MRI模式对华南春雨气候态及年际变率的模拟：不同模式分辨率的比较

本文利用日本气象研究所（MRI）参加第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的大气环流模式在高、中、低三种分辨率下的AMIP试验结果,评估了其对华南春雨气候态和年际变率的模拟能力,比较了不同分辨率的模拟结果。结果表明,三种不同水平分辨率（120 km、60 km和20 km）的模式均能再现北半球春季位于中国东南部的降水中心。相较于120 km模式,20 km模式能够更为合理地模拟出华南春雨位于南岭—武夷山脉的降水中心。水汽收支分析表明,60 km、20 km模式高估了水汽辐合,使得华南春雨的降水强度被高估。在年际变率方面,在三种分辨率下,模式均能较好地再现观测中El Ni?o衰减年春季的西北太平洋反气旋以及华南春雨降水正异常。较之120 km模式,60 km、20 km模式模拟的降水正异常的空间分布和强度更接近观测,原因是后者模拟的El Ni?o衰减年春季华南地区的水平水汽平流异常更接近观测。本研究表明,发展高分辨率气候模式是提高华南春雨的气候态和年际变率模拟水平的有效途径之一。     

地形追随坐标系下埃特尔位涡的计算

随着数值天气预报模式的日益普及以及位涡在不同天气、气候时、空尺度上的广泛应用,对采用模式输出资料计算的埃特尔（Ertel）位涡的精度提出了更高要求。将气象要素从中尺度模式普遍采用的地形追随坐标系向定义位涡的z或p坐标系的插值过程（插值法）,是导致埃特尔位涡计算误差的主要原因。文中利用地形追随坐标系与z（p）坐标系的变换关系,导出了z坐标系定义的埃特尔位涡在地形追随坐标系中的表达形式,实现了直接在模式格点上计算埃特尔位涡（直接法）,在提高计算精度的同时,保留了其在z坐标系中的物理意义,方便了分析与应用。为了进一步分析直接法在减少计算误差方面的作用,使用WRF模式对2016年7月发生在华北地区复杂地形背景下的一次黄淮气旋爆发过程进行了模拟,利用模式输出资料对此次天气过程中强降水时段插值法计算误差的分布进行了分析。结果表明,利用直接法计算位涡可有效减少插值法引入的计算误差,中低层均方根误差可达0.5 PVU,中高层可达0.3 PVU。将其应用到中小尺度对流性天气精细化结构的分析及气候统计研究中,可以有效减少插值法误差对结果产生的不良影响,提高计算和分析准确度。      

“7.20”华北特大暴雨过程中低涡发展演变机制研究

利用中国地面加密自动站观测资料、北京地区雷达探测资料、NCEP （1°×1°） FNL资料、ECMWF ERA Interim （0.125°×0.125°）逐日再分析资料等,对造成2016年7月19-20日华北极端暴雨中的低涡系统发展演变的结构特征和加强机制进行了研究。华北地区这次特大暴雨过程出现了3个阶段降水,其中与低涡系统强烈发展对应的第2阶段降水是本次华北暴雨过程的主要降水阶段。针对该低涡的分析表明：（1）850 hPa以西南低涡为中心的低压带中,在河南西北部新生低涡系统,并且其在向华北地区移动过程中显著加强,该低涡系统在空间结构上,从倾斜涡柱逐渐发展成近乎直立的、贯穿整个对流层的深厚低涡系统;（2）中低层低涡系统快速发展过程与高低空系统构成耦合作用有关：低层低涡系统显著加强之前,对流层上层（300-200 hPa）首先出现高空槽异常加深并向南发展,该高空槽发展的开始阶段与其本身冷暖平流造成的斜压发展过程对应;而后,随着高纬度平流层高位涡沿等熵面向南运动,造成华北地区对流层上层涡度增强,形成正位涡异常区;当这一正位涡异常区叠加在对流层中低层锋区上空时,造成对流层中低层气旋快速发展并向下伸展,诱发河南西北部的新生气旋;低涡系统的发展进一步强化了低空暖平流,促使低空气旋向东北方向发展"移动"（本质上是暖平流前端造成的气旋发展）,这一动力学过程反过来使高层的涡度增强;这一正反馈过程形成的耦合环流不仅造成了整个涡度柱强度增强,而且垂直结构上逐渐由倾斜涡柱演变为近乎于直立的涡柱;（3）随着低涡系统增强,极大地加强了垂直上升运动并触发了对流,形成大范围的强降水,大量的凝结潜热释放,造成了低层低涡系统在强降水开始阶段的快速发展和增强;20日00时（世界时）以后,虽然对流活动显著减弱,但低涡系统的加深维持了大范围强降水过程的持续。强降水与低涡发展的正反馈过程是这次华北暴雨得以长时间维持的重要机制之一,这一过程形成的持续性潜热释放也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的重要原因。     

湖北省夏季不同阶段强降水及其大气低频特征

利用1961-2014年湖北省68站逐日降水资料和美国国家海洋和大气管理局环流资料,对比分析了湖北省夏季梅雨期和盛夏期低频强降水事件的基本特征、大气环流形势和低频信号传播特征。结果表明:(1)湖北省夏季降水存在显著的准双周低频周期。(2)相较于盛夏期,梅雨期低频强降水事件次数多,强度强。(3)梅雨期和盛夏期低频强降水事件发生期间的环流形势有着显著的差异。梅雨期,对流层中层东亚沿岸为南北向的波列分布,低层受强索马里越赤道气流和副热带高压外围西南气流共同影响,水汽条件好,东亚存在鞍型场,流场变形,利于形成中尺度气旋系统;盛夏期,对流层中层为欧亚波列分布,低层索马里越赤道气流弱,主要受副热带高压外围水汽输送的影响,日本海以西地区有一异常气旋,其西侧的偏北气流与暖湿气流在30°N附近交汇维持。(4)在强降水事件发生前后,对流层低层的低频正涡度传播特征有较大差异,在梅雨期表现为驻波特征,盛夏期传播更为明显,表现为向西、向南向北传播。     

“16·7”华北极端强降水特征及天气学成因分析

2016年7月19-20日华北出现了当年入汛以来最强降水过程。此次降水过程为一次影响范围广、累积雨量大、持续时间长的极端强降水过程,其强度较"96·8"强,仅次于"63·8"。以暖云降水为主,短时强降水特征明显,局地小时雨强强、且具有明显的地形降水特征。此次强降水发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中高纬度西风带低涡系统发展的环流背景下,黄淮气旋、西南和东南低空急流的异常发展以及水汽的异常充沛表明此次强降水过程动力抬升和水汽条件非常有利。强降水过程表现出明显的阶段特征,主要分为两个阶段:19日凌晨至白天为高空槽前偏东风导致的地形强降水、19日夜间至20日为黄淮气旋系统北侧螺旋雨带造成的强降水。第一阶段的降水主要与高空槽前偏东风/东南风急流的发展有直接关系。这一阶段对流降水旺盛,中层弱干冷平流以及低层强暖平流是对流不稳定能量的维持机制,强降水形成的冷堆与局地地形作用产生的中尺度锋生过程为对流持续新生提供了有利条件。第二阶段的降水主要与低涡切断和黄淮气旋的强烈发展有关。该阶段降水对流相对较弱,黄淮气旋进入华北以后移动缓慢,从而造成降水持续时间较长。     

一次双台风影响下暴雨过程的中尺度涡旋模拟分析

本文对上海地区一次双台风环境影响的暴雨过程进行数值模拟及分析,探讨了强降水过程中大气中低层的涡旋特征及发展机理。结果表明:(1)暴雨过程处于双台风、大陆高压的共同影响下,中低层伴随有较明显的中尺度低涡发展。(2)与涡旋相关的局地垂直涡度由低层开始发展,先期涡度发展集中于850 hPa以下,之后向大气中上层发展增强,涡旋尺度强度也随之发展,最终形成在对流层下半部具有闭合式气旋性环流的深厚涡旋。(3)影响局地涡度变化的水平平流项、垂直平流项、散度制造项和倾斜项对不同时间、不同高度的涡度作用各不相同,其中散度制造项是中低层涡度的主要来源,垂直平流项的输送作用对中上层的涡度发展有重要作用,倾斜项对涡旋发展移动也有部分贡献。(4)通过敏感性试验考察了对流潜热反馈的贡献,发现潜热释放过程通过加热改变大气温压场结构,从而维持并改变局地涡度倾向的中低层辐合及对流上升运动,对涡旋的发展和移动起了重要影响。     

显著度模型的地标提取方法综述

针对地标显著度模型的构成、计算方法及存在的突出问题,该文在对国内外大量文献进行分析研究的基础上,系统综述了基于显著度模型提取地标的方法。指出了现有研究中存在的主要问题和不足,围绕感知显著度、认知显著度、上下文显著度、总体显著度的计算方法,进行了较为深入的研究,并针对性地提出了解决方案。     

中长基线的BDS三频线性组合观测量优化

基于几何无关（geometry-free,GF）和电离层无关（ionosphere-free,IF）的三频原始载波线性组合观测量,由于消除了一阶电离层延迟项以及同卫星与测站间几何距离相关误差项的影响,可有效应用于中长基线模糊度解算。对适用于北斗卫星导航系统（BDS）中长基线模糊度解算的GF和IF线性组合观测量进行了研究和优化,通过对载波观测量与伪距观测量组合,得到噪声最小且基于GF和IF的宽巷组合观测量,然后将模糊度得到固定的两个载波组合观测量与原始载波观测量进行最优线性组合,得到具有最低噪声的基于GF和IF的窄巷组合观测量。该方法充分利用了所有载波及伪距观测量信息,并根据其噪声水平进行了加权优化,公式推导具有普遍性和代表性。通过三频实测基线数据进行了论证分析。结果表明,经过一段时间的平滑之后,宽巷和窄巷模糊度浮点解的偏差能收敛到0.5周以内,从而实现模糊度的快速准确固定。     

基于部分固定策略的多系统长距离基准站间模糊度快速解算

基准站间整周模糊度的快速准确固定是实现网络RTK高精度快速定位的前提。对于GPS/GLONASS/BDS组合系统长基线,模糊度维数大幅度增加,加之观测噪声、大气残余误差等因素的影响,很难快速准确地固定所有模糊度,尤其是低高度角卫星模糊度。提出了一种基于部分固定策略的GPS/GLONASS/BDS组合网络长基线部分模糊度快速解算方法,以截止高度角、模糊度固定成功率以及Ratio值为主要参数,优选模糊度固定子集,以实现长距离基准站间模糊度快速固定。通过实测GPS/GLONASS/BDS三系统长基线数据的实验验证,部分模糊度固定方法可有效避免低高度角卫星对模糊度固定的影响,从而显著提高模糊度固定时的成功率及Ratio值,缩短长距离基准站间模糊度准确固定所需的时间。     

一次华南双雨带暴雨中的位涡演变与雨带间的相互作用

利用实况资料和WRF中尺度数值模式对2008年6月12日18时—14日00时的华南双雨带暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。结果表明:随着锋面的南压,在锋面的西南方向(广西沿海)生成一低涡,该低涡作为位涡源在中高层表现稳定,分别为锋面雨带(北雨带)与暖区雨带(南雨带)提供正位涡。南雨带对北雨带的作用主要体现在中层(112~114°E附近),南雨带中有位涡的大值向北输送,其输送过程导致两条雨带在该处相连,而在115°E以东的南雨带则无明显的输送过程。同时,北部高空槽中也有大值位涡向北雨带输送,以维持北雨带。研究还发现,本次过程中暖区暴雨与锋面暴雨雨带的结构差异明显,锋面雨带的结构与传统雨带的结构比较一致;有利于暖区暴雨降水的形势主要表现在中高层。RIP轨迹模式的结果也表明,质点在运动过程中位涡的输送源是位于广西沿海的低涡,可见该位涡源对双雨带形成有重要的作用。