藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

季风指数及其年际变化Ⅱ.南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度.指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关.绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变.季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度.最后分析指出,南海850hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化.     

一次引发南亚大暴雨的季风低压结构、涡度与水汽收支分析

对2003年夏季风期间,7月24～28日印度季风槽内季风低压发展西移与阿拉伯海中尺度低压合并引发南亚的一次大暴雨过程进行了诊断分析,探讨了印度季风槽、季风低压的三维结构以及低压区域的涡度、水汽收支.揭示和确认了一些事实:1)印度季风槽区对流层中下层存在明显的风场切变,槽区高温高湿,为单一性质的热带气团,低层为对流不稳定,槽区对应正涡度区;2)季风低压是一较深厚系统.动力结构为低层正涡度,高层负涡度,低层辐合,高层辐散.其西移速度约500 km·d.季风低压北侧整层为深厚的东风,南侧在对流层中低层为西风,在高层为东风.热力结构在低层(700～800 hPa)间存在弱冷区,而中高层几乎为暖心结构.低压对应高湿区,低压中心西侧整层为相对湿度大值区;3)季风低压的发展过程中,低层的辐合场制造正涡度,促进低压的发展;4)低压区水汽强烈辐合,西边界输入量最大.在此研究工作的基础上,作者还比较了夏季风期间南亚印度季风槽和东亚梅雨锋系统的异同.     

南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计

基于Thorpe尺度方法,利用CTD数据,计算了南极普里兹湾海域的Thorpe尺度和湍流扩散系数,分析了观测区域(64°～69°S,66°～80°E)湍流翻转现象的强弱及分布。结果表明,在海底和地形粗糙区存在较大的Thorpe尺度(较强湍流翻转)和湍流扩散系数,湍流扩散系数最大值能达到10^-2m²/s量级,比平坦开阔海洋高2～3个数量级,部分观测站位的湍流扩散系数和湍动能耗散率表现出大-小-大的垂向分布结构,总水深较深的区域尤为明显;深水区域的浮力频率在海表面到500 m层比较大,浅水区域该现象不明显;湍动能耗散率在(67.25°S,73°E)周围和经度为78°E的各站位都表现相对较大,能达到10^-6 w/kg量级,个别站位甚至能达到10^-5 w/kg量级。     

沙漠下垫面地面温度及能量收支的BATS模式参数化改进

利用陆面过程模式BATS,引入地表发射率及两种大气发射率参数化方案,同时引入不同的地表粗糙度参数化方案,对比各种参数化方案对沙漠下垫面地面温度及能量收支的模拟状况。结果表明：采用Van Bavel等发展的地表发射率及Chung等发展的大气发射率方案可以明显改进地面温度及向上长波辐射的模拟,Chung等方案在夜间与正午的模拟效果更好,减小了1 ℃左右的地面温度模拟偏差,减小了10 W·m^-2左右的向上长波辐射模拟偏差。晴天地面温度及向上长波辐射的模拟结果优于阴天。利用Zhang等发展的裸土粗糙度参数化方案也会提高模式对地表感热通量模拟的准确性。     

中国天山西部山区森林积雪消融过程观测分析——以巩乃斯河谷为例

通过对2013年春季中国科学院天山积雪与雪崩研究站区内阳坡无林地和阴坡不同开阔度森林内积雪深度、融雪速率以及常规气象的观测,分析了融雪期不同开阔度森林积雪的消融过程以及积雪表面能量平衡特征。结果表明:不同开阔度林冠下积雪深度具有相同的变化趋势,森林的林冠开阔度越大,林下积雪深度越大,林下积雪开始消融和完全消融的时间越晚,消融期也越长。森林积雪融雪开始和结束时间比阳坡无林地区晚20~30 d左右。融雪前期林冠开阔度越大,其林下融雪速率越小。融雪后期则森林开阔度越大,森林积雪的融雪速率越大。不同时期由于不同开阔度林冠下雪面能量收支以及雪层深度等物理特性的差异,从而使不同开阔度林冠下森林积雪融雪速率的相对大小,融雪速率最大值出现时间和日变化特征均不相同。晴天森林积雪的消融速率和日变化特征取决于净短波辐射和长波辐射变化特征。降水期间,其融雪速率的变化则主要受降水形式、降水量以及积雪深度等雪层特性的影响。     

数据填补及能量闭合对半干旱区生态系统年净碳交换的影响

基于半干旱区2种不同下垫面(草地和旱作农田)2005和2008年涡动相关法取得的通量资料,分析了数据填补、能量收支闭合率以及摩擦风速(u*)阈值等对生态系统年净碳交换的影响.通过加入4种不同长度的人工空缺(空缺长度从0.5 h~12 d),比较了平均日变化法(MDV)、边缘分布抽样法(MDS)和非线性回归法等6种填补方法的填补效果.结果表明,MDS的整体表现最好,特别是对长空缺的填补效果优于其他方法,估算的年NEE偏差在5 g C m-2 a-1以内.非线性回归法估算的夜间NEE具有较大的正偏差,表明非线性回归法估算的夜间生态系统呼吸偏高.4种非线性回归法估算的年NEE偏差在8.0~30.8g C m-2 a-1.由于在半干旱区土壤含水量是生态系统碳交换的重要限制因子,非线性回归法中综合考虑土壤温度和土壤含水量影响的Non_linear3和Non_linear4表现较好.MDV对白天NEE空缺的填补优于夜间,估算的年NEE偏差在-2.6~-13.4 g C m-2 a-1.总体上,数据填补的精确度受下垫面类型、空缺长度以及空缺出现时间(白天、晚上)影响.2个观测站点的能量收支闭合率在80%左右.能量收支闭合率受湍流强度影响显著;当夜间摩擦风速较低时,湍流混合不充分,能量收支闭合率也较低.生态系统在某个风向的累积通量印痕较大时,有效能量和湍流通量源区的不匹配造成这一风向上的能量收支闭合率也较低.通过假设能量收支不闭合全部由感热通量和潜热通量的低估引起,评估了能量闭合订正对生态系统CO2通量的影响.结果表明经过订正后的草地、农田的年净碳交换量平均增加近10 g C m-2 a-1.此外当u*阈值从0.1增加到0.2 m s-1,年净碳交换平均增加37.5 g C m-2 a-1,这表明u*阈值的设定对生态系统的年净碳交换影响较大.     

热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究

采用动态合成方法, 对登陆后长久维持热带气旋(LTC)和迅速衰亡热带气旋(STC)的涡度、动能、热量和水汽的收支平衡进行计算和对比分析.结果表明: (1)LTC在陆上长久维持过程中, 其低层正涡度衰减缓慢并保持一定强度.STC登陆后正涡度减弱较快.(2)热带气旋登陆后涡度的收支主要取决于水平散度项、平流项和剩余项.散度项使LTC低层正涡度增加, 高层减少, 平流项和剩余项则使其低层涡度减弱, 高层涡度增加.总体而言, LTC自高层获得正涡度的补充, STC则没有获得环境正涡度.(3)低层, 摩擦耗散使LTC动能减少, 但动能通量辐合可补充部分动能而减缓衰减.中高层, LTC登陆后36～60 h动能收大于支, 动能的增加一部分来自于斜压动能制造, 一部分来自于次网格尺度.STC有类似的动能耗散, 却无动能补充.(4)LTC登陆后保持一定强度, 并从外界获得热量和水汽补充来支持积云对流发展, 而积云对流对LTC的维持具有正反馈作用.STC登陆后没有这一过程.     

北大西洋风暴轴高低空分布及其能量诊断

利用1979~2013年NCEP再分析数据,通过经验正交分解对比了前冬时期北大西洋风暴轴的高低空分布,并用涡动动能(Eddy Kinetic Energy,EKE)方程对风暴轴高低空分布型差异进行了诊断。研究结果表明:上层和下层第一空间分布型差异巨大,对流层下层风暴轴中心偏北,靠近极地,而上层风暴轴中心偏西南,靠近北美沿岸。EKE方程诊断结果表明:正压转换项在高低空符号相反,导致了EKE在上、下层分布出现显著差异,即上层正压转换项为负,在扰动发展中起能量耗散作用,而下层正压转换项为正,且极大值区域对应下层EKE极大值区域,为风暴轴下层向极区域增强的主要原因。而斜压转换和非地转位势通量散度在上层均为正,且远大于下层,为风暴轴上层涡动能量维持的原因,也从涡动能量收支上解释了风暴轴的主体出现在上层。     

Vorticity budget investigation of a simulated long-lived mesoscale vortex in South China

A vorticity budget investigation is performed using the output data from a numerical simulation of a typical MCV (mesoscale convectively generated votex) case in South China. Results suggest that the divergence caused by convection in the low troposphere is the main producer of positive vorticity, while vertical vorticity transferred by the tilting term from the horizontal vorticity compensates the upward output of cyclonic vorticity. Scale analyses of the vorticity equation suggest that the advection of planetary vorticity can be neglected owing to the low latitude, which is different from the larger scale systems in high latitude areas. In addition, the distribution of relative vorticity tendency on pressure level is not uniform. A vortex will move along the vector from the negative to the positive vorticity tendency region. The mechanism of the phenomenon-that nearly all of the convectively ascending region is located southward/southeastward of the vortex center-is also discussed. Convergence with regard to latent heat release would be in favor of the spin-up of meso-vortex, however, the horizontal vorticity caused by windshear is tilted by vertical motion due to convection. Consequently, the negative and positive vorticity tendencies are located symmetrically about the convective center, which suggests that the vortex southward movement is dynamically driven by convection.