对流凝结加热与不稳定波

本文用综合考虑Ekman-CISK和CMM-CISK机制的柱对称模型,讨论了对流凝结加热廓线对不稳定波的影响。分析和计算结果表明,对流凝结加热廓线对不稳定波有显著影响。 通过CISK 机制对流凝结加热不仅可以产生常定不稳定波并且还可以产生一种有周期性变化的振荡型不稳定波,低层有最大的凝结加热分布更有利于振荡型不稳定波的产生。积云摩擦作用是形成最不稳定波的波长选择性的重要因素,而凝结加热廓线也对这种选择性有直接影响。不稳定波的垂直结构随加热廓线的不同而有明显的差异。 对流凝结加热廓线还直接影响能量的产生和转换。最大加热层越高,则产生最大有效扰动位能的高度就越高。更有意义的是,这时有效扰动位能向扰动动能转换的效率也愈高。因此,对流凝结加热廓线的不同可能是热带低压扰动仅部分发展为台风而另一些不能发展的重要原因之一。     

对流凝结加热对华北夏季锋面影响的数值模拟研究

本文利用改进的ＭＭ２模式，用干、湿过程模拟了一次夏季华北锋面结构。干模式仅能模拟出大尺度特征和明显偏弱的锋面环流，而湿模式可模拟出某些重要的中尺度流场特征。表明只要具有合理的模式物理过程，使用大尺度资料，也可以在一定程度上模拟出中尺度系统。对流参数化的试验表明，系统演变和降水预报对湿润因子ｂ和增温廓线很敏感。在此工作基础上，设计了考虑下沉气流的积云参数化方案。初步结果表明，这种方案使降水量预报有改进。     

对流凝结加热对飑线生成和演变的数值实验

本文用一个准二维的10层原始方程中尺度湿模式对飑线的生成和演变进行了数值模拟实验,得到了与实际飑线相一致的结果。实验表明,对流凝结潜热的释放是一类飑线的主要能源。大气低层潮湿十分有利于飑线的生成和发展。     

不同对流参数化方案试验中凝结加热的特征及对暴雨中尺度模拟结果的影响

使用20 km分辨率的MM5模式,分别选用KUO,GRELL,KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU,GR,KF和BM)等4种不同对流参数化方案,对1996年8月3~4日石家庄特大暴雨过程作数值模拟试验,分析比较了4个不同试验中网格尺度(显式方案)和次网格尺度(对流参数化方案)凝结加热的水平、垂直分布和时变特征;研究探讨了凝结加热分布及差异对暴雨中尺度模拟结果的可能影响。分析显示,暴雨过程中,4个不同对流参数化方案试验所得到的次网格尺度凝结加热基本都呈单峰特征、加热峰值在对流层中层,但加热层厚度和强度在不同试验间存在差别;4个试验的网格尺度凝结加热的垂直范围表现出较好的一致性,加热重心位于对流层低层,但加热强度仍有所不同;GR和KF及BM试验的总凝结加热率的垂直分布特征主要受其网格尺度凝结加热率特征的影响、加热重心在对流层低层,而KU试验的总凝结加热率的垂直分布特征由其次网格尺度凝结加热率特征所决定、加热重心在对流层中层。研究表明,尽管4个试验在暴雨期间总凝结加热的垂直分布差异并不显著,但对暴雨中尺度模拟的影响却不能忽视。凝结加热的分布特征及演变直接影响与暴雨发生发展密切关联的物理量场的中尺度结构和演变;凝结加热对暴雨中尺度的影响具有连锁性,由加热差异波及局部环流细致结构和强度及其变化的差异,进而影响暴雨发生发展的细致特征。在20 km或更高一些分辨率的条件下,对于描述温带/中纬度暴雨的发展和结构,选用KF方案得到的模拟结果可能更具物理合理性;而KU方案模拟结果容易出现格点气柱的水汽和温度被过量调整的不合理情况。要得到一个可信的中尺度模拟结果,对降水模拟结果进行细化特征的验证、特别是随时间演变特征的验证分析是非常重要的,因为降水的细致演变特征与凝结加热及与之相联系的物理量场的中尺度演变特征密切关联。     

非线性斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用

本文用β平面两层准地转斜压模式,讨论了具有摩擦耗散作用和对流凝结加热作用的斜压不稳定有限振幅问题,并对所得的有限振幅斜压波的振幅控制方程进行了数值积分。结果指出,在无耗散作用时,斜压不稳定波的振幅是周期振荡的。当摩擦耗散作用仅存在于下层时,不稳定波振幅最终趋于一个为零的平衡态;当上下层都存在摩擦耗散时,对流加热强度较弱(即m~*<1),则存在着一个振幅为零,另外两个为非零的多平衡态,而扰动波振幅最终趋于非零的平衡态。对流加热较强时(即m~*≥1),则仅存在振幅为零的单个平衡态,扰动波振幅最终趋于这个平衡态。     

对流凝结加热和垂直风切变对行星波垂直传播的影响

本文从理论上分析研究了对流凝结加热和垂直风切变对大气行星波垂直传播的影响。结果表明,对流凝结加热有抑制行星波垂直传播的作用;基本气流的西风(正)垂直切变对行星波的垂直传播有利,而东风(负)切变却对行星波的垂直传播有阻碍作用。 进-步分析还发现,垂直风切变对行星波垂直传播的影响以在中高纬度地区更为显著;对流凝结加热对行星波垂直传播的影响在热带地区更值得重视。并且,垂直风切变和对流凝结加热的影响可能是使得大气中板地波导更显著的重要原因之一。      

一种根据湿对流区域时空分布调整的BGM扰动改进方案

在增长模繁殖法(Breeding of the Growing Mode,BGM)的动态繁殖过程中,尺度化因子的选择极为关键。利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,在分析飑线系统数值模拟误差增长机制的基础上,根据飑线发展过程中湿对流区域误差更容易快速增长的特点,提出了一种根据湿对流区域时空分布调整的BGM初始扰动改进方案。该方案通过在动态繁殖过程中对小扰动的水平结构进行调整,加强湿对流区域扰动,捕获到增长最快方向上的小扰动并将其作为初始扰动。试验结果表明:根据降水量调整的改进方案相比其他方案扰动能量较大,各集合成员之间差异也较大,集合平均预报误差较小;对强降水范围的模拟相对理想,暴雨的降水评分较高;对风廓线及水汽场的预报更接近于实况,较好地改善了集合预报效果。     

凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟

利用WRF模式对2009年7月29日的一次高原低涡个例进行数值模拟,研究了凝结潜热加热及其与对流活动的反馈在高原低涡发生发展过程中的作用及影响机制。通过模拟结果与实况资料的对比分析,发现WRF模式能够较好地模拟此次低涡的移动路径、中心强度和降水场分布。不考虑凝结潜热加热效应的敏感性试验结果中,模式模拟的低涡移动迟滞,降水量减少,并在移动至高原中部后迅速减弱消失。进一步分析高原低涡的结构发现,凝结潜热加热使得低涡中心附近的上升运动延伸至高层,并产生较强的对流活动,而更为深厚的上升运动又释放出较多的潜热,从而形成一种正反馈机制。位涡收支诊断分析表明,低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移,位涡垂直通量散度项与凝结潜热加热垂直梯度项引起的位涡变化趋势相反。在高原低涡的形成和发展阶段,由于凝结潜热加热与对流活动间的正反馈机制,潜热加热垂直梯度项引起的正位涡增强,凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用,有利于高原低涡的增强与东移;低涡进入成熟阶段后,凝结潜热的贡献减小,位涡水平通量散度项与位涡垂直通量散度项对位涡的变化起主要作用。     

斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用:线性理论

Pedlosky,J.利用两层准地转模式,在无摩擦的β平面和有摩擦的f平面上分别讨论了纬向基本流的斜压不稳定问题。本文在此基础上作了改进,讨论β平面上具有摩擦和对流凝结加热的斜压不稳定问题。文中只给出线性部分的结果,非线性部分将另文发表。所得结果均可用临界切变(U_C)—波数(A~2)曲线表示,再由此分析线性斜压不稳定问题中β效应、摩擦和对流加热的作用和影响。分析指出,β效应不但起着增稳作用,还与摩擦和对流加热作用相结合使临界曲线发生不对称现象,即绝对值相同的正负切变其稳定性可以不同。摩擦(r)亦起着增稳作用,但是弱摩擦和β效应相结合,反而比无摩擦时β效应的稳定性要小。对流加热(m)总是起着斜压不稳定增长作用,并且当其强度m>1时使得摩擦作用亦变成减稳.在m<1而且上下层都有摩擦的条件下,本模式具有A~2=1~2的长波截断。而短波截断的波数随加热增强(m→1)而无限增加。在临界曲线族上,还出现了中波截断。     

改进的Kuo-Type积云对流参数化方案

通过对热力学方程和水汽方程两端作计算的对比，指出Ｋｕｏ－Ｔｙｐｅ参数化方案的一种改进型Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｉ回归方案在长江中下游地区应用的不足之处，同时结合本地区的积层云共存及相互作用的事实，以实用性为目的，提出一种改进的Ｋｕｏ－Ｔｙｐｅ参数化方案。它具有以下特点：积云对流发生的判据具有区域特点；采用Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｉ的具有明确物理意义的对流参数，但不从统计回归中求得，而是直接由“实时资料     

一种基于位涡反演的变性台风初始化方案

针对变性台风的结构特征和Bogus 方案的局限性,提出了一种新的基于位涡反演技术的台风初始化方案。实际应用效果表明,该变性台风初始化方案既能使初始场中的台风中心位置和强度与观测相吻合,又能维持变性台风的结构特征(斜压性和不对称性),同时能保证初始场中各要素场之间的协调一致性。数值试验结果表明,采用该方案后,在数值模拟的前24 小时对台风中心强度和移动路径的模拟效果有较明显改进。      

轴对称模型台风的改进方案及其对0425号台风数值模拟的效果

西北太平洋台风切向风廓线存在明显的差异,目前MM5中尺度数值模式NCAR-AFWA的模型台风（bogus）方案中仅使用了最大风速和最大风速半径两个参数,有时不能准确地描述台风的外围结构。通过引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径对NCAR-AFWA的bogus切向风廓线进行改进,然后对0425号台风“洛坦”的路径和强度进行模拟,结果发现：在台风bogus切向风廓线中同时引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径对台风路径和强度模拟均有改进,同时对台风大风范围的模拟也有改进。     

一种台风过程雨量的相似预报方法

提出一个台风过程雨量的定点、定量预报方法。方法应用台风初始参数、历史过程的天气形势场和物理量场及数值预报产品,构造预报区域内当前时刻至未来时刻环境要素场的多元客观相似判据。通过定义非线性的相似指数,综合评估历史台风样本与预报台风在多元判据下的连续动态相似程度,以此找到相似样本。应用相似样本的历史雨量记录进行相似指数的权重综合,得到台风未来雨量的定点、定量预报值。预报试验表明该方法具有一定的预报技巧。     

球函数分析中经向数值积分的改进方案

在全球气候场的球函数分析中,定积分∫＾ｎｏｑ（θ）ｓｉｎθｄθ的近似计算是重要的。本文基于几何分析给出了它的一个改进方案,对标准化缔化勒让德函数Ｐ＾ｍ,ｎ的模和正交性计算表明,它可以明显提高气候场球函数分析的精度。     

IMPROVED SCHEME OF AXISYMMETRIC TYPHOON BOGUS MODEL AND ITS IMPACT ON NUMERICAL SIMULATION OF TYPHOON NOCKTEN （NO.0405）

There is distinct difference in the tangential wind profile between different typhoons in the western North Pacific. At present, only two parameters, maximum wind and radius of maximum wind, are used in NCAR-AFWA bogus for MM5 mesoscale numerical model. As a result, sometimes the outer structure of typhoon cannot be described accurately. The tangential wind profile of NCAR-AFWA bogus is improved by introducing radii of 25.7 m/s and 15.4 m/s, and then the track and intensity of Typhoon Nockten (No.0425) are simulated. The results show that the simulations of track and intensity of typhoon both have been improved by simultaneously introducing the radii in the tangential wind profile of typhoon bogus. At the same time, there is improvement in the gale wind range of the typhoon simulated.     

台风低压发展的数值模拟研究——凝结加热廓线的影响

本文用一个同时考虑Ekman抽吸和积云动量输送作用的二维轴对称原始方程模式,就对流凝结加热廓线对台风低压发展的影响进行了数值模拟研究。试验结果表明,对流层中下部有较强加热时,模式台风低压的低压环流发展较快;对流层上部有较强加热时,系统结构更类似于实际台风。在台风低压发展过程中,对流凝结加热廓线也会改变,最强加热可能由对流层中下部向中上层发展和传播,从而,台风低压发展既快、系统结构又类似于实际台风。这样一种过程可能正是热带低压发展为台风的一般过程。      

有地形存在时对流云发展的数值模拟研究

本文通过应用地形转换坐标，建立了一个能够模拟复杂地形上对流云发展的二维非静力的弹性模式，并对以下几个方面进行了模拟实验：首先对初始环境场的调整适应过程进行了模拟研究，得到：在有对流云发展的情况下，只要调整适应时间大于一个浮力振荡周期（即２π／Ｎ），则此时间尺度的大小只对对流云的发展强度产生影响，而对其发展的趋势影响不大。然后我们对下述过程进行了模拟：①地形抬升对积云的触发作用；②上坡环流对已发展对流云的加强；③下坡环流对已发展对流云的减弱。模拟结果表明，模式是稳定的、可靠的。上述模拟研究为我们今后深入开展强对流云数值模拟工作打下了基础。     

风场和热源的垂直分布廓线对台风发展影响的数值试验

本文用柱坐标中原始方程的五层对称模式,讨论了风场垂直切变和热源的垂直分布对台风发生发展的作用。用定常热源做的试验表明台风上层的反气旋环流是台风发展的结果。初始风场的垂直切变不利于台风的发展。台风的发展与热源的垂直分布有很大关系。热源的垂直分布廓线若为下大上小的形式,则有利于台风发展。     

岛屿地形和对流凝结潜热对登陆台风"黄蜂"影响的数值研究

采用广州有限区域数值预报模式,以登陆台风"黄蜂"(0214号)为例,研究海南岛屿地形和对流凝结潜热对登陆台风"黄蜂"的影响.结果表明,台风"黄蜂"从海南岛东侧附近经过时,海南岛屿地形对登陆台风"黄蜂"的移动路径影响不明显,但是对海南岛附近的降水有明显影响,模式中有无对流凝结潜热加热对台风"黄蜂"的移动路径和降水等均有明显的影响.     

对实验室台风的数值模拟

本文用柱坐标中原始方程的对称模式对实验室(转盘)模拟的台风进行了数值模拟。计算得到了一个类似台风的系统,其流场,气压场和温度场的结构与转盘模拟的台风和实际台风均很接近。