对华北锢囚锋个例的数值模拟分析

运用非静力中尺度模式（ＭＭ５）对１９９８年１１月２０～２０日的华北锢囚锋形成过程进行数值模拟,结果表明：本次锢囚锋结构在空间尺度上小于典型温带气旋锢囚锋,降水落区与锢囚锋性质（暖性）有关,因此,潜热释放对锢囚锋的维持起一定的作用,去掉太行山后,锢囚锋形成的时间会偏早,地点偏西,强度偏弱,因此,太行山的存在对本次锢囚锋生成发展起至关重要的作用。     

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。     

ON THE OPTIMAL BACKGROUND ERROR COVARIANCES: DIFFERENT SCALE ERRORS’ CONTRIBUTION

The large-scale and small-scale errors could affect background error covariances for a regional numerical model with the specified grid resolution.Based on the different background error covariances influenced by different scale errors,this study tries to construct a so-called"optimal background error covariances"to consider the interactions among different scale errors.For this purpose,a linear combination of the forecast differences influenced by information of errors at different scales is used to construct the new forecast differences for estimating optimal background error covariances.By adjusting the relative weight of the forecast differences influenced by information of smaller-scale errors,the relative influence of different scale errors on optimal background error covariances can be changed.For a heavy rainfall case,the corresponding optimal background error covariances can be estimated through choosing proper weighting factor for forecast differences influenced by information of smaller-scale errors.The data assimilation and forecast with these optimal covariances show that,the corresponding analyses and forecasts can lead to superior quality,compared with those using covariances that just introduce influences of larger-or smallerscale errors.Due to the interactions among different scale errors included in optimal background error covariances,relevant analysis increments can properly describe weather systems(processes)at different scales,such as dynamic lifting,thermodynamic instability and advection of moisture at large scale,high-level and low-level jet at synoptic scale,and convective systems at mesoscale and small scale,as well as their interactions.As a result,the corresponding forecasts can be improved.     

南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟

本文选取2011年7月23日发生在南京的一次雷暴个例, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),耦合Noah/UCM,并采用NCEP FNL 1°×1°每日4次的全球分析场资料作为初始场及南京自动站观测数据等,对南京地区城市下垫面特征对雷暴过程的影响进行了数值模拟。结果表明:模拟的雷暴发生发展过程与该地区城市下垫面有着密切的联系。首先,雷暴发生前期,南京地区热岛效应明显。其次,城市上空的感热通量较高,结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流,加强了城区的辐合上升,为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。城市下垫面扩张,使其上空边界层高度相应提升,垂直混合高度增加,有助于对流云的发展。此外,城市下垫面加强了大气低层的扰动位温,为雷暴提供了不稳定的层结条件。最后,城市地表较大的粗糙度使雷暴降水在城区低层的迎风面一侧明显增强。     

适应性观测及其策略问题

从适应性观测(目标观测)概念提出后,确定进行适应性观测的时间、敏感区域的方法,即适应性观测策略得到不断发展,本文介绍了目前最主要的几种适应性观测策略,其中包括奇异矢量、繁殖矢量、伴随敏感性、集合转换Kalman滤波等适应性观测策略,以及用于台风的适应性观测策略.总结了适应性观测及其策略的相关理论问题,以及各种适应性观测策略之间的相关关系和不同,讨论了适应性观测对预报改进的影响因素,如观测误差、同化方案、模式误差等.为了实施适应性观测的业务应用、比较不同的适应性策略的适用性,国际上针对不同的高影响天气过程,在不同地区开展了一系列适应性观测外场试验.本文总结了近几年来开展的适应性观测外场试验.这些试验结果表明,平均而言适应性观测可有效地改进高影响天气过程的数值天气预报,但实施高影响性天气的适应性观测业务仍然是一个挑战性任务.     

三维层结流中地形上空湍流边界层结构特征研究

利用中尺度数值模式ARPS,在理想条件下研究了旋转、地表摩擦的共同作用下,均匀来流条件下,三维层结大气中地形上空及其边界层结构特征.重点讨论了不同的山地流动Fr数、不同上游来流方向情况下,山地流动及其边界层的特征.在大气稳定层结条件下,山地流动具有上游阻挡、下游急流加速以及重力波破碎等流动特征,这些山地流动特征在柯氏力的影响下,均表现出了南北非对称性.当山地流动的Fr数增加(增加地形高度)时,山地流动的南北急流增强,由于柯氏力的影响,南侧急流的增幅更为显著,流动的南北非对称性增强.在干过程山地流动中,由急流所导致的强烈的垂直风切变,是湍流边界层产生和发展的直接决定因素.     

摩擦和非线性对斜压初始扰动发展的影响

通过一个二维非线性斜压Eady波模式,讨论了斜压系统中初始扰动快速发展的动力学机制.由于斜压切变气流存在,其对扰动位涡的平流作用可引起初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"(potential vorticity unshielding),导致线性系统初始扰动的快速增长.摩擦作用主要通过耗散局地扰动位涡,改变扰动位涡异常结构,特别是水平方向的位涡异常分布,从而减弱初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"作用,抑制系统初始扰动动能的快速增长.非线性作用可以抑制较大振幅扰动的增长,同时引起扰动位涡异常丰富的垂直结构产生,导致初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"的减弱,从而抑制初始扰动的快速增长.不同的初始扰动结构,可以产生不同的扰动位涡异常结构,相应存在不同的"位涡非屏蔽"作用,导致初始扰动的快速增长过程不同.位涡异常水平结构为"正负正"或"负正负"分布时,有利于初始扰动的快速增长,而上下层异号的扰动位涡异常在垂直方向间隔的距离越大,越有利于初始扰动的快速发展,这些结果进一步深化了对"位涡非屏蔽"的理解.     

条件不稳定大气中二维小尺度双脊地形上空对流及降水特征

在条件不稳定大气条件下,二维小尺度双脊钟形地形上空对流触发、传播和降水分布特征主要决定于地形上游基流强度、双脊地形配置形式、地形高度及其山谷宽度。双脊地形在沿基流方向上有两种配置:高脊地形位于上游和低脊地形位于上游。对于高脊地形位于上游的双脊地形,上游高地形将起主导作用,山地上空对流及降水特征与单脊地形类似。对于低脊地形位于上游的双脊地形,上游低地形可明显地改变下游高地形的前方来流,同时,下游高地形也能够对上游低地形背风侧流动产生影响,从而导致出现地形上空复杂的对流传播、降水分布特征。对于低脊地形位于上游的双脊地形,其山谷宽度主要决定了双脊地形与单脊地形之间在对流、降水分布等的差异;当山谷宽度较小时,双脊地形可以近似为一个包络地形,此时地形上空的对流、降水特征与单脊地形类似;当山谷宽度较大时,双脊上空流动相互影响较小,此时双脊地形可以分成两个单脊地形;当山谷宽度在一定范围内,其上空的对流及其降水分布与单脊地形有明显差异。对于低脊地形位于上游、中等山谷宽度的双脊地形上空降水主要呈现4种类型:(1)山谷与低脊迎风坡降水;(2)高脊迎风坡降水;(3)低脊山峰与高脊迎风坡降水;(4)低脊背风侧、双脊山峰准静止降水。     

Mesoscale predictability of mei-yu heavy rainfall

Recently reported results indicate that small amplitude and small scale initial errors grow rapidly and subsequently contaminate short-term deterministic mesoscale forecasts. This rapid error growth is dependent on not only moist convection but also the flow regime. In this study, the mesoscale predictability and error growth of mei-yu heavy rainfall is investigated by simulating a particular precipitation event along the mei-yu front on 4-6 July 2003 in eastern China. Due to the multi-scale character of th...