非对称型强飓风中的准平衡流特征分析Ⅱ:波动结构

利用非对称波分量分解和小波分析的方法,对准平衡动力模型下非对称强飓风内中尺度波动的空间结构和时间序列特征进行分析.结果表明,平衡流场中1波扰动占主要地位且具有涡旋Rossby波的典型结构特征,准平衡流各波数下扰动的空间分布反映了中尺度波动的混合性质;模式大气和准平衡垂直运动的全局功率谱中,超过信度检验的强波动信号中不仅包含分别表征重力波和涡旋Rossby波的高频和低频波动信号,还存在表征具有物理性质不可分特性的混合涡旋Rossby-重力波的中频波动.混合波的出现建立了不同频段波动之间的能量交换通道,其信号的变化对飓风系统的强弱变化具有一定的指示作用.非平衡垂直运动的波动强信号则主要集中在高频和低频区域,反映了在飓风强度变化情况下,与高频重力波有关的快波调整过程所引起的垂直扰动的振荡和传播.强垂直风切变对飓风内中尺度波动的切向和径向传播具有重要影响,当环境垂直风切变很强时,准平衡1波扰动在径向和切向方向上均呈"驻波"形态,随着环境垂直风切变的减弱,1波扰动以混合波波速逆基本气流传播.     

一个三重嵌套的中尺度模式及暴雨模拟试验

该文介绍了新近发展的一个高分辨率有限区模式(HLAM)。它是通过三重嵌套在现有计算机(CYBER-992)条件下实现的，其范围、地理位置及侧边界宽度均设计为灵活可变，尤其水平分辨率可按任意倍数提高。利用水平分辨率为50km左右的模式版本进行了实际资料的降水个例实验。结果是令人鼓舞的:(1)与嵌套的低分辨率(格距增大4倍)模式预报比较，不论低压中心位置、强降水落区、雨带走向及降水中心位置的预报都更接近实况;(2)高分辨率模式积分区域虽然缩小，但并未影响预报效果，其48小时预报仍有较高精度。初步试验表明，进一步完善和改进后的HLAM完全可以发展为一个用于中尺度研究及业务使用的高分辨率区域模式。     

风电场风速降尺度预报方法对比分析

使用中尺度数值天气预报业务模式9 km和3 km分辨率的模式输出产品,分别应用小尺度模式CALMET模式和双线性插值(BLI)方法将预报风速进行降尺度处理,并对比预报风速和风塔观测资料。结果表明：WRF模式9 km分辨率的模式输出经过CALMET模式降尺度以后得到的风速预报效果比3 km分辨率的模式输出略好。同时,由于中尺度数值预报模式分辨率本身较高,使用BLI也可以得到较好的风速预报。将风速分为0 m·s^-1≤风速<5 m·s^-1,5 m·s^-1≤风速<10 m·s^-1和风速≥10 m·s^-1共3个等级,检验3个风速等级的预报偏差百分比得出,CALMET模式和BLI方法对10 m·s^-1以上的大风的预报效果相对较差;如何对大风预报进行订正对风速预报准确率的提高具有重要的意义。     

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

华北地区一次中尺度对流系统上方的Sprite放电现象及其对应的雷达回波和闪电特征

利用低光度相机首次观测到了2013年7月31日华北地区一次中尺度对流系统(MCS)上空产生的中高层Sprite放电现象。结合闪电定位、天气雷达等同步观测, 对一次MCS诱发的Sprite的形态学特征及其对应的母体闪电和雷暴系统的雷达回波特征等进行了详细分析。研究除发现了2例圆柱型、3例胡萝卜型和1例舞蹈型 Sprite外, 还发现了2例发光主体发育不完全的Y字型Sprite。估算的Sprite的底部平均高度低于61.8±3.5 km, 顶部平均高度为84.3±6.8 km。Sprite持续时间算术平均值为25.7±9.8 ms, 几何平均值为24.4 ms。Sprite的母体闪电均为正地闪, 峰值电流在+62.5～+106.2 kA之间, 算术平均值为+77.1±22.2 kA, 是本次MCS所有正地闪平均峰值电流的1.4倍。Sprite母体闪电的脉冲电荷矩变化(iCMC)在+475～+922 C km之间, 几何平均值为+571.0 C km。Sprite母体闪电发生在MCS雷达回波25～35 dBZ的层状云降水区, 弱回波(<30 dBZ)面积的突然增加对Sprite的产生有重要指示作用。Sprite易发生在MCS成熟—消散阶段正地闪比例(POP)显著增加的时段。在本次MCS消散阶段中, 有两个时间段可能有利于产生Sprite。在Sprite集中发生时间段, 北京闪电综合探测网(BLNET)探测到的正地闪比例为54.2%, 正地闪连续电流比例70.24%, 连续电流持续时间为58.17±50.31 ms, 有利于Sprite的产生。     

MM5模式中不同对流参数化方案的比较试验

应用MM5中尺度模式, 在60、20和10 km模式分辨率下, 分别选用4种不同对流参数化方案 (KUO方案、GRELL方案、KAIN-FRITSCH方案和BETTS-MILLER方案, 以下简称KU、GR、KF和BM方案) 对1996年8月3~4日石家庄暴雨过程进行数值模拟试验.模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:主要雨带位置对参数化方案并不是十分敏感, 但随分辨率提高, 雨带分布特征的模拟更接近实况; 当分辨率提高到10 km时, 虚假的降水中心也明显增加; 模拟的暴雨中心强度随分辨率的提高而增强并随参数化方案的不同有所变化, 但均比实况偏弱.分析还发现, MM5模式的GR、KF及BM方案的次网格降水对总降水的贡献率随分辨率的提高而减小, 而KU方案的情况则呈现出不合理的缓慢增加态势.虽然4种方案下模拟的水平环流特征有较好的一致性, 但模拟的云物理特征和垂直运动特征还是存在一定差别的, 这种差别对定点、定量降水和天空状况、地面气温、湿度等要素的准确预报都会产生影响.因此, 在预报和模拟中应考虑预报和研究对象的特点来选择对流参数化方案.     

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。     

Adaptation of Pressure Based CFD Solvers for Mesoscale Atmospheric Problems

General purpose Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are frequently used in small-scale urban pollution dispersion simulations without a large extent of ver- tical flow. Vertical flow, however, plays an important role in the formation of local breezes, such as urban heat island induced breezes that have great significance in the ventilation of large cities. The effects of atmospheric stratification, anelasticity and Coriolis force must be taken into account in such simulations. We introduce a general method for adapting pressure based CFD solvers to atmospheric flow simulations in order to take advantage of their high flexibility in geometrical modelling and meshing. Compressibility and thermal stratification effects are taken into account by utilizing a novel system of transformations of the field variables and by adding consequential source terms to the model equations of incompressible flow. Phenomena involving mesoscale to microscale coupled effects can be analyzed without model nesting, applying only local grid refinement of an arbitrary level. Elements of the method are validated against an analytical solution, results of a reference calculation, and a laboratory scale urban heat island circulation experiment. The new approach can be applied with benefits to several areas of application. Inclusion of the moisture transport phenomena and the surface energy balance are important further steps towards the practical application of the method.     

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。