雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较

在三维强风暴动力-电耦合数值模式中分别引入两种基于不同实验室结果的非感应起电参数化方案S91和SP98, 对比分析了一次雷暴单体首次放电前, 利用两种方案模拟得到的非感应电荷转移区域、极性、量级和电荷结构的演变特征, 及其与有效液态水、温度、粒子分布和对流之间的关系。结果表明, S91中, 起电区域逐渐由高温、高有效液水区向低温、低有效液水区转移。电荷转移量快速增加, 且由以正极性为主过渡为以负极性为主。电荷结构由偶极性转变到三极性。SP98中, 淞附增长率的大值区范围较大, 霰以携带正电荷占绝对优势, 易形成反极性的电荷结构, 但有进一步转变为三极性的趋势。两种方案的共同点表现为: 电荷层较高, 位于对流区上部及雷暴移动方向前侧出流区; 正电荷转移多发生在高有效液态水(或淞附增长率)和高温区, 负电荷转移都发生在低有效液态水(或淞附增长率)和低温区; 转移电荷的正中心均位于霰的累积区中心, 负中心易出现在冰晶和霰共存区的中心。     

风切变对飞行的影响及其预报时效分析

利用NCEP再分析资料和AMDAR资料,对2008年11月1日首都机场冷锋过境前后风切变现象及其可预报时效进行分析。分析认为:在冷锋过境前后,首都机场存在多种形式的风切变,有高空槽前后的水平风切变、高层和中层急流轴引起的水平风切变、冷锋前逆温层顶上下的水平风切变和地面锋面过境时跑道面上的水平和侧风切变。对各种风切变的可预报时效进行了分析。     

大连地区辐射雾与平流雾边界层温度场及风场对比

选取2008年3月和6月出现在大连及其沿海地区的辐射雾和平流雾过程,采用GTS1型数字式探空仪探测资料、能见度仪自动观测资料和常规观测资料,对其边界层温度场及风场结构特征进行了对比分析。结果表明,两种性质不同的大雾(辐射雾和平流雾)具有共同特征:都产生于纬向环流背景,中层东南暖湿气流为大雾的形成提供了充沛的水汽和热力条件。但两者存在明显的差异:底层东北风平流降温是辐射雾生成的重要条件,却造成了平流雾的消亡,底层东南风是平流雾生成的条件,却对应于辐射雾的消亡;辐射雾逆温厚而强,平流雾则为弱的逆温或无逆温;辐射雾生消演变对应于大气层结由稳定发展为不稳定,平流雾则对应于由不稳定趋于稳定。     

一次台风大暴雨成因及落区分析

对2007年9月19日到20日一次台风暴雨过程进行了数值模拟,利用模式输出资料具体分析了本次台风登陆减弱后的低压结构特征和大暴雨落区。结果表明:流场上高空辐散低空辐合特征明显,台风右侧来自海洋的低空潮湿偏南气流向中纬度槽前和台风倒槽前部输送的大量水汽在鲁东南东部和山东半岛南部辐合,形成强降水区;台风中心风速较小,和东部海上强风速中心形成明显"风速偶",降水区主要发生在中、低层"风速偶"之间的强风速梯度中。由于下垫面分为海上和陆上两部分,台风低压物理量场结构存在东西不对称性质,上升运动更加强烈,降水强度更大。降水的增幅与高空东南急流及高空正涡度中心和负散度中心的明显脉动下传有关系。     

Roll Vortices in the Boundary Layer Caused by a Concave Wind Profile: A Theoretical Study

The present study solves a two-layer atmospheric wave equation model with a lower atmosphere concave wind profile and cold-air outbreak over sea, while simultaneously proving that such a wind shear may cause neutral boundary layer roll vortices in the presence of disturbing sources upstream. Without thermal effects, the wind shear-induced waves have band structures at the top of the boundary layer that are similar to cloud street patterns observed over sea. This study proves that dynamic and thermal effects can act independently to initiate the roll vortices in the lower atmosphere. At the same time, a quantitative comparison shows that dynamic effects play a large role in the formation of roll vortices in the initial stage of cold-air outbreak and will be surpassed by thermal effects soon after surface heating commences.     

Comparative Studies of Different Mesoscale Convection Parameterization Schemes in the Simulation of Mei-Yu Front Heavy Rain

The mei-yu front heavy rainstorms occurred over Nanjing on 3 5 and 8 9 July 2003 and were simulated in this paper using the Weather Research and Forecasting Model (WRFv3.1) with various mesoscale convection parameterization schemes (MCPSs). The simulations show that the temporal and spatial evolution and distribution of rainstorms can be modeled; however, there was incongruity between the comparative simulations of four different MCPSs and the observed data. These disparities were exhibited in the simulations of both the 24-hour surface rainfall total and the hourly precipitation rate. Further analysis revealed that the discrepancies of vertical velocity and the convective vorticity vector (CVV) between the four simulations were attributed to the deviation of rainfall values. In addition, the simulations show that the mid-scale convection, particularly the mesoscale convection system (MCS) formation, can be well simulated with the proper mesoscale convection parameterization schemes and may be a crucial factor of the mei-yu front heavy rainstorm. These results suggest that, in an effort to enhance simulation and prediction of heavy rainfall and rainstorms, subsequent studies should focus on the development and improvement of MCPS.     

Parameterization of Sheared Convective Entrainment in the First-Order Jump Model: Evaluation Through Large-Eddy Simulation

In this note, two different approaches are used to estimate the entrainment-flux to surface-flux ratio for a sheared convective boundary layer (CBL); both are derived under the framework of the first-order jump model (FOM). That suggested by Sun and Wang (SW approach) has the advantage that there is no empirical constant included, though the dynamics are described in an implicit manner. The second, which was proposed by Kim et al. and Pino et al. (KP approach), explicitly characterizes the dynamics of the sheared entrainment, but uncertainties are induced through the empirical constants. Their performances in parameterizing the CBL growth rate are compared and discussed, and a new value of the parameter A ₃ in the KP approach is suggested. Large-eddy simulation (LES) data are employed to test both approaches: simulations are conducted for the CBL growing under varying conditions of surface roughness, free-atmospheric stratification, and wind shear, and data used when the turbulence is in steady state. The predicted entrainment rates in each case are tested against the LES data. The results show that the SW approach describes the evolution of the sheared CBL quite well, and the KP approach also reproduces the growth of the CBL reasonably, so long as the value of A ₃ is modified to 0.6.     

准线形对流系统中强度—速度负相关性的特征研究

准线形对流系统(如飑线、弓形回波)是常见的强对流性系统,伴随它出现的一般是大风、旋风甚至冰雹等严重的灾害性天气现象.弓形回波有的是由一个单体产生的,也有嵌套在飑线或其他线形系统中,作为整个线形回波的一个部分.弓形回波能在很长的带上产生灾害性的直线风.在我们的研究中发现,准线形对流系统中,反射率因子(R)和径向速度(V)之间存在一定的负相关性,对发生在中国东部地区(24.5°-34.29°N,116.01°-119.52°E)的16个个例进行统计分析,发现在这些系统中都存在这种R-V负相关的特征,负相关的程度随高度有规律性的变化.通过对2006年6月29日个例的风场分析证实这种特征确实存在.对流系统与雷达射线方向接近垂直时,R-V负相关特征明显,这是因为该方向上,观测到的径向速度近乎等于实际风速,数值最大;而因垂直运动造成的水平风速减小并不因探测位置的不同而有很大变化.文中通过分析,推断R-V的这种负相关性与准线形系统中对流的强弱、中层径向辐合的强弱以及后向入流都有很大的关系.     

T213L31全球模式云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨量级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析。发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多。可分辨尺度降水偏多的可能原因有：土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷。鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进。包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化方案的闭合由“动力型”改为对流有效位能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算。改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生。采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较。结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在。中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效上降水的TS评分增加,预报偏差降低。     

辐射和积云对流过程对大气辐射通量的影响

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的全球大气环流谱模式(SAMIL-R42L26),研究了澳大利亚气象局研究中心(BMRC)新辐射方案和新Zhang-McFaflane积云对流方案对大气辐射通量模拟的影响.新辐射方案相比原辐射方案在辐射计算光谱分辨率、气体吸收和计算效率等方面作了很多改进,其对大气辐射通量的模拟能力相应提高.在晴空条件下,大气顶出射长波、大气吸收短波和地表入射短波等与观测的偏差较原辐射方案明显减小,尤其是在对流活跃区域.在云天条件下大气辐射通量与观测的偏差也较原辐射方案减小,但其偏差依然较大,这与模式中积云对流参数化方案模拟能力不足引起的辐射通量偏差有关.为此,换用了新Zhang-McFarlane积云对流方案,其结果表明,对流活跃区水汽含量显著增加,原对流方案中偏强的"双赤道辐合带"现象明显减弱,赤道辐合带地区的大气辐射通量偏差有明显减小,在海洋地区晴空大气顶出射长波和地表入射短波的量值及空间分布均接近观测结果,同时大气顶全球平均能量收支的年变化和观测结果趋于一致,其中模拟的伞球年平均大气顶能量收支和观测的偏差不到0.6 W/m2.试验结果同时表明,在未来研究中引入气溶胶分布、调整相关的云物理和陆面过程等物理参数化方案是进一步提高SAMIL-R42L26辐射通最模拟性能的关键.