大气环流模式中非对流云的预报方法

通过对大气环流模式中非对流云预报方法的物理分析表明:大气环流模式中非对流云的预报,应包括非对流云的云水（冰）微物理过程参数化、大尺度动力过程和云量三个方面。从大尺度调整法、大尺度闭合法和统计方法三个方面,讨论了已有的大气环流模式中非对流云的凝结（华）过程的参数化方案,指出了存在的问题及改进方法。对于Bergeron过程,指出了已有的线性化经验公式的不足,强调了采用非线性参数化公式的重要性。本文指出了直接将中尺度模式搬到大尺度模式是不合适的,有必要进一步研究。同时指出将来的大气环流模式,应考虑浅积云所产生的     

非对流云的观测事实及其对大气环流模式设计的意义

通过非对流云的气候资料分析和个例分析表明：(1)非对流云有季节变化,也随海陆分布的不同而变化,还与大气三圈环流及季风等密切相关。由于它们的相关性,在大气环流模式(GCM)中对非对流云的模拟必须与提高模式其他部分的模拟能力相辅相成。(2)产生于中高纬度大范围上升气流的非对流云,由赤道辐合带积云对流所致的高空赤道地区的卷云与卷层云和形成于副热带冷海水上空的层云与层积云是新一代大气环模式显式预报的3类主要非对流云。这3类非对流云均是大尺度的,GCM的网格能显示分辨,但在垂直方向如何提高GCM的分辨率问题仍是一个有待研究的问题。(3)在GCM中如何模拟冷海水上空的层云和赤道ITCZ所对应的大范围卷云和卷层云是十分困难和必要的。(4)通过对东亚及西太平洋区域非对流云系的个例分析,可以认为在新一代大气环流模式中,应显式预报行星大槽及赤道辐合带所对应的非对流云系。在模拟这些非对流云系时,应考虑它们的生消过程、平流过程与辐射过程。由于一段时间内大气环流模式尚难以分辨锋面与α中尺度的气旋,因此有必要在GCM中参数化这些系统,或采用更小的网格距。至于对非对流云所对应的降水参数化问题的研究,需要进一步的观测为基础。     

海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式耦合的实现

通过采用一种较好地考虑了海气通量交换对下垫面特征非线性依赖的通量计算方案,利用较成熟的逐日通量距平耦合方案实现了次网格尺度海冰非均匀条件下一个全球大气环流模式和一个全球海洋环流模式在高纬地区的耦合,并完成了一个50年的长期积分。模拟结果表明,通量计算方案中水道的作用是合理的,耦合模式能较好地模拟出北半球高纬海冰的主要地理分布特征,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度偏大。     

黑河流域大气资料尺度转换的对比分析

尺度转换是解决尺度差异问题的有效方法之一。尺度转换统计模式的可靠性和正确性如何,在很大程度上取决于建立统计模式时所用的实际气象资料的处理,尤其在下垫面分布极不均匀地区。本文研究了黑河流域这一复杂下垫面条件下的大气资料的尺度转换问题,对比分析了由NCEP再分析资料直接内插到较小尺度而得到的局地气候变化与由尺度转换统计模式,经过客观分析所得到的局地气候变化。结果表明,直接插值所得的细网格值只能用于对平坦地区的温、湿状况的描述,而对较高山区的区域特征描述不够;进行观测资料的客观分析可以更准确地反映黑河流域复杂下垫面背景下近地层大气要素场的变化。研究表明,客观分析过程是尺度转换过程的重要环节。     

关于尺度分析的三个问题和尺度分析

对在一些作者中，在决定时间特征尺度，垂直速度特征尺度和分析高阶微商量级上的分歧进行了讨论，得出了初步结论。即对于单一尺度的运动，τ－L／U，W≤MUH/L和δ^nf/δx^n-F/L^n，根据讨论结果，给出了大气几种常用尺度运动的特征尺度的量级。还与中尺度重力波和强对流情况的分析观测结果进行了比较。     

月尺度环流对SST强迫的响应特征及机理分析

利用全球中期数值预报谱模式,通过在海表温度气候态上叠加不同扰动的方法,研究了不同季节月尺度大气环流对海表温度变化的响应特征及机理。结果表明,大气响应首先出现海表温度的高值区和海温扰动变化的大值区,其发展和演变还与大气环流的背景场有关,大气响应发展达到稳定的状态是沿南、北半球西风急流附近的纬向波状分布;在不同季节,对不同分布的海表温度变化,大气环流响应的速度不同,但在月尺度内大气响应都能达到最大值;相对于夏季,冬季大气响应最大值达到的高度更高,大气响应对扰动的形态更敏感。     

安徽夏季中γ尺度对流云的雷达回波特征

探讨夏季不同类型降水系统中对流性降水云的结构、降水形成机制,旨在为人工影响天气提供技术途径。利用合肥新一代天气雷达（CINRAD）监测到的13933个中γ尺度对流云体,按5种天气类型对其生命史、基本反射率、回波顶高、回波厚度、垂直累积液态水含量进行了统计分析。结果表明：在5种天气系统中,对流云生命史在1小时之内的占统计总数的90%～95%;对流单体云的厚度一般都有2～5km,最大厚度也有超过10km的。副高外围及副高控制时,对流云单体的云顶高度70%以上都超过了0℃层;在华北低槽、沿海低槽、南支槽影响时,云顶高度大部分出现在0℃层以下或0℃层附近。这为指挥人工增雨作业提供了很好的指标。     

多尺度大气数值预报的技术进展

随着计算机和计算理论的发展,数值模式正在向全球化、精细化发展,以适应多尺度、多目的应用的要求,从而模糊了大气环流模式和中尺度数值模式的界限,其主要手段就是改进模式动力框架、离散化手段、计算方法、物理过程的普适性。在实际应用中如何提高模式的多尺度计算性能则是问题关键。该文从模式球面坐标系、网格构造、离散化方法的动力特性、垂直坐标和地形处理以及对物理过程的要求出发,探讨分析多尺度大气数值模式的特点:全球/区域可选、非静力近似、具有良好的频散关系和详细的物理过程,垂直高度坐标和"剪切"地形对多尺度通用模式的改良十分重要。除上述特点外,模式所采用的计算方法也应该最大限度地描述大气动力过程特性,采用高性能计算方案有利于多尺度预报。结合当前多尺度预报的国际研究热点和开发前沿,探讨我国新一代多尺度数值预报系统GRAPES的进一步发展及改进方向。     

热带大气半地转适应理论的尺度分析和物理机制

对热带大气行星尺度运动所做的尺度分析和物理分析表明:热带大气 的行星尺度运动在y方向容易实现气压梯度力与Coriolis力的平衡，它称为纬圈的 半地转运动。半地转平衡的建立过程，也就是半地转适应过程相对是很短暂的，它不需 要考虑f=β0y随y的变化，因而主要依靠惯性重力波为频散；而半地转平 衡建立后的演变过程相对是很缓慢的，它主要受Kelvin波和Rossby波控制。     

中国东部暖季对流云与层状云的比例及与降水的对应关系

基于1985~2011年逐时地面台站观测云资料,分析了对流云和层状云及其比例关系的时空演变特征,结合逐日融合降水资料研究了对流云、层状云与季风雨带的对应关系。结果表明,中国东部暖季（5~9月）对流云发生频率平均为15.4%,层状云为30.0%。对流云与层状云发生频率的比例在广东、广西、海南省东部和贵州省大部分地区大于1,其它地区均小于1。伴随季风雨带的北进南退,层状云发生频率和云量中心均与降水中心对应,且层状云云带与季风雨带位置吻合,随时间的演变趋势也相同,说明季风雨带主要由层状降水构成,对流云发生频率和云量大值中心则位于季风雨带南侧。对流云和层状云发生频率/云量的变化在华南地区和江淮流域呈显著负相关,云的类型主要由大气稳定度决定。对流云和层状云发生频率在华北地区呈显著正相关,水汽是形成云的决定因素。就降水频率而言,华南地区层状云降水和对流云降水各占一定的比例,而江淮流域和华北地区层状云降水频率更大。     

对流降水云中大气垂直运动反演及个例试验

为深入认识对流降水云结构及动力特征, 基于降水频段调频连续波5520 MHz垂直指向雷达(VPR-CFMCW), 使用地面至15 km高度的反射率因子及径向速度, 建立对流降水云中大气垂直运动的反演方法, 分析对流垂直结构及大气垂直运动随高度分布的演变特征。对在广东龙门测站探测的2019年4月20—22日前汛期4次对流降水进行反演试验发现, 对流降水前大气上升运动对降水云反射率因子及地面降水有正贡献, 深厚对流具有倾斜性, 会导致垂直剖面在某些时刻呈分层结构;对流降水整层以下沉运动为主导, 高层大气上升运动与下沉运动交替出现, 低层大气下沉运动占比最高, 大气上升运动在6 km高度以上占比有所增加;大气垂直速度在高层较大、在低层较小, 超过10 m·s-1的强上升运动与下沉运动多出现在6 km高度以上, 4~6 km高度垂直运动变化较大, 4 km高度以下的平均下沉运动小于5 m·s-1, 上升运动约为2 m·s-1。     

中国及周边海域对流云团的水平和垂直尺度

利用2007年1月-2010年12月CloudSat-CALIPSO二级云产品2B-CLDCLASS-LIDAR,统计中国及其周边海域对流云的发生频率,根据对流云发生频率的分布特征将中国及周边海域划分为青藏高原（TP）、东部陆地（EC）、南部海域（SO）和西北太平洋（WP）4个子区域,并研究了4个子区域积云团和深对流云团的水平尺度和垂直尺度。统计结果表明,海洋积云团的水平尺度约为2 km,陆地积云团的水平尺度约为1 km,海洋下垫面热力性质均匀,积云团尺度更大;陆地下垫面非均匀性强,积云团分布更为零散。深对流云团的水平尺度为10-50 km,东部陆地最大,约为45 km,西北太平洋最小,约为30 km。陆地深对流云团水平尺度较海洋上大,且多尺度特征显著,应该与深对流云发生的复杂天气背景有关。积云团的垂直尺度范围为0.24-2 km,4个区域无明显差异。垂直尺度海洋深对流云团大于陆地云团,其中在南部海域地区最大,约为15 km,青藏高原最小,约为10 km。与陆地云团相比,海洋深对流云团表现为水平尺度更小、垂直尺度更大的中尺度对流体特征。      

江淮对流云发生规律及其垂直结构分析

利用安徽省内多普勒雷达组网数据,统计分析了江淮地区2013—2014年6—9月发生的对流云结构特征,共找出227个对流云个例,将不同对流云按结构分为9类,归类后发现江淮对流云以孤立对流、簇状对流和非线性对流为主,分别占总对流数的29.1%、18.1%和23.3%。不同的天气背景条件下,主要发生的对流结构也不同,低槽Ⅰ型天气下,主要以孤立对流云为主;低槽Ⅱ型天气下,主要发生的对流以非线状对流为主,同时由于低槽Ⅱ型是江淮地区多发的天气类型,所以这种天气是各种对流的高发型天气。利用调频连续波雷达探测获得高时空分辨率云体时间-高度剖面,了解云体的垂直结构,给出比一般雷达产品更加精细的对流云个例显示,典型孤立对流云、簇状对流云和非线状对流云的个例剖面图,及相应水粒子最大下落速度分别为13.3、8.2和11.5 m·s~(-1)。     

皮纳图博火山云对1992年大范围气候的影响

1991年6月中旬,菲律宾的Pinatubo火山将近二千万吨含硫气溶胶喷入平流层高空,形成了本世纪最大的一次火山云事件。文章叙述了火山云在高空的扩散状况及其对1992年大范围气候的致冷影响。这表现为全球平均气温的明显下降;北半球1～10月(尤其是夏秋季节)气候冷区明显增多,这种气候冷区有从低纬向高纬逐步移动的趋势;而且夏半年在我国也出现了一系列冷害现象。     

降水性层状云系中过冷水的分布特征

统计分析了降水性层状云系中过冷水出现的频率、过冷水区尺度、云水含量的分布特征,以及云中总的粒子尺度谱,为人工增雨作业提供重要依据。     

东亚强对流云的季节变化及其与对流层顶关系初探

利用GMS 5/VISSR长波红外（10.5～11.5 μm）和水汽通道（6.5～7.0 μm）探测原理的差异, 结合红外阈值法和区域平滑滤波技术提取 “高、 厚、 密” 强对流云, 分析了东亚强对流云活动的空间分布及其季节变化规律。GMS 5卫星视场内各个子地区强对流云云顶温度与发生频率的季节变化基本为单峰单谷型, 前者夏低冬高, 但不同地区引起的原因不同。强对流云发生频率36°N以北夏低冬高, 以南夏高冬低。东亚对流层顶由冬春至夏秋升高, 对流层顶气压随之降低, 而对流层顶温度的季节变化以45°N为界, 北部夏高冬低, 南部夏低冬高。作者所研究的东亚几个子地区强对流云与对流层顶季节变化位相基本保持同步, 2000年强对流云云顶温度与对流层顶温度的月均值相关系数达0.757, 强对流云云顶温度与对流层顶气压的月均值相关系数达0.901, 对流层顶温度比强对流云云顶温度平均低9.42℃。强对流云的发展受对流层顶制约作用显著。