沙尘辐射强迫锋生过程的数值模拟

本文分别利用二和三维数值模式研究了沙尘暴辐射强迫的锋生过程和孤立的沙尘暴单体辐射加热对锋面环流系统的影响。结果表明:沙尘爆发时,沙尘辐射加热在大气低层导致锋生,在大气中层产生一明显的等熵位温层。水平速度场在沿锋面移动方向表现出明显的辐合(散)特征。晚上,沙尘辐射冷却导致大气低层锋消。 孤立的沙尘暴单体辐射加热在盛行风方向强迫出一个明显的垂直环流圈,它在白天较强,晚上较弱和反向。水平风场对沙尘的辐射强迫响应在不同高度上是不同的。     

三次梅雨锋大暴雨过程的数值模拟分析

我台以ＳＧＩ工作站为计算平台，建立了中尺度数值预报系统（ＪＭＮＦＳ）。本文则应用该系统对１９９６年６月２８日，７月３日、７月１４日三次梅雨锋上发生波动后发展成江淮气旋，在江淮地区造成大暴雨和区域性暴雨的过程进行了数值模拟分析，揭示了产生暴雨的天气系统结构特征物理机制和一些预报上的启示。     

华南局地锋生及对流系统发展的模拟分析研究

2009年3月28日一条东西向的锋面出现在华南25°N附近。伴随着锋面的活动,对流降水回波午后开始在广西的梧州附近发展,并在随后几小时向东移动,组织发展成为中尺度对流系统(MCS),为广东中西部及珠三角地区带来了雷暴、暴雨、冰雹等灾害天气。应用地面自动站、雷达回波、卫星云图以及NCEP-FNL再分析资料和WRF模式的模拟结果,对锋面暴雨形成的天气特征进行了诊断分析,考察了中尺度对流系统的发展演变过程及其与局地锋生的相互关系。结果表明,锋面对流系统形成发展于一个东西向水平尺度约200km的地面中尺度辐合线附近,对流起始发展于具有较大对流有效位能(CAPE)和较小对流抑制位能(CIN)的区域。伴随着对流的发展,锋面强度增强。锋生函数的计算发现,非绝热项和倾斜项分别在由对流引起的次级环流的上升运动支和下沉运动支起锋生作用,是引发中尺度锋生的主要影响因子。而相对来说,水平辐合项和形变项的作用却比较小。这与大尺度的锋生过程不同,中尺度锋生更主要的是由热力直接触发的非地转环流所驱动。涡度场的演变分析还发现,沿着850hPa锋区大的正涡度区与500hPa的强上升运动区对应良好,对流系统发展与中尺度锋生之间存在着类似于第二条件不稳定机制的相互作用,对流增强了锋生过程,锋面则对中尺度对流系统的发展起组织作用。中尺度锋生对对流组织发展的作用作为此类灾害天气形成的原因值得关注。     

利用锋生函数对2008年年初昆明准静止锋生消过程的诊断分析

利用ERA-Interim 0.125°×0.125°高分辨率逐6小时再分析数据,选取昆明准静止锋2008年1~2月长时间维持过程诊断分析了锋生函数及其各分项在锋面生消过程中的作用与贡献,并结合2016年1月20~27日锋面增强西进过程和1979年1月14~20日锋面减弱东退过程进行了比较分析。结果表明:（1）非绝热加热项对锋面生消作用较小,但存在显著的日变化。在辐射作用下,非绝热加热项日间表现为锋消,夜间为锋生。（2）西移冷气团在被高原大地形抬升过程中存在局地地形迫使冷气团下沉的情况,并导致垂直运动倾斜项表现为锋生。由于地形固定不变,局地锋生形成次级锋生带。次级锋生带与昆明准静止锋的形成、维持和东西摆动有密切的联系。（3）辐合辐散项和水平形变项是锋生函数变化的主要贡献项,其中水平形变项中的切变变形作用以锋生为主,而伸缩变形项在纬向产生锋生,在经向产生锋消。     

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料\, 卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料, 对2002年6月22~23日(“02.6”)一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上, 利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟, 并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明： （1）天气分析显示, “02.6”梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线, 暖式切变线不太明显, 这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强, 高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴, 南亚高压中心位于我国江南地区。（2）TBB资料分析表明, 此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关; 强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、 暖切变线的的南侧发生和发展, 并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。（3）垂直结构分析显示： 在中尺度系统开始发展阶段, 中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、 低空急流核以及高空强辐散低空强辐合, 这有利于中尺度系统的发展; 当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段, 其后部不断分裂出中小尺度系统, 对流层低层的θe具有明显暖心结构, 由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强, 导致在800~600 hPa层上 θe比环境的低, 加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱, 这不利于中尺度低涡的维持。     

区域初始分析误差对梅雨锋中尺度低压数值预报的影响

以梅雨锋中尺度低压个例为研究对象,根据目标观测的思想,采用NCEP和T106再分析资料分析了区域初始分析误差对梅雨锋中尺度低压数值预报误差的影响。结果表明:区域初始分析误差对数值预报误差有重要影响,改善某些特定区域初始场质量有可能改善随后数值预报的效果。但是,区域初始分析误差对数值预报误差的影响较为复杂,它与天气类型、不同个例和区域间误差相互作用等因素密切相关。对梅雨锋中尺度低压短期数值预报有较大影响的初始分析误差与梅雨锋锋区及其附近地区的要素场关系密切,相比较而言,风场似乎更加重要一些。如果对梅雨锋带中低层风切变区及相伴低空急流区有更好的描述,这将对梅雨锋中尺度低压系统数值预报效果的改善有着积极的作用。在此基础上,就相关的目标观测设计问题作了简要讨论。     

急流加速产生的高空锋生和低空锋生

本文用数值模拟方法证实了曾庆存提出的一种锋生机制,即高空急流加速或高空动量输入通过地转适应过程造成高空锋生.我们采用二维非弹性数值模式模拟了五种急流加速分布产生的锋生过程:三个低空锋生,分别由中尺度地面、中尺度低空和次天气尺度低空急流加速产生;二个高空锋生,分别由高空次天气尺度和天气尺度急流加速产生.模拟的结果表明:(1)通过地转适应产生的位温梯度的大小依赖于急流的空间结构以及Rossby变形半径和急流扰动尺度的比值,比值越大,适应锋生越强.(2)在相同的尺度条件下急流加速产生的高空锋生比低空锋生更强.(3)地转适应过程将加速的高空急流动量向下层传输,使锋区变陡并向对流层中、下层延伸,这种对流层高低层的非地转耦合可能是低空急流形成的另一种机制.(4)在模拟的五个过程中急流振荡的主频率约是惯性频率的1.7倍.     

梅雨锋锋生过程的诊断分析

本文分析了一次梅雨锋的锋生过程,并利用锋生函数和温度平衡方程,讨论了影响梅雨锋形成和维持的因子。结果表明:感热加热是使江淮流域低层锋区消失的主要原因,潜热加热以及水平运动造成的变形是维持梅雨锋存在的重要因素。     

地面暖带附近锋生的数值试验

采用半地转方程的二维锋生模式，研究了地面暖带附近锋生过程中，大尺度斜压区、地面暧带和潜热释放之间的相互作用，结果表明：变形场中的孤立暖带，当它位于大尺度斜压区暖空气一侧时，可在有限时间内形成强锋区（有潜热加热时锋生速度更快）；当暖带与大尺度斜压区配合时，可出现双锋区结构，强锋区可能先在暖带中出现。在暖带深厚并有潜热释放时表现更明显且有利于双锋区结构的维持，锋生强迫作用和位温扰动是梅雨锋附近两条中－     

通量和平流形式预报方程的数值预报试验

本文利用1982年5月8日和1979年6月28日两个实例,进行了四种方案的48小时数值预报试验,比较了它们的预报质量及彼此间的差异。四种方案是:经典通量、通量修正、经典平流和平流修正。试验表明,在有地形的数值预报模式中,采用平流形式的预报方程组比采用通量形式的为好,既可有较高的计算精度,又可节省计算时间。     

MM5模式中不同对流参数化方案的数值模拟

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,不同参数化方案及分辨率对降水预报有很大影响。本文利用4种积云参数化方案(GR,KF,BM,AK)对辽东半岛一次大暴雨过程进行试验,结果表明,不同的参数化方案,对强降水落点及强度的模拟,结果差别较大。模拟较好的是GR方案,最差的是AK方案;4种积云对流参数化方案模拟的海平面气压场差别较大,其中GR方案模拟出造成2005年第5号台风暴雨的高低压系统和中尺度气旋;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可在一定程度再现一些中尺度特征;4种方案由于闭合假设不同,模拟的云物理特征存在很大差别,这种差别对各种天气要素的准确预报会产生一定的影响。     

西北区东部一次暴雨的数值模拟试验

运用双向嵌套的中尺度数值预报模式MM5，对1998年7月上旬西北区东部一次暴雨过程进行了高分辨率数值模拟和敏感性试验。结果表明，该模式能较好地模拟这次暴雨过程，对这次暴雨过程相关的中尺度系统的发生发展也作出了较成功的模拟；大尺度及积云对流尺度的凝结潜热在降水过程中是一个主要因子，潜热释放将加热中高层大气，促使高层大气辐散，低层辐合，垂直运动加强，导致较大的降水；初始时刻不同地区低层大气水汽含量的多寡直接对本次暴雨产生影响，并为这次暴雨提供了水汽源；地面水汽和感热的垂直输送为暴雨的发生发展补充了能量。     

青藏高原东部冰雹形成机理的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展和改进的三维冰雹云模式,对青藏高原东部甘肃省玛曲县的一例冰雹云过程进行了模拟研究。结果表明:玛曲冰雹云中冰雹胚胎以霰胚为主;在地面降水中,固态降水占降水总量的46%,而霰占固态降水的65%,霰主要靠撞冻雨水和云水增长;雹云中存在较弱的过冷雨水累积带,累积带的维持时间也很短,累积带中的过冷雨水有利于雹块的增长,但不起主要作用;雹块的增长主要是通过雹撞冻云水,其次是撞冻雨水增长。     

1996年初次华南暴雨过程的数值模拟及其分析

文章运用新近开发的双向嵌套的MM5中尺度模式,在国家气象中心的CRAY-C92巨型机环境下,对1996年4月中旬末的华南暴雨过程进行了高分辨率数值模拟和敏感性试验。结果表明,该模式比较成功地模拟了这次暴雨过程及相关的中尺度系统的发生发展;凝结潜热通过一个类似于CISK的机制对暴雨过程的发生发展产生了至关重要的作用;低空西南急流为暴雨的发生发展输送了潜在不稳定能量,并在与暴雨的相互作用中得以维持和加强;初始时刻（暴雨发生前12小时）南海北部—华南地区低层潜在不稳定能量的储备是暴雨发生不可缺少的条件。     

高空急流加速与中低层锋生函数

以1983年4月28日影响江淮地区的冷锋天气过程为例,讨论了高空急流加速与锋生函数之间的关系。计算结果表明了在这次冷锋天气过程的前期,高空急流加速对对流层中层锋生具有重要贡献。而在这次冷锋天气过程的后期,低层锋生可能是由斜压波从基流中获得发展的能量而诱使低层锋生。     

豫北一次区域性大暴雨的数值模拟分析

利用NECP 1°×1°6 h再分析资料和WRF中尺度数值模式对2006年7月2-3日豫北区域性大暴雨过程进行数值模拟,并用模拟结果对该过程作中尺度分析.结果表明:暴雨中尺度系统发展和维持期间,基本上是强涡度区对应强辐合区,使得垂直对流运动发生发展,为强降水发生和持续提供了动力条件;θse值大小和实况降水强弱演变对应关系很好,θse值越大,实况降水越强,反之,实况降水越弱;豫北地区出现强降水时,水汽通量中心位于豫南且分布在西南急流轴上,豫中南部始终维持一条明显的水汽输送带,水汽被源源不断地输送到豫北地区;豫北地区处于明显的水汽辐合区,强辐合区有一自西向东的移动过程,与实况强降水过程演变趋势一致;大暴雨区域上空从低层到对流层顶层垂直螺旋度均为正值,且强降水时段与螺旋度最强时段对应关系很好,降水峰值与正螺旋度中心出现时间吻合.     

中国暴雨中尺度系统发生与发展的诊断分析和数值模拟(Ⅱ)数值模拟

通过改进的MM4中尺度数值模式,对我国三次典型大暴雨过程的模拟,来探讨暴雨中尺度系统发生与发展的问题。主要结果指出：气旋性涡柱在不稳定暖湿气柱内生成和发展,以及与整个涡柱共存的上升运动的持续加强,对暴雨中尺度系统的发展具有重要的作用;地面热通量,凝结潜热释放对暴雨中尺度系统的发展有决定性的作用;各种不同的物理过程和参数化、青藏高原的构形造成的外强迫影响,以及模式空间分辨率等,对暴雨中尺度系统结构与演变以及降雨量的模拟结果均有重要的作用。     

Upgrades to the Boundary-Layer Scheme in the Met Office Numerical Weather Prediction Model

Recent upgrades to the boundary-layer scheme in the UK Met Office operational global Numerical Weather Prediction model are documented. These comprise a reduction in turbulent mixing in stable conditions over the sea, and the inclusion of non-local momentum mixing in convective conditions. The dependence of low-level winds on changing stability is shown to have been significantly improved. Crucially, it is also found that these improvements in local performance have been achieved without degrading the model skill in terms of synoptic evolution—something that has proved difficult to achieve in the past in many operational models. In fact some aspects of the large-scale flow (e.g. zonal mean winds) have been slightly improved.