夏季乌拉尔地区大气环流持续异常的形成与维持

从天气尺度瞬变涡旋与时间平均基本气流双向相互作用建立异常型的角度，研究了夏季乌拉尔地区大气环流持续异常的形成与维持，首先基于合成分析，研究了持续异常期间的天气尺度瞬变波活动情况，结果表明：正异常时，在上游地区，从北大西洋中部到西欧沿岸，瞬变活动明显增强。负异常过程时相反，该地区瞬变活动减弱。利用线性正压原始方程模式，研究了在合成正异常基本流及7月气候基本流等两种基本流下，正异常时上游异常瞬变活动对异常建立的贡献。结果表明：正异常时，上游增强的瞬变波活动有利于正异常的建立与维持。利用基于线性正压原始方程模式设计的风暴轴模式，研究了时间平均基本流在组织与调控瞬变活动中所起的作用。结果表明：当乌拉尔地区高压脊发展时，有利于瞬变在上游的北大西洋中部到西欧沿岸地区组织起来。脊发展越强，越有利。结合上述两方面的结果，提出了瞬变与行星波双向相互作用的乌拉尔持续正异常形成和自维持机制。     

冬季北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的逐日再分析资料以及NCPC（美国气候预报中心）的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解（EOF）等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴（PST）和北大西洋风暴轴（AST）之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:（1）从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。（2）EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压）,第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）;而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。（3）进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。     

对流性强风暴系统的螺旋度动力学研究

利用风暴尺度的数值模式ＡＲＰＳ成功地模拟了１９７７年５月２０日在美国Ｏｋｌａｈｏｍａ州Ｄｅｌ Ｃｉｔｙ的一次强对流风暴过程。其模拟结果与实际的观测非常接近，模式积分 ４０分钟，初始对流单体发生了分裂，产生了新的对流单体。原有对流单体在原地维持成熟的结构，表现出较强的稳定性，而分裂出的新单体在移动过程中，逐渐向成熟位相发展，并且又分裂出新的单体。利用模拟结果，着重讨论了风暴发展过程中螺旋度和超螺旋度的空间结构和时间演变特征，以及在强风暴系统的对流发展过程中的动力学作用。初始环境场的螺旋性结构有利于风暴的发展。在风暴发展阶段，低螺旋度有利于大尺度向对流尺度的能量串级，而在风暴成熟阶段，高螺旋度则有利于对流单体的能量维持，从而形成长生命周期的对流系统。在风暴的发展过程中，风暴流场结构具有向Ｂｅｌｔｒａｍｉ流结构的调整趋势，螺旋度向高值发展。超螺旋度在流体粘性作用的影响下，可反映出螺旋度密度空间积分的时间变化趋势，负的超螺旋度可使螺旋度增加。在对流风暴发展阶段，超螺旋度为负值，对流单体的结构螺旋性增强、螺旋度的增大，在风暴到达成熟阶段后，超螺旋度转为正值。因此，超螺旋度可用来标志对流风暴系统的成熟程度。     

三维冰雹分档强对流云数值模式研究：Ⅰ、模式建立及冰雹的循环增机制

针对现行冰雹云参数化模式中假定冰雹谱服从特定的负指数分布，冰雹增长率依赖其加权平均末速度以及粒子间的数浓度转换不守衡等局限性，作者建立和发展了一个包括云滴、云冰、雨滴、雪团、霰和雹的云中主要水成物场及凝结、撞冻等37种主要微物理过程，可用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式，模式能够提供在雹云参数化模式中无法提供的关于冰雹增长与分布的信息，研究共分三部分；模式的建立及冰雹的循环增长机制；冰雹的分档分布特征；冰雹产生与增长的微篁,经一部分，通过建立模式及模拟一个多单体风暴个例，对多单体中冰雹的增长机制进行了数值模拟研究。     

北太平洋阻塞的年际年代际变化及其与SST、遥相关及风暴路径的关系

利用NCEP／NCAR再分析资料，对1948／1949－1999／2000共52个冬季的北太平洋上空中纬度阻塞异常的气修特征进行了统计分析，小波分析和功率谱分析结果表明该区域阻塞发生的频数具有很明显的3－7年的年际振荡和年代际变化特征。同时2－7年带通平均的小波方差谱分析结果表明阻塞的这种年际变化的振幅存在着缓慢下降的趋势，且气候突变在20世纪70年代，这进一步证明了北太平洋上空的阻塞活动具有年代际变化特征。对强阻塞异常的冬季和弱阻塞异常的冬季分别进行合成分析，结果表明，对于阻塞异常强的冬季，北太平洋西向东北方向加强并分裂成两个中心，而SST异常在中纬度太平洋则对应着典型的PDO型，在赤道地区则为类La Nina型的海温分布。而对于阻塞异常弱的冬季则对应截然不同甚至相反的分布特征，即500hPa高度异常场表现为符号相反的PNA型，风暴路径中心在日界线附近呈纬向型分布。同时SST异常在赤道地区则为典型的El Nino型的海温分布。以上结果揭示出北太平洋阻塞活动的年际变化可能主要与热带海温的遥响应相联系，而年代际变化则主要与中纬度局地的PDO型海温及其通过斜压瞬变波的海－气相互作用有关。     

冬季菲律宾周围对流活动与北太平洋风暴轴联系的数值模拟

通过利用IAP 2-L AGCM进行的数值模拟,进一步揭示了冬季菲律宾周围对流活动异常对北太平洋风暴轴变化的影响及其二者联系的物理机制和物理过程。结果表明:当菲律宾周围对流活动增强时,在500 hPa等压面图上强迫产生一个自赤道西太平洋开始,经我国东部、堪察加半岛、白令海,到美国西海岸的异常波列;位于西太平洋的经向三圈环流增强,位置北移;在风暴轴的西半部和东端斜压性增强;从而导致了北太平洋风暴轴增强、北抬、东伸。     

鄂东一次下击暴流天气的中尺度分析

利用自动气象站观测网资料,计算了逐分钟地面散度场,并将散度场等与多普勒天气雷达资料叠加形成综合分析场,对2007年7月27日鄂东地区雷雨大风天气过程进行了中尺度分析。结果表明:地形辐合线对中尺度对流系统(MCS)触发和加强起到重要作用。MCS发生发展期间,多普勒天气雷达上相继有两个弓状回波形成。第一个弓状回波在速度图上因弓状回波移动方向与雷达波束有较大夹角后部入流急流特征不明显,但强度图上有弱回波通道特征;第二个弓状回波沿雷达径向移动,后部入流急流特征明显。武汉地区灾害性雷雨大风是一个强盛的多单体风暴所产生的系列下击暴流造成的,它位于第二弓状回波向前突出的位置。系列下击暴流发生期间,地面附近强辐散峰值与多单体风暴强回波高度显著下降的时间和位置基本一致。除弓状回波特征、后部入流急流、中层速度辐合及回波重心高度下降等特征外,弱回波通道、风暴相对速度图上沿雷达波束方向的正负速度对等也是下击暴流发生的典型特征。     

强对流风暴中同质冻结增温的直接探空观测

通过两个强对流风暴个例,利用探空资料辅以卫星反演方法,揭示了强对流风暴中同质冻结增温这一事实。探空观测到在强风暴中同质冻结潜热释放造成该层内的空气增温达5℃以上,风暴中强上升气流使云滴没有足够的时间长大,云水向雨水转化和云的晶化会被推到更高的高度,在到达同质冻结高度之前,异质核化过程没有太多的时间消耗大量云水,多数云滴被带到同质冻结高度以上时迅速冻结,造成潜热的集中释放,使周围的空气增温。NOAA卫星观测到的云顶的大量由同质冻结形成的小冰粒子以及过顶现象,进一步证实了同质冻结潜热增温。当探空仪靠近风暴、对流层顶又距同质冻结高度层较近时,同质冻结增温作用有可能被探空仪观测到。     

WRF-EnSRF系统同化多普勒雷达资料在多类型强对流天气过程的数值试验

利用自主构建的基于风暴尺度的WRF—EnSRF（weather research and forecasting ensemble square root filter）系统同化实际多普勒雷达资料,检验该同化系统在包括飑线、超级单体风暴和多单体风暴3个不同结构类型的强对流天气过程的同化效果,并考察了初始场扰动时不同强度的位温和水汽扰动对集合离散度以及同化效果的影响。结果表明,在3个个例中该同化系统均表现出有效的同化能力,各分析结果均比较合理,径向速度和反射率因子分析的增量均方差在经过24min同化后分别下降到3～5m／s和10dBz,并维持至60min同化结束。预报场集合离散度和同化效果对热力场的扰动强度比较敏感,适当增加初始扰动时位温和水汽的扰动强度有利于提高集合离散度和改善径向速度的分析效果。     

新疆喀什两次超级单体致雹风暴特征对比分析

利用常规气象观测资料,对2011年发生在喀什地区夏季罕见的两次强度不同的超级单体致雹风暴进行了特征分析。结果表明：不稳定层结、冷空气活动频繁和抬升触发条件是喀什地区产生强对流天气的共同环境场特征;充足的水汽及强的垂直风切变更有利于喀什地区深厚湿对流活动的产生;初夏雹暴的发生、发展存在1支异常水汽输送,输送量10.9×10⁸ t;而盛夏雹暴存在3支异常水汽输送,输入量11.4×10⁸ t;θ_e陡立区与冰雹落区对应较好,垂直涡度与倾斜涡度发展旺盛,是造成大范围雹暴的主要原因。强回波高悬,低层入流显著、低层反射率因子高梯度区是强对流天气共同的回波特征;初夏雹暴为弓形回波、中-γ尺度;盛夏雹暴为强超级单体、中-β尺度;回波伸展高度越高、低层入流越显著、垂直风切变越强的对流系统产生的天气越激烈,易产生大雹。