黄土高原冬季湍流相干结构在地表能量平衡中的作用

地表能量不平衡问题是近40年一直困扰微气象学界的重要难题.本文利用黄土高原定西干旱气象与生态环境试验站的相关数据,通过将湍流分解为相干结构部分和非相干结构部分,在涡动相关法中引入相干结构(Coherent structure,简称为CS)的贡献,探讨了CS在地表能量平衡中的作用.研究发现:(1)CS出现频次高,间歇性显著,在30 min平均时间中出现的数目为38个,出现时间与未出现时间分别占40%和60%左右;(2)CS对通量影响显著,引入CS贡献后,白天垂直动量通量、感热、潜热和湍流通量(感热与潜热之和)等4个通量计算的准确性均获得显著提高,分别提高达26%(0.01 m^(2)·s^(-2))、24%(25.33 W·m^(-2))、31%(6.23 W·m^(-2))和30%(31.66 W·m^(-2)).而不考虑CS的传统方法对这4个通量低估达19%、22%、21%和23%;(3)CS对4个通量的贡献分别为36%、41%、33%和50%;(4)传统方法得到的地表能量平衡闭合率EBR只有0.76、能量平衡残差Res为41.9 W·m^(-2),远未平衡.考虑CS贡献后,EBR增大至0.96、Res降低至10.4 W·m^(-2),地表能量接近闭合;(5)EBR与Res少量的未闭合部分可以非均匀地表产生的垂直感热平流解释.结果表明,CS大幅提高了地表能量的闭合水平,它是实现地表能量平衡的关键因素之一,是产生地表能量不平衡的最重要原因之一,应该在涡动相关法中考虑CS的贡献.

循环同化C波段雷达资料模拟贺兰山地区一次暴雨过程

利用宁夏气象站资料和银川站多普勒雷达资料,对2017年6月4-5日贺兰山地区一次暴雨过程进行数值模拟和同化试验,对比分析不同雷达资料同化窗对初始场及暴雨强降水时段的降水量和落区分布的影响.结果表明,同化雷达资料后加强了初始场中500 hPa“东高西低”的环流形势,700 hPa东南急流的强度和范围明显增强.TS评分结果相比控制试验,6 h循环同化试验RAD6模拟的降水量仅对10 mm降水阈值的模拟效果有改进;12 h循环同化试验RAD12的结果对10、 25和50mm降水阈值的评分均有显著提高.循环同化12 h雷达反射率因子后模拟的云水、雨水含量更大,假相当位温逆温区的水平范围更广,层结不稳定性显著增大,强降水时段雷达反射率因子与雷达观测实况有较好的一致性,700 hPa正涡度带的分布与雨带位置更加一致.

1999年6月长江中下游梅雨暴雨的环流特征分析

利用客观分析资料和加强观测期资料,对1999年6月发生在我国长江流域的持续性梅雨期降水过程的大尺度环流特征进行了分析,结果表明:(1)1999年梅雨期,我国长江中下游强降水带状分布非常明显,强降水主要发生在长江中下游地区,强降水带呈东西向分布,并且雨带的南北边界非常清楚。(2)在对流层低层,从孟加拉湾来的西风气流和西太平洋副热带高压前缘的东南气流在长江流域维持,为此次强暴雨过程产生和发展提供了有利的大尺度条件。高空急流和低空急流的存在和维持为此次梅雨锋暴雨过程的发生提供了有利的抬升机制,而对流层中低层的中性对流不稳定特征则为持续性暴雨过程的发生提供了有利的不稳定机制。(3)梅雨锋区对流层低层的水汽辐合非常明显,水汽输送主要来自孟加拉湾和西太平洋,同时南海季风槽在向梅雨锋区输送水汽的过程中起到了非常重要的作用,它是热带海洋地区向我国内陆输送水汽的通道。(4)平均纬向风速u对流层高层出现了与高空西风急流与高空东风急流相对应的两个强风速核;径向平均风速v在400 hPa以下层次盛行南风,而在400 hPa以上的高层盛行北风;受两侧下沉气流的制约,梅雨锋降水带南北两侧存在位势不稳定层结中的不稳定能量无法释放,因此没有出现明显的降水。

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料、卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料,对2002年6月22～23日("02.6")一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上,利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明:(1)天气分析显示,"02.6"梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线,暖式切变线不太明显,这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强,高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴,南亚高压中心位于我国江南地区。(2)TBB资料分析表明,此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关;强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、暖切变线的的南侧发生和发展,并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。(3)垂直结构分析显示:在中尺度系统开始发展阶段,中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、低空急流核以及高空强辐散低空强辐合,这有利于中尺度系统的发展;当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段,其后部不断分裂出中小尺度系统,对流层低层的θ_e具有明显暖心结构,由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强,导致在800～600 hPa层上θ_e比环境的低,加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱,这不利于中尺度低涡的维持。

“95.1”高原暴雪及其中尺度系统发展和演变的非静力模式模拟

为了对青藏高原暴雪进行深入的数值模拟研究 ,在对 1995年 1月 17～ 18日 (“95.1”)高原暴雪进行天气分析的基础上 ,利用非静力中尺度数值模式 MM5对该次暴雪过程进行了数值模拟 .数值模拟结果和客观分析结果的比较表明 ,非静力中尺度数值模式 MM5有能力再现地面以上大、中尺度环流系统和热力场 ;同时 MM5能够成功地模拟出复杂大地形条件下“95.1”高原暴雪中尺度低涡的发生、发展及结构演变 .模拟的运动场和云微物理量场的时空演变表明 ,垂直运动场与水汽场的耦合是水汽凝结和冻结成雪的运动学条件 ;气旋性涡柱和上升运动及深厚湿舌的耦合是暴雪形成的一种重要动力机制 ;模拟的流场演变表明流场更能表征高原上的中尺度系统 .

“02.6”梅雨期一次暴雨β中尺度系统结构和演化的数值模拟研究

通过利用观测资料和中尺度数值模拟结果，对2002年6月18～19日（“02.6”）的一次梅雨锋暴雨β中尺度系统结构和演化及其发展机理进行了研究，分析发现：（1）此次暴雨过程发生在500hPa东亚大槽不断加深发展的阶段，也是中纬度大气长波调整的时期。东亚大槽后的冷空气和副热带高压前缘的暖湿气流在江淮流域交汇为此次暴雨的产生提供了有利的大尺度条件。同时，对流层低层不断加强的西南气流为此次暴雨过程提供了有利的水汽条件。（2）1小时观测的降水量和TBB的分析表明，此次暴雨的产生主要是由于β中尺度对流云团发展分裂的结果。（3）中尺度模式MM5V3对此次暴雨过程的数值模拟表明：模拟结果较好地再现了观测的和客观分析的天气事实，模拟的1小时降水量与观测的结果对应得较好，β中尺度对流云团位于切变线的右侧西南气流中，但是并没有明显的中尺度环流系统与之对应，这主要是由于细网格域中的模拟结果是各种尺度大气场叠加的结果，β中尺度对流系统的环流系统被掩盖在其中。（4）多重滤波方法和消除趋势方法并没有分离出与β中尺度对流云团相对应的环流系统，区域平均方法得到的中尺度扰动特征可以很好地解释β中尺度对流云团的发展和演变。区域平均法得到的中尺度扰动场的分布表明，两个β中尺度对流云团位于对流层低层鞍型场的膨胀轴上和对流层高层的中尺度反气旋式环流中。大气低层和高层的相互作用、低层中尺度扰动低涡和鞍型场的相互作用，以及对流发展过程中动力和热力的相互作用促进了中尺度低涡的发展。（5）非线性平衡方程的诊断表明，β中尺度系统的发展与非线性平衡方程残差△NBE的发展变化密切相关，β中尺度系统发生发展是动量场和质量场之间出现的不平衡释放的结果。

“99·6”梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析

在天气分析的基础上 ,利用非静力中尺度模式MM5和四维资料同化逼进方法及双向三重嵌套网格技术 ,对 1 999年 6月 2 3～ 2 5日 (简称“99·6”)发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。结果表明 :模拟结果与观测结果的比较指出 ,高分辨数值模式MM5可以成功地模拟梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展 ;模拟结果显示 ,在α中尺度低涡切变线发展过程中 ,低层强的西南急流和东北气流增强了低层的辐合 ;而高空的西风急流和东风急流则增强了高空的辐散 ;正是由于这种从高空到低空环流的配置 ,才促进了α中尺度低涡不断发展 ;模拟低涡切变线不同部位的垂直环流和物理量场表明 ,“99·6”梅雨锋低涡切变线的结构非常复杂 :在梅雨锋的发展期 ,暖锋附近的垂直上升运动最强 ,低涡中心次之 ,冷锋附近最弱。模拟结果也表明 ,由于下垫面特征的不同 ,中国和日本的梅雨锋暖锋附近环流结构有较大的区别 ;模拟结果显示 ,在α中尺度低涡发展过程中 ,不断有扰动在低涡前部发展 ,激发并分裂出一系列的 β中尺度系统 ,β中尺度系统运动剧烈 ,但由于其低层辐合强于中空辐散 。

完全Q矢量及其在暴雨过程诊断分析中的应用

通过对完全Q矢量的分解,把完全Q矢量分解为动力学部分QD和非绝热过程部分QL,并对我国3次暴雨过程中完全Q矢量变化进行了诊断分析．分析结果表明:完全Q矢量能够较好诊断暴雨过程的中尺度系统,完全Q矢量散度的负值区与强上升区有较好的对应;Qx和Qy的垂直剖面分析表明:垂直上升运动总是位于Qx或Qy的正负区域的交汇处;QD和QL水平散度的垂直分布及其随时间的演变表明,动力学强迫总是位于对流层低层,而非绝热过程的强迫主要位于对流层中层,它与积云对流过程中的潜热反馈有关;并且QD的强迫要比QL的强迫早,这也说明积云对流的最初触发机制是动力学的,积云对流过程中的潜热反馈机制只是在对流发生后对对流过程起激励作用．

干旱区天气、气候数值模拟的研究进展

干旱区的气候模拟有着很强特殊性。气候模式是研究和探讨干旱区形成物理机制的有效手段和工具。介绍了近年来国内外干旱气候数值模拟和试验的研究与进展,总结和评述了陆面过程中地表反照率、土壤湿度、植被状况的参数化和对气候的影响,讨论和阐述陆面过程在气候模拟中的重要性。对干旱区的气候和天气灾害的数值模式模拟研究作了一些评述,并对干旱区数值模拟的有关问题进行了讨论和展望。指出干旱区陆面过程的深入研究和干旱区陆面参数的标定,是改进干旱区气候模拟的重要途径。

“07.3”强沙尘暴天气过程的观测分析

利用常规观测的地面资料、探空资料、卫星云图资料、客观分析资料以及民勤站和SACOL站的观测资料对2007年3月27-28日中国西北地区的一次强沙尘暴过程进行了分析.主要结论为:地面快速发展的冷锋以及850 hPa和700 hPa快速发展的短波槽与此次沙尘暴的形成和快速发展密切相关.民勤站沙尘浓度和地面气象要素在沙尘暴发展演化期间出现明显的变化.气压和风速在沙尘暴爆发时出现明显的跃升,气压的变化超前于风速的变化,这表明风场和气压场在沙尘暴爆发时有明显的调整过程;风速及其垂直切变与PM_(10)浓度几乎同时达到极大值,而温度垂直切变极大值出现时刻比PM_(10)浓度和风速垂直切变极大值早出现4h;强的风速垂直切变有利于激发不稳定能量的释放和沙尘暴的形成.SACOL站的沙尘浓度和地面气象要素在沙尘暴发展期间也有明显的变化.风速和气压达到峰值的时刻都超前于PM_(10)浓度出现极大值的时刻;温度垂直切变峰值出现的时刻稍稍滞后于风速垂直切变峰值出现的时刻.

“99.6”梅雨锋暴雨对流动量输送特征的诊断分析

利用MM 5V3输出的高时空分辨率资料对“99.6”梅雨锋暴雨过程中对流动量输送特征X进行了诊断分析研究 ,主要结论如下 :( 1)模拟结果和观测分析的比较表明 ,中尺度模式MM 5V3能够成功地模拟“99.6”梅雨锋暴雨中尺度系统的发生和发展及演变。 ( 2 )通过对中尺度系统强烈发展时刻的对流动量输送 (CMT)诊断分析表明 :动量收支残差与平均流场的方向一致 ,它有利于加速西南气流北上 ,和 β中尺度系统的发生和发展 ;结果也表明强矢量几乎总是与产生强烈上升运动的 β中尺度系统相对应。动能转换的诊断表明 ,低涡前部的相间出现E >0和E<0的区域 ,这显示出在中尺度系统强烈发展时大尺度系统与中尺度系统之间的能量转换非常复杂 ,并不是简单的能量串级过程所能描述的 ;同时E的正值比负值的绝对值要大得多 ,这表明能量主要是从大尺度向次网格尺度转换 ,激发次网格尺度系统的发生和发展。 ( 3 )当切变线低涡离陆入海时 ,X矢量则对西南气流产生强烈的减速作用。 v和 vY的垂直剖面分析显示 ,南风此时在对流层中低层受到明显的减速作用。 ( 4 )转换能量E的垂直廓线显示 ,在中尺度系统强烈发展时 ,对流层中低层的能量顺尺度 (E >0 )输送非常强 ,而在低涡切变线离陆入海时 ,对流层则表现为逆尺度输送 (E <0 )。

阿勒泰山脉对新疆北部地区强暴雪过程影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRFV3.1对2010年1月6—8日新疆阿勒泰地区的强暴雪过程进行了地形敏感性数值试验。结果表明,阿勒泰地形对此次暴雪过程的形成和发展有明显的作用:(1)削减阿勒泰地区地形20%会增加阿勒泰山脉东侧的降水,同时减少其西侧的降水;(2)对流层低层垂直速度的分布显示,在此次暴雪过程中,由于阿勒泰山脉的地形作用会在该地区诱发地形波,削减地形会减弱山脉地形波的强度;(3)削减阿勒泰地区的地形增强了对流层低层700 hPa的气旋式环流,而涡度场的表现则比较凌乱,同时也会对水汽场及云微物理量场产生影响。

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO2和NO2浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO2和NO2浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好。

沙粒启动机制的理论分析

从理论上对沙粒的初始启动与垂直抬升作了理论分析。结果指出,沙粒脱离地面的位置顺序是沙平面上凸拐点处、斜面上外突较大的地方、极大值点、水平面、极小值点以及凹槽的拐点处;提出了沙丘的平化运动、缩移运动与持相运动;气动力起沙的条件是:小粒径沙粒、大风、涡度场(与水平风同符号)、不稳定(层结不稳定与切变不稳定)以及粘性流;冲击起沙的条件是:大粒径沙粒、小风、涡度场(宜与水平风反符号)、稳定大气以及湍流;最后提出了沙尘暴启动的交替循环机制。

“98．5”华南前汛期暴雨的湿位涡异常诊断:质量和热力强迫的数值分析

利用MM5输出的高分辨率资料对“98．5”华南暴雨的湿位涡进行了诊断分析,分析了质量强迫和热力强迫引起的湿位涡异常。结果揭示：降水区位于负湿位涡的下方,负湿位涡的趋势走向与降水区的一致。造成本次暴雨的成因中包括湿对称不稳定和对流不稳定两种机制,湿位涡MPV(moist potential vorticity)的分量MPV2对MPV起主要作用,其中主要是MPV2v的贡献。质量强迫和热力强迫共同作用引起湿位涡异常变化,它们的作用大小相当,在研究暴雨时,不可忽略因降水造成的质量强迫。

“98.5”华南前汛期暴雨的非静力数值模拟和中尺度系统分析

为了对华南暴雨进行深入的数值模拟研究,在对1998年5月23～24日(简称'98.5')华南暴雨进行天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值模式MM5对该次暴雨过程进行了数值模拟.数值模拟结果和客观分析结果的比较表明,模拟结果可以再现造成暴雨的大、中尺度环流条件.造成此次暴雨的中尺度系统具有暖心高湿结构,高空辐散,低空辐合及对应的强上升运动和气旋性涡柱是造成这次暴雨的动力学机制,低空偏南气流对这次暴雨的产生和发展起着重要的作用.模拟的降水中心与观测的较接近,位置略偏南、偏西,雨量略小,但降水时段和雨区模拟较好.降水发生在喇叭口等有利地形;高低分辨率的地形资料对本次降水的模拟结果影响不大.

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。

积雪对玛曲局地微气象特征影响的观测研究

利用2011年12月至2012年3月中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站提供的玛曲站的观测资料,通过对比分析三次积雪过程及其前期无雪时的近地层气象要素特征,研究了积雪对大气温度层结特征的影响。观测结果表明:降雪前降温较快,由冷空气过境引发的降雪过程可使2.35 m高处日最高、最低气温24 h降低10℃,雪后气温回升较慢,平均速率为2.5℃·d^(-1)。温度梯度值白天为负值、夜晚为正值,7.17 m以下温度梯度绝对值较大,平均为0.4℃·m^(-1),7.17~18.15 m温度梯度绝对值较小,其值不足0.2℃·m^(-1),到18.15 m绝对值减小到0.05℃·m^(-1);当地表有积雪覆盖时,早上温度随高度减小的变化趋势出现时间比无雪覆盖时落后1 h,傍晚温度随高度增大的变化趋势较之提前1 h出现。积雪可减小白天气温分布范围,第二次积雪过程由于风速较大减小较明显。除晴天11:00—16:00 4.2~7.17 m,积雪存在将减小各层温度梯度绝对值;晴天11:00—16:00 4.2~7.17 m温度梯度绝对值比2.35~4.2 m偏大,当有积雪覆盖时偏大幅度明显增大,出现这种异常主要是受4.2 m偏暖的影响,这种偏暖现象可能是由观测场内外下垫面植被覆盖不同而引起的温度平流所致,当风速较大时,将破坏这种平流作用,不同高度温度趋于一致。

2012年宁夏“7·29”大暴雨过程的数值模拟研究!

利用常规观测资料、雷达回波资料、TBB卫星资料,WRF模式模拟输出的高时空分辨率结果对发生在2012年7月29-30日("7·29")宁夏北部地区的一次大暴雨过程的维持和演变进行详细分析。主要结论如下:(1)此次大暴雨过程与200 h Pa高空急流、500 h Pa短波槽及700 h Pa切变线发展和变化密切相关。(2)模式结果显示700 h Pa低涡及暖式切变线、低空急流形成是大暴雨形成的主要原因之一;低空急流从29日22:00形成,维持近7 h。(3)分析发现高层辐散明显早于低层的空气辐合,在低层空气辐合中心出现之后高空辐散继续加强,高空强辐散和低空强辐合导致明显的上升及700 h Pa低空急流形成和发展。(4)诊断分析显示ΔNBE的范围与1 h后强降水的落区有很好的对应关系,对流性降水阶段ΔNBE较大,不平衡特征明显,而在稳定性降水阶段大气质量场和流场之间的不平衡特征相对较小。(5)对此次暴雨的水汽输送分析表明水汽主要由偏南风低空急流输送,净水汽输送强度的变化与对流性降水阶段和稳定性降水阶段较为吻合。

陕西中西部地区一次暴雨过程的数值模拟研究

利用多种观测资料和NCEP再分析资料,分析了2011年7月28-29日发生在陕西中西部地区的一次中尺度系统暴雨过程,运用WRF模式模拟研究了此次暴雨过程的中尺度系统环流特征及其发生、发展的动力和热力特征。结果表明,此次暴雨过程与高空槽的发展演变密切相关,低空切变线是暴雨过程产生的中尺度系统。暴雨区存在弱低空辐合与强高空辐散,正相对涡度与垂直上升运动明显;暴雨发生前对流有效位能(CAPE)明显增大,未来3 h降水区域位于850 h Pa切变线和CAPE高值区附近,强垂直运动触发CAPE的释放,使其在12 h内减少量达2200 J·kg-1,是形成此次暴雨的重要因素。暴雨发生、发展过程中,非线性平衡方程残差大值区与未来1 h降水区相对应,与质量场和动量场之间的调整有密切关系,大气运动的不平衡通过散度场的变化调节,在中尺度区域激发出辐合、辐散的快速增长,从而激发出暴雨天气,非线性平衡方程残差值是表征激发暴雨天气的重要动力因子。