基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

一次江淮大暴雨过程中尺度系统结构分析

本文应用观测资料和中尺度数值模拟结果对1999年6月23日发生在江淮地区一次梅雨锋暴雨过程进行研究，揭示了影响这次暴雨过程的物理条件、云团的演变特征及与中尺度系统的关系，分析表明，在暴雨生成和发展过程中，多个中尺度云团在相继生成和移动发展，暴雨中心是几个发展较强的中尺度对流云团造成的，西南风低空急流为暴雨提供了水汽输送，并且通过强垂直运动向对流层中上层输送水汽，这次暴雨与中尺度系统发生发展有直接关系，西南涡分裂出一系列的小涡旋，这些小涡旋边向东移边减弱，并且同时在地面上引发小低压，这些中尺度低压增强低空水平辐合，成为触发不稳定能量的机制，低空急流中心与雨区相互对应，且急流风速增强，风速水平切变梯度增大的过程对应着强降水过程。     

近几年中尺度动力学研究进展

近几年,中尺度气象由于在逐日天气预报中的重要作用和在气象灾害预报中的显著贡献,已经成为一个热门的研究课题.中尺度气象研究并预测中尺度天气系统的发生发展及其引发的灾害性天气,如暴雨、冰雹、龙卷风等.本文主要总结了2007年以来我国在中尺度研究中取得的显著性成果.主要包括:波动、涡旋、锋面、稳定性、Q矢量和不变量.在波动方面包括重力波的形成和传播的研究,包含旋转Rossby波、混合低频旋转Rossby波和高频惯性重力波在内的台风波动以及考虑水汽作用的中尺度波作用守恒.涡旋部分主要介绍了青藏高原低涡(TPV)和热带气旋内部的涡旋问题.除了涡旋之外,锋面在中国也是一个关键系统.在锋面方面的进展有:梅雨锋中的β中尺度双雨带机制的产生和维持的实验性研究,以及基于广义位温的锋生函数的提出,这些成果使得对锋生过程的描述更接近于实际大气状况.在不稳定问题上,主要介绍了采用Energy-Casimir方法建立的拟能量波作用方程和基本气流具有线性和非线性切变时的横波扰动的不稳定.关于Q矢量,介绍了从地转Q矢量,半地转Q矢量到非地转Q矢量,非地转湿Q矢量的发展,以及由湿地转Q矢量和垂直风切变耦合得到的新型散度方程.最后,讨论了有关质点的两个不变量位温和位涡的相关研究新进展.     

青藏高原地表分类及其东北部辐射通量的二维数值模拟

通过对青藏高原地区地表特征的格点分类及沿五道梁站的经向二维中尺度数值模拟,结果发现：青藏高原地区１３类地表特征都有,尽管其植被自西北向东南呈带状分布,但仍十分复杂;而其地表特征的这种格点分类为该地区的高分辨数值模式模拟提供了极其有用的下边界条件。地面净辐射通量及其诸分量的模拟结果与观测结果的相当接近与一致表明,该模式具有模拟青藏高原地区地面通量日变化的能力。模拟结果和观测分析还指出：夏天睛天条件下     

网格嵌套技术对一次中尺度对流系统降水过程模拟的影响

利用非静力中尺度模式MM5对2002年7月22日12:00~23日12:00(世界时,下同)长江流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟试验,主要讨论了网格嵌套技术对降水和中尺度对流系统的影响。结果表明:三重嵌套在D1,D2域选用积云参数化方案后,模拟的雨区收缩,虚假降水中心相对减少,降水强度及分布更接近观测值。在模式非线性动力、热力及湿物理过程共同驱动下,通过嵌套网格的双向相互作用,使可分辨云尺度的细网格域D3将其信息通过嵌套边界向次细网格域D2传递,然后再通过D2域边界向粗网格域D1域传递。同样,动力、热力反馈也会反向进行。结果将有助于改进各网格域的预报效果。但对D1网格域系统位置及其发展演变过程的影响相对小些;另外,通过双向多重嵌套,可提高模式预报区域的分辨率,特别是提高模式关键预报区域的分辨率,这也就有可能改进预报的中尺度物理场,使其能够较真实地描写大气实况。     

梅雨锋云系的结构特征及其成因分析

利用逐时卫星遥感观测资料和地面测站的降水资料，分析了江淮流域2003年6月22～26日暴雨过程中梅雨锋云系的演变、结构特征和形成原因。结果表明，梅雨锋云系为一条TBB的低值带，稳定少动，其上分布着中尺度对流系统（MCS），而中尺度对流系统是由不同尺度、不同强度．的对流单体（包括中β和中γ尺度对流单体）组成的，从而使得梅雨锋云系产生不均匀的降水分布（包括时间上和空间上）。在该暴雨过程中，梅雨锋云系充分体现了中尺度对流系统中所包括的3类组织结构形式。梅雨锋云系与中高纬度云系或热带辐合带云系之间的相互作用与暴雨过程关系密切，梅雨锋云系的维持和发展与强大的黄淮气旋云系直接相关，它是江淮流域上空冷暖气流交汇的结果。     

A MASCOTTE-based characterization of MCSs over Spain, 2000–2002

A 3-year Mesoscale Convective Systems (MCSs) database, which extends from 2000 to 2002, has been built for the Iberian Peninsula and the Balearic Islands using the objective method MASCOTTE (MAximum Spatial COrrelation Technique). It was originally developed to track the evolution of convective systems over the Amazon region; after modifications, it is able to track MCS evolution even with an hour and a half of missed images and provides essential information of both dynamical and morphological characteristics of MCSs. MASCOTTE is tested against a visual and subjective method, and is found to offer advantages such as automation and a simple and efficient operation that make it very useful for building large MCS databases.Thirty-five MCSs were found between June and October, most of them originated along the Mediterranean coast and near the Pyrenees, showing an increasing occurrence from June to September, when the maximum is found. The regions most influenced by MCS occurrences are Balearic Islands, Valencia, Catalonia, Murcia and the Basque Country. The MCSs tend to be small, short-lived and linear, usually moving eastward or northeastward with low velocities.The MCSs-associated precipitation presents high variability, ranging from 80 to 0 mm h⁻¹ as maximum hourly records. Two different convective regions are identified based on MCS behavior in extreme precipitation events: Northern Spain (the Basque Country) with abundant and continuous precipitation regime but little MCS influence, and the Mediterranean coast, where precipitation is sporadic but much more intense.     

黄土高原复杂地形受中尺度运动影响的稳定边界层湍流特征

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,简称SACOL)2008年12月观测资料,研究了稳定边界层湍流特征.使用涡动相关资料研究湍流通量时,定义湍流的平均时间τ内的中尺度运动是造成湍流统计量变化范围大的主要原因,稳定情形? τ取几十秒至几分钟.对梯度理查森数大于0.3的强稳定情形的湍流尺度分解(MRD)谱分析表明,感热通量在112.4～449.9 s存在谱隙,尺度大于谱隙的中尺度运动造成了通量观测资料离散性大,甚至有支配性影响.动量通量的谱隙在112.4～224.9 s之间.弱风时,中尺度运动的影响更大,垂直风速标准差以0.1的比率随中尺度风速变化;垂直风速标准差同广义风速表现出很好的相关性,并随着广义风速消失而消失.三维风速标准差与摩擦速度呈很好的线性关系,垂直、水平、横风风速的无量纲标准差分别为1.35、2.54、2.21.对湍流动能的研究发现,在梯度理查森数大于0.3的条件下,仍然存在连续的湍流.以湍动能为依据,分析了湍流的平稳时间长度,其长度随稳定度变化而变化,2008年12月7～11日从133.5 s变化到856.2 s,湍流平稳时间长度反映了中尺度运动的发生频率.     

A Simple Single-Layer Urban Canopy Model For Atmospheric Models: Comparison With Multi-Layer And Slab Models

We developed a simple, single-layer urban canopy model, and comparedit to both multi-layer and slab models. Our single-layer model has thefollowing features: (a) It is a column model of energy and momentumexchange between an urban surface and the atmosphere, (b) it includesthe influence of street canyons, which are parameterized to representthe urban geometry, (c) it includes shadowing from buildings andreflection of radiation, and (d) it estimates both the surfacetemperatures of, and heat fluxes from, three surface types: roof, wall,and road. In the simulation of the single-layer model, the roof washottest during the daytime, but coolest from midnight to early morning.This is consistent with output from the multi-layer model and fieldobservations at a residential area on a clear, summer day. The diurnalvariation of the energy budget from the single-layer model agrees wellwith that from the multi-layer model. Our single-layer model'sperformance is nearly that of a multi-layer model for studyingmesoscale heat islands. Nevertheless, it is simply parameterized,and thus easily included in larger-scale atmospheric models. The slabmodel has the largest nighttime cooling rate of the three models. Toovercome this, it needs more adjustments than for the canopy models.