熵流与大气系统的演变

熵流是大气耗散结构理论的核心概念。作者从强天气现象观测事实分析与理论研究两个方面入手,讨论了熵流与大气系统演变的关系。前者主要涉及美国近50年龙卷、雷暴大风和冰雹事件的时间演变,后者从Gibbs关系出发导得熵平衡方程,并对一个强天气系统台风麦莎(2005)进行熵流分析,从而揭示出熵作为一个热力学无序度的度量对大气系统的适用性。研究显示,负熵流有助于大气系统的发展,而大气圈作为一个整体将朝着愈益背离平衡态的高度组织化的方向演变。

物理耗散技术及其在MM4中的应用

在传统的流体动力学框架下，数值天气预报问题往往被提为经典牛顿力学的确定论初值问题 。然而大气是多体系统，利用仅对三体以下的系统才能精确描述的理论来处理多体系统的运 动，会引起较大的误差和问题。为此，文中提出了一套在数值天气预报模式中引入“不可逆 热力学算子”的技术，按热力学第二定律的约束方式，来控制多体系统的演变方向，以提高 数值天气预报的精度。例如在ＭＭ４模式中引入不可逆热力学算子后，温度场、湿度场、高度 场及全风速场的平均相对均方根误差减小了约１３％，其中４８ ｈ预报的误差减小两成以上。鉴于文中提出的不可逆热力学算子引入技术是基于描述耗散性的物理定律，而非纯粹出于计算 上的考虑，故名为物理耗散技术。由于它所依据的物理原理对所有流体力学和大气数值模式 均适用，因此该项新技术在地球物理流体力学界将有广阔的应用前景。

水文气象学及其应用

对水文气象学的主要研究方向、现状及其应用成果作了详细的介绍。其中包括气候与水、降水径流和实时流预报、水库水位调整与防洪、大气环流模式中水文过程参数化等目前国内外所十分关切的水文气象问题。同时，还介绍了水文气象学的一些应用效果。通过具体实例指出，水文气象学是一门交叉科学，是新理论的生长点、也是目前水文界气象界专家学者十分感兴趣的学科，两个学科有互相联合与互补的内在需要。

热力学第二定律对中尺度数值预报模式的改进

通过在中尺度业务试验数值模式系统（MOMS）中引入热力学第二定律从而使该模式的预报精度得到显著提高。

计及地形效应后中小尺度天气预报的一个改进

在一个二维板对称非静力平衡数值云模式中引入地形效应后明显改进了原模式的预报结果,揭示了地形对中尺度天气系统生成发展的重要作用.

熵与气象学

科学中某些概念之所以重要,是由于它们反复出现在许多描述中,而且往往波及离最初表述很远的领域内,熵就是一个这样的概念。自从1865年克劳修斯在热力学中引入熵概念以来,熵概念不断向其他领域泛化,其应用不仅遍及自然科学的众多领域,并且还在社会科学中获得了尝试性的应用。为了使关心此问题的广大读者能简捷地了解到国内熵理论与应用研究的现状,为了促进我国熵理论及其应用研究的发展,本刊记者特邀约9位学者就熵概念的泛化及其在不同领域的应用举行了这次笔谈。

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气特征及其天气动力学成因的初步分析

在欧亚大陆中高纬度长期维持阻塞形势的背景下,2008年1月11日至2月2日中国南方连续经历了4次低温雨雪冰冻天气过程(简称"0801南方雪灾")。这次强天气事件过程范围广、强度大、持续时间长且灾害极为严重。其天气学特征表现为中高纬阻塞形势稳定少变,低纬系统活跃确保水汽输送,以及南方部分地区满足冰雪风暴形成的有利天气条件等。研究表明,导致大气环流异常从而促使这次低温雨雪冰冻强天气事件出现的主要因素包括:(1)北极涛动(AO)的异常活跃,有利于行星尺度波动的稳定维持;(2)阻塞上游50°N区域有极强的负涡度平流持续输送到阻塞区,使濒临崩溃的阻塞形势得以重新加强,从而使阻塞形势长时间稳定维持;(3)青藏高原以南低纬地区南支气流活跃,确保中国南方充沛的水汽来源;以及(4)长期存在有利于冰雪风暴生成发展的天气-动力-物理学条件等。"0801南方雪灾"事件一个突出的特征就是冰冻现象极为严重。文中借助新型卫星CloudSat的星载云廓线雷达(CPR)资料对这次事件中典型云系进行天气-动力-物理学分析,揭示出西南暖湿气流沿锋面爬升,形成界限分明上下交替的两个冷暖气团,冷气团较浅薄;在2—4km高度存在一个融化层,冰水不仅存在融化层之上,在近地面层亦含有丰富的冰粒子。结合常规观测资料分析发现,在此期间中国南方大部地区中层(大约在850—700hPa)存在温度大约在0—4℃的逆温层,地面气温大致维持在-4—0℃且相对湿度在90%以上,分析表明,此次大范围冰冻灾害天气是由于冻结、凝华和冰雾粒子的附着增长等物理过程共同作用的结果。"0801南方雪灾"事件持续时间较长,事件本身作为一个整体其成因可追溯到行星尺度系统。研究极涡异常及其随时间变化的结果表明,平流层极涡变化比对流层的超前,尤其是该事件前期平流层极涡进入12月后就趋于加强,而对流层的极涡加强则明显滞后,并且直到1月中至2月初才快速加强;这意味着平流层蕴含着对流层极涡变化及伴随的强天气事件的先期信号,这可能是中长期预报的一个值得深入研究的方向。

推进数值天气预报的一个新努力

本文通过引进熵产生的正定项的办法把热力学第二定律渗透到数值天气预报模式的试验之中.试验结果令人鼓舞.

一次秋季温带气旋的雨雪天气过程分析

2012年11月3-5日,受强冷空气和气旋发展的影响,华北地区出现了秋冬之交首场雨雪过程。此次雨雪天气过程具有降水强度大、雨雪范围广、初雪时间早、降水相态多变以及雨雪降温大风并存等特点。着重分析了过程的多尺度相互作用及其成因机理等,得到以下结果:(1)通过对北极涛动指数变化的分析发现,此次过程前期由于北极涛动指数负位相出现的时间较早,并且强度大,维持时间长,对应当年秋冬之交首场雨雪天气出现亦时间早、强度大。(2)此次过程前期华北地区西风带上游长波波数趋于减少,导致后期位于华北地区受其引导的相应低压系统稳定少动。(3)东亚—西太平洋地区建立的"Ω"形阻塞形势阻挡了其上游西风带槽的东移,特别是后期此阻塞高压南部迅速生成的低值系统与阻塞高压的高值中心构成了十分稳定的对偶之势,阻断了其上游西风带槽的东移,导致相应地面气旋系统长时间稳定维持在北京及其邻近地区,从而促使该地区出现了历史上罕见的强降水事件。(4)该过程涡度平流和温度平流对锋前上升运动的形成和气旋的发展演变有重要的影响,这次天气过程的气旋发展机制与经典的第二类温带气旋发生、发展机制不尽相同。(5)此次过程中水汽条件极为有利,特别是在气旋发展后期,来自海上的水汽源源不断流入移动缓慢的气旋区域,为该区域的罕见强降水创造了极为有利的水汽条件。(6)在整体大气稳定层结环境下,锋面前沿的水汽输送和抬升在低层形成了大气不稳定层结,有利于低层上升运动的触发,锋面加强引起的风垂直切变加强促进了大气不稳定层结之上的条件性对称不稳定区向上扩展,并与高层的条件性对称不稳定区连通,从而为低层触发的上升运动向高层发展提供了有利条件。

北京地区大雾形成的分析和预报

根据１９５８～１９９４ 年首都机场大雾观测记录，统计分析北京地区大雾生成的气候概况，计算分析大雾形成前各种物理量场的分布和观测数据，提出预报北京地区大雾的方法．并于１９９８ 年７～１１ 月进行了预报检验．

正确认识和对待天气气候预报的不确定性

美国国家科学发展的指导机构国家研究顾问委员会(NRC)不久前发表了一份关于天气、气候和水文预报的不确定性的调研报告。报告强调了预报不确定性信息在终端用户应用气象预报作决策中的重要性,同时指出一个预报如果没有定量地估计它的不确定性,那么该预报是不完全的。该报告中文版的出版工作正在进行中,现藉此机会向读者综合地介绍一下预报不确定性的问题。文中首先讨论了预报不确定性的缘由以及应该如何来科学地对待它。然后介绍了要应对这一问题所要进行的一些具体措施和策略。最后,简要地介绍了美国气象界为此所做的一些努力和计划以供参考。通过上述讨论和介绍,希望引起更多的人对预报不确定性问题的重视并科学应对以更好地服务社会。

突发性强灾害天气预警系统的研制

“突发性强灾害天气预警系统”项目旨在为气象部门提供一套预测功能先进且响应迅速，同时具有业务化应用前景的突发性强灾害天气预警系统“瑷飓雯”（EWSSWE：Early Warning System for Severe Weather Event）原型。

突发性强灾害天气预警系统

科技部科研院所社会公益专项资金重点项目“突发性强灾害天气预警系统（EWSSWE）”2006年6月6日通过验收。该系统是一个依托动力模式的数值预警系统，以WWW为平台，融贯了多种天气预报新技术，集富含信息量的强对流指数诊断预测、基于卫星和雷达产品的外推以及动力模式数值天气预报于一体；该系统开发的冰雹预报产品使本来并非预报量的冰雹作为动力模式后处理的产品输出从而赋予动力模式以直接预报冰雹的功能；

藉物理耗散技术改进强降水数值模拟的初步研究

利用PSU/NCAR非静力中尺度模式MM5V3,对影响我国北方一次非汛期突发性强降水过程实例,进行了三重嵌套模式区域采用若干不同降水方案(特别是采用显式微物理方案与积云对流参数化方案若干组合)的对比试验,在揭示物理耗散技术正是通过将模式水平扩散方案纠正到符合热力学第二定律的约束而使该中尺度模式的模拟精度和模拟质量获得明显提高的物理实质的同时,从一个侧面证实了数值模式引入第二定律对提高数值天气预报准确率的重要性。

自适应网格技术中的权函数问题研究

利用两个具有解析解的算例研究利用变分原理的自适应网格技术.结果表明,对运动激波算例,权函数考虑二阶导数项比考虑梯度项能更有效地减小误差;对气旋锋生算例,仅以梯度作为权函数亦不能提高精度,考虑速度场、锋生函数分布的权函数能更合理地安排网格.

突发性强灾害天气预警系统:理论与应用

"突发性强灾害天气预警系统"以WWW为平台,融贯多种天气预报新技术,为各类用户提供了崭新的预报视角和技术含量较高的预报产品;产品包括强对流指数诊断、基于卫星和雷达的外推产品,中尺度数值模式预报产品,以及基于"综合叠套技术"给出的强天气展望和强天气临近概率预报产品等。通过近几年部分省市业务化运行检验,证明该系统整体自动化程度高,运行稳定,其提供的综合预警产品能有效地为暴雨等强对流天气提供预警信息,提高了暴雨等强天气的预报预警服务质量。

一维无迭代自适应网格技术在Burgers方程中的应用

基于变分原理的自适应网格技术需用迭代法求解 ,非常耗时 .故提出了一种新的自适应网格技术 ,根据权函数曲线下面积相等的原则 ,重新分布格点位置 ,一步到位 ,无需迭代 ,大大提高了自适应网格技术的效率 .利用具有解析解的一维Burgers方程对这一新技术进行验证 ,发现它能根据不同的权函数确定不同的格点分布 ;对同一种权函数 ,当其随时间变化时 ,对应的格点分布也相应变化 .研究表明 :该技术能根据问题的求解 ,在解的大梯度区自动加密网格 ,从而可计算出激波 .

藉不可逆热力学理论改进中尺度数值天气预报模式水平扩散参数化的一个尝试

大气动力学控制方程组中引入的诸水平扩散项虽属模式动力学的一个组成部分,但从目前通用的四阶扩散算子的数学表示以及实际计算/模拟的效果看,无论线性或非线性的方案均不能恰当地反映扩散的物理实质,从而影响到预报和模拟精度,针对原水平扩散方案中不符合物理耗散规律的部分进行修正,藉刻画多体系统不可逆过程演变方向的热力学第二定律重新构造了一个改进的水平扩散方案以取代原方案,最后通过一个具有解析解的趋于定常流动的一维Burgers方程和1992年在美国佛罗里达州登陆的飓风Andrew个例的计算,揭示了改进方案所取得的若干有意义的结果:对于Burgers方程,采用改进方案后获得了与解析解一致的数值解,而对于飓风Andrew(1992)则获得了与实际观测资料更加接近的地面最大风速和最小气压随时间变化的模拟预报结果。

中尺度气象模式研究若干进展及其在区域业务预报中的应用

介绍了美国、英国和日本 3个国家的中尺度模式研究和业务预报现状，指出了中尺度模式特有的问题和发展趋势，及其对我国中尺度模式研制的含义。

用热力学第二定律改进MM5V3的初步尝试

针对当今的数值预报模式中存在若干与热力学第二定律不符的问题;;本文着重讨论了将该定律引入数值预报模式的必要性;;并通过已引入和未引入第二定律的中尺度数值模式MM5V3两者之间的对比试验来验证在数值预报模式中引进热力学第二定律的可行性。