导线积冰的云雾特征观测研究

导线积冰在贵州山区是常见的气象灾害, 导线积冰增长率与气象云雾因子密切相关。研究选择贵州西部、北部、中部3个积冰区进行了专门外场观测, 观测项目有:云滴谱、含水量、气温、风向、风速、导线上积冰的长径、短径。观测分析表明:贵州云滴浓度、特征平均直径没有显著性地区差异; 云滴平均浓度140~312个/cm3, 云滴算术平均直径、均立方根直径、中值体积直径分别为7.5 μm, 11.3 μm和20 μm; 14 μm以上大云滴浓度平均占云滴总浓度的12.5%, 但对含水量的贡献高达78%, 大滴与导线碰撞效率高, 大滴是导线积冰的关键因子; 云雾含水量平均0.20 g/m3; 在0~-6 ℃之间, 含水量随温度的降低而降低; 南北向导线积冰比东西向的积冰多; 导线积冰增长率与含水量的大小成正比, 风速超过3 m/s时, 积冰增长率与风速有较明显的正比关系。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

Sensitivity of the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG （GAMILI.I.0） Climate Simulations to Cloud Droplet Effective Radius and Liquid Water Path

This paper documents a study to examine the sensitivity to cloud droplet effective radius and liquid water path and the alleviation the energy imbalance at the top of the atmosphere and at the surface in the latest version of the Grid-point Atmospheric Model of the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics （LASG）, Institute of Atmospheric Physics （IAP） （GAMIL1.1.0）. Considerable negative biases in all flux components, and thus an energy imbalance, are found in GAMIL1.1.0. In order to alleviate the energy imbalance, two modifications, namely an increase in cloud droplet effective radius and a decrease in cloud liquid water path, have been made to the cloud properties used in GAMIL. With the increased cloud droplet effective radius, the single scattering albedo of clouds is reduced, and thus the reflection of solar radiation into space by clouds is reduced and the net solar radiation flux at the top of the atmosphere is increased. With the reduced cloud optical depth, the net surface shortwave radiation flux is increased, causing a net warming over the land surface. This results in an increase in both sensible and latent heat fluxes over the land regions, which is largely balanced by the increased terrestrial radiation fluxes. Consequently, the energy balance at the top of atmosphere and at the surface is achieved with energy flux components consistent with available satellite observations.     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。     

亚非副热带西风急流入口区位置及动能异常对中国华北盛夏年代际干旱的影响

研究使用了欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的全球再分析数据,通过局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)研究7-8月亚非急流入口区域的位置及能量变化对华北地区干旱的影响.结果发现:7月亚非急流入口区域在1997年之后有明显的北抬趋势,使得北大西洋及欧洲辐射的能量更易进入急流;8月亚非急流入口区域在1997年后有东...     

沙尘气溶胶对云和降水影响的模拟研究

采用二维分档云模式,对比背景大气气溶胶分布,讨论了扬沙和沙尘暴天气条件下矿物气溶胶对云微物理结构、光学特性以及降水形成的影响.结果表明:扬沙和沙尘暴天气增加大气中大核和巨核的浓度,促进云中水汽的活化,使降水提前出现,暖云和冷云降水量均大幅增加,但可忽略巨核增加对云光学厚度和反照率的作用;当矿物沙尘粒子同时作为有效的云凝结核和冰核参与云的发展时,冰核浓度增加使水成物有效半径减小,抑制了暖云和冷云降水,云内存留的大量冰晶增强云的光学厚度和反照率.     

气旋爆发性发展过程的动力特征及能量学研究

本文对不同路径的爆发性气旋进行了动力特征及能量学研究。发现高空大值位涡空气的下伸是气旋爆发性发展的一个重要条件。初生气旋逐渐向强位涡区移近并形成上下位涡区相接的形势。使气旋迅速发展。高空急流与气旋发展有密切关系。发展中的气旋明显地向着急流左侧的辐散区移动。急流的突然加强及高空强风动量的不断下传，构成了下层的强风带及上下一致的急流结构。能量学研究指出在气旋发展前气旋内散度风动能向旋转风动能的转换突然增强。散度风动能在爆发气旋发展时有明显增长。     

Current Observations of Internal Tides and Parametric Subharmonic Instability in Luzon Strait

Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) measurements of the velocity structure in the thermocline in Luzon Strait are presented. The statistics for current, vertical variation of the inertia-gravity waveband, parametric subharmonic instability (PSI), and current shear are analyzed. It was found that 1) barotropic flow primarily consists of a nearly circular mixed tide. Diurnal tides are strongest and show smooth variance with a fortnightly spring-neap cycle, indicative of the astronomical tide-generating force. However, the semi-diurnal band power exhibits a high-frequency oscillation as a result of non-linear interactions. The high-frequency band power with high values during the spring tide oscillates with the tidal cycle. Near-inertial wave motions showing random variance may be caused by changes in the wind forcing at the sea surface or by random forcing. 2) Baroclinic velocities exhibit strong shear structure. The observed large changes in the amplitude of the baroclinic velocity and the limited vertical extent of the high-velocity cores may be interpreted as internal wave beams that pass through the observed water column. Semi-diurnal tides are dominant in the baroclinic velocity. Kinetic energy spectra also revealed that additional peaks were centred at sum-tidal-inertial interaction frequencies (such as M₂ ?+?f) and difference-interaction frequencies (such as M₂ ???f). The spectral exponent of the baroclinic velocity is ω^?α (1?<?α?<?3). 3) Strong non-linear interactions among internal waves exist, and the semi-diurnal (M₂) component plays a key role in these interactions. Bicoherence analysis showed that M₂/2 waves were non-linearly coupled with the dominant M ₂ internal tide. 4) The polarization relations were used to diagnose observational internal tidal motions. Diurnal waves propagate to the east-northeast, and the semi-diurnal–diurnal waves propagate westward. In the case of diurnal tides, the minor to major axis ratio is different from the expected value of f/ω_{K 1} because of the deviation of inclinations, whereas, for semi-diurnal tides, it is close to the expected value of f/ω _M2 at depths from 30 to 150 m.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] Nous présentons les mesures de la structure des vitesses dans la thermocline faites par profileur de courant à effet Doppler (ADCP) dans le détroit de Luçon. Nous analysons les statistiques sur le courant, la variation verticale de la gamme d'ondes d'inertie-gravité, l'instabilité subharmonique paramétrique (PSI) et le cisaillement du courant. Il ressort que 1) l’écoulement barotrope consiste principalement en une marée mixte presque circulaire. Les marées diurnes sont les plus fortes et présentent une variance régulière dans un cycle vives-eaux mortes-eaux de deux semaines qui révèle la nature astronomique de la force qui produit les marées. Cependant, la puissance de bande semi-diurne affiche une oscillation de haute fréquence causée par des interactions non linéaires. La puissance de bande de haute fréquence avec des valeurs élevées durant les vives-eaux oscille avec le cycle des marées. Les mouvements des ondes quasi inertielles affichant une variance aléatoire peuvent être dus à des variations dans le forçage par le vent à la surface de la mer ou à un forçage aléatoire. 2) Les vitesses baroclines exhibent une structure fortement cisaillée. Les changements marqués observés dans l'amplitude des vitesses baroclines et l'extension verticale limitée des c?urs de vitesse élevée peuvent être interprétés comme des faisceaux d'ondes internes qui traversent la colonne d'eau observée. Les marées semi-diurnes sont dominantes dans les vitesses baroclines. Les spectres d’énergie cinétique ont aussi révélé que des crêtes additionnelles étaient centrées aux fréquences d'interaction cumulative marée-inertie (comme à M₂ ?+?f) et aux fréquences d'interaction différentielle (comme à M₂ ???f). L'exposant spectral de la vitesse barocline est ω^?α (1?<?α?<?3). 3) Il existe de fortes interactions non linéaires entre les ondes internes et la semi-diurne (M₂) joue un rôle clé dans ces interactions. L'analyse de bicohérence a montré que les ondes M₂/2 étaient non-linéairement couplées avec la marée interne dominante M₂ . 4) Nous avons utilisé les relations de polarisation pour diagnostiquer les mouvements de marée internes déduits des observations. Les ondes diurnes se propagent vers l'est-nord-est et les ondes semi-diurnes se propagent vers l'ouest. Dans le cas des marées diurnes, le rapport de l'axe secondaire à l'axe principal diffère de la valeur attendue (f/ω_{K 1} ) à cause de l’écart des inclinaisons alors que pour les marées semi-diurnes, il est proche de la valeur attendue (f/ω _M2 ) à des profondeurs de 30 à 150 m.     

东南亚夏季风中断、过渡与活跃期的区域能量学研究

对两次季风演变过程的能量学研究表明，季风演变具有鲜明的阶段性能量学特征。中断期，积云加热小，两个转换函数值很小；过渡期，积云加热增强明显，两个转换函数值迅速加大，边界输送作用也明显朝有利方向变化，同时，纬向平均气流变为向季风供应扰动动能；活跃期，大尺度加热变得重要，积云加热维持，两个转换函数也保持大的正值。分析表明，印度季风东传对东南亚季风活跃的触发作用是重要的，但季风活跃的维持则主要依靠区域内部能量学过程。     

季风指数及其年际变化II·南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度。指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关。绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变。季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度。最后分析指出,南海850 hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化。     

有关雪盖模型内部及界面过程的参数化方案的敏感试验

In order to develop a seasonal snow model of land surface process as accurately as possible for climatic study, it is necessary to fully understand the effects of important snow internal processes and interaction with air and to get an insight into influence of several relevant parameterization schemes with parameters＇ uncertainty to some degree. Using the snow model (SAST) developed by first author and other one and some useful field observation data, this paper has conducted a series of sensitivity studies on the parameterization schemes. They are relative to compaction process, snow thermal conduction, methodology of layering snow pack and to key parameters such as snow albedo, water holding capacity. Then, based on the results from the sensitivity studies, some useful conclusions for snow cover model improvement are ob tained from the analysis of the results.     

放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响

利用涡度相关技术, 于2006年7月27日至8月10日在内蒙古半干旱草原三种放牧强度的下垫面进行微气象观测。本文分析了放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响, 发现: (1)放牧降低植被覆盖率, 使地表反射率增大。(2)放牧使潜热通量减小。而放牧强度最大的锡林河河道潜热通量最大,表明土壤水分状况是半干旱草原地表能量收支的决定性因素。(3)羊草和冬季放牧观测点日平均CO2通量分别为-1.92 g?m-2?d-1和0.73 g?m-2?d-1, 表明放牧可以使草地由CO2的汇转变为源。锡林河河道为CO2的汇, 日平均CO2通量-3.35 g?m-2?d-1, 与羊草比较, 锡林河河道吸收CO2更多, 表明土壤湿度是影响半干旱草原CO2通量交换的重要因素。(4) 放牧通过减小叶面积指数, 减弱植被的光合作用能力。     

北极增幅性变暖对欧亚大陆冬季极端天气和气候的影响:共识、问题和争议

北极增幅性变暖和北极海冰快速减少不仅使北极气候系统成为国际前沿性问题,且对其导致的中纬度极端天气气候的影响研究也备受关注,这一研究成为目前少数几个最活跃的气候研究领域之一。本文回顾了这一研究领域的早期探索,总结了最新的科学假设和科学问题、研究的进展、目前的共识以及亟待解决的问题和主要争论。最后提出了未来取得新进展的共性问题。     

一次积层混合云降水实例的数值模拟分析

观测显示,积层混合云有自己独特的动力热力结构,降水过程也有自己的特点,但过去关于积层混合云的实例模拟工作较少.2007年9月28日在我国华北地区发生了一次积层混合云降水过程.利用WRF-ARW中尺度数值模式,对这一个例进行了实例模拟,并结合常规观测、卫星和雷达资料分析模拟结果,表明:此次积层混合云系是降水云系减弱,层状云发展形成的.在降水物理过程中,此次积层混合云不仅具有积云和层云形态混合的特征,还具有冷云过程和暖云过程共存的相态混合的特征;中层的大范围辐合和相应的较均匀上升气流场支撑着层状云,而在均匀上升气流场中的波动导致了对流云镶嵌其中;有迹象表明,条件对称不稳定是维持此次积层混合云发展的动力因子.     

Intensity Evolution of Zonal Shear Line over the Tibetan Plateau in Summer: A Perspective of Divergent and Rotational Kinetic Energies

Based on the ERA5 reanalysis datasets during 1980–2019, a total of eleven zonal shear lines (ZSLs) that caused heavy precipitation and lasted more than 60 hours over the Tibetan Plateau in summer are selected for composite analysis. By decomposing the kinetic energy (K) near the ZSL into divergent and rotational kinetic energies (K_D and K_R) and the kinetic energy of interaction between the divergent wind and the rotational wind (K_RD), the influence of the rotational and divergent winds on the evolution of the ZSL intensity is investigated from the perspective of K_D and K_R. The main results are as follows. The ZSL is a comprehensive reflection of rotation and convergence. The intensity evolution of ZSL is essentially synchronized with those of K, K_R, and K_RD but lags behind K_D by about three hours. The enhancement of K is mainly contributed by K_R, which is governed by the conversion from K_D to K_R. Furthermore, the increase in the conversion from K_D to K_R is controlled by the geostrophic effect term Af, which is determined by the joint enhancement of the zonal rotational and meridional divergent wind components (u_R and v_D). Therefore, the joint enhancement of u_R and v_D controls the increase of the ZSL intensity, leading to increased precipitation.     

对流云对大气气溶胶和相对湿度变化响应的数值模拟

利用二维面对称分档云模式研究了气溶胶颗粒物浓度和尺度谱分布对混合相对流云微物理过程和降水的影响, 并重点讨论了气溶胶效应随环境相对湿度的变化。结果表明, 在初始热力和动力条件相同的情况下, 相对清洁的海洋性云在发展和成熟阶段能更有效地产生雨滴、 冰晶和霰粒, 形成更强的雷达反射率。随着气溶胶浓度增加, 比如在本文模拟的污染大陆性云中, 气溶胶粒子数浓度的增加限制云滴增长, 不利于降水粒子的形成。模拟结果也发现, 环境相对湿度对气溶胶效应有显著影响, 即当地面相对湿度从50%增大到70%时, 所模拟的云从浅对流泡发展为深对流云; 气溶胶对云微物理特性和降水的影响在干空气中较小, 但在湿空气中表现非常显著, 这与前人结果一致。随着相对湿度的增加, 冰相粒子出现的时间提前, 增长加快, 云砧范围扩大, 但相对来说, 降水起始时间对相对湿度的变化比气溶胶更敏感。     

如东沿海近地层风速及风能时空分布特征研究

利用如东东凌风塔2005年观测资料,研究了该区域近地层风速及风能时空分布特征。结果表明,如东沿海地区5月前后是大风值时段,12月前后为次大风值时段;日变化中,风速最大值出现在17时左右,且高层滞后低层约1小时;风速随高度按自然对数规律增大,10～25m高度随高度递增较明显,40～60m高度的风速主要集中在4～8m·s^-1;距地面10m高度年平均风功率密度约175W·m^-2,随高度呈现乘幂增加趋势,60m高度处达333W·m^-2,平均约270W·m^-2。     

The Diabatic Heating and the Generation of Available Potential Energy: Results from NCEP Reanalysis

In the existing studies on the atmospheric energy cycle, the attention to the generation of available potential energy (APE) is restricted to its global mean value. The geographical distributions of the generation of APE and its mechanism of formation are investigated by using the three-dimensional NCEP/NCAR diabatic heating reanalysis in this study. The results show that the contributions from sensible heating and net radiation to the generation of zonal and time-mean APE (Gz) are mainly located in high and middle latitudes with an opposite sign, while the latent heating shows a dominant effect on Gz mainly in the tropics and high latitudes where the contributions from the middle and upper tropospheres are also contrary to that from the low troposphere. In high latitudes, the Gz is much stronger for the Winter Hemisphere than for the Summer Hemisphere, and this is consistent with the asymmetrical feature shown by the reservoir- of zonal and time-mean APE in two hemispheres, which suggests that the generation of APE plays a fundamental role in maintaining the APE in the global atmospheric energy cycle. The same contributions to the generation of stationary eddy APE (GSE) from the different regions related to the maintenance of longitudinal temperature contrast are likely arisen by different physics. Specifically, the positive contributions to GSE from the latent heating in the western tropical Pacific and from the sensible heating over land are dominated by the heating at warm regions, whereas those from the latent heating in the eastern tropical Pacific and from the sensitive heating over the oceans are dominated by the cooling at cold regions. Thus, our findings provide an observational estimate of the generation of eddy APE to identify the regional contributions in the climate simulations because it might be correct for the wrong reasons in the general circulation model (GCM). The largest positive contributions to the generation of transient eddy APE (GTE) are found to be at middle latitudes in the middle and upper tropospheres, where reside the strong local contributions to the baroclinic conversion from transient eddy APE to transient eddy kinetic energy and the resulting transient eddy kinetic energy.     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

一维地气耦合模式及其在内蒙草原的应用

本文以内蒙草原大气边界层观测资料为基础，利用一个一维土壤一植被一大气模式对大气和地表进行耦合模拟。其中，地面过程采用ＮＰ８９模式进行模拟，大气湍流参数化采用二阶闭合。运用观测与前人的研究成果对模拟结果的合理性进行验证，对比表明模式较好地解决了地表与大气的耦合，成功地对地表平坦的草原下垫面大气边界层进行模拟。分析表明，在半干旱内蒙草原草的生长季后期雨季８月，潜热通量占主导地位，最大可超过感热２５０Ｗ／ｍ２；在内蒙高原云的作用比较明显，影响不可忽略，模式对云的作用比较敏感。