白鹤滩水电站坝区灾害性大风特征分析

白鹤滩水电站地处我国地势第二级阶梯与第一级阶梯交界处横断山脉,地形复杂。受多种天气系统影响,加之特殊复杂的下垫面,大风天气频繁,平均每年发生7级以上大风日数达235 d,占全年总日数的64.2%。分别从时间、空间和气候变化方面分析坝区新田自动站气象资料、NCEP格点资料大风变化规律,具体分析了9级以上各级大风个例特征、瞬时风速、10min最大风速持续时间、坝区9级以上不同等级风速持续时间等大风预报指标,旨在进一步完善9级以上灾害性大风的预报方法,提高电站灾害性大风预警预报气象服务水平。

正压准平衡海洋模型及其解Ⅰ:中纬度大尺度风场强迫情况

本文建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维正压准平衡海洋模型,并对中纬度大尺度风场强迫的情况做了解析求解。结果表明,在近地面西风急流的强迫下,在理想海洋的西海岸以东会出现由气旋涡与反气旋涡构成的涡旋偶;当西风强迫越大,粘性越小时其强度越大,而β越大,β通道的半宽越小,则其沿纬向的变化越剧烈;该涡旋偶的性质属准平衡的涡旋波。将该结果与北太平洋上层流场异常的复EOF分析的第一模态作比较后可见,两者有类似之处。最终,该海洋模型的解则趋于该风场强迫特解。

2003年7月4～5日梅雨锋暴雨维持的诊断分析

利用卫星云图、多普勒雷达产品以及探空资料,结合NCEP/NCAR再分析资料,对2003年7月4～5日淮河流域大暴雨过程发生的环境场条件、强降水的中尺度特征、低空急流与能量锋的配置对强降水天气的影响等进行了详细的天气学分析,并对大气正压非平衡强迫、低空急流与能量锋相互作用对强降水天气发生、发展与持续过程中的影响进行了动力诊断。结果表明:这次梅雨锋暴雨过程,暴雨区上空气柱内水汽较少,孟加拉湾与南海地区向暴雨区输送的水汽占据主导地位。暴雨区的平均散度与垂直速度变化与强降水天气变化比较一致。对流层低层能量锋与低空急流的配置及其相互作用对强降水天气的发生、发展和维持具有重要影响。当低层能量锋与低空急流处于同时强的配置状态时,强降水天气发生并持续;当两者处于一强一弱或两者皆弱的配置状态时,则没有强降水天气发生或持续。正压非平衡强迫对强降水启动作用较大,而湿斜压热动力相互作用对强降水天气持续影响较大,是导致强降水过程维持的主要动力机制。

贵州望谟初夏暴雨环境场和物理量场合成分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°格点再分析资料、FY-2C相当黑体亮温TBB和温度、降水两要素逐时降水资料,选取5次形态相近的望谟夏初暴雨过程,对暴雨发生前、暴雨初期、强盛期及减弱期多个时次的环境场和物理量场进行了合成分析。结果表明,望谟夏初暴雨的主要影响系统是高原短波槽、低层切变线、低空急流和地面弱冷空气,其相互作用诱发了地面辐合线的锋生,导致暴雨发生;暴雨主要集中在23:00-03:00(北京时)之间;中尺度对流复合体MCC或准MCC的形成和发展对望谟暴雨有直接影响;暴雨发生前关键区处于高湿不稳定层结和正涡度辐合中。暴雨强盛时刻,低层辐合、高层辐散的结构特征最为显著;锋生造成的强降水出现在锋区南侧和暖湿空气北侧的强上升运动区;锋生函数揭示出对流层低层锋生出现在800hPa附近;正压非平衡强迫负值区位于贵州西南部,负值中心最强时刻出现在强降水峰值发生前10h左右,这可能是望谟强降水启动的一种机制。合成分析揭示了望谟产生暴雨的共性,为今后预报此类暴雨提供了思路。但这类方法同时可能会平滑部分个性特征,在分析或预报某一次过程时,系统强弱和物理量上可能存在一定差异。

应用新型散度方程诊断暴雨的触发和增幅机理

分析散度及其变化是进行暴雨研究的途径之,而传统的散度方程不能显示包含热力场分布影响散度演变的问题。因此,利用陈忠明等导出的新型散度方程和NCEP/NCAR(1°×1°经纬度)再分析资料,针对贵州省2007年7月25—26日持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,定量诊断分析大气运动的正压非平衡强迫、湿斜压非地转与风垂直切变耦合强迫在暴雨发生发展过程中的作用,并与地面1、6h降水观测资料和卫星云图资料进行对比分析。探讨正压非平衡强迫、湿Q矢量与垂直风切变的湿斜压热动力耦合强迫导致辐合增加与暴雨发生、发展的动力机制。结果表明:强降水主要发生在近中性或弱不稳定层结条件下。大气运动的正压非平衡强迫导致辐合增加是强降水过程的触发机制;在暴雨维持和增幅过程中,湿斜压热动力耦合强迫在强降水的维持方面扮演了重要角色。当强降水过程发生后,才存在湿斜压热动力耦合强迫作用,湿斜压热动力耦合强迫作用是暴雨增幅的动力机制。未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置与散度演变的强负值区变化一致。新型散度方程对强降水预报有指导意义,可以作为诊断散度场演变的一种有效的数学工具。

暴雨激发和维持的正、斜压强迫机制的理论研究

针对暴雨天气的发生、发展都伴随着对流层中低层有很强的气流与水汽辐合持续的天气事实,摒弃传统研究中把散度方程局限于水平动力方程约束的观念,从湿斜压原始方程出发,导出了包含热、动力耦合强迫作用的散度演化方程,揭示了正压大气非平衡强迫和湿斜压大气热、动力耦合强迫在暴雨激发和维持中的重要作用,阐明了持续性暴雨过程中对流层中低层强烈的气流与水汽辐合长时间维持的动力机制。

两层正压准平衡海洋模型的中纬度定常风场强迫解

建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维两层正压准平衡海洋模型,并在中纬度大尺度理想风场强迫的情况下,进行了解析求解。结果表明,在西风急流强迫下,在理想海洋的西海岸以东的上层流场上,在西风急流处会出现较强的东向流;在接近β通道侧壁处则有西向逆流出现;在近西海岸处,在上述东向流的两侧有气旋性曲率与反气旋性曲率的流动;而下层流场的强度与上层流场大致相同,但流向大体相反。由理想西风急流异常强迫出的流场异常的分布形式与以上结果类似。与实际风场异常强迫下的北太平洋上层流场异常进行比较后可知,模型得到上层海洋的结果与实际情况有相像之处。最终,该海洋模型的解趋于风场强迫特解。

应用新型辐散方程诊断“6.28”关岭大暴雨的激发和维持机制

利用NCEP/NCAR 1°×1°和2.5°×2.5°再分析资料、FY—2E相当黑体亮温TBB资料和区域自动站逐时降水资料,结合新型辐散方程,对2010年6月28日贵州省关岭县一次特大暴雨天气的发生和维持机制进行了诊断分析。结果表明:(1)大气运动非平衡强迫使贵州西部地区出现辐合增长,激发了该区域暴雨天气的产生;(2)能量锋生与垂直风切变的耦合强迫,促进了贵州西部地区辐合的持续增长,使暴雨得以维持;(3)对流层中低层湿位涡水平分量与垂直涡度耦合,其负值中心与地面强降水中心相对应,随后中尺度对流复合体(MCC)云团北侧出现了新生单体,第二轮暴雨随即发生并维持。

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8～9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8～9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料，从新型散度方程出发，针对2007年7月16～20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程，通过计算新型散度方程中的各项，诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用，并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明：1）强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2）在强降水开始时期，正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合，正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著，是本次降水开始的启动机制。3）在降水发展维持时段，正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好，斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应，对强降水的发展维持起了至关重要的作用，是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4）正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义，有助于提高暴雨预报准确率。

无结构网格二维海洋模式的正压梯度力算法改进

基于一套自主研制的无结构网格二维河口海洋数值模式A2D,在大圆湖理想模型下,通过与解析解进行比较分析,采用不同架构配置,改进设计正压梯度力计算方法。改进后的算法中引入了从算架构的配置,以配合主算架构,得到更佳的稳定性。通过水位场平面分布与单点过程线可以发现,三组试验的算法均获得了较好的精度和比原算法更好的稳定性,其中TSNS配置算法(中心点计算水位、边中点计算流速的主算架构,配合节点计算水位、边中点计算流速的从算架构)由于其主算架构更接近结构网格下的C网格,在守恒性、移动潮滩边界处理等方面具有一定优势和便利性,有利于在实际海洋中的计算。将TSNS配置算法在江浙沿海进行试算,水位验证结果与实测基本符合,与原A2D模式计算水位之间无显著差异。TSNS算法在稳定性方面的改进,有助于提升模式升级为三维后的稳定性,为今后模式成功升级为三维打下基础。

外强迫作用下正压大气非线性特征数值模拟

在两种边界条件下用正压大气非线性位势涡度方程模拟了强迫、耗散和非线性共同作用下大气运动的若干特征.在南北两端为齐次边界条件时,单纯的热力强迫下只出现了波状定常解;在只有经向加热和波状地形共同强迫下出现了在两种基本流型之间振荡的准周期解,十分类似于旋转地球上大气运动的纬向和经向流型之间的准周期循环,前者对应于强的西风环流,后者对应于弱西风流型.在周期边界条件下,弱的下垫面加热导致定常解,较强的加热强迫可以得到周期解.尽管下垫面的波状地形也能强迫一个类似的准周期振荡,但弱西风流型是对称的,不像大气中的弱西风流型.因此,在周期边界条件下用低阶截谱模式求出的解析或数值解,不一定适合描述中高纬度大气的非线性动力特征.

湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长和暴雨维持的一种机制

打破将散度演化分析局限于水平动力学框架内的传统认识思维,针对大气的斜压性与层结特征将对大气运动散度场演化产生显著影响的事实,从湿斜压原始方程出发,将大气的斜压热力作用通过热力学方程引入散度方程,在替换平衡近似(alternative balance)下,导出了显式包含湿非地转Q矢量与垂直风切变耦合强迫作用的新型散度方程.阐明了潮湿大气中非地转斜压强迫激发散度场演化的物理机制,为利用常规观测资料诊断散度场演化提供了一种有效的数学工具.通过对流层中低层气柱内总体辐合增长影响因子的分析,揭示了正压非平衡强迫、湿非地转Q矢量与垂直风切变耦合强迫激发辐合增长和暴雨维持的动力机制.进一步分析正、斜压强迫因子在暴雨过程不同阶段作用的差异性,提出了正压非平衡强迫是强降水天气过程启动机制,而湿斜压热动力耦合强迫是强降水天气维持动力机制的新观点.