台风外围下沉区大气波导成因的数值模拟

受台风鹿莎影响,处在其西侧外围下沉区域的南京地区于2002年8月31日出现了一次大气波导过程,利用大气中尺度模式WRF对其成因进行了详细的数值模拟研究。WRF数值模拟较好地再现了此次波导的演变过程,即波导在31日傍晚开始形成,次日凌晨达到最强,日出后迅速减弱消失。基于数值模拟高时空分辨率的输出结果,对波导成因进行细致分析,结果表明:湿度突变层和逆温层的同时存在导致了波导的发生,前者是其形成的关键因素,而后者的作用主要体现在增强其强度;台风前期流场从海上带来大量的水汽,台风后期流场将北方高空干空气输送到受高压下沉运动控制的南京地区,造成近地层出现下湿上干的剧烈湿度梯度;下沉运动强度并不足以直接导致南京地区的逆温层,但其控制下的晴朗天气非常有利于夜间地面长波辐射冷却而形成逆温。     

一次华南暴雨降水过程的模拟分析

应用显式双参数微物理过程的β中尺度非静力平衡模式,利用福州市1998年6月9日16时的加密探空资料进行了3小时的数值模拟。在模拟过程中形成的上升、下沉气流的有利配置,使得其前部的辐合区域丰富的水汽源源不断地往高层输送,从而维持了长时间降水,是一次超级单体过程。分析了五种相变过程的垂直分布情况及其对水成物和大气温度的贡献,凝结对这两者的贡献占最主要位置。在研究了降水粒子的比浓度和比质量的源汇项后,得出此次降水过程以暖雨过程开始,随后出现霰融化成雨滴并通过碰并云滴增长的冷雨过程。3小时的模拟降水范围超过了100km,累积降水达到了32mm,与附近站点的阶段降水实况比较接近。     

数值模拟积云的发展过程

本文利用胡志晋教授提出的一维时变积云数值模式，输入实际探空资料，地湛江1998年7月15日的一次积云雹过程进行了模拟计算，预报了各种水粒子的比质量和比浓度的变化。     

大气混合层的数值模拟

本文主要进行了两部分工作；１．利用一套描述混合对流层平均状况的控制方程模拟混合层要素随时间的演变过程。对混合层高度的模拟，采用能量学方法，通过把在混合层顶的能量损耗五混合层内对流和机械湍流动能的产生联系起来，和到混合层顶热通量的参数化表达式，从而使模式方程产合。考虑了影响混合层演浮力，风切变及下沉等因子，并探索一种适合于数值天气预报模式的边界参数化方案。     

0920号超强台风“卢碧”引起的强海上大气波导成因分析与数值模拟研究

基于中国台湾地区主持的侵台台风之飞机侦察及下投式探空仪观测实验（Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region,DOTSTAR）获得的高分辨率下投式探空仪探测资料,分析了2003年9月—2012年8月所有发生在中国台湾地区附近海域的台风型大气波导事件,遴选出一次由0920号超强台风“卢碧”引起的强台风型海上大气波导过程作为研究对象。利用欧洲中期数值预报中心（ECMWF）再分析资料（水平分辨率0.125°×0.125°）,对此次波导的生成原因进行了分析;基于WRF模式比较了不同初始化方法对台风强度、尺度和周围台风型大气波导的模拟能力。结果表明,此次强台风型大气波导发生在台风环流西北侧外围的弱下沉运动区,其形成与850 hPa高度附近北方强干空气平流导致湿度随高度锐减密切相关。在数值模拟中运用台风动力初始化方法,可以有效改进台风强度、路径和尺度的模拟效果,进而有利于改善台风型大气波导尤其是波导层所在高度的模拟效果。台风外围出现的大气波导通常以悬空波导为主,模拟效果与台风螺旋雨带和内核尺度的模拟关系密切,而与台风强度和眼墙结构关系不大。中尺度数值模式WRF具有模拟台风型大气波导的能力,是研究台风型大气波导的有力手段。      

大气波导形成条件及传播路径模拟

推导了可形成波导传播的电磁波最大陷获波长和临界发射仰角,介绍了电磁波可形成波导传播的必要条件,在此基础上建立了在大气波导层中电磁波传播路径模式,并利用南京雷达实际观测的超折射回波对此模式进行了验证,所得结果比较一致。     

一次飑线过程的三维模拟

用美国俄克拉荷马州大学“风暴分析预报中心”（CAPS）开发的ARPS非静力中尺度数值模式对发生在美国VORTEX－1995试验期间的一次飑线过程进行了三维模拟，ARPS模式成功地模拟了飑线中的β尺度结构特征，该模式对飑线强对流天气系统有较强的模拟能力。试验研究表明，地面中尺度汇合线或切换线是此次飑线过程主要的触发系统和重要的维持机制之一；对流凝结潜热释放在飑线的发生、发展中重要作用；高低空的急流合形势为飑线的发展和维持提供了有利的动力条件。     

一次冻雨过程云物理特征的数值模拟

运用中尺度数值模式WRF3.5.1对2011年1月1日贵州境内的一次冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了本次过程的大气层结、冻雨区云系的宏微观结构和云物理特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程和成因。结果表明,贵州境内的冻雨区(26°N~29°N)具有冷性和部分"冷—暖—冷"的温度层结,在高层没有显著的冰相粒子,冻雨区是相对较强的水汽辐合中心,丰富的水汽输送在冷性的环境条件下形成云滴,进而碰并产生雨滴,过冷雨水主要通过暖雨过程形成;雨滴继续下落至近地层并保持过冷雨水形式,最后接触到低于0°C的物体或地面,迅速冻结而产生地面冻雨。     

加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

太原市大气扩散数值模拟

本文采用数值方法求解平流扩散方程，对太原市的一次示踪物实验进行了大气扩散的数值模拟。模拟结果表明：采用数值方法准确地反映出了由于风的切变而导致的污染物烟羽的转向，能较好地模拟复杂地形下太原市污染物的输送扩散过程。     

荒漠绿洲边界层结构的数值模拟

陆-气相互作用和中小尺度天气系统的研究中,水平不均匀边界层和水平不均匀地表的强迫作用都是重要的物理过程.本文用已建立的陆面过程与大气边界层耦合模式(BLCM),较详细地研究了草地周围为荒漠(半沙漠)的地表植被不均匀而造成的边界层结构特征和局地环流及其昼夜变化.通过边界层顶影响自由大气不同尺度的运动.模式结果揭示出最强的上升和下沉运动是发生在荒漠-草地间动力和热力不连续的界面附近,且呈现出不对称性.     

Numerical simulation of internal boundary-layer development and comparison with atmospheric data

A finite-volume numerical model is employed to investigate the adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in the underlying surface roughness, such as that existing in the transition from land to the free surface of a water body. Numerical results are validated by comparison with neutral stratification atmospheric data and compared with the internal boundary-layer (IBL) heights computed using a number of existing empirical formulae. The numerical analysis allows an extension of the fetch range in which the existing formulae, calibrated only by comparison with short fetch data, may be applied. An argument is offered that the spatial variability of the water surface roughness should be also taken into account for the IBL development over the surface of a water body.     

夜间大气边界层热力因子的数值研究

本文使用了一维非定常热力方程对夜间大气边界层热力结构进行了数值模拟.结果表明:(1)当天气形势变化平稳时,平坦地区夜间边界层热力结构的变化主要受到湍流与辐射传输作用的影响.(2)由于地-气之间热量传输的相互调整作用,使低层湍流变温率与地面温度变率之间表现为有相同周期的变化. 文中通过该模式的计算结果与复杂地形的实验资料的对比,研究了平流作用对温度垂直分布的影响.     

Construction and characterization of an atmospheric simulation smog chamber

Currently, air pollution in Beijing has become a complex problem with two types of source pollutants： coal smoke and photochemical smog. Furthermore the maximum hourly mean concentration of O3 increases continuously, especially in the summer. In order to simulate the photochemical reaction, develop an air quality simulation model and further improve the air quality of Beijing, a precisely temperature-controlled, indoor, smog chamber facility was designed and constructed at Tsinghua University. Characterization experiments have been carried out to acquire the basic parameters of the smog chamber, such as the wall loss rates of NO2, NO, O3, C3H6 and particulate matter （PM）, the intensity of ultraviolet （UV） light in the chamber, the reactivity of the purified air and the reproducibility of the experimental results. The results indicate that the facility performs up to specifications, and can meet the demands required for simulating the photochemical reaction. The effect of high primary contaminated PM on the formation of ozone and secondary organic aerosol （SOA） is under investigation.     

ENSO与北半球冬季大气环流异常年代际关系的数值模拟

利用NCAR/CCM3大气环流模式,模拟不同海温背景场强迫下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的响应。结果表明,模式能够模拟出不同海温背景场下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的不同响应,模拟结果与诊断结果基本一致。在20世纪70年代末之后的平均海温背景场强迫下,El Nio对阿留申低压的加强作用比70年代末之前更明显,而ENSO暖位相对蒙古高压的作用则由70年代末之前的轻微减弱变为明显加强。虽然70年代末以后ENSO事件的强度比70年代末之前有所增大,但ENSO对东亚大槽和东亚冬季风的减弱作用反而不再那么明显;同时在高空风场中,由ENSO激发出的PNA型异常环流在70年代末以后明显加强。     

空对地微波遥感大气温度分布的数值试验

本文讨论了地表对微波测温核函数的影响,运用最优化技术,得到了一组基本上与地表特征无关的最优核。运用统计最优反演方法对50组模拟的微波辐射资料进行了反演,并讨论了观测误差对反演精度的影响。     

Numerical simulation of Eurasian teleconnection pattern in atmospheric circulation during the Northern Hemisphere winter

In this paper, the anomaly of disturbance height field over Northern Hemisphere due to SST anomaly in the tropical Atlantic Ocean is simulated by using the general circulation model of IAP. A quasi-geostrophic, 34-level spherical coordinate model is also used to compute the distribution of atmospheric circulation anomaly when there is an anomaly of heat source over the tropical Atlantic. The computed results show that, owing to the heat source anomaly over the tropical Atlantic, the EU-pattern anomaly in the winter circulation may be caused. Namely, a ridge will be enhanced over the northwest Europe, a trough will be deepened over Siberia, but a positive anomaly of disturbance height field will be formed over the northeast China, Japan and other areas of East Asia. Moreover, the numerically simulated results show that the above-mentioned EU-pattern anomalies of circulation are due to the propagations of planetary wave train. About 15 days after an anomaly of the heat source over the tropical Atlantic is injected, the EU-pattern anomaly of atmospheric circulation is formed. This is in good agreement with the results analysed theoretically. On the leave from Geophysical Institute, Faculty of Science in Tokyo University, Japan.     

Numerical simulation of tropical cyclones by an axisymmetric nonhydrostatic model

Summary As an approach to study the mesoscale processes within a typhoon, an axisymmetric nonhydrostatic numerical model is developed without the use of convective parameterization. Many simulated characteristics are consistent with radar and aircraft observations, such as the maximum of vertical and tangential wind, the inflow concentrated near the surface, the outward slope of the eyewall updraft, etc. The model duplicates not only the outward propagation of mesoscale convective systems, but also the inward movement of convective rings, the rate of which coincides with the observation. Besides, the model gives good simulations of the life cycle of convective rings, and indicates that the convective rings far from the eyewall play important roles in the fluctuation of typhoon intensity. Numerical results also exhibit the existence of coupling between outer and inner core structure.Analyses of the simulations show that convective momentum transport generates local maximum absolute angular momentum in the middle and upper troposphere. The momentum anomaly results in symmetric instability, which provides the environment to form convective rings. While the momentum anomaly moves outward with the outflow in the middle and upper troposphere, it initiates a series of convective rings with aid of other direct factors, which explains the outward propagation of convective systems.The simulations exhibit the life cycle of a typical convective ring in terms of three stages, or the developing, mature and dissipating stage. Analysis shows that the symmetric instability and the convective instability promote each other, and their cooperation makes the life of convective rings longer.With 8 Figures