地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅰ:冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题.冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关.当冷锋位于迎风坡时,其坡度减小,位于背风坡时,其坡度增大.在静止冷锋存在两类不同的环流系,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系.静止冷锋位于背风坡,其冷域中的这支闭合环流增强,范围增大,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大.当静止冷锋位于迎风坡时,结果相反.冷锋移动较慢时,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡.当静止冷锋移离地形时,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽.地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现.由于边界层摩擦的辐合作用,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带,当冷锋位于迎风坡时,其强度增强,当冷锋位于背风坡时,其强度减弱.当冷锋位于背风坡时,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区.     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅱ:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题。暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反。地形对暖锋坡度的影响作用较小。与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大。对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大。在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带：（a）由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱。该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱。（b）在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,（c）在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧。     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究II:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题.暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反.地形对暖锋坡度的影响作用较小.与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大.对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大.在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带:(a)由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱.该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱.(b)在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,(c)在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧.     

重力流冷锋及其受地形的影响

建立了一个二维非静力平衡模式，通过坐标变换的方法使得模式低层有较高的分辨率。对重力流的模拟结果显示；本模式模拟出的重力流冷锋主要特征，如抬高的头部、头部较强的上升运动以及等位温线密集带与实际大气观测很一致。此外，模式还成功地模拟出了重力流头部后面底层的高速潜流层。应用模拟结果与理论结果对重力流的移动速度进行了对比分析。当考虑地形时，重力流在山前受阻，其头部比不考虑地形时高，且产生了向上游传播的“涌浪”；重力流过山后其头部降低，位温梯度减弱，头部后面的水平速度减小。此外，还对非静力平衡与静力平衡条件下重力流的差异进行了分析讨论。     

地形影响下冷锋的变形及锢囚

根据传统理论,将锋面看成密度的零级不连续面,设计了一个二层锋面模式,分别研究了东西走向与东北-西南走向的地形影响下冷锋的变形及锢囚现象。分析表明:不同高度的地形对于冷锋变形及锢囚的影响不同,同一高度的地形对于不同强度的冷锋运动也有不同的影响。通过分析研究,形象、直观地揭示了地形影响下冷锋变形及锢囚的一些规律,并与实际天气现象做了一些对比。此外,还分析了山区冷锋的垂直结构,指出冷锋在爬山时锋面中层会出现“隆起”现象,这反映了地形对于冷锋的非线性相互作用;锋面的这种“隆起”现象非常类似于气流过山时形成的“涌浪”(bore).     

三维层结流中地形上空湍流边界层结构特征研究

利用中尺度数值模式ARPS,在理想条件下研究了旋转、地表摩擦的共同作用下,均匀来流条件下,三维层结大气中地形上空及其边界层结构特征.重点讨论了不同的山地流动Fr数、不同上游来流方向情况下,山地流动及其边界层的特征.在大气稳定层结条件下,山地流动具有上游阻挡、下游急流加速以及重力波破碎等流动特征,这些山地流动特征在柯氏力的影响下,均表现出了南北非对称性.当山地流动的Fr数增加(增加地形高度)时,山地流动的南北急流增强,由于柯氏力的影响,南侧急流的增幅更为显著,流动的南北非对称性增强.在干过程山地流动中,由急流所导致的强烈的垂直风切变,是湍流边界层产生和发展的直接决定因素.     

东亚春季强冷锋结构及其动力学诊断研究 I. 东亚春季强冷锋结构

本文利用常规探空资料和华东中尺度试验的部分资料，对1983年春季一次快速南下，并在江淮地区产生大范围强对流天气的冷锋进行了三维结构的分析。通过研究发现，这次冷锋过程主要有以下特征: （1） 与冷锋相对应的高空槽前存在一支下沉（DVM）气流；（2）有一强的辐合区出现在对流层中层，锋前上升运动的最大值也出现在对流层中层；（3）比较强的锋生过程主要集中于对流层中下层；（4）存在一支明显的热力直接环流（TDC），即暖湿空气沿冷锋倾斜上升；（5）在冷锋后存在一支较强的下沉气流（DVM），这支DVM对冷锋逆温层（或等温层）的形成可能有重要作用。并将此次东亚春季强冷锋个例与小仓义光（Ogura）等分析的北美春季冷锋（SESAME）个例作了对比，发现此次冷锋个例中，锋区的温度密集区主要在对流层中层，而北美SESAME个例温度密集区主要在对流层低层。这可能是由于东亚高空急流较强，动力强迫而引发锋生所致。     

冷锋天气大气边界层内臭氧及 氮氧化物的观测研究

利用北京325 m气象塔作为高空平台,于1997年10月观测到一次冷锋过程大气边界层内O3及NOx体积分数的变化,研究了O3及NOx体积分数与气象要素之间的关系,着重讨论了冷锋过境前后O3及NOx的体积分数变化及其与输送过程的关系。研究表明:北京大气边界层中下层存在明显的O3体积分数垂直梯度,O3的垂直输送与风速及温度梯度密切相关。冷锋过程有利于高层O3向低层输送,使O3体积分数垂直梯度明显减小,并使NOx体积分数显著降低。     

复杂地形边界层流场分析的共轭函数方法

将变分资料同化方法用于复杂地形边界层流场分析，利用兰州的一次观测资料进行了数值试验。结果表明，这样得到的分析场比简单客观分析场或数值模拟场都要合理。     

边界层流场和地形特征对青岛奥帆赛场午后海风影响的研究

奥帆赛是奥运会唯一以自然风为动力的竞赛项目,而北京奥运会期间的8月,青岛的风速是一年中最小的,因风速过小致使帆船竞赛地法进行的情况时有发生。鉴于青岛的弱风与海陆风的发展状况关系密切,文中分析8、9月青岛奥帆赛和残奥帆赛期间竞赛海域海陆风的发展条件,并用高分辨率数值模式对相关个例进行了模拟试验研究。结果发现,地面背景气流、边界层中上部径向气流和周围地形、海陆分布等边界层特征,都对竞赛海域海陆风的发展产生影响。其中晴天时,地面西风、弱的北风和东风、均压场环境以及边界层中上部弱的北风条件等,都是竞赛海域海风发展的有利条件;而地面南风(无论大小)、强的北风以及边界层中上部较强的南风和很强的北风等,则是海风发展的不利条件。此外,当地面为东北风时,位于竞赛海域上游的崂山对地面风速有阻挡减弱的作用,从而有利于海风的发展;地面为南风时,崂山和浮山等地形强迫气流在竞赛海域附近向左右分为两支,胶州湾和崂山湾侧向海风(东南风)急流发展又加大了这种分流作用,导致竞赛海域常减小为弱风,使比赛无法进行。以上结论在2008年奥帆赛和残奥帆赛气象保障预报服务中得到运用。     

地形对低空地转基流中波动稳定性影响的进一步研究

用一个带地形的两层均质流体线性模式，考虑了下层流体平均厚度不均匀性的影响，研究了低空地转气流中波动的传播和稳定性。     

地形对地转气流中重力惯性波稳定性影响的进一步研究

用一个带地形的2层均质流体线性模式,考虑了下层流体平均厚度不均匀性的影响,研究低空地转气流中波动的传播和稳定性。     

地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的研究

采用准地转的正压模式, 研究了无非绝热加热时地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度的影响.结果表明: 地形作用对登陆热带气旋西北移动路径的影响比较明显, 而对登陆热带气旋强度的影响不明显; 边界层摩擦可以通过改变热带气旋X方向上和Y方向上的移动速度以及改变热带气旋水平环流结构对登陆热带气旋西北移动路径产生一定的影响, 边界层摩擦对登陆热带气旋强度的影响非常明显, 其中摩擦是造成登陆热带气旋强度迅速减弱的一个重要因素.     

一次低槽冷锋层状云系结构和过冷水分布特征的模拟研究

本文利用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度模式的模拟结果结合飞机、卫星、雷达、地面雨量等观测资料,对2012年9月25日山西一次低槽弱冷锋降水层状云系的宏微观结构和过冷水分布特征进行分析,试图研究低槽冷锋层状云系结构特征及过冷水形成的宏微观条件,为人工增雨作业提供依据。模拟的天气形势、降水、云顶温度、雷达回波、水成物的演变与实测基本一致。结果表明：此次降水过程的系统为低槽弱冷锋,且锋面后倾,位于锋前的云系前部为高层冷云,云顶温度-40℃左右,以冰相粒子组成,没有降水;锋区云系变成高层冷暖混合云,冷区以少量过冷水和大量冰相粒子组成,地面降水最大;处于锋后的云系后部为高层冷云,云顶温度-30℃左右,不存在过冷水,以较少冰相粒子组成,地面降水较弱。过冷水主要分布在锋面前方低于-5℃层,高度偏低、含量偏少,过冷水一方面因垂直上升速度供应水汽维持,另一方面因冰相粒子的凝华而消耗。过冷水层及其下部上升运动较弱、而其上部上升运动较强,不利于在过冷区长时间维持大量液态水,反而促使冰相粒子发展旺盛,此处水汽相对水面不饱和、相对冰面饱和,大量冰相粒子消耗水汽,不利于过冷水的存在,导致云场仅存在少量过冷水。本次过程中,冰核浓度的增大仅增大冰晶浓度,对雪霰含量及-5~0℃的过冷水几乎没有影响。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(I):模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进,利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例,通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征。研究结果表明,地形云的发展受地形影响很大,地形的抬升促进了云和降水的发展,地形的作用也改变了地面降水特征,使云的宏、微观物理结构发生较大变化。     

地形、非对称纬向流和大尺度扰动的相互作用

本文采用波包近似和WKB方法,研究了非对称地形、非对称纬向流和大尺度扰动的相互作用。     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

旋转扰动流体中壁面湍流不稳定及其拟序结构研究I：实验

重点介绍和讨论了中性条件下旋转扰动流体中边界层强迫不稳定及其相关的一些问题,阐述了旋转体系中切变驱动边界层不稳定的动力学特征。这些不稳定状态的研究在大气物理学、流体动力学、海洋学等多个领域中引起科学家极大的兴趣,近年来在实验和理论研究中都得到了不断的发展。意大利都灵大学基础物理系地球科学实验组通过水槽旋转实验方法,不断改变水槽启动或结束时的旋转运动速度,以及底部壁面粗糙度等要素,所得到的实验结果与SDBL理论非常一致。     

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响.最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验.     

小尺度深凹地形PBL结构的数值模拟研究

本大建立了一个针对小尺度深凹地形（深凹露天矿）使用的三维非静力的诊断模式。模式中采用能量（E－）闭合方案，取细网络，具有甚高的空间分辨率。利用该模式充分分析了露天矿边界层的结构特征。数值试验的结果表明．初始地面风速，初始的风速垂直切变，露天矿的采深及边坡用的大小等因素对复环流有较大影响。