层结稳定性“豁口”与北太平洋副热带中部模态水形成机制

本文首先指出北太平洋副热带中部模态水(简称中部模态水)的形成具有显著的"局地"特征,其形成海区在(165°E^160°W,38°N^42°N)区间.海气通量分析表明单纯的外部大气强迫场(太阳短波辐射、净热通量和风应力旋度)不能解释中部模态水形成海区的"局地"性;进一步对上层海洋层结季节变化特征的分析发现秋季(9~10月)在北太平洋中部上层海洋(<75m)(165°E^160°W,38°N^42°N)区间存在特殊的浮力频率低值区——层结稳定性"豁口".该层结稳定性"豁口"作为"预条件(Precondition Mechanism)"机制对中部模态水形成的"局地"特征给出了合理的解释.在上述研究的基础上,基于一个上层海洋混合层热平衡方程,通过诊断分析揭示该层结稳定性"豁口"是由海表热力强迫、垂向挟卷、Ekman平流和地转平流效应共同导致的,"豁口"东、西边界的确定直接或间接地取决于海表热力强迫、Ekman冷平流和地转暖平流的纬向分布差异.

青藏高原暖季贴地层大气的层结稳定度分析

本文根据1979年5—8月高原大气科学实验的梯度资料,对高原贴地层的理查逊数R i进行了比较系统的分析,得到的结果对青藏高原大气贴地层的某些物理特点有了进一步的认识。

层结稳定度和波速对孤立波解的影响

采用相平面方法，不引进ＫｄＶ方程，而利用一般微积分知识重新求解描述大气运动的非线性方程组，得到在方程组适用域内不仅有孤立波解，而且还有其它形式的解．

“96·7”新疆大暴雨过程中大气能量及层结稳定度分析

着重分析了“96·7”新疆大暴雨过程中，大气高能区及层结不稳定区与强降水中心的时空分布关系。结果表明上游高潜能不稳定大气东移后，在适当的天气形势下，在中天山一带引起不稳定能量释放，造成和加剧了暴雨天气。高能区大范围长时间的维持，为这次暴雨天气提供了足够的能量。大尺度环流形势为能量的汇聚与释放提供了有利条件。

温度层结对建筑风环境定量影响的大涡模拟

基于局地气候区分类,选取了北京门头沟地区4种局地气候区(高层开阔、高层密集、中层密集、稀疏建筑)作为研究对象,利用高分辨率大涡模拟方法,数值研究温度层结效应对不同局地气候区风和湍流特性的影响。2019年11月7日晴天小风个例模拟结果表明:1)温度层结对湍涡的形状和范围有显著影响。在近地面水平剖面上,稳定层结下涡旋数量较中性层结情况减少,但涡旋的纵向延伸范围可增大67%;不稳定层结下涡旋数量较中性层结增加,涡旋的纵向范围可缩小60%。在垂直剖面上,相较于中性层结,稳定层结下环流结构减弱且涡旋的纵向范围可缩小40%,不稳定层结下环流结构增强且涡旋的纵向范围可增大20%,该现象在高层密集型地块最为明显。2)4种局地气候区的风速的高值区主要位于平行于盛行风方向的建筑物两侧及屋顶附近,热力作用对总风速有增益作用,近地面风速较入流风速可增加1.27~2.18倍。3)4种局地气候区湍动能的高值区主要位于建筑物底部拐角处和屋顶,不稳定层结下近地面的湍动能是中性层结的1.2~1.5倍,而稳定层结下是中性层结的0.5~0.8倍,即不稳定层结条件下浮力引起的热力湍流增强混合效率,而稳定层结条件下湍流运动受到抑制。4)相较于其他局地气候区,高层密集区域的建筑物底部风速较大,在不稳定层结下易形成较强的狭管效应,其街区峡谷最大风速是中层密集的1.5倍。

稳定层结下近地层垂直风速方差σw/U*相似性的理论探讨

利用相似性理论，假设在稳定层结下近地层的垂直风速方差σＷ是高度Ｚ的弱函数，推导得到了近地层的σＷ／Ｕ＊与Ｚ／Ｌ的函数关系式。该式可以解释稳定层结下的σＷ／Ｕ＊并非常数等事实。

中性与稳定层结条件下建筑物周围流场与污染物扩散的风洞模拟研究

通过风洞实验研究了中性(Ri_b=0)和稳定层结(Ri_b=0.057)条件下建筑物周围流场与污染物扩散规律,采用冷线和热线相结合的方式测量了建筑物周围的平均流和湍流结构,采用示踪实验方法研究了中性和稳定层结条件下污染物浓度分布特征。分析表明,当大气处于稳定层结条件下时,纵向速度和湍流强度略小于中性层结。不同温度层结对建筑物近场污染物扩散的影响不同,稳定层结抑制了垂直方向污染物的扩散,使得污染物浓度增大。最大归一化浓度出现在靠近建筑物的位置(x/H=1/3),出现的高度在z=1.2H处,稳定层结下最大归一化浓度K=11,中性层结下最大归一化浓度K=7.随着下风向距离的增加,浓度峰值出现的高度下降,且相较于中性层结,稳定层结条件下峰值出现的高度较低。

稳定层结下对称型街区污染物扩散的风洞研究

通过风洞实验研究了来流与对称型街区迎风侧呈90°时,城市环境中不同温度层结(中性:Re_(δ)=2.15×10^(4),Ri_(δ)=0;稳定:Re_(δ)=2.0×10^(4),Ri_(δ)=0.76)对烟囱排放污染物扩散的影响。以对称型街区为研究对象,示踪气体(CO)从街区上风向的烟囱中释放,在下风向对街区尾流区域的平均风速、湍流强度以及浓度进行测量分析。结果表明:当大气层结稳定时,对称型街区近尾流区域的速度以及湍流强度小于中性层结。污染物在垂直方向上出现了下洗现象,在近尾流区,稳定条件下浓度增加。

不稳定层结在对流性暴雨中的作用

不稳定层结是对流性暴雨必要条件之一。这个条件包括:(1)不稳定层结的形成;(2)不稳定能量的贮存;(3)不稳定能量的触发释放和重建三个方面。

南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征

根据南海季风试验期间“科学１号”和“实验３号”在加密观测期间所得到的１天４次的探空观测资料，分析了南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征。结果表明：（１）南海北部季风爆发的日期是５月１７日，而南海南部季风爆发的日期是５月月～２２日左右，季风爆发在南海北部表现出与南部明显不同的特征，其突然的爆发性更为显著。（２）南海季风爆发前后，混合层高度的变化在南海南部与南海北部有明显的不同。在季风爆发前，都存在着明显的混合层，但其厚度不同。南海南部混合层的高度变化在 ９３０～９７０ ｈＰａ范围内，而南海北部偏高，约为 ９００～９８０ ｈＰａ。随着季风的爆发，混合层厚度减小，甚至消失。（３）南海季风爆发前后对流层中低层表现出明显不同的层结结构。季风爆发前，空气比湿较小，大气稳定，混合层顶高度较高，在对流层中存在一个明显的干层。随着季风的爆发，干层逐渐减弱，或趋于消失。这主要是由于季风爆发后，西南季风把大量暖湿空气输送到南海地区，对流活动增强，大气呈现不稳定层结并伴有降水发生的结果。

温度层结对城市街区流场及污染物扩散影响的数值模拟研究

采用标准k-ε湍流模型研究了温度层结对三维街区流场和污染物扩散的影响。结果表明,温度层结对街区流场和污染物均有一定影响。随着不稳定性的增加,气流涡旋中心向地面靠近。中性温度层结下,污染物随着街区内的涡旋先向背风侧迁移,然后主要随气流向下游迁移,很少向上游街区迁移。而不稳定温度层结下,上游街区污染物浓度也随之增加。根据污染物通量分析可知,建筑物顶面污染物的湍流通量均为正值,且随着不稳定性的增加而显著增加,湍流在污染物扩散过程中起着积极的主导作用。建筑物侧面污染物的横向传输主要是由对流运动主导,湍流输送作用相对较小。

Energy-Casimir方法在中尺度扰动稳定性研究中的应用

考虑湿空气中的水汽效应,引进Casimir函数(它是虚位温的单值函数),在x方向动量方程和总能量方程的基础上,采用Energy-Casimir方法建立了三维非地转平衡和非静力平衡的拟能量波作用方程,由于该方程建立在非地转平衡和非静力平衡的动力框架下,因此可用于讨论层结稳定大气内中尺度扰动系统的发展演变。理论分析表明,拟能量波作用方程具有非守恒形式,其中的拟能量波作用密度主要由扰动动能、有效位能和浮力能三部分组成;拟能量波作用密度局地变化除了受拟能量波作用通量散度影响之外,纬向基本气流切变、科氏力作功以及由非绝热加热和水汽相变所构成的波作用源汇项对其也都有贡献。诊断分析结果表明,对流层中低层的拟能量波作用密度与观测的6 h累积地面降水在水平空间分布和时间演变趋势上比较接近,说明拟能量波作用密度能够较好地抓住强降水区上空对流层中低层动力场和热力场的扰动特征,并在一定程度上可以有效地表征降水系统的发展演变,因而与地面降水量存在紧密联系。波作用方程各项的计算分析表明,波作用通量散度与拟能量波作用密度局地变化的倾向以及强降水区的变化比较一致,并且在强度上强于纬向基本气流切变项和科氏力作功项,因此波作用通量散度对拟能量波作用密度的局地变化具有重要贡献。

冬季热带中东太平洋海温变化对广西大雾日数的影响

利用1979—2020年广西80站逐日大雾资料、Hadley中心海表面温度资料以及NCEP/NCAR再分析资料,结合相关分析、合成分析以及信息流因果理论,分析了冬季热带中东太平洋海温变化对广西大雾日数的影响。结果表明:冬季热带中东太平洋海温是广西雾日数的显著影响源,海温偏高(偏低)一定程度上导致了广西冬季大雾天气多发(少发)。冬季热带中东太平洋海温偏暖,引起上空上升运动异常,减弱了沃克环流,导致热带西太平洋出现下沉异常。热带西太平洋下沉异常导致局地负的加热异常,从而在热带西太平洋北侧菲律宾一带对流层低层激发出反气旋异常。广西在菲律宾异常反气旋西北侧的西南风影响下,一方面动力上使得近地面层偏北冬季风风速减小,有利于大雾形成和维持;另一方面使得南海至西北太平洋一带维持显著的异常反气旋水汽环流,有利于南海水汽向华南输送,使得广西上空整层水汽通量辐合增强,对流层低层绝对湿度增大,水汽逐渐饱和,近地面层结稳定度增强,为大雾形成提供有利条件,最终导致雾日增多。冬季热带中东太平洋海温偏冷时则形势大致相反,广西大雾少发。

2023年2月9—10日石嘴山市大雾天气过程分析

利用地面观测资料、Micaps常规资料、探空资料和EC模式物理量场资料,对2023年2月9—10日发生在石嘴山市的大雾天气过程进行了详细分析。结果表明:本次大雾过程是在较为稳定的大尺度环流背景下产生的,中低层暖温度脊控制,地面均压场维持,大气层结稳定,有利于低层逆温层的生成;探空资料显示,大雾发生过程中,低层出现多层逆温且较为深厚,对大雾的形成和维持起了重要作用;热力结构表明,温度日较差大表示地面辐射冷却为水汽的凝结起到了重要作用,具有辐射雾的特征;温度平流表明,在大雾发展和维持阶段,低层有暖平流输入,具有平流雾的特征;水汽条件表明,前期的降雪天气、地面积雪融化以及沙湖地区靠近水域,都为本次大雾天气提供了较为充沛的水汽;动力条件表明,在大雾发展维持期间高层存在稳定的下沉运动,在中低层,大雾发生前期存在弱的辐合上升运动,大雾消散期间存在下沉运动。

大连地区辐射雾与平流雾边界层温度场及风场对比

选取2008年3月和6月出现在大连及其沿海地区的辐射雾和平流雾过程,采用GTS1型数字式探空仪探测资料、能见度仪自动观测资料和常规观测资料,对其边界层温度场及风场结构特征进行了对比分析。结果表明,两种性质不同的大雾(辐射雾和平流雾)具有共同特征:都产生于纬向环流背景,中层东南暖湿气流为大雾的形成提供了充沛的水汽和热力条件。但两者存在明显的差异:底层东北风平流降温是辐射雾生成的重要条件,却造成了平流雾的消亡,底层东南风是平流雾生成的条件,却对应于辐射雾的消亡;辐射雾逆温厚而强,平流雾则为弱的逆温或无逆温;辐射雾生消演变对应于大气层结由稳定发展为不稳定,平流雾则对应于由不稳定趋于稳定。

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.

北冰洋春夏季海洋大气边界层特征的初步研究

采用 1998年北冰洋表面热量平衡 (SHEBA)试验的飞机探测资料 ,分析北冰洋春、夏季海洋大气边界层 (MABL)的特征。结果表明 :春季北冰洋MABL基本为近中性层结 ,夏季为弱稳定层结 ;春季边界层高度高于夏季。MABL垂直结构可分为近地层、云下混合层、云层和逆温层 ;MABL顶的层积云呈块状分布 ,云层内湍流输送活跃 ;通量输送水平不均匀 ,动量、感热通量多向下输送、潜热通量向上输送 ;

2次台风外围强对流大风天气对比分析

【目的】为提高台风外围强对流大风预报预警能力。【方法】利用常规气象观测资料和ERA5再分析资料等对2个差异较大的台风在广西造成台风外围强对流大风天气的环流背景、环境条件和雷达回波特征等进行对比分析。【结果】(1)前者的主要影响系统是副高南侧边缘和台风西北侧偏东气流中的东风波动,后者的主要影响系统是台风倒槽,受台风外围环流影响,近地面层风的辐合有利于对流触发;(2)较好的水汽条件和不稳定层结为其发生发展提供了良好的环境条件,2次过程的触发机制略有不同,辐合线位置的差异导致对流初生位置的不同,影响广西的范围也不同。【结论】CAPE值和DCAPE(600 hPa)值等的差异预示着前者对流发展潜势强于后者,所伴随的天气现象也有所不同。雷达回波上的弓形回波和后侧入流急流带来大风天气,大风出现前回波顶高度和最大反射率因子高度不断下降,对大风的出现具有较好的指示意义,单体移速的不同导致大风出现的强度也不同。

边界层湍流参数化改进对雾的模拟影响

为了提高边界层参数化在我国复杂下垫面上的描述能力,改善边界层能量和物质输送计算和检验其数值模拟效果,本文选取WRF三维模式,采用基于我国不同下垫面上的边界层观测资料改进的新MYNN(Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino)参数化方案对2009年3月17日黄海海雾以及2011年12月4日华北地区两次大雾过程进行模拟检验,探讨边界层参数化方案对雾和边界层结构模拟的影响。参照卫星云图和探空资料,边界层内云水混合比垂直积分的水平分布的模拟能力明显提高,反映了改进的MYNN方案能够更好地模拟出两次雾过程的发生、移动和雾区空间分布,更精确的云水混合比和温度的垂直分布能更好地给出雾区的垂直结构和稳定层结,同时可改善雾区低层位温以及比湿垂直分布的模拟。