PRM标量平流方案在GRAPES全球预报系统中的应用

如何更好地模拟水物质的分布,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义。半拉格朗日模式中的标量平流计算要求做到高精度、守恒、正定和保形,但GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 中采用的QMSL(Quasi-Monotone Semi-Lagrangian)平流方案在水汽的强梯度、不连续区域计算精度较低,且不能做到严格守恒。本研究借鉴计算流体力学领域的研究进展,将一个基于分段有理函数的物质平流方案PRM(Piecewise Rational Method)引入GRAPES_GFS中,按照通量形式求解水汽方程,并对极区进行了混合等技术处理。通过一系列理想试验对两种平流方案进行了对比,证明了PRM方案精度较高,特别是在水汽梯度大的区域优势明显,频散、耗散误差较小,守恒、保形性也要好于QMSL方案。通过对GRAPES_GFS中批量预报试验效果的检验,验证了PRM方案可以有效地改进模式对水物质分布的模拟,提高了降水的预报效果,对模式综合预报性能的提升也有明显作用。     

2013年4月29—30日景德镇地区锋面暴雨过程分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°格点数据以及FY-2E相当黑体亮温（TBB）资料,对2013年4月29—30日景德镇地区锋面暴雨产生的原因进行了初步分析。结果表明,500 hPa槽前负变高大值区诱使低层低值系统发展,850 hPa低涡沿切变线快速东移,配合西南急流的发展北伸,为暴雨区水汽辐合抬升提供了有利条件。伴随着冷锋南下,近地面层冷平流的侵入使得暖湿空气抬升,对流不稳定性增加,上升运动加强,是造成此次强降水的触发机制。景德镇上空不断有对流单体经过、东移,是造成景德镇地区出现暴雨的直接原因,强降水大多出现在TBB低值附近或其梯度区。此次暴雨过程水汽主要来自超低空急流输送,925 hPa水汽通量散度与暴雨落区、强度对应关系较好。     

江苏地区两次强飑线天气过程的特征分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、自动气象站加密观测及多普勒雷达资料,对2006年4月28日和2009年6月14日发生在江苏及周边地区的两次典型飑线过程进行了对比分析.结果表明,两次过程发生前期,对流层低层伴有明显的暖平流,中高层出现冷平流,促进了该地区大气层结不稳定的形成和发展;在飑线移动发展过程中,地面风场中对应一条清晰的辐合线,对飑线的触发和维持起着重要的作用.两次过程中环境场的热动力结构存在明显差异:就热力条件而言,前者发生在春季,冷空气势力依然较强,对流层低层的暖平流是大气层结不稳定发展的主要原因之一,后者发生在暖湿气流相对活跃的夏季,中高层冷空气的侵袭更值得关注;动力条件分析表明,前者低层辐合抬升条件明显好于后者,而后者的热力条件占优势,一旦对流启动,更容易发展.     

2015年梅雨期长江下游地区两次暴雨天气过程的成因对比分析

利用基本气象站观测资料、ECMWF ERA资料和NCEP FNL资料,通过对强降雨时刻的多种物理量场诊断,分析了2015年梅雨期发生在江苏省沿江地区的6月16—17日和27—29日两次大暴雨的形成原因。结果表明,两次大暴雨过程均发生在西太平洋副热带高压稳定维持、西南气流强盛、高层有冷空气不断入侵的大环流背景下,受中低层江淮切变线和西南急流共同影响,冷暖空气一直在沿江一带交汇,造成沿江地区持续强降水过程。两次大暴雨发生时32°N附近梅雨锋很明显,锋面随着高度的升高向北侧冷区倾斜,强降水主要位于梅雨锋南侧的暖区内。该侧700 hPa高度层以下湿位涡为负值表明大气为对流不稳定,且随着降水的发生,中层有弱冷空气入侵,使得大气的对流不稳定性进一步加强。强的降水区主要位于低空急流的左侧和高空急流的入口区右侧,高低空急流的这种配置带来了风场高层辐散、低层辐合,有利于垂直上升运动加强。同时低层暖平流和中高层正的相对涡度平流交汇于32°N附近,也有利于暴雨区的上升运动加强。暴雨区与850 hPa水汽通量散度负值中心相吻合,表明低层西南急流为暴雨区源源不断地提供水汽。     

废黄河口海域的悬沙输运机制研究

废黄河三角洲是南黄海内陆架的重要物源。为深入探索废黄河口海域沉积物输运机制,利用2015~2016年夏季与冬季在废黄河口外海域10个站位获取的现场沉积动力数据,计算潮不对称参数、余流、悬沙输运量等。分析结果表明,废黄河口海域沉积物输运模式存在显著的空间差异,大部分海域悬沙沿等深线向南输运,仅在近岸侧局部悬沙向岸或向北输运、离岸最远处站位向北输运但输运率较小;近岸浅水海域以平流输沙为主,其他离岸区域以再悬浮作用为主。由于流速和悬沙浓度之间的相位差,导致余流(净水输运)方向与净悬沙输运方向存在差异。研究沉降速度与悬沙输运涨落潮不对称的关系,发现沉降速度越大,悬沙输运的不对称性就越显著;沉降速度是造成近底部流速与悬沙浓度相位差的主要原因,导致废黄河口外净悬沙输运存在显著的垂向差异。     

热带气旋逆时针打转物理机制的研究

应用一个无基本气流的准地转斜压模式数值模拟热带气旋逆时针打转运动。分析结果表明：对称气流对非对称涡度的平流引起非对称流场中的小尺度涡旋和通风气流逆时针旋转；旋转的通风气流引导热带气旋作逆时针打转运动。     

青藏高原东北侧夏季异常高温的环流特征及诊断

利用青藏高原东北侧80个气象观测站(1960~2003年)逐日最高气温观测资料,NCEP/NCAR(1971~2000)再分析资料,探讨青藏高原东北侧(甘肃境内,下同)夏季高温天气的变化趋势;选取了异常高温天气的典型个例,进行了环流特征和动力诊断分析,以及同一次高温过程可能影响的最大范围分析。结果表明:西风指数由高指数调整为低指数,并且低指数维持时,高温天气出现并维持,由低指数调整为高指数时,高温天气结束;南亚高压与西太平洋副热带高压的上下叠加是引起高温天气最主要的环流特征;高空的正变温及上下一致的负涡度亦是高温维持的重要原因;兰州市的高温与其周边地区的高温具有较好的相关性,即当兰州出现高温时,青藏高原东北侧大部分地区也同时出现高温。     

西太副高影响下北京区域性暴雨的个例分析

北京地区大降水（≥25 mm/d）天气有72%出现在7～8月份，其中直接受西太平洋副热带高压（副高）影响的大降水占46%，它们主要产生在西风槽与副高相互作用的天气形势下。通过对该类暴雨的典型个例分析表明，由于受副高的影响，对流层低层副高南面的偏东气流将海上充沛的水汽输送到大陆，并折向北与偏北气流相遇，汇集在北京附近。同时，副高西北边缘与西风槽之间形成较强的能量锋区，该锋区南面的高温高湿气团蕴藏了较深厚的湿有效位能，在湿位涡的斜压项作用下转化为动能，倾斜垂直涡度发展激发了强烈的上升运动。在斜压扰动作用下，对流层中层差动涡度平流和副高西侧的暖平流破坏了北京及邻近区域的准地转平衡，动力强迫和热力强迫共同作用激发了次级环流，该处的上升运动得到加强。暴雨就是产生在强的能量锋附近低层气旋性涡度发展、高层辐散显著的地方。此外，副高西侧低层的暖湿气流北上，较强的差动假相当位温平流促使大气层结向对流不稳定发展，这对于暴雨局地的再增强是不可忽视的因素。由此，形成对该类暴雨天气预报的着眼点。     

2009年11月江苏南部一次大雾天气诊断分析

利用地面观测和探空资料及NCEP 1°×1°再分析资料,分析了2009年11月25—27日江苏南部大雾的成因。结果表明：逆温层的高度及强度与雾的浓度关系密切,弱冷暖平流有利于产生雾,但是温度平流在近地面一定高度迅速逆转使得温度层结由不稳定转为稳定更利于浓雾产生。边界层在低层辐合上升与高层辐散下沉的界面中形成逆温层,是产生浓雾的重要因素。对大雾天气进行诊断分析,有利于更加准确地对大雾天气进行数值预报,减轻此类灾害性天气的危害。     

Impact of Surface Potential Vorticity Density Forcing over the Tibetan Plateau on the South China Extreme Precipitation in January 2008. Part Ⅰ:Data Analysis

The external source/sink of potential vorticity (PV) is the original driving force for the atmospheric circulation. The relationship between surface PV generation and surface PV density forcing is discussed in detail in this paper. Moreover, a case study of the extreme winter freezing rain/snow storm over South China in January 2008 is performed, and the surface PV density forcing over the eastern flank of the Tibetan Plateau (TP) has been found to significantly affect the precipitation over South China in this case. The TP generated PV propagated eastward in the middle troposphere. The associated zonal advection of positive absolute vorticity resulted in the increasing of cyclo-nic relative vorticity in the downstream region of the TP. Ascending air and convergence in the lower troposphere developed, which gave rise to the development of the southerly wind. This favored the increasing of negative meridio-nal absolute vorticity advection in the lower troposphere, which provided a large-scale circulation background conducive to ascending motion such that the absolute vorticity advection increased with height. Consequently, the ascending air further strengthened the southerly wind and the vertical gradient of absolute vorticity advection between the lower and middle troposphere in turn. Under such a situation, the enhanced ascending, together with the moist air transported by the southerly wind, formed the extreme winter precipitation in January 2008 over South China.