基于火箭探空资料的冰雹云内部结构个例分析

利用探空火箭、新一代天气雷达和气象探测资料对2015年7月17日延安宝塔区冰雹云进行了综合探测,结果表明:（1）当日08:00（北京时,下同）500 hPa河套低涡分裂东移,有较强冷平流且移动速度较快,地面14:00升温明显造成了这次降雹。（2）偏后位置的冰雹云内部温、湿条件以及对流指数（T_g）、整层比湿积分（IQ）、总指数（TT）均小于外部的自然大气;层结稳定度指数（K）、抬升指数（LI）、沙氏指数（SI）冰雹云内部比外部自然大气偏小;热力参数风暴强度指数（SSI）冰雹云内部低于外部自然大气;冰雹云内部能量参数（CAPE）明显低于自然大气;冰雹云内部0°C层高度低于冰雹云外部自然大气。（3）火箭探测的位置偏冰雹云后部,冰雹云由低层到高层风向呈逆时针变化,探空仪摆动明显,?20°C温度层偏高,气流较强,整层偏下沉气流。（4）冰雹云0°C附近,在温度区间?1.8～5.0°C、厚度1.0 km范围内有最大湿度区,湿度达80%以上,最大湿度87.1%,为冰雹的形成提供了水汽条件。（5）紧贴0°C下正温区,有最大水平风速为19 m s?1急流,厚度为0.022 km。在温度区间?4.8～5.0°C、厚度1.6 km范围内维持13 m s?1以上水平风速,为冰雹的形成提供了动力场条件。（6）在温度区间?8.7～?9.2°C、厚度0.2 km,有小于或等于2 m s?1弱风区;弱风区下方,在温度区间?4.6～?8.8°C、厚度0.889 km有上升气流,平均上升速度1.79 m s?1,最大上升速度4 m s?1,这种配置为冰雹的生长提供了环境场。     

深对流云对不同高度示踪气体层垂直输送的数值模拟研究

采用考虑化学气体传输过程的云模式模拟了2014年7月30日发生在安徽滁州境内一次深对流过程,研究深对流活动对不同高度示踪气体的输送及再分布作用。结果表明,在积云发展阶段,强上升气流使得云内源层示踪气体有效地向上输送,对流层中部强的夹卷过程及水平入流使得云外气体入云输送至主要对流区,并在垂直气流的作用下进一步影响各层示踪气体的分布。各层示踪气体均可向上输送至对流层上部,其中对流层中部示踪气体（2.1~4.5 km、4.5~7.5 km和7.5~10.8 km）的向上输送作用与近地层示踪气体（0~2.1 km）的贡献相当。例如,输送到11~13 km的示踪气体有4.9%来自近地层,6.3%来自2.1~7.5 km。此外,近地层示踪气体可在深对流的水平输送下向云侧边界扩散,将局地污染输送到云外周边地区。源层高度位于2.1~4.5 km的示踪气体可下沉输送至近地层,形成新的局地污染。随着源层高度的抬升,示踪气体向下输送作用减弱,其中对流层上层示踪物（10.8~15 km）无法输送到6 km以下。     

Three case studies of shallow convection using a tethered balloon

Simultaneous wind and droplet measurements have been made in three cloudy boundary layers using tethered balloon-borne instrumentation. The types of clouds studied ranged from small thin cumulus to medium cumulus (non precipitating) and stratocumulus formed by the spreading out (shelving) of cumulus. Available synoptic data have been analysed in order to investigate the relative importance of advection and subsidence over scales of order 100 km in the local boundary-layer development. The factors which influenced the extent of cloud cover are also discussed together with the effect of condensation on vertical air motions in the upper half of the boundary layer. Within individual clouds, horizontal variations in droplet spectra were observed to occur over distances of a few metres being related to both position within cloud and height above local cloud base. These results highlight difficulties which may arise in the interpretation of droplet data of horizontal resolution greater than a few metres. Different clouds sampled on the same day showed different amounts of variability in the droplet parameters but no systematic differences between the various case studies were detected.     

温江站夏季大气边界层垂直结构特征

利用温江观测站边界层塔和探空获取的观测资料,从地表物理量的日变化、边界层的垂直结构及逐日变化这些方面分析该站夏季边界层特征,得到以下结论:(1)地表各物理量都具有明显的日变化特征,呈现一峰一谷的演变状态,其中地表热通量、动量通量、气温以及风速的峰值皆出现在午后,谷值出现在凌晨,湿度与气温日变化是反位相的。(2)近地层低层大气气温在早晚时段,随高度的增加而上升,呈逆温状态;午间时段随高度的增加而下降。9 m以下大气在午后的比湿梯度最大。风速值随着高度的增高而增大,风切变随着高度的增高而减小。(3)探空观测的边界层垂直结构显示:夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,而午后表现为典型的混合边界层特征。大气温/湿度差异随高度增长而降低,各个时次温/湿度的差异都主要集中边界层低层,越靠近地面大气温/湿度差异越突出。8:00的温度最低,14:00最高。14:00的大气比湿最小,2:00和20:00较大。近地层风速随高度增长较快,在离地2~300 m左右高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大。(4)地表温度、短波辐射、感热通量对边界层的高度和降水都有一定的影响。     

大气廓线综合探测系统及其应用技术

介绍了大气廓线综合探测系统——风廓线仪与RASS雷达的工作原理，并以具体实例来说明这种探测技术在国外高空探测领域中的广泛应用。它可以被用来推算湿度廓线，探测锋的热动力结构与垂直风结构，诊断热带地区行星边界层和降雨云系统。通过对中日科技人员2002年夏季在安徽省肥西县进行的中尺度天气观测试验资料分析，阐述了用风廓线仪和RASS雷达资料反演0．2～2．2km高度范围内湿度廓线的方法。     

梅雨静止锋积云群整体属性的诊断研究

本文利用积云群整体诊断模式，对一次梅雨静止锋暴雨过程的积云对流活动进行研究，计算了质量通量、云内温度、比湿、液态水等积云属性，讨论了云中凝结蒸发过程以及对流能量输送特征。结果表明，梅雨积云质量通量比热带扰动大，但积云的发展高度不及热带深厚对流；积云群的降水效率约为50％；潜热在对流能量铅直输送中占显著地位，其量值远大于热带扰动中的对流活动。     

基于多源资料的积层混合云降水微物理特征

基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。零度层以上,5～6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5～6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。     

Cross‐shore variations of near‐surface wind velocity and atmospheric turbulence at the land‐sea boundary during CASP

Abstract

Airborne measurements of mean wind velocity and turbulence in the atmospheric boundary layer under wintertime conditions of cold offshore advection suggest that at a height of 50 m the mean wind speed increases with offshore distance by roughly 20% over a horizontal scale of order 10 km. Similarly, the vertical gust velocity and turbulent kinetic energy decay on scales of order 3.5 km by factors of 1.5 and 3.2, respectively. The scale of cross‐shore variations in the vertical fluxes of heat and downwind momentum is also 10 km, and the momentum flux is found to be roughly constant to 300 m, whereas the heat flux decreases with height. The stability parameter, z/L (where z = 50 m and L is the local Monin‐Obukhov length), is generally small over land but may reach order one over the warm ocean. The magnitude and horizontal length scales associated with the offshore variations in wind speed and turbulence are reasonably consistent with model results for a simple roughness change, but a more sophisticated model is required to interpret the combined effects of surface roughness and heat flux contrasts between land and sea.

Comparisons between aircraft and profile‐adjusted surface measurements of wind speed indicate that Doppler biases of 1–2 m s^?1 in the aircraft data caused by surface motions must be accounted for. In addition, the wind direction measurements of the Minimet anemometer buoy deployed in CASP are found to be in error by 25 ± 5°, possibly due to a misalignment of the anemometer vane. The vertical fluxes of heat and momentum show reasonably good agreement with surface estimates based on the Minimet data.     

敦煌绿洲夏季边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。并且与无绿洲试验进行了比较。结果表明：沙漠中的绿洲在夏季是一个冷源,地面感热通量和潜热通量与周围的沙漠地区存在较大差异。在绿洲区,感热通量小,潜热通量大;在沙漠区,感热通量大,潜热通量小。绿洲边界层顶低,沙漠边界层顶高。绿洲可以改变沙漠地区的大气稳定度,使得原来大气层结不稳定的沙漠地区出现较稳定的大气层结。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区的环流结构及温、湿场的分布,使得在绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气干冷,沙漠上空大气暖湿的边界特征。绿洲边缘的沙漠形成的较大的湿气柱围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。沙漠绿洲低空呈现辐散气流,使得绿洲上风方的沙漠地区风速减小,绿洲下风方的沙漠地区风速增大。     

Organization of tropical convection in a GCM with varying vertical resolution; implications for the simulation of the Madden-Julian Oscillation

 Experiments using a GCM with two different vertical resolutions show differences in the amount of variability in the tropical upper tropospheric zonal wind component associated with the Madden-Julian Oscillation (MJO). The GCM with lower vertical resolution shows very little variability in this quantity whereas when the vertical resolution is doubled in the free troposphere, the GCM produces variability which is of the same strength as observations. However, the eastward propagation of an enhanced convective region from the Indian Ocean into the west Pacific is not well represented in either simulation of this atmospheric GCM. A water-covered or “aqua-planet” version of the same GCM is used to investigate the behaviour of tropical convection when the vertical resolution is doubled. When the vertical resolution is increased, the spectrum of tropical cloud types changes from a bimodal distribution with peaks representing shallow cumulus and deep cumulonimbus clouds to a trimodal distribution with a third peak in mid-troposphere near the melting level. Associated with periods when these mid-level congestus clouds are dominant, the detrainment from these clouds significantly moistens the mid-troposphere. The appearance of these congestus clouds is shown to be partly due to improved resolution of the freezing level and the convective processes occurring at this level. However, due to the way in which convective detrainment is parametrized in this model, the vertical profile becomes rather noisy and this too contributes to the change in the nature of the convective clouds. The resulting cloud distribution more closely resembles observations, particularly during the suppressed phase of the MJO when cumulus congestus is the dominant cloud type. Received: 17 April 2000 / Accepted: 30 November 2000     

On the Structure and Adjustment of Inversion-Capped Neutral Atmospheric Boundary-Layer Flows: Large-Eddy Simulation Study

A range of large-eddy simulations, with differing free atmosphere stratification and zero or slightly positive surface heat flux, is investigated to improve understanding of the neutral and near-neutral, inversion-capped, horizontally homogeneous, barotropic atmospheric boundary layer with emphasis on the upper region. We find that an adjustment time of at least 16 h is needed for the simulated flow to reach a quasi-steady state. The boundary layer continues to grow, but at a slow rate that changes little after 8 h of simulation time. A common feature of the neutral simulations is the development of a super-geostrophic jet near the top of the boundary layer. The analytical wind-shear models included do not account for such a jet, and the best agreement with simulated wind shear is seen in cases with weak stratification above the boundary layer. Increasing the surface heat flux decreases the magnitude and vertical extent of the jet and leads to better agreement between analytical and simulated wind-speed profiles. Over a range of different inversion strengths and surface heat fluxes, we also find good agreement between the performed simulations and models of the equilibrium boundary-layer height, and of the budget of turbulent kinetic energy integrated across the boundary layer.     

The vertical structure of the atmospheric planetary boundary layer in undisturbed trade winds over the Atlantic Ocean

During the Atlantic Expedition 1965 and the Atlantic Tradewind Experiment (ATEX) 1969, shipborne aerological measurements were obtained in order to investigate the thermodynamical and kinematic structure of the planetary boundary layer in low latitudes. Under suppressed convection, the subdivision of this layer into five sub-regions was found to be a rather permanent feature. Enhanced cumulus convection effects a smoothing of the thermodynamical discontinuities and leads sometimes to a destruction of the trade inversion. Due to the surface pressure distribution and the thermal wind distribution in the lower atmosphere, the actual wind speed and direction are nearly constant with height below cloud base. In the cloud layer up to the inversion, the wind speed generally decreases and the air flow tends to become more zonal.     

西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构研究

利用第二次青藏高原(下称高原)综合科考"地-气相互作用与气候效应"立体综合加强期观测试验2019年5月、7月和10月珠峰、林芝、那曲和狮泉河站点的探空资料及ERA5再分析资料.探讨在西风南支与高原季风不同风场控制下高原大气边界层结构特征及其与感热潜热通量的关系.结果表明:西风南支风场下各站点大气边界层高度较高原夏季风风...     

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。     

大陆性浓积云云滴谱离散度影响因子的飞机观测研究

利用2020年7月30日山西省人工增雨防雷技术中心在山西省忻州地区开展的大陆性浓积云飞机探测资料，分析了积云微物理参量、云滴谱离散度随时间和高度的变化以及云滴谱离散度的影响因子。结果表明，该大陆性浓积云云滴谱离散度随高度的增加先递增后递减，但变化范围较小。云滴谱离散度随数浓度、含水量增大而逐渐收敛，呈弱正相关关系；离散度与体积平均半径的相关性随体积平均半径的增大由正转负，与垂直速度呈现正相关关系。云中碰并过程对云滴谱离散度及其影响因子影响较大，建议未来云滴谱离散度的参数化增加对碰并过程的考虑。     

大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

成都地区城市化对气候影响的模拟研究

为了研究成都地区城市化对当地气候的影响,利用不同时期的下垫面土地利用类型数据和耦合单层城市冠层模型(UCM)的WRF（Weather Research and Forecasting）模式对成都夏季和冬季城市化效应进行了模拟研究,得到以下主要结论:1）成都地区城市化使夏季城区上空出现增温区域。城区地表气温升高约2.8°C,边界层高度升高约150 m,冬季地表气温平均升高约0.6°C,边界层高度升高约25 m。夏冬两季气温日较差均减小。2）受城市化影响,成都地区夏季和冬季2 m相对湿度减小,感热通量增加,潜热通量减小,且夏季变化程度强于冬季。3）城市化使地表的粗糙度增加,进而使夏季和冬季风速在城区减小,减小约0.1~0.6 m s?1,但夏季风速减小区域较冬季更大。城市化还使城市上空低层散度减小,辐合作用增强,垂直速度增大,夏季水汽往高层输送明显。4）夏季,城市化作用使日平均和白天时段降水量在城区的迎风区和下风区均增加,夜间降水量在下风区域增加,对迎风区域影响不明显。     

一次层积云发展过程对黑潮延伸体海洋锋强迫的响应研究——观测与机制分析

由于缺乏海上现场观测,对天气尺度扰动下,海表面温度锋 (海洋锋) 对海洋大气边界层 (MABL) 垂直结构和MABL内海洋性低云 (marine stratus) 的影响研究较少。2014年4月12日,中国海洋大学东方红2号科学考察船在黑潮延伸体海区的海洋锋附近捕捉到一次层积云的迅速发展。在比较稳定的天气形势下,由暖水侧向北穿越海洋锋时,云底和云顶高度升高,云区范围迅速扩大。本文利用多种大气-海洋联合观测数据,结合卫星观测和再分析资料,对此次层积云迅速发展的机理进行了综合分析。结果表明,在海上低压后部西北风控制下,在海洋锋的暖水侧 (下风方) 形成热通量大值中心和低压槽,有助于高空西风动量下传,进而又使得海气界面热通量增加,这种正反馈效应为MABL内混合层厚度加大和云底/顶高度在海洋锋的下风方升高提供有利背景条件。4月12日09:00~12:00(协调世界时),来自日本本州岛陆地的低空暖平流到达该热通量中心上空,暖平流与热通量中心的共同作用,导致该时段近海面暖中心强度异常增加,MABL中静力不稳定层加深和低压槽发展,综合作用的结果使得混合层厚度明显加深,云底高度升高,云区迅速发展。本研究有助于理解在复杂大气背景扰动下MABL对海洋强迫的响应机理。