近几年中尺度动力学研究进展

近几年,中尺度气象由于在逐日天气预报中的重要作用和在气象灾害预报中的显著贡献,已经成为一个热门的研究课题.中尺度气象研究并预测中尺度天气系统的发生发展及其引发的灾害性天气,如暴雨、冰雹、龙卷风等.本文主要总结了2007年以来我国在中尺度研究中取得的显著性成果.主要包括:波动、涡旋、锋面、稳定性、Q矢量和不变量.在波动方面包括重力波的形成和传播的研究,包含旋转Rossby波、混合低频旋转Rossby波和高频惯性重力波在内的台风波动以及考虑水汽作用的中尺度波作用守恒.涡旋部分主要介绍了青藏高原低涡(TPV)和热带气旋内部的涡旋问题.除了涡旋之外,锋面在中国也是一个关键系统.在锋面方面的进展有:梅雨锋中的β中尺度双雨带机制的产生和维持的实验性研究,以及基于广义位温的锋生函数的提出,这些成果使得对锋生过程的描述更接近于实际大气状况.在不稳定问题上,主要介绍了采用Energy-Casimir方法建立的拟能量波作用方程和基本气流具有线性和非线性切变时的横波扰动的不稳定.关于Q矢量,介绍了从地转Q矢量,半地转Q矢量到非地转Q矢量,非地转湿Q矢量的发展,以及由湿地转Q矢量和垂直风切变耦合得到的新型散度方程.最后,讨论了有关质点的两个不变量位温和位涡的相关研究新进展.     

Moisture transport over the Arabian Sea associated with summer rainfall over Pakistan in 1994 and 2002

In this study,we aimed to elucidate the critical role of moisture transport affecting monsoon activity in two contrasting summers over the Arabian Sea during the years 1994,a relatively wet year,and 2002,a relatively dry year.A comprehensive diagnostic evaluation and comparisons of the moisture fields were conducted;we focused on the precipitation and evaporation as well as the moisture transport and its divergence or convergence in the atmosphere.Monthly mean reanalysis data were obtained from the National Centers for Environmental Prediction(NCEP-I and-II).A detailed evaluation of the moisture budgets over Pakistan during these two years was made by calculating the latent energy flux at the surface(E P) from the divergence of the total moisture transport.Our results confirm the moisture supply over the Arabian Sea to be the major source of rainfall in Pakistan and neighboring regions.In 1994,Pakistan received more rainfall compared to 2002 during the summer monsoon.Moisture flow deepens and strengthens over Arabian Sea during the peak summer monsoon months of July and August.Our analysis shows that vertically integrated moisture transport flux have a significant role in supplying moisture to the convective centers over Pakistan and neighboring regions from the divergent regions of the Arabian Sea and the Bay of Bengal.Moreover,in 1994,a deeper vertically integrated moisture convergence progression occurred over Pakistan compared to that in 2002.Perhaps that deeper convergence resulted in a more intense moisture depression over Pakistan and also caused more rainfall in 1994 during the summer monsoon.Finally,from the water budget analysis,it has been surmised that the water budget was larger in 1994 than in 2002 during the summer monsoon.     

地形对门头沟一次大暴雨动力作用的数值研究

2002年6月24—25日,北京门头沟附近发生了一次大暴雨过程。为探讨地形在本次过程中的动力作用,采用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS模式,对大暴雨过程进行了数值试验。控制试验采用27、9 km双重单向嵌套网格,网格覆盖范围约为3000 km×3000 km、900 km×900 km。两层网格均采用全物理过程,使用的都是全球30″的地形资料。在控制试验的基础上,进行了3组敏感性试验:第1组试验采用干过程模拟,即不考虑凝结潜热的作用;第2组试验将地形整体向东/西平移1°;第3组试验是将门头沟西部的局地地形抠除一部分。试验结果表明,在不考虑凝结潜热作用时,东南风气流仍然可以爬升到2 km以上,超过了大气的抬升凝结高度,证实了地形的动力作用是本次大暴雨的触发机制;将地形向东/西平移1°后,由于大气的对流稳定度发生了改变,模拟的降水强度和落区也发生了变化,表明山坡和山顶的对流不稳定大气是导致本次大暴雨的必要条件;抠除局地地形后,模拟的降水量也发生了不同程度的改变,再次证明大暴雨是在多尺度地形以及一定的天气系统配置下产生的。     

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、有效化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、科氏力作功以及山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.     

INSTABILITY OF SYMMETRIC TYPHOON CIRCULATION AND ADAPTIVE OBSERVATION

This study presents a new way to identify the sensitive areas for typhoon adaptive observations, that is, sensitive areas are determined by invoking the negative anomalies of moist potential vorticity (MPV). It is found that the areas of negative MPV are the symmetric instability areas and can be taken as sensitive areas for typhoon adaptive observations. Three typhoons in 2008, Nuri, Fung-wong, and Fengshen, were simulated with the help of MM5 model. It is shown that these typhoons are well simulated in the first 12 hours. Based on these investigations, the calculations of MPV are carried out sequentially. The result shows that the negative maxima of MPV are always around the typhoon eyes for all the cases, which means that the sensitive areas are also near them all the time.     

一次冷锋过境后的海风三维结构数值模拟

为研究大尺度系统风对海风的影响以及海风三维结构特征,利用山东省123个地面自动站资料、青岛地区三十多个内陆及沿海、海岛观测站以及奥帆赛场3个浮标站资料,对2006年8月21日青岛一次海风个例进行了分析,并利用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS(the Advanced Regional Prediction System)模式,对海风过程进行了数值模拟研究。结果发现:在较强的离岸风背景下,当内陆气温高于海面气温2℃左右时,海风也可以发生。海风首先在海岸线附近的海上开始,发展的同时向内陆及远海地区推进。海风低层环流很浅,主要位于500 m以下。在较强的偏北离岸风下,海风向内陆推进的距离很短。偏北的大尺度系统风由于渤海冷下垫面的影响,不利于青岛海风的维持。海风开始时,在1500～2500 m高度处同时有反环流出现,但直到傍晚前后,海风的垂直环流圈才发展得比较清晰,其高度也更接近地面。海风消亡后,高层的垂直环流圈及反环流维持3 h左右才逐渐消亡。     

RETRIEVING ATMOSPHERIC SOUNDING PROFILES AROUND TYPHOON YUNNA USING INFRARED HYPERSPECTRAL MEASUREMENTS AIRS

In this study,we derived atmospheric profiles of temperature,moisture,and ozone,along with surface emissivity,skin temperature,and surface pressure,from infrared-sounder radiances under clear sky (cloudless) condition.Clouds were detected objectively using the Atmospheric Infrared Sounder under a relatively low spatial resolution and cloud-mask information from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer under a high horizontal resolution;this detection was conducted using space matching.Newton’s nonlinear physical iterative solution technique is applied to the radiative transfer equation (RTE) to retrieve temperature profiles,relative humidity profiles,and surface variables simultaneously.This technique is carried out by using the results of an eigenvector regression retrieval as the background profile and using corresponding iterative forms for the weighting functions of temperature and water-vapor mixing ratio.The iterative forms are obtained by applying the variational principle to the RTE.We also compared the retrievals obtained with different types of observations.The results show that the retrieved atmospheric sounding profile has great superiority over other observations by accuracy and resolution.Retrieved profiles can be used to improve the initial conditions of numerical models and used in areas where conventional observations are sparse,such as plateaus,deserts,and seas.     

湿热力平流参数在一次华北暴雨模拟诊断中的应用研究

对2011年7月24~25日发生在华北地区的一次暴雨过程进行了分析,并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次华北暴雨的模拟比较成功,基本反映出了本次暴雨过程的降水分布特点。利用湿热力平流参数对本次华北地区的降水落区进行了诊断分析。分析指出,湿热力平流参数纬向平均的垂直剖面图上,湿热力平流参数的高值区及大值中心与地面的强降水雨区对应得较好,其梯度大小及向上延伸高度均可以定性地指示降水的强弱;垂直积分的湿热力平流参数与地面6 h强降水落区具有较好的对应关系,而在示踪弱降水区时效果并不是很好,其大值中心并不与强降水中心完全重叠,而是其梯度大值区与降水中心相对应;垂直积分的湿热力平流参数与6 h累积地面降水的空间分布特征和时间演变趋势比较相似,并且其变化趋势能反映降水的发展和消弱。     

一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟

使用高灵敏度的电容式微压波传感器对1998年4月11日16时发生在贵州省普定县的一次降冰雹过程的重力波进行观测,利用WRF（Weather Research and Forecast）中尺度模式对这一过程进行数值模拟,使用Morlet小波方法对模拟结果进行分析,得出这一过程中惯性重力波的分布和变化规律,并分析急流、地形及切变线对惯性重力波的影响.观测发现：在降冰雹前,每隔1~4小时出现一次短周期重力波阵性增强的现象.数值模拟结果显示：在低空降冰雹前几个小时有强的短周期重力波出现,其中周期较长的出现早、存在时间长,周期较短的出现晚、存在时间短;强的低空急流和风速垂直切变触发对流或湍流的发生和加强,对流或湍流又激发了80~200 min的短周期重力波;短周期重力波更容易向垂直方向传播,而长周期重力波倾向于水平方向传播.长周期重力波在降冰雹后周期有明显变短现象,随高度越加明显.由地形形成的重力波在最高山峰上空振幅最大.     

三维散度方程及其对暴雨系统的诊断分析

利用WRF模式对中国江淮流域一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。在模拟结果比较可信的前提下，利用该模式输出的高时空分辨率资料，分析了三维散度的时空分布特征与降水的关系。分析发现，此次江淮梅雨暴雨过程中，对流层中低层尤其是4.287 km（约600 hPa) 高度层的三维散度场非零区与雨带对应较好。其移动趋势也与雨带的移动趋势（相同时段基本位于相同的纬度带内，逐渐南移) 一致。暴雨大值中心与三维散度极值中心重合。降水量的增减与三维散度强度变化一致。而无降水的区域为大片的三维散度零值区。三维散度之所以能较好地诊断降水，是因为对流层低层的水汽蒸发和对流层中高层的水汽凝结形成了云，而云导致的质量强迫对三维散度的这种上负下正的分布又有正反馈的作用，而且为降水的发生发展提供了有利条件。在以上分析的基础上，推导了三维散度方程，并通过计算找出影响三维散度变化的主要因子。