非均匀网格的过渡湍流理论及其大气边界层数值模拟中的应用

本文将Ｓｕｌｌ提出的均匀网格下的过渡湍流理论推广到非均匀网格情形，推广的非均匀网格的过渡湍流理论满足Ｓｔｕｌｌ提出的对过渡矩阵系数的要求并具有清晰的物理意义。然后，将非均匀网络的过滤湍流理论应用于一维大气边界层数值模式中，对Ｗａｎｇａｒａ资料进行了模拟，并与均匀网格情形进行了对比。     

非均匀网格的过渡湍流理论及其在大气边界层数值模拟中的应用

本文将Stull提出的均匀网格下的过渡湍流理论推广到非均匀网格情形，推广的非均匀网格的过渡湍流理论满足Stull提出的对过渡矩阵系数的要求并具有清晰的物理意义。然后，将非均匀网格的过渡湍流理论应用于一维大气边界层数值模式中，对Wangara资料进行了模拟，并与均匀网格情形进行了对比。计算表明，非均匀网格的过渡湍流模式能很好地模拟Wangara大气边界层平均量与湍流量的变化；本文非均匀网格的过渡湍流理论的推广是可行的，它可能会在大气边界层数值模拟及其他方面（如：中尺度模式）得到应用。     

用K理论研究南京大厂地区污染物扩散

本文用三维K理论扩散方程对南京大厂地区污染物浓度分布特征进行了讨论。在K理论扩散方程中,输入的风速廓线、扩散系数廓线采用Businger通量廓线关系式。用塔层风资料求取了南京地区近地面特征量。用具有四阶精度的Chapeau函数方法对三维K理论扩散方程进行数值求解,计算了大厂地区SO_2年平均浓度分布,和实测值基本上吻合。本文还研究了忽略水平扩散系数、不考虑风速随高度变化,对污染物地面浓度分布的影响。结果表明:在点源的下风方1—5千米范围内,不管是较强的还是较弱的风,忽略水平扩散系数都会使计算的地面浓度估计过高;忽略风速随高度的变化,会给计算带来一定的误差。     

凝结几率函数的引进和非均匀饱和湿空气动力学方程组

引进凝结几率函数,并摈弃“凝结过程开始于某个临界的相对值”的假定,使湿空气动力学研究摆脱整个大气总是处处维持饱和的不合理要求,建立了非均匀饱和湿空气动力学方程组,并在一定的假设下给出了方程组的一些简化形式。     

大气边界层的研究——从均匀到非均匀

主要从理论、试验角度对大气边界层的研究进行了简要的回顾,尤其对近年来倍受关注的非均匀地表条件下的边界层研究进行了较详细的介绍,并对大气边界层的研究进行了展望。20世纪50年代,Monin和Obukhov提出的Monin-Obukhov相似理论,为现代大气边界层物理学奠定了基础。之后进行的多次大型综合性外场试验,不仅揭示和发现了大气边界层中的许多现象和规律,也验证和发展了Monin-Obukhov相似理论。80年代以后,非均匀地表条件下的大气边界层研究越来越受到关注,一些新的现象被揭示,新的问题被提出,同时也提出了一些新的概念和研究方法。未来10 a,除大气湍流机理等需长期坚持研究外,还应进一步开展非均匀复杂下垫面边界层研究、城市边界层研究和局地边界层气象预报研究。     

大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及试验研究

该文在大气边界层多尺度湍流理论和湍流穿越理论的基础上,建立了大气边界层感热通量的非局地多尺度湍流计算方法,并选用1998年5～8月份第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）的大气边界层综合观测基地昌都站观测资料,分别用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法和经典相似理论计算感热通量。对计算结果的对比分析表明,用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法能计算出感热通量的逆梯度输送,也能计算出青藏高原近中性层结条件下明显的感热通量。此外,多尺度湍流理论还有待进一步发展完善,提高感热通量的计算精度。     

中尺度动力学与暴雨等灾害性天气预测理论的研究

我国科学工作者对中小尺度天气动力学的研究一直给予高度重视,同时注意灾害性天气预测理论的发展。本文介绍了近年来中国科学院大气物理研究所在这方面的部分主要研究结果,并对今后的工作提出了一些看法。     

层状云播云线源非均匀、非定常输送扩散数值模拟

大多数层状云播云线源输送扩散模式常采用一些不合理的假设,使得输送扩散过程中起重要作用的一些物理过程被忽略。烟团轨迹模式能够处理源参数和气象要素的时空变化,适用于各种尺度和各类源的输送扩散模拟。因此,本文建立了一个模拟层状云播云线源输送扩散的三维时变烟团轨迹模式,并考虑了地形,垂直风切变作用,播云参数的时空变化和线源的湿清除效应。增雨作业实例我的数值模拟研究结果表明：模拟的播云线源输送扩散特征与输送扩散的基本理论和一般规律相吻合,并且再现了非垂直（与风向上）多条播云线源非均匀非定常的输送扩散特点。浓度等值线水平,垂直分布均不规则,比均匀定常点源更为复杂,整体不满足高斯浓度分布,表明在这种情况下均匀定常模式已不适用。另外,模式能够精确地模拟出播云线间的精细结构。     

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能, 首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程, 然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟, 最后对金塔绿洲、 戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明： RAMS模式对绿洲、 戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好, 基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势, 较好地模拟出了绿洲_沙漠环流引起的绿洲“冷岛效应”和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的“逆湿”现象; RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况, 而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量, 三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近; 同MM5模式的模拟结果比较, RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、 感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。     

非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验

传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的,在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案,利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试,着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明:在非均匀网格下,提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%),特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时,高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势,4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。      

34层线性球面原始方程谱模式与模式大气对地形强迫的响应

本文建立了一个34层包括牛顿冷却、Rayleigh摩擦和非绝热加热线性原始方程谱模式。用此模式对地形强迫为下边界条件进行时间积分。结果表明,此模式计算稳定,有较好的精度及计算时间节省的特点模式的积分结果还表明,此模式对球面大气准定常行星波的形成和传播有较好的描写能力。     

冬季中国东部海区热通量变化与中国气温降水的关系

利用OAFlux月平均热通量、NCEP/NCAR（1958—2006年）再分析和全国160个站的月降水、气温等资料,采用相关分析、合成分析等方法,分析了中国东部海区海气界面热通量变化特征及其与中国冬、春季降水、气温的关系。研究表明,中国东部海区为潜热通量和感热通量年际变化的关键区,冬季变化最为显著,具有明显的年际和年代际变化特征,热通量的增强趋势明显。热通量的年代际变化与同期冬季中国华南降水存在明显正相关,与华北降水存在负相关、与气温存在显著正相关。1983年气候突变前热通量年际变化与同期中国长江下游地区降水有很好的负相关。突变后热通量年际变化与同期淮河流域降水存在显著负相关;与后期春季中国两河流域降水存在显著负相关,与两河流域气温存在显著正相关。     

一次夏季雷暴天气过程中闪电活动特征分析

利用探空资料、多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年7月30日发生在南京地区一次雷暴天气过程的雷达及闪电数据时空演变特征。结果表明：对流有效位能Ecap比起K指数（IK）等对于对流潜势预报具有更明显的指示作用,0 ℃层和-10 ℃层高度的降低有利于雷暴云的雷电活动;整个过程以负闪为主导,闪电强度越大,闪电频数也越高,每次闪电峰值后,都对应一次谷值;闪电数据与多普勒天气雷达回波叠加后分析发现,回波的生消演变对应着闪电频数和强度的生消演变,负闪主要落在强回波中心区域,正闪零星分布于回波强度梯度较大的区域;雷达径向速度图像特征变化更能揭示闪电发生发展的机制,逆风区对应雷暴中心区域,不仅是强降水的中心区也是闪电的中心区,对逆风区的识别监测能够更好的指导雷暴预警报工作;利用雷达数据计算的云底动能施力参量,能够很好的描述支持闪电起电的热动力特征,云底动能施力对雷电增长的贡献有一段持续传输过程,该参量峰值比频闪峰值和强度峰值都约有0.5 h的提前量。     

弱垂直风切变下台前飑线不同发展阶段的热、动力特征分析

以2014年7月18日09号超强台风"威马逊"影响期间,发生在湘赣地区的一次台前飑线过程为例,讨论了在垂直风切变明显弱于中纬度飑线情况下台前飑线的生成与发展机制。研究表明:1)在飑线初生阶段,弱垂直风切变与较弱冷池相平衡使得飑线垂直发展,其前部上干冷下暖湿的不稳定环境条件是其发展加强的热力因素;台风倒槽右侧风向水平切变、飑线前侧的阵风锋是其发展的动力条件。2)在飑线成熟阶段,飑线后侧的地面冷池范围变大、强度变强,导致飑线前方的水汽及能量补给减弱;同时飑线后部中层干冷空气入侵加强,飑线上升气流向冷池方向倾斜,垂直抬升条件减弱,不利于台前飑线的发展维持。成熟阶段的这两个特点表明台前飑线由盛转衰。3)在飑线消散阶段,由于飑线远离台风,台风的影响减弱,导致台前飑线水汽和动力条件不足,从而消亡。     

大气复合污染是灰霾内因

使用北京区域环境气象数值预报系统2015年11、12月和2016年1、5、6、7月PM_2.5浓度的模式模拟结果与同期有限观测资料进行相关分析,探索在站点稀少情况下如何确定最优测站分布策略的方法。通过模拟结果与有限观测资料的结合,使用观测资料筛选比较好的模拟结果,可以得到有较高空间分辨率和一定时间序列长度的资料, 进而可以进行站点代表性分析确定最优站点分布。基于该方法分析了北京地区气溶胶观测的站点分布策略。北京地区PM_2.5浓度呈南高北低的分布, 另一个显著的特点是有沿地形分布的特点。冬季与夏季明显的区别是,夏季PM_2.5浓度变化比较大的区域在西南部,而冬季该大值区沿地形向东北扩展比较明显。总体上,观测站点分布宜在北京西南部采用较小的站距,向北向东站点距离逐步增大。针对冬季观测站点分布的显著特征是西部沿山一带需要较高的站点密度。要获得相同质量的空间分布特征,冬季站点总体密度比夏季高。

     

1979—2017年南海SSTA时空特征及其与沃克环流异常的相关

利用1979—2017年HadISST月平均海面温度资料、ERA-Interim大气资料以及GPCP Version 2.3集合降水资料,分析了南海海面温度距平（SSTA）场的时空分布特征,并从南海降水异常的角度探讨了在ENSO期间,沃克（Walker）环流异常对南海海面温度异常（SSTA）的影响过程。结果表明,南海SSTA场分别存在全海域一致模态、东西反位相的偶极子模态以及纬向三级子正负位相三个主要模态,且三个模态都具有显著的准2 a及4 a左右的年际振荡周期,反映了南海SSTA与ENSO现象的高度相关性。对Walker环流异常的分析表明,Walker环流异常与ENSO事件及南海SSTA存在较好的相关。ENSO事件发生时,Walker环流异常移动通过“云辐射反馈过程”,使得南海海面温度（SST）发生改变,因此Walker环流在ENSO影响南海SST异常过程中起到“大气桥”的作用。     

2008-2009 年江苏省闪电特征分析及应用研究

统计了江苏省气象部门雷电探测系统2008-2009 年闪电记录,对江苏省闪电强度、闪电频数等闪电特征进行分析,得出江苏省的雷电流强度和闪电分布都有明显的时空差异,并且闪电频数和强度在空间分布上基本呈相反分布;同时利用地闪记录与雷暴日数的关系&得出了适用于江苏13 个地级市的地闪密度计算公式。     

西南地区东部夏季旱涝的水汽输送特征

利用1959-2006年两南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了西南地区东部夏季旱涝年的水汽输送特征.结果表明,西南地区东部水汽来源主要有两个:第1条主要来自青藏高原转向孟加拉湾经缅甸和云南进入西南地区东部,第2条水汽经由孟加拉湾南部,强大的水汽输送带继续向东输送至中南半岛及南海,与南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部,而由四太平洋副热带高压西侧转向的偏南水汽对向西南地区东部水汽输送也有影响.与西南地区东部夏季降水相联系的水汽通道中,印度洋水汽通道强度最强,太平洋水汽通道强度最弱.在印度季风区,偏北的高原南侧水汽通道(经向)强度远小于偏南的印度洋水汽通道.东亚季风区夏季水汽输送经向输送大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则是纬向输送大于经向输送.西南地区东部夏季降水与纬向通道的强度变化关系密切,而与经向通道的水汽输送强度变化关系不明显.当印度季风区南支水汽输送偏弱时,印度季风区北支(高原南侧)和东亚季风区向西的水汽输送偏强,使得以纬向输送为主的印度季风区经向水汽输送加大,而以经向输送为主的东亚季风区纬向水汽输送加大,从而使东亚地区的水汽输送带偏西,西南地区东部夏季降水偏多,可能出现洪涝,反之则可能出现干旱.西南地区东部夏季水汽有弱的净流出,是一个弱的水汽源区,南边界流入水汽量最多,干旱年整个区域水汽流出较常年明显,而洪涝年则有弱的净流入.夏季水汽通道水汽输送强弱变化与同期500 hPa高度场和SST场的分布形势密切相关.     

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演在台风暴雨研究中的应用进展

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演是近代天气学中的先进动力诊断工具。Q矢量被视为估算垂直运动的有效方法。螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量。位涡是一个综合反映大气热力和动力性质的物理量并具有守恒性和可反演性。位涡反演是指在给定位涡分布和边界条件且假定运动是平衡的情况下,可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度等物理量的分布。台风暴雨形成机理及其预报研究一直是大气科学研究领域的重点和业务天气预报工作的难点。文章将着重总结分析国内外有关将Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演方法应用于台风暴雨研究的进展状况,并对未来如何综合应用上述诊断工具进行了展望。     

关于大气系统中的熵演化方程——答“‘大气中的耗散结构与对流运动’一文商榷”

本文从三个方面回答了文[1]中提出的一些问题.阐述了熵平衡方程在大气科学中的具体应用与一般抽象描述的不同,并指出应从事物发展和演变的物理过程上辩证地去理解大气系统中熵演化方程的具体含意,最后还对与物理概念有关的数学问题作了讨论.