区域酸性沉降的数值研究：Ⅱ.个例模拟和试验

利用建立的区域酸性污染物沉降模式，配合中尺度模式ＭＭ４预报的气象场，以１９９１年６月１２￣１４日淮河流域的一次降雨过程作为实例，对我国东半部及其相邻地区的酸沉降进行了数值模拟和试验研究。结果表明，模式基本上能够模拟出区域酸性沉降的特征，具有良好的综合模拟性能和广阔的应用前景。     

中国西南和华南地区硫沉降数值模拟

利用CMAQ(Community Multi-scale Air Quality)模式模拟了中国西南和华南地区的硫沉降。模式中详细考虑了气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对SO2输送、转化和沉降过程的影响。通过与IMPACTS小流域的观测资料的比较,显示了该模式系统能够较好地模拟SO2在大气中的转化以及干湿沉降过程。在此基础之上,分析了不同季节该区域的硫沉降和向外输送的情况,并且模拟了该区域2002年全年的硫沉降分布状况,这为该区域有效地污染治理奠定了基础。     

区域酸性沉降的数值研究 I. 模式

建立了一个三维时变的欧拉型区域酸性污染物沉降模式，模式包括源排放、平流输送、湍流扩散、干沉积、气相化学、液相化学及湿清除等六大部分。考虑到计算条件的承受能力和应用性的要求，在把握酸沉降形成的关键过程的前提下，合理地简化设计模式。相对于国内已有的工作，本模式在干沉积、气相化学、液相化学和湿清除等方面均有所改进。     

我国燃煤汞沉降的数值模拟

利用CMAQ-Hg(Community Multi-scale Air Quality-Mercury)模式模拟了我国燃煤排放的大气汞在我国区域的沉降分布状况,其中气象模式为MM5.模式中包括了三种价态汞(气态元素汞(GEM)、气态活性汞(RGM)和颗粒汞(PHg))的气相、液相、非均相化学反应过程以及输送、干湿沉降等物理过程.中国燃煤排放的大气汞中RGM所占比例较高,约为58.4%～66.8%,这导致我国汞沉降量较大.模拟结果表明,在我国的西南地区、华东地区以及京津塘地区燃煤汞的沉降较高,在这些区域的沉降通量高达2～6μg m-2mon-1.燃煤大气汞排放形态对汞的沉降有重要影响,减少燃煤汞排放中RGM的比例能够显著降低我国区域汞的沉降通量.     

利用次网格技术模拟华东地区大气硫氮沉降

采用数值模拟方法,在区域酸性沉降模式系统中引入次网格处理技术。通过4种次网格方案模拟结果的相互比较,选择最优方案,然后利用最优次网格方案,选取华东地区为例,进一步模拟研究大气硫氮沉降的空间分布。结果表明,就干沉积速率而言,以细网格方案(水平分辨率25 km)为参照,采用次网格方案比粗网格方案(水平分辨率75 km)有明显改进,其中“次网格风速与摩擦速度之积为常数”为最优次网格方案。华东地区硫的年总沉降量是1.92 mt(1 mt=106ton),氮的年总沉降量是0.65mt。华东地区硫化物(SO2、硫酸盐SO42-)干沉降量占总沉降量的49%,氮化物(NO、NO2、硝酸盐NO3-)干沉降量占总沉降量的80%,可见干沉降在大气沉降中具有重要地位。华东地区总的大气硫、氮沉降量中,70%以上到达有植被覆盖的土壤生态系统,这将对农田、草地和森林的硫素和氮素平衡有重要影响。此外,华东部分地区的硫沉降已经超过了临界负荷,而氮沉降尚未出现超临界负荷的现象。     

东亚酸沉降模式不确定性分析

酸沉降会对生态环境造成危害。要控制和减少酸沉降,就要了解酸沉降的幅度和不确定性,而模式研究是获得这些因子的重要工具。用东亚酸沉降模式比较计划（MICS-AsiaⅡ）中7个模式模拟的2001年7月和12月东亚地区酸沉降数据及东亚酸沉降监测网络（EANET）的观测数据,通过相关分析发现多模式模拟的平均值可表现东亚地区酸沉降的分布特征。采用各个模式与模拟结果平均值的离散程度来表征这些模式在东亚地区的不确定性,简要分析了目前模式模拟东亚酸沉降的不确定及其产生原因,可为制定酸沉降的控制措施提供依据。     

Simulated seasonal variations in nitrogen wet deposition over East Asia

近20年来我国的酸雨和酸沉降分布发生了较大变化,其中一个重要变化是硝酸根离子明显增加,这主要是氮氧化物排放增加所导致的。为了评估氮氧化物排放对酸雨和酸沉降的影响,本文利用区域大气化学模式RAMS-CMAQ模拟分析了东亚地区氮氧化物排放、输送和化学转化过程以及降水时空变化对氮氧化物和氮沉降量时空分布的影响,并借助于中国气象台站和东亚酸沉降监测网的观测数据评估了模式结果的合理性。模拟结果显示,东亚地区氮湿沉降的季节变化十分显著,氮湿沉降通量在1~18 kg N ha~(-1) yr~(-1)之间;春夏两季湿沉降占全年的71%,其中夏季占42.7%。     

不同区域气候模式对中国地区温度和降水的长期模拟比较

利用亚洲区域模式比较计划RMIP第二阶段五个区域模式和一个变网格全球模式，对中国地区1988年12月～1998年11月十年模拟的平均温度和降水结果，分析比较了不同区域气候模式对中国地区温度和降水的模拟能力。研究结果表明:几乎所有模式都能模拟出中国地区多年平均温度和降水的基本空间分布形态，但模式模拟的温度普遍偏低，在大部分区域，大多数模式模拟的降水偏多，而且不同模式之间存在较大差别。模式能较好地反映出中国地区温度的年际变化，对夏季降水的年际变化模拟较差，对冬季模拟较好。     

东亚地区春季二氧化硫的输送与转化过程研究Ⅰ．模式及其验证

结合新近评估的东亚地区污染源资料，作者利用一个耦合的区域化学输送模式系统以探讨东亚地区春季期间气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对二氧化硫输送及转化过程的影响，并研究二氧化硫和硫酸盐气溶胶的空间分布及变化特征。模拟的二氧化硫和硫酸盐气溶胶的浓度值与2001年春季飞机和地面获取的观测值进行了比较。比较结果显示，模拟值与观测值具有很好的一致性，模式系统很好地反映了二氧化硫和硫酸盐气溶胶的分布特征和变化规律，再现了许多观测到的重要特征，为进一步分析模拟结果奠定了基础。     

基于RAMS/CFORS Ⅱ模式一次低空核试验放射性烟云扩散的数值模拟

采用RAMS／CFORS Ⅱ模式模拟了一次低空核试验烟云的传输和沉降过程。CFORS Ⅱ模式是在RAMS／CFORS模式的基础上开发的,可用于对核试验放射性烟云长距离输送和沉降过程的模拟研究。模拟表明：对流层中低层的低压槽系统对本次低空核试验烟云的水平传输和垂直扩散起着重要的影响作用;烟云的长距离传输速度呈现出随高度递减而减小的趋势,在6000m以上,烟云在爆后48h即东移入海,6000m以下,烟云在中国大陆的扩散和沉降维持了5d以上;爆后2天内以大粒子沉降为主,其后以小粒子沉降为主,小粒子的放射性远小于大粒子,在爆后第4天,放射性沉降就减小了3个量级,而小粒子的沉降范围是大粒子的5倍以上。通过模拟和观测对比表明,模拟结果基本符合实际烟云的传输和沉降态势。     

Numerical simulation of plume-advection over a hill with coupled models. Part I: Numerical solution of the transport-equation

Summary Four numerical methods suitable for the calculation of transport are compared on a linear two-dimensional advection equation. It is found that a mass-compensation algorithm which removes negative values has also a beneficial effect on the accuracy of schemes which are of higher order but are not positive. It is shown by numerical experiments, that the upstream spline advection scheme combined with a mass compensation is prefereable for some applications rather than other high accurate positive schemes like the flux-corrected transport scheme.With 3 Figures     

“雅安天漏”研究 II. 数值预报试验

本文建立了一个用于研究“雅安天漏”的有限区域数值预报模式，并用该模式对10个“雅安天漏”个例进行了数值预报试验，取得了较满意的结果。该模式动力框架的主要特点是: (1) 模式的基本方程组便于构造出完全能量守恒的差分格式；(2)采用了静力扣除；(3)模式的垂直坐标选用了η坐标；(4)选用E网格作为变量的水平分布形式；(5)位势高度与其他预报量在垂直方向交错分布；(6)对E网格的波解分离问题采取了特殊的处理技巧；(7) 首次采用“半格距”差分解决了矩形E网格及球坐标E网格沿对角线的差分计算；(8)采用显示分解的时间积分方案；(9)尽量保留初始场信息。模式的物理过程主要包括: (1)大尺度凝结降水；(2)对流调整及对流降水；(3)水平扩散和垂直通量输送；(4)地面辐射收支和边界层参数化。试报降水的主要降水中心及降水范围与观测分析比较相似。大于10 mm和２５ mm降水的TS平均评分分别为0.41和0.32。     

提为反问题的数值预报方法与试验 I. 三类反问题及数值解法

提为初值问题的数值预报在通过改进数值模式、观测手段及分析方法而改进预报的同时,仍然面临着两大困难,即模式误差和初值不完整。然而我们有大量的气候演变的历史观测资料,其中蕴含着关于气候系统的信息。本文针对这两个困难,系统地提出充分利用历史资料反演订正模式和初值进而改进数值预报的三类反问题,并给出数值解法。最后将三类反问题应用于一个简单模式进行反演预报的数值试验,其数值试验结果将在本文的第二部分给出。     

Investigations of the development of thunderstorm with hail. Part 3. Numerical simulation of cloud evolution

The three-dimensional nonstationary model of a convective cloud is used for investigating a thunderstorm with hail which developed over Pyatigorsk on May 29, 2012 and produced a severe hailstorm. The values of cloud characteristics (liquid water content, ice content, vertical velocity, etc.) are obtained. The importance ofconsidering wind shear is noted. The simulation results are used to analyze the transformation of precipitation field and the electric charge structure of the analyzed cloud during its development.     

2003年8月“巴蜀夜雨”过程的模拟和分析研究

结合中尺度数值预报模式AREM的数值试验和观测资料分析,对2003年8月川西地区的9次夜雨过程进行了模拟研究和综合分析.结果表明,在一定环流背景下,川西地区特殊地形引起的沿坡地的辐合上升运动和下垫面提供给低层大气的热通量所导致的大气层结不稳定,对川西夜雨的形成和发展有重要影响.白天,随着陆-气通量交换的增加,低层大气的温度和湿度逐步升高,并在午后达到极值.与此同时,低层偏南暖湿气流在盆地西部由于气旋性弯曲而形成的东北风在午后逐渐加强,这支气流在盆地西部被地形阻挡,产生爬升运动.辐合上升将低层高温高湿的大气向上输送,使得大气不稳定层结的厚度以及强度都增加;日落以后,低层大气的相对湿度随着气温的降低而增大,容易饱和而形成凝结,同时大气中积累了相当可观的对流有效位能,低层辐合抬升等因素容易触发不稳定能量释放,造成对流性夜雨天气.强烈的对流辐合运动需要周围大气的入流补偿,促使偏东风气流增强且向高空伸展,这令辐合抬升作用进一步增强.     

“94·7"北京大暴雨数值分析

受西风带蒙古低空冷涡、台风低压和副热带高压的共同作用，１９９４年７月１１－１２日控制我国中纬义地区的大气环流形势发生了一次由纬向型向经向型的转变。７月１２日北京出现了大暴雨。作在天气学分析的基础上，应用中尺度数值预报模式进行数值试验，探讨天气系统的相互作用，分析北京地区特大暴雨触发机制。     

GRAPES紫外线（UV）数值预报

应用GRAPES（Global/Regional Assi milation PrEdiction System）模式中的Goddard短波辐射方案,创建了紫外线数值预报系统（GRAPES-UV）。介绍了Goddard短波辐射方案,给出了GRAPES-UV系统的运行和个例分析。研究结果表明,紫外线指数（UVI）除了与纬度、地形和日变化有关外,还与云的分布以及天气形势密切相关,GRAPES模式中云的微物理方案对UV预报有较大的影响,UVI在晴空和对流云降水地区的强烈反差是UVI的重要特征。在个例试验中应用了臭氧总量预报模式,通过T213模式为化学输送模式提供气象背景,利用卫星资料同化技术建立臭氧的初始场,预报大气臭氧总量。应用国际上通常采用的临界成功指数（CSI）对2007年夏季北京和上海UV预报进行统计检验。北京和上海24 h紫外线强度等级为强和很强的CSI分别为0.625和0.780,接近同样方法的美国检验结果0.677。该系统从2006年3月起在中国气象局大气成分观测与服务中心的业务系统中正常运行,并在大气成分中心网站上发布UVI和紫外线强度等级预报,并提醒公众采取合适的方法保护自身免受UV的过度辐射。     

珠峰绒布河谷大气边界层结构的数值模拟

利用中尺度气象模式RAMS对2006年6月12～16日珠峰绒布河谷地区大气边界层结构进行了模拟,并将模拟的风温时空分布与风廓线仪LAP3000的观测资料进行了对比分析.结果表明,绒布河谷地区的局地环流具有明显的日变化(午后至夜间盛行山风,可持续12h,且风速较大;在山风盛行期间,山风的影响高度可达400～700m左右),其中下垫面不均匀性导致的温度差异是引起局地环流的主要因素;RAMS模式较好地反映了绒布河谷地区局地环流的时空变化特征.     

Numerical modeling of thunderstorm

Summary A brief review of numerical models of thunderstorms is presented. The attempts of modeling these clouds have to deal with an extremely broad range of microphysical and dynamic processes. Basic concepts of thunderstorm modeling, 1-D, 2-D and 3-D models are considered. Particular attention is given to the basic equations and to the capability of these models to predict characteristics of the tunderstorms. A brief treatment is also given of hail growth in thunderstorm models.

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Zusammenfassung Im folgenden wird eine knappe Übersicht numerischer Gewittermodelle präsentiert. Bei der Modellierung von Gewitterwolken muß ein ausgesprochen weiter Bereich von mikrophysikalischen und dynamischen Prozessen beachtet werden. Grundkonzepte der Gewittermodellierung, 1-D-, 2-D- und 3-D-Modelle werden hierzu herangezogen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den Ausgangsgleichungen sowie den potentiellen Möglichkeiten dieser Modelle, Charakteristika der Gewitter vorherzusagen. Weiters wird auch das Hagelwachstum in Gewittermodellen kurz behandelt.

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With 8 Figures