A Parameterization of Third-order Moments for the Dry Convective Boundary Layer

We describe one-dimensional (1D) simulations of the countergradient zone of mean potential temperature observed in the convective boundary layer (CBL). The method takes into account the third-order moments (TOMs) in a turbulent scheme of relatively low order, using the turbulent kinetic energy equation but without prognostic equations for other second-order moments. The countergradient term is formally linked to the third-order moments and , and a simple parameterization of these TOMs is proposed. It is validated for several cases of a dry CBL, using large-eddy simulations that have been realized from the MESO-NH model. The analysis of the simulations shows that TOMs are responsible for the inversion of the sign of in the higher part of the CBL, and budget analysis shows that the main terms responsible for turbulent fluxes and variances are now well reproduced.     

山东一次区域性暴雨中尺度特征分析

利用常规资料、地面自动站资料、FY2C卫星云图TBB和多普勒天气雷达资料,对2009年5月9—10日发生在山东的春季区域性暴雨进行分析和研究。结果表明:①强降水是在低层冷空气和深厚西南暖湿气流交汇的过程中产生的,副高异常偏强,制约850～700hPa切变线和地面辐合线停滞少动,产生较长时间的降水。②地面辐合线的形成和维持激发了边界层的辐合上升运动,为暴雨区提供了充足的水汽,冷空气从边界层楔入,与暖湿气流汇合并抬升暖湿气流辐合上升,使上升运动加强,降水增幅。③中尺度对流系统是造成暴雨的主要中尺度系统,多个单体更迭并移经同一区域,形成"列车效应"而产生区域性暴雨。④雷达径向速度图中逆风区和不同高度(超)低空急流的大小对短时强降水预报有一定的指示意义。     

Application of Dynamic Subgrid-scale Models for Large-eddy Simulation of the Daytime Convective Boundary Layer over Heterogeneous Surfaces

The sensitivity of large-eddy simulation (LES) to the representation of subgrid-scale (SGS) processes is explored for the case of the convective boundary layer (CBL) developing over surfaces with varying degrees of spatial heterogeneity. Three representations of SGS processes are explored: the traditional constant Smagorinsky–Lilly model and two other dynamic models with Lagrangian averaging approaches to calculate the Smagorinsky coefficient (C _S ) and SGS Prandtl number (Pr). With initial data based roughly on the observed meteorology, simulations of daytime CBL growth are performed over surfaces with characteristics (i.e. fluxes and roughness) ranging from homogeneous, to striped heterogeneity, to a realistic representation of heterogeneity as derived from a recent field study. In both idealized tests and the realistic case, SGS sensitivities are mostly manifest near the surface and entrainment zone. However, unlike simulations over complex domains or under neutral or stable conditions, these differences for the CBL simulation, where large eddies dominate, are not significant enough to distinguish the performance of the different SGS models, irrespective of surface heterogeneity.     

Footprints in Homogeneously and Heterogeneously Driven Boundary Layers Derived from a Lagrangian Stochastic Particle Model Embedded into Large-Eddy Simulation

A Lagrangian stochastic (LS) model, which is embedded into a parallelised large-eddy simulation (LES) model, is used for dispersion and footprint evaluations. For the first time an online coupling between LES and LS models is applied. The new model reproduces concentration patterns, which were obtained in prior studies, provided that subgrid-scale turbulence is included in the LS model. Comparisons with prior studies show that the model evaluates footprints successfully. Streamwise dispersion leads to footprint maxima that are situated less far upstream than previously reported. Negative flux footprints are detected in the convective boundary layer (CBL). The wide range of applicability of the model is shown by applying it under neutral and stable stratification. It is pointed out that the turning of the wind direction with height leads to a considerable dependency of source areas on height. First results of an application to a heterogeneously heated CBL are presented, which emphasize that footprints are severely affected by the inhomogeneity.     

关于业务上应用条件对称不稳定相关问题的讨论

条件对称不稳定（CSI）理论常常被用来作为倾斜对流的发展机制之一,在业务上常用来解释与锋面相联系的一条或多条中尺度雨带、雷达图像上观测到的带状雨带的成因等。条件对称不稳定的诊断包括CSI斜率判据、斜升对流有效位能（SCAPE）、湿对称不稳定（MSI）、相当位涡（EPV）等判据。业务预报人员存疑较多的问题是这些方法是否具有一致性并在业务上如何使用。针对上述问题,首先通过与业务预报人员较熟悉的条件不稳定类型作类比,来说明条件对称不稳定两种判据与条件不稳定两种判据的相似性。但在业务使用上,判别条件对称不稳定时多使用CSI斜率判据,即等动量面的坡度大于等位温面坡度而小于等湿球位温面坡度。由于条件对称不稳定通常出现在大气处于几乎饱和的情况下,此时的CSI斜率判据则演变为湿对称不稳定判据,即等动量面坡度小于等湿球位温面坡度。为判别相当位涡与湿对称不稳定判据是否具有一致性,文中的推导和实例分析均表明,二维相当位涡实际上是湿对称不稳定判据的另一种表现形式,但是湿对称不稳定判据需主观去比较等相当位温面与等动量面斜率大小,而二维相当位涡则可通过其是否小于0进行客观判断。需注意的是,在与推导条件对称不稳定斜率判据相同的二维坐标下,相当位涡与湿对称不稳定判据才具有一致性,将相当位涡扩展到常规坐标下使用三维相当位涡作为湿对称不稳定判据是不可取的。      

南京及周边地区雷达气候学分析

为了研究南京及周边地区暖季（6-9月）对流风暴的活动分布规律,利用2009-2013年6-9月长时间序列的南京多普勒天气雷达数据识别对流回波并格点化,统计并分析了南京及周边地区对流风暴的气候学分布特征,结果表明:（1）在暖季,南京及周边地区对流风暴具有明显的区域分布特征,其中7与8月为对流风暴活动高峰期,对流风暴频数分布大值中心位于南京东部沿江地区;（2）不同尺度和伸展高度对流风暴的分布特征各不相同,较大较深对流的分布大值中心更加明显;（3）对流风暴的垂直结构因月份不同而有所差异,7与8月对流风暴强度最大;（4）不同尺度和伸展高度对流风暴频数存在明显的日变化特征,呈多峰分布,主峰值区位于午后,同样,各月份对流风暴频数的日变化特征也非常明显,呈单峰或者多峰分布。      

亚洲季风区不同形态中尺度对流系统的特征分析

利用16 a的TRMM卫星观测资料,分析了亚洲季风区准圆状、线状和拉长状中尺度对流系统(MCSs)的空间分布、对流属性及其区域变化特征。结果表明:拉长状MCSs的数量最多,准圆状的其次而线状的最少。自西向东,准圆状(线状)MCSs数量占各区域MCSs总数的比例逐渐减小(增加),线状MCSs在副热带和洋面地区的产生几率相比更大。MCSs的发生频次呈现以暖季(5—9月)为峰值的单峰分布,准圆状和拉长状MCSs的暖季峰值比线状MCSs的大。MCSs主要发生在下午—傍晚时段,但线状MCSs在午夜—凌晨出现的概率比其它两种大。3种类型MCSs的整体强度基本表现为副热带地区弱于近热带地区,但不同类型MCSs的强度差异在各区域不尽相同,如中国中东部地区和西北太平洋地区的准圆状MCSs强度最强,但东海及其以东洋面的线状MCSs强度最强。     

Betts对流调整方案在移动套网格台风数值模式中的初步试验

Betts对流调整方案采用的是垂直温湿场向观测的准平衡热力结构松驰的方法。本文在一个考虑了台风初值化的移动套网格台风数值模式中,对Betts方案进行了初步试验。结果表明：Betts方案能较好的预报出台风移动的路径和降水过程,并在台风路径、降水落区预报以及对流增温的垂直分布等方面都略优于Kuo方案的预报结果。     

不同对流参数化方案试验中凝结加热的特征及对暴雨中尺度模拟结果的影响

使用20 km分辨率的MM5模式,分别选用KUO,GRELL,KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU,GR,KF和BM)等4种不同对流参数化方案,对1996年8月3~4日石家庄特大暴雨过程作数值模拟试验,分析比较了4个不同试验中网格尺度(显式方案)和次网格尺度(对流参数化方案)凝结加热的水平、垂直分布和时变特征;研究探讨了凝结加热分布及差异对暴雨中尺度模拟结果的可能影响。分析显示,暴雨过程中,4个不同对流参数化方案试验所得到的次网格尺度凝结加热基本都呈单峰特征、加热峰值在对流层中层,但加热层厚度和强度在不同试验间存在差别;4个试验的网格尺度凝结加热的垂直范围表现出较好的一致性,加热重心位于对流层低层,但加热强度仍有所不同;GR和KF及BM试验的总凝结加热率的垂直分布特征主要受其网格尺度凝结加热率特征的影响、加热重心在对流层低层,而KU试验的总凝结加热率的垂直分布特征由其次网格尺度凝结加热率特征所决定、加热重心在对流层中层。研究表明,尽管4个试验在暴雨期间总凝结加热的垂直分布差异并不显著,但对暴雨中尺度模拟的影响却不能忽视。凝结加热的分布特征及演变直接影响与暴雨发生发展密切关联的物理量场的中尺度结构和演变;凝结加热对暴雨中尺度的影响具有连锁性,由加热差异波及局部环流细致结构和强度及其变化的差异,进而影响暴雨发生发展的细致特征。在20 km或更高一些分辨率的条件下,对于描述温带/中纬度暴雨的发展和结构,选用KF方案得到的模拟结果可能更具物理合理性;而KU方案模拟结果容易出现格点气柱的水汽和温度被过量调整的不合理情况。要得到一个可信的中尺度模拟结果,对降水模拟结果进行细化特征的验证、特别是随时间演变特征的验证分析是非常重要的,因为降水的细致演变特征与凝结加热及与之相联系的物理量场的中尺度演变特征密切关联。     

大气冰核谱分布对对流风暴云人工催化影响的数值模拟研究

2002年9月在青海省河南县人工增雨综合试验基地开展了人工增雨外场综合观测试验.根据这次实验得到的大气冰核资料,以及文献给出的另外两组常用的冰核资料,利用中国科学院大气物理研究所研制和发展的三维对流云人工催化数值模式,讨论了3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云人工催化增雨效果的影响,模式中还考虑了国内人工影响天气部门常用的RYI-6300型和WR-1B型人工增雨防雹火箭播云弹道的差异.模拟结果表明,3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云的宏观和微观参量分布结构有很大影响,在这些对流云中进行火箭播云催化试验得到的播云效果也有很大差异.大气环境中高温冰核浓度低,而低温冰核浓度高时,对流风暴云人工催化将导致云中冰晶过量,不利于对流风暴云降水增加.在大气环境中高温冰核浓度较高,并且低温冰核浓度较低时,对流催化风暴云可获得最高的人工增雨效果.在青海试验区的大气冰核谱环境下,火箭催化对流风暴云增雨有一定效果.对不同地区进行人工增雨作业时,了解清楚当地大气冰核的基本背景状况对于正确地评估播云效果非常重要.文中还给出了导致这些结果差异的物理解释.