度信息,然后逐步同化中小尺度信息。     

边界层气溶胶气候效应的研究

用三维气候模式模拟了边界层气溶胶的气候效应。结果表明，边界层气溶胶可使大气和地表的气候状态发生明显的变化。３００ｈＰ以下气柱中气温升高，地表和土壤温度降低。在气溶胶光学厚度较大的沙漠区上空，水平风场出现气旋性差值环流，垂直上升运动也发生较多变化。降水变化与３００ｈＰａ上垂直运动的变化有很好的正相关。同时讨论了气溶胶气候效应的物理机制。