物理过程和分辨率对西南涡演变的中尺度模拟影响

本文运用PSU/NCAR中尺度模式第四改进型(MM_4),对“81.7”四川暴雨期西南涡的演变进行了一系列96和72小时数值模拟;其目的在于研究模式物理过程和空间分辨率以及行星边界层(PBL)参数化对西南涡生成和发展模拟的影响。96小时的控制试验(方案Ⅰ)结果表明:水平分辨率160km和总体PBL的10层MM_4对西南涡发展模拟得较好,但对其生成只有初步模拟的能力;各种物理过程主要影响西南涡演变的强度,而对其位置影响较小;去掉潜热释放会显著影响西南涡在后期的发展;没有地面通量将使西南涡的生成和发展强度明显减弱;于试验不能模拟出西南涡在整个暴雨期的发展,且使其移速略快,无摩擦试验指出,地面摩擦对西南涡的生成是不重要的。提高模式空间分辨率和采用高分辨PBL模式,能使西南涡生成和发展位置的模拟有明显改进,但其强度一般偏强于实况。事实表明,进一步完善模式物理过程、改进PBL参数化和提高模式空间分辨率将是十分必要的。     

对流移入杭州湾后飑线发展机制分析

利用多源观测资料,对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明,此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强风垂直切变和层结不稳定环境中,地面气旋及锋面触发了初始对流,在之后近10 h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生、发展、合并与重组等不同阶段。期间,由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风：第一阶段,以江苏淮安站为代表,苏中极端对流性大风（36.2 m/s）是由发展强烈的超级单体风暴引发下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波特征,对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋,在地面极端大风临近时刻,中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状回波后侧,这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散,伴随风暴内强反射率核快速下降,导致淮安产生时、空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段,以江苏南通地区为代表,苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线状对流系统前部存在明显的阵风锋,造成较大范围10级以上的地面大风;南通通州湾极端大风（47.9 m/s）发生在阵风锋后侧,其形成一方面是由于线形对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加,形成更强的气压梯度,另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的快速发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传有关。     

中尺度模式中的边界层特征量分析

在中尺度数值天气预报模式MM4中，用level3及E-ε-l两种湍流闭合方法对原总体边界层参数化方案进行改进，使得中尺度模式中可以直接输出有关湍流量，并对地表通量参数化方案进行改进，进而对不同下势需如沙漠，植被上的有关湍流量和边界层特征量进行分析。研究中尺度系统中边界层结构的特征，本文主要从地表通量，湍流交换系数，湍流动能（q^2)，温度脉动方差（θ^2)及风温廓线等几个方面进行研究，结果表明，新方案能更好地反映边界层特征。     

The influence of large-scale circulations on the extremely inactive tropical cyclone activity in 2010 over the western North Pacific

This study attempts to understand why the frequency of tropical cyclones (TC) over the western North Pacific (WNP) was a record low during the 2010 season, by analyzing the effect of several large-scale factors. The genesis potential index (GPI) can represent, to some extent, the spatial distribution of formation in 2010. However, the GPI does not explain the extremely low TC frequency. No robust relationship between the TC number and El Niño Southern Oscillation (ENSO) was found. A comparison of the extreme inactive TC year 2010 and extreme active year 1994 was performed, based on the box difference index that can measure the quantitative difference of large-scale environmental factors. Dynamic factors were found to be important in differentiating TC formation over the WNP basin between 2010 and 1994. The remarkable difference of monsoon flows in the WNP basin between these two years may be the cause of the difference in TC formation. The unfavorable conditions for TC genesis in 2010 may have also been due to other large scale factors such as: (1) weak activity of the Madden-Julian Oscillation during the peak season; (2) warming of the sea surface temperature in the tropical Indian Ocean during the peak season, causing the development of an anticyclone over the WNP basin and associated with the westward motion of the monsoon trough, and (3) the phase change of the Pacific Decadal Oscillation (more negative) and the two strong La Niña events that have evolved since 2006.     

PNN网络在预测MCS移动中的应用

神经网络是空间数据挖掘的一种重要手段。本文运用概率神经网络(PNN网络)对1998年夏季影响青藏高原上中尺度对流系统(MCS)东移的环境物理量场的空间分布特征进行了研究，得到了高原上MCS移动方向与环境物理量场空间分布之间的关系。研究表明，使用概率神经网络预测中尺度对流系统的移动具有较好的效果，从而为研究高原上MCS东移与环境场之间的关系提供了一种新的方法和思路。     

2010年6月中下旬南方暴雨过程变形场作用分析

利用常规原始报文资料,采用基于Lanczos窗口滤波器的合成分析方法,对2010年6月13-27日的形势场、物理量进行合成分析,计算并分析了低空合成风场的总变形.结果表明:500 hPa大陆中、高纬地区存在一“Ω”形类阻塞高压,西北冷空气从其东部源源不断向长江及以南地区输送,与副热带高压西北侧的西南暖湿气流在我国南方地区交汇.700、850 hPa大陆高压与西太平洋副热带高压之间形成的鞍型场,位于长江以南地区,鞍型场鞍点附近及其东部膨胀轴是暴雨发生的主要区域.在南方地区上空200 hPa西北气流辐散产生的抽吸作用,对这次长时间、高强度的降水起了重要作用.发生在鞍型场和切变线上的低空中尺度气旋,是造成暴雨的重要天气系统.鞍型场膨胀轴附近,总变形最大,其位置、走向均与雨带基本一致,有利于锋生和中尺度气旋形成.低空冷暖气流交汇区域形成低空强θse梯度,在垂直剖面图上,等θse线呈现十分倾斜状态,该区域强θse水平梯度与低空总变形、正涡度区一致,可能是特大暴雨发生的重要因素.     

A Case Study on the Effects of Heterogeneous Soil Moisture on Mesoscale Boundary-Layer Structure in the Southern Great Plains, U.S.A. Part II: Mesoscale Modelling

The importance of soil moisture inputs and improved model physics in the prediction of the daytime boundary-layer structure during the Southern Great Plains Hydrology Experiment 1997 (SGP97) is investigated using the non-hydrostatic fifth-generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research (PSU/NCAR) Mesoscale Model MM5. This is Part II of a two-part study examining the relationship of surface heterogeneity to observed boundary-layer structure. Part I focuses on observations and utilizes a simple model while Part II uses observations and MM5 modelling. Soil moisture inputs tested include a lookup table based on soil type and season, output from an offline land-surface model (LSM) forced by atmospheric observations, and high-resolution ( 800 m) airborne microwave remotely sensed data. Model physics improvements are investigated by comparing an LSM directly coupled with the MM5 to a simpler force-restore method at the surface. The scale of land surface heterogeneities is compared to the scale of their effects on boundary-layer structure.The use of more detailed soil moisture fields allowed the MM5 to better represent the large-scale (hundreds of km) and small-scale (tens of km) horizontal gradients in surface-layer weather and, to a lesser degree, the atmospheric boundary-layer (ABL) height, which was evaluated against observations measured by differential absorption lidar (DIAL). The benefits of coupling an LSM to the MM5 were not readily evident in this summertime case, with the model having particular difficulty simulating the timing of maximum surface fluxes while underestimating the depth of the mixed layer.     

渭河流域一次致洪暴雨过程的中尺度滤波分析

利用常规高空观测资料和NCEP/NCAR 1°×1°的再分析资料以及25点低通滤波技术,对2003年8月28—29日发生在渭河流域的一次致洪暴雨进行了中尺度分析和探讨,分析出中尺度环流演变特征,总结了渭河流域致洪暴雨的概念模型,认为这次暴雨过程中在以西南气流为主的平均气流场上隐藏着尺度较中尺度平均流场小得多的涡旋,其移动方向和发展程度决定了强降水落区及其强度;高空西风风速脉动与低层南风风速脉动耦合形成了中尺度次级环流圈,其上升支为强降水提供了足够的动力抬升机制;而850 hPa低空急流、700 hPa中尺度低涡、南风脉动以及高空西风风速脉动等条件的合理配置是中尺度次级环流形成的必备因素;地面中尺度辐合线是本次暴雨的触发机制。     

下垫面对雹云形成发展的影响

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)对2005年5月31日发生在北京地区的一次强冰雹天气过程进行了数值模拟研究,并与观测的雷达回波、冰雹云移动路径和冰雹落区进行比较,在此基础上探讨了城市和农田两种下垫面对雹云的影响。结果表明,由于"城市热岛"效应的作用,城市下垫面的地面感热通量显著增加,有利于雹云的发展增强和大冰雹的形成,使地面累积降雹量增加,但对雹云移动路径影响不大。农田下垫面具有较大的潜热通量,局地蒸发强,有利于大量小冰雹的形成,云中冰雹含量增加,但降雹强度较弱,地面累积降雹量小。