摘要:选取西北太平洋上两个生命史中发生变性的热带气旋Yagi 和Francisco,前者变性后有一个24 小时的再增强过程,而后者则继续减弱直至消亡。利用日本气象厅提供的热带气旋资料和美国环境预报中心(NCEP)提供的FNL 全球分析资料,对比分析两个TC 在变性阶段的形势场,发现两者在高低层的环境场均具有明显的差异:Yagi 在变性阶段其高空槽较强且在低层有一个与中纬度原先存在的温带气旋合并的过程;而Francisco 在变性阶段其高空槽较弱,且变性后自行消亡。另外探讨了导致Yagi 变性增强的原因,结果表明:(1)Yagi 变性阶段与高空槽前的急流相互作用时,高空急流入口区左侧和出口区右侧的次级环流将产生高空辐散低空辐合的趋势,有利于低层TC 低压的发展。同时,当Yagi 在穿越急流的过程当中,垂直风切变的增加将导致斜压不稳定增强,低层锋区强烈发展,锋区内的斜压能量可能向TC 动能转化,从而使得Yagi 发展增强;(2)高空槽所对应的高层湿位涡下传可使得低层正涡度增长,从而在低层诱生出气旋性环流,有利于Yagi 变性后重新发展;(3)Yagi 与中纬度原先存在的温带气旋发生合并,温带气旋所带来的较高纬度冷空气的入侵增强了低层的水平温度梯度,使得低层锋区强烈发展,从Yagi 以一个锋面气旋的形式而再度发展,促使其变性后进一步增强。而这些特征都是Francisco所不具备的。

摘要:地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF 数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude 数(F_w),研究了北京2009 年5 月1 日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2 km、半宽10 km 的条件下,层流速度从2.5 m/s 逐步增加到25 m/s 时,对应的湿F_w 数从0.19 增加到1.81。当F_w≤1 时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当F_w 很小时,地形云不产生降水。当F_w>1 时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。

摘要:利用ERA40、NCEP/NCAR逐日再分析资料和长江中下游地区85站逐日降水资料,从大气内部天气尺度瞬变波的角度对长江中下游地区极端降水事件进行了成因分析。研究发现瞬变波活动与极端降水的发生关系密切;冬季在两支急流并存的欧亚大陆上空存在南北两支瞬变波活跃带。南支瞬变波在冬季极端降水频发、少发年存在较明显的差异。总体而言,极端降水频发年,瞬变波活动活跃,欧亚大陆上空的瞬变波持续时间长、传播连续、强度偏强;极端降水少发年,则反之。从逐日变化来看,南支瞬变波的强度和能量传播过程与极端降水的发生频次均具有一定的对应关系。北支瞬变波的传播及瞬变波对水汽的输送和极端降水的发生也有一定促进作 用。这些结果均表明,冬季极端降水的发生与天气尺度瞬变波的活动联系紧密,天气尺度瞬变波的异常活动及传播可能是极端降水发生的重要条件,研究可为极端降水的成因研究提供新的思路。

摘要:利用1980～2010 年月平均Hadley中心海表温度、美国全球海洋资料同化系统(GODAS)海洋温度和NCEP/NCAR 大气环流再分析资料,通过对2 个海洋要素(海表温度SST、上层热含量HC)和5 个大气要素(海平面气压SLP、850 hPa 风场、200 hPa 速度势和对外长波辐射OLR)的多变量经验正交函数展开(multivariate EOF,简称MV-EOF)探讨了热带太平洋的主要海气耦合特征。结果表明,MV-EOF 分析的前两个耦合模态分别很好地对应了传统型El Niño 和El Niño Modoki 的海气耦合特征:传统型El Niño 期间,伴随着赤道中东太平洋SST 的异常增温,HC、SLP、200 hPa 速度势等要素总体呈东西反相的“跷跷板”变化,低层850 hPa 赤道中太平洋出现较强西风距平,西北太平洋上空为反气旋性异常环流;El Niño Modoki 期间,SST 持续增温和HC 正异常中心均显著西移至中太平洋,低层SLP 和高空200 hPa 速度势均呈现纬向三极型异常分布,低层异常强西风向西移至暖池东部,西北太平洋上空呈现气旋性异常环流。两类El Niño 的海气耦合特征存在显著差异,较优的El Niño 指数应不仅可以客观描述和区分El Niño 现象本身,更要紧密联系两类事件所产生的大气响应。以往定量表征El Niño 年际变化的指标大多立足于SST 或SLP,本文选取HC 作为研究指标,定义了一组新的El Niño 指数HCEI 和HCEMI。较以往基于SST 的El Niño 指数,HCEI 和HCEMI 不仅能更清楚地表征和区分两类El Niño(如1993 年的传统型El Niño 和2006 年的El Niño Modoki),而且能更好地反映和区分两类El Niño 与大气间的海气耦合特征,为El Niño的监测和短期气候预测工作提供了一个新工具。

摘要:本文利用风廓线仪、地面自动站观测资料及NCAR/NCEP 1°×1°分析资料等,对北京地区两次局地暴雨天气过程的对流层低层偏东风进行了对比分析研究,重点分析了浅薄和深厚两次偏东风的形成机制、偏东风的垂直结构特征和温、湿特性,以及偏东风在北京局地暴雨中的作用等。主要结论如下:(1)浅薄偏东风活动在距地面高度500 m 以下,水平尺度约250 km,时间尺度约12 h, 地面风速平均约1 m/s;深厚偏东风活动在距地面高度3000 m 以下,水平尺度大于600 km,持续时间大于24 h,地面风速平均约4 m/s。(2)浅薄偏东风由边界层内浅薄的次天气尺度暖性低涡引起,深厚偏东风由天气尺度地面暖性低压倒槽的发展引起。(3)偏东风具有高相当位温的属性,其源地是北京东部或东南部的暖湿气团;在暖湿偏东风上方800～600 hPa 存在干冷空气活动,形成了有利的对流不稳定层结;浅薄偏东风暖湿能量的局地集中特征更为显著,而深厚偏东风在水汽和能量的持续输送方面,以及与500 hPa 偏西风形成较强的、有利于强对流风暴发展的低层垂直风切变方面作用更为显著。(4)浅薄偏东风在时间和空间上与近地面层辐合中心对应较好,与中高空辐散有较好配合,动力作用明显,直接起到了对流风暴的触发机制作用;深厚偏东风与辐合中心对应较差,与垂直运动及上层辐散也没有很好的配合,与对流风暴的触发没有直接的关系。但是深厚偏东风在对流层低层对应厚达3000 m 的潮湿空气层,削弱了雨滴下落过程中产生的蒸发降温作用,有利于对流的发展和维持。

摘要:合理的参数估计是提高陆面模式模拟能力的关键,而其过高的维数极大地增加了合理估计的难度。参数的敏感性分析,旨在针对目标变量找出最敏感的参数,从而实现在有限计算机资源条件下,对参数进行合理估计。本文以Common Land Model(CoLM)为研究对象,利用Morris 方法定性地从40 个参数中筛选出影响土壤温度和土壤湿度的敏感参数,并通过Sobol' 方法从敏感性顺序和各敏感参数的累积贡献率两个方面,对Morris 方法分析结果进行验证。在此基础上,本研究还利用Sobol' 方法对已筛选的参数做定量敏感性分析,最终确定参数的主效应、交互效应和总效应。研究结果表明,Morris 方法可以基于少量样本实现复杂的陆面模式的参数筛选,而Sobol' 方法的结果又从定量的角度描述了每个敏感参数对模型响应的影响程度,并且两种方法结论一致。

摘要:质量守恒数值计算是球面准均匀阴阳网格构造全球大气环流模式的重要条件,也是提高阴阳网格应用质量的重要技术手段。本文针对通量形式平流方程,在球面坐标上采用多种理想数值试验对阴阳网格上的三种守恒计算方案和边界插值非守恒计算方案进行了比较检验。发现,质量守恒方案不仅对全球数值积分重要,还影响数值计算精度,满足局地守恒条件的全球强迫守恒方法可以获得较高的精度;网格内质量均匀分布的阴阳网格边界通量一致性守恒强迫计算方案,实现了在不增加计算误差条件下保证局地和全球守恒的目的,且具有很小的计算负担,可以作为阴阳网格上全球质量强迫守恒的有效计算方案;而网格质量的线性分布可以有效提高阴阳网格的数值积分计算精度,但在一定程度上会增加计算负担。

摘要:利用NCEP-NCAR 再分析资料分析了2011～2012 年冬季发生在欧亚大陆的一次异常低温严寒事件的大气环流演变过程以及可能的成因。这次低温事件,主要出现在2012 年1 月下旬至2 月上旬,持续大约3 周左右,非常强的低温异常覆盖了几乎整个欧洲以及东亚的西伯利亚、蒙古国和我国东北、华北等地。这次低温事件的演变与对流层北极涛动(AO)由正位相转变为负位相的时间相匹配,意味着AO 可能发挥重要作用。进一步分析表明,前期行星波的异常上传导致平流层发生爆发性增温现象,极夜急流减弱,AO 位相首先在平流层由正变负;在2～3 周左右的时间内,平流层AO 异常信号逐渐下传,使得对流层AO 也转为负位相;随后,乌拉尔山阻塞高压异常发展,极区的冷空气不断向南爆发,先后在东亚和欧洲造成剧烈的降温,导致低温严寒事件。因此,考虑平流层环流的异常可能有助于提高欧亚大陆冬季低温严寒事件的预测能力。

摘要:利用我国首次获取的静止气象卫星平均10 分钟观测间隔的高时间分辨率数据对2011 年6 月28 日～29日发生的一次强对流云团特征进行分析。Hovmöller 分析图清晰地展示出在高时间分辨率观测条件下云团中心冷核的演变特征。高时间分辨率卫星资料与地面降水量进行联合分析,可推知对流云团中冷核的演变与地面小时降水量大值的落区间有很好的一致性;10 分钟雨量资料联合前推1 小时内7 次平均10 分钟观测间隔的卫星红外1通道亮温,分析可知地面雨量较大时,云顶像元亮温具有持续降低或维持低温状态的特点。反映出在对流性强降水中,冷且具有一定稳定性的云顶是产生大降水的主要特征。研究结果显示,静止气象卫星的高时间分辨率观测可很好地捕捉到强对流云团发展的演变特征,利用FY-2C 静止气象卫星红外1 通道亮温、红外1 通道与水汽通道亮温差在高时间分辨率观测中的时差特征变量,可实现对强对流云团初生的有效监测,为强对流云团的预测预报提供支撑。

摘要:本文利用1950～2012 年NCEP/NCAR 逐月再分析风场资料和中国542 个台站逐日观测资料研究东亚副热带急流(EAJ)的空间结构及其与中国冬季气温的关系。结果表明,东亚副热带急流在空间呈不规则管状结构,冬季急流体积最大,垂直厚度范围自500 hPa 至100 hPa;夏季急流体积最小,仅存在于200 hPa 附近。急流管在秋、冬、春季略呈西南—东北走向,在夏季呈西—东走向。不同高度上的最大风速轴线在南北方向的移动不尽一致,春、秋季低层风速轴比高层偏北。东亚急流管不同区域下方的垂直运动及其年变化存在差异。冬季东亚副热带急流强度与同期中国气温关系密切,特别是高原上空的急流越强时,中国大部分地区冬季气温偏低。

摘要:对2007～2010 年暖季(6～9 月)发生在江淮和黄淮流域46 个对流天气过程的环流背景和地面特征进行了统计研究。根据整层可降水量小于或大于等于50 mm 将这些个例发生的环境分成干环境(10 个个例)和湿环境(36 个个例)。干环境下发生强对流的天气形势可以分为槽后型和副高边缘型,湿环境下的天气形势可分为槽前型、副高边缘型和槽后型,湿环境下有明显的暖湿区配合。湿环境下槽前型发生的概率最高,地面系统较为复杂,有静止锋、倒槽、冷锋和暖锋,而干环境下在本研究的个例中无槽前型发生。干、湿环境下副高边缘型的对流,从地面到500 hPa 都发生在副高后部的“S”流型的拐弯处,但部分湿环境个例低层有切变线。干环境下槽后型的发生概率较高,而湿环境下发生概率则相对较少。由这些研究表明,干、湿环境下强对流系统的触发和维持机制存在明显的差异。

摘要:在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×10⁵ t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。

摘要:利用2006～2009 年日本再分析资料对长江下游地区梅汛期间(5～7 月)边界层内中尺度涡旋进行普查,并分类统计分析了边界层内中尺度涡旋与暴雨、低空急流的关系。研究结果表明:每年的5～7 月该地区经常在对流层低层或(和)边界层内出现中尺度扰动涡旋,根据中尺度涡旋最初生成的高度不同,可划分为边界层中尺度涡旋、对流层低层中尺度涡旋和对流层低层—边界层中尺度涡旋三类。边界层中尺度涡旋中与暴雨有密切关系的中尺度涡旋称为边界层中尺度扰动涡旋(PMDV),根据涡旋前或后6 小时累积雨量,可以进一步将其分成两类:第一类是暴雨的直接制造者中尺度对流系统(MCS)先于边界层中尺度扰动涡旋发生(MCS-PMDV);第二类是边界层中尺度涡旋产生后,激发了中尺度对流,造成了暴雨过程(PMDV-MCS)。PMDV-MCS 类涡旋暴雨的特点是在对流层低层850 hPa 是一条切变线,其南侧有一支西南低空急流,边界层925 hPa 则是一个闭合的涡旋,暴雨区主要落在涡旋的东北面和东南面。

摘要:利用新一代中尺度数值预报模式WRF3.2及NCEP/NCAR 逐日4次1°×1°的FNL再分析资料,通过有、无青藏高原以及将高原高度降低到临界高度的数值试验,研究了青藏高原大地形对我国华南地区2010 年5 月一次持续性暴雨过程的影响。试验结果表明:高原大地形对降水的影响显著,随着高原高度的升高,降水增多,高原以东地区的雨带也由北向南移动;高原地形的机械阻挡作用使迎风坡一侧的近地面层附近为强上升运动,背风坡为下沉运动,并分别对应降水的峰值和谷值区;高原对西风气流的爬流、绕流作用明显,高原升高后爬坡作用减弱,以绕流作用为主;高原的加热作用使气流过高原时南支减弱,北支加强,并加强了高原及其东部地区低层的正涡度和高层的负涡度,使高原上空为强烈的上升运动;高原的热力作用使西太平洋副热带高压位置偏南、偏西并稳定维持;高原大地形对形成稳定的高原季风环流圈有重要作用;高原地形高度的作用有利于定常波的形成,波动中心对应强上升运动,形成降水的大值区,稳定维持的定常波使得降水持续集中在同一地区,造成持续性暴雨。

摘要:本文主要介绍低频天气图延伸期预报方法。低频天气图是一种不同于统计学预报方法、数值预报方法和天气学预报方法的延伸期天气过程预报的新方法,可以用于延伸期(10～30 天)天气过程预报。低频天气图的技术要点是大气低频系统(低频气旋和低频反气旋)及其相应的低频气流。低频天气图的天气学意义是能反映造成天气过程的天气系统的生消、维持和移动及其大气环流演变过程。其优越性在于其特性:时间上的周期性(30～50 天)、持续性和空间上的连续性、相似性以及地域上的准定常性,预报天气系统相对容易且时效长。2008～2012 年在上海市气候中心业务应用的结果表明,可以提前15～45 天预报上海地区的强降水过程。

摘要:本文利用内蒙古乌兰察布风电场2009 年观测记录和WRF 数值模式预报,研究了中尺度数值天气模式对风电场风速的短期预报能力。研究表明:不同数值模式参数化方案的预报能力没有实质性的区别,对于不同时效的风场预报各种方案的预报能力不尽相同。在天气演变较为剧烈时,模式预报技巧相对较差。风电场周边主要天气系统对预报准确度有很大影响。就乌兰察布风电场而言,WRF 模式2009 年日平均预报相对误差仅为11.78%,且误差大于20%的日数占研究总天数不超过15%,具有较高的预报技巧。当蒙古气旋、东北气旋剧烈发展或风速迅速减小时风速的预报误差较大。

摘要: