地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究 I：冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型 ,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题。冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关。当冷锋位于迎风坡时 ,其坡度减小 ,位于背风坡时 ,其坡度增大。在静止冷锋存在两类不同的环流系 ,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系。静止冷锋位于背风坡 ,其冷域中的这支闭合环流增强 ,范围增大 ,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移 ,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大。当静止冷锋位于迎风坡时 ,结果相反。冷锋移动较慢时 ,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡。当静止冷锋移离地形时 ,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽。地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用 ,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现。由于边界层摩擦的辐合作用 ,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带 ,当冷锋位于迎风坡时 ,其强度增强 ,当冷锋位于背风坡时 ,其强度减弱。当冷锋位于背风坡时 ,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大 ,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅰ:冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题.冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关.当冷锋位于迎风坡时,其坡度减小,位于背风坡时,其坡度增大.在静止冷锋存在两类不同的环流系,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系.静止冷锋位于背风坡,其冷域中的这支闭合环流增强,范围增大,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大.当静止冷锋位于迎风坡时,结果相反.冷锋移动较慢时,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡.当静止冷锋移离地形时,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽.地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现.由于边界层摩擦的辐合作用,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带,当冷锋位于迎风坡时,其强度增强,当冷锋位于背风坡时,其强度减弱.当冷锋位于背风坡时,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区.     

冷锋雨带中湿物理过程与非绝热锋生的相互作用

利用包含冰相微物理过程参数化方案的三维非静力中尺度／云模式（ARPS）模拟了与冷锋有关的冷锋雨带（NCFR）结构，着重分析了锋面云系发展演变的主要特征。模拟结果表明，锋面云系是由位于锋面前沿处的锋面次级环流的上升运动激发的；锋面强度与冷锋云（雨）带中的潜热释放之间的正反馈引起的持续非绝热锋生是锋面以及冷锋雨带得以长时间维持的主要物理机制。进一步分析表明，锋区两侧位温梯度的增加是与沿着冷锋表面的倾斜上升运动引起的云水及水汽的再分布密切相关的，即在冷气团中由云水蒸发发冷却形成冷池，而在暖气团中由水汽凝结以及雨滴冻结等形成暖池，这种冷／暖池在冷／暖气团上的叠加是引起非绝热锋生的关键。     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅱ:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题。暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反。地形对暖锋坡度的影响作用较小。与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大。对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大。在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带：（a）由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱。该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱。（b）在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,（c）在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧。     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究II:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题.暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反.地形对暖锋坡度的影响作用较小.与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大.对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大.在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带:(a)由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱.该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱.(b)在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,(c)在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧.     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

一次冬季锋面暴风雪天气过程的斜压边界层特征的观测分析

对STORM-FESTIOP17一次冬季锋面暴风雪天气过程的斜压边界层结构演变及特征进行了分析。发现：暖湿空气沿锋面抬升凝结成云，产生降水过程中释放的大量潜热显著增加锋两侧的水平温度差异，产生锋生。与锋生相伴，在锋前产生低空急流和高空急流。当锋生至最强时，锋两侧温差可达20K，锋前低空急流开始减弱，锋后低空急流增强，锋后冷平流开始主导锋两侧的环流系统。该冷平流削弱锋两侧的温度水平梯度，产生锋消作用。对这次锋面斜压对流边界层的湍流特征分析表明：在边界层之上切应力wv明显增大；湍能收支分析表明在边界层之上的风切变产生项很强，即大尺度天气系统有利于斜压对流边界层的发展，边界层内各量充分混合。这次冬季锋面暴风雪天气过程，冷锋前的低空南风急流从墨西哥湾携带来的充足水汽及锋区边界层大气的强斜压性是其产生的关键因子：冷锋过后，大尺度高空急流的作用更有利于对流边界层的充分发展。     

对称和非对称地形对冷锋锋生过程的影响

本文利用半地转模式研究了对称和非对称地形以及双地形对冷锋锋生过程的影响。计算结果显示，地形坡度愈大，越容易产生背风气旋，并且其强度也愈大；背风气旋的强度主要由背风坡坡度决定。山对锋面垂直速度的增幅作用随地形坡度增大而增大，地形坡度越大．出现多次极大上升速度的可能性也越大。冷锋过双地形时，其锋面强度有两次减弱和加强的过程，上升速度得到明显加强，并有可能在锋前产生多条中尺度上升运动带，在合适的水汽条件下，冷锋过双地形有可能产生多重中尺度雨带，其间隔与锋面本身的尺度相当。     

三维非静力E—ε闭合模式对山体流场及浓度分布的模拟

本文采用三维非静力E-ε闭合模式,在对流层边界层方程组中,加入湍能和耗散率方程描述边界层中的湍流运动。求解孤立三维山地地形上的流场、湍流场和浓度场,并分析地形对气流的影响及对污染物浓度分布的影响。同时做了不同坡度和不同风速下的孤立三维山体的流场、湍流场和浓度场比较。数值计算结果表明,地形能改变气流运动,气流过山时将出现分支现象,山后背坡有反向回流出现,并且回流区大小随着山体坡度的增大而增大。山体对气流的阻挡作用随山体高度的增加而更明显,随风速的增加而减弱。湍能及耗散率随高度衰减较快。随着山体坡度增加,山前气流的垂直速度也增加,湍流运动更强。风速大时湍流运动越显著。污染物在山前出现辐散,迎风坡是浓度高值区,山后背风坡也是相对高值区。山坡度越大,山前迎风坡污物浓度越高。     

华南前汛期锋面垂直环流及其与中尺度对流系统的相互作用

对1998年华南暴雨试验加密观测期间(IOP)5月23日强降水个例的数值模拟结果分析指出,锋面对于中尺度对流系统而言除了提供对流运动的触发机制外,两者之间还可能存在复杂的相互作用。华南前汛期中伴随对流活动的冷锋具有独特的垂直环流结构。它主要表现为暖湿气流不是沿锋面上滑,而是在冷锋前沿的对流雨团中直接上升到高空,锋面上方上滑的暖空气完全被对流雨团北侧的补偿性下沉气流所代替;而在锋后以及锋前暖区内均有对流活动发生的情况下,低空流入锋区前沿和锋区上方雨团的空气不是来自锋前暖区,而是来自锋后。对对流系统内部雨团进行的三维轨迹追踪也揭示出锋面上空对流雨团内存在一部分来自锋后并穿越锋区的上升气流。这是因为锋面并不是真正意义上的物质面,它只是大气温、湿属性有显著差别的界面,因此存在穿越锋区的运动并不是完全不可能发生的。在华南前汛期中,锋区两侧温度对比比通常意义上的锋面要小,这也是可能发生穿越锋面运动的原因之一,表明中尺度对流系统由于具有与梅雨锋在跨锋方向相类似的尺度而有可能对梅雨锋的流场结构发生影响。     

DYNAMICAL CHARACTERISTICS OF THE STREAM FIELD OF COLD FRONT IN BOUNDARY LAYER

The motion equation of atmospheric boundary layer with cold front surface under geostrophicmomentum approximation is solved and some characteristics of the stream field for the cold frontsurface in the boundary layer are derived,for example,the slope of the cold front surface increaseswith the increases of geostrophic vorticity and the temporal tendency of geostrophic wind speed,and also increases with the decrease of the component of thermal wind speed along the motiondirection of the front:the stream field above and below the cold front surface in the boundary layerdepends on the slope of the front surface,geostrophic wind speed and its temporal and spatialdistributions.A common characteristic is that there exist updraft motion above the cold frontsurface and downdraft motion below it.     

DYNAMICAL CHARACTERISTICS OF THE STREAM FIELD OF COLD FRONT IN BOUNDARY LAYER*

The motion equation of atmospheric boundary layer with cold front surface under geostrophic momentum approximation is solved and some characteristics of the stream field for the cold front surface in the boundary layer are derived,for example,the slope of the cold front surface increases with the increases of geostrophic vorticity and the temporal tendency of geostrophic wind speed,and also increases with the decrease of the component of thermal wind speed along the motion direction of the front:the stream field above and below the cold front surface in the boundary layer depends on the slope of the front surface,geostrophic wind speed and its temporal and spatial distributions.A common characteristic is that there exist updraft motion above the cold front surface and downdraft motion below it.     

Effects of local accelerations and baroclinity on the mean structure of the atmospheric boundary layer over the sea

Substitution of the geostrophic wind by the actual upper wind in the equations of motion for the boundary layer implies less sensitivity of the mean wind to inertial effects. This is confirmed by observations, although the problem of computing time or spatial derivatives from scattered data reduces the accuracy and the clarity of the results. It is found that acceleration (deceleration) increases (decreases) the cross-isobar angle whereas the geostrophic drag coefficient is a minimum (maximum) for crosswind acceleration (deceleration). On the other hand, cold air advection increases the cross-isobar angle whereas the geostrophic drag coefficient is a maximum when the thermal wind is parallel to the surface wind. The universal functions A _m and B _m based on vertically averaged winds are also rather insensitive to inertial influences.     

锋面滑升运动的物理机制

锋面滑升运动是形成锋面降水的重要原因,弄清锋面滑升运动的物理机制对锋面降水的预报是必要的。依据大气动力学原理,对锋面滑升运动的物理成因进行了研究。已知暖空气沿锋面的滑动与暖空气垂直于锋面的风速(u_w)和锋面移动速度(c)之差有关。当暖空气垂直于锋面的风速小于锋面的移动速度(u_wc)时,暖空气向上滑动;当暖空气垂直于锋面的风速大于锋面的移动速度(u_wc)时,暖空气向下滑动。因为锋面的移动速度小于锋后冷空气垂直于锋面的风速(cu_c),所以,暖空气沿锋面的滑动与锋区中垂直于锋面方向的风速的分布有关,当锋区中有(?)u/(?)u0时,暖空气必定向下滑动;暖空气若向上滑动,锋区中必为(?)u/(?)x0。本文依据大气动力学原理给出了锋面坡度公式,通过演绎该式,得到了分析锋区中(?)u/(?)x的公式,结果表明:(1)当锋面坡度增大时,大气沿锋面向上滑动,反之向下滑动。(2)锋面强度加强时,大气沿锋面向上滑动,反之向下滑动。(3)暖平流时上滑,冷平流时下滑。(4)当锋面上出现气旋式涡度增大时,大气沿锋面向上滑动,反之向下滑动。(5)当垂直于锋面方向的地转风沿锋面由下向上增大时,大气沿锋面向上滑动,反之向下滑动。     

中尺度对流系统的动热力特征及其演变对风垂直切变的响应

为探究环境风切变在对流系统发生发展与维持过程中的重要性,利用2009年6月5日20时（北京时）上海宝山站的探空资料生成理想试验初始场,设计了包含改变整层、中层和低层风切变在内的多组试验,对比分析各试验系统的动热力结构特征及其演变发现:(1)整层环境风切变的改变对中尺度对流系统的影响最显著,其次是中层风切变。增大整层风切变时,对流系统强度及组织性最强,生命史增长。减小整层风切变时,系统强度最弱且组织结构易发散。(2)风切变增加,水平涡度增大,其受垂直运动影响转化为垂直涡度,涡旋对与垂直运动间相互作用形成的正反馈过程是系统强度增强并可以长时间维持线状结构的重要原因。(3)风切变减小,对流系统移动速度远小于阵风锋,阵风锋移至系统前方,阻断系统前沿上升气流必需的暖输送。阵风锋后冷而稳定的环境令系统逐渐消散。      

Some Characteristics of the Surface Boundary Layer of a Strong Cold Air Process over Southern China

In southern China,cold air is a common weather process during the winter season;it can cause strong wind,sharp temperature decreases,and even the snow or freezing rain events.However,the features of the atmospheric boundary layer during cold air passage are not clearly understood due to the lack of comprehensive observation data,especially regarding turbulence.In this study,four-layer gradient meteorological observation data and one-layer,10-Hz ultrasonic anemometer-thermometer monitoring data from the northern side of Poyang Lake were employed to study the main features of the surface boundary layer during a strong cold-air passage over southern China.The results show that,with the passage of a cold air front,the wind speed exhibits low-frequency variations and that the wind systematically descends.During the strong wind period,the wind speed increases with height in the surface layer.Regular gust packets are superimposed on the basic strong wind flow.Before the passage of cold air,the wind gusts exhibit a coherent structure.The wind and turbulent momentum fluxes are small,although the gusty wind momentum flux is slightly larger than the turbulent momentum flux.However,during the invasion of cold air,both the gusty wind and turbulent momentum fluxes increase rapidly with wind speed,and the turbulent momentum flux is larger than the gusty wind momentum flux during the strong wind period.After the cold air invasion,this structure almost disappears.     

一次回流型降雪过程的成因和相态判据分析

利用常规高空和地面观测资料、天津铁塔和雷达资料、全球资料同化系统(GDAS)分析资料、雷达变分同化分析系统资料、EC和NCEP再分析资料对2016年11月20—21日天津初雪天气进行成因分析,结果表明:本次过程是在高空槽和回流冷空气共同作用下产生的,主要水汽来源为对流层中低层槽前西南暖湿气流和回流东风,回流东风经渤海低空运行时吸收水汽由"干冷"变为"湿冷";动力条件主要来自回流冷垫的动力抬升作用,降水期间回流东风层厚度由1.5km增加至2km;锋面上的非地转次级环流可将回流东风水汽向上输送成为降水原料,同时可加强其上暖湿空气的垂直上升运动;高空云水粒子向云冰粒子的转换和边界层回流冷空气加强对本次雨雪相态转换是不可或缺的,回流冷空气北风分量风速和厚度陡增、800～950hPa出现均温层、云冰粒子陡增并向低空延伸、700～850hPa与850～1000hPa厚度的变化特征对雨雪相态的判别均有较好的指示作用。