“大气物理学”课程思政初探与实践

本文针对本校农业专业学位硕士研究生选修课“大气物理学”,根据课程的内容和结构特点,从历史进展、时代背景和实践应用三条主线出发,在各个章节中有机融入科学精神、家国情怀、专业自豪感和使命感、哲学思维和传统文化五大思政元素。在本课程中的课程思政初探和实践,不仅提升了学生的专业素质和思想政治素养,也为“大气物理学”课程思政深入建设提供了思路和方法。

威宁一次单体雹暴防雹作业的宏微观物理响应特征分析

为研究单体雹暴作业后雹云宏、微观物理演变特征,利用威宁雪山镇X波段雷达数据和水成物粒子识别方法,并根据催化剂的扩散模式,将雹云演变分区域和时段进行对比分析。结果表明,作业前雹云冰雹形成区水平反射率为45~55 dBZ,差分反射率在-0.5~3.5 dB,差分传播相移率小于0.5°/km,相关系数在0.60~0.92。冰雹形成区主要为雨雹混合物,雹粒子周围围绕着高密度霰和过冷水。作业后,雹云反射率的减小和强回波高度的降低主要发生在播撒时段,回波顶高和风暴高度的降低主要发生在后续时段。作业区中雹粒子、过冷水明显减少,聚合物和冰晶增多,高密度霰变化不明显。单体雹云雹胚来源主要为高密度霰,其防雹效应主要遵循的理论为“利益竞争”和“早期降雨”。

1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅰ:谱宽和速度

为揭示多普勒雷达速度谱宽资料对1522号台风"彩虹"螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变规律的指示作用,基于常规观测资料、多普勒雷达资料和ECWMF再分析资料,分析3个衍生龙卷的超级单体速度谱宽和中气旋速度演变特征。研究表明,速度谱宽可提前10～30 min预示强对流风暴的变化。根据速度谱宽σ与湍能耗散率ε的关系分析,提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷发生发展关系的概念模型。当对流单体进入新的发展阶段时,谱宽值加大呈增强状态;当对流单体处于维持稳定阶段时,谱宽值减小则呈减弱状态。衍生汕尾海丰水龙卷的中气旋最大切向速度19.5 m/s,属中等强度中气旋。衍生顺德龙卷和番禺龙卷的中气旋最大切向速度>27 m/s,均属强中气旋。用多普勒雷达中气旋算法识别的中气旋在距离较远(>80 km)和较近(<17 km)距离上有漏报现象,人工纠正有利于更正预报结果,更准确地指导防灾减灾。

1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅱ:回波结构和钩状回波形成机理

为深入研究超级单体的结构演变及其相关机理,对1522"彩虹"台风登陆前后外围雨带中衍生龙卷的超级单体进行了深入分析。研究结果表明,该台风雨带内衍生龙卷的超级单体持续约1.5 h左右,生命史较短。3个超级单体都在回波段的尾部发展,其中汕尾和佛山2个超级单体在发展过程中合并其后部相对较弱的单体。涡旋结构位于超级单体回波穹隆和悬挂回波附近,龙卷发生期间呈"涡管"状,向移动方向倾斜。由Bernoulli原理和空气动力学相关知识可知,超级单体某一高度上阻碍气旋(反气旋)向前运动的空气阻力f和周围压力差δF的共同作用合力F是钩状回波形成的原因。由此提出的钩状回波概念模型可合理解释北半球西风带和东风带内超级单体演变过程中钩状回波的形成结构及其机理,有助于进一步丰富超级单体结构及其理论内涵,加深对此类强天气致灾机理的理解。

2010年夏季长江中下游持续性异常降水低频特征分析

针对2010年7月一次长江中下游持续性异常降水过程,利用NCEP/NCAR FNL(Final)提供的水平分辨率为1.0°×1.0°的逐日4次再分析资料和中国气象局提供的地面气象观测站逐日降水资料,采用Lanczos带通滤波、离散功率谱分析、相关分析等方法研究了其时空特征、低频系统的环流特征和传播特征。结果表明:长江中下游异常降水过程持续时间长达11 d,2010年7月5-15日,降水带位于整个长江区域,中心位于江西、湖北和安徽省的交界处,降水量高达573 mm。造成此次持续性异常降水的主要原因是冷暖空气交汇,降水发生时,新疆附近中高层存在一低频反气旋加强中心,该低频反气旋北部的西北气流与位于中国东北地区附近气旋的南侧气流汇合,为此次过程提供了西北冷空气,西太平洋东南暖湿气流为持续性降水的产生维持提供了充足的水汽条件。同时分析了2010年夏季长江中下游地区经向风和纬向风的低频振荡传播特征,在此次持续性异常降水过程中低频特征显著,尤其是纬向风场,从7月初到7月中旬存在显著的一次自东向西的低频输送,低频信号中心出现在7月10日左右位于长江中下游附近。说明气象要素的低频振荡及传播在这次长江中下游持续性异常降水过程中有着重要作用。

1951-2011年西南地区春旱成因初步分析

利用国家气候中心西南地区46个国家基准站1951-2011年3-5月逐月降水资料,以降水距平序列作为干旱指数,对西南地区典型春旱年和典型春涝年进行判定,分析表明:该指数能够较准确地筛选典型春旱和春涝年份。结合NCEP再分析资料,对典型年份的环流形势进行对比分析。对典型春旱年的合成分析表明:春季西南地区上空(500 h Pa)受高压脊的控制,辐散气流强,是西南地区春季发生干旱的主要原因之一。之后对2009-2010典型冬春连旱年个例进行分析。

1822号台风“山竹”演变特征分析

为了解2018年第22号台风“山竹”的环流等特征,利用H本气象厅热带气旋最佳路径数据集、中国气象局提供的测站降水资料和欧洲气象中心环流海温数据,对其路径、强度变化、海温背景、环流特征、水汽输送特征以及动热力物理量场进行分析。结果表明:“山竹”生成后先西行,后转为西北行并依次登陆菲律宾广东台山市海晏镇;台风发展演变过程中,中心气压和中心最大风速变化呈负相关。“山竹”移动路径主要受西太平洋副热带高压(简称副高)南侧偏东气流影响;台风发展至强盛过程中,环境风垂直切变跳跃式变低,最低值可达1.51762m/s,有利于维持“山竹”的暖心结构,促使其强度一直维持较高数值;下垫面较高海温的维持也为“山竹”的强盛发展提供了有力支撑。“山竹”在海晏镇登陆前后形成强降水过程,其水汽主要来自孟加拉湾和南海;同时台风中心附近有很强的辐合上升运动,广东地区上空的上升区与广西西部和台湾南部海域上空的下沉区构成垂直环流圈,充足的水汽供应和强烈的辐合抬升运动,致使台风登陆前后暴雨持续发生。

2020年江淮地区夏季持续性强降水过程分析

2020年夏季,中国江淮流域发生持续性强降水,为研究持续性强降水的发生机理,采用美国国家环境预报中心(NCEP/NCAR)提供的逐日再分析资料以及1981-2010年平均的逐日再分析资料,对这次江淮强降水的降水过程和环流形势进行分析。结果表明:(1)本次持续性降水可以分为三个阶段。第一阶段6月18-24日,雨带分布上呈现带状,表现为无降水中心或多降水中心的特征,最大累计降水量为268 mm,位于安徽六安;第二阶段6月26-30日,雨带呈现分散的两条带状分布,最大累计降水量为220.7 mm,位于浙江衢州;第三阶段7月2-8日,雨带呈现纺锤形,最大累积降水量达到了606.8 mm,降水强度强于前两阶段,位于安徽六安。(2)冷空气来自东北路径。第一阶段江淮地区上空被暖气团控制不受冷空气影响,第二阶段和第三阶段冷空气均来自东西伯利亚低槽,且第三阶段冷空气更强。(3)南亚高压的强度上,三个阶段分别为强弱强,与西南水汽输送强度相对应。西太副高在第一阶段强度较弱,范围较大;在第二阶段强度较强,范围较小;第三阶段副高强度和范围都较大。南海的水汽输送强弱主要受副高强度控制。因此,受南亚高压和副高影响的不同,三个阶段来自孟加拉湾的西南水汽输送为强、弱、强;来自南海的水汽输送为弱、强、强,第三阶段水汽最为充沛。(4)第一阶段,日本南部低空急流较弱、存在索马里低空急流,高空急流在东北亚有中断;第二阶段,日本南部低空急流较强、无索马里急流,高空急流连续;第三阶段,日本南部低空急流较强、索马里急流较强,高空急流连续且在东北亚下凹。各阶段高低空急流配置与水汽和冷空气的输送情况相一致,对此次持续性强降水的发生发展起到推动作用。

2016年华南地区一次持续性异常降水过程分析

为了解持续性异常降水的天气过程,利用NOAA提供的逐日降水数据和欧洲中心提供的逐日气象数据集,分析了2016年6月10-17日华南地区持续性降水过程的降水实况和相应的环流特征及物理量场。结果表明:(1)此次降水过程中,华南大范围地区累计降水量超过100 mm,相当于日总降水量在10 mm以上,逐日降水大值区从东南逐渐往西北方向移动;(2)200 hPa上南亚高压的东伸以及高空急流南侧气流拖曳产生的切变而形成反气旋,使华南地区高空处于辐散场中;500 hPa上西太平洋副热带高压(简称副高)缓慢北移,其西北侧与北上的暖湿气流汇合带动水汽在华南交汇,华南地区降水区位于副高西北侧;(3)700 hPa低层南支槽前暖湿气流稳定维持,整层水汽通量矢量的输送大值区与850 hPa西太平洋反气旋西北侧配合良好,孟加拉湾和南海为此次持续性降水过程提供了充足的水源;(4)高低空配置呈现为一深厚系统,有利于此次持续性异常降水的发生、发展和维持。

2000~2017年江淮地区持续性异常降水低频特征分析

利用中国气象局提供的2000~2017年地面气象观测站点逐日降水资料、NCEP逐日4次FNL再分析资料和NOAA向外长波辐射(OLR)资料,依据持续性异常降水指数挑选出67个低频降水事件,之后采用功率谱分析、Lanczos滤波、位相合成分析等统计方法,对江淮地区低频降水的统计特征和高中低层的低频环流场特征进行了分析。结果表明:江淮地区的异常降水事件降水最强的阶段平均持续3~8天,降水带分布在长江沿岸及其以南地区,中心主要位于安徽南部和江西北部。低层(850 hPa),江淮地区的持续性异常降水受到西北太平洋上空西北向传播的低频信号和河套地区东南向传播的低频信号共同作用的影响;中层(500 hPa),江淮地区的持续性异常降水主要受到位于其上空的气旋式系统和南海–菲律宾海地区的反气旋系统的影响;高层(200 hPa),南海–菲律宾海的反气旋环流、江淮地区西北侧的气旋环流及巴尔喀什湖的反气旋环流,三者构成西北–东南向移动的低频波列,与江淮地区持续性异常降水的活跃中断相对应。

2020年和1998年江淮流域梅雨期降水过程对比分析

2020年与1998年均为典型的超强梅雨年,为探讨这两年江淮流域梅雨期降水过程的差异,利用对比分析方法,研究江淮流域2020年与1998年梅雨汛期降水特征的异同点,并对比分析这两年导致降水异常的大气环流特征。结果表明:(1)这两年夏季江淮流域降水量较常年均具有同期偏多,入梅时间早,出梅时间晚,雨季持续时间长,降水范围广,降水强度大的特征,2020年梅雨异常程度总体上强于1998年梅雨期。2020年多雨带覆盖整个江淮流域,最大累计降水量为1623.6 mm,位于安徽黄山附近。1998年多雨带位置较2020年偏南,最大累计降水量为1119.0 mm,位于江西景德镇附近。(2)这两年梅雨期间西太平洋副热带高压均经历了多次阶段性变化过程,副高的北抬和南撤与梅雨的起始和结束、主雨带的位置、降水过程的发生维持都有很好的对应关系。(3)这两年环流特征较相似,南亚高压偏强偏东,副高偏强偏西,中高纬表现为典型的“两脊一槽”型,江淮流域为槽后南下冷空气与副高西南侧北上暖湿气流的水汽辐合区。(4)2020年梅雨期中高纬阻塞高压、东亚沿海低槽、冷空气势力活跃强度较1998年更强,且2020年MJO对流在印度洋的活跃程度强于1998年,更有利于西北太平洋对流层低层产生异常的反气旋环流,因此南下冷空气与北上暖湿气流在江淮流域的辐合更强,具有更有利的水汽条件,导致2020年梅雨期降水强度强于1998年。

2017年长江中下游地区一次持续性异常降水过程分析

持续性异常降水会引起严重的洪涝灾害,造成巨大的社会经济损失。针对2017年夏季长江中下游地区持续性异常降水过程,利用2017年6-7月欧洲中心逐日再分析资料和国家气象信息中心提供的测站逐日降水资料,采用要素空间分布演变分析方法,对2017年6月22日至7月1日降水过程的时空特征和大尺度背景场进行了探讨分析。结果表明:此次持续性异常降水在长江中下游地区沿长江呈西南—东北向带状分布,具有持续性时间长、降水量大的特点;主要影响系统为西太平洋副热带高压(简称副高)、东北低压和南亚高压,其中副高的影响最大,南亚高压主要影响此次降水的范围;东北低压与副高相配合,使南下的干冷气团与北上的暖湿气团在长江中下游地区交汇,交汇位置的移动影响雨带的位置;长江中下游地区位于高空急流入口区右侧,上升运动强烈,850 hPa上的低空急流将西太平洋和印度洋的暖湿空气输送到长江中下游地区。故此次持续性异常降水是由各种因素相互配合形成的。