大范围暴雨过程涡旋场特征的滤波试验

本文着眼于大范围暴雨过程天气尺度系统的诊断研究。采用平滑滤波的方法分解行星尺度及天气尺度谱,计算了暴雨过程不同尺度谱的涡旋场、散度场分布及演变趋势,对天气尺度系统的分布特征、低空急流发展的动力因素进行了分析,且运用描述不同尺度谱的变形涡度方程,对天气尺度系统的移动、发展进行了诊断研究。本文的数值分析表明滤波方法有助于进一步揭示大气运动的多尺度特征,深入认识暴雨过程的动力机制。     

长江、黄河流域暴雨预报着眼点

应用天气学和动力学方法诊断研究大尺度环境场对暴雨过程中次天气尺度系统发生发展的影响及机理,并用T42L12全球谱模式及MM4中尺度模式,试验长江流域和黄河流域暴雨过程中大尺度环流系统对次天气尺度系统发生的影响,从不同尺度相互作用出发对长江中下游和黄河中下游的暴雨提出预报着眼点,供有关部门在业务预报中参考。     

平流方程的数值研究

二维平流方程分别用二阶差分方案、四阶差分方案、一维三次样条函数方案及谱导数方案(假谱方案)进行长时间的数值积分,其中风场是给定的均匀旋转风场或形变风场,并分别以不同大小的圆锥状的物理量分布作为初值。数值试验的结果表明,谱导数方案的精度最高,没有位相误差;其次是一维三次样条函数方案;再其次是四阶差分方案;二阶差分方案的精度最差,畸变严重,位相误差大。 对上述四种方案给出用权重系数形式表示的统一的导数计算公式,看到高精度的导数计算公式是非局地性的。     

“8.11”暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用

采用改进的ｓｈｕｍａｎ－ｓｈａｐｉｒｏ方法,在对形势场、要素场进行尺度分离的基础上,对１９９９年８月１１～１２日发生在山东的一次区域性特大暴雨过程机制进行了诊断分析;计算了天气尺度与次天气尺度系统动能方程以及非线性动量相互作用各项;以分析强降水系统天气尺度和次天气尺度系统之间动能相互作用的主要动力过程,结果表明：在本次暴雨系统中,存在着天气尺度和次天气尺度系统间动勇相互作用,使暴雨系统得以维持,中     

梅雨期江淮流域的暴雨在次天气尺度图上的分布特征

对1983—1986年6—7月在江淮流域间发生的7次暴雨,用平滑滤波尺度分离法,制作了梅雨期次天气尺度天气图。本文重点讨论暴雨在次天气尺度天气图上的分布特征,并进行了物理量场诊断分析,目的在于揭示大尺度背景条件下,与暴雨落区可能有联系的某些次天气尺度扰动。     

正压原始方程有限区域谱模式的预报试验

本文包括四方面内容; (1)给出一个单向嵌套的有限区域浅水波方程谱模式的具体方案及其预报试验结果。这个模式基于文献。其特点是:基本展开函数为“修正的双傅氏级数”,它由两部分组成:正交双博氏级数及非正交的线性函数,这两部分之间互不正交。 (2)对同一实例,比较了谱方法,差分法,假谱法24h,48h预报结果。甚至同格距缩小一半的差分法相比,谱方法预报效果仍优于差分法预报效果。 (3)试验了谱模式的固定边界、刚体边界、侧边界条件随时间变化但不加松弛处理,以及侧边界条件随时间变化加松弛处理四种方案。结果表明,合理的边界条件及有效的边界处理方法对谱模式来说是至关重要的。 (4)提出并试验了谱模式的一种地形区计算方案,有助于谱模式中对陡峭地形的处理。     

CMA全球集合预报系统误差增长及预报性能的尺度依赖特征诊断分析

利用CMA全球集合预报(CMA-GEPS)业务系统2020年6月1日至2021年5月31日一整年的500 hPa位势高度场(H₅₀₀)预报数据,诊断评估了CMA-GEPS在北半球地区误差增长及预报性能的尺度依赖特征。使用谱滤波方法实现H₅₀₀不同尺度(包括行星尺度、天气尺度与次天气尺度)分量的分离。从集合平均均方根误差(简称集合平均误差)-离散度关系来看,在预报前期(108 h之前),CMA-GEPS集合平均误差小于集合离散度,存在过度发散的问题,主要是由天气尺度分量离散度过大导致;在预报后期(108 h之后),CMA-GEPS集合平均误差大于集合离散度,离散度偏小,是由行星尺度与天气尺度分量离散度不足共同引起。采用Dalcher等1987年修订的误差增长模型对H₅₀₀集合平均预报误差增长特征进行诊断分析,发现CMA-GEPS误差增长过程合理,初始误差在次天气尺度上增长最快,行星尺度上增长最慢;就绝对(相对)误差而言,模式误差对预报误差的影响随空间尺度的增大而增大(减小)。此外,将使用1989至2018年共计30 a的E...     

2006-09-21陕北强对流数值模拟与诊断分析

利用T213资料和Grapes meso中尺度非静力模式对2006年9月20—21日发生在陕北中部黄河沿岸的一次强对流过程进行数值模拟与诊断分析。结果表明:在有利的天气尺度环流背景下,中-α尺度低涡产生的中-β尺度云团是本次强对流天气的直接影响系统。这次强对流天气的发展过程是由高层辐散激发正涡度发展,从而形成深厚的中尺度低涡环流,是一次比较特殊的河套低涡型强对流天气。高、低空急流耦合的不同方式决定了强对流天气表现形式的转变。强对流发生前,河套地区已聚集了大量不稳定能量并有能量锋配合。模式能够比较真实地再现中尺度系统的整个发展过程和强对流天气分布,分析结果可为中尺度强对流预报提供诊断依据。     

次天气尺度和中尺度预报中的初值问题

本文利用美国宾州大学的中尺度10层湿模式,对次天气尺度和中尺度预报的初值问题进行试验。文中通过天气尺度和次天气尺度两组不同的初值来试验初始温度、湿度和风场对次天气尺度和中尺度预报的影响。     

高阶递归滤波在一次暴雨预报中的数值试验

为了考察具有多种特征尺度四阶递归滤波器在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力,利用GRAPES三维变分同化系统,对2007年7月16—19日的川渝暴雨过程进行了模式分析。共开展了3组模拟试验：第一组试验在模式中使用单一特征尺度的一阶递归滤波;第二组试验在模式中使用由3种不同特征尺度的四阶滤波拟合而成的四阶递归滤波;第三组试验在模式中使用由3种不同特征尺度的一阶滤波拟合而成的一阶递归滤波。结果表明,具有多种特征尺度的递归滤波的预报效果要好于单一尺度的递归滤波。相比而言,由3种不同特征尺度的四阶递归滤波对预报的改进最大,不论是降水的落区还是降水的强度都有很大程度的改善,对水汽的调节更为理想。     

黄、渤海大风的次天气尺度环流特征及其应用

选取2008年12月出现在黄、渤海的一次大风过程,采用常规观测资料和NCEP全球再分析资料,对大风期间的次天气尺度特征及其与天气尺度系统之间的相互作用进行了诊断分析。结果表明,黄、渤海大风区的次天气尺度环流具有明显的波动特征,这种波动结构的维持与否和大风期间的天气尺度背景密切相关。黄、渤海位于高空槽前,波动结构维持,该区域从次天气尺度系统获得正涡度和动能,气旋发展,大风形成。中纬度斜压带东南移至黄、渤海上空,波动结构遭到破坏,消耗次天气尺度系统涡度,气旋减弱,但低层大气仍获得次天气尺度系统动能,大风维持。在与高空槽相互作用的过程中,虽然次天气尺度环流有不同的分布特征,但低层大气若获得次天气尺度动能,则有利于动能输入地区的风速增幅和大风持续,若消耗次天气尺度系统动能,大风停止。次天气尺度动能大值区主要在850hPa以下的低层。     

一次特大暴雨形成中天气尺度和次天气尺度系统的作用

采用中尺度数值模式MM5V2对1998年6月下旬发生在长江流域持续的暴雨过程进行分析研究。通过尺度分离与数值模拟对比试验，着重分析了暴雨过程中天气尺度与次天气尺度各物理量场的结构特征，提出本次暴雨过程形成的物理机制:天气尺度流场与水汽场为降水提供持续的远距离水汽输送通道，次天气尺度流场形成稳定的经向强辐合，为水汽的抬升与凝结提供动力条件；在有利的高、低空急流的配置下，暴雨区落在高空急流轴以南、低空急流轴以北；次天气尺度温度场下暖上冷的热力不稳定层结促进了热力不稳定的发展，促使暴雨增幅；特大暴雨发生地区上空的次天气尺度湿度的高值中心，有利于湿空气在上升运动中释放潜热，形成暴雨的反馈机制。数值试验分离模式初始场不同尺度系统信息，揭示了不同尺度系统在暴雨发生过程中的动力作用，没有中尺度系统的配合，仅有天气尺度系统信息，或只有次天气尺度系统信息，没有大尺度系统的配合，暴雨的强度及范围都将有所消减。分析及数值试验结果表明大暴雨是在天气尺度和次天气尺度系统的共同作用下才得以产生和维持的。     

台风登陆背景下宁夏北部两次暴雨天气对比分析

利用常规气象资料对台风登陆背景下宁夏北部出现的两次暴雨天气的降水特点、大尺度环流背景和天气尺度影响系统进行了对比分析;利用T213数值模式的物理量预报产品对大气层结稳定度和水汽条件进行了动力学诊断分析;利用银川新一代多普勒天气雷达资料对中尺度系统的活动进行了跟踪。结果表明：两次暴雨过程中,台风在中国东南沿海登陆,西太平洋副热带高压西伸北抬,高低空四股气流汇聚在宁夏北部产生暴雨天气。由于台风登陆后强度不同,台风外围东风转向形成的偏南风大小存在明显差异,使得不稳定能量和水汽输送产生差别,导致两次暴雨过程影响范围扣强度明显不同。两次过程中,形成触发条件的冷空气强度不同,对暴雨量级也有一定影响。     

一种分离暴雨过程天气尺度和次天气尺度特征的方法

作者提出利用奇异谱主分量重建技术进行气象变量场尺度分离的新构想,并设计出尺度分离的具体实施方法.使用此方法对1998年7月下旬长江流域强暴雨过程的卫星观测亮温(TBB)场进行了试验性尺度分离.结果表明,该分离技术可以将这次暴雨过程天气尺度和次天气尺度系统的基本结构清晰地分离出来.在天气尺度场上,长江流域呈现出明显的切变线上连续性对流云系的特征.在次天气尺度场上,可以清楚地显现出偶极子系统的演变特征,其活动与暴雨过程有很好的对应.     

武汉暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用

利用动能方程计算天气尺度与次天气尺度系统动能以及非线性动能的作用,以分析1998年7月发生在武汉的1次强降水系统中的主要动力过程。结果表明:在暴雨系统中,存在着天气尺度系统与次天气尺度系统间的相互作用,天气尺度动能减小,次天气尺度动能增加,但天气尺度动能和次天气尺度动能不能直接进行转换,而必须通过不同尺度之间的非线性相互作用来实现。也就是说,对次天气尺度系统而言,天气尺度系统是动能源,通过非线性相互作用,把能量传递给次天气尺度系统。     

资料同化中二维特征长度随模式分辨率变化的分析研究

特征长度是资料同化中的重要参量，决定了观测信息在空间的传递特征，而特征长度随模式水平分辨率增减而变化的特点与背景误差湍流功率谱分布特点密切相关。通过对不同来源实际资料计算获得的特征长度数据分析和对理想数据数值试验分析，结果表明随着模式分辨率的提高，特征长度会按照二次根的规律递减。特征长度的这种变化由背景误差湍流功率谱，特别是与次天气尺度（20～60波）到中尺度波（大于60波）的湍流功率谱斜率特征决定。当湍流功率谱斜率从-5/3变化到-4时，特征长度随模式分辨率变化的敏感性降低。作者估计出的温度场的实际背景误差湍流功率谱斜率在次天气尺度到中尺度大约在-2.8左右。对特征长度的估计除传统方法外，可以根据背景误差的湍流功率谱斜率特征来更方便地给出，该方法可作为传统方法的补充来匹配应用。     

大尺度环流系统与大地形对次天气系统发展影响的定性分析

本文将σ坐标系中描写次天气尺度系统的方程组写在两层σ模式的不同层次上,再根据次天气尺度系统的某些特点作必要的假设,使方程线性化,然后求出方程的解并进行讨论,得到在不同稳定度条件下大尺度天气系统和大地形对次天气尺度系统产生发展和移动的一些定性结论。并利用这些结论讨论了在青藏高原东部地区产生低涡等次天气尺度系统的最有利的形势。     

台风异常北上时期的天气和次天气尺度环境场特征

本文利用一个空间滤波器、将台风环境场分解为天气和次天气尺度。在此基础上，对两个异常北上的台风路径（8211号台风（Cecil）和8305号台风（Abby））进行诊断分析。结果表明:台风异常北上时期出现在天气尺度环境场发生环流调查过程中，在500 hPa高度场上，台风异常北上时，表现出向着次天气尺度扰动中心传播方向移动的趋势，在天气尺度环境场作用明显减弱时期，这可能是导致台风路径异常的重要因素；同时，在动能场上，台风则表现出向着正值的次天气尺度动能制造区伸展方向移动。     

台风动力模式的解析解及台风形成和维持的动力机制(一)

本文根据观测得到的台风结构,把轴对称下的台风垂直剖面分成四个区域,分别对这四个区域的动力方程组进行尺度分析,在一定的简化假定下,求得台风流出层和眼区的解析解,从而发现理论得到的结果和观测与天气分析的结果基本一致。      

“96.8”暴雨过程中不同尺度系统的相互作用

利用动能方程计算了天气尺度,次天气尺度的动能以及非线性相互作用的动能,分析了“９６．８”暴雨过程强降水时段的主要动力过程,结果表明：在暴雨系统中,存在着天气尺度和次天气尺度系统间的相互作用,天气尺度动能减小,次天气尺度动能增加,即对于次天气尺度系统而言,天气尺度系统是一个动能源,通过非线性相互作用,天气尺度系统把动能传递给次天气尺度系统,使暴雨系统得以发展。