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2004年  第28卷  第3期

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东亚地区春季二氧化硫的输送与转化过程研究I.模式及其验证
张美根, 徐永福, ItsushiUno, HajimeAkimoto
2004, 28(3): 321-329. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.01
摘要:
结合新近评估的东亚地区污染源资料,作者利用一个耦合的区域化学输送模式系统以探讨东亚地区春季期间气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对二氧化硫输送及转化过程的影响,并研究二氧化硫和硫酸盐气溶胶的空间分布及变化特征.模拟的二氧化硫和硫酸盐气溶胶的浓度值与2001年春季飞机和地面获取的观测值进行了比较.比较结果显示,模拟值与观测值具有很好的一致性,模式系统很好地反映了二氧化硫和硫酸盐气溶胶的分布特征和变化规律,再现了许多观测到的重要特征,为进一步分析模拟结果奠定了基础.
华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析
蒙伟光, 王安宇, 李江南, 冯瑞权, 侯尔滨
2004, 28(3): 330-341. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.02
摘要:
利用MM5模式对发生在1998年5月23~24日华南暴雨和中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)模拟的模式输出资料,根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析了暴雨和MCS形成和发展的原因.结果表明,暴雨和MCS发生在倾斜湿等熵面具有弱对流稳定性的下陷区,沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升并具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减小的过程,导致暴雨和MCS发生发展区域有气旋性的涡旋发展.对流发展区域的上空满足条件对称不稳定发生的条件,MCS中上升气流呈倾斜状态.由于湿等熵面倾斜,在暴雨和MCS的发展过程中,水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展,使暴雨和MCS得以维持.最后,给出了华南地区湿等熵面上暴雨和MCS发生发展的一个物理概念模型.
"99·6"梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析
隆霄, 程麟生
2004, 28(3): 342-356. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.03
摘要:
在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5和四维资料同化逼进方法及双向三重嵌套网格技术,对1999年6月23~25日(简称"99·6")发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟.结果表明:模拟结果与观测结果的比较指出,高分辨数值模式MM5可以成功地模拟梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展;模拟结果显示,在α中尺度低涡切变线发展过程中,低层强的西南急流和东北气流增强了低层的辐合;而高空的西风急流和东风急流则增强了高空的辐散;正是由于这种从高空到低空环流的配置,才促进了α中尺度低涡不断发展;模拟低涡切变线不同部位的垂直环流和物理量场表明,"99·6"梅雨锋低涡切变线的结构非常复杂:在梅雨锋的发展期,暖锋附近的垂直上升运动最强,低涡中心次之,冷锋附近最弱.模拟结果也表明,由于下垫面特征的不同,中国和日本的梅雨锋暖锋附近环流结构有较大的区别;模拟结果显示,在α中尺度低涡发展过程中,不断有扰动在低涡前部发展,激发并分裂出一系列的β中尺度系统,β中尺度系统运动剧烈,但由于其低层辐合强于中空辐散,所以当它远离母体时会很快衰减.
印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟
周天军, 俞永强, 宇如聪, 张学洪, 李肇新
2004, 28(3): 357-373. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.04
摘要:
观测事实显示,在El Ni(n~)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n~)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.
陆面过程模式中地下水位的参数化及初步应用
谢正辉, 梁旭, 曾庆存
2004, 28(3): 374-384. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.05
摘要:
田间研究表明地表水和地下水有重要的相互作用,它与土壤含水量密切相关.土壤含水量不仅在陆气相互作用系统水和能量平衡中,而且在干旱、洪水预报、水资源管理、生态系统研究中起十分重要的作用.因此,研究地表水和地下水的相互作用,建立陆面模式中地下水位的动态表示,对于气候与水资源研究具有重要意义.将地下水位的动态表示问题归结为饱和与非饱和流问题,发展了其数值计算方案,建立了地下水位的动态表示,并与陆面过程模型耦合,建立了陆气相互作用中地下水位的动态表示,并进行了数值模拟研究.
强降水云物理过程的三维数值模拟研究
肖辉, 王孝波, 周非非, 洪延超, 黄美元
2004, 28(3): 385-404. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.06
摘要:
利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.
前期高度场和海温场变化对我国汛期降水的影响
严华生, 严小冬
2004, 28(3): 405-414. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.07
摘要:
利用1952~2001年我国160个测站汛期降水和前期500 hPa高度场和太平洋海温场资料以及三因子最佳子集回归求最大复相关系数的方法,把前期不同时间步长、不同时段的高度场和海温场同时作为预报因子与汛期降水求相关.结果发现:前期两个场共同作为预报因子比把其中某场单独作为预报因子的相关要好.并且存在着较好的"隔多季度相关"现象.预报因子具有实际预报意义的最佳时段为上一年的6~9月.影响我国汛期降水的最佳预报因子主要集中于高度场和海温场具有重要天气气候意义的关键区域.汛期降水可预报性在北方和长江以南均较好.
变分连续同化中优化步长的推导方法及数值试验
王云峰, 伍荣生, 王元, 潘益农
2004, 28(3): 415-423. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.08
摘要:
一个好的变分同化方法,必须考虑到预报模式具有误差,并对模式误差进行纠正.变分连续同化(VCA)通过在模式方程中引进一个修正项,连续地调整模式变量,从而达到以上目的.在变分连续同化的迭代过程中,优化步长的选取方法对于同化迭代是否收敛、收敛速度快慢与否都至关重要,文中推导了一种有效利用观测资料计算优化步长的新方法,并以大气运动方程中一维非线性平流波和二维惯性波为例,进行了四维变分资料同化数值试验.数值结果表明,VCA方法和计算优化步长的公式都是有效的.
热带东风气流中低压形成的非线性过程
袁金南, 万齐林
2004, 28(3): 424-432. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.09
摘要:
从有水平辐合辐散的赤道β平面浅水方程出发,采用变量替换和小参数展开法,推导出了热带纬向气流作用下的非线性近似方程,给出了非线性方程孤立波解和一阶近似方程u1、v1、1的形式解.由此讨论了热带东风气流中的低压形成.结果表明:(1)在热带东风气流或热带东风弱切变气流中,可以得到低压形势结构;东风气流弱切变不影响低压纬向宽度,而对低压强度和低压中心位置有一定的影响.(2)当热带东风气流减弱时,低压中心位置偏北,低压强度增强,低压纬向宽度变大;在东风气流中,低压中心位于15~20°N之间,低压中心位置跟实际热带东风气流中低压形成位置比较一致.
中尺度数值预报模式预报水汽与GPS观测的比较研究
袁招洪, 丁金才, 陈永林
2004, 28(3): 433-440. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.10
摘要:
利用建立在长江三角洲地区的GPS观测网中4个站点资料,进行2002年梅雨期(6月18日~7月11日)MM5模式24小时预报结果与GPS观测资料的比较研究.研究结果表明:2002年梅雨期,不同的GPS站点可降水量的变化与梅雨带的移动和走向有直接的关系.提高模式分辨率能减小模式初始场对湿度的分析误差,但对可降水量的预报能力改善不明显.尽管MM5模式积分一开始对可降水量的预报就存在5%~10%的偏差,但积分前10小时模式对可降水量表现了较好的预报能力.积分20小时后,模式对可降水量的预报偏差明显增长.研究还表明:GPS对可降水量的测量与探空观测有较高的一致性.相距43 km时,两者仍有一定的可比性.GPS测量的可降水量资料可能存在系统误差, 同化GPS资料时应关注GPS资料本身的可靠性.
赤道太平洋西风异常与El Nio的关系
王彰贵, 邢如楠, 陈幸荣
2004, 28(3): 441-454. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.11
摘要:
分析了1980年以来赤道太平洋西风异常观测资料,并利用 POM海洋模式模拟了赤道太平洋海温对不同类型西风异常的响应.分析和数值模拟试验结果都表明,赤道太平洋上的西风异常可以引起赤道中东太平洋海温升高,但是El Nio事件是否能发生,则与西风异常的位置、强度和东移有关.只有当赤道中太平洋(160°E~160°W)出现一定强度的西风异常并较快东移,才有利于El Nio发生.
北京一次强单体雹暴的三维数值模拟
刘术艳, 肖辉, 杜秉玉, 何宇翔, 张荣林
2004, 28(3): 455-470. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.12
摘要:
利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式,模拟了1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界地区的一次强单体雹暴过程,并结合多普勒雷达探测资料,分析了风暴的流场结构、雷达回波结构特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变.模式模拟出了超级单体风暴云的一些典型特征,如悬垂回波、弱回波区、回波墙等.同时,模拟分析了冰雹形成的微物理过程,结果表明,本个例模拟雹云中,冰雹粒子主要由冻滴(CNfh)和霰(CNgh)转化形成,但冻滴对冰雹形成的贡献比霰大得多,冰雹含水量中心的发展演变与冻滴含水量中心的发展演变相一致,冰雹主要是通过撞冻过冷水过程(CLch、CLrh)而进一步长大的.
尤特台风登陆过程中眼区结构变化的分析研究
陈子通, 闫敬华, 丁伟钰, 万齐林
2004, 28(3): 471-478. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2004.03.13
摘要:
尤特台风在登陆珠江三角洲期间,借助珠江三角比较稠密的观测网对它在登陆过程中眼区及其附近结构的变化进行分析研究.综合使用时间分辨率为6 min的多普勒雷达CAPPI(Constant Altitude Plan Position Indicator)回波图、每小时CAPPI径向风、高时空分辨的静止气象卫星云图、SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)和常规观测等资料.雷达图上发现眼区及邻近地区多处存在着比较强的最长可达150 km左右的直线状回波,直线回波带上嵌有多个强的回波单体.经过分析研究,认为雷达图上的直线状回波现象,与台风内区涡旋结构的变异有关.考察静止卫星红外云图上螺旋云带的强烈弯曲和云带前端低TBB值的现象,以及分析探空资料计算出来的相对涡度分布,认为直线回波现象与台风内区非对称的涡旋结构演变有关,那些直线回波带的形成可能是与眼壁附近存在的涡度相对高值区的推进相联系的.最后作者就台风登陆过程中内区涡旋结构变异的问题作一些讨论,认为台风在登陆过程中相对比较容易发生结构变异,从而有可能导致在登陆过程中移速加快和出现强天气等现象.