TWP-ICE试验期间一次热带深对流过程的拉格朗日输送特征

本文使用高分辨率WRFV3.4.1模式对TWP-ICE试验期间的一次热带深对流过程进行了数值模拟,利用第四重嵌套每五分钟输出一次的模拟资料对对流系统的上升气流质量通量廓线特征进行了分析,并结合FLEXPART拉格朗日粒子扩散模式对热带深对流系统进行拉格朗日轨迹分析.质量通量廓线特征及拉格朗日轨迹的分析结果表明,在条件不稳定层顶附近便有部分水凝物被输送出深对流系统.深对流系统中的水凝物主要沿环境引导气流向深对流下游方向输送.由于受低层风场扰动的影响,少量的水凝物被输送到深对流系统的上游.深对流系统中的水凝物向其下游方向输送的最远距离为200~300 km,并约有10%~20%的水凝物对对流系统下游50~150 km附近卷云砧的形成产生影响,其影响的时间尺度约为4~6 h.     

热带西太平洋越赤道气流的年际变化对西北太平洋热带气旋生成的影响

利用美国联合台风预警中心的热带气旋(TC)数据以及日本JRA-25全球再分析等资料,分析了6—10月西太平洋上空3支越赤道气流的年际变化对西北太平洋(WNP)热带气旋(TC)生成数量和位置的影响。相关分析结果表明:越赤道气流主要影响140 °E以东TC的生成数量,越赤道气流越强,在该海域生成的TC越多。通过合成分析讨论了越赤道气流强弱对WNP大气低层的风场、垂直风切变、高空散度、低层涡度以及OLR的影响,结果表明:在140 °E以东的热带WNP,以上要素在越赤道气流偏强背景下的配置均有利于TC生成。同时,通过正压能量转换讨论了越赤道气流强弱对WNP TC生成的动力作用,指出在越赤道气流偏强年,季风槽东伸,东部的扰动容易从基本气流获得动能加强形成TC;在越赤道气流偏弱年,季风槽偏西,扰动动能增加的区域主要位于140 °E以西,导致东部海域较少生成TC。此外,无论在越赤道气流强年或者弱年,在TC生成之前的2～4 d均可发现有临近的越赤道气流突然加强的过程,这有可能是触发TC生成的动力因素之一。      

人为气溶胶对东亚夏季风直接气候效应的成因分析

采用耦合气溶胶模式的区域气候模式RegCM3对1988—2009年南亚和中国的人为排放气溶胶对东亚夏季风的直接气候效应影响进行数值模拟,采用合成分析、相关分析方法对其进行气候动力学诊断分析。结果显示:在气溶胶排放大值区域中,中国夏季排放最多,而南亚则是春季、冬季排放较多。总体而言,中国气溶胶柱的浓度含量高于南亚。中国境内气溶胶分布主要呈西南-东北走向,其中四川盆地附近为一高值中心。由于气溶胶负的短波辐射作用,改变了海陆气压梯度,从而对东亚夏季风的强度、分布产生一定影响,削弱了东亚夏季风在江淮以北地区的发展。同时讨论了东亚夏季风对于中国境内气溶胶大值区柱浓度含量、分布的反馈作用。      

用亮温反演云物理量划分对流-层状降水的数值模拟研究方案

观测分析表明对流云中水云重要,而层状云中冰云重要。因此,提出了一个基于液水路径和冰水路径阈值划分对流-层状降水的新方案。液水路径和冰水路径的值可以通过线性回归方程由不同AMSU微波通道(23.8、31.4、89、150 GHz)的亮温计算得出。通过对由TOGA COARE试验资料作为强迫场的二维云分辨模式的模拟结果的分析,对该划分方案进行讨论。若液水路径大于1.91 mm或冰水路径大于1.70 mm,则划分为对流降水;相反,则划分为层状降水。通过对地面降水收支的分析表明,该划分方案是具有物理意义的。      

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。     

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981～2010年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定（CSI）与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南（4～6月）先北跳到江淮（5～7月）,再到华北（7～8月）的季节性进程,特别是7～8月强降水距平场具有“北多南少”分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞（4～6月）、然后移到江淮（5～7月）,最后到达华北（7～8月）。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925～600 hPa,而6～8月抬升到700～600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风（垂直风切变）作用对倾斜对流有效位能（SCAPE）的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项（CAPE）占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数（CMF index）可指示雨带强降水异常区。     

强风条件下海面拖曳系数和粗糙长度研究

进一步研究强风条件下海-气湍流动量交换以及海浪特征,有助于提高数值天气模式对台风强度演变、移动路径以及恶劣海况的预报能力。依照前人的方法将台风分为风向与浪向(1)相同,(2)相反,和(3)交叉3个扇形区,并结合台风路径数据,得到了浮标数据相对于台风的方位。分别对3种类型的浮标数据进行分析,进而发现了波浪高度和相速度随风速增加而变化的规律。并利用GWW参数化方案计算出摩擦速度(u_*)、拖曳系数(C_DN)和粗糙长度(z₀)。将这些结果与前人代表性的研究论文中所用观测数据和所得研究结论进行比较,结果表明二者有较强的一致性。该研究证明GWW参数化方案在强风条件下依然有很好的适用性。     

台风“莫拉克”登陆前后的动力诊断分析

利用NCEP 0.5°×0.5°每日4次的全球预报场分析资料GFS(Global Forecast System)、日本MTSAT静止红外卫星云图,对2009年第8号台风"莫拉克"在台湾登陆前后的演变特征进行了动力学诊断分析。结果表明:(1)由于近台风中心附近对流层中低层存在切向风大值区中心,使得水平位涡通量散度项在其内侧分布密集。(2)近台风中心低层的负水平位涡通量散度项指向正水平位涡通量散度项,可以很好地示踪台风在海上的移动。(3)p坐标系下的负垂直位涡通量散度密集区可作为分析台风移动的一个重要参考指标。通过涡度方程讨论了决定台风对流层中低层气旋性涡度变化的主要因子,指出南海、华南沿海地区夏季西南气流与台风的耦合对台风结构、路径产生了重要的影响。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

多时间尺度环流对台风“天鹅”(1515)突变路径的影响

利用NCL滤波方法将NCEP提供的FNL风场资料分离出天气尺度,准双周振荡(QBWO,Quasi-Biweekly Oscillation)和热带季节内振荡(MJO,Madden-Julian Oscillation)环流场,研究不同时间尺度环流对台风"天鹅"(1515)突变路径的影响。台风路径的特征能够分3个阶段,其中第二阶段台风发生突然转折。第一阶段,天气尺度上台风东侧的反气旋和QBWO环流场中的波列共同引导台风向西偏北方向运动,而MJO环流场中的引导气流作用较小;第二阶段,天气尺度上台风东侧的反气旋和低频环流场中台风附近的气旋共同促进了"天鹅"近90°的突然转向,其中,高、低频分量分别促使台风突然向北、向东转向;第三阶段,天气尺度上的气旋与反气旋、QBWO环流场中的反气旋以及MJO环流场中的脊共同引导"天鹅"向东北方向运动,其中MJO环流场中气旋附近的偏东风促使"天鹅"向西运动,但由于它被天气尺度上强烈的偏西风所抵消,故"天鹅"仍向东运动。