我国南方暴雨的试验与研究

50年以来,中国气象科学研究院几代科学家致力于暴雨研究,取得了令人瞩目的成就,尤其是最近10年,中国气象科学研究院主持了3个国家级研究项目开展我国南方暴雨研究,其中包括华南前汛期暴雨的试验与研究,长江中下游梅雨锋暴雨的试验与研究以及目前正在实施的研究范围更为广泛的我国南方致洪暴雨的试验与研究。通过上述项目的实施,在华南前汛期暴雨与长江流域梅雨锋暴雨的三维结构、形成机理、遥感监测与探测中尺度暴雨的理论和方法以及自主发展配有三维同化系统的中尺度暴雨数值模式系统等方面均取得重要的研究成果,有的已经在我国各级业务部门推广应用,取得良好的经济与社会效益。目前正在实施的国家973项目,针对引发我国南方致洪暴雨的β-中尺度强对流天气系统开展更为深入的试验与研究,通过这些努力,有望在提高我国暴雨的监测与预报、预警能力,增强我国减灾防灾的总体实力做出更为重要的贡献。

ENSO及其对亚洲季风和我国气候变化影响的研究

ENSO及其对亚洲季风和我国气候变化影响的研究是当今气候研究中的重要问题，本文总结了作者在《气候动力学和气候预测方法研究》项目中有关专题“大洋、尤其ENSO和西太平洋暖地对东亚大气环流和我国气候影响”的研究工作，主要分三方面：1、ENSO是多时空尺度海气相互作用的结果──ENSO形成机理的研究；2、ENSO对我国东亚季风和我国气候影响；3、ENSO及其对我国气候影响的可预报性和预报试验。本文的结果显示了本专题在这些方面最新的研究成果。

中国长江中下游梅雨锋暴雨形成机理以及监测与预测理论和方法研究

国家重点基础研究发展规划项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”经过项目全体科学家的 5a研究 ,取得了一系列重要的研究成果 :(1)提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型 ;(2 )建立了梅雨锋暴雨的天气学模型 ;(3)梅雨锋是由多个不同尺度系统构成的梅雨锋系 ,它具有介于温带锋系结构与热带辐合带结构之间的副热带锋系结构 ,在长江中下游有时可表现为双锋结构。锋前的湿物理过程与锋上强对流系统发展形成的正反馈过程以及梅雨锋系的不同尺度系统的相互作用是梅雨锋维持与发展的重要机制 ;(4 )提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法 ,并形成一系列新的反演产品 ;(5 )成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法 ;(6 )发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统 ,在 2 0 0 3年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用。上述研究成果表明该项目已经圆满地完成了预定的目标与任务。

我国长江中下游梅雨锋暴雨研究的进展

我国长江中下游梅雨锋暴雨研究在最近五年中取得了明显的进展 ,其中有 :第一 ,提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型 ;第二 ,建立了梅雨锋暴雨的天气学模型 ;第三 ,提出了梅雨锋的详实结构及其维持机理 ;第四 ,提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法 ,并形成一系列新的反演产品 ;第五 ,成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法 ;第六 ,发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统 ,在 2 0 0 3年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用。

ENSO和西太平洋暖池对我国气候影响的诊断分析研究

Study for impact of ENSO and warm pool of western pacific on Asian monsoon and climate of China is one of the important problems related to prediction of short term chlimate change in China in this paper diagnostic study for the above problems has been done using the observed data especially their comparitive importance of ENSO and warm pool of western Pacific. The results show that influence of ENSO and warm pool in eastern Asian monsoon circulation is statictically significant at the 95% level, however their variance contribution to total variance of rainfall season along thd middle down stream of Yangtz river valley doesn’texceed 30%.

“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”取得的主要研究成果

国家重点基础研究发展计划项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”经过项目全体科学家的5年研究,取得了一系列重要的研究成果:①提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型;②建立了梅雨锋暴雨的天气学模型;③梅雨锋是由多个不同尺度系统构成的梅雨锋系,它具有介于温带锋系结构与热带辐合带结构之间的副热带锋系结构,在长江中下游可以有时表现为双峰结构。锋前的湿物理过程与锋上强对流系统发展形成的正反馈过程以及梅雨锋系的不同尺度系统的相互作用是梅雨锋维持与发展的重要机制;④提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法,并形成一系列新的反演产品;⑤成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法;⑥发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统,在2003年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用;⑦成功组织了2001/2002年长江中下游梅雨锋暴雨野外科学试验,在野外试验中还开展了中日国际合作,在此基础上项目建立了规范、完善、使用便捷的暴雨野外试验数据库,实现了数据共享。

赤道西太平洋-印度洋海温异常对亚洲夏季风的影响

本文采用了p-σ五层原始方程模式模拟并研究了赤道西太平洋-印度洋海温距平场对亚洲夏季风的影响,计算了四种不同的海温距平试验方案。试验结果表明赤道西太平洋海温正距平使对流层下层的印度低压明显加强,副高北挺,季风槽加深,同时加强了对流层上层的反气旋环流。赤道西印度洋暖海温的模拟结果与赤道西太平洋暖海温对上述系统的影响相反,而赤道西印度洋冷海温对季风环流的影响与赤道西太平洋暧海温的影响一致。试验进一步表明赤道西太平洋-印度洋海温距平的纬向梯度方向对亚洲夏季风的影响是主要的,这一结论与实际观测结果一致。本文进一步讨论了赤道海温距平对越赤道气流、印度洋赤道东-西纬向环流和非绝热加热场的影响,结果都表明赤道西太平洋海温正距平和赤道西印度洋海温负距平的模拟特征与反El Nino年亚洲夏季环流特征类似,而赤道西印度洋海员正距平的模拟特征与El Nino年亚洲夏季坏流特征类似。

赤道移动性热源激发的大气强迫波和亚洲夏季风40—50天振荡

本文利用P—σ混合坐标系的五层原始方程模式研究了赤道移动性对流热源激发的大气强迫波和亚洲夏季风40—50天振荡的关系。数值试验表明由Wave—CISK机制引起的移动性热源在沿赤道东移过程中可以引起亚洲夏季风环流、降水、赤道东——西纬向环流、季风经向环流和越赤道气流的位相振荡现象,其振荡周期与移动热源的移动速度有关。模拟结果进一步表明热带、付热带大气对赤道移动热源的响应可以激发出东传的Kelvin波和东传的Rossby波,引起纬向差值气流和径向差值气流的东传现象,以及扰动的北传现象。本文最后还讨论了东传的大气强迫波通过对Walker环流和Hadley环流的影响而引起亚洲夏季风的40—50天振荡的机制。

ENSO动力学及其数值模拟的研究评述

文章系统地评述了ＥＮＳＯ事件的观测事实及热带海－气相互作用方面的动力学、数值模拟研究进展，并指出了有待解决的主要科学问题和发展前景．

热带海气耦合Kelvin波的弱相互作用

本文在简单的热带海气耦合方程组中 ,引进基本风场和平均海流的作用以后 ,对热带海气耦合 Kelvin波的不稳定性进行了讨论 ,得到其耦合不稳定的判据条件 ,并且分析了它的传播结构特征。

混合海气耦合模式的研制和El Nino的预告试验

所使用的海气耦合模式是由ＣＯＬＡＲ１５ＡＧＣＭ和简单的ＣＺ海洋模式耦合而成。使用该混合海气耦合模式完成了１５次ＥＮＳＯ试验预报，预告和观测的Ｎｉｎｏ３指数超前１５个月的相关系数达０６（在００１有意义水平上该相关系数在统计上是有意义的），超前一年半的Ｎｉｎｏ３指数的预告误差大约为０６～０９°Ｃ。预告结果表明混合海气耦合模式具有预测ＥＮＳＯ的能力达１５个月。最后，还讨论了该模式的优点和进一步改进的途径。

建设中尺度天气业务平台的若干科学技术问题 Ⅰ:科学问题与基本架构

针对要建设中尺度天气业务平台所涉及的科学技术问题进行了深入的研讨,在此基础上提出解决这些科学技术问题必须采用的新技术与新理论,从而提出中尺度天气业务平台的建设思路和总体架构。

热带大气50—40天振荡对亚洲夏季风影响的数值研究

本文利用p—σ混合坐标系的五层原始方程模式,研究了印度洋—西太平洋热带偶极子型振荡对流加热源对亚洲夏季环流的影响。试验结果表明印度洋—西太平洋热带振荡源可以引起赤道东—西纬向环流、越赤道气流、季风经向环流以及亚洲夏季高、低层环流的位相振荡,其振荡周期与振荡热源的振荡周期一致。本文还进一步研究了热带振荡源影响亚洲夏季风环流的机制,研究表明振荡热源西侧激发的Rossby波的西传和扰动的北传、引起赤道东—西纬向环流和季风经向环流的振荡,从而最终导致整个亚洲夏季风环流振荡的机制。

建设中尺度天气业务平台的若干科学技术问题Ⅱ:建设四大基地,开展应用试验

中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室在广东、湖北、安徽与上海三省一市分别组建华南、华中、江淮以及长三角中尺度观测与应用试验基地,作者以华南基地为例详细介绍了中尺度基地(或中尺度天气业务平台)的实施情况以及新技术的应用,构成了试验性的中尺度天气业务平台,在华南基地建设的基础上分别组建华中、江淮以及长三角三大试验基地,探索提高中尺度灾害天气监测、预报与预警能力的有效途径。

导致“7.21”特大暴雨过程中水汽异常充沛的天气尺度动力过程分析研究

2012年7月21日北京发生了历史罕见的特大暴雨,最大累计降水量达到541 mm,最大雨强100.3 mm/h,强降水持续10多个小时,造成了巨大的损失。使用常规观测资料和NCEP再分析资料在讨论环境大气湿度条件与特大暴雨关系的基础上,分析了实现充沛的水汽远距离输送到华北并在北京上空积累的天气尺度动力过程及其形成的原因。结果表明,"7.21"特大暴雨产生在大气异常潮湿的环境中。在暴雨发生时,比湿最大值达到19 g/kg,而且,对流层中下层的比湿比北京区域性暴雨历史个例高40%。产生长时间强降水的重要原因是边界层以上高湿的特征在暴雨产生的过程中一直维持。充沛的水汽被一支从低纬度一直贯通到40°N附近的低空偏南气流从孟加拉湾和中国南海向北输送。偏南风持续增大形成低空急流,增大了水汽的输送。而且,随着急流核向东北方向移动逐渐靠近北京,在北京上空对流层低层产生了-17.7 g/(hPa·m^2·s)异常强烈的水汽通量辐合。同时,高空强烈辐散与低空辐合的耦合不断加强,不仅增加了低层水汽在暴雨区汇集,而且也通过增强垂直速度将更多的潮湿空气向上输送,使高层大气湿度增大。通过上述两个天气尺度动力过程,实现了水汽的远距离输送,并在暴雨区上空强烈辐合,导致北京地区水汽异常充沛。输送水汽的偏南风持续增大的原因主要有两个:一是台风外围环流的影响;二是在海上副热带高压稳定维持的情况下,大陆上低压加强、东移,造成东西向气压梯度增大,在地转偏向力的作用下,南风增强。最后,得到了实现水汽远距离输送的天气尺度动力过程机理模型。

一次“高影响天气”的弱降雪过程的数值研究

该文对2001年12月7日下午北京的一次弱降雪天气过程进行了诊断分析和数值模拟研究。诊断结果表明北京地区由于受500hPa小槽东移及850hPa东移小高压后部带来的来自东海和南海的偏南暖湿气流共同影响,造成降雪。数值模拟结果显示MM5模式对这次降雪过程具有较好的模拟能力,不仅模拟出了北京地区的降雪量,而且对这次过程大尺度背景场的演变、触发机制和水汽源有很好的表述。利用诊断分析和数值模拟结果,对这次弱降雪过程引起交通大阻塞的可能因素进行了探讨,说明建立城市预警系统的迫切性。

中国南方暴雨野外试验中尺度气象分析场的建立及其质量评估

利用武汉暴雨研究所从美国引进的LAPS中尺度分析系统,将2008年和2009年5—7月中国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)中所采集的观测资料进行融合、同化,生成了华南、华中、江淮和长江三角洲4个观测区的空间分辨为5 km、时间分辨为3 h的SHCeREX中尺度气象分析场。文中从两方面对SCHeREX中尺度分析场的质量进行了评估分析。首先,根据野外试验期间在4个观测区出现的暴雨日,结合观测的雷达回波和卫星云图云顶亮温(TBB)资料与SCHeREX中尺度分析资料进行统计分析与比较,结果表明,SCHeREX中尺度分析资料对中尺度强对流系统具有很强的再现能力。同时,以探空观测资料为基准,分析计算了SCHeREX中尺度分析场的平均偏差、平均均方根误差及其随高度的分布,分析结果表明SCHeREX中尺度分析场的位势高度、温度、相对湿度、风向和风速的分析误差均在观测误差范围内,尤其是SCHeREX中尺度分析场700—925 hPa位势高度的平均分析误差为45 gpm,温度的平均分析误差为1.0-1.1℃,相对湿度的平均分析误差不超过20%,风速的平均误差为1.5—2.0m/s,风向为20°—25°。

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 I.涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时,大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征。在大气层结比较稳定的情况下,如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流),此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播,甚至于快速向东传播。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次切变,可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式,涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的。涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变,亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致。涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关,它的能量是频散的,其在纬向x方向也存在群速度。在基本流场的风速存在二次切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定;而在基本流场的风速仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定。

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(MCS)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据。文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征。结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿空气向西北中层的中性层结区输送,由于θ_(ep)的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能量得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θ_(ep)进一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θ_e线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强。通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型。

近50年来全球海温异常对我国东部地区冬季温度异常影响的诊断研究

利用1951～1997年全球海温、风场月平均资料和我国东部地区100个测站的冬季地面气温等资料,分析了我国东部地区冬季温度异常的时空特征和变化规律,探讨了全球海温异常与我国东部地区冬季温度异常的关系。发现赤道印度洋、赤道东太平洋、黑潮区是影响我国东部地区冬季温度异常的关键海区。前期夏、秋季赤道印度洋、赤道东太平洋海温异常与我国东部地区冬季温度异常有较好的相关关系,对预测我国东部地区冬季温度异常有一定的前兆意义。且不同关键海区的海温异常在不同季节对我国东部地区冬季温度异常产生影响的区域不同。