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相对垂直加速度和中尺度大气运动方程组

高原气象 2003年第2期22卷 97-103页

作者：程麟生冯伍虎兰州大学大气科学系甘肃兰州730000

对具有强对流性质的中尺度系统运动的描写,直接采用包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组是不精确又不合理的。因此,必须发展更精确的非静力中尺度大气运动方程组。本文通过引入相对垂直加速度δ和通用(x,y,ζ,t)坐标系(简... 详细信息

对具有强对流性质的中尺度系统运动的描写,直接采用包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组是不精确又不合理的。因此,必须发展更精确的非静力中尺度大气运动方程组。本文通过引入相对垂直加速度δ和通用(x,y,ζ,t)坐标系(简称ζ坐标系),导出了ζ坐标系中的非静力大气运动方程组。该方程组的垂直运动方程是非静力的,相对垂直加速度δ是可预报的;垂直加速度可由δ直接求得;而δ既直接影响速度场、位势场、质量场和地面气压场,还间接影响温度场。通过对通用ζ坐标系中非静力大气运动方程组的应用,可以很容易地获得p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的非静力大气运动方程组;当δ为零时,则简化为一般包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的大气运动方程组。在一般广泛使用的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组中,因未考虑δ的贡献,对一些场的预报就会产生误差,较长时间的数值积分会使这种误差积累愈来愈大。显然,新发展的非静力大气运动方程组考虑了δ的贡献,从而消除了这种误差,所以就更为精确,也更适用于对中尺度系统运动的描写和预报。

关键词：相对垂直加速度中尺度大气运动方程位势场质量场地面气压场温度场

“98.7”突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的涡源诊断

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高原气象 2002年第5期21卷 447-456页

作者：冯伍虎程麟生兰州大学大气科学系甘肃兰州730000

1998年 7月 2 0～ 2 3日 (简称“98.7”)发生在武汉周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS及MβCS直接关联。利用MM5模拟提供的高空间分辨 (2 0km)输出资料 ,对这次突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力... 详细信息

1998年 7月 2 0～ 2 3日 (简称“98.7”)发生在武汉周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS及MβCS直接关联。利用MM5模拟提供的高空间分辨 (2 0km)输出资料 ,对这次突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力学机制进行了诊断。涡度分析指出 ,高、低空正涡度中心在武汉周边地区上空的叠加和耦合是该低涡切变线持续发展的主要物理机制之一。总涡源的诊断揭示 ,在突发性暴雨强烈发生发展期 ,武汉周边地区上空从低层到高层有一近乎垂直的涡源高值区生成和维持 ,其垂直结构的发展演变与涡度场垂直结构的发展演变相一致。这一结果表明 ,大气总涡源对该中尺度低涡切变线的生成和发展起着决定性作用 ,也是该暴雨中尺度系统持续发展的重要动力学机制。对贡献于总涡源的诸分量计算表明 ,在 6 5 0hPa以下 ,散度项对大气总涡源的正贡献最大 ,但在此层以上至 2 0 0hPa之间 ,垂直涡度平流项的贡献要比散度项大 ,同时水平平流项也为正贡献 ;在整个对流层 ,扭转项对总涡源为负贡献 ,散度项只在 4 5 0～ 2 5 0hPa之间为负贡献。在近地层 ,垂直涡度平流项和水平平流项基本对总涡源不作任何贡献。时间平均涡源和纯扰动涡源对低涡切变线的生成很重要 ;在强烈发展期 ,相互作用涡源作用最大。

关键词：切变线低涡涡度总涡源论断 1998年 7月

“98.7”暴雨β中尺度低涡生成发展结构演变:双向四重嵌套网格模拟

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气象学报 2003年第4期61卷 385-395页

作者：程麟生冯伍虎兰州大学大气科学系兰州730000

用非静力中尺度模式MM5.V3全物理湿过程和双向四重嵌套网格技术及四维资料同化分析张弛方法,对1998年7月20～22日(简称“98.7”)鄂东武汉沿江地区特大暴雨进行了36 h数值模拟,结果大大改进了原二重和三重嵌套网格的模拟,特别是水平分辨... 详细信息

用非静力中尺度模式MM5.V3全物理湿过程和双向四重嵌套网格技术及四维资料同化分析张弛方法,对1998年7月20～22日(简称“98.7”)鄂东武汉沿江地区特大暴雨进行了36 h数值模拟,结果大大改进了原二重和三重嵌套网格的模拟,特别是水平分辨率为2 km的嵌套子域D04能更正确地模拟出暴雨的落区及雨强中心,进而揭示了强暴雨β中尺度系统发生和发展的结构及演变。其主要结果包括:(1)β中尺度切变线在鄂东沿江低空强烈发展及辐合中心的出现与其β中尺度低涡的形成和发展直接关联。(2)β中尺度切变线强烈发展的垂直结构:强辐合层和强辐散层复式迭置并与强上升运动耦合发展;强涡度层和强位涡度层与强辐合层互伴发展;低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存。(3)β中尺度低涡生成的垂直结构:散度和上升运动均呈双支柱状发展;涡度和位涡度均呈单支柱状发展;高湿能柱呈双支耦合发展,水汽通道呈阶梯斜升状。(4)β中尺度低涡发展的垂直结构:V字型散度柱和上升运动柱互耦发展;涡度和位涡度呈双支柱状;双支高湿能柱强烈发展,阶梯斜升水汽通道变宽增厚。至此低涡发展达最强,其结构具有典型性。模拟结果还指出,发展时空分辨率更高的多重嵌套网格模拟技术和应用四维资料同化方法,将有助于更细致的了解β中尺度强对流系统发生和发?

关键词：暴雨 β中尺度低涡结构演变四维资料同化双向四重嵌套数值模拟

“987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟

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大气科学 2001年第4期25卷 465-478页

作者：程麟生冯伍虎兰州大学大气科学系兰州730000

１９９８年７月２０～２３日（简称“９８７”），发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的。该过程与５００ｈＰａ短波槽和７００ｈＰａ低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相... 详细信息

１９９８年７月２０～２３日（简称“９８７”），发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的。该过程与５００ｈＰａ短波槽和７００ｈＰａ低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相关。对该过程采用非静力ＭＭ５的二重网格双向嵌套进行了全物理过程的数值模拟，其中，可分辨尺度降水采用Ｒｅｉｓｎｅｒ混合相微物理显式方案，次网格尺度降水采用Ｇｒｅｌｌ积云参数化方案。双向嵌套的细网格模拟结果揭示，武汉周边地区的特大暴雨与７００ｈＰａ上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联。该低涡具有明显的动力－热力结构特征：特强上升运动与饱和气柱互耦，超强散度柱与强涡柱耦合发展，湿静力不稳定与湿对称不稳定共存，深对流湿气柱内云团发展的微物理场结构比较典型。细网格域内前３６ｈ的降水分布和雨强与观测的大体相应，扩展域细网格的降水模拟明显改进了原细网格的模拟，特别是雨带。这一结果还表明，对持续时间较长的大暴雨，大尺度过程对中尺度系统的影响是重要的。

关键词：特大暴雨低涡切变线 β中尺度低涡结构非静力模式数值模拟 1998年

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98.7特大暴雨的动力学及能量诊断分析

兰州大学学报（自然科学版） 2002年第4期38卷 131-137页

作者：冯伍虎程麟生兰州大学资源环境学院甘肃兰州730000

利用非静力中尺度模式 MM5的客观分析资料对引起这次特大暴雨的可能机制进行了讨论 .指出 ,在“98.7”暴雨发生发展期间 ,梅雨锋系的冷 (暖 )锋后 (前 )部分别有与冷 (暖 )锋平行的 θse密集 (稀疏 )带 ,这表明θse能很好地反映气团与... 详细信息

利用非静力中尺度模式 MM5的客观分析资料对引起这次特大暴雨的可能机制进行了讨论 .指出 ,在“98.7”暴雨发生发展期间 ,梅雨锋系的冷 (暖 )锋后 (前 )部分别有与冷 (暖 )锋平行的 θse密集 (稀疏 )带 ,这表明θse能很好地反映气团与梅雨锋扰动在地面附近的热力结构特征 .对该过程的三维空间动力学锋生函数进行的诊断结果发现 ,92 5 h Pa的锋生带与武汉及其周边地区的暴雨带相当接近 ,揭示了暴雨带与锋生强迫有一定的动力学关系 .而 85 0 h Pa的锋生分布为实际未来4 8h的累积降水量分布提供了可能预报依据 .从能量的观点来看 ,在暖锋区为高温、高湿和高能区 ,并且。

关键词： 98.7特大暴雨能量诊断锋生函数湿静能稳定度动力学机制非静力中尺度模式锋业分布降水量

“96·8”特大暴雨和中尺度系统发展结构的非静力数值模拟

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气象学报 2001年第3期59卷 294-307页

作者：冯伍虎程麟生程明虎兰州大学大气科学系兰州730000 中国气象科学研究院灾害中心北京100081

1996年 8月 3～ 5日 (“96· 8”) ,中国河南、山西、河北等省发生了一次特大暴雨过程 ,造成了严重洪涝灾害。文中的天气分析指出 ,稳定的大型鞍形场和北移台风 (登陆后减弱为低压 )与其东侧副热带高压的相互作用是“96· 8”特大暴雨... 详细信息

1996年 8月 3～ 5日 (“96· 8”) ,中国河南、山西、河北等省发生了一次特大暴雨过程 ,造成了严重洪涝灾害。文中的天气分析指出 ,稳定的大型鞍形场和北移台风 (登陆后减弱为低压 )与其东侧副热带高压的相互作用是“96· 8”特大暴雨发生的大、中尺度环流条件 ;而中尺度低压及其特有的动力热力结构与该暴雨过程直接相关。对该过程采用非静力中尺度数值模式 (MM5)进行了数值模拟研究。模拟结果分析发现 ,非静力 (MM5)的全物理过程模拟基本上可再现大尺度和中 -α尺度天气系统的发生、发展和演变。采用二重网格双向嵌套技术的细网格模拟结果揭示 ,低压的动力场和热力场之间具有一种强耦合机制 ,即发展的低压具有气旋性涡柱的暖心高湿结构 ,在涡柱低空是湿对流不稳定和负湿位涡结构 ;强垂直上升运动与高空强辐散和低空强辐合以及对流云团的发展互耦 ;与低压相伴的强南风急流不仅是低压和对流云团发展与维持的互伴互耦条件 ,而且也是“96· 8”特大暴雨的水汽源和热能输送带。降水模拟结果分析表明 ,尽管某些降水中心对粗网格偏小 ,对细网格偏大 ,但雨带和雨强分布与观测结果基本一致。

关键词：特大暴雨台风天气过程分析数值模拟中尺度结构非静力MM5 对流云团

98.7暴雨中尺度系统发展的视涡源涡度变率诊断分析

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兰州大学学报（自然科学版） 2002年第2期38卷 177-184页

作者：文莉娟程麟生冯伍虎兰州大学资源环境学院甘肃兰州730000

利用 MM5输出的高分辨率资料和视涡源与总涡源诊断方程对“98.7”特大暴雨的涡度场、视涡源、总涡源进行了诊断分析 .结果揭示 :此次暴雨的发生和发展与其视涡源、总涡源的生成和发展直接相关 .正视涡源柱和总涡源柱的存在及强烈发展是... 详细信息

利用 MM5输出的高分辨率资料和视涡源与总涡源诊断方程对“98.7”特大暴雨的涡度场、视涡源、总涡源进行了诊断分析 .结果揭示 :此次暴雨的发生和发展与其视涡源、总涡源的生成和发展直接相关 .正视涡源柱和总涡源柱的存在及强烈发展是强暴雨中尺度系统发生发展的主要动力机制 ,这种机制有利于突发性特大暴雨发生 .暴雨的落区基本处于视涡源、总涡源中心位置的下方 .因而。

关键词： 98.7暴雨中尺度系统发展视涡源涡度变率诊断分析突发性特大暴雨总涡源动力机制

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变分四维同化方法若干问题的数值试验

高原气象 1999年第2期18卷 138-146页

作者：冯伍虎邱崇践兰州大学大气科学系

资料误差和模式误差都可能影响变分四维同化的结果，针对这一问题利用浅水方程模式进行了变分四维同化的数值模拟试验。试验分三种情况进行：（１）仅修正初始场，（２）仅修正模式，（３）二者同时修正。试验结果表明，当模式有误差时... 详细信息

资料误差和模式误差都可能影响变分四维同化的结果，针对这一问题利用浅水方程模式进行了变分四维同化的数值模拟试验。试验分三种情况进行：（１）仅修正初始场，（２）仅修正模式，（３）二者同时修正。试验结果表明，当模式有误差时，传统的变分四维同化方法（仅修正初始场）可能将模式的误差混淆到初始场中去，尽管在同化期间可得到较好的拟合，但却不一定能保证同化后有好的预报。如果不修正初始场而修正模式，当模式误差不大时，尽管实际的方程误差随时间变化，但仍可用一个定常的误差项来近似代替它达到改善预报的目的。在实际的方程误差随时间变化较大时，如果用定常的误差项来代替，可能造成同化失败。同时修正初始场和模式，同化后效果会好于同化前，但尺度化因子的选取对同化产生很大影响。

关键词：变分四维同化控制变量浅水方程模式数值试验

98.7"特大暴雨低涡的螺旋度和动能诊断分析

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高原气象 2003年第2期22卷 202-208页

作者：侯瑞钦程麟生冯伍虎兰州大学大气科学系甘肃兰州730000

"98.7"特大暴雨过程与700hPa低涡切变线的强烈发展以及丰沛的水汽和强垂直运动密切相关。螺旋度的诊断结果揭示,与强暴雨区和切变线低涡相应的是一对符号相反而又紧邻的螺旋度带,它们的垂直结构是一对符号相反而又互伴的螺旋度柱;螺旋... 详细信息

"98.7"特大暴雨过程与700hPa低涡切变线的强烈发展以及丰沛的水汽和强垂直运动密切相关。螺旋度的诊断结果揭示,与强暴雨区和切变线低涡相应的是一对符号相反而又紧邻的螺旋度带,它们的垂直结构是一对符号相反而又互伴的螺旋度柱;螺旋度及其诸分量的量级是相同的。这表明,垂直运动的水平切变和水平速度的垂直切变以及水平速度的水平切变对螺旋度有相同大小的贡献,也意味着强垂直运动和低空急流对暴雨的发生和发展极其重要。动能的诊断结果显示,强动能区与暴雨区和低涡切变线有很好的对应关系,在中、低空的强动能中心也正是强降雨中心;动能最强的700hPa也是低涡切变线发展最强的层面。强动能及其强梯度区和强螺旋度区基本一致。表明强动能及其强梯度对螺旋度变率及其通量有重要贡献。

关键词： 1998年特大暴雨 7月螺旋度动能低涡切变线天气过程分析