一次华南——江南持续暴雨的大尺度水汽场和中尺度特大暴雨模拟诊断分析

按天气学方法,对2010年6月华南—江南持续暴雨作大尺度水汽场诊断分析,同时用三重嵌套WRF中尺度模式,模拟6月19—20日"高空槽-西南涡-切变线-低空急流"系统造成的江南特大暴雨过程,并且对模拟中尺度暴雨雨带和雨团作高时空分辨率诊断分析。诊断物理量包括:可降水量、对流可降水量、水汽及云水、云冰通量和通量散度、水汽权重平均风速、凝结函数降水率等。模拟与诊断分析表明,华南江南持续性暴雨大尺度水汽场特征是,因东亚"中高纬度正距平中低纬度负距平副高偏强偏西季风槽异常活动",造成孟加拉湾和南海上空的大尺度水汽进入大陆;中尺度特大暴雨发生在上游区有暖湿急流、并处于风场辐合的"水汽+云水+云冰"(总水物质)饱和高值区;因凝结函数降水率和总水物质通量散度降水率均为风场(散度场)中垂直运动产物,模拟的凝结函数降水率随模式时空分辨率提高而逐渐逼近于模式的显式降水物理过程,当模式分辨率达到4 km,可模拟出"西南涡切变线"系统中,有凝结函数降水率为1~3 mm·min^(-1)的中尺度雨团生消;且模式大气中的云水、云冰碰并增长降水率,可用其通量散度描述,并且应与凝结函数降水率相叠加。从而表明,模拟中尺度雨带和雨团发生、发展的天气学动力因素,只能是天气系统风场,即是模式的高时空分辨率散度场决定模式大气垂直运动,进而决定凝结函数降水率和总水物质通量散度降水率,它们一起构成了模式显式降水(率)。

全球(Z)双三次数值模式的设计与个例模拟(Ⅱ):个例模拟结果分析

引入双三次数值模式:通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合—……",实现成为一种新算法的数值模式。在球面Z坐标系上,给出全球经纬网格双三次数值模式的一个设计。全球(Z)双三次数值模式采用非静力、全可压、干/湿绝热大气运动动力框架,并采用显式水平方向准拉格朗日/垂直方向欧拉时间积分方案,用NCEP再分析资料做初值场,初步模拟出从极地到热带的基本大气环流。模拟试验表明:因大气运动本质上是非线性的,当限定模式大气作线性"一次运动"时,个例模拟无须任何平滑;但限定模式大气作"三次运动"时,必须有适当平滑。本文认为,未来双三次数值模式可按场变量双三次曲面曲率,以判断采用符合物理诠释的局域(或单点)平滑;又若大气非线性运动不稳定区恰是天气系统发源地,则全球多重/时变套网格双三次数值模式是今后研究的方向。

全球(Z)双三次数值模式的设计与个例模拟(I):模式动力框架设计

引入双三次数值模式:双三次数值模式是通过作三次样条与双三次曲面拟合,实现各个大气要素量场的二阶可导,从而可对各个预报方程作时间积分。双三次数值模式适合采用大气运动原始方程组和采用水平方向准拉格朗日/垂直方向欧拉时间积分方案。且本文的全球(Z)双三次数值模式与个例模拟实际采用Navier-Stokes"浅薄大气"原始方程组,建立球面Z坐标系上的非静力、全可压、干/湿绝热大气运动动力框架。其离散化气压、气温预报方程与个例模拟揭示出大气运动中凝结降水,其天气学原因不仅是湿空气作Z坐标垂直上升运动,而且是湿空气被"减压/减温",即湿空气作P坐标"垂直上升运动",后者可由大气平流运动(如Rossby波)引起。

基于三次插值函数算法的时间积分方案与二阶时空余差数值模式——以原始大气运动方程与理想全球模拟个例为例

从大气运动原始方程和欧拉算符出发,用泰勒级数展开,给出二阶时空微商余项预报方程。进而讨论用三次插值函数——双三次曲面拟合求上游点的准拉格朗日时间积分方案与相应的二阶时空余差数值模式——"双三次模式"。则双三次模式是通过实现各个大气物理量场的二阶可导,从而可对预报方程做空间非线性("三次")时间离散积分,成为"双三次曲面拟合——时间步积分——双三次曲面拟合——……"一种新算法数值模式。讨论双三次数值模式的数学基础:三次插值函数及其数值分析极性定律用于数值模式。指出:双三次模式和谱模式都具有数学"收敛性";而Coons双三次曲面具有对变量场拟合二阶可导"最优性";和Hermite双三次曲面片具有对网格变量场二阶可导运算"等价性"。又指出:有限差分模式的中央差近似斜率和曲率,分别是三次样条斜率和曲率作"三点平滑"。双三次模式适合采用原始大气运动方程,适合采用准拉格朗日时间积分方案,并给出一个理想全球模拟个例。因大气运动本质上是非线性的,理论上可按变量场双三次曲面曲率判断,以采用符合物理诠释的局域或单点平滑,以保持模式时间积分稳定性。且未来容易实现全球多重/时变套网格双三次数值模式。

2007年7月淮河流域暴雨过程天气学诊断计算与分析

采用T213L31模式大气资料,在等熵坐标系上,对天气学凝结函数降水、水汽通量散度降水做诊断计算;又对对流不稳定降水和气块(团)不稳定降水做理想设计与诊断计算,用以对2007年7月淮河流域暴雨过程的诊断计算。分析表明:大尺度稳定性的凝结函数降水量级较小,天气尺度波动的水汽通量辐合降水虽量级较大,却都不足以形成暴雨,但是它们可以组织起对流性降水运动,被组织的对流不稳定降水则可以形成暴雨,但仍不足以形成大暴雨,只有参与层结不稳定降水,才可以形成大暴雨。因淮河流域高空锋区上多有高空槽及冷空气活动,且副热带高压偏强偏西,使得东亚季风进程中的长时间水汽通量辐合与高温高湿气团维持在淮河流域上空,并在地面静止锋上由凝结函数降水和水汽通量散度降水引发非等熵湿绝热运动的对流不稳定降水和层结不稳定降水,是淮河流域暴雨天气学成因。

一次西南涡特大暴雨的中尺度诊断分析

采用LAPS中尺度分析模式大气资料,对2008年7月一次西南涡暴雨过程进行天气学降水运动的中尺度诊断计算与分析。诊断计算包括:可降水量、层结不稳定能量、对流可降水量、水汽权重平均风速、水汽通量散度、云水、云冰总量及其通量散度和垂直速度与凝结函数降水率等。结果表明:"西南涡—切变线"系统的暴雨发生在暖湿气团与变性冷气团之间的中尺度风场辐合上升运动区,中尺度雨团发生在层结不稳定的暖湿气团一侧。计算的中尺度垂直运动与凝结函数降水率场,降水率为暴雨到特大暴雨。计算的水汽通量辐合降水率与凝结函数降水率不会完全重合,且水汽通量辐合既可致中尺度"雨",又可成大尺度"云",并且云水、云冰通量辐合/辐散,可解释为它们的"正"/"负"碰并增长,而碰并增长产生水凝物增量(降水率)促成大暴雨。因此,在凝结函数降水率场中产生的中、小尺度对流雨团,加上水汽与云水、云冰通量辐合及其碰并增长,并且借助层结不稳定能量释放和可能产生的强迫"次级环流"及水汽与云水、云冰输送,是"西南涡—切变线"系统造成襄樊特大暴雨的天气学成因。

2008年1月我国南方持续雨雪过程的诊断分析

采用T213L31产品模式大气资料,对2008年1月我国南方雨雪过程的天气尺度的凝结函数降水、水汽通量辐合降水,以及对流不稳定与层结湿不稳定降水做诊断计算。结果表明,大尺度稳定性上升运动的凝结函数降水场和天气尺度波动的水汽通量辐合降水场,可以反映西风带天气系统,进而反映长波调整与更替及伴随"槽来脊去"的大尺度水汽场相变变化,以及它们组织中尺度对流不稳定降水过程。La Ni^na事件是2008年1月欧亚大陆大气环流异常的物理背景,在西风带"上(下)游效应"和全球遥相关大气波动影响下,东亚冬季经圈环流和冬季风得到增强,同时,西太平洋副热带高压偏强、偏北,其西侧北上暖湿低空急流与南下的冷空气相遇,造成这次我国南方持续异常的雨雪冰冻天气过程。因受地面冷锋和高空槽活动的影响,凝结函数降水和水汽通量辐合降水是这一次多次雨雪、乃至大到暴雪降水过程的主要原因,而对流不稳定降水和层结湿不稳定降水只在初冬那次强冷空气雨雪过程中贡献大,且仅出现在江南和华南地区。

湖北分县MOS预报系统建立与评分

在T213L31数值模式产品释用基础上,设计计算并选用模式大气中分别与降水、地面气温和风场有天气学意义的线性化预报因子,采用Kalman滤波和相似-Kalman滤波,在湖北省及邻近范围,建立实时(逐日更新样本)多站点、多时次、多要素的统计MOS预报方程,做定点(分县)、定时(6小时分辨率)和定量降水与概率、地面气温和风场客观预报(MOS预报系统)。"系统"经2005、2006年6—8月业务试验表明,各个MOS预报都具稳定性和具有一定的评分水平。从而表明,相似-Kalman滤波在一定程度上消去单纯Kalman滤波"预报滞后"效应,并实现用Kalman滤波或相似-Kalman滤波做定性、定量降水MOS预报,和做地面气温和风场MOS预报,且用了实时历史样本雨/晴预报准确率,当作有/无降水发生概率。

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。

大气中的降水与反降水──' 98梅雨锋暴雨的天气学成因分析与预报探讨

对我国T106L19(客观分析)模式大气(1998年6～7月)做了大气中所有天气学降水(垂直运动形式)的计算。研究表明,' 98长江流域上空暴雨存在着明显的梅雨锋天气(尺度)系统降水,同时,长时间湿空气团的维持及其输运,和在梅雨锋上的非等熵湿绝热运动并不断形成对流不稳定降水,是强降水发生的天气学成因。因此,用模式大气中各种天气学形式的降水去(概率)统计预报实际大气降水,实现了预报因子和预报对象之间数学(统计)意义上的线性化。且表明它们可为统计预报(包括Kalman滤波)提供有明确(直接)降水天气学意义的连续的预报因子(场)。

初论双三次数值模式

讨论在数学Rn空间里,存在孔斯双三次曲面拟合的可能数值模式(以下称双三次数值模式)。双三次数值模式特点是,在诊断上对天气系统中的由各个物理定律表述的(离散点)大气物理量场,可通过数学三次样条函数做双三次曲面拟合,则模式大气(包括天气系统)的各个物理量场均达到二阶可导,即是大气运动方程中的各个物理量场都存在各自的一、二阶空间微商,从而可以对模式大气与天气系统做时间积分。与有限差分模式和谱模式存在所谓的空间截断误差和波数截断误差相比较,双三次数值模式存在所谓的空间拟合误差,恰是现行有限差分模式空间截断误差的高阶小量。而双三次数值模式具有谱模式准确计算空间微商的优点,且双三次数值模式的数学构架能够较好地适应大气运动动力框架,是可与有限差分模式和谱模式相比较的另一数值分析新算法的气象数值模式。

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。

“准拉格朗日法”和“欧拉法”的数学一致性与三次插值函数算法时间积分方案

从预报方程组通式和欧拉算符出发,用泰勒级数展开,推导出时空间微商余项为二阶、四阶完全预报方程组。可以证明,同阶时空间微商余项的准拉格朗日法和向前差分欧拉法时间积分方案,具有相同的物理意义和数学一致性,相比之下,传统中央差欧拉法时间积分方案是"简单格式"与"增大不可预测计算误差"并存。进而讨论用"三次插值函数"实现二阶时空间微商余项准拉格朗日法、或同阶向前差分欧拉法(可"二选一"),它们应该分别替代"双线性插值"准拉格朗日法和传统时空间中央差欧拉法,因前二者时空间微商余项及计算精度高于后二者。所以,三次插值函数算法可将准拉格朗日法和欧拉法时间积分方案、以及CFL判据统一起来。由于三次插值函数具有对原函数"变量场"的数学定律"收敛性"和二阶可导"最优性",且一次"三次插值函数"运算,即具对网格变量场二阶可导拟合"等价性":不仅拟合变量场斜率、还拟合其曲率和挠率。并因周期"三次插值函数",可作全球变量场"三次插值函数"二阶可导拟合,实现全球"三次"数值模式,并且可按变量场曲率判断,作变量场局域或单点平滑,保持"三次"模式时间积分的稳定性。

一模式大气参考状态的计算与特征

在实现计算T106L19模式大气参考状态的基础上,给出了两套有限区域模式大气参考状态,并对其数理特征进行了研究。讨论了可供计算的大气参考状态模式和实现了具体的模式大气参考状态。结果表明,有限区域大气参考状态其空气熵比较符合数学Γ概率密度函数分布,且其低层总存在一个逆温层,但都随季节及大气环流本身有着规律变化。

论Rossby波在东、西风带中传播与频散Ⅰ——谐波扰动Rosshy波和指数扰动Rosshy波

传统Bossby波最初求解于局地直角坐标系(Cartesian coordinate)准地转、准水平无辐散正压大气运动微扰方程,在所谓"卢平面"近似下,归于求解一个关于经向风扰动的二阶常微分方程,它存在可在卢-平面经向-纬向传播的简谐波解,其物理机制是,扰动气流在科氏参数随纬度变化(所谓"β效应")作用下的绝对涡度守恒。本文先讨论传统Rossby波二阶常微分方程"经向谐波扰动-纬向简谐波"(谐波扰动Bossby波)通解,指出传统Rossby波只被描述为谐波扰动Bossby波,即在扰动区内形成谐波扰动可在扰动区外作经向-纬向简谐波的连续传播;又讨论数学上存在的"经向指数扰动-纬向简谐波"(指数扰动Bossby波)另一通解,并且分析与比较两个通解的纬向波速与群速诊断方程。认为,谐波扰动和指数扰动"传播"与"频散"可以在相邻边界上保持为分段"零阶"连续且为有界。从而Bossby波定义为:大气运动受到连续或分段"零阶"连续谐波扰动和(或)指数扰动和(或)其它函数扰动、在β效应与绝对涡度守恒作用下、可以在全球(东、西风带)传播与频散的波动,作"纬向简谐波"传播是Bossby波的唯一识别特征。最后,作为对传统Rossby波的补充,单纯用指数扰动Rossby波波速和群速方程,对西风带中的长-中-短波槽脊传播、阻塞高压建立与后退、大槽建立与寒潮,以及气候上的遥响应,做出新的解释,更对东风带中的东风波(倒槽)与台风传播、副热带高压西进与东退,做出传统Bossby波尚不能解释的初步解释。

2007年8月登陆台风帕布、圣帕暴雨过程诊断分析

采用T213L31模式大气分析资料,诊断计算天气学中的凝结函数降水、水汽通量散度降水,并理想设计与诊断计算气层对流不稳定降水和层结不稳定降水,用于对2007年8月间西太平洋登陆台风帕布和圣帕降水运动进行诊断计算与分析。结果表明:热带扰动中凝结函数降水场呈弱态,但有较强水汽通量散度降水场,且水汽辐合降水运动组织对流不稳定降水和层结不稳定降水。在热带扰动发展与台风形成时,其低层风场水汽辐合与积云对流相互作用的过程,同时是气层对流不稳定能量与气块(团)湿不稳定能量的积聚过程,前者可带来暴雨,后者可带来大暴雨。相关天气学分析表明:台风暴雨是大尺度风场及中尺度水汽辐合降水运动组织起中、小尺度气层、气块(团)对流降水运动,对流性降水是由风场支配故变化较大、较快。

引入考虑凝结作用的连续性方程与积云对流参数化方案修正

文章研究了在热带海洋面上的水蒸发 ,发现水蒸发进入大气层将改变地面气压场 ,且蒸发潜热分为内潜热(水汽内能 )和外潜热 (水汽压力能 ) ,蒸发内潜热立即成为大气热能的一部分 ,而蒸发外潜热直接对大气层作功 ,使得大气位能增加 ;研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对于环境气压场与位势高度场的直接影响。用郭晓岚积云对流参数化方案 (已考虑凝结内潜热对大气的加热作用 ) ,加入了考虑因大尺度凝结降水和积云对流参数化凝结降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化 ,后者应是凝结外潜热过程作用的结果。在上述研究过程中 ,必须引入考虑凝结作用的连续性方程 。

梅雨锋降水运动诊断分析与(大)暴雨形成——江淮梅雨锋暴雨的天气学成因个例分析

对T213 L31再分析模式大气,在等熵坐标系上对天气学大尺度凝结函数降水、水汽通量散度降水做了诊断计算;同时,对整层对流不稳定性降水和气块(团)湿不稳定降水做了理想设计与诊断计算。对2003年7月江淮梅雨锋暴雨的计算与分析表明:两种天气尺度波动的大尺度稳定性降水运动的降水量级较小,都不足以直接形成暴雨;而对流不稳定降水运动可以形成暴雨,却不足以形成大暴雨;只有气块不稳定降水运动,才是梅雨锋上大暴雨的自组织、正反馈的唯一降水机制。研究表明,该江淮梅雨锋暴雨虽然存在着明显的梅雨锋天气尺度降水系统,但充沛的水汽通量和异常高温高湿气团的维持,使得在梅雨锋上发生着的非等熵湿绝热运动及其对流不稳定降水和气块不稳定降水,是(大)暴雨发生的天气学成因。

论大气中凝结过程水汽内能与压力能的不同作用

通过计算可逆湿绝热过程与不可逆湿绝热过程,讨论了大气中凝结时的水汽内能(内潜热)与压力能(外潜热)作功过程的不同物理作用及其在不同(对流与非对流)降水天气系统中的影响。发现“可逆”与“不可逆”湿绝热过程中的凝结外潜热都对环境大气作负功,这是因为水汽相变为水而使得水汽压力能减少。最终环境大气通过凝结外潜热过程,对整个“系统”(如降水对流运动的飑、冰雹、龙卷、台风和非对流运动的锋面降水系统等)作功,其作功“热机”效率约为5％。

数值预报模式中双三次曲面地形与水平气压梯度力计算

利用C3连续双三次曲面拟合了全球数值模式地形曲面;讨论构建了有复杂地形数值模式引入地形追随高度坐标(^z坐标)后,同时引入包含定常斜率、曲率和挠率的双三次曲面地形,又进一步讨论了双三次曲面地形模式大气的水平气压梯度力计算问题。结果表明,对^z坐标模式大气的压、温、湿场,通过做经、纬向三次样条拟合,求得地形斜率"静力平衡"气压差,从而插值(反演)任一水平面(海平面)上的气压场,同时可以求得时变的参考大气,则计算水平气压梯度(力)的精度,完全依赖于插值(反演)对应的水平面(海平面)气压场的计算精度。并指出,理论上可按三次样条的曲率判断,做变量场(地形)的局域或单点平滑。