正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

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。     

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。     

非静力中尺度模式的现状及发展趋势

随着高性能计算机与大气探测技术的发展 ,使得非静力中尺度数值预报模式的业务化成为可能 ,世界上主要的气象中心最近几年纷纷发展非静力中尺度模式 ,并取得了重要进展 ,这其中尤以英国气象局新发展的非静力通用模式最为突出。基于此 ,介绍了近年来国际上发达国家的非静力中尺度预报模式的现状及发展方向 ,并对该类模式设计中应注意的一些问题进行了阐述     

中尺度非静力模式中常用气压分离技术的研究

分析了气压分离和不分离,在几种不同的层结情况下,垂直气压梯度的截断误差.结果表明:基本场取法不当,会引起巨大的截断误差,甚至和不分离时相当;反之,则较小.根据计算,提出了一种取基本场的方法,在一定条件下,可以使气压偏差的垂直梯度的截断误差比不分离时的相应误差小一个量级,从而,可以取较小的垂直分辨率.     

用中尺度非静力模式制作北京气温和风预报

利用国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”针对业务预报需要,开发了２米温度、１０米风的要素预报。通过近一年的预报效果检验表明,该系统不仅对一般性天气有比较好的预报效果,同时也可以预报出转折性的大风、升（降）温等天气过程。与ＮＣＥＰ的ｅｔａ模式相比,该系统的温度预报误差与之基本相当,而风速预报误差略小于ｅｔａ模式。     

中尺度的自适应模式在降雪数值模拟中的应用

在中尺度模式的基础上引进了自适应网格设计的方法，它可以任意加密局地网格，从而达到以较小的计算量获得较高的计算精度的目的。自适应网格技术基于变分原理，能根据数值模式的特点，在物理量梯度大的地方，自动加密网格，提高模式的分辨率。文章将自适应网格技术应用于MM4中，用来模拟2002年3月2～4日华北地区的一场中一大雪过程。结果表踢，采用自适应网格技术后，结果稳定，对所关心的天气系统及其降水的模拟精度与采用均匀网格相比得到踢显改善，温度场和风场预报也有不同程度的提高。     

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。     

利用中尺度模式作辽宁省空气污染气象条件预报

利用非静力中尺度数值模式（MM5V2），试验预报辽宁省空气污染气象条件。在模式中着重加密近地面的垂直分层，使用中期数值预报模式（T106L19）预报场作为初值背景场和侧边界。采用美国污染潜势预报方法，在模式预报输出市场中，通过对近地面层的混合层高度和混合层平均风速的判定，预测未来空气污染气象条件，并用SO2实测值进行检验。     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的结构和准平衡特征分析

利用2008年6月广西致洪暴雨过程高分辨率数值模式资料,分析引起暴雨的中尺度涡旋在移动和持续性发展过程中其内部结构的演变以及系统的动力学特征。研究结果表明,中尺度涡旋是导致此次广西暴雨的主要系统,其发展移动过程中伴随有强烈上升运动的深厚湿对流,并在中高层持续形成明显的暖心结构。此次涡旋系统移动过程可分为涡旋南移和涡旋东移两个阶段,由于受到环境场的影响,涡旋中心区域动量、热量和水汽的再分配为其持续性发展提供有利条件。同时诊断分析表明,涡旋内部存在具有继发特征的长时间维持的组织化深厚湿对流系统,以强非地转分量为特征的超地转流,并表现出涡散运动共存且同量级的特征,具有典型的准平衡特征。     

2001年8月初上海强暴雨中尺度对流系统的数值模拟研究

利用NCEP的ETA模式对 2 0 0 1年 8月 5～ 6日导致上海地区产生大暴雨的中尺度对流系统的发生发展过程进行了数值模拟。模拟结果基本再现了对流云团加强合并形成中尺度对流系统的过程 ,所模拟的降水分布、最大降水中心位置与实测结果基本一致。模拟结果还显示其中的一个中尺度对流系统是由于位于其西南部的一支低空急流的直接流入才发展起来的     

2003年淮河汛期一次中尺度强暴雨过程的诊断分析和数值模拟研究

2003年7月4-5日淮河流域发生了一次中尺度强暴雨过程,致使淮河洪水泛滥.这次暴雨过程由中尺度对流系统(MCS)以及因其发展而产生的低涡造成.通过对此次过程的诊断分析和新一代细网格WRF中尺度预报模式的数值模拟,研究了这次过程发生发展的机制.模拟结果较好地描述了本次暴雨及中尺度系统发生、发展的时空演变过程.分析结果表明:此次移动性暴雨过程的前期由不断向东移动发展的MCS造成,后期降水则由低涡切变线产生的中尺度低涡引起.同时,副热带高压明显偏西偏北,并维持较长时间,造成雨带一直维持在淮河流域.高层辐合中心的加强使低空急流不断增强,低空急流的增强进而引起低层辐合的加强,而低层辐合的加强以及上升运动的潜热释放导致低涡的发生,低涡形成及形成后移动缓慢,造成了淮河流域的大暴雨.高层中尺度辐散区的抽吸对低层中尺度涡旋的发生发展起到了促进和加强的作用.低层的中尺度辐合场和高层的中尺度辐散场的发展与耦合对中尺度系统的发展有很好的预示作用.低层中尺度辐合区的减弱预示着系统的衰减,西南偏西的中层相对干冷空气侵入并在梅雨锋前缘下沉促进了系统的衰减.     

中尺度模式中的三维变量配置

由于中尺度模式中采用不同的三维变量配置,必将产生不同的预报和模拟效果.怎样的三维变量分布,才能产生最佳的模拟效果呢?一直没有人从事这方面的研究.为此,在线性非静力滞弹性方程组的基础上,从频率、水平群速和垂直群速方面将中尺度模式中常见的四种三维网格的计算频散性与解析解的情况进行了对比,主要采用图示比较的方法.结果表明:总的来看三维网格C/CP计算频散性能最好,Z/LZ和Z/LY网格次之,C/L网格最差.因此设计非静力斜压模式时,应尽量采用C/CP网格.但C/CP网格对水平波长较短的波,误差相对要大些.如果模拟的波动水平尺度较小时,为减少误差,水平格距要减小.另外C/CP网格主要用在有限差分模式中;要考虑谱模式中的变量配置时,应把C/CP网格和Z/LZ网格或Z/LY网格结合起来使用.     

物理过程和分辨率对西南涡演变的中尺度模拟影响

本文运用PSU/NCAR中尺度模式第四改进型(MM_4),对“81.7”四川暴雨期西南涡的演变进行了一系列96和72小时数值模拟;其目的在于研究模式物理过程和空间分辨率以及行星边界层(PBL)参数化对西南涡生成和发展模拟的影响。96小时的控制试验(方案Ⅰ)结果表明:水平分辨率160km和总体PBL的10层MM_4对西南涡发展模拟得较好,但对其生成只有初步模拟的能力;各种物理过程主要影响西南涡演变的强度,而对其位置影响较小;去掉潜热释放会显著影响西南涡在后期的发展;没有地面通量将使西南涡的生成和发展强度明显减弱;于试验不能模拟出西南涡在整个暴雨期的发展,且使其移速略快,无摩擦试验指出,地面摩擦对西南涡的生成是不重要的。提高模式空间分辨率和采用高分辨PBL模式,能使西南涡生成和发展位置的模拟有明显改进,但其强度一般偏强于实况。事实表明,进一步完善模式物理过程、改进PBL参数化和提高模式空间分辨率将是十分必要的。     

大气的可预报性与大气模式的设计

本文首先提出了设计数值天气预报模式的基本原则——模式大气的可预报性和实际大气的可预报性相一致。然后依据此原则讨论了目前在设计各种数值预报模式时存在的问题。     

海南岛附近四季风场的中尺度环流

利用一层σ坐标原始方程数值诊断模式研究海南岛，雷州半岛及其四周海域的地面风场特征，在春夏秋冬四季典型盛行气流下试验，均明显呈现绕流，爬坡，辐合线、海陆风和山谷风效应，看出在不同季节下的中尺度环流存在一定的差异。试验表明，区域内的复杂地形和海陆分布是形成各种中尺度环流的重要原因，同时，揭示出本地气候分布的特征与中尺度环流间存在的密切的关系。     

暴雨中尺度气旋发展的等熵面位涡分析

利用中尺度模式ＭＭ４对１９９１年７月５～６日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。用模式输 出资料，根据湿位涡理论分析了这次暴雨过程中对流层低层的中尺度低涡及地面气旋发生发 展的原因。结果表明，在有利的等熵面形态下，具有较高湿位涡值的高层冷空气沿等熵面快 速向南下降的过程中绝对涡度增加，导致了气旋性涡旋的发展加强。     

1996年第8号台风中尺度结构的数值研究

用非静力平衡的中尺度模式ＭＭ５模拟研究了从１９９６年７月３１日０８时至８月１日２０时３６小时内９６０８号台风的移动路径、中尺度热力动力学结构及云和降水物理结构及其变化。这段时间覆盖了９６０８号台风在台湾和福建省福清市登陆全过程。结果表明：该模式比较成功地模拟预报了这次台风登陆过程,模拟了登陆前后台风中心附近的一些重要中尺度结构和发展演变特征。模拟预报的台风路径与实况接近,预报的８月１日０８时（积分２４小时）台风环流中心位于２小时后台风登陆点福建省福清市附近的海面上。台风中心附近低层呈气旋式辐合、高层呈气旋式辐散。台风眼壁具有由低层辐合形成的强上升气流,台风眼中心为下沉气流。台风中心周围动力结构表现出明显的不对称特征。台风眼壁的雨水分布呈现由中尺度雨团构成的环形雨带结构。台风在台湾滞留期间,台风中心由于低层云的发展使得卫星云图上原先清晰可见的台风眼变得模糊不清。高分辨的模式预报表明,在对流层中层具有强上升气流和云雨水集中的眼壁比台风眼中心更为暖湿。     

一次华南暴雨的中尺度结构及复杂地形的影响

文中选取了 1998年 6月 8～ 9日的一次发生在华南的强降雨过程 ,利用观测资料和MM5中尺度模式对这个过程进行了诊断分析和数值模拟 ,研究了该暴雨过程的中尺度结构及华南地区复杂地形的影响。分析表明这次华南暴雨由锋面暴雨和暖区暴雨组成 ,具有不同的中尺度结构 ,其中广西梧州地区暴雨是准静止锋面上的中尺度对流系统造成 ,具有持续时间短 ,强度大的特征 ,MM5模拟的雷达回波强度超过 30dBz ,高度超过 2 0 0hPa ,并在其东、北侧出现闭合的次级垂直环流 ;珠江三角洲的暴雨是暖区暴雨 ,发生在深厚的暖湿气流内 ,85 0hPa上强度超过 16m/s的西南低空急流是影响降水的主要系统 ,该中心暴雨持续时间较长 ,降水强度也达到了暴雨标准 ,模拟雷达回波不明显 ,没有出现局地的次级环流。华南地区的复杂地形在这次华南暴雨过程中主要为动力性作用 ,具体表现在一支冷空气在低层由苗岭和南岭之间南下 ,南海上空一支暖湿气流北上直接到达梧州地区 ,另一支次暖湿空气在南岭的阻挡下由武夷山以南沿南岭和云开大山之间折而向西 ,这三支气流在梧州地区附近汇合 ,形成广西梧州地区的暴雨 ;同时南海上空北上的低层气流被迫向东北绕行海南岛 ,形成一个尺度为 2 0 0km左右的背风面气旋 ,这个气旋的东北部分加强了在珠江三角洲地     

梅雨锋中尺度切变线雨带的动力结构分析

利用密集的地面观测网资料以及中尺度数值预报模式输出产品 ,分析了 1 991年 7月 8～ 9日江淮地区梅雨锋中尺度切变线雨带的中尺度动力结构。发现沿切变线走向有一条中尺度涡管 ,位于对流层中低层 ,高度呈波状起伏。波峰处有较强经向环流 ,强降水位于波峰附近的经向垂直环流之下。降水强度与涡管强度密切相关 ,涡管增强时降水增强。涡管强度与中低空的条件性对称不稳定有关。