非线性平衡方案在三维变分同化系统中的应用

文中考虑气流出现明显的弯曲和辐合时,资料变分同化方案中的风压场间动力学约束问题。在强涡旋、锋面等剧烈变化的系统中,地转平衡和线性平衡方程均不能很好地描述风压场关系,非线性平衡方程考虑了流场曲率的作用,能更恰当地反映风压场的关系。把非线性平衡方案应用于三维变分同化分析系统中,可以得到和天气形势相关联的模式变量背景误差协方差,对热带气旋进行同化试验后得到的分析场更协调。结果表明,非线性平衡方程的应用,可以提高强涡旋系统中三维变分同化分析场的质量,对热带气旋强度预报有一定的改善。

山东半岛一次强降雪过程的中尺度特征

利用非静力平衡模式MM5V3.6对2005年12月3日影响山东半岛的一次强降雪过程进行数值模拟,对其中中尺度重力波(MGW)的特征进行分析。并且通过非线性平衡方程(NBE)对高分辨率模式数据进行诊断分析,较详细地说明了非平衡流的出现而引起的地转适应过程以及地形强迫对重力波产生和发展的作用,和它们对强降雪过程的影响。研究表明:这次强降雪过程中的中尺度重力波波长约为100 km,相速约20 m/s;在有利的大尺度环流形势下,太行山的地形强迫与非平衡流是其产生的首要机制,而冬季海陆热力差异形成的海洋的热力作用也是造成区域性强降雪的一个重要原因。非线性平衡方程(NBE)对于非平衡流的诊断在确定波动产生区域方面有比较好的指示作用;通过对波动的结构以及维持机制的分析,这次过程中的中尺度重力波符合波导条件和W ave-CISK理论框架,波动能够从环境场中得到足够的能量从而维持相当长时间,从而造成这次罕见的连续性强降雪过程。

“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。

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。

一次暴雨过程的重力波特征分析

选取四川省的一次暴雨个例分析研究大气中对流活动和重力波的相互内在联系。针对这次暴雨过程,采用MICAPS探空资料和天气雷达资料,并且结合天气学分析以及重力波指数的分析方法对暴雨的形成原因和重力波的机制进行了研究。结果表明:重力波与暴雨有一定的内在联系,重力波引导了暴雨的发展;非线性平衡方程对于诊断大幅度的重力波有很好的指示作用。

一次暴雨过程中重力波和湿位涡分析

利用NCEP逐日再分析资料和常规的地面观测资料,对四川中东部2009年7月31日的局地暴雨过程的湿位涡场及重力波进行了诊断与分析。由于绝热、无摩擦大气中湿位涡守恒,可以得出湿位涡的分布及时空变化与暴雨的发生发展有密切的关系。散度场分布和非线性平衡方程的诊断结果表明,暴雨过程中重力波特征有非常明显的变化。大气的不稳定性不仅是暴雨的激发源,伴随的还有重力波的产生发展,因此湿位涡和重力波都对暴雨预报有很好的效果。