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2007年  第31卷  第1期

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梅雨期暴雨个例模拟及其中小尺度结构特征分析研究
孙晶, 楼小凤, 胡志晋, 赵思雄
2007, 31(1): 1-18. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.01
摘要:
利用中尺度数值模式MM5和多普勒雷达观测资料,对2002年7月22~23日发生在长江中游一次梅雨暴雨过程进行模拟和分析。模拟结果与观测资料相比基本吻合。主要研究内容包括暴雨过程α中尺度到γ中尺度的回波结构以及动力特征和云降水粒子的分布。研究结果表明:在长江中游地区存在一条东北西南走向低空切变线,切变线北侧偏东气流中回波较弱,而南侧西南气流中不断出现强对流云团发生发展、合并分裂现象,形成沿着切变线分布的α中尺度对流带。对流带中有多个东北西南向的β中尺度波列,这些波列由从西南向东北方向移动的γ中尺度回波所构成。新回波大多产生在老回波的后部。γ中尺度回波具有相应尺度的气流辐合辐散结构。各种云降水粒子与动力场相互配合,上升运动位置和强弱决定云水的位置和强弱。云发展初期降雨首先产生于低层,以暖雨过程为主,成熟期云中冰相粒子对降水非常重要。强回波区的降水会在近地面产生出流。在西南气流中,远离切变线的回波移速大于靠近切变线的回波,容易产生回波合并;强回波由于降水而产生下沉和辐散气流,易导致回波分裂。
春季欧亚大陆地表气温变化特征的气候意义
沈学顺, 木本昌秀
2007, 31(1): 19-27. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.02
摘要:
研究了春季欧亚大陆地表气温的年际变化及其相联系的环流场特征,发现春季欧亚大陆地表气温年际变化呈现为大陆尺度的南北跷跷板式的空间分布特征, 即当中高纬度地表气温为正距平时,副热带地区则为负距平,反之亦然。这种空间分布型代表了欧亚大陆中高纬度地表气温年际变化的主要特征。进一步的研究表明,这种变化与前期冬季北大西洋涛动(NAO)有着显著的正相关,而与同期的NAO无关。同时,欧亚大陆地表气温异常存在着明显的从冬到夏的持续性。与东亚初夏气候变化关系的研究表明,春季欧亚大陆地表气温的变化通过影响鄂霍次克高压的变化进一步影响初夏梅雨的变化。当春季欧亚大陆中高纬度地表气温为正距平时,鄂霍次克高压偏强,初夏梅雨较活跃,反之亦然。
青藏高原那曲地区雷暴云电荷结构特征数值模拟研究
郭凤霞, 张义军, 言穆弘
2007, 31(1): 28-36. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.03
摘要:
选取2003年藏北高原那曲地区的两次典型过顶雷暴过程,首先总结了它们的层结特征,然后利用一个只考虑感应和非感应起电机制的三维强风暴动力和电耦合模式模拟了两次雷暴过程的电荷结构,最后从微物理场和流场出发讨论了高原雷暴电荷结构特征及其主要形成原因。结果表明,由于高原平均地表温度较低, 雷暴云反转温度层以下的起电区域较小,强的垂直上升速度使大粒子能够到达较高的高度,增加了大小粒子碰并几率,易形成明显的三极性电荷结构特征;较弱的上升速度易使大小粒子比含水量中心受重力作用过早的分离,高层的小粒子和低层的大粒子基本不参与起电活动,云底部和上部的正电荷区减弱。
人为热对城市边界层结构影响研究
蒋维楣, 陈燕
2007, 31(1): 37-47. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.04
摘要:
为研究不同人为热源引入方案对城市边界层结构模拟性能的影响,以杭州地区为例,在区域边界层模式(RBLM)中引入一种新人为热源处理方案,即对城市中的人为热排放分层考虑,将低层的人为热源加入地表能量平衡方程,将高层人为热源分布与建筑物高度和密度联系起来,加入热量方程中,同时考虑了人为热源强度的日变化。数值试验结果表明,这是一种比较合理的处理方案。人为热源引入方案对城市边界层结构的影响表现在:气温、湍流动能增加,并通过湍流交换输送到较高层大气;大气不稳定度增加,混合层高度最高抬升了400 m;城市地区上升速度增加,热岛环流加强;白天人为热源一般为太阳辐射的10%~20%,对地气交换的影响较小。夜间没有了太阳辐射能量,对地气交换的影响比日间更明显;冬季低层湍流活动加强,湍能约增加40%,大气层结稳定度降低。
珠穆朗玛峰绒布河谷近地层大气湍流及能量输送特征分析
仲雷, 马耀明, 李茂善
2007, 31(1): 48-56. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.05
摘要:
利用中国科学院2005年珠穆朗玛峰地区科学考察期间 (4月2日至6月7日) 收集的大气观测资料,分析了珠峰绒布河谷近地层水平风速、温度、湍流强度、湍流通量日变化及地表能量平衡特征。通过分析得出近地层三维风速方差与稳定度的关系基本满足1/3次方规律;珠峰绒布河谷近地层大气水平风速、温度、动量通量、感热通量和潜热通量均存在明显的日变化;地表获得的能量很大一部分以感热形式散失掉了,潜热所占比重很小。另外,还发现绒布河谷地区地表能量通量各分量并不满足能量平衡方程Rn=Hs+Le+G。通过对地面加热场的分析发现珠峰地表白天是强热源,晚上转变为弱冷源。
用小波系数谱方法分析湍流湿度脉动的相干结构
全利红, 胡非, 程雪玲
2007, 31(1): 57-63. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.06
摘要:
小波系数谱分析方法是结合小波分析和高分辨率谱分析的一种统计方法,可以用来同时识别时间序列中相干结构的生命尺度和出现周期,可以很好地描述相干结构的演变过程。基于此方法,作者分析了2004年11月在河北省白洋淀地区的陆地和岛上两个观测点(分别代表陆地和水面两种不同下垫面)湍流湿度脉动的相干结构特征,结果表明陆地和水上湿度序列的相干结构尺度分布相似,并且尺度与周期之间的关系一致:小于5 s的相干结构不连续出现,而且通常伴有更大尺度的相干结构,而5~30s的相干结构有与其尺度差不多的周期。在寻找更大尺度的相干结构时发现存在一个尺度,当大于某个周期时,在各个周期上这个尺度的相干结构都显著;与正交小波变换识别相干结构主尺度的方法识别的相干结构主尺度一致。另外,小尺度结构不连续出现也可以解释小尺度湍流能量变化比较大。
赤道印度洋纬向海温梯度模及其气候影响
晏红明, 李崇银
2007, 31(1): 64-76. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.07
摘要:
赤道印度洋纬向海温差异对气候的影响是有关印度洋地区海气相互作用研究的焦点。作者进一步分析了印度洋纬向海温差异的特征,提出了赤道印度洋纬向海温梯度模的概念,并在此基础上利用中国科学院大气物理研究所的九层大气环流模式模拟研究了赤道印度洋海温梯度变化对气候的影响。分析结果表明赤道印度洋纬向海温梯度的变化及其对气候的影响比较复杂,由于海温梯度分别产生于暖海温或冷海温两种不同的大尺度背景场,因此它对气候的影响不仅与海温梯度的变化有关,还与其产生的大尺度背景场(暖海温或冷海温)有很直接的关系。在太平洋地区海温不变的情况下,由于赤道东西印度洋大范围海温的升高或降低,有可能在整个印度洋和太平洋之间产生一个海温梯度(简称印-太海温梯度),这一海温梯度对亚洲季风区的降水分布和季风活动起着十分重要的作用,而赤道印度洋纬向海温梯度与印-太海温梯度的叠加,不仅加强或减弱了印-太海温梯度引起的大范围大气辐合、辐散,同时也使得辐合及辐散区的位置发生移动,进而影响了小范围地区的气候异常,特别是赤道东印度洋地区的降水分布和风场变化。与赤道印度洋地区纬向海温梯度的作用相比,赤道印度洋偶极子对气候的影响相对比较单纯,引起的降水异常和风场变化主要与海温偶极子的变化有关。
东亚副热带西风急流与地表加热场的耦合变化特征
况雪源, 张耀存
2007, 31(1): 77-88. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.08
摘要:
利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用奇异值分解方法分析200 hPa纬向风场与东亚地表加热场的空间耦合变化特征,揭示影响东亚副热带西风急流位置及强度变化的加热关键区域。研究结果表明,冬季西太平洋黑潮暖流区是表面感热、潜热通量场的大值区,其加热强度主要影响东亚副热带西风急流的强度变化,当加热增强(减弱)时,急流加强(减弱)。热带和副热带地区地表加热的反相变化对应纬向风的整体一致变化,且影响关键区在热带地区, 这种耦合分布型主要体现为年代际的变化特征。夏季,海陆感热加热差异主要影响中低纬纬向风的变化,而影响急流位置南北移动的加热关键区位于阿拉伯海及印度半岛北部,这种加热分布体现感热的局地性变化,可能与高原大地形分布有关。由于夏季降水的不均匀性,潜热加热与200 hPa纬向风场的耦合关系较为复杂。通过分析加热异常年的环流形势差异发现,对流层中上层经向温差对地表加热场异常变化的响应是导致高层纬向风变化的原因,这种地面加热变化导致高层温度场及流场的响应可通过热力适应理论得到较好的解释。
夏季亚洲大气热源汇的变化特征及其与江淮流域旱涝的关系
巩远发, 段廷扬, 张菡
2007, 31(1): 89-98. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.09
摘要:
用2001年和2003年NCEP/NCAR再分析资料,计算了亚洲季风区两年逐日的大气热源汇〈Q1〉,再用谐波分析方法对〈Q1〉作带通滤波, 得到了准30~70 d的〈Q1〉低频分量,并分析了两年夏季大气热源汇和其低频振荡变化特征的差异,然后研究了一些“关键”区〈Q1〉低频分量的变化与我国降水的关系。结果表明:在2001年和2003年夏季的亚洲季风区,一方面应该有这样一种过程,大气热源汇低频分量经向和纬向传播的差异→江淮流域旱涝期东亚地区大气热源汇低频分量南北配置的差异→东亚地区大气热源汇本身的南北分布不同。另一方面,夏季的5~8月期间,高原中南侧有较强的低频热源 (热汇) 时,可导致其后期江淮流域降水偏多 (少);中国南海的作用则正好相反,南海有较强的低频热源 (热汇) 时,不仅可导致其后期江淮流域降水偏少 (多),还可导致其后期青藏高原东部降水偏少 (多)。因此,夏季亚洲季风区热源、热汇季节内变化特征的不同可导致我国江淮流域异常的旱涝发生。
液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析
金德镇, 雷恒池, 郑娇恒, 肖辉, 崔莲, 吴玉霞, 刘健
2007, 31(1): 99-108. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.10
摘要:
根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构,结合卫星、雷达和常规天气资料,分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明,作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加,云中过冷水减少;对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大,而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大,降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的,这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。
地形跟随坐标下的中尺度模式气压梯度力计算误差分析及其改进方案
胡江林, 王盘兴
2007, 31(1): 109-118. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.11
摘要:
地形跟随坐标系中水平气压梯度力的算法一直是困扰数值模式发展的关键问题之一。目前数值模式中使用的方法只能在天气尺度的模式中部分缓解气压梯度力的计算误差问题。在高分辨率中尺度模式中,随着地形坡度的进一步加大,气压梯度力的计算误差问题更加突出。作者通过理想场的计算分析了几种主要气压梯度力算法的误差,结果显示在中尺度模式分辨率下,计算的水平气压梯度力不但不收敛于真值,而且随着地形坡度的加大或模式分辨率的提高,计算误差逐渐增大。作者提出了基于静力方程订正的回插等压面改进方案,理想场的计算结果表明该方案的计算误差可显著减小,在典型中尺度模式参数的设置下计算精度可达10-6m/s2。其最大特点是随着模式分辨率的提高,该方案的计算误差将逐步收敛到零。
多通道卫星云图云检测方法的研究
马芳, 张强, 郭铌, 张杰
2007, 31(1): 119-128. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.12
摘要:
通过对2002年7、8、9三个月,范围为(8.65°N~59.65°N,73.22°E~134.42°E)的GMS-5卫星云图3000多次数字资料的取样,根据遥感原理和样本统计特征,探讨了常用的通道阈值法云检测方法,并尝试建立了红外分裂窗通道差值法和通道综合运算法的云检测方法。通过各种检测方法比较分析后发现:对通道阈值法,只要用红外一和可见光两个通道的阈值,就可得到较好的检测效果,但用这种方法阈值要随着太阳高度角和季节的变化发生相应的变化,虽阈值变化的幅度不大,却会对云检测工作带来很大的不便。此外,该方法云检测的结果存在地理位置的影响,即检测出的云量在中低纬度偏多而较高纬度偏少。作者建立的通道综合运算云检测方法,不仅改善了地理位置的变化对云检测带来的影响,而且通过红外分裂窗通道差值检测,可减弱太阳高度角的影响,减少了检测过程中阈值变化的繁琐,同时得到了更好的检测效果,检测结果与其可见光图像中的云区相比基本符合。
一种新的气候分型区划方法
丁裕国, 张耀存, 刘吉峰
2007, 31(1): 129-136. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.13
摘要:
从理论上证明统计聚类检验(CAST)与旋转经验正交函数或旋转主分量分析(REOF/RPCA)用于气候聚类分型区划的关联性。研究表明,CAST在一定的意义上可认为是REOF/RPCA用于气象要素场(气候)分型区划的理论基础。由此,作者提出CAST与REOF/RPCA相结合的一种新的分型区划方法,并用仿真随机模拟资料和实例计算验证了理论与实际结果的一致性,从而证实了这种分型区划方法的有效性及其优点。
平流层剩余环流及其时间演变特征
陈权亮, 陈月娟
2007, 31(1): 136-144. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.14
摘要:
平流层剩余环流是由剩余速度经向分量和垂直分量构成的平流层经向-垂直环流,它对于对流层-平流层相互作用和物质交换起着十分重要的作用。作者利用1979~2003年NCEP II再分析资料计算了剩余速度经向分量和垂直分量, 并与数值模拟结果进行了比较,再用计算的剩余环流讨论了它的季节变化、年际变化和长期变化趋势。计算结果表明,剩余环流的上升气流从低纬度赤道地区对流层顶上升到平流层下部,然后向极向下运动,在中纬度地区下沉, 进入对流层,这也就是Brewer-Dobson环流。计算结果同数值模拟结果比较一致。由此可见,可以利用NCEP资料得到比较清晰的剩余环流和Brewer-Dobson环流。剩余环流有明显的季节变化,上升气流的中心随着季节的变化在赤道地区南北移动,春秋季节其中心基本上位于赤道附近,南北半球大致呈对称分布,只是北半球副热带地区的下沉气流要比南半球强。在冬夏季节,上升气流的中心分别位于南北纬10°附近。北半球夏季的上升气流要比南半球夏季的上升气流强,同时冬半球的下沉气流比夏半球的下沉气流强。剩余环流还有年际变化和准两年周期振荡特征,在纬向风为西风位相时,赤道地区的上升气流比较弱;而在东风位相时,上升气流和水平方向的输送相对比较强。剩余环流的十年际变化表现为,1979~1983年、1990~1995年、2000~2003年较强,其他年份则较弱。在过去25年,就总的变化趋势而言,剩余环流的上升气流有所增强,平流层下部向中纬度地区的输送也有所增强,环流整体形势是增强的。
青藏高原地表热力异常与我国江淮地区夏季降水的关系
赵勇, 钱永甫
2007, 31(1): 145-154. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.15
摘要:
利用NCEP/NCAR再分析月平均资料和中国160站降水资料,分析了1951~2000年间5月青藏高原主体、高原东部和高原西部(90°E分界)地表温度的变化特征及其与江淮地区夏季降水的关系。结果发现:在研究高原热力异常对我国江淮地区夏季降水的影响时,要考虑到高原热力状况的空间差异对其的影响。相关分析发现,与高原主体和高原西部相比,高原东部地表温度变化对7月江淮地区的降水有更好的指示性。高原东部和其以北区域的大尺度热力差异比高原本身的热力异常对江淮地区夏季降水有更好的指示意义,可以作为我国江淮地区夏季降水的一个预报因子。
BATS1e陆面模式对p-σ九层区域气候模式性能的影响
黄安宁, 张耀存
2007, 31(1): 155-166. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.16
摘要:
将BATS1e (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme version 1e) 陆面模式与p-σ九层区域气候模式(PσRCM9) 进行耦合,发展了一个包含有更复杂陆-气相互作用的区域气候模式(BATS1e-PσRCM9)。通过对东亚地区1月和7月气候平均场和1991年江淮流域梅雨期间三次强降水过程的数值模拟,考察了BATS1e陆面模式对PσRCM9模式模拟性能的影响。数值试验结果表明,BATS1e-PσRCM9模式对东亚区域冬、 夏季气候平均场的模拟能力有明显提高,且对近地层和对流层低层各气象要素场模拟效果的改善比对流层中高层更加明显。与PσRCM9模式的模拟结果相比,BATS1e-PσRCM9模式对中国东南部地区降水的模拟与观测更为一致,并且对江淮流域梅雨期间的强降水过程也有较好的模拟能力。由于BATS1e-PσRCM9模式改进了地气之间动量、热量和水汽通量交换的计算,更好地描述了陆地下垫面与大气之间的相互作用,从而改善了模式对近地层各气象要素场的模拟。因此,通过耦合BATS1e陆面模式能较明显地提高PσRCM9模式模拟东亚区域短期气候变化的能力,这为区域气候模式的进一步发展奠定了基础。
三维散度方程及其对暴雨系统的诊断分析
杨帅, 高守亭
2007, 31(1): 167-179. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.01.17
摘要:
利用WRF模式对中国江淮流域一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。在模拟结果比较可信的前提下,利用该模式输出的高时空分辨率资料,分析了三维散度的时空分布特征与降水的关系。分析发现,此次江淮梅雨暴雨过程中,对流层中低层尤其是4.287 km(约600 hPa) 高度层的三维散度场非零区与雨带对应较好。其移动趋势也与雨带的移动趋势(相同时段基本位于相同的纬度带内,逐渐南移) 一致。暴雨大值中心与三维散度极值中心重合。降水量的增减与三维散度强度变化一致。而无降水的区域为大片的三维散度零值区。三维散度之所以能较好地诊断降水,是因为对流层低层的水汽蒸发和对流层中高层的水汽凝结形成了云,而云导致的质量强迫对三维散度的这种上负下正的分布又有正反馈的作用,而且为降水的发生发展提供了有利条件。在以上分析的基础上,推导了三维散度方程,并通过计算找出影响三维散度变化的主要因子。