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。     

湿空气动力学中若干问题的探讨

本文根据一定的观测事实，通过引进凝结几率函数的非静力平衡参数，建立了不一定饱和湿空气不以静力平衡为基础的Ｐ坐标动力学方程组。依据这个方程组，得到以下结论：１．湿平衡平行于等位势线，风速正比于位势梯度和非静力平衡参数，一般小于地转风；２．暴雨地区急流的超地转现象并不是饱和湿空气的准平衡现象，而是与急流驾驶减弱有关的不平衡现象；３．在平衡条件下，风速随高度的变化可近似用湿热成风方程来计算；当地转风与热     

非静力模式中几种垂直网格计算特性的对比研究

从非静力滞弹性方程组出发，将惯性重力波的水平波长分几百公里、几十公里和几公里三种情况，从频率、群速和各速的垂直尺度范围等方面对现有的几种垂直网格进行比较讨论。结果表明：在非静力模式中，CP网格和LZ网格适合于各种不同水平尺度惯性重力波的模拟；L网格和LY网格适合于水平尺度为几十公里以上的惯性重力波的模拟；LTS网格和CPTS网格比较适合于水平尺度的几十公里以下的惯性重力波的模拟。     

非静力平衡数值模式

高分辨率的静力平衡模式在中尺度运动的研究中被广泛应用。但一些作者指出静力平衡近似的误差对于重力波的一些重要性质产生影响，因此发展非静力平衡模式是十分必要的。本文主要介绍了完全弹性模式和滞弹性模式，给出了模式的基本方程组，并讨论了与数值解法有关的问题，最后简单地说明了弹性近似模式。     

海岸边界层的非静力模式

建立了一个３级非静力边界层模式,并采用一种新的非局地反梯度闭合方案在杭州附近复杂地形区进行了数值模拟。通过与实测资料和静力条件下的模拟结果的比较,进一步分析了非局地闭合下非静力３级边界层模式的效能。结果表明,该模式比静力模式更能合理地模拟海岩边界层的风温场和湍流场,且模拟结果与实测更接近。     

非静力平衡模式的中尺度非均匀初始场试验和锋面模拟

用非静力平衡二维中β－γ尺度大气模式,选取１９８７年欧洲的一次冷锋过程为个例,以法国的静力平衡模式的模拟结果为初始场,选用５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种水平格距进行了水平范围为２０００ｋｍ的模拟,结果表明：（１）中尺度非静力平衡模式应用非均匀初始场,而不加人为的初始扰动是可行的;（２）扰动量的初始场中π′的精度要求很高,应严格符合静力平衡条件,否则就会产生严重误差,甚至在一个时步内改变垂直速度;（３）５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种格距的对比模拟表明,５ｋｍ格距的非静力平衡模式能模拟出锋面上的多个中β尺度对流,且垂直速度场分布与实际最接近,而后两种格距只能模拟出锋面上的大范围上升区,不能细致地描述锋面对流结构。     

中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学问题

深厚湿对流运动发展机制包含湿大气的对称不稳定(MSI和CSI)及锋面环流．它们需要的基本条件是不稳定、水汽和抬升，这些机理在动力学中是有联系和区别的，即虽然都是与基流平衡状态被破坏后引起的中尺度环流有关，但是扰动流非平衡运动是不同的。本文综合概述了有关平衡动力学的研究进展，提出了中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学主要问题，并评述了一些研究的方法及主要结论和尚需进一步探索的方面．以加深对不同机制下深对流运动的认识。     

湿空气动热力学理论及应用研究进展

回顾了湿空气热动力学的研究进展,对未饱和湿大气、饱和湿大气及非均匀饱和湿大气的动热力方程、能量方程、连续方程等进行了梳理,指出饱和湿空气动量方程与非均匀饱和湿空气动量方程的最大区别在于对凝结过程的处理不同。饱和湿大气中,由于大气均是饱和的,由饱和造成的水凝物可处处出现,不能区分真正发生水汽凝结的区域。而非均匀饱和湿空气中,凝结发生与相对湿度的幂次方有关(即与凝结概率函数的分布有关),在相对湿度较小的区域不会出现水汽凝结,凝结区与非凝结区可自动区别,其描述的凝结过程与实际大气更接近。同时,总结了湿大气水汽凝结饱和非均匀分布的动热力物理量在高影响天气分析中的应用,最后讨论了未来推进湿空气动力学研究需重点考虑的一个内容。     

垂直变量配置对静力适应过程的影响

为了研究垂直变量配置对静力适应过程的影响,本文从描写静力适应过程的方程组出发,分别在将所有变量置于整层上的非跳点N网格;将垂直速度和温度放置在整层,水平速度、气压和密度等变量放置在半层的Charney Phillips跳点网格(CP网格);将水平速度、气压和温度放置在整层,将垂直速度和密度放置在半层的Lorenz跳点网格(L网格);将密度变量放置在整层的Charney Phillips跳点网格(CP_N网格);将密度放置在整层的Lorenz跳点网格(L_N网格)上进行离散,垂直格距分1 km、0.5 km、0.2 km和0.01 km,研究了在这5种网格上产生的频率和垂直群速的相对误差。结果表明:(1)L_N网格和CP网格是完全等效的两种网格。(2)不论垂直格距为多少,CP网格和L网格的误差都是最小,N网格次之,CP_N网格的误差最大。(3)随着垂直格距的减少,在这几种网格上产生的误差都在减小。对于CP网格、L网格和N网格,在水平长波和垂直短波处产生的误差较大。而CP_N网格对水平波长变化不敏感,垂直波长越短,误差越大。(4)当垂直格距为0.01 km时,这几种网格都对水平波长的变化不敏感了,仅对垂直波长敏感。(5)CP网格、L_N网格和L网格在描写静力适应过程和斜压地转适应过程都是误差最小的垂直变量配置方案,因此在非静力完全可压缩深层大气数值预报模式中应优先选择这3种方案。     

用改善的EVAD技术和变分法计算大气垂直速度

提出利用修正的Gram-Schmidt算法(MGS法)解决EVAD技术的求解问题．并通过2个实例。根据这2种改善的EVAD方法，分别计算出大气平均散度，再用变分法对散度值进行调整，然后利用连续方程，计算大气的垂直速度，并对各种结果进行了比较分析。     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

An Impact Study of the Vertical Coordinate on a Non-hydrostatic Mesoscale High-Resolution Model

With the high-speed development of high-powered computer techniques, it is possible that a high-resolution and multi-scale unified numerical model is applied to the operational weather prediction. Some techniques about mesoscale non-hydrostatic numerical weather prediction are addressed, and the impact of the vertical coordinate system is one of them. Based on WRF (Weather Research and Forecasting) model, the influence of vertical coordinates on the non-hydrostatic mesoscale high-resolution model is compared. The results show that the error of various coordinates in lower levels is almost same when we use the geometry height (z) and the pressure (p) to set up a terrain-following coordinate; but the error of the height terrain-following coordinate in higher levels is smaller than that of the pressure terrain-following coordinate. The higher the resolution is, the bigger the error will be. The results of the high-resolution simulation exhibited that the trend of the difference in the two coordinates existed. In addition, the correlative coefficient and standard error are also analysed by the comparison between the forecast fields and the corresponding analysis fields.     

空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。     

强对流天气对O3和CO的垂直输送作用

利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料,取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料,对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O₃和CO浓度垂直分布变化进行对比,考察强对流性天气发生对O₃和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O₃和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积,从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生,飞机进入对流云上层时,O₃浓度和CO浓度升高,O₃和CO浓度变率增大,在对流层上部浓度出现峰值;当飞机飞出对流云时,O₃和CO浓度相对较低,在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O₃和CO浓度相对较小,浓度变率也较小,无峰值产生。分析表明:O₃和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切,且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。     

由最高最低气温求算的平均气温对我国年平均气温序列影响

针对研究全国近百年平均气温长期变化的实际需要,利用603个测站1961—2002年气温观测资料,比较分析了最高最低平均气温距平序列和4次观测记录平均气温距平序列的差异,讨论了最高、最低气温变化趋势。结果表明：两种统计方法得到的平均气温距平序列及增温速率的差异均不明显,在一定条件下两者可以互相替换。此外,最高、最低气温变化普遍存在不对称现象,且可分为4种类型,这种不对称性对平均气温变化速率并没有明确一致的影响。     

基于Morlet小波的四会气温周期分析

根据1961—2018年四会国家气象站逐年平均气温和逐年高温日(日最高气温≥35℃)数资料,采用Morlet小波变换,对四会市近60年的平均气温和高温日数时间序列变化特征进行多尺度分析,结果表明:(1)年平均气温存在明显的8、13、21和46年左右的周期振荡;年高温日数存在9、12和47年左右的周期振荡,并且两者的周期振荡存在较好的同步性。(2)从对气温的小波变换判断,由于8、13、21和46年左右特征时间尺度的周期皆未闭合,所以未来几年四会市仍将处于增暖期,但从长期时间变化尺度上则是开始进入变冷期。(3)从Morlet小波变换方差可知,在50年时间里,年平均气温13年左右为第1主周期,9和20年左右为第2主周期;年高温日数则是9年左右为第1主周期,12年左右为第2主周期。     

风速垂直变化对催化剂扩散的影响

在寻求层状云中催化剂扩散议程的解时，一般都假定风速为常值，但实际上风速是随高度变化的。该文在云中催化剂的数值模式中考虑了风速随高度的变化，用差分格式求其解，并进行了个例计算和比较分析。     

Influence of Vertical Shear of Basic Tangential Wind on the Development and Maintenance of Typhoon

By using a linear symmetric Conditional Instability of Second Kind (CISK) model containing basic flow, we study the interactions between basic flow and mesoscale disturbances in typhoon. The result shows that in the early stage of typhoon formation, the combined action of vertical shear of basic flow at low level and CISK impels the disturbances to grow rapidly and to move toward the center of typhoon. The development of disturbances, likewise, influences on typhoon’s development and structure. Analysis of the mesoscale disturbances’ development and propagation indicates that the maximum wind region moves toward the center, wind velocity increases, and circulation features of an eye appear. Similarly, when a typhoon decays, the increase of low-level vertical wind shear facilitates the development of mesoscale disturbances. In turn, these mesoscale disturbances will provide typhoon with energy and make the typhoon intensify again. Therefore, it can be said that typhoon has the renewable or self-repair function.     

我国空气污染状况及其对人体健康的影响

为了解我国空气污染状况,收集了1991～1993年全国城市污染物浓度的资料,这些污染物包括二氧化硫、氮氧化物和悬浮颗粒物,分析指出我国某些地区污染物浓度比较大,各种污染物都有不同程度的超标,然后讨论制定污染指数及相应的对人体健康的影响。