Consistency Problem with Tracer Advection in the Atmospheric Model GAMIL

The radon transport test, which is a widely used test case for atmospheric transport models, is carried out to evaluate the tracer advection schemes in the Grid-Point Atmospheric Model of IAP-LASG （GAMIL）. Two of the three available schemes in the model are found to be associated with significant biases in the polar regions and in the upper part of the atmosphere, which implies potentially large errors in the simulation of ozone-like tracers. Theoretical analyses show that inconsistency exists between the advection schemes and the discrete continuity equation in the dynamical core of GAMIL and consequently leads to spurious sources and sinks in the tracer transport equation. The impact of this type of inconsistency is demonstrated by idealized tests and identified as the cause of the aforementioned biases. Other potential effects of this inconsistency are also discussed. Results of this study provide some hints for choosing suitable advection schemes in the GAMIL model. At least for the polax-region-concentrated atmospheric components and the closely correlated chemical species, the Flux-Form Semi-Lagrangian advection scheme produces more reasonable simulations of the large-scale transport processes without significantly increasing the computational expense.     

西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究

利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量（即u角动量）经向、垂直输送通量及其三个分量（平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量）的气候特征,特别是讨论了12～2月、6～8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:（1）包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。（2）发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季（夏季）的副热带西风急流主要由平均经圈环流（强度相当的定常波和瞬变涡）强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。（3）热带东风区是牵连角动量（即Ω角动量）的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。     

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究──Ⅰ．常定流的情况

本文构造了一个３４层球坐标原始方程波－流相互耦合谱模式，利用此模式从拉格朗日平均环流的观点研究了在常定流下行星波对臭氧的输运作用。研究结果表明，行星波对臭氧的输运有明显的季节变化，在北半球冬季，由于行星波上传到平流层而大大增强了中高纬地区向极地向下的Ｏ３输运；并且还表明，热带纬向风的ＱＢＯ不仅通过影响东、西风切变而引起热带Ｏ３分布的年际变化，而且通过影响行星波的传播引起了行星波对Ｏ３输运的年际变化，这表现为当热带纬向风处于东风位相时，中高纬地区行星波对Ｏ３的输运比西风位相时强。     

2013年南疆2场罕见暴雨落区和强度的对比分析

2013年5月26～28日和6月15～18日南疆连续出现了2场罕见的暴雨过程,利用常规地面和高空探测资料、NCEP/NCAR每日4时次 1°×1°再分析资料和欧洲ECWMF 0.25°×0.25°细网格数值预报产品,对比分析了这2场暴雨的落区和强度差异的成因。2场暴雨均在有利的环流背景下产生,较强暴雨的高空环流经向度更大、中亚低槽与北支槽打通并南伸更南,低层700hPa以下水汽输送较中高层更为重要,日常预报更应注重低层的水汽输入。对比暴雨强度,低层水汽输送越强(更多水汽路径、更多边界的水汽输入、更强水汽通量和水汽输入量)、低层水汽输送时间越长、低层切变线持续时间长且伸展至中高层,暴雨强度均可能更强。中尺度切变线和涌线在暴雨落区预报中具有一定的指示意义。     

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。     

3个登陆台风引发阳江特大暴雨的水汽输送对比分析

利用区域自动站资料及NCEP再分析资料,对0915号"巨爵"、1006号"狮子山"和1011号"凡亚比"登陆后引发阳江特大暴雨的水汽输送特征进行了对比分析,并应用HYSPLIT-4轨迹模式验证了水汽来源。结果表明:1)它们引发阳江特大暴雨期间,低纬西南季风活跃。"巨爵"影响时由来自印度洋与副高西侧偏南气流汇合产生强降雨,水汽来源于中南半岛和孟加拉湾;"狮子山"影响时西南水汽输入明显减弱,主要由偏东气流携南海近海水汽的注入引发了局地短而强的降雨,水汽来源于南海近海;"凡亚比"登陆后,北部湾超低空急流的暴发,有利于强西南气流携带水汽经粤西往"凡亚比"输送,引发粤西地区特大暴雨,水汽主要来源于北部湾。2)强降雨都是始于阳江特大暴雨区纬向风转东风或经向风转南风阶段。"巨爵"、"凡亚比"引发阳江强降雨前后,850 h Pa南海、北部湾经向风南风明显增大,加强了海上水汽的向北输送。"狮子山"影响时则是由于近海短时间转东风,水汽由东输入并加强了辐合。3)水汽输送以"巨爵"最强、"狮子山"最弱,水汽辐合层次"巨爵"和"狮子山"较"凡亚比"要浅薄。它们的低层水汽辐合中心与特大暴雨区有很好的对应关系。     

东亚地区水汽输送与重庆夏季旱涝的联系

利用NCEP/NCAR(1960—2006年)的全球再分析格点资料,研究了东亚地区水汽输送异常与重庆夏季旱涝的关系。结果表明:当重庆夏季(7~8月)降水偏多(涝)时,欧亚地区中高纬维持"两脊一槽"的"双阻"型:乌拉尔山和鄂霍茨克海地区分别存在阻高,贝加尔湖地区为一槽区。冷空气沿着贝加尔湖槽后偏北风和乌拉尔山阻塞高压的南支西风南下进入中国。热带太平洋地区为显著的高度距平正异常区。副热带地区是高度距平负异常区,西太平洋副热带高压脊线位置偏南、强度偏强。来自热带海洋地区的暖湿气流分别沿西太平洋副热带高压西南侧和经印度、孟加拉湾两条主要路径进入中国。当来自高、低纬地区的冷、暖空气在长江流域中上游相遇,就会造成重庆等长江中上游地区降水异常偏多,发生洪涝。反之,降水偏少(旱)年,在欧亚中高纬地区存在"一槽一脊"的环流形势:乌拉尔山附近为一深厚的槽区;鄂霍茨克海阻塞高压异常发展,一直延伸到贝加尔湖附近;西欧地区维持着深厚的高压脊。西太平洋副热带高压位置偏北、偏东,主体基本退出中国大陆地区。整个热带为高度距平负异常区。这样环流形势致使东亚地区中高纬地区受乌拉尔山大槽影响盛行偏南风,不利于冷空气南下。低纬地区的暖湿气流沿着西太平洋副热带高压南面的东南气流从华南进入中国。这样的环流配置易造成南下的冷空气偏弱,同时使来自热带地区的暖空气向北推进到中国华北和东北地区,致使冷、暖空气无法在长江中上游地区交汇,该区域降水显著减少,形成干旱。     

西北中部半干旱区兴隆山森林岛降水机理的数值模拟

通过WRF V2.1.2模式数值模拟试验并结合长期观测数据,研究了中国西北半干旱区长期存在和维持的森林山区(兴隆山区,103.84°E、35.86°N)的降水特征及其与周边地区的降水差异,并探讨了造成这种差异的主要原因。结果表明,兴隆山区与周边地区的降水差异主要表现在夏、秋季。在夏、秋季兴隆山区受东南湿润气流的影响,获得较多的水汽输入和较稳定的水汽来源,而山地地形则有利于截留东南气流携带的水汽并形成降水;兴隆山区及其周边地区局地的蒸散差异对二者之间降水差异的贡献不大。另外,兴隆山区土壤堆积覆盖的石质山构造和森林下垫面也有利于降水的截留和贮存以及植被的生长。因此,有利于水汽输入的大尺度环流形势、地形对空中水汽的截留以及特殊的地质因素是兴隆山山区孤立森林岛在半干旱区长期存在和维持的原因。     

Countergradient Fluxes of Conserved Variables in the Clear convective and Stratocumulus-topped Boundary Layer: The role of the Entrainment Flux

Large-eddy simulations of a clear convective boundary layer (CBL)and a stratocumulus-topped boundary layer are studied. Bottom-upand a top-down scalars were included in the simulations, and theprinciple of linear superposition of variables was applied toreconstruct the fields of any arbitrary conserved variable.This approach allows a systematic analysis of countergradient fluxesas a function of the flux ratio, which is defined as the ratio betweenthe entrainment flux and the surface flux of the conserved quantity.In general, the turbulent flux of an arbitrary conserved quantityis counter to the mean vertical gradient if the heights where thevertical flux and the mean vertical gradient change sign do notcoincide. The regime where the flux is countergradient is thereforebounded by the so-called zero-flux and zero-gradient heights. Becausethe vertical flux changes sign only if the entrainment flux has anopposite sign to the surface flux, countergradient fluxes arepredominantly found for negative flux ratios. In the CBL the fluxratio for the virtual potential temperature is, to a good approximation,constant, and equal to -0.2. Only if the moisture contribution to thevirtual potential temperature is negligibly small will the flux ratio forthe potential temperature be equal to this value. Otherwise, theflux ratio for the potential temperature can have any arbitrary(negative) value, and, as a consequence, the fluxes for thepotential temperature and the virtual potential temperature willbe countergradient at different heights. As a practical application ofthe results, vertical profiles of the countergradient correction termfor different entrainment-to-surface-flux ratios are discussed.     

南疆暴雨研究进展

南疆地区位于欧亚腹地,属于典型的温带大陆性干旱气候,受复杂地形地貌、天气系统路径以及特殊的大气环流与水汽条件等影响,暴雨突发性强且地域性特征显著。目前,全球数值预报模式及中尺度数值模式对南疆暴雨的预报能力十分有限,近年来,许多研究团队在塔里木盆地进行了大型外场观测试验,对揭示南疆暴雨的机制机理有了更多启示,对造成南疆暴雨的对流触发机制、高低空系统配置及演变特征、降雨云物理过程等都有了更为深入的认识。本文对南疆暴雨的气候特征、大尺度环流背景、中尺度系统发生发展、水汽输送、降水动力机制等方面进行了总结回顾,并提出了需要进一步研究的科学问题,以期为进一步开展南疆暴雨研究、提高暴雨预报准确率及防灾减灾能力提供参考。