有限区域风场分解方法及其在台风SAOMEI研究中的应用

介绍了有限区域水平风场分解的调和-余弦计算方法,该方法把函数分成两部分之和.第一部分是Laplace方程在给定边界条件下的解,由于Laplace方程的解是调和函数,这个部分可称为调和部分,又因为其与区域内部值无关,也称外部部分.第二部分是原始函数与调和部分之差,这个函数是齐次边条件下Poisson方程的解,只与区域内部的涡度或散度有关,故称为内部部分,可以展开成双傅氏的余旋函数系列.调和-余弦计算方法的求导都是用谱系数进行,计算精度比常用的差分方法高两阶以上.而且,由于外部部分对应的边界条件物理意义清楚,边界光滑,成功克服了有限区域流函数和速度势迭代求解出现的计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失等问题,可以准确分解和重建有限区域的风场.利用NCEP/NCAR 1°×1°的实时分析资料和日本气象厅区域谱模式(RSM)20km分辨率的再分析资料,利用调和-余弦算法得到的无辐散风分量和无旋风分量,对2006年的8号超强台风“桑美"(SAOMEI)进行风场结构的比较分析.结果发现,低层无辐散风比原始风场与台风中心的对应关系更好;同时,无旋风分量能更好地显示原始风场上并不明显的低层辐合高层辐散的特征,大尺度无辐散风分量可以更清晰地显示出台风的水汽输送通道.从与台风中心的对应关系看,台风在海上发展阶段,SAOMEI台风的旋转中心与辐合中心并不是时时重合,这个特点只能通过风场分解才能得到.此外,SAOMEI登陆以后,南部洋面上发展起来的对流活动从水汽和能量补充方面都不利于SAOMEI的维持.可见,分解后的无辐散风场和无旋风场能更清楚地体现出SAOMEI的风场结构,在台风结构分析中有重要的推广应用价值. 关键词： 台风 水平风场分解 调和-余弦算法     

Precipitation efficiency and its relationship to physical factors

The precipitation efficiency and its relationship to physical factors are examined by analyzing a two-dimensional cloud-resolving model simulation during TOGA COARE in this study. The basic physical factors include convective avail- able potential energy, water-vapor convergence, vertical wind shear, cloud ratio, sea surface temperature, air temperature, and precipitable water. Precipitation efficiencies do not show a close relationship to air temperature nor to sea surface tem- perature nor to precipitable water. The precipitation efficiency increases as the water-vapor convergence rate increases and vertical wind shear weakens, whereas it decreases as the convective available potential energy dissipates and anvil clouds develop.     

强对流降水过程动力因子分析和预报研究

利用对流涡度矢量垂直分量,湿热力平流参数和波作用密度等动力因子对2009年7月8日发生在我国华北南部地区的强对流降水过程进行诊断分析,结果表明,这些动力因子能够综合描述降水系统水平风场垂直切变,涡度扰动以及位温平流和广义位温(及其扰动)的经向梯度等动力学和热力学特征,在降水区对流层中低层表现为强信号,在非降水区表现为弱信号.利用美国NCEP/NCAR 0.5度GFS的6 h,12 h,18 h和24 h预报资料计算分析2009年6月2日至10月1日动力因子对观测降水的指示预测作用,结果表明,动力因子对观测 关键词： 对流涡度矢量垂直分量 湿热力平流参数 波作用密度     

从流场分解角度改进Q矢量分析方法及其在暴雨动力识别中的应用

依据水平风场分解思路,运用调和.余弦算法,准确分解有限区域Q矢量.根据已有的关于Q矢量散度和新发展的Q矢量涡度与天气系统对应关系的研究,运用分解得到的Q矢量旋转分量场和辐散分量场,改进传统Q矢量分析方法中单纯依靠Q矢量水平散度场进行的诊断分析.通过对一次暴雨个例的比较研究表明,在雨带形势和暴雨中心位置的动力识别方面,改进的Q矢量分析方法比传统的单纯依靠Q矢量散度分析方法具有更好的效果.     

Effects of water and ice clouds on cloud microphysical budget:An equilibrium modeling study

The effects of water and ice clouds on the cloud microphysical budget associated with rainfall are investigated through the analysis of grid-scale data from a series of two-dimensional cloud-resolving model equilibrium sensitivity simulations. The model is imposed without large-scale vertical velocity. In the control experiment, the contribution from rainfall （cM） associated with net evaporation and hydrometeor loss/convergence is about 29% of that from the rainfall （Cm） associated with net condensation and hydrometeor gain/divergence and about 39% of that from the rainfall （CM） associated with net condensation and hydrometeor loss/convergence. The exclusion of ice clouds enhances rainfall contribution of CM, whereas it reduces rainfall contributions of Cm and cM. The removal of radiative effects of water clouds increases rainfall contribution of CM, barely changes rainfall contribution of Cm and reduces the rainfall contribution of cM in the presence of the radiative effects of ice clouds. Elimination of the radiative effects of water clouds reduces the rainfall contributions of CM and Cm, whereas it increases the rainfall contribution of cM in the absence of the radiative effects of ice clouds.     

平流涡度方程及其在2006年Bilis台风分析中的应用

推导得到气压坐标中的动量叉乘形式的垂直涡度方程,这个动量叉乘形式的涡度方程包含了水平风的平流旋转效应,可称为平流涡度方程.由于水平风场的平流作用可由等压面天气图直观分析得到,因此平流涡度方程可方便用于实际天气分析.对2006年的Bilis台风移动过程中由经典涡度方程和平流涡度方程计算得到的垂直涡度倾向进行对比分析发现,二者计算得到的垂直涡度倾向变化的分布形式接近,但平流涡度方程计算得到的倾向的数值明显大于经典涡度方程的数值,正负涡度倾向区也更集中.对Bilis移动过程中的垂直涡度方程和平流涡度方程中各项的计算分析表明,水平风场的平流旋转作用是Bilis发展移动过程中垂直涡度变化的一个主要因素,是造成垂直涡度增强并发展的主要原因.因此,当水平风场平流旋转效应较强时,平流作用对垂直涡度倾向变化起主导作用,可直接用平流项来近似分析Bilis台风的涡度变化.而平流涡度方程中地转涡度和散度项的变化趋势与Bilis台风的移动路径有较好的一致性,这一项对台风的移动路径预报有更好的指示意义.     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果. 关键词： 有限区域 风场分解和重建 调和正弦/余弦方法 流函数和速度势     

Effects of sea surface temperature, cloud radiative and microphysical processes, and diurnal variations on rainfall in equilibrium cloud-resolving model simulations

The effects of sea surface temperature(SST),cloud radiative and microphysical processes,and diurnal variations on rainfall statistics are documented with grid data from the two-dimensional equilibrium cloud-resolving model simulations.For a rain rate of higher than 3 mm.h 1,water vapor convergence prevails.The rainfall amount decreases with the decrease of SST from 29℃ to 27℃,the inclusion of diurnal variation of SST,or the exclusion of microphysical effects of ice clouds and radiative effects of water clouds,which are primarily associated with the decreases in water vapor convergence.However,the amount of rainfall increases with the increase of SST from 29℃ to 31℃,the exclusion of diurnal variation of solar zenith angle,and the exclusion of the radiative effects of ice clouds,which are primarily related to increases in water vapor convergence.For a rain rate of less than 3 mm.h 1,water vapor divergence prevails.Unlike rainfall statistics for rain rates of higher than 3 mm.h 1,the decrease of SST from 29℃ to 27℃ and the exclusion of radiative effects of water clouds in the presence of radiative effects of ice clouds increase the rainfall amount,which corresponds to the suppression in water vapor divergence.The exclusion of microphysical effects of ice clouds decreases the amount of rainfall,which corresponds to the enhancement in water vapor divergence.The amount of rainfall is less sensitive to the increase of SST from 29℃ to 31℃ and to the radiative effects of water clouds in the absence of the radiative effects of ice clouds.     

从流场分解角度改进Q矢量分析方法及其在暴雨动力识别中的应用

依据水平风场分解思路,运用调和-余弦算法,准确分解有限区域Q矢量.根据已有的关于Q矢量散度和新发展的Q矢量涡度与天气系统对应关系的研究,运用分解得到的Q矢量旋转分量场和辐散分量场,改进传统Q矢量分析方法中单纯依靠Q矢量水平散度场进行的诊断分析.通过对一次暴雨个例的比较研究表明,在雨带形势和暴雨中心位置的动力识别方面,改进的Q关键词： 矢量分析 调和-余弦算法 暴雨 动力识别     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果.