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2005年  第29卷  第6期

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梅雨锋上MCS的发展、传播以及与低层"湿度锋"相关联的CISK惯性重力波
胡伯威
2005, 29(6): 845-853. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.01
摘要:
采用一个包含简单积云对流参数化的线性模式讨论在长江流域相当正压性质的梅雨锋上,贯穿整个对流层的深厚惯性重力波的发生、传播和频散性质.结果表明,与积云对流加热场有最密切关系的低层湿度条件及其水平分布不均匀性质都对扰动的波速和稳定度有重要影响,最有利出现不稳定发展的地方是在"低层湿度锋区"南界附近,因此这里是中尺度对流系统(MCS)的活跃地带.关于频散性质的分析表明,能允许群速度大于相速度的低层湿度条件及其水平分布的特征值范围比较宽.而在上述稳定度接近中性的条件下最有利于出现沿"湿度锋区"轴向的上、下游效应.这个结果也许能很好地解释:在梅雨锋上,恰恰是当一个旺盛的MCS达到顶点而开始趋向衰减时,在它的上、下游很快发展起新的MCS,新、旧MCS一起形成"云团波串"这样一个重要而有趣的观测事实.
β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制Ⅱ.涡旋Rossby波的形成
沈新勇, 倪允琪, 沈桐立, 丁一汇, 贺哲
2005, 29(6): 854-863. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.02
摘要:
使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源.结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p'和扰动涡度ζ'在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D'和扰动垂直速度w'在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ'与扰动散度D'在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同.局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能.最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程.采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论.
用GMS5卫星反演水汽场分析中国西北地区大气水汽分布的气候特征
陈添宇, 李照荣, 陈乾, 李宝梓
2005, 29(6): 864-871. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.03
摘要:
卫星遥感资料具有反演大气水汽含量的能力.由于山区降水一般随高度增加,而海拔高的地区大气柱的厚度比海拔低的地区薄,整层水汽含量少,使得大气总水汽含量与降水的分布在复杂地形情况下不吻合.为此,引入用卫星反演的单位大气柱水汽含量,较好地反映了降水的空间分布特征.分析结果表明,在云水条件上,西北地区东部具备了较好的实施人工增雨(雪)的条件,尤其在春、夏季,实施人工增雨(雪)的云水条件更加优越.
GRAPES全球三维变分同化系统--基本设计方案与理想试验
庄世宇, 薛纪善, 朱国富, 赵军, 朱宗申
2005, 29(6): 872-884. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.04
摘要:
中国气象局数值预报研究中心开发了一个全球和区域统一框架的格点三维变分资料同化系统(GRAPES3D-Var).作者给出全球版本的方案设计,采用单点观测试验检验方案设计的合理性和正确性.全球方案选择流函数、速度势、非平衡高度和相对湿度作为分析求解的控制变量,用线性平衡方程作为质量场和风场的动力约束,通过预调方法解决背景误差协方差矩阵阶数过大和难以求逆的问题,其中垂直变换和物理变换以及观测算子设计等方面与区域方案相同,但预调的水平变换采用球谐函数谱滤波表示背景误差协方差的水平相关模型,避免了递归滤波在高纬和极区因相关尺度过大无法实施的问题.另外,设计了一个使极区插值和差分计算完全闭合的网格以及相应的算法,解决了极点分析问题.单点观测理想试验结果表明,GRAPES 3D-Var系统能够合理给出全球任何地区的分析.
"催化-供给"云降水形成机理的数值模拟研究
洪延超, 周非非
2005, 29(6): 885-896. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.05
摘要:
利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中"催化-供给"云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件.结果说明,"催化-供给"云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层.作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%.具有"催化-供给"云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大.凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程."催化-供给"云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件.
新一代格点大气环流模式与陆面生态模式AVIM的耦合研究
毛嘉富, 王斌, 丹利, 李银鹏
2005, 29(6): 897-910. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.06
摘要:
将陆面生态模式AVIM(Atmosphere-Vegetation Interaction Model)的物理模块(PHY-AVIM)耦合到中国科学院大气物理研究所新一代格点大气环流模式GAMIL(Grid-point Atmospheric Model)中,替换GAMIL中的陆面模式BATS.对两种方案GAMIL+BATS(旧版本)和GAMIL+(PHY-AVIM)(新版本),分别独立进行11年积分,取后10年的积分结果进行分析.结果发现:新版本明显改进冬、夏季陆地表面的感热、潜热场通量,尤其在夏季,非洲大陆的中北部、欧亚大陆、北美中部以及南美北部等地区,新版本的感热场模拟值均比旧版本低,更接近NCEP再分析资料的结果;同样,对于地表面温度场,新版本在夏季明显地减弱了旧版本在大陆上的的暖偏差,模拟的结果更合理;新版本对冬、夏季的海平面气压场、降水场也有一定的改进,但改进不是很明显.以上的所有改进主要是由于AVIM引入了更细致的陆面物理过程参数化方案,以及使用了分辨率(0.5°×0.5°)更高的陆地植被分类资料.
基于遥感资料的陆面水循环模拟及检验
薛根元, 周锁铨, 孙照渤, 陈红梅, 吉宗伟
2005, 29(6): 911-925. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.07
摘要:
利用遥感资料和10年逐日气象资料,采用逐步插值方法(SIA),修改VIC-3L(Three-Layer Variable Infiltrat1on Capacity hydrological model)模式中多种覆盖类型蒸发的计算方法,计算植被对地表水循环的贡献.模拟地处南水北调工程水源区的褒河(陕南汉江支流)流域地表水的空间分布,将应用遥感资料与<中国资源环境数据库>资料的模拟结果进行比较,并用实测资料进行检验,结果表明:(1)有效的气候要素空间插值方法,是陆面水循环模拟的基础;(2)4 km分辨率DEM(Digital Elevation Model data)得到褒河流域的河网,与实际状况相吻合;(3)利用VIC-3L模拟褒河流域的陆面水文过程中,水分分量的分布合理,物理成因清晰,量值大小准确;(4)基于遥感资料模拟的地表水平衡分量的空间分布更为合理,尤其是改善了河流流量峰值的模拟;(5)遥感植被类型、叶面积指数较好地反映了实际地表覆盖状况和叶面积指数的季节变化情况.
多尺度空气质量模式系统及其验证Ⅱ.东亚地区对流层臭氧及其前体物模拟
张美根
2005, 29(6): 926-936. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.08
摘要:
利用一个多尺度空气质量模式系统对东亚地区2001年春季对流层臭氧及其前体物的输送与演变过程进行了模拟.为了检验模式系统模拟臭氧演变过程的能力,将模拟的臭氧浓度及其与之紧密相关的化学物种浓度,如OH自由基、HO2自由基、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、乙烷和乙烯,与TRACE-P期间两架飞机在西北太平洋上空获取的大量观测资料进行了比较.比较结果表明,模拟值的平均值与相应的观测值具有相当好的一致性,且绝大多数模拟值在相应观测值的2倍范围之内;模拟的化学物种浓度的时空分布与观测结果基本相符;模式系统对于非甲烷烃中不同化学物种的输送与转化过程的处理是基本合理的,反映了光化学生成和平流层输送等过程对对流层臭氧浓度分布的影响.
Helen台风(9505)异常路径的诊断分析与数值模拟
张胜军, 陈联寿, 徐祥德
2005, 29(6): 937-946. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.09
摘要:
南海台风西行北翘是小概率事件,预报具有一定的难度.作者应用中尺度模式MM5,对具有南海台风西行北翘路径特征的9505号强热带风暴(Helen)的异常路径进行了诊断分析和数值模拟.研究结果表明:副热带高压出现断裂,副高主体减弱东撤,导致Helen在断裂点处北翘,此异常路径是环境场与Helen本身非线性相互作用的结果.环境场的主要天气系统(如副热带高压、高空冷涡)与Helen之间的相互作用并未影响副热带高压薄弱地带的出现以及Helen在副热带高压断裂点处的北翘,但对Helen北翘后的路径有较为明显的影响.Helen的水平结构(包括风廓线的非对称结构、最大风速、最大风速半径等)变化对其异常路径影响有一定影响,其中风场的非对称结构变化对其异常路径的影响更为明显,当最大风速位于台风环流的东北象限,模拟得到的Helen路径无明显的北翘过程,为持续的西北行;当最大风速位于台风环流的西南象限,Helen路径为显著的西行北翘异常路径.
夏季热带西太平洋对流与长江中下游降水关系的研究
闵锦忠, 李春, 吴芃
2005, 29(6): 947-954. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.10
摘要:
利用1979~2001年NCEP/NCAR月平均再分析格点资料、OLR和中国160站的月平均降水资料,研究了夏季热带西太平洋对流活动与长江中下游降水的关系.结果表明,夏季热带西太平洋上空对流活动强(弱)时,长江中下游地区夏季降水显著偏少(多).而西太平洋副热带高压在夏季热带西太平洋对流和长江中下游地区降水之间起到了桥梁作用,通过副高的东西位置、面积、强度异常等影响东亚夏季风异常,进而造成长江中下游地区夏季降水异常.另外,热带西太平洋对流异常显著对应着在热带和中纬度地区呈经向分布的Rossby波列(即东亚遥相关波列),该波列结构的异常与长江中下游地区夏季降水异常也有密切的关系.
基于增长模繁殖法的集合预报初始扰动饱和分析
于永锋, 张立凤
2005, 29(6): 955-964. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.11
摘要:
基于增长模繁殖(BGM)法构造集合预报初始扰动时,繁殖循环中扰动的发展和饱和情况是其关键技术之一.已有的一些研究基本上是以扰动增长率接近某一数值作为繁殖结束的标志.作者认为,初始扰动的饱和不仅仅是扰动增长率的饱和,即繁殖模大小方面的饱和,扰动形态(即误差分布)上的饱和也应当是一个必须考虑的因子.利用T63L9全球谱模式分析了繁殖循环中增长模(扰动)的发展和饱和情况,通过分析扰动大小及形态两方面随繁殖时间的演变,得到以下主要结论:扰动增长模在繁殖3~4天后可呈现明显的饱和特征;不同变量扰动增长模的饱和时间有所差别,同一变量在不同等压面上饱和时间亦不同步;不同的初始模大小也会对扰动饱和过程产生影响.
边界层动力"抽吸泵"对青藏高原低涡的作用
李国平, 徐琪
2005, 29(6): 965-972. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.12
摘要:
考虑热带气旋类青藏高原低涡为受加热和摩擦强迫并满足热成风平衡的轴对称涡旋系统,通过求解线性化柱坐标系中涡旋模式的初值问题,分析了高原边界层动力"抽吸泵"对高原低涡结构及发展的作用,得出了特定热力、动力作用下高原低涡水平流场和垂直流场的典型结构特征,并讨论了低涡发展与边界层抽吸作用的关系.结果表明:高原上较强的边界层动力"抽吸泵"作用对高原低涡的流场结构及发展有重要影响.当边界层动力"抽吸泵"表现为"抽"的效应时,有利于边界层中对流活动的发展;反之表现为"吸"的效应时,有利于边界层以上的高原低涡的加强.
2003年梅雨期干冷空气的活动及其对梅雨降水的作用
姚秀萍, 于玉斌
2005, 29(6): 973-985. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.13
摘要:
利用NCEP/NCAR再分析资料和卫星云图,分析了2003年梅雨期暴雨过程中干冷空气侵入和演变的特征以及干冷空气侵入对暴雨发生、发展和维持的作用,得到以下结论:梅雨期中高纬度环流的演变和调整与暴雨过程密切相关,亚洲北部阻塞高压的建立和维持,使得500 hPa高度上西风锋区南压,导致干冷空气南下,极涡活动的异常偏东和加强有助于冷空气向江淮流域输送,有利于江淮流域暴雨的发展.在江淮流域梅雨期间,干冷空气的活跃与暴雨过程相对应.干冷空气来源于中高纬度和中高层,当它南下或下降到达江淮流域以北或上空时,与北上的暖湿气流交汇,使得暴雨产生和发展.中低层30°N以北的正环流的下沉支是干冷空气的输送"载体";江淮流域以北的对流层中低层的北风对淮河流域对流层的形成和发展起着重要作用,同样,高层北风所产生的高空辐散叠置于低层辐合区之上,有利于江淮流域暴雨的发生发展.而且,干冷空气的侵入有利于干层的形成和维持,干层的存在加强了暴雨过程的对流性不稳定,对暴雨的加强和发展起重要作用.干冷空气侵入是梅雨湿度锋形成和维持的一个重要动力和热力原因.卫星云图上分析发现,干冷空气的侵入轨迹为一条明显的暗区,干冷空气南下侵入到黄河以南后,分为两支,其中一支"干侵入2"从西南方向侵入,与冷锋云系相互作用,对暴雨的发生和发展起着关键的作用,这与Browning等强调的"干侵入"不尽相同.
C波段双多基地多普勒雷达资料处理和三维变分风场反演方法研究
刘黎平, 莫月琴, 沙雪松, 苏涛
2005, 29(6): 986-996. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.14
摘要:
研究了双多基地多普勒雷达资料的配对方法、风场反演的区域和精度,并研制了基于三维变分方法的双多基地多普勒雷达系统的风场反演系统.利用安徽四创电子股份有限公司研制的一个主动雷达和两个侧向接收天线组成的双多基地多普勒雷达系统获取的外场试验资料,进行了风场反演试验.该风场反演方法利用主动雷达和被动接收系统测量的径向速度作为弱约束,用质量连续方程作为强约束,来反演三维速度场.利用Advanced Regional Prediction System(ARPS)模式模拟的一次龙卷过程的结果,进行了风场反演的模拟试验.结果表明:双多基地多普勒雷达系统能较准确再现龙卷的中尺度特征和强上升气流的结构,从上下两个方向进行垂直积分可以减小垂直速度的反演误差,利用两个侧向接收系统的资料能进一步减小径向速度随机误差对风场反演的影响,增大风场反演的范围.三个分系统单独获取的资料空间配对效果很好,利用不同雷达径向速度反演的风场比较近似,反演的风场与径向速度定性分析和速度方位显示方法(VAD)结果比较一致,该双多基地多普勒雷达系统同步观测技术设计合理,在实时探测三维风场特别是探测近地层风场方面有广泛的应用潜力.
绿洲效应的模拟及内外因子的敏感性实验
刘树华, 胡予, 胡非, 梁福明, 王建华, 刘和平
2005, 29(6): 997-1009. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.15
摘要:
利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水平尺度和植被结构等若干内外因子的敏感性实验.结果表明:绿洲的最小临界尺度为5~10 km之间,最大临界尺度为55~65 km之间,而最利于绿洲维持的尺度范围为20 km左右,这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致;绿洲植被覆盖率为0.6左右时,最利于绿洲发展.另外对植被空间分布方式和绿洲植被组成比例上也进行了数值实验,并对影响绿洲生存和持续发展的内、外因子气候效应的影响力量级进行了分级.这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义.
雷达-雨量计联合估测降水初值场形成方法探讨
李建通, 郭林, 杨洪平
2005, 29(6): 1010-1020. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2005.06.16
摘要:
在雷达-雨量计联合估测区域降水量中,参加校准的雷达初值场代表性好坏在很大程度上影响了最终的估测精度和雨量分布.作者从参加校准的雷达初值场的基本要求出发,分析了先前几种预处理方法的优缺点,提出一种新的资料预处理方法--时间权重平均法,并用1996~1997年的雷达和地面雨量站实测资料进行了分析.结果表明:该方法充分考虑了雷达和雨量计观测的时间一致性,能够在一定程度上改善雷达估测降水的初值场,提高了估测区域降水量的精度.