基于数值模式评估细尺度参数化方案在南大洋背风波生成源地的适用性

验证基于GM(Garret-Munk)大洋内波普适谱的细尺度参数化方案在不同海域的适用性,对于湍流混合研究来说非常重要。包含背景GM内波场的高分辨率数值模式被用于评估细尺度参数化方案在背风波生成源地处的适用性。细尺度参数化方案主要包括基于剪切的G89 (Gregg 1989)方案、基于应变的W93 (Wijesekera 1993)方案、基于剪切和应变的GHP (Gregg-Henyey-Polzin)方案以及对GHP方案中的频率矫正项作出变换的IH (Ijichi-Hibiya)方案。计算结果显示,背风波的生成伴随着海底上方近惯性内波的增强,使得内波场的动能与势能的比值相较于GM内波场偏大。在这种情况下,基于剪切的G89方案会因为高估内波场的总能量而高估耗散率。反之,基于应变的W93方案会因为低估内波场的总能量而低估耗散率。计算结果还显示,已经考虑了内波谱变形的GHP方案仍然会高估耗散率,但IH方案能比较准确地估算耗散率。

中尺度地形背风波的作用及其应用

文中探讨了中尺度地形背风驻波及对天气系统发生发展的影响问题，通过建立一个含类似大别山地形作用的简化数学模型并进行了数值计算，结果表明，当过山气流u取１０１ｍ／ｓ量级，层结参数Ｎ取１０(－３)ｓ(－１)量级，其比值Ｕ／Ｎ约为３×１０３～４×１０３时可出现一种相当正压的地形背风波，其波长近于Ｕ／ｆ～１０２ｋｍ（ｆ为柯氏参数）。结合上述理论结果和实际暴雨个例，分析指出在江淮梅雨期间，当有移动性的暴雨区移至大别山定常背风波的适当位置时，暴雨会得到增幅。

背风波和逆温层效应对兰州小高压形成环境的影响研究

利用兰州和民勤两站干年（1995年）、湿年（1994年）的5～6月08：00和20：00气象观测资料，采用Scorer背风波参数等方法对兰州小高压的形成、发展机制进行动力和热力学诊断分析。分析表明，兰州存在明显的背风波效应和下沉逆温；民勤有较强的逆温层特征，逆温频数多且强度大，辐射和扰动逆温较明显，它们的背风波和逆温层特征影响着兰州小高压的形成、尺度和位置。兰州小高压是青藏高原大地形和大气环流共同作用的一种边界层现象，与青藏高原北部较强的逆温和背风波效应有着重要的关系，运用中尺度天气学方法得出兰州小高压的预报流程，以建立其诊断和预报的概念模型。

三维三层背风波的理论和数值研究

建立了一个三维三层背风波的理论模型,求出当Scorer参数满足中间层大,上、下两层小的情况下,三维三层背风波的理论波长和扰动分布。利用该理论模型对一个实际的背风波个例进行了计算,得到的理论波长与实际波长十分接近。理论结果还表明波动的最大扰动振幅在中层附近。利用ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式对此个例模拟的结果表明,模拟得到的波长、锲角及波动位相的分布都与理论模型的结果较为一致。

三层模式背风波的理论研究

文中建立了一个背风波的三层理论模式 ;当三层Scorer参数在中层最大、高层次之、下层最小的情况下 ,利用该模式求得了背风波的理论波长及扰动的解析解 ,并对一个典型的个例计算了其背风波波长 ,并在此基础上分析了背风波波长对上、中、下三层Scorer参数变化的敏感性 ,结果表明波长对中层Scorer参数的变化比较敏感 ,对下层Scorer参数的大小和符号都不敏感 ,但在计算背风波波长时不能忽略下层的Scorer参数。

三层模式中地形对背风波振幅的影响

利用一个三层模式和钟形山脉研究了中尺度地形参数对背风波振幅的影响。理论分析表明,若保持地形高度不变,变化地形宽度时,当山脉半宽为背风波频率的倒数,波动的振幅可以达到最大;若地形高度和半宽按不同比例变化时,波动振幅的变化是不确定的;若高度和半宽按相同比例变化时,即保持山脉形状不变的情况下,半宽为频率的倒数的2倍时,振幅达到最大。最后利用ARPS模式对地形参数的变化进行了敏感性试验,模拟结果与理论结果相吻合。

大地形背风波的转槽实验研究

文中利用转槽在相似定律及动力无量纲数的控制下 ,对旋转层结流越过大地形产生的背风波做了一系列的实验。实验及分析结果表明 ,无量纲数中 Froude数是最重要的参数 ,发现在层结适当时背风波同旋涡结构在山的下风方同时出现。在无旋转情况下 ,在 Froude数适当时仍然存在着明显的背风波 ,但旋转的作用能增加背风波的波动幅度 ,特别是起着引发下坡流的作用。

三层模式中背风波存在条件的理论分析

本文针对边界层附近为弱稳定层结或不稳定层结下的背风波,建立了一个三层理论模式,其三层Scorer参数在中层最大、高层次之、下层最小。分两种情况对该类型背风波的存在的条件作了分析,结果表明,在第一种情况下三层背风波的存在条件与二层模式相同,而第二种情况下其存在条件则是二层模式不能描述的。三层模式背风波的存在条件要比两层模式宽松。并用二个例子对这二种情况下的条件进行了检验。

边界层Scorer参数对背风波波长的影响

利用一个中层Scorer参数较大,上、下层Scorer参数较小的3层背风波模型,讨论了边界层(下层)Scorer参数对背风波波长的影响。结果表明,当边界层Scorer参数减小时,波长增大,反之波长减小;当中高层的Scorer参数较小时,背风波波长对边界层的Scorer参数敏感。利用该结果结合观测事实分析后发现,由于地表加热的日变化影响了边界层的Scorer参数,故造成了背风波波长在夜间缩短,在午后增加;此外还发现,因夏季的Scorer参数要比冬季小,这可导致波长变化率在夏季比冬季更大。

水汽和潜热释放对背风波影响的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS进行了理想场的数值模拟,分析研究了水汽和潜热释放对大气层结稳定度的影响以及其在背风波的发展和演变过程中的作用,研究发现,潜热释放对大气层结分布的影响要远大于水汽对大气层结分布的直接影响,如果没有潜热的释放,水汽对背风波的发展和演变的作用非常小,而潜热释放可以使湿层结稳定度急剧下降,迅速破坏原有的层结分布,使这个区域出现非拦截的强烈的垂直运动,波动的崩溃更加迅速和明显。但需要说明的是在试验中,将数值模式里控制潜热释放的参数设为:0、1/2、2的假定情况,则在实际的大气运动过程中是不可能存在的。

三层模型背风波的计算分析和数值模拟

本文将背风波三层模式的理论应用于典型的背风波个例,判断了其解所属的类型,计算了这些个例的波长;指出当有多个波解存在时,最长波长所对应的波解是实际解;本文还用ARPS模式对这些个例作了数值模拟,模拟结果与解析解则有较好的一致性。

三层模式中风场对背风波的影响

为了研究风场对背风波的影响,针对边界层附近为弱稳定层结的背风波,建立了一个三维三层的理论模型和线性计算模式,分析了各层中风速和风向的变化对背风波特征的影响,揭示了气流过孤立山脉产生背风波的有利风场条件。结果表明:背风波的波长、振幅等特征对各层风速和风向的变化具有相当的敏感性,波长随着低、高层风速的增大而增大,随着中层风速的增大先减小后增大;振幅随着低、中层风速的增大先增大后减小,随着高层风速的增大而增大。此外,风速和上下层风向切变的增大均使背风波的形态逐渐由横波型转为辐散型,但是上下层风向的切变对背风波形态的影响比风速更为显著。

关中东部连续性冰雹特征分析

利用关中东部各气象站和各县防雹站(点)建站以来的连续性降雹资料,统计分析了连续性降雹的时空分布、环流形势、物理量场以及强回波移动規律,总结出影响关中东部连续性降雹的重要天气特征及渭北多雹和多连续性降雹的重要原因是特殊地形与秦岭背风波相叠加的结果。

地形对于气流运动影响的数值研究

建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。结果表明：地形的阻挡效应受地形高度、大气层结及地形非对称性等因子的影响。数值试验与理论分析都证明地形越高、层结越稳定时阻挡作用越强；同样条件下，迎风坡坡度大的地形容易对气流形成阻挡。此外，分析了地形高度、大气层结、地形非对称性以及基本入流大小对背风波谷及下坡风强度影响的规律，并通过一次实际观测对数值模拟结果进行了检验。

城市热山波的动力和数值分析

木文采用对数压力坐标系的大气热力-动力学方程组,对城市热岛现象之一的热山波的特征、形成机制、存在条件及其对天气的影响进行了动力学和数值分析。

大别山地形对江淮飑线发展变化及组织结构的影响研究

利用中尺度WRF模式,NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象观测资料,对2014年7月11—12日发生在江淮地区的一次飑线过程进行数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,研究了在经过大别山地形时飑线内部组织结构的变化特征以及地形对其发展的影响。结果表明:(1)飑线经过大别山主体时在山前加强以及过山后迅速减弱的主要原因与山前对流不稳定、上升运动大于山后有关;(2)大别山东部边缘对飑线的加强有增幅作用:当午后飑线移至大别山东部边缘时,东部边缘的谷风加强并强迫对流单体在飑线的前部新生,试验得出谷风可使低层风速最大增强6 m·s^(-1)左右,若无山谷存在时前向新生单体不再出现;(3)经地形敏感性试验得出:地形引发的大别山东部背风一侧的背风波扰动,有利于飑线内部对流单体的发展与加强,同时充沛的水汽补充,也是下山后飑线加强的因子之一。

南岭地形对湖南省冻雨形成与分布的敏感性研究

湖南南岭地形对冻雨形成与分布有重要影响。利用WRF模式模拟了南岭地形对冻雨进行了敏感性试验,结果显示:静止锋是湖南冻雨形成的主要背景,WRF模拟的冻雨区域与观测吻合。山脉的降低或抬升,仅轻微地影响冻雨的空间分布和冻雨量,静止锋对冻雨的影响远较地形要大。随着山脉降低,地面0℃线北移,逆温层强度增大,不利于冻雨发生;相反,山脉抬升使冷空气更易在湖南境内堆积,冻雨区变大。冻雨发生时,在南岭北部形成背风波,导致冻雨降水带呈西南-东北的条状带分布;随着地形抬升,背风波振幅增大且锋面坡度减小,其上的云团被背风波打碎成条状。同时,抬升的地形阻挡了西南暖湿气流,背风坡水汽变少,焚风效应增强,南岭以北的冻雨范围减小。

连续两次飑线大风成因对比分析

采用多源气象观测资料,对2018年5月16日江苏省北部的连续两次飑线过程进行综合观测对比分析和数值模拟研究。结果表明:(1)两次飑线过程在相同天气系统影响下的不同环境场中产生,大别山背风坡的背风波扰动是这两次飑线的共同触发机制。(2)两次过程的雷达回波图上均有后部入流急流和中层径向辐合特征,第一次过程的后部入流急流强度更强、高度更高,中层径向辐合的强度更强、厚度更厚,环境风垂直切变的差异是两次飑线组织结构特征存在明显差异的主要因素。(3)在CAPE值相近条件下,第一次过程的整层水汽更丰富、垂直风切变更强、垂直切变伸展高度更高,导致第一次飑线对流系统发展强度更强。(4)两次飑线大风形成的主要物理机制不同,第一次飑线的后部入流急流引导中高层(5~8 km)干暖空气下沉并入侵风暴体,促使其降水粒子强烈蒸发并形成冷池,同时引导高层动量下传产生强烈的出流气流,最终导致地面大风的形成;而第二次飑线后部入流急流引导中低层(3~5 km)干冷空气入侵对流系统,形成冷池和地面大风。(5)第一次过程环境场垂直风切变条件下形成的飑线组织结构特征,更有利于降水粒子强烈蒸发形成更强的冷池和下沉气流,致使第一次飑线地面大风较第二次飑线更强。

南海混合的能量源研究

南海是全球内波高发区之一,也是强混合海区。本文利用公开的温盐、流场、风场等数据,结合理论模型分别给出了近惯性内波、内潮、背风波对南海混合的能量贡献及空间分布。三者输入南海的能量之和约为19GW,其中近惯性内波贡献27%;内潮贡献66%;背风波贡献7%。假设这些能量全部在南海耗散为混合提供能量,计算得到南海的平均混合率约为2.8×10^(-3)m^2·s^(-1)。

三峡坝区一次冬季持续性晴空大风的成因分析

2021年1月中旬,三峡坝区出现了一次严重影响近坝区通航安全的持续性晴空大风过程(以下简称“21·1”坝区晴空大风)。使用常规观测资料及中尺度观测资料等,应用天气学分析和诊断方法,分析了“21·1”坝区晴空大风时空分布特征及其成因。结果表明:此次晴空大风发生在背风坡河谷地带,大风期间存在4次风速波动,夜间风速大于白天;地面大风由边界层动量下传导致,动量来源于低层急流,下沉运动与大振幅背风波有关。边界层垂直风切变和逆温层的稳定存在使背风波持续时间增长,逆温层下较大的温度垂直递减率进一步加强了下沉运动,是晴空大风形成并持续的主要成因。