梅雨末期暴雨过程中高低空环流的耦合——数值实验

一次梅雨末期暴雨过程的数值实验结果表明:模式较好地预报了西南涡的发展,暴雨区与高低空西风急流和南亚东风急流在空间上的联系。对流层上下层的耦合主要发生在低空急流和南亚东风急流之间。以北部上升,南部下沉的反环流为主要特征。无潜热加热模式也模拟出上述特征,说明梅雨期的大尺度环流系统一部分是斜压与大地形强迫的结果,而在暴雨区内的垂直耦合很弱,上升运动减小一个量级。潜热加热极大地增强了垂直反坏流。相应的对流层下层向北的横向运动增强低空急流,对流层上层向南的横向运动增强南亚东风急流。增强了的低空急流和南亚东风急流,通过动量-质量的调整,有利于反环流的维持。 梅雨末期的暴雨过程中,低空急流和南亚高空急流的耦合是重要的。而潜热释放增强了这种耦合。

谢义炳对大气环流系统研究的贡献

对谢义炳在大气环流系统方面所做出的科学贡献作了简要的全面回顾。其中包括:(1)北美切断低压的生命史;(2)东亚高空锋和急流的多层结构;(3)中国降水系统的结构和演变规律(包括梅雨锋、西南低涡等),热带和中纬度扰动相互作用在暴雨过程中的重要性;(4)西北太平洋的台风形成在ITCZ(赤道辐合带)/季风槽中;印度西南季风的低频变化;(5)降水系统的湿斜压动力学理论及其在天气预报中的应用;(6)大气环流的中期变化理论。谢义炳的这些贡献为我们更好地理解大气环流系统并改善了中国的暴雨预报。

厄尼诺与东亚暖冬的数值模拟

应用全球大气环流谱模式（ＥＣＨＡＭ３），根据实际观测的海面温度资料，从１９７９年１月１日长期积分至１９９２年。模拟了厄尼诺年的东亚暧冬和弱冬季风现象。对于模拟的结果进行了初步讨论。

东北冷涡诱发的一次MCS结构特征数值模拟

应用MM5模式对2002年7月12日东北冷涡诱发的强风暴进行了数值模拟,较成功地模拟出了MCS强对流风暴结构.东北冷涡南部锋区斜压扰动及有利的潜在不稳定层结为MCS产生提供了环境条件.MCS在发展阶段,天气尺度抬升使不稳定能量积累,低层中尺度能量锋区及中尺度气旋性环流加强使中尺度辐合加强,产生中尺度强上升气流冲破中层稳定层结,倾斜上升逐渐发展为垂直上升.MCS强风暴成熟阶段地面气压场表现为强的雷暴高压,并有弱的前导低压和尾随低压配合.对应于雷暴高压的边界层冷丘与南部的暖湿气流形成的θe不连续线加强了低层气流的辐合抬升.前导低压与800～700 hPa暖心低压扰动合并在一起,是由地面辐合、上升气流抽吸、潜热增温共同形成的低压扰动,对对流系统的维持和移动有重要作用.

冬季风爆发前西伯利亚高压的演变

本义是一次个例的诊断分析,应用FGGE-Ⅲ_b资料分析了1979年11月12—17日的东亚寒潮过程,着重讨论冷空气爆发前,位于两伯利亚的冷堆的增强过程,运用准拉格朗日坐标系的热量方程和涡度方程诊断了500hPa冷中心的温度变化和地面冷高压上空涡度演变的物理过程,分析结果说明,冷堆的增强与高空槽后急流中心前方出口附近的侧向环流有密切关系,开始时500hPa冷中心就位于此侧向环流的上升支附近,绝热冷却是冷堆加强的主要因子,即动力因子是主要的,冷高压上空的涡度变化与相对的涡度平流关系密切,它也与高空急流的相对位置有关,在地面高压加强的后期,散度项和平流项对于温度变化的贡献相反,但它们的垂直分布都有利于下沉运动加剧.因此,在分析预报中要密切注意忽流的动态. 本文的分析结果将有助于进一步理解冷空气增强的物理机制,也为寒潮过程的分析预报提供一定的参考.

1995年夏季青藏高原上及其邻域的对流活动

通过统计分析１９９５年夏季６～８月每小时一次的ＧＭＳ红外资料，揭示了１９９５年夏季青藏高原及其邻域对流活动的一些天气气候特征，得到以下主要结果：（１）具有明显的区域性。喜马拉雅山分隔开孟湾印度和青藏高原两个主要大值区，另一个主要大值区在老挝至雷州半岛；高原上最频繁的对流区在以３０°Ｎ，９０°Ｅ为中心的地区，而不在高原东部，而且喇叭口形的雅鲁藏布江出口区是一个小值区。高原和孟湾印度两地的对流活动有不同特点，例如：高原上对流活动大值区随月份基本上少动，而孟湾印度地区的大值区随月份西移；对流活动在出梅后的增加幅度高原上比孟湾印度地区更大。（２）有明显的日变化，而且增强过程显著地快于减弱过程。高原上对流活动比孟湾印度地区滞后１～２ｈ，但日变化幅度在高原上更显著。在日变化演变过程中高原上对流活动区少动，而孟湾印度的对流活动区有较大的移动性。

沙尘辐射强迫锋生过程的数值模拟

本文分别利用二和三维数值模式研究了沙尘暴辐射强迫的锋生过程和孤立的沙尘暴单体辐射加热对锋面环流系统的影响。结果表明:沙尘爆发时,沙尘辐射加热在大气低层导致锋生,在大气中层产生一明显的等熵位温层。水平速度场在沿锋面移动方向表现出明显的辐合(散)特征。晚上,沙尘辐射冷却导致大气低层锋消。 孤立的沙尘暴单体辐射加热在盛行风方向强迫出一个明显的垂直环流圈,它在白天较强,晚上较弱和反向。水平风场对沙尘的辐射强迫响应在不同高度上是不同的。

梅雨锋云带内α-中尺度对流系统周边水汽风的分析

应用准静止卫星水汽图像导出的风 (简称为水汽风 )分析东亚梅雨锋云带内中尺度对流系统 (MCS)在对流层上层的流出通道。结果表明梅雨锋云带内MCS有二类流出通道。一类MCS在对流层上层呈现为一个中尺度反气旋。MCS的东部有一支中尺度高空急流 ,这支中尺度高空急流向东流出后转向南 ,流入 2 0°N附近的南亚东风急流内 ,是MCS在对流层上层的主要流出通道。另一类MCS发生在中纬度西风急流的南侧。中纬度西风与MCS南部的偏东北风构成一个反气旋环流带。MCS前方的流出通道 (中尺度高空急流 )是中纬度西风急流的一个中尺度分支。梅雨锋云带内垂直方向水平风速切变小于 1m/ (s·10 0hPa) ,垂直方向“不通风”有利于云带内MCS的维持。初步分析验证了以前数值模拟得到的中尺度高空急流及其流出通道。

沙尘暴辐射强迫的锋生过程分析

本文利用锋面方程结合数值模式结果讨论了在沙尘辐射强迫下,影响锋生过程的物理机制,计算了不同的沙尘分布对这种锋生过程的影响。计算和分析结果表明:白天锋生主要是由非绝热加热和水平速度变形场共同产生的,垂直速度场对锋生的影响较弱,主要起锋消作用。水平温度梯度的平流对锋生(消)的影响都很小。晚上影响低层锋消的主要因子是非绝热加热项。 当沙尘降低时,沙尘辐射强迫的锋面强度和坡度都相应地减小。沙尘暴区中心上空的等熵混合层厚度也随之减少。

五维大型复杂数据集计算机可视化

对目前的“五维大型复杂数据集计算机可视化方法”进行了讨论,详细地介绍了“五维大型复杂数据集微机可视化系统LiveView”的主要功能和在大气科学数值模拟资料分析中的应用实例。

定常辐散场产生的涡源和定常波能量传播

根据ＥＣＭＷＦ１９８０～１９８８年的全球资料，确定了南北两半球对流层上层定常的辐散风所形成的定常涡源的位置、定常波能量传播路径及它们的位置关系，讨论了涡源的形成机制。由此揭示了热带西太平洋积云对流加热、风暴路径上的潜热释放、欧亚大陆冷源及青藏高原热力和动力作用等主要外源在冬夏南北半球定常波形成中的作用。

地形影响蒙古气旋发展的观测和模拟研究

针对 2 0 0 1年 4月上旬一次蒙古气旋发展过程中的地形因素进行了观测和模拟研究 ,结果表明 :依据低层冷空气是否越过阿尔泰—萨彦岭山地产生气旋冷锋 ,蒙古气旋的发生发展过程可以划分为触发和发展两个阶段。在气旋的发展阶段 ,斜压不稳定是其主要强迫机制。伴随地形对低层冷空气阻滞程度的变化 ,蒙古气旋经历了从缓慢发展到剧烈加强的过程。阿尔泰—萨彦岭山地通过对低层冷空气的阻滞使山地上空等熵面更为陡立 ,加强了对流层低层的斜压强迫 ,从而使斜压强迫的涡度增长向低层聚集 ,导致气旋发展强度增强。阿尔泰—萨彦岭山地及其南侧形成的峡谷地形对低空急流的位置、范围、强度及演变过程具有较重要影响。另外 ,对流层高层位涡平流也是气旋发展的一个强迫因素 ,但其影响较小。

导致一例强沙尘暴的若干天气因素的观测和模拟研究

利用常规观测资料和数值模拟方法对 2 0 0 1年 4月 6～ 8日由蒙古气旋强烈发展触发的内蒙古地区强沙尘暴天气过程进行了分析研究。结果表明 :在这次“锋面气旋型”沙尘暴过程中 ,气旋冷锋是该天气系统引发沙尘暴的主要因素 ,冷锋过境对沙尘暴的触发作用远强于气旋发展。影响沙尘暴的天气因素中 ,地面大风形成主要源于气旋发展和锋后强冷平流 ,高空动量的有效下传则是另一重要原因。高空急流加强及其形成的次级环流使高空动量下传到对流层中层 ,其下方形成深厚混合层使这一动量继续下传到地面 ,是高空动量有效下传的机制。“混合层”可以从本质上反映有利沙尘暴形成的大气层结特征 ,其强度和高度很大程度决定沙尘暴的强弱。这次过程深厚混合层的形成是深厚干对流和强沙尘暴产生的主要原因。而它的形成则是长时间地面加热的结果 ,这也是特强沙尘暴仅发生在内蒙古中部偏北地区而不是下垫面条件更为适宜的内蒙古西部的原因。混合层空气的平流作用对内蒙古中部偏北地区深厚混合层的形成具有相当的贡献 ,其作用程度与地形分布密切相关。地面热通量试验证明地面加热不仅对冷锋过境产生的上升运动强度具有直接影响 ,也影响混合层形成和高空动量下传 ,并因此影响沙尘暴强度。

东亚夏季对流云顶黑体辐射温度的频率分布及其日变化

应用逐时GMS-5卫星红外云图云顶黑体辐射温度TBB资料,对1998～2000年夏季(6、7、8月)东亚地区各网格点的TBB按TBB≤-32 癈及TBB≤-52 癈这两个对流云顶阈值范围出现的频率进行了统计。结果表明, 对流云顶TBB阈值出现的频率分布可以客观地揭示对流的地理分布和日变化特征。

对大气气溶胶的辐射效应的数值试验

采用两流近似辐射模式，应用半球常数法近似，采用累加法和倍加法，计算了不同月份大气气溶胶的辐射加热率和减温率的日变化。结果表明，从气候角度而言，气溶胶浓度的差别使得即使是在６ 月份，气溶胶层既可以是冷源也可以是热源；从天气尺度而言，气溶胶的垂直分布和浓度对层结稳定度有着重要影响，并由此从物理上指出了沙尘暴天气过程中辐射效应所起的重要作用。

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析。结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传。对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500hPa左右。高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强。在对流层顶折叠区周边的300—500hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100hPa)。轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动。在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长。这一特征有利于形成更强的沙尘对流层-平流层输送。

基于CALIPSO资料的沙尘暴过程沙尘垂直结构特征分析

综合利用CALIPSO星载激光雷达探测资料和MM5数值模拟结果，对2010年3月19—22日强沙尘暴过程不同阶段沙尘垂直分布特征及其动力、热力结构进行了初步分析，结果发现：在沙尘暴成熟阶段，沙尘层分布于2～9km（850～250hPa）的几乎整个对流层中，冷锋前抬升和锋后下沉导致的旺盛垂直混合使沙尘呈现相对均匀的垂直分布。在沙尘扩展及远距离传输阶段，沙尘层明显分为两层，分别位于对流层低层（700hPa以下）和对流层中高层（600～300hPa）。在沙尘暴各个阶段，弱风速垂直切变和弱位温、相当位温垂直变化始终与沙尘层配合，显示沙尘层维持中性混合层，而两个沙尘层之间则为强风速垂直切变及位温、相当位温锋区。另外，沙尘暴发展过程中，高空急流、位涡、比湿等要素均表明出明显的对流顶折叠和高空位涡下传，且在对流顶较高的区域，沙尘向上的扩展也较高，反之则较低。需要指出，在沙尘暴扩展和远距离传输阶段，在40°N附近，7～9km沿纬向一线，均出现一小范围孤立沙尘区位于平流层中（或平流层附近），表明沙尘暴过程中能够产生沙尘的对流层一平流层输送，并在平流层中形成持续性的沙尘传输带。这可以成为沙尘气溶胶对流层一平流层输送及其在平流层中传输的一个直接的监测证据。

地形影响沙尘传输的观测和模拟研究

文中基于观测资料和数值模拟方法,研究了东亚地形对中国沙尘传输的影响,结果表明:东亚地区沙尘天气多发区主要位于中国南疆盆地和内蒙古西部及蒙古南部。南疆盆地沙尘天气集中在盆地南缘;而蒙古、内蒙古西部沙尘天气主要出现在沙漠腹地。青藏高原东北侧到黄土高原中部是沙尘天气次多发区。蒙古、内蒙古西部沙漠腹地多发区的形成不仅由于这里提供了丰富的沙源,同时也具备了沙尘暴迅速增强的条件:阿尔泰-萨彦岭南侧的峡谷地形强迫形成峡谷急流,明显增强了该区域地面风速;萨彦龄山地南坡携带大量沙尘的向南下坡气流遇到东—西向的峡谷气流时受到阻挡形成聚集;同时,这一地区起伏的地表产生的地形波加强了地面起沙。这种大量沙尘在大气中聚集之后再进行传输的特征可以视为在大气中形成了沙尘"中继站"。导致沙尘进一步向东输送的地形因素是阿尔泰—萨彦岭山地南侧的峡谷地形,而萨彦岭山地南坡的下坡气流和青藏高原东北侧的地形强迫绕流是导致沙尘向南输送的原因。由于青藏高原地形绕流的强大以及冷锋过程的相对频繁使得沙尘的向南输送更为强盛,这也是青藏高原东北侧沙尘天气多发区的形成原因。

导致一例强沙尘暴的若干天气因素的观测和模拟研究

利用常规观测资料和数值模拟方法对影响2001年4月6-8日强沙尘暴天气发生的若干天气因素进行了研究。结果表明在本次“锋面气旋型”沙尘暴过程中,气旋冷锋是引发强沙尘暴的主要系统,冷锋过境对沙尘暴的触发作用远强于气旋发展。冷锋的动力学特点决定其常与强沙尘暴伴随。影响沙尘暴的诸多天气因素中,影响地面大风形成的有效动量下传机制为高空急流下沉支使高空动量下传至对流层中层,其下方形成的深厚混合层使这一动量继续下传到地面。“混合层”从本质上反映了有利沙尘暴形成的大气层结特征,深厚混合层的是否形成很大程度决定着沙尘暴的强度。本次过程深厚混合层的形成是长时间地面加热的结果,这也是特强沙尘暴仅发生在内蒙古中部偏北地区而不是下垫面条件更为适宜的内蒙古西部的原因。混合层空气的平流对内蒙古中部偏北地区深厚混合层的形成具有相当的贡献,其影响程度与地形分布密切相关。地面热通量试验表明地面加热对冷锋过境时上升运动的强度、深厚混合层形成、高空动量下传等具有重要影响,并因此影响沙尘暴强度。

东亚及西太平洋锋面气旋的统计研究

用1958到1989年共32年资料对东亚及西太平洋地区的锋面气旋做了统计研究,气旋生成有两个主要的集中区,蒙古生成区次数最多,沿海生成区次之并还可以分为两个分区。各生成区中心位置和中心数值随季节有不同的变化。 气旋中心气压24小时变化值呈负偏态分布,海洋地区气旋的负偏度更大,爆发性气旋主要出现在海洋上,沿海地区也时有发生。有明显年际、月际变化,主要发生在冬季,次为春季.文中还对爆发性气旋各种特征参数做了详细统计。 用计算气旋活动的相对变率方法,定出了四季气旋主要活动路径。