不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究

重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一,高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据;目前,获取扰动场的方法较多,但基于不同方法计算的扰动场对重力波参数气候特征影响的研究较少.基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料,利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层(17...     

不同扰动场对大气重力波参数结果影响的初步探讨

如何获取大气重力波参数是大气动力学理论研究的重点和难点。本文以2013年8月6—8日晋西北地区出现的一次雷阵雨天气过程为例,利用常用的二阶、三阶、四阶曲线拟合和带通滤波方法获取垂直高分辨率探空资料的扰动场,对这些扰动场提取的大气重力波参数进行对比分析。结果表明:不同扰动场(二阶、三阶、四阶曲线拟合以及带通滤波)对所获取重力波参数的大小及变化趋势存在影响,但对不同重力波参数的影响程度不一样。其中,对波固有周期、水平和垂直波长的大小及变化趋势影响很大,而对波传播方向、对地水平群速及固有相速的影响程度则较弱。结合6—8日天气现象的大气动力特征,发现由二阶曲线拟合、带通滤波对应扰动场得到的重力波参数的大小及变化趋势与此吻合,其结果可信度最高;而由四阶曲线拟合扰动场得到重力波参数值的可信度最低。     

曲线拟合背景场在提取大气重力波参数中的缺陷

利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析和Fourier功率谱分析方法,以3阶和4阶曲线拟合为例,研究了提取大气重力波参数时常用的曲线拟合背景场获取方法的缺陷.结果表明:虽然4阶拟合对原始风廓线的拟合程度高于3阶拟合,但基于4阶拟合背景场得到风速扰动垂直廓线后,所提取的重力波参数和实际情况的差异大于3阶曲线拟合方法的结果.因此,不能将背景场对原始风廓线的拟合程度作为判断重力波参数提取准确率的依据.曲线拟合方法在大多数情况下会使扰动场中包含背景场信号,且所包含的背景场信号强度差异很大,同时还会引入虚假波信号.所以在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取背景场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法.     

大气扰动能量的转换,传播与非地转特征

本文利用1981—1982年冬季ECMWF格点资料对大气运动的非地转特点进行了系统的研究。指出:大气低频变化过程中的超、次地转运动与大气波动亦有一定的对应规律;北半球冬季的动能变化方向有显著的海陆差异。发现地转偏差(?)有特定的空间分布,并非出高纬向低纬逐步增加,而是在30N附近及亦道地区各存在一个大值带;在大值带中存在着(?)的大值中心。它对大气扰动(不小于低频时间尺度)的产生、维持和能量的变化相传播具有重要意义。     

济南章丘大气边界层风温场特征研究

基于章丘气象站2004—2009年实测资料,研究了当地大气边界层风向、风速、气温的时空分布特征,并利用SPSS 17.0数据统计软件的曲线参数估计法,探讨了符合章丘实际的风速随高度变化的拟合曲线及其数学函数关系。结果显示:研究地区大气边界层盛行风向为SSW,且呈现随高度增加沿顺时针方向偏转的特征;风速变化特征在10—300 m和350—1500 m不同高度层存在显著差异,春、夏、秋季和年平均风速随高度变化的指数曲线拟合结果总体好于幂函数曲线,而冬季则相反;气温变化特征四季基本一致,近地面层存在逆温现象,冬季逆温日数最多;逆温强度冬半年的大于夏半年的。     

用GMS5卫星反演水汽场分析中国西北地区大气水汽分布的气候特征

卫星遥感资料具有反演大气水汽含量的能力.由于山区降水一般随高度增加,而海拔高的地区大气柱的厚度比海拔低的地区薄,整层水汽含量少,使得大气总水汽含量与降水的分布在复杂地形情况下不吻合.为此,引入用卫星反演的单位大气柱水汽含量,较好地反映了降水的空间分布特征.分析结果表明,在云水条件上,西北地区东部具备了较好的实施人工增雨(雪)的条件,尤其在春、夏季,实施人工增雨(雪)的云水条件更加优越.     

基于AIRS的重力波参数提取方法对比分析

利用2019年1月1—7日AIRS观测的(80°—100°W,30°—45°N)范围内0—45 km高度的大气温度剖面数据,根据重力波的线性理论,分别采用垂直滑动窗口法、双滤波器法、单滤波器法对温度廓线数据进行处理,从中得到初始扰动剖面,再使用分离出来的对流层到平流层低层的背景温度和重力波扰动剖面计算重力波势能,最后根据提取结果比较三种方法的差异。结果表明:1) 采用垂直滑动窗口法提取的重力波势能对波长较小的波动有很好的反映,在对流层顶区域重力波势能异常偏大。2) 采用双滤波器法提取的重力波势能很好地反映各个波长的波动,更符合真实情况。3) 采用单滤波器法能够提取波长较大的重力波扰动,且扰动在对流层贡献更大;而采用双滤波器提取的重力波扰动分别在对流层顶和平流层贡献更大。     

1998年长江中下游地区暴雨过程大气低频扰动场分析

利用Morlet小波变换和Lanczos带通滤波对1998年长江中下游地区逐日降水和经大气变量物理分解后的NCEP/NCAR再分析资料进行分析,研究1998年长江流域中下游地区强降水期间大气低频扰动场的显著特征。结果表明:1998年长江中下游地区8月前为降水多发期,更是暴雨频发期,强降水主要存在两种低频振荡,1—4月主要以12—24d低频振荡为主,6—8月以30—60d低频振荡为主;850hPa自青藏高原东部四川盆地附近东移的12—24d低频扰动气旋或反气旋与1—4月长江中下游地区的强降水有关,而自日本本岛南部海面西移的30—60d低频扰动气旋或反气旋与长江中下游地区5—8月的强降水有关。12—24d的低频扰动位势高度场垂直结构具有斜压性,中心轴线向西倾斜;而30—60d的低频扰动位势高度场垂直结构与其不同,具有正压模态。引发长江中下游地区1—4月强降水的大气低频扰动最强信号位于925—850hPa附近,分别来自于青藏高原东侧和中高纬地区;而引发5—8月强降水的大气低频扰动最强信号多位于850—500hPa附近,分别来自太平洋中东部和赤道附近。     

太阳、地磁、大气电扰动与天气、气候相关研究

从日际,年际及世纪尺度统计分析了太阳活动与大气电参数及气象参数之间的相关性及其可能机制,结果表明,太阳活动与全球气温,云量,ＡＶＩ、雷暴及平流层工之间有很好的相关性。     

中国大气净辐射的气候特征

根据ＥＲＢＥ和ＩＳＣＣＰ资料以及实测和计算和地表净辐射资料进行了计算，并讨论了我国大气净辐射的气候特征；分析了其与各辐射分量及影响因子的关系。结果表明，大气净辐射与大气吸收波辐射有很高的线性关系，并可由此建立起统一的大气净辐射计算式。     

相向而行的重力波与暴雨

本文对１９８８年７月２１日天津地区大暴雨的天气过程进行了详细分析，发现这次暴雨是两个中尺度系统引起的两片雨区相向移动、合并而后加强形成的。研究表明这是两个相向而行的大气重力内波叠加的结果。     

水平非均匀层结大气中重力波的时空结构

用WKBJ方法结合特征线法求得了重力波波包在水平非均匀层结和时变层结大气中演变的渐近解，结果表明层结水平非均匀性除引起重力波波幅的变化外，还引起波长和包络宽度的变化，当波包由层结大值区移向层结小值区时，水平波长变短，包络宽度变窄，同时振幅增加。层结随时间的变化不会引起波包波长和包络的宽度的变化，但层结随时间减小时，波包振幅增加。     

地形对重力惯性波发展的影响

本文研究了具有南北坡的地形对重力惯性波发展的影响。利用WKB方法，建立了含地形作用的重力惯性波能量方程。研究结果表明:在层结稳定的情况下，当扰动“上坡”（沿地形高度的升度方向传播）时，其能量将减少，即扰动将减弱；当扰动“下坡”（沿地形高度的负升度方向传播）时，其能量将增加，即扰动将发展。如层结为不稳定，情形则相反，即扰动“上坡”时将发展，“下坡”时将减弱。此外，文中对波动的稳定性问题也作了一些讨论。     

包络地形和重力波拖曳对区域气候模拟效果的影响

用NCAR区域气候模式(RegCM2)的数值试验，研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对1991年5、6月份中国区域内气候模拟效果的影响。通过试验结果的对比分析发现，在模式中引入地形重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式对气候系统和要素的模拟效果，使模拟结果更符合气候实况。包络地形对模拟结果也有一定的改善，但对于细网格的区域气候模式(RCM)来说，其效果不如重力波拖曳明显。不论是地形重力波拖曳还是包络地形，在模式积分的初期，它们的作用并不明显，随着积分时间的增长，它们对模拟结果的影响程度增大。     

气象上寒潮天气两种不同统计方法的探讨

文章使用多伦县2001—2010年寒潮天气统计资料,分析了当地寒潮变化特征,通过对寒潮统计两种不同方法从降温特征、大气环流特征及地表覆盖几个方面进行分析,得出如下结论:按日最低气温降温幅度统计寒潮天气出现次数明显多于按日平均气温降温幅度统计寒潮天气出现的次数,尤其在初冬和冬末季节日最低气温变化比日平均气温变化幅度更加剧烈。     

大气扩散参数估算方法的适用性研究

本文对Pasquill估算大气扩散参数的方法在城郊复杂地形条件下的适用性进行了研究.采用近几年来,大气边界层理论和观测研究的结果,以Pasquill估算扩散参数方法对上海宝钢地区的大气扩散参数进行了计算,并与1984年上海宝钢地区SF_6示踪大气扩散实验的结果及平衡球实验结果进行了比较,具有较好的一致性.     

风速垂直切变下非均匀层结大气中重力惯性内波的稳定性

本文应用WKB方法研究了在弱非均匀层结大气中,当基本气流具有弱垂直切变时,重力惯性内波的稳定性问题.由导得的波能量方程出发,分析了风速垂直切变及非均匀大气层结对重力惯性内波波能变化率的影响.     

变分伴随方法应用于大气化学初值和参数反演研究

将结合正则化思想的变分伴随方法应用于大气平流层中臭氧破坏催化反应过程的浓度初始值和反应速率参数的反演问题,推导了在整体资料和末端时刻局部资料反演的伴随模式和泛函梯度,并进行了一组理想数值试验.试验结果表明了变分伴随方法运用于大气化学过程的反演研究的有效性,特别是局部资料联合反演中可以运用正则化思想克服反演的不适定性.     

Month-Long Simulations of Gravity Waves over North America and North Atlantic in Comparison with Satellite Observations

Mesoscale simulations of gravity waves in the upper troposphere and lower stratosphere over North America and North Atlantic Ocean in January 2003 are compared with satellite radiance measurements from the Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A). Four regions of strong gravity wave (GW) activities are found in the model simulations and the AMSU-A observations: the northwestern Atlantic, the U.S. Rockies, the Appalachians, and Greenland. GWs over the northwestern Atlantic Ocean are associated with the midlatitude baroclinic jet-front system, while the other three regions are apparently related to high topography. Model simulations are further used to analyze momentum fluxes in the zonal and meridional directions. It is found that strong westward momentum fluxes are prevalent over these regions over the whole period. Despite qualitative agreement between model simulations and satellite measurements, sensitivity experiments demonstrate that the simulated GWs are sensitive to the model spin-up time.     

Application of the Characteristic CIP Method to a Shallow Water Model on the Sphere

Semi-implicit algorithms are popularly used to deal with the gravitational term in numerical models. In this paper, we adopt the method of characteristics to compute the solutions for gravity waves on a sphere directly using a semi-Lagrangian advection scheme instead of the semi-implicit method in a shallow water model, to avoid expensive matrix inversions. Adoption of the semi-Lagrangian scheme renders the numerical model always stable for any Courant number, and which saves CPU time. To illustrate the efficiency of the characteristic constrained interpolation profile (CIP) method, some numerical results are shown for idealized test cases on a sphere in the Yin-Yang grid system.