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2007年  第31卷  第2期

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在“鞍”型大尺度环流配置下西南低涡发展的物理过程及其对川东暴雨发生的作用
陈栋, 李跃青, 黄荣辉
2007, 31(2): 185-201. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.01
摘要:
利用2005年7月6~9日川东地区暴雨过程的观测资料,从大尺度环流、水汽输送和温度平流,并利用湿位涡的垂直和水平分量(Pm1和Pm2)以及相当位温,分析诊断了此次暴雨发生的大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程, 其结果表明如下:(1)在此次暴雨发生期间,四川盆地北部由于受中高纬长波东移调整的影响, 不断有低压槽分裂出来并影响此地区, 在盆地的西南方向的孟加拉湾季风槽比较活跃, 南海季风向北输送由于受到西风输送的作用在四川盆地东南部也出现弱的横槽, 并且西太平洋副高西伸到四川盆地东部以及存在于高原中部的高压共同作用, 从而形成明显“鞍”型大尺度环流配置; (2)在此“鞍”型场大尺度环流背景下, 强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地, 而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部, 受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带, 同时, 由于两支气流输送着大量的水汽, 暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区; (3)在此“鞍”型场作用下, 盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气, 而在高层有冷干空气侵入, 从而导致盆地内低涡系统强烈发展; (4) 由湿位涡的垂直分量和水平分量的诊断表明了在暴雨发生期间, 在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵, 引起了垂直对流不稳定, 即Pm1<0, 并向盆地东北部发展, 从而使此区域气旋性涡度不断加强, 即低涡强烈发展; 并且, 在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用, 正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性, 这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域。
大气环流模式(SAMIL)海气耦合前后性能的比较
王在志, 宇如聪, 包庆,
2007, 31(2): 202-213. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.02
摘要:
基于耦合器框架,中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室大气环流谱模式 (SAMIL)最近成功地实现了与海洋、海冰等气候分量模式的耦合,形成了“非通量调整”的海-陆-气-冰直接耦合的气候模式系统(FGOALS-s)。在耦合系统中,由于海温、海冰等的分布由预报模式驱动,大气与海洋、海冰之间引入了相互作用过程,这样大气环流的模拟特征与耦合前会有不同。为分析耦合系统的性能,作者对耦合前后的模拟结果进行了分析比较,重点是大气模拟特征的差异。结果表明,耦合前、后大气环流的基本特征相似,都能成功地模拟出主要的环流系统分布及季节变化,但是由于海温和海冰的模拟存在系统性的偏差,使得耦合后的大气环流受到明显影响。例如耦合后热带海温偏冷,南大洋、北太平洋和北大西洋等中纬度地区的海温偏高,导致海温等值线向高纬海域的伸展较弱,海温经向梯度减小。耦合后海冰在北极区域范围偏大,在南极周边地区则偏小。海温、海冰分布模拟的偏差影响到中、高纬低层大气的温度。热带海温偏低,使得赤道地区降水偏弱,凝结潜热减少,热带对流层中高层温度比耦合前要低,大气温度的经向梯度减小。经向温度梯度的改变,直接影响到对平均经圈环流及西风急流强度的模拟。尽管耦合系统中海温、海冰的模拟存在偏差,但在亚洲季风区,耦合后季风环流及降水等的分布都比耦合前单独大气模式的结果合理,表明通过海[CD*2]气相互作用可减少耦合前季风区的模拟误差,改善季风模拟效果。比较发现,海温、海冰模拟的偏差,除与海洋模式中经向热输送偏弱、海冰模式中海冰处理等有关外,也与大气模式中总云量模拟偏低有关。大气模式本身的误差,特别是云、辐射过程带来的误差,对耦合结果具有极为重要的影响。完全耦合后,这些误差通过与海洋、海冰的反馈作用而放大。因此,对于FGOALS-s而言,要提高耦合系统的整体性能,除改进各气候分量模式的模拟性能外,需要重点改进大气模式中的云、辐射过程。
全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究
胡博, 李维京, 陈鲜艳,
2007, 31(2): 214-221. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.03
摘要:
利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2,研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化,海表温度最大振幅出现在120°W以东,与观测一致,表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验,结果表明,在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化,但ENSO事件强度增大,年际变率变大;热带太平洋呈现整体增暖趋势,表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明,年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大,在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显;次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。
复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究
徐枝芳, 龚建东, 王建捷,
2007, 31(2): 222-232. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.04
摘要:
中国地形复杂,模式地形与实际观测地形存在一定高度差异,因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料(常规地面观测站和地面自动站)在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析,并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明:通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用,并且地面观测资料(温度、 湿度、 风场、 地面气压)中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果,但各物理量起的作用大小不一样,其中影响最大的是温度,其次为湿度;地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异,适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。
台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验
冀春晓, 薛根元, 赵放,
2007, 31(2): 233-244. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.05
摘要:
应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6),对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究,模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水,但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明,台风Rananim登陆期间,强回波带出现在台风移动的右前方,螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团;垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验,着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:(1)台风登陆期间, 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致,迎风坡降雨量增加,背风坡降雨量减少,地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。(2)台风登陆期间,地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带,高层为明显的辐散区;在中尺度环流场上,地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展,从而激发中尺度对流云团,形成中尺度雨团,造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。(3)地形的强迫作用,可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时,将使台风环流局部明显增强;当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时,将使台风环流局部明显减弱。(4)台风登陆期间,地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大,位涡明显增强,从而造成台风涡旋的增强。
高精度迎风偏斜格式的比较与分析
冯涛, 李建平
2007, 31(2): 245-253. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.06
摘要:
利用一种具有任意阶精度的一般显式有限差分公式构造出高精度迎风偏斜格式,并利用 Fourier分析法评估了这些迎风偏斜格式的耗散误差与频散误差。结果表明,偶阶精度格式的数值相速度快于实际相速度,而奇阶精度格式的数值相速度慢于实际相速度。并且,偶阶精度格式的耗散误差与频散误差低于相邻的奇阶精度格式。为了检验这些格式的计算性能,在一维问题上进行了应用。首先,考虑恒定风场条件下的一维平流试验。主要选择两种不同的初始条件来评价数值格式的精度,这两种试验问题分别是高斯函数、方波函数。试验结果表明,随着数值格式精度的提高,数值格式的误差逐渐减小。而对于高于六阶精度的格式来说,改进的程度并不是很大。其次,应用各阶格式到具有两种不同初始条件的无粘Burgers方程。数值结果表明,随着数值格式阶数的增加,数值结果也得到了明显改进。而对于高于六阶精度的格式来说,进一步的变化并不明显。总之,在兼顾效率与精度条件下六阶迎风偏斜格式是最好的。
2004年中国长江以南地区严重秋旱特征及其同期大气环流异常
牛宁, 李建平
2007, 31(2): 254-264. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.07
摘要:
利用2004年8~10月的中国160台站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了2004年秋季发生在中国长江以南地区的严重干旱(简称2004年长江以南秋旱)前兆和发展特征以及秋旱持续期间的东亚大气环流异常。结果表明:2004年长江以南秋旱是以8月在广西境内出现小范围干旱为前兆,9月扩展到长江以南中部地区,10月遍及整个长江以南地区而达到鼎盛的一个发展过程。2004年长江以南秋旱事件的发生、发展和鼎盛期都受到了同期东亚大气环流异常的很大影响:2004年秋季东南亚上空的整层经向水汽输送出现了显著的负异常,说明2004年秋季长江以南地区上空的整层水汽在经向上由南向北的输送减弱而从北向南的输送加强;850 hPa水汽输送的异常加强了从北向南的水汽输送,从而影响了秋旱的发展。结合2004年秋旱持续期间850 hPa 流场异常分析,2004年秋季850 hPa的流场在台湾海峡附近上空出现了一个气旋性的异常环流,它导致了西南水汽及其与越赤道气流和东南水汽的混合气流(10°N~20°N, 135°E~150°E)在向北的输送路径上发生改变,并且此混合气流进入内陆从而加强了大陆上空由北向南的干冷气流,进一步影响了秋旱的发展。通过分析850 hPa等压面上的垂直速度场发现:秋旱同期长江以南地区下沉气流异常,这种天气形势不利于降水的产生。2004年秋季长江以南地区受到了闭合高压——西太平洋副热带高压(简称西太副高)的长期控制,形成少雨的天气。除此之外,中高纬地区脊区前方和槽区的后方易于冷空气的南下输送, 这在很大程度上也促使了秋旱的发展。
机载测雨雷达两种反演方法的优化和综合利用的模拟研究
王连仲, 窦贤康
2007, 31(2): 265-272. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.08
摘要:
由于机载雷达的天线不能做得太大,如果想获得一个较好的束向分辨率,就不得不使用X波段的频率,而该波段的电磁波穿过雨区时会受到衰减,直接利用视反射率进行降水反演就会产生很大的误差,因此,衰减效应必须进行校正。两种降水反演方法——立体雷达方法和双束算法,在实际的反演中各有优缺点。立体雷达方法对边界条件要求高,而双束算法在雨团中心雨强大处会有较大的误差。引入权重因子后的立体雷达方法-双束算法(综合算法)能充分发挥两种方法的优点,从而更具适用性和准确性。
过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟
陈宝君, 肖辉
2007, 31(2): 273-290. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.09
摘要:
利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对美国对流降水协作试验(CCOPE)期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟,讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致,如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主,霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻,其次来自雪的积聚转化;霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明,碘化银主要以凝华核(包括凝结-冻结)的作用产生大量的人工冰晶,加速了过冷水向冰晶的转化,过冷云水因而大量减少;催化后霰和冻滴的数浓度增大,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少;冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱,导致冰雹总质量进一步减少。此外,催化后降雨量也显著减少。
暴雨激发和维持的正、斜压强迫机制的理论研究
陈忠明
2007, 31(2): 291-297. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.10
摘要:
针对暴雨天气的发生、发展都伴随着对流层中低层有很强的气流与水汽辐合持续的天气事实,摒弃传统研究中把散度方程局限于水平动力方程约束的观念,从湿斜压原始方程出发,导出了包含热、动力耦合强迫作用的散度演化方程,揭示了正压大气非平衡强迫和湿斜压大气热、动力耦合强迫在暴雨激发和维持中的重要作用,阐明了持续性暴雨过程中对流层中低层强烈的气流与水汽辐合长时间维持的动力机制。
AREMS/973模式系统对2004年中国汛期降水实时预报检验
吴秋霞, 史历, 翁永辉,
2007, 31(2): 298-310. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.11
摘要:
2004年夏季5~8月,AREMS/973模式系统投入了业务运行,模式区域主要覆盖了中国大陆及周边临近地区,该模式系统基于中国气象局MICAPS/9210业务数据平台,每天2次、完全自动的实时预报24 h累积降水。作者主要对每日0000 UTC时起报的24 h累积降水预报场进行综合检验,由此对AREMS/973模式系统的24 h降水预报能力给予客观的评价。AREMS/973模式系统对于中国汛期降水具有很强的预报能力,其24 h 累积降水的月总降水分布很好地反应了汛期各时期主雨带的位置、强度及范围,同时该模式系统能够准确预报出独立降水事件的发生和发展,其中,长江中下游和东北地区预报降水与观测降水的时间位相吻合最好;除了5月和8月华北地区、5月西南东部地区、以及5月和6月长江中下游地区,AREMS/973模式系统预报的降水强度总体上弱于观测降水强度,且对于25 mm 以上量级的降水过程, 模式预报的降水范围小于观测降水范围。AREMS/973模式系统预报降水的能力随着降水量级的增大而减小,降水量级愈大,模式预报技巧愈低,对于50 mm 以上量级的降水过程,模式系统预报降水事件的发生概率类似于随机偶然事件的发生概率。5月,长江中下游地区降水预报略优于其他地区,其次是华南地区,6月雨带北移至江南和江淮地区,此时,长江中下游地区降水预报显著优于其他地区,7月末至8月华北雨季开始,降水预报最优区北移至华北地区,即AREMS/973模式系统降水预报最优区随着雨带的北移而北移,主雨带所在区域往往也是模式降水预报最优的地区。作者对此进行了初步探讨。
北京城市热岛效应对冬夏季降水的影响研究
孙继松, 舒文军
2007, 31(2): 311-320. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.12
摘要:
利用北京地区20个气象观测站最近30年(1975~2004年)冬季(12~2月)、夏季(6~8月)平均气温、降水量和降水日数资料,研究了城市热岛效应的年代际变化及其对降水的影响。结果表明:(1)最近30年来,北京城区与北部山区之间的温度梯度在明显加大,其中,冬季温度梯度的平均增幅为0.6℃/10 a,夏季约为0.2℃/10 a。(2)在北京城区南北两侧,冬季和夏季的降水日数、降水量的相对变化趋势明显不同:相对区域平均而言,在城区及南部近郊区,冬季降水日数和降水量都在明显增加;夏季,城区北侧的降水日数呈加速增长趋势,尽管南部平原郊区的相对降水日数变化不大,但降水量在相对减少。(3)城市热岛效应对不同季节降水分布的影响,可能是城乡温度梯度与盛行风相互作用的结果,就北京地区而言,地形的存在,强化了城区与北部郊区之间的温度梯度:冬季盛行北风气流,在北部郊区,热岛效应强迫产生的边界层下沉运动有可能造成局地降水天气过程相对减少,城区及其南侧则相反;夏季盛行南风气流,随着城市热岛效应的增强, 发生在北部近郊区的弱降水天气过程趋于增多。
一次暴雨过程的EOF分析
张铭, 安洁, 朱敏
2007, 31(2): 321-328. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.13
摘要:
在用21层η坐标细网格模式对1998年7月21~22日发生在武汉地区的一次持续性特大暴雨过程数值模拟的基础上, 利用较高时空分辨的模式输出结果对暴雨过程做经验正交函数分解(EOF分析)尝试。结果表明:EOF第1主分量的空间分布代表典型的暴雨环境背景场的低值系统;EOF第2主分量的空间分布与人字形切变线(西部为冷式切变,东部为暖式切变)相联系,是影响这次暴雨的重要形势场;利用相轨线分析方法发现,暴雨过程中EOF第1主分量和EOF第2主分量的时间系数在暴雨临近阶段,两者正相关,激发暴雨,在暴雨后期两者负相关,促使这次暴雨趋于减弱结束。
中国东部水分收支的初步分析
张文君, 周天军, 宇如聪
2007, 31(2): 329-345. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.14
摘要:
利用中国160站降水资料、中国气象局提供的探空资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料(简称NCEP资料)和ECMWF提供的再分析资料(简称ERA40资料), 根据水汽平衡方程, 估算了1990~1999年中国东部的陆表水分收支, 分析了华北、 长江流域和华南三个典型区域的陆表水分收支, 同时对NCEP、ERA40资料在东亚地区的陆表水分收支进行评估。结果表明, 在中国东部区域, 年平均和夏季是水汽汇区, 冬季降水与蒸发基本平衡;华北在年平均、夏季以及冬季均为水汽源区;长江流域在年平均、夏季及冬季均为水汽汇区;华南在年平均和冬季为弱水汽汇区, 夏季为水汽源区。两套再分析资料基本揭示出了上述特征。就区域平均的蒸发和降水的年际变化而言, 两套再分析资料的结果与观测都存在显著相关, 但估算的蒸发NCEP好于ERA40; 相对于气候态的定量比较而言, 由两套再分析资料得到的陆表水分收支距平(即降水减去蒸发的距平)的年际变化基本与观测一致。
用遗传算法重构副热带高压特征指数的非线性动力模型
洪梅, 张韧, 吴国雄,
2007, 31(2): 346-352. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.15
摘要:
用遗传算法从离散时间序列资料中反演重构了非线性动力模型。首先, 用Lorenz系统的时间积分数据进行模型重构试验,随后,对十年平均的副热带高压形态指数时间序列进行动力模型参数反演和仿真预报试验。结果表明,遗传算法具有的全局搜索和并行计算优势能够较为准确地描述和刻画副热带高压活动,能对副高活动进行较为准确的描述与建模,是诊断和预测副热带高压等复杂天气系统活动的一条有效途径。
香港特大暴雨β中尺度线状对流三维结构研究
刘淑媛, 孙健, 王洪庆,
2007, 31(2): 353-363. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.16
摘要:
β中尺度狭窄线状对流系统是造成锋前暖区暴雨的主要角色, 对其结构和机理的研究具有重要意义。作者使用高时空分辨率的多普勒雷达观测资料, 对1998年6月8~9日香港暴雨过程中的β中尺度的狭窄线状雨带进行流场、回波强度和散度的时空四维结构的深入剖析, 利用观测资料得到线状β中尺度对流系统的三维流场和水平散度结构, 发现线状β中尺度对流系统的水平散度垂直配置与低层强降水回波之间存在一定的关系, 并给出发展和成熟阶段中线状β中尺度对流系统的流场和散度场配置的基本结构。
城市化对珠江三角洲强雷暴天气的可能影响
蒙伟光, 闫敬华, 扈海波
2007, 31(2): 364-376. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.02.17
摘要:
通过对2004年8月11日午后发生在珠江三角洲地区的一次强雷暴天气的高分辨数值模拟,研究了城市化发展可能对雷暴活动的影响问题,主要考察了与城市土地利用类型改变相关的“城市热岛”的形成和演变特征,城区粗糙度增大可能引起的低层辐合的增强过程,及其与雷暴发展强度变化的关系。结果表明:模拟的雷暴发展和演变过程与这一地区城市化的发展有密切的联系。引进了更加真实的关于珠江三角洲地区的土地利用类型资料之后,耦合了陆面模式Noah LSM的MM5模式可以更加成功地模拟出强雷暴天气的发展和演变过程。雷暴系统移经主要城市区后在珠江口西岸的增强过程与这一地区“城市热岛”的效应有关。中午时热岛开始形成于广州城区的上空,之后向南移动,范围扩大。另外,城区粗糙度增大引起的低层辐合增强可能在雷暴发展和演变过程中也起到了作用。模拟的与城市影响有关的低层辐合主要位于500 m以下的近地面层,开始时形成于城市的上风方向,并在下风方向增强, 由此引起的强烈上升运动有利于新的对流的启动和发展,促使雷暴强度增强。