凝结加热和地表通量对华南中尺度对流系统(MCS)发生发展的影响

通过有无凝结加热和地表通量影响的数值模拟对比研究，分析了非绝热过程对一次华南暴雨MCS发生发展过程的影响。结果表明：（1）凝结加热对MCS的降水影响很大，在MCS发展的各个时期，如不考虑凝结加热，MCS的降水强度很快减弱，无法继续发展。（2）凝结加热在MCS涡旋的形成期最为重要，在涡旋形成之后，影响相对减弱。（3）凝结加热通过对MCS发展过程的影响从而也影响了MCS环境场中尺度低空急流、高层辐散等中尺度结构特征的形成。（4）地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程对MCS的形成也有重要影响；在暴雨MCS发生前期，地表非绝热过程造成气压下降，导致华南南部来自海洋的偏南风加大，辐合加强，从而使低层的湿度增大，气层变得更加不稳定，有利于对流的启动。     

古尔班通古特沙漠表层土壤凝结水水汽来源特征分析

水分条件是决定干旱沙漠区生态环境的关键因素,凝结水是干旱区植物和低等生物的重要水分来源。利用自制蒸渗计在春、夏、秋3个季节对古尔班通古特沙漠苔藓、地衣、藻类及流沙4种地表类型表层原状土壤凝结水形成进行了观测研究。结果表明,在2 cm、5 cm、10 cm、20 cm 4种高度原状土中,用纱网封底土壤表层2 cm和5 cm土壤的凝结水测定结果能够真实的代表古尔班通古特沙漠不同类型地表土壤凝结水形成特征;凝结水主要集中产生在土壤表层2 cm范围内;凝结水的水汽来源于空气和土壤且以空气来源为主,春季由于表层土壤含水率较高,来自于土壤的水汽所占的比重较高,地衣0~2 cm表层凝结水来源于土壤水汽补充的比例春季为35.5%,夏季和秋季分别降到15.5%和11.3%;秋季55 d的观测结果表明,凝结水形成总量随流沙、藻类、地衣和苔藓依次增加,分别为3.46 mm、4.07 mm、4.89 mm和5.15 mm,说明在干旱的沙漠地带,凝结水是除降水以外补充表层土壤水分最重要的水分来源。     

云凝结核数浓度对华东地区一次飑线过程发展的影响

利用WRF模式对2016年5月2日华东地区的一次飑线过程进行数值模拟,通过开展5组不同初始云凝结核数浓度的数值试验,讨论了污染对飑线发展的影响,并用Q矢量散度进行分析,结果表明:轻度污染下飑线线状结构最完整,强对流组织形式最紧密,而污染过重或过轻均导致飑线强对流组织分散甚至断裂;轻、中度污染对飑线降水有增强作用,而污染程度过重或过轻均对降水有限制作用;从清洁大气加深到轻度污染,强回波区宽度增大,强回波的高度升高,回波强度增强,随着污染继续加深,强回波区宽度减小,强回波的高度降低,回波强度减弱;轻度污染时,垂直速度、涡度和散度的强度较强;飑前低压在轻度污染时强度最强,雷暴高压、尾流低压和冷池则是随着污染加深而逐步减弱,但重度污染时,雷暴高压、尾流低压和冷池又增强;随着污染加深,对流云区不稳定性先增强后减弱,轻度污染下不稳定性最强;除了雪粒子外,其他水凝物粒子混合比含量均在轻度污染下达到最大值,而雪粒子混合比含量的最大值是在重度污染下出现的;推导了非地转非静力平衡的Q矢量散度方程,理论分析和计算结果均表明Q矢量辐合区对应上升运动,辐散区对应下沉运动。在较清洁和轻度污染的情况下,Q矢量散度高值区最强。     

近海复杂环境下的H-M-T受荷桩内力位移分析

为探讨近海复杂恶劣环境（台风超强风力、车辆冲击力或地震产生的复杂力等）下水平力H、弯矩M及扭矩T共同作用时的基桩桩身内力变形特性,基于传统有限杆单元法思想,获得了H-M-T受荷桩的基本单元刚度矩阵。然后,基于m法考虑桩周地基土的侧向约束作用,并计入H-M-T耦合效应,采用凝聚方法导得了具有简洁统一形式的桩身杆单元刚度矩阵,由此建立水平力、弯矩和扭矩组合作用下的桩身内力位移有限杆单元法计算模型,进而采用MATLAB编制出相应的分析计算程序。最后,结合近海工程算例进行了分析。结果表明：1文中提出的改进有限杆单元法能考虑桩周地基土的分层特性、不同边界条件及H-M-T的耦合效应;2相比单一考虑水平受荷,扭矩的存在加大了桩身的位移和内力;3H-M-T复杂受荷模式下,荷载传递存在有效传递深度,当相对深度z/L超过0.5后,桩身弯矩和剪力趋近于零,而扭矩显著减小。     

华北部分地区云凝结核的观测分析

利用美国DMT公司生产的连续气流单过饱和度云凝结核计数器对华北部分地区地面和空中云凝结核（CCN）进行了观测研究。地面观测结果表明,太原由于污染严重CCN数浓度高于石家庄。CCN数浓度日最大值、日平均值均随过饱和度的增加而增大。CCN数浓度具有明显的日变化特征,与气象因子、人类活动有关。降水对地面CCN具有明显的冲刷作用。利用关系式N=CSk拟合太原地面CCN活化谱,C〉2200cm-3,k〈l,C、k值很高,属于典型的大陆型核谱。飞机观测资料显示,CCN主要来源于地面,数浓度随高度增加明显减少。高空风向发生变化时,长距离气团输送提供CCN二次源。云对CCN有消耗作用,云内CCN比云外明显减少。     

准噶尔盆地沙漠-绿洲雪面蒸发实验研究

根据2007年11月至2008年3月积雪期在古尔班通古特沙漠南缘和天山北坡阜康绿洲的雪面蒸发实验观测和资料分析,研究了准噶尔盆地沙漠-绿洲雪面蒸发特征.结果表明:沙漠区日均雪面蒸发量为0.015mm·d-1,绿洲区为0.02mm·d-1,观测期日蒸发为负值(净凝结)的天数占总观测日数的31.9%.冬季稳定积雪期沙漠区和绿洲区雪面蒸发总量分别为1.73mm和1.95mm,各占冬季降水量的6.51%和7.37%.沙漠垄间开阔地雪面蒸发比梭梭林内蒸发强,冬季12月至翌年2月垄间林内总蒸发量为-0.41mm,开阔地蒸发量0.86mm.影响准噶尔盆地冬季雪面蒸发的主导因素为气温,与天山山地及世界其它干旱地区相比,准噶尔盆地冬季雪面蒸发是最小的.低温、多雾天气是盆地低蒸发的重要原因.     

毛乌素沙地土壤凝结水来源分析

土壤凝结水是半干旱地区生态系统重要的水源,为阐明毛乌素沙地臭柏(Sabina vulgaris)冠层下土壤表层5 cm凝结水的水汽来源,应用自制凝结试筒于2008年9—10月在毛乌素沙地开发整治研究中心院内开展试验。结果表明,毛乌素沙地土壤表层凝结水由吸湿水、大气水汽凝结水和土壤水汽凝结水组成;大气中的水汽总是先于土壤中的水汽到达和离开表层5 cm土壤;大气中水汽对土壤表层5 cm凝结水的贡献率小于土壤水汽的贡献率,9月上旬至中旬大气中水汽和土壤水汽的贡献比为2∶5,9月下旬至10月中旬为3∶10;单日凝结量和蒸发量呈现显著的线性关系。     

2018年5月江苏极端降水事件发生前副热带高压异常及原因分析

本文利用NCEP/NCAR提供的2.5°×2.5°全球再分析数据,以2018年5月江苏两次极端降水事件发生前副高异常变化为研究对象,根据全型涡度方程定量计算了凝结潜热分布不均引起的涡源对副高迅速演变的诱发作用。研究发现,120°E处500 hPa 5月第1候副高脊线多年平均位置位于16°N附近,而2018年同期120°E的脊线则位于19°N附近,呈明显偏北的状态。2018年5月第1候东亚500 hPa位势高度距平场表现出南高北低的形态,有利于我国华东地区成为暖湿空气和干冷空气的交汇区,构成了江苏5月两次极端降水过程的有利环流背景。与对流层中层环流异常对应的是,同期115°~125°E之间850 hPa上8 g·kg^-1等比湿线位于28°N附近,较多年气候态偏北15°,强降水区内同期850 hPa比湿较往年偏多2~4 g·kg^-1,相应距平百分率可达50%~75%。且110°~120°E之间θ_se的340 K等值线5月第1候多年气候态位于13°N以南,但2018年同期却偏北至25°N附近,暖湿气团北进有利于强降水的发生。副高西伸北抬前,副高主体西侧和北侧均有凝结潜热加热区存在,说明潜热加热与副高演变关系密切。垂直剖面表明600 hPa为凝结潜热加热中心,向上加热率随高度减小,因此500 hPa处潜热加热率垂直梯度为负,使得500 hPa成为负涡源所在。因凝结潜热分布不均产生的负涡源,1~2 d便可形成与副高自身十分接近的负涡度值,足以诱发副高突变,该时间尺度与副高真实演变时间相符。负涡源中与凝结潜热垂直分布不均相关的部分起主要作用,而与凝结潜热水平分布不均相关的部分同时期产生的负涡度最多仅为前者的1/3左右,对副高突然西伸的作用较小。与凝结潜热相关的负涡源作为引发西太平洋副高异变的可能原因,其与副高的关系仍需进一步研究。     

引入对流凝结潜热作用对非均匀饱和大气中非地转湿Q矢量的改进研究

结合2009年第8号台风"莫拉克"登陆福建省引发的强降水过程,通过考虑对流凝结潜热加热,探讨了对非均匀饱和大气中非地转湿Q矢量(Qum)的改进。结果表明:(1)2009年8月9日08:00(北京时,下同)～10日08:00台风"莫拉克"给浙江大部分地区和福建中北部地区带来了一次暴雨过程,WRF模式较成功地模拟出了此次强降水过程。(2)850hPa Qum矢量散度场对同期降水落区具有一定指示意义,散度辐合强度变化与降水强度变化趋势有一定的对应关系。(3)此次暴雨过程中伴有大量的对流凝结潜热释放,最大潜热中心主要位于600hPa。(4)考虑对流凝结潜热加热作用得到改进的Qum矢量,600hPa改进后的Qum矢量散度辐合区对同期降水落区的指示作用得到进一步增强,诊断能力也得到进一步提高。     

双参数微物理方案的冰相过程模拟及冰核数浓度的影响试验

利用耦合Morrison 2-mon(MOR)双参数微物理方案的中尺度天气研究与预报模式(WRF)中的单气柱模式,对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比,检验MOR方案对热带对流云系的微物理特征的模拟能力。模拟结果显示:MOR方案能够较好地模拟出热带云系中液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征。地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级和时间演变趋势同观测也非常接近。对与冰晶和雪有关的云微物理特征分析之后发现:季风活跃期,冰晶主要的源汇项有凝华增长过程、沉降过程、冰晶向雪的自动转化以及冰晶被雪碰并的过程。由于冰晶主体位于温度低于―20℃的高空,因而它对雨水的形成主要是间接贡献。同时期雪的主要源汇项中,凝华增长和沉降过程占据着主导地位。雪的凝华过程消耗了大量的水汽,可能抑制了冰晶的增长。另外雪的融化过程非常强盛,是产生降水的重要因子。季风抑制期,冰相的微物理过程变得相对简单且整体削弱,以凝华升华和沉降过程为主。凝华凝冻核的数浓度(N_dep)的气溶胶敏感性试验表明:季风抑制期,高空的冰晶云的宏观和微观性质对凝华凝冻核数浓度的响应情况呈现显著的线性特征。冰晶的含量随着N_dep的增加而增加,反之降低。该时期微物理过程主要同冰晶有关,水分的分配较为简单,N_dep增加时,高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高,使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小,反之冰云主体中冰晶有效半径增加,高空的冰云更加透明,云顶更低,对 OLR值增加起促进作用。而季风活跃期,微物理过程复杂,冰晶云的宏微观特征对N_dep的响应表现出一定的不规律特征。