低纬地区平流层准零风层时空分布特征分析

利用ERA-Interim逐日再分析资料,使用EOF（Empirical Orthogonal Function）等统计方法,分析了中国低纬地区平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）的时空分布特征,旨在为平流层飞艇寻找合适的运行区域及时段。低纬地区QZWL主要受到热带平流层大气环流季节性变化和平流层准两年振荡（Quasi-BiennialOscillation,QBO）的影响。在二者共同作用下,低纬地区QZWL高概率带可分为南北两支:“北支”出现在10月至次年4月间,QBO东风位相时期,“北支”中心纬度基本维持在20°N附近,西风位相时期,“北支”中心纬度随高度降低南移明显;“南支”仅出现在QBO西风位相期间,5~11月在5°N附近,其余时段与“北支”合并,可以认为是“北支”向南延伸。通过对比海口站和南沙站Weibull概率密度函数与风速资料的拟合结果,表明Weibull分布可以很好拟合不同QBO位相下平流层逐月风速频率分布,根据Weibull分布计算特定的累积概率风速值,可以作为选取适宜平流层飞艇运行的低风速风场的判据。海口站30~50 hPa高度11月至次年4月、南沙站50~70 hPa高度QBO西风位相时期全年均较为适合平流层飞艇运行。     

平流层准零风层统计特征及准两年周期振荡对其影响分析

根据形成机制的不同将平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）划分为由平流层准两年周期振荡（Quasi-Biennial Oscillation,QBO）各高度处于不同位相形成的第一类QZWL和由于平流层低层经向温度梯度逆转而形成的第二类QZWL;利用ERA-40再分析资料分析了两类QZWL在不同季节中空间结构的变化规律,讨论了平流层QBO对两类QZWL年际变化产生的影响。研究结果表明：第一类QZWL集中出现在冬季赤道附近地区,第二类QZWL在夏季热带外地区和冬季20°N～40°N太平洋地区上空;QZWL夏季高度比冬季低约3 km,夏季QZWL出现高度比冬季稳定,约在50～70 hPa之间;由于受到QBO的直接影响,第一类QZWL出现的高度和纬度范围存在明显的年际变化,第二类QZWL受到QBO的影响主要体现在QBO西风位相年和东风位相年相比,冬季20°N～40°N范围内存在第二类QZWL的概率较高。     

北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究

使用1979～2005年NCEP/NCAR 再分析数据,分析了北半球平流层中低层（300 hPa至10 hPa）纬向风的季节转换规律,并采用二维空间场相似性方法确定了平流层的季节过渡日期。分析表明,平流层大气环流基本为冬夏二元状态,冬夏转换具有突变性;其季节过渡在纬向是接近同步进行的,而在经向则有时间差异,无论是冬夏转换还是夏冬转换高纬都要早于低纬。在平流层中部（10～70 hPa）季节过渡是自上而向下进行的;而在平流层下部（100～200 hPa）季节过渡的上下传递关系则比较复杂,在不同的纬度带有不同的表现。在北半球热带外地区,平流层中部东风期的起止日期与相似性方法计算得到的平流层季节过渡日期之间具有较好的对应关系,在东风期之前和之后往往各存在持续10天左右的零风—弱风期。     

热带平流层臭氧准两年周期振荡的特征及数值模拟

利用HALOE的观测资料、对热带地区平流层臭氧垂直分布的年际变化及其准两年周期振荡（QBO）进行研究，并同赤道上空平均的纬向风场的准两年周期振荡进行了模拟研究。资料分析结果表明，平流层臭氧浓度高值区的位置在南北方向上和垂直方向上的有明显的准两年周期，臭氧浓度高值中心的南北移动和上下移动又引起局地臭氧总量的周期性变化和准两年周期振荡南北半球不对称。而臭氧浓度中心位置的准两年周期变化与赤道上空平均纬向风的准两年周期振荡密切相关。资料分析还表明，赤道上空平流层中臭氧浓度QBO的位相随高度变化多次。模拟试验表明，纬向风QBO引起垂直经圈环流的变化，在平流层有三对余差环流圈。它们对O3在不同纬度和高度的输送是引起O3准两年周期振荡的重要动力原因。其中，余差环流在平流层中层（25－35km)的环流圈起着重要的作用。     

东亚地区一次切断低压引起的平流层、对流层交换数值模拟研究

用中尺度模式(MM5)模拟研究东亚地区(网格中心45°N,120°E)一次强切断低压过程(2000年4月8日～12日)引起的平流层、对流层交换.用Wei公式计算此次过程由平流层到对流层的净交换量为5.0×1014 kg,平均交换通量为-0.72×10-3 kg m-2 s-1.地面锋与高空锋的相互作用,在急流入口处和高空锋区出现对流层顶折叠,并引起平流层、对流层物质交换,其中空气的水平运动起主要作用.利用历史天气图统计东亚地区(20～70°N,80～180°E)切断低压的年平均个数为60,占北半球极区类型切断低压的52%.由此,推断东亚地区的平流层、对流层交换对整个北半球的平流层、对流层交换贡献很大.     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

夏季金塔绿洲风环流的数值模拟及结构分析

利用中尺度数值模式MM5，替换了模式第三重嵌套模拟域中金塔绿洲及周围地区与实际不符的植被类型，对2004年7月5日金塔绿洲效应进行了较为成功的模拟。模拟结果显示：白天绿洲是一冷源，这一现象可维持到3000m左右，临近地面沙漠绿洲温差最大，冷中心强度由低层向高层逐渐减弱；气压距平场低层为沙漠低，绿洲高，较高层则反之，转变发生在1300m。低层绿洲风盛行，随高度增加，辐散风渐弱；750hPa以上转为以背景风为主，存在向绿洲中心辐合的趋势；距平风场低层为辐散风，高层为辐合风，绿洲中部风速较小，越远离风场辐散（辐合）中心，风速越大；沙漠上为上升气流，绿洲基本上全为下沉运动所控制，但剖面图上显示绿洲上并不是只有一个闭合中心，且绿洲上、下沉运动的顶部高度也不一致，绿洲中心最低，两侧逐渐增高。最大下沉运动出现在绿洲边缘；绿洲低层分布着强度均匀的辐散区，而沙漠上则为零散辐合区，750hPa辐合区开始侵入绿洲，700hPa时绿洲基本为辐合区，绿洲边缘辐合最强，沙漠以辐散为主，分布少许辐合中心。比湿同湿位温具有相似特征，在一定高度以上，在下沉气流的作用和西风背景场的影响下等值线形成低槽形状，低槽中心从高层向低层、由西向东偏移。     

西安及周边区域冬季风场特征的数值模拟分析

利用NCEP 1°×1° FNL再分析资料,包括温度、湿度、气压、降水、水汽、风分量等,采用WRF模式、选用适合陕西的物理过程参数化方案,通过3重区域嵌套降尺度到3 km×3 km空间分辨率,模拟西安及周边区域2015—2017年1月10 m~5 km高度风u、v、w分量模,并分析风场特征。结果表明：模拟区域1月05 km高度以下低空流场为一气旋,中心位于西安三环东北段附近,且随高度增加向东偏移;2 km高度以上风向演变为偏西风;南部山区和北部山区为一下沉气流;模拟区域偏南地区有一上升气流区,中心位于337°N、1085°E。北部与南部山区风速大,中部盆地风速小,地面至14 km高度有一小风速区。夜间西安周边为下沉气流,市区为上升气流。此环流夜间最强,日间开始减弱, 11时之后,整个剖面基本为下沉气流,在13、14时达最强;15时后下沉气流减弱,有零散上升气流出现、加强,并逐步演变为城区为上升气流,周边为下沉气流。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

北京夏季强热岛分析及数值模拟研究

应用北京地区20个常规地面气象站、2个自动气象站和中国科学院大气物理研究所325m气象铁塔的资料,对北京2003年7月热岛状况进行了统计分析,发现北京夏季夜间存在强热岛效应,夏季夜间存在强热岛效应的天数占到了1/3,强弱热岛天数合计占到了大约4/5。进一步分析7月1日强热岛特征及其气象影响因子,结果表明：夜间存在强热岛时,郊区所有测站的地面气温都要低于主城区地面气温,城市强热岛的高温中心在天安门和白家庄连线的主城区;白天日照充足的晴夜,日落后城区320m以下低层大气存在逆温和弱的风速,城区地面气温下降速率和幅度均远小于郊区,城市强热岛因此得以形成和维持。日出后至正午,北京北部郊区日照时间比城区长,郊区地面大气得到来自太阳辐射的能量多于城区,而太阳辐射的加热作用使城区低层大气逆温消失,大气稳定度减弱,并使郊区地面气温上升速率和幅度大于城区,最终导致夜间出现的强热岛减弱、消失。此外,应用MM5模式对强热岛进行了初步数值模拟研究,发现在MM5中考虑城市人为热和热储存,可以改善模式对热岛的数值模拟,表明城市人为热和热储存在夏季强热岛的形成中有重要作用。     

复杂地形边界层风场的三维局地尺度数值模拟

设计了一个基于有限元方法的中γ尺度复杂地形条件下的三维非静力边界层风场数值模式,利用该模式对河南省登封市阳城工业区周围的实际三维地形进行了数值模拟,并将模拟结果与河南省气象科学研究所的实测资料进行了对比。结果表明,模式对峡谷地形的加速作用、山体的抬升与绕流均有较好的模拟,但是对背风坡涡旋的模拟不太理想。与实测资料的对比显示,在一定的条件下,模式可以得到较好的模拟结果。     

Analysis and Simulation of the Stratospheric Quasi-zero Wind Layer over Korla,Xinjiang Province,China

The stratospheric quasi-zero wind layer (QZWL) is a transition region with low zonal wind speeds in the lower stratosphere at an altitude of ~20 km. The zonal wind direction above the QZWL layer is opposite to that below the QZWL layer and the north–south wind component is small. The atmospheric wind field near the stratospheric QZWL is an important factor affecting the flight altitude and dynamic control of stratospheric airships. It is therefore necessary to study the stratospheric QZWL to provide better environmental information for these aircraft. High-resolution radiosonde data were used to analyze the characteristics of the stratospheric QZWL over Korla, Xinjiang Province, China. A weak wind layer in which the wind direction suddenly reversed from westerly to easterly was observed at ~20 km in the lower stratosphere, characteristic of the stratospheric QZWL. The Weather Research and Forecasting model was used to simulate the profiles of the horizontal wind speed and direction over Korla. The forcing effect of each diagnostic term in the equation on the zonal wind speed was analyzed. The results showed that the advection term was the dominant factor forcing the zonal wind speed. The wave term had a secondary forcing role, although the forcing effect of the wave term on the zonal wind speed was significant in some regions.     

Numerical Simulation of Wind and Temperature Fields over Beijing Area in Summer

1. IntroductionThe basic role of urban-rural boundary layer re-search is to study all kinds of physical process changesin the atmosphere boundary layer over urban and itssurrounding areas. Urban heat island (UHI) is a well-known feature of urban-rural climate. Attempts toincrease the understanding of the causes of the UHIand other urban-rural boundary layer phenomena haveused observational, theoretical and modelling methodssince long before. Seaman (1989) used a hydrostaticmodel, with real …     

地形对近地层风场日变化影响的数值模拟

利用修改的Mass模式和辽宁地区的地形资料，模拟了地形加热作用对辽宁地区近地层风场日变化的影响。结果表明，渤海和黄海北部海域对辽宁地区近地层风场的影响起着非常重要的作用。由于海陆加热的不同，加热冷却速度的不同以及山地地形等可产生不同的流场日变化。     

On the Temporal and Spatial Structure of Troposphere-to- Stratosphere Transport in the Lowermost Stratosphere over the Asian Monsoon Region during Boreal Summer

This study produced a novel characterization of the troposphere-to-stratosphere transport(TST) over the Asian monsoon region during boreal summer,using a comprehensive analysis of 60-day backward trajectories initialized in the stratosphere.The trajectory datasets were derived from the high-resolution Lagrangian particle dispersion model(FLEXPART) simulation driven by the wind fields acquired from the National Center for Environmental Prediction(NCEP).The results indicate that the distribution of residence time(tTST) of tropopause-crossing trajectories in the lowermost stratosphere represents a horizontal signature of the Asian summer monsoon.Vertically,the distribution of tTST can be roughly separated into two layers:a consistent lower layer with tTST <5 days forming a narrow band,corresponding to a layer～3 km thick following the location of the tropopause,and an upper layer at a larger distance from the local tropopause.The maximum residence time was～20 days,especially within the Asian high anticyclone consistent with its confinement effects.In general,the overall geographical distribution of dehydration points was not coincident with the location of tropopause crossing.TST trajectories,which were initialized in the stratosphere,underwent their Lagrangian cold points mostly in the tropics and subtropics 1-4 days after the TST event;they were characterized by a wide range of temperature differences,with a mean value of 3-12 K.The vertical extent of the influence of tropospheric intrusion on the Asian monsoon region in the stratosphere exhibited a peak at～16.5-18.5 km,and the uppermost height was～21 km.     

纳木错湖夏季典型大气边界层特征的数值模拟

为了进一步检验分析纳木错湖对当地地方性环流、湖气能量交换及大气边界层的影响,在本文中使用美国NCAR新版MM5V3.7非静力中尺度模式,设计了有湖面、3/4湖面、1/2湖面及无湖四组试验,以NCEP再分析资料做初、边值条件,做了48 h三重嵌套模拟试验,对比中国科学院"纳木错圈层相互作用"综合观测站实测资料,说明该模式模拟性能良好。白天在纳木错湖风与念青唐古拉山北坡谷风共同作用下,在念青唐古拉山脊处汇合,形成一强水平切变及辐合上升运动,造成了该地夏季白天复杂多变的天气;夜间由于南岸湖风与山风叠加,使得整个区域为强大南风气流控制,这也补给了水汽和热量,也为白天不稳定运动提供了能量。对大气边界层特征的模拟结果表明:由于白天(夜晚)纳木错湖的存在有很好的降温(保温)作用,该湖表现出了明显的冷(暖)湖效应;纳木错湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热均小于周围陆地,夜间湖面有强潜热通量;纳木错湖使得白天湖区边界层顶低,陆区边界层顶高,夜间相反。这样的地方性环流和大气边界层特征的配合,是该地中小尺度天气剧烈变化的重要原因。     

乌鲁木齐国际机场风切变颠簸天气个例分析

利用常规天气资料、风廓线雷达探测资料、自动站资料、NCEP再分析资料及数值模拟资料,对乌鲁木齐2010年12月2-3日对飞行安全有较大影响的风切变颠簸天气进行了多角度分析。结果表明,局地性东南风层的形成和下传造成的水平方向上非东南风与东南风的切变、锋区南压过程中在北疆沿天山一带低空诱发的小范围风场扰动对东南风层短暂破坏而引起的水平和垂直方向上风向风速的迅即变化,是造成机场附近风切变颠簸的原因。中尺度数值预报模式（WRF）对此次风切变天气有较好的模拟能力,有助于在探测资料有限的情况下了解风切变的细微结构及其演变。     

海面风场订正对风暴潮数值模拟的影响

海洋模式在模拟风暴增水时对于风场的依赖性比较大,准确的风场模拟是正确模拟风暴潮的重要前提.用渤海海域4次典型的风暴潮个例,检验改良的渤海风场推算模式对风暴潮数值模拟的影响,分别用订正前后的风场驱动风暴潮数值模式得到逐时的渤海增水场,并与塘沽实测值比较表明:在4个过程中海面风场订正后风暴潮模式的模拟结果均得到了明显的改进...     

复杂地形下山谷风的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5,选用NCEP全球客观分析资料(1°×1°)和国内高空地面资料为初始场,采用张驰逼近边界条件和单一冰相水汽方案,模拟了河南省西部山区的复杂地形对2006年6月19日局地环流的影响,结果表明:太行山的南麓和熊耳山的东侧都有因地形热力作用而形成的山谷风存在。