垂直对流与倾斜对流相互作用的数值试验

1.引言对称不稳定性("倾斜对流")在大气中起一定作用的看法是有道理的.除理论研究外,Emanuel和他的同事已观测到部分中纬度斜压系统对于倾斜对流来说是中性的,即θ_e(相当位温)和M(总动量)面相互平行.认为在水平温度梯度存在的情况下只要有垂直对流作用就能使大气稳定到倾斜对流,这是没有道理的,其实倾斜对流本身必定出现,并在垂直对流消失之处取而代之.较为合理的观点是认为这些并不是两种互不相关的现象,而是一种较普遍现象的两种情况.     

对流允许尺度区域气候模拟的研究进展

与以往的区域气候模式相比,对流允许区域气候模式不再依赖于对流参数化方案,其精细的分辨率可以显式表示深对流过程,在夏季对流降水的日变化和极端降水事件模拟等方面具有明显增值能力,是区域气候模拟的发展方向。对现有的对流允许尺度区域气候模拟研究进行了较为详细的回顾和介绍,简述了对流允许尺度区域气候模式中比较重要的物理过程及外部驱动条件的影响,总结了以往对流允许尺度区域气候模拟的研究成果以及当下所面临的挑战和对未来的展望,以期对中国及东亚区域对流允许区域气候模拟的研究提供有益参考。诸多研究表明,对流允许区域气候模拟作为一种有前景的气候模式,可提供更加可靠的区域尺度的气候信息。     

热带对流活动与低频波流相互作用

利用ＥＣＭＷＦ客观分析资料，使用Ｂａｔｔｅｒｗｏｒｔｈ带通滤波技术，应用诊断分析的方法研究了１９８３／１９８４和１９８６／１９８７两年冬季中纬度地区低频波流间的相互作用特征，强调了热带地区对流活动的差异对于这种相互作用的重要影响。     

湍流不同尺度间的相互作用

湍流是由各种不同尺度的涡旋构成的。从整体上讲,存在Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ导得的惯性区结构函数的２／３次方定律和能谱的－５／３次方定律。这种幂律相关的湍流是由每种尺度上指数相关的局部相似的Ｂｒｏｗｎ运动所构成,从而从理论上解释了不同尺度之间的相互作用以及湍流系数Ｋ随尺度变化的规律,初步论证了大气不同层结下湍流系数的差别。结果对研究大气、海洋不同尺度间的相互作用有重要意义。     

对流尺度集合预报与模式不确定性研究进展

本文回顾了国内外近10年来对流尺度集合预报系统以及有关模式不确定性研究的成果。对流尺度集合预报在提高局地强天气预报预警能力方面,因其可以提供丰富的概率预报信息而具有显著优势,相关研究和应用受到国内外学者和数值预报业务机构的重视。相对于全球集合预报,对流尺度集合预报中有关模式不确定性的研究缺乏系统性和理论基础,成为目前研究的热点和难点。目前常用的模式扰动方法有多模式、多物理过程、多物理参数、随机物理等。这些方法在强对流事件、热带气旋强度路径等预报中得到了广泛应用,但在提高对流尺度集合离散度方面作用仍有限,主要原因在于其并没有针对性描述影响对流系统发生发展的关键物理过程的不确定性,仍然属于全球集合预报中天气尺度范畴。在回顾相关研究的同时,也提出了值得探索和研究的方向。     

不同空间尺度涡旋的相互作用初探

本文用一个准地转正压模式积分10个模式日,数值地研究了不同空间尺度涡旋之间的相互作用,以及这种相互作用对大尺度涡旋位置和移动的影响。     

夏季青藏高原上中尺度对流系统初生阶段特征

应用逐时GMS—5卫星红外云图云顶黑体辐射温度TBB资料，对1998—2000年夏季(6、7、8月)东亚地区各网格点的TBB按TBB≤-32℃及TBB≤-52℃这两个对流云顶阈值范围出现的频率进行了统计，结果表明，对流云顶TBB阈值出现的频率分布可以客观地揭示对流的地理分布和日变化特征。     

陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

华南飑线升尺度增长过程中的多尺度能量相互作用分析

采用WRF模式对华南飑线的升尺度增长过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为三个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化,以及三个尺度系统能量的相互转化.研究表明:动能的变化与飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应,β中小尺度对流的发展对应β中小尺度系统动能的...     

第十一讲 中小尺度动力学

在气象学中,中小尺度一词最早是用来描述某些大气现象。这种现象是从单站来观测显得太大,但用台站网的常规观测记录来分析又显得太小。因此,开始时这个词的意义是比较不确定的。1975年奥兰斯基提出了对那些大气过程尺度的合理划分。其具体分法如下:     

南海年际尺度海气相互作用的初探

本文分析了南海海洋大气系统短期气候变化中存在年际振荡的若干观测事实，提出了局地尺度南海海洋与低层大气相互作用的一种可能机制。针对南海表层水温距平和低层风场异常的相关，设计了一个类似与ＭｃＣｒｅａｒｙ和Ａｎｄｅｒ－ｓｏｎ（１９８４）模型的简化海气耦合模式。大气部分为随下垫面海温变化而变化的异常风应力阶梯函数与季节性风场的联合；海洋部分为非线性β－平面的约化重力模式。考虑南海海洋大气相互作用中存在的海温与低层大气风场变化之间反馈过程，耦合模式在气候积分中表现出一类约３ａ的周期性年际振荡。说明这个区域ＳＳＴ、低层大气风场年际振荡是南海海盆尺度的海气相互作用的反映，改进了关于南海ＳＳＴ年际振荡是海洋对大气应力甚低频强迫响应的认识     

北太平洋冬季年代际尺度海气相互作用

为了更深了解北太平洋年代际尺度海气相互作用,本文通过对湍流热通量和SST的相关关系进行了研究。当热通量和SSTA正相关时,代表海洋影响大气,而当二者相关系数为负时,表示大气强迫海洋。将整个北太平洋SSTA求平均和把北太平洋分成3个区域求SSTA平均,分别对热通量和SST的关系进行研究。结果表明,北太平洋冬季年代际尺度上的海气相互作用主要表现为海洋强迫大气,而在日本附近海域以及北太平洋中东部,海洋对大气的强迫作用最明显,因此这两个区域是北太平洋冬季年代际尺度上海气相互作用的关键区。     

臭氧和平流层动力学的相互作用

讨论了给定的南极春季臭氧洞(取自1979—1985年臭氧减少的观测结果)对二维平流层—对流层模式中温度和环流的影响。11月份,南极上空约17km处,温度最多可降低6℃。这种温度变化引起的平均经向环流对臭氧洞起填塞作用,不过,这种影响很小,每年仅产生14DU的变化。观测事实表明,近年来10月份,南半球波活动减弱。为此,我们作了南半球波作用全年都减少一半,并考虑了臭氧洞的数值试验。结果表明,臭氧柱在11月份76°S减少了44DU,在赤道却增加了12DU。     

基于降尺度方法的入海中尺度对流过程模拟

利用海-气-浪耦合模式和动力降尺度方法模拟并分析了2018年5月12日和7月13日两次东移进入渤海湾的中尺度对流过程,分别为入海减弱型和入海增强型。两次过程均发生在低空西南气流强盛,且地面处于暖舌控制的环境下,具有较好的水汽和能量条件。结果表明：海-气-浪耦合模式能较好地模拟减弱型过程的变化趋势,而对增强型过程的模拟效果较差,且模拟的两次过程对流强度整体偏弱;但经动力降尺度模拟后,两次过程的模拟效果均明显提升。敏感性试验对比表明：采用海-气-浪耦合模式结果为动力降尺度提供初边界条件具有一定优势,适用于入海中尺度对流过程模拟;两次过程对流系统入海前对流有效位能条件均较好,但垂直风切变条件增强型过程优于减弱型过程;对流系统入海后的冷池效应在减弱型过程中明显,而在增强型过程中强度较弱但范围较大;海洋下垫面为对流发展提供的热量和水汽输送在减弱型过程中较少,在增强型过程中明显。     

基于BGM的对流尺度集合预报试验及其检验

基于增长模繁殖法,考虑对流尺度高度非线性特征和精细化预报要求,对一次强飑线天气过程进行了集合预报试验,引入概率匹配平均法对集合预报结果进行对比分析,并通过偏差和公平技巧评分对降水进行了预报效果检验。试验结果表明,BGM法应用到对流尺度集合预报中能够生成代表大气不确定性的快速增长扰动。集合预报结果相比控制预报更加准确,传统集合平均对较小降水强度的预报更加准确,概率匹配平均法对大量级降水的预报能力明显占优。降水评分检验表明,集合平均对小量级降水的预报技巧最高,概率匹配平均法对极端降水事件的预报技巧有明显优势。对流尺度集合预报能够提高降水预报技巧,并对高影响对流天气事件的预报有指导意义。     

强降水和冰雹对流许可尺度集合预报个例试验

利用对流许可尺度集合预报系统,针对2015年4月28日夜间移动到江苏南部和上海地区,伴随短时强降水和冰雹的一次强对流过程,使用初始多源融合分析场对集合预报结果影响进行了分析。结合上海南汇双偏振雷达基数据观测,对12～14 h预报时效的反射率因子、差分反射率及冰雹集合预报结果进行了定性和定量的评估,分析了改进初始水物质分布,同时增加小尺度信息对于模式预报结果的影响。主要结果为:(1)对反射率因子预报的评估显示,初始场调整了水物质分布且增加了小尺度信息的试验(以下简称ADAS试验),对降水的范围、分布特征及评分都有明显改进(2)由于差分反射率在较小的距离内变化剧烈,对其准确预报难度较大,ADAS试验虽然预报强度偏强,但整体的位置和强度与实况更为接近,特别在大粒子预报方面具有更高的技巧,能够对微物理过程相关特征更好地进行描述;(3)使用地面人工观测和双偏振雷达观测对冰雹概率预报评估的结果显示,ADAS试验预报的高概率降雹区与观测落区接近,对冰雹落区预报具有一定的指示意义。通过多源融合分析调整初始水物质分布并增加小尺度信息的集合预报试验改善了较长预报时效的强降水和冰雹概率预报,具有更高的可信度,双偏振变量预报具有区分强降水与冰雹的优势,通过与观测的对比可以更好地评估模式对微物理过程描述的准确性。     

1995年中国的中-α尺度对流系统

１９９５年６～８月中国及其沿海共发生了１０２个中－α尺度的对流系统（ＭαＣＳ）。它们主要分布在以下３个地区：华南西部,四川盆地附近和黄河及长江中下游地区。文中还给出了６个发生在不同地区的ＭαＣＳ个例,用以展示中国ＭαＣＳ在发生和发展过程及其云顶黑体温度分布上所表现出来的多样性。     

武汉暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用

利用动能方程计算天气尺度与次天气尺度系统动能以及非线性动能的作用,以分析1998年7月发生在武汉的1次强降水系统中的主要动力过程。结果表明:在暴雨系统中,存在着天气尺度系统与次天气尺度系统间的相互作用,天气尺度动能减小,次天气尺度动能增加,但天气尺度动能和次天气尺度动能不能直接进行转换,而必须通过不同尺度之间的非线性相互作用来实现。也就是说,对次天气尺度系统而言,天气尺度系统是动能源,通过非线性相互作用,把能量传递给次天气尺度系统。     

气溶胶对北京中尺度对流系统影响的数值试验

利用可分辨云模式(WRF),模拟研究了不同气溶胶浓度对北京地区2001年8月23日一次产生强降水和冰雹的对流天气的影响。结果表明,气溶胶浓度的增加不利于对流云的发展,导致地面降水减小,但是对降水结构没有明显影响。气溶胶浓度增加导致云中水成物数浓度和质量浓度均发生变化,其中云水、冰晶和雪含量增加,而雨水、霰和雹含量减小。从云微物理学分析发现,气溶胶浓度减小有利于高层云的形成,云滴有效半径随着气溶胶浓度增加而减小。     

对流性强风暴系统的螺旋度动力学研究

利用风暴尺度的数值模式ＡＲＰＳ成功地模拟了１９７７年５月２０日在美国Ｏｋｌａｈｏｍａ州Ｄｅｌ Ｃｉｔｙ的一次强对流风暴过程。其模拟结果与实际的观测非常接近，模式积分 ４０分钟，初始对流单体发生了分裂，产生了新的对流单体。原有对流单体在原地维持成熟的结构，表现出较强的稳定性，而分裂出的新单体在移动过程中，逐渐向成熟位相发展，并且又分裂出新的单体。利用模拟结果，着重讨论了风暴发展过程中螺旋度和超螺旋度的空间结构和时间演变特征，以及在强风暴系统的对流发展过程中的动力学作用。初始环境场的螺旋性结构有利于风暴的发展。在风暴发展阶段，低螺旋度有利于大尺度向对流尺度的能量串级，而在风暴成熟阶段，高螺旋度则有利于对流单体的能量维持，从而形成长生命周期的对流系统。在风暴的发展过程中，风暴流场结构具有向Ｂｅｌｔｒａｍｉ流结构的调整趋势，螺旋度向高值发展。超螺旋度在流体粘性作用的影响下，可反映出螺旋度密度空间积分的时间变化趋势，负的超螺旋度可使螺旋度增加。在对流风暴发展阶段，超螺旋度为负值，对流单体的结构螺旋性增强、螺旋度的增大，在风暴到达成熟阶段后，超螺旋度转为正值。因此，超螺旋度可用来标志对流风暴系统的成熟程度。