台风莫拉克(2009)暴雨过程中位势切变形变波作用密度诊断分析和预报应用

在水平风场切变形变的基础上引入物理量——位势切变形变, 把水平风场的垂直分量和切变形变与广义位温的空间梯度结合起来. 该物理量的二阶扰动被定义为波作用密度, 在局地直角坐标系中推导了能够描述中尺度扰动系统发展演变的波作用方程. 对2009年登陆台风莫拉克引发的暴雨过程进行诊断分析, 结果表明, 台风中心区切变形变向涡度的转化显著, 该转化通过纬向风的经向梯度实现. 纬向风速的经向梯度与广义位温垂直梯度的耦合引起位涡和位势切变形变之间的转化, 以至于位势切变形变和位涡的异常值区分别位于台风环流的外侧和内侧. 波作用密度因能够描述水平扰动风场的垂直切变和切变形变以及凝 结潜热函数扰动梯度而与观测降水联系紧密. 相关统计分析表明, 2009年夏季波作用密度与6 h观测降水存在明显滞后相关性, 对未来6 h降水有一定的指示意义. 另外, 波作用密度通量散度和扰动非地转风位涡是影响波作用密度局地变化的主要物理因素. 基于波作用密度与观测降水的良好相关性, 建立了波作用密度暴雨预报方程. 2009年登陆台风"苏迪罗", "天鹅", "莫拉菲"和"巨爵"的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明, 波作用密度对台风暴雨具有较好的预报效果, 其预报降水能力略优于美国全球预报系统(GFS)的直接降水预报. 关键词： 位势切变形变 波作用密度 波作用通量散度 台风暴雨     

影响华北盛夏降水的水汽路径客观定量化的研究

基于1951—2011年美国气象环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料以及国家气候中心提供的中国160站月平均降水资料,定义垂直于某一截面的平均水汽通量为描述水汽路径强度的客观化指标,计算发现与华北降水密切相关的水汽路径有5条:孟加拉湾水汽路径、太平洋水汽路径、西南和东南汇合水汽路径(以下简称汇合水汽路径)、由西输入水汽路径以及南海水汽路径.研究结果表明,汇合水汽路径、由西输入水汽路径及南海水汽路径有明显的年代际变化,这种年代际变化是与华北盛夏降水量的年代际变化基本一致的.通过滑动相关分析可以发现,对华北盛夏降水产生影响的主要是由西输入水汽路径,这可能是受西风带的影响.通过合成分析的结果同样表明由西输入华北的水汽输送增强时,伴随着太平洋水汽路径的输送明显增强,绕过了华南和长江中下游直接输送至华北和东北,从而引起华北和东北的降水量偏多;虽然其他水汽路径对华北盛夏降水的影响相对比较小,但是2000年开始,孟加拉湾水汽路径对华北盛夏降水的影响逐渐增强.     

双台风条件下水汽的中尺度输送特征与收支诊断

应用WRF(v3.4)模式输出资料,揭示双台风条件下水汽的输送与收支特征及其对台风强度的影响.分析表明,"菲特"台风与副热带高压、中高纬地区槽脊、西面大陆高压及其东南面尾随台风"丹娜丝"存在周边系统相互作用,这种相互作用使得"菲特"台风背景风场改变,从而影响其水汽输送通道的调整.水汽输送特征分析表明,周边系统相互作用,特别是尾随"丹娜丝"台风作为水汽"收集-输送"站的作用,对"菲特"台风在近海强度的维持及后期偏北强降水有重要影响.水汽通量辐合带的分布和演变与台风强对流带的分布和演变具有一致性,即水汽的输送对台风内核区强对流带的强度和结构具有重要影响.水汽收支诊断分析表明,水汽输送对两类台风强度的变化具有重要影响,即总的水汽通量与台风强度随时间的变化均具有较好的一致性.东边界是台风的主要水汽输送来源,南、北边界次之,西边界为负贡献;各边界水汽输送主要分布在对流层底层,西边界的对流层中低层为负贡献.水汽的垂直输送对台风内部水汽的再分配起着重要作用,同时水汽垂直输送大值带的持续时间与台风研究区域内强对流大值带的持续时间一致,说明水汽的垂直输送对"U"型和"V"型台风区域的强对流也具有重要的影响.     

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．     

湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长和暴雨维持的一种机制

打破将散度演化分析局限于水平动力学框架内的传统认识思维,针对大气的斜压性与层结特征将对大气运动散度场演化产生显著影响的事实,从湿斜压原始方程出发,将大气的斜压热力作用通过热力学方程引入散度方程,在替换平衡近似（alternative balance）下,导出了显式包含湿非地转Q矢量与垂直风切变耦合强迫作用的新型散度方程.阐明了潮湿大气中非地转斜压强迫激发散度场演化的物理机制,为利用常规观测资料诊断散度场演化提供了一种有效的数学工具.通过对流层中低层气柱内总体辐合增长影响因子的分 关键词： 暴雨天气 散度演变 正压非平衡强迫 湿斜压热动力耦合强迫     

强对流降水过程动力因子分析和预报研究

利用对流涡度矢量垂直分量,湿热力平流参数和波作用密度等动力因子对2009年7月8日发生在我国华北南部地区的强对流降水过程进行诊断分析,结果表明,这些动力因子能够综合描述降水系统水平风场垂直切变,涡度扰动以及位温平流和广义位温(及其扰动)的经向梯度等动力学和热力学特征,在降水区对流层中低层表现为强信号,在非降水区表现为弱信号.利用美国NCEP/NCAR 0.5度GFS的6 h,12 h,18 h和24 h预报资料计算分析2009年6月2日至10月1日动力因子对观测降水的指示预测作用,结果表明,动力因子对观测 关键词： 对流涡度矢量垂直分量 湿热力平流参数 波作用密度     

中国夏季大气水分循环特征及再分析资料对比分析

大气水分循环过程耦合了降水、蒸发、水汽输送等多个环节.本文利用ERA-Interim与MERRA再分析资料,研究了中国1979—2012年夏季大气水分循环的时空变化特征及其对全球气候变化的响应,并对两套再分析资料在中国地区的适用性进行了评估.结果表明:1)中国夏季降水、蒸发、可降水量均自东南沿海地区向西北内陆递减;降水与蒸发相互联系、相互制约,由于不同地区下垫面物理条件的差异,它们之间同时存在正、负反馈的影响机制,可降水量主要集中在地面至700 h Pa高度,约占总量的75%;2)近34年大气水分循环显著变化的区域主要集中在西部和东北地区,西部内陆地区可降水量显著增加,北方大部分地区纬向水汽输送通量显著减小,西北北部地区经向水汽输送通量显著增大,蒸发量与水汽输送的气候变化可能是造成可降水量增加的主要原因;3)Interim与MERRA资料对降水量时空变化特征的再现能力要优于蒸发量,此外,它们对降水与蒸发气候变化趋势的模拟结果差别较大,使用时应该慎重;两套资料对可降水量与水汽输送通量的时空变化特征以及气候变化趋势的模拟比较一致,可信度较高;4)Interim资料对西南、东南以及东北区域夏季水循环均有较好的描述能力;而MERRA资料更适用于研究西南和西北区域的水汽收支情况.     

电磁场法向边值关系的严密数学理论

阐述了矢量场穿过2阶无穷小平面的通量虽然也是2阶无穷小量,但特殊情况下要求计算精度必须达到3阶无穷小量,为此目的需要把2阶无穷小平面分成无穷多个4阶无穷小面元来计算通量,并且给出如此计算所得结果遵循的规律——3阶无穷小精度下矢量场穿过2阶无穷小平面的通量定理.最后介绍了这个定理在散度理论和电磁场法向边值关系理论中的应用.     

2011年春夏季长江中下游地区旱涝急转特征分析

本文选用美国环境预报中心/国家大气研究中心提供的全球再分析资料, 中国气象局国家气候中心提供的中国740站降水资料及中国气象信息中心提供的中国区域 2011年降水格点资料,对2011年长江中下游地区6月初旱涝急转现象及环流背景特征进行简要分析, 结论如下: 1) 2011年1-5月长江中下游地区降水较气候平均值偏少且降水变率较小, 6月长江中下游地区降水量急剧增多,发生旱涝急转现象,其转折点为第31候(6月第1候); 2)旱涝急转前后,水汽通量及其经验正交函数分解的第1, 2模态的时间和空间演变均表现出弱水汽输送向强水汽输送转变的特征; 3)转折前后大气环流场差异显著. 急转前,北半球冬季风偏强,南半球夏季风偏弱,在春季,东亚大槽偏强导致季风的转换延迟, 不利于南方暖湿气流的北上,南方降水偏少,并发生大范围持续性的严重干旱. 6月初(急转期)环流迅速调整,西太平洋副高突然西伸北跳,东亚大槽异常偏西偏强、 鄂海阻高减弱,使冷暖空气在长江中下游地区汇合,有利于该地区的降水发生并持续, 是长江中下游地区由严重干旱向洪涝急转的主要原因.     

从流场分解角度改进Q矢量分析方法及其在暴雨动力识别中的应用

依据水平风场分解思路,运用调和.余弦算法,准确分解有限区域Q矢量.根据已有的关于Q矢量散度和新发展的Q矢量涡度与天气系统对应关系的研究,运用分解得到的Q矢量旋转分量场和辐散分量场,改进传统Q矢量分析方法中单纯依靠Q矢量水平散度场进行的诊断分析.通过对一次暴雨个例的比较研究表明,在雨带形势和暴雨中心位置的动力识别方面,改进的Q矢量分析方法比传统的单纯依靠Q矢量散度分析方法具有更好的效果.     

ERA-Interim中的中国地区水分循环要素的时空演变特征分析

本文利用1979–2011年欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的再分析资料 (ERA-Interim), 运用经验正交函数展开 (EOF) 和相似系数等方法, 对中国地区水分循环诸要素的时空特征进行了计算与分析. 研究结果表明: 在空间分布特征上, 蒸发量、纬向水汽通量和经向水汽通量均与大气可降水量的空间分布最相似, 大气可降水量和降水量均与蒸发量的空间分布最相似, 降水量与纬向水汽通量的相似系数略大于其与经向水汽通量的相似系数; 在时间演变上: 年降水量在1979–2002年间, 呈现非常显著的上升趋势; 在2002–2011 年间, 呈现显著的下降趋势. 年蒸发量在该两个时段的变化趋势与年降水量一致, 但均比年降水量明显; 年蒸发量在1979–2011年间呈现非常显著的上升趋势, 其年际变化明显小于年降水量. 可降水量和水汽通量散度在1979–2011年间的长期变化趋势不明显, 但可降水量的年际变化呈阶段式增大, 水汽通量的年际变化一直较大. 纬向与经向水汽通量均存在2–3年为周期的年际变化; 此外, 纬向水汽通量在1979–2011年间还存在显著的下降趋势. 春、秋季的水汽通量都存在显著下降的长期变化趋势, 夏、冬季的长期变化趋势不明显. 四季都存在2–3年为周期的年际变化. 此外, 夏季还存在明显的年代际转折. 关键词： 水分循环 时空特征 EOF 相似系数     

A tunnel regenerated coupled multi-active-region large optical cavity laser with a high quality beam

A novel coupled multi-active-region large optical cavity structure cascaded by a tunnel junction is proposed to solve the problems of facet catastrophic optical damage (COD) and the large vertical divergence caused by the thin emitting area in conventional laser diodes. For a laser with three active regions, a slope efficiency as high as 1.49 W/A, a vertical divergence angle of 17.4 , and a threshold current density of 271 A/cm 2 are achieved. By optimizing the structural parameters, the beam quality is greatly improved, and the level of the COD power increases by more than two times compared with that of the conventional laser.     

Tunnel regenerated coupled multi-active-region large optical cavity laser with high quality beam

A novel coupled multi-active-region large optical cavity structure cascaded by tunnel junction is proposed to solve the problems of catastrophic optical damage (COD) of facet and large vertical divergence caused by the thin emitting area in the conventional laser diode. For the laser with three active regions, a slope efficiency as high as 1.49 W/A, a vertical divergence angle of 17.4°, and a threshold current density of 271 A/cm² are achieved. By optimizing the structure parameters, the beam quality is greatly improved, and the level of COD power increases more than two times compared with that of the conventional laser.     

Field-theoretic calculation of kinetic helicity flux

In this paper we apply perturbative field-theoretic technique to helical turbulence. In the inertial range the kinetic helicity flux is found to be constant and forward. The universal constantK ^H appearing in the spectrum of kinetic helicity was found to be 2.47.     

LED光学参数测试方法研究

通过分析LED（发光二极管）发光机理和封装特点，选择了LED需要测试的光学参数：光通量、亮度、发光强度、空间光强分布、相对光谱功率分布及色度，进而研究了每个光学参数的特点。根据其特点，制定了每个光学参数的测试原理以及相应的计算公式，最终确定了各参数的测试方法。设计了LED光通量测量系统、亮度和发光强度测量系统、发散角及空间光强分布测量系统、相对光谱功率分布及色度测量系统。实际应用表明：这些系统均能满足目前工作需要。     

Diagnosis of dynamic process over rainband of landfall typhoon

This paper introduces a new physical parameter - thermodynamic shear advection parameter combining the perturbation vertical component of convective vorticity vector with the coupling of horizontal divergence perturbation and vertical gradient of general potential temperature perturbation.For a heavy-rainfall event resulting from the landfall typhoon ’Wipha’,the parameter is calculated by using National Centres for Enviromental Prediction/National Centre for Atmospheric Research global final analysis data.The results showed that the parameter corresponds to the observed 6 h accumulative rainband since it is capable of catching hold of the dynamic and thermodynamic disturbance in the lower troposphere over the observed rainband.Before the typhoon landed,the advection of the parameter by basic-state flow and the coupling of general potential temperature perturbation with curl of Coriolis force perturbation are the primary dynamic processes which are responsible for the local change of the parameter.After the typhoon landed,the disturbance is mainly driven by the combination of five primary dynamic processes.The advection of the parameter by basic-state flow was weakened after the typhoon landed.     

Continuity and momentum equations for moist atmospheres

The moist atmosphere with occurring precipitation is considered to be a multiphase fluid composed of dry air, water vapor and hydrometeors. These compositions move with different velocities: they take a macroscopic motion with a reference velocity and a relative motion with a velocity deviated from the reference velocity. The reference velocity can be chosen as the velocities of dry air, a gas mixture and the total air mixture. The budget equations of continuity and momentum are formulated in the three reference-velocity frames. It is shown that the resulting equations are dependent on the chosen reference velocity. The diffusive flux due to compositions moving with velocities deviated from the reference velocity and the internal sources due to the phase transitions of water substances result in additional source terms in continuity and momentum equations. A continuity equation of the total mass is conserved and free of diffusive flux divergence if the reference velocity is referred to the velocity of the total air mixture. However, continuity equations in the dry-air and gasmixture frames are not conserved due to the mass diffusive flux divergence. The diffusive flux introduces additional source terms in the momentum equation. In the dry-air frame, the diffusive flux of water substances and the phase transitions of water substances contribute to the change of the total momentum. The additional sources of total momentum in the frame of a gas mixture are associated with the diffusive flux of hydrometeors, the phase transitions of hydrometeors and the gasmixture diffusive flux. In the frame of total air mixture, the contribution to the total momentum comes from the diffusive flux of all atmospheric compositions instead of the phase transitions. The continuity and momentum equations derived here are more complicated than the traditional model equations. With increasing computing power, it becomes possible to simulate atmospheric processes with these sophisticated equations. It is helpful to the improvement of precipitation forecast.