大尺度环境场和CISK与西南低涡发展的动力学分析

本文根据文献1)提出的用CISK理论研究西南低涡发展的设想,采用早期最简单的积云参数化模式,把积云对流同低层次天气尺度扰动联系起来,用描述大尺度环境场和积云对流对次天气尺度扰动作用的方程组,在简单两层模式中求解,分析了影响西南涡发展的各个因子,讨论了发展型西南涡在模式中的简单结构。     

暴雨中尺度环境场特征及积云对流的反馈作用

本文利用一套具有中尺度分辨率的观测资料,对发生在1983年6月下旬的一次长江流域梅雨暴雨过程进行了诊断研究,并比较了该过程的对流降水活跃期和非活跃期的中尺度环境场特征。结果表明,两个时期的动量场存在明显差异,而水热场差异不大,Q₁和Q₂以及涡度收支也存在明显差异。在降水活跃期（暴雨集中期）,积云对流对能量和涡度的垂直输送有着重要作用;在水热收支中,起主要作用的是垂直输送项,潜热加热基本上为抬升冷却所平衡,水汽的垂直输送是积云对流的主要水汽源;在涡度收支中,低层散度项和扭转项制造正涡度,并通过积云对流向上输送,无论在低层或高层积累的正涡度都被平流非线性过程所耗损。      

夏季青藏高原热力场和环流场的诊断分析——Ⅲ:环流场稳定维持的物理机制

本文使用经过青藏高原气象科学实验测站观测资料订正过的欧洲中心FGGE-Ⅲb资料,对1979年夏季青藏高原地区进行了涡度方程诊断分析,研究了它们的月际变化、逐日变化和日变化,与高原上积云对流活动的强弱变化进行了比较,讨论了夏季高原稳定的环流场维持的物理机制;同时还对同时期热带赤道地区强对流活动区域进行了涡度方程诊断分析,将其涡旋环流场的维持机制与夏季高原地区进行了比较. 通过分析,发现夏季青藏高原月平均涡度方程平衡关系主要是次网格尺度项和散度项的平衡,水平平流项的耗散作用在高空较强,但不如次网格尺度项强,涡度方程其余各项均很小.从月际变化、逐日变化和日变化的比较,发现当积云对流活动发生强弱变化时,ω、D和涡度方程中的散度项、次网格尺度项均伴随很强的相应变化,对应关系很好,说明涡度方程中的次网格尺度项R(余差项)的主要部分来源于积云对流系统的活动,反映了夏季高原上存在的强盛频繁的积云对流活动对高原平均环流场的形成和维持具有重要的作用. 使夏季青藏高原高低层环流场加强的物理机制足高低层气流强大的辐散辐合,耗散机制是积云对流系统对高低层涡度的上下搅拌垂直输送作用和网格尺度水平平流项的非线性耗散作用,其中前者起主要的作用. 从涡旋能量维持的角度看,夏季青藏     

南海地区中层气旋的生成

本文对12个中层气旋生成时的环境场作综合分析,选出两个生成位置靠近平均位置的气旋,分4个时次进行涡度和热量的收支计算。结果表明,大尺度的涡度倾向是气旋生成的必要条件,尤其是散度项的贡献最为显著。在低纬地区地转参数(f)比中纬度小,散度项的贡献较大程度地取决于相对涡度(ξ)的大小。在对流层中下层,散度项值最大,气旋也首先在这里生成。气旋生成时涡管倾斜度很大,由于积云对流将低层的正涡度向上层输送,使涡管变垂直,促使气旋发展成熟。计算得到的小尺度涡度输送和实际降水量分布十分一致。积云对流释放出来的潜热可直接加热中层大气,但上层大气是靠补偿动力下沉增温的。      

夏季青藏高原热力场和环流场的诊断分析III:环流场稳定维持的物理机制

本文使用经过青藏高原气象科学实验测站观测资料订正过的欧洲中心FGGE-Ⅲb资料,对1979年夏季青藏高原地区进行了涡度方程诊断分析,研究了它们的月际变化、逐日变化和日变化,与高原上积云对流活动的强弱变化进行了比较,讨论了夏季高原稳定的环流场维持的物理机制;同时还对同时期热带赤道地区强对流活动区域进行了涡度方程诊断分析,将其涡旋环流场的维持机制与夏季高原地区进行了比较. 通过分析,发现夏季青藏高原月平均涡度方程平衡关系主要是次网格尺度项和散度项的平衡,水平平流项的耗散作用在高空较强,但不如次网格尺度项强,涡度方程其余各项均很小.从月际变化、逐日变化和日变化的比较,发现当积云对流活动发生强弱变化时,ω、D和涡度方程中的散度项、次网格尺度项均伴随很强的相应变化,对应关系很好,说明涡度方程中的次网格尺度项R(余差项)的主要部分来源于积云对流系统的活动,反映了夏季高原上存在的强盛频繁的积云对流活动对高原平均环流场的形成和维持具有重要的作用. 使夏季青藏高原高低层环流场加强的物理机制足高低层气流强大的辐散辐合,耗散机制是积云对流系统对高低层涡度的上下搅拌垂直输送作用和网格尺度水平平流项的非线性耗散作用,其中前者起主要的作用. 从涡旋能量维持的角度看,夏季青藏高原高低层环流场的维持大致是高原尺度环流系统的涡旋能量通过非线性过程,分别向高原区域以外更大尺度的系统和次网格尺度的对流系统输送,输送的损失由强大的高低层辐散辐合气流产生的涡旋能量补充,从而维持了高原地区环流场的稳定.赤道附近热带强对流活动区域环流场的维持机制与夏季高原地区的不同点,主要表现在其高层和低层的区域尺度环流场通过非线性作用都从更大尺度环流场得到涡旋能量,并把涡旋能量转送给次网格尺度积云对流系统,使自身维持稳定.     

引入考虑凝结作用的连续性方程与积云对流参数化方案修正

文章研究了在热带海洋面上的水蒸发，发现水蒸发进入大气层将改变地面气压场，且蒸发潜热分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能)，蒸发内潜热立即成为大气热能的一部分，而蒸发外潜热直接对大气层作功，使得大气位能增加；研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对于环境气压场与位势高度场的直接影响。用郭晓岚积云对流参数化方案(已考虑凝结内潜热对大气的加热作用)，加入了考虑因大尺度凝结降水和积云对流参数化凝结降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化，后者应是凝结外潜热过程作用的结果。在上述研究过程中，必须引入考虑凝结作用的连续性方程，且最终可以改变有积云对流凝结降水发生的数值预报模式动力框架。     

积云对流对涡度场和散度场的反馈作用

在涡度和散度方程简要讨论的基础上,计算得出长江中下游地区暴雨过程中涡度和散度收支各项的水平和垂直分布。结果表明,雨带附近对流层高层是源、低层是汇,尤其以散度场的不平衡更为显著,可见积云对流垂直输送涡度和散度是重要过程。     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

下曳气流在积云对流中的作用

利用国家气象中心高分辨率有限区域业务预报模式（ＨＬＡＦＳ）对有无下曳气流的积云参数化方案进行了对比试验,通过对积云内容各物理量及大尺度物理量场的诊断分析研究下曳气流对积云对流发生发展的作用以及对大尺度热力,动力场的影响。结果表明：（１）下曳气流具有湿冷的特征,主要出现在强对流时段时流层中下层;（２）下曳气流的引入,促进了模式中强积云对流的发生发展,并在更高更多的空间层次上更强地加热及干化环境大气,     

单块积云对环境大气能量的转换和输送

本文建立了一个二维弹性积云数值模式,利用西太平洋考察的平均探空资料,采用能量学方法,讨论单块积云对环境大气能量的转换和传输,为积云参数化提供依据。 文中计算了积云发展演变过程中各种形式的能量的变化。结果表明在云演变过程中释放的凝结潜热是积云发展的主要能量来源,但积云对大尺度的反馈主要不是凝结潜热直接加热大气,而是通过对流及蒸发等过程使积云对流影响的整个区域内大气位势不稳定减小,而离云较远的地区层结变得更不稳定。     

暴雨中积云对流的反馈机制

本文在分析梅雨期暴雨中尺度水热场特征的基础上,利用Nitta的云谱模式和积云对流参数化方法对暴雨区积云对流对环境水热场的反馈机制进行了诊断研究.结果表明,在暴雨过程中,主要是高云和低云两类云的活动,在对流层中层很少有卷出的积云;积云对流的补偿下沉气流强烈地加热和干燥环境大气,这种加热和干燥效应主要被积云卷出的液态水再蒸发所抵消;同时,在暴雨过程中还可能存在某种不同于积云卷出液态水的蒸发冷却和湿润环境大气的物理机制.     

梅雨期盛期的大尺度涡度收支特征

本文计算了1983年长江中下游梅雨期盛期的大尺度涡度收支,并分别给出收支方程各项的水平和垂直分布。结果表明,雨区附近的对流层上、下层均有大范围显著的余差存在,它意味着积云对流在涡度平衡中起着重要作用。      

积云参数化问题

过去２０年间，对大气对流性质和积云体系内尺度相互作用进行过广泛研究。这些研究计划的主要目的是提高积云参数化技术的水平。本文主要依据其基本原理、基本目的和动力约束，当它们应用到中尺度和大尺度模式的参数化时，评述积云参数化问题。还依据参数化和积云多数化问题各个方面的综合联系，讨论了几个流行的现行方案。     

梅雨暴雨的涡度平衡与积云对流

应用天气尺度运动,讨论梅雨期间暴雨区内的涡度平衡。在对流层下层有一个涡度的积累,对流层上层有涡度的亏损。积云对流在涡度平衡中起重要作用。给出了一个基于一维定常积云模式的对流涡度参数化方案,并和天气尺度运动的计算结果作了比较。     

暴雨系统中环境涡度场与散度场之间相互关系

观测事实和理论研究表明,暴雨系统的形成和发展与环境涡度和散度的分布和演变有十分密切的关系。因此用涡度方程和散度方程来诊断和分析流场结构比其它方程(如动量方程)更为直接,物理意义也更加清楚,这就吸引气象学者把它用于分析实践。如Matsumoto等用完全涡度方程和散度方程各项来诊断中尺度系统发展过程中对流活动的作用;Schaefer选取散度方程中与发展有关的项来诊断未来风暴的发生,发现其相关率可达90％以上。我国学者也研究过散度方程各项的大小以及某些重要项对暴雨形成的作用。鉴于涡度方程和散度方程在气象中常采用其近似关系式,故本文对方程各项进行     

风速垂直切变环境中对流运动和水平涡度的数值研究

在y-z平面上,用积云动力方程组和涡度方程联合的二维模式进行数值试验,得到以下结果: 1.切变环境中,对流运动引起水平涡度的机制是辐合作用和倾斜作用。 2.水平涡度的强度和切变强度成正比。 3.倾斜项形成对流单体南北两侧一对反对称的涡度分布,辐合项使该涡度的水平分布更符合实际观测到的结果。 4.大气密度随高减小是涡度最强值能稳定在对流运动中下部的原因。 5.涡度的最强发展阶段的时间尺度和对流运动发展的时间尺度相当,前者落后约3分钟。 计算结果和观测相比是符合的。     

动力强迫对台风次级环流的作用

本文导出无量纲的台风次级环流方程,然后用11年综合台风资料,计算了动力强迫的次级环流。通过计算,得到主要结论如下: (1)积云动量垂直混合和涡旋动量水平通量是主要的动力强迫因子。 (2)积云动量垂直混合在台风发展过程中可促进大尺度低空辐合,因而可加强由CISK机制所说明的正反馈过程。 (3)Ekman抽吸与积云动量垂直混合是相互促进、共同发展的,这是台风发展中的一个重要反馈过程。     

一种改进的对流凝结加热方案

众所周知,积云尺度和大尺度运动的水平和时间尺度相差甚远,因此,在较大尺度的网格点上应借助于参数化方法来描述积云尺度的运动。比如,假定对流凝结加热与潮湿空气的辐合量有关(郭晓岚1965,1974),或者假定与涡度或垂直速度成正比(李崇银1984),并且依赖确定的加热参数的垂直分布廓线。我们用李崇银(1984)的参数化方案对台风发展的数值模拟表明,加热强度参数和垂直分布廓线对模拟结果非常敏感。因此,有必要寻求其他途径或参数化方法。     

夏季青藏高原低涡的能量场分析

本文采用视热源方程，视水汽汇方程，扰动能量方程和涡度方程对1979年6月的三次低涡进行了分析和研究，得到了以下结论:在低涡生成和发展过程中，积云和乱流引起的总热量的垂直涡旋输送很大。当大气处于条件不稳定时，γs＜γ＜γα，积云和乱流的这种输送结果，使得低涡的正涡度增长上升到较高层次；另外，积云和乱流对总热量的垂直涡旋输送使得低涡内扰动有效位能增加，然后向扰动动能转换，使低涡得以生成和发展。     

一次江淮气旋及其中尺度系统的数值模拟

本文在十一层原始方程模式中引入Fritsch-Chappell一维云模式，对1982年5月12日江淮气旋上中尺度系统进行了模拟试验，分析表明:Fritsch-Chappell一维云模式对深厚积云的考虑细致合理，比郭晓岚积云参数化方案优越，它能模拟出中尺度系统的一些特征。通过数值计算发现:中尺度江淮气旋是对流层低层的天气系统，气压场上具有中尺度低压的某些特征；对流天气的出现，使得中尺度江淮气旋得到发展，但这种发展有一个变化过程，在对流发展加强时，对流引起的动量变化以及下沉气流造成的低层冷却作用，使其有一个暂时的减弱过程，当对流运动趋于减弱时，气旋才得以发展。