次天气尺度及中尺度暴雨系统研究进展

回顾了75年来中国科学院大气物理研究所科研人员在次天气尺度及中尺度暴雨系统领域的研究工作,这些领域主要包括暴雨、中尺度低空急流、低涡、梅雨锋结构及梅雨锋生、对称不稳定和涡层不稳定以及暴雨等灾害天气的天气动力学及数值模拟研究等;总结了在次天气尺度及中尺度暴雨系统研究的不同时期所取得的成就以及这些成就在防止和减轻中尺度暴雨灾害方面所起到的重要作用.     

The mesoscale balance and imbalance and the corresponding potential vorticity inversion from the view of helicity

The static balance and the geostrophic balance are the common balances in meteorology.All the synoptic systems and most of the mesoscale systems satisfy the above two balances.However,due to the strong convection and non-geostrophic feature,many mesoscale systems usually present as static imbalance,and the quasi-geostrophic approximation is no longer attainable.This paper tried to find out a kind of balance that exists for mesoscale convective system.To do this,the concrete mathematics definitions for balance and imbalance equations were defined.Then,it is proposed that the new balance equation should include the divergence,vorticity,and vertical motion simultaneously,and the helicity equation was a good choice for the basis.Finally,the mesoscale balance and imbalance equations were constructed,as well as a new balance model that was based on the helicity,horizontal divergence,vertical vorticity,continuity,and thermal dynamic equations under same approximations.Moreover,the corresponding potential vorticity(PV)inversion technique was introduced.It was pointed out that by using the PV conservation and the potential temperature conservation,the flows of the mesoscale balance model can be deduced,and their comparison with the real fields would give the degree of the imbalance.     

四川地形扰动对降水分布影响

引入一维加权平均的谱分析方法定量研究四川地形强迫对该区域降水分布的影响。结果表明:纬向地形和冬季降水谱峰锁相于同一波长（475.8 km）,呈共振关系,地形与其他季节降水呈漂移关系,这与经向和纬向上环流变动有关,即冬季纬向环流占主导,纬向地形触发的大气波动对冬季降水策动作用大;夏季降水是各种不同尺度系统相互作用的结果,地形是重要因素之一。经向和纬向地形特征尺度分别为296.8 km和475.8 km,反映了地形强迫的中尺度特征,且纬向地形谱峰比经向大1个数量级,纬向强迫更明显。夏季降水谱峰比冬季大2个数量级,降水系统纬向特征尺度比冬季小约150 km,说明夏季在纬向地形强迫下,降水系统尺度减小的同时其强度大大增加,这在一定程度上可以解释中尺度对流性降水在夏季偏多。四川夏季最大降水位于雅安地区,其地形扰动比四川整体扰动更明显,故产生的降水也更大。夏季降水和经向地形锁相于同一波长（37.1 km）,经向地形对雅安夏季强降水起关键作用。     

行星边界层内低涡的环流结构

本文研究了常见低涡在行星边界层内的环流结构,指出了在行星边界层内的摩擦作用下,较弱的低涡就可以导致明显的径向流动,产生从四周向低涡中心的辐合,使中心附近垂直运动达到中尺度垂直运动的量级。同时利用多参数摄动法对非定常轴对称减弱低涡进行了环流结构的演变分析。     

以Schrdinger方程为例子介绍直接解法及其在波与波碰撞中的应用

本文以描述某些中尺度系统振幅演变的 Schr(?)dinger 方程为例子,着重介绍了直接解法及其在波与波的碰撞相互作用过程中的应用。     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

Introduction of the Direct Method by Illustrating Schrdinger Equation and Its Application to Wave-Wave Striking Interaction

In this paper, both direct method and its application to wave-wave striking interaction are introduced by illustrating Schrodinger equation describing the amplitude evalution of some mesoscale systems.     

2008年1月贵州冻雨的数值模拟和层结结构分析

针对2008年初发生在贵州地区的严重冻雨过程,分别从环流背景、低空急流和水汽输送条件等方面分析了准静止锋维持的原因,并选取本次灾害最严重的第3次过程为典型个例,利用WRF模式针对准静止锋影响下的贵州冻雨进行数值模拟来研究冻雨的发生机制。模拟结果较好地反映出高低空环流形势场特征,强雨雪降水带的走向、落区,以及地面温度的分布,均与观测基本吻合。通过分析高分辨率模式的模拟结果,揭示了准静止锋上贵州地区冻雨的层结结构特征及云物质在冻雨区的分布特征。研究结果表明,贵州中部的冻雨区除一般的三层结构(包含冰晶层、暖层和冷层)外,还具有典型的两层结构特征,即:高空的固体降水粒子稀少,900~600 h Pa深厚的逆温层和0℃以上的暖层使中低空存在大量液态粒子,下落的液滴经过近地面的浅薄冷层,形成大量过冷却雨滴,而后降落至地面迅速冻结。     

登陆台风“凡亚比”(1011)合力散度分布及演变特征研究

本文利用1011号台风"凡亚比"高分辨率数值模拟资料及合力散度方程,诊断分析了"凡亚比"台风的合力散度水平分布及演变过程。首先将模拟的"凡亚比"生命史划分为五个阶段,然后计算各阶段整层垂直积分的合力散度,得到以下发现:在"凡亚比"快速增强阶段,台风中心附近首先出现合力辐合区,外围为合力辐散区;"凡亚比"成熟期和鼎盛期,合力辐合区呈现出以台风中心为圆心,半径约150 km的近似圆形分布,且中心附近辐合强度最大,向外逐渐减弱,外围合力辐散区呈螺旋云带状分布,宽度约200 km;"凡亚比"第一次登陆过程中,台风中心与合力辐合极值中心发生偏离,合力散度强度逐渐减小,对称结构被破坏;二次登陆后,辐散区迅速衰减甚至消失,但台风中心附近仍存在比较明显的合力辐合。"凡亚比"整个生命史中,合力辐合的平均强度普遍大于辐散的平均强度,前者与台风强度有显著的正相关关系。总体上,合力散度的强信号始终与台风环流系统相伴随,其演变能较好地反映出台风强度及结构的发展和演变。     

动力因子对地形影响下的四川暴雨落区的诊断分析

本文分析了2010年7月16～18日地形作用下四川盆地的一次持续性暴雨过程,指出此次暴雨过程是在高低层系统配置较好的情况下发生的。并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次四川暴雨过程的模拟较为成功,能很好地再现此次暴雨的降水落区以及强降水中心。运用广义湿位温、广义对流涡度矢量垂直分量的垂直积分和质量垂直螺旋度对受大巴山脉影响的四川东北部的暴雨落区进行了诊断分析。分析指出,广义湿位温纬向平均的垂直剖面图上,等湿位温线的倒Ω区域与四川东北部的强降水落区吻合较好,等湿位温线的倾斜程度以及湿位温异常的高度可以定性地指示降水的强弱;对广义湿位温从800 hPa到500 hPa垂直积分,用得到的湿位温的水平分布来指示东北部的暴雨落区效果较 好;用改进垂直积分区间后的广义对流涡度矢量垂直分量比用传统的对流涡度矢量垂直分量来示踪四川东北部的暴雨落区效果更好;质量垂直螺旋度能有效刻画出四川东北部地区强降水系统的典型动力场垂直结构,因此与四川东北部的地面强降水具有很好的对应关系。