广义Ertel-Rossby不变量在北京“7.21”暴雨过程分析中的应用

在绝热无摩擦大气中,具有守恒性及可反演性的Ertel位涡(PV)在大尺度天气系统分析中有广泛应用。由于忽略了力管项的作用,PV用于分析中小尺度天气系统演变时受到局限。从广义速度推导得到的广义Ertel-Rossby不变量(GERI)除了包含有PV的守恒性,还包含了螺旋度效应及力管项的作用,对于分析研究快变流型的中小尺度系统演变有一定优势。用GERI分析2012年7月21日北京地区的特大暴雨过程,表明GERI在暴雨区有明显的异常出现,其异常基本与暴雨出现时间同位相,表明GERI的定义涵盖了螺旋度和PV,也包含了暴雨发生时的旋转斜压大气的力管项效应,确实能体现暴雨过程中的流型快变的特点,可以作为独立的变量来分析和揭示造成暴雨的低涡系统的动力结构,为诊断和预报暴雨落区提供新的动力物理量。     

短波斜压扰动系统移动及强度变化的诊断分析

本文应用非绝热准地转位势倾向方程,分析和讨论了中纬度短波斜压扰动系统移动和强度变化的条件。理论分析和实例计算表明,地转风涡度平流对促使斜压扰动东移有重要贡献;地转风差动厚度平流是斜压扰动发展或衰减的重要影响因素;差动潜热能平流对斜压扰动的移动和发展均有不可忽视的作用。该方程用于短波斜压扰动移动及强度变化的诊断分析和预报是一种较好的方法。     

贵州省一次连续性暴雨的湿位涡诊断分析

该文利用绝热、无摩擦大气湿位涡守恒理论和常规的地面观测资料、NCEP再分析资料（水平分辨率2.5°×2.5°）,对贵州省2011年6月3—6日连续性暴雨过程的湿位涡场进行了诊断和分析。结果表明此次暴雨过程发生在对流层中低层MPV1负值区和MPV2的正值区以及θse的高能区内。湿位涡的正压项与斜压项综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定状况。这一判据将大气中的对流不稳定和斜压不稳定很好地联系在一起,为暴雨天气的诊断和实际预报提供了一种思路。     

热带气旋“Malakas”与中纬度系统的相互作用及其结构变化

本文利用中尺度数值模式WRF和LAGRANTO轨迹模式对2010年变性台风"Malakas"进行数值模拟和轨迹分析,分析了Malakas在变性过程中与中纬度系统的相互作用,以及在相互作用过程中Malakas的结构变化特征。结果表明:Malakas变性过程经历了三个阶段:(1)高层扰动加强期,高层的正位涡产生的气旋性环流使低层Malakas中心北部的斜压带西侧产生负的温度平流,表现为冷空气的入侵;(2)Malakas和中纬度系统相互作用时期,台风北上导致斜压带出现,深对流的爆发使低层暖湿气流沿着斜压带上升,快速上升气流中的潜热释放导致低PV空气向对流层上部净输送,在其北部高层重新构建出一个脊;(3)Malakas变性成温带气旋,残存的台风内核与斜压带逐渐合并,负的位涡平流带着非绝热外出流驱动了下游最初脊的构建,加速并且固定了中纬度急流,并整体放大了上层Rossby波模式。     

环境场作用与西南低涡移动的初步分析

本文将西南低涡视为迭加在环境场上的一个扰动,把考虑环境场和非绝热作用下的次天气尺度扰动方程组写在一个简单斜压两层模式上,根据西南低涡的特点对方程组作一些近似处理,导得了反映低层(700hPa)西南低涡移动特征的移矢诊断方程。由此分析了影响西南低涡移动的主要因子,得出了一些定性结果。最后,利用移矢诊断方程作了低涡移动的实例计算分析,其结果与实况比较一致。     

全型涡度方程和经典涡度方程比较

在简要回顾经典涡度方程和全型涡度方程推导的基础上 ,比较了两种涡度方程的异同。集中讨论全型涡度方程新的物理内涵 ,证明了与稳定度和斜压性变化 (锋生、锋消过程 )相联系的内部强迫以及与摩擦耗散和非绝热加热相联系的外部强迫所诱发的涡度发展的机制。最后 ,指出了全型涡度方程的天气和气候应用前景。     

环境气流及非绝热加热对热带气旋结构和移动的影响

设计一个三层的准地转斜压模式,研究了不同结构环境气流和环境非绝热加热场中热带气旋移动路径和结构的特征.数值试验的结果表明:(1)无外界影响下热带气旋向西北方向移动,垂直速度场有明显的螺旋结构;(2)热带气旋主要受基本环境气流引导,非对称环流中的小扰动干扰了热带气旋的移动;(3)非绝热加热场对热带气旋影响较大,热带气旋有向加热中心移动的倾向,同时热带气旋的水平、垂直结构都有较大的变化.     

贺兰山东麓两次局地暴雨过程的湿位涡诊断分析

利用自动气象站雨量资料、MICAPS4调阅资料以及NCEP再分析资料,对比分析了2016年8月21日和2018年7月22日宁夏贺兰山东麓两次局地暴雨过程的降水特征、环流形势等,重点对两次过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明:两次暴雨过程第一阶段均为暖区降水,表现出降水范围小、时间短、强度大,相对第一阶段降水,第二阶段降水范围较大、雨强较小。两次过程强降水均发生在假相当位温(θse)等值线密集区,并沿低空急流轴呈长条状分布,强降水时段与θse最大值出现时间相一致。暴雨区位于位涡(PV)负值中心区附近,暴雨发生发展过程与PV负值中心的移动和变化较为一致,PV负值中心的加强和减弱以及移动方向对局地暴雨的预报有很好的指示意义。对流层500 hPa以上湿位涡正压项(MPV1)正的大值区对应700 hPa以下负的大值区,正负中心区垂直叠加的配置有利于暴雨发生发展。垂直剖面图上600 hPa都存在湿位涡斜压项(MPV2)负极值中心,对流层中低层MPV2负极值中心的强度和维持时间以及变化对局地暴雨的预报有一定的指示作用。     

结合“海棠”台风（2005）定量分析非绝热加热对湿 Q 矢量诊断能力的影响

湿Q矢量最大特点就是考虑了非绝热加热作用,各种湿Q矢量差异也主要表现在对非绝热加热计算处理方案的不同.因此,通过比较分析非绝热加热作用,可揭示出不同湿Q矢量之间诊断能力的差异.2005年第5号登陆台风"海棠"在7月19日08时20 H 08时,给福建省东北部及浙江省造成大范围暴雨.WRF模式成功模拟出此次台风暴雨过程.文章将结合"海棠"台风(2005)登陆台风暴雨过程,利用 WRF模式模拟输出的气象要素,通过计算降水场,定量分析了非绝热加热作用及其对湿Q矢量诊断能力的影响.结果表明:(1)对于公包括大尺度凝结加热的非绝热加热作用H1及包括了潜热加热(大尺度凝结加热和对流凝结加热)、感热加热和辐射加热的非绝热加热作用H2来讲,局地变化项的强迫作用较垂直平流项、水平平流项的强迫作用约小1-2个量级,可以忽略不计,垂直平流项的强迫作用是主要成分,对于水平平流项来讲,尽管其强迫作用明显小于垂直平流项的强迫作用,但也明显大于局地变化项的强迫作用,考虑其将更有利于充分反映H1、H2的强迫作用.对于包括非均匀饱和大气中潜热加热的H3来讲,水平平流项与垂直平流项的强迫作用相当,均为主要成分,而局地变化项的强迫作用为次要成分且不容忽视,对其考虑将有助于全面描述H2的强迫作用.(2)非绝热加热作用H1、H2以及H3强迫产生的24 h累积降水场具有相似的水平分佰特征,三者强迫产生的逐时雨量随时间演变特征也非常相似,这表明水汽凝结潜热是非绝热加热作用的主要成分.(3)进一步结合模拟降水场分析表明,相对于H1强迫产生的降水场来讲,H2与H3强迫产生的降水场更接近模拟结果,这揭示出包含H2的湿Q矢量与包含H2的湿Q矢量诊断能力相近,且对降水反映能力较包含H1的湿Q矢量诊断能力强.(4)不同湿Q矢量各自有其自身诊断特点,根据不同研究目的的需要,可有针对性的选取相应的湿Q矢量来作为研究工具.如需要具体、细敛分析水汽潜热的强迫作用,可以选朋包含H1、H3的湿Q矢量,如仅需考虑总的湿Q矢量强迫作用,则可以直接选用包含H2的湿矢量.     

包括大地形作用的大气环流模式的长时期性状

本文用一个两层斜压原始方程模式研究了包含大地形作用的大气环流模式的长时期性状.首先以刚体旋转为初值条件,用绝热无摩擦的两层斜压模式作了一个月的数值积分,研究了模式大气对纯粹地形强迫的响应.结果发现积分至第15天以后,中纬度西风渐弱,使得积分前期由地形强迫产生的槽脊难以辨认.本文通过不同模式之间的比较,对500hPa高度场上的球谐分析以及对动量方程的诊断,认为它是一种确定的动力学现象,而不是计算紊乱.在模式中引入纬向对称型加热和地面摩擦过程后,即使将模式积分长达5个月以上,由地形强迫激发的扰动所形成的槽脊仍可长久地维持,但它不是简单意义下的定常波,位相分析表明只有二波分量近似驻波,与转盘实验结果相似.     

长江中游一次大暴雨的中尺度分析

通过对2003年7月8日发生在长江中游的一场大暴雨进行中尺度分析，初步研究了暴雨的形成及发展过程，总结了暴雨的产生与中小尺度系统的关系，着重阐述了低空急流在暴雨形成中的作用，以及在低空急流左侧强正涡度中心附近形成中尺度涡旋，激发暴雨云团等。     

太行山东麓地面辐合线特征分析

由于太行山地形的影响,在河北中南部,地面存在着几乎定常的风向辐合,局地对流天气往往发生在地面辐合线附近。利用2007和2008年5—9月地面加密风场资料,分析了河北省中南部地面辐合线的逐时演变特征以及与局地对流降水的关系。结果表明,地面辐合线傍晚时分在保定西南部生成以后,沿太行山逐渐扩展,自西向东缓慢推移,强度逐渐加强,早晨前后形成近乎闭合的气旋式环流。依据逐次过程最强降水时次的风场,将地面辐合线分为7类;单纯由地形引发的地面辐合线一般不产生降水,即使造成降水,量级也比较小,也就是说,一般地形导致的辐合不会直接触发对流,只有在有利的天气系统配合下,才会产生较为剧烈的对流天气。通过对2008年7月下旬连续冷涡天气个例逐日的地面辐合线分析表明,无论何种类型的辐合线,对流天气首先出现在辐合线附近;在大尺度的环流背景下,利用逐时风场、温度场的发展演变,可以定性判断对流天气出现的时间、落区,以及强度等。     

Impact of 4DVAR Assimilation of Rainfall Data on the Simulation of Mesoscale Precipitation Systems in a Mei-yu Heavy Rainfall Event

The multi-scale weather systems associated with a mei-yu front and the corresponding heavy precipitation during a particular heavy rainfall event that occurred on 4 5 July 2003 in east China were successfully simulated through rainfall assimilation using the PSU/NCAR non-hydrostatic, mesoscale, numerical model （MM5） and its four-dimensional, variational, data assimilation （4DVAR） system. For this case, the improvement of the process via the 4DVAR rainfall assimilation into the simulation of mesoscale precipitation systems is investigated. With the rainfall assimilation, the convection is triggered at the right location and time, and the evolution and spatial distribution of the mesoscale convective systems （MCSs） are also more correctly simulated. Through the interactions between MCSs and the weather systems at different scales, including the low-level jet and mei-yu front, the simulation of the entire mei-yu weather system is significantly improved, both during the data assimilation window and the subsequent 12-h period. The results suggest that the rainfall assimilation first provides positive impact at the convective scale and the influences are then propagated upscale to the meso- and sub-synoptic scales.
Through a set of sensitive experiments designed to evaluate the impact of different initial variables on the simulation of mei-yu heavy rainfall, it was found that the moisture field and meridional wind had the strongest effect during the convection initialization stage, however, after the convection was fully triggered, all of the variables at the initial condition seemed to have comparable importance.     

北京短时局地暴雨多普勒天气雷达观测分析

中小尺度天气系统造成的短时局地暴雨的临近预报目前仍是预报中的难点,也是2008年奥运会提供精细化预报需要进一步研究的问题。了解不同云系的结构及雷达回波的特征,还可以为人工增雨制定最佳作业方案,选择最佳作业时机。用每小时的地面自动站雨量资料结合北京市气象台的多普勒天气雷达资料,查找出造成北京2004年夏季(6~8月)的短时局地暴雨天气的雷达回波单体。对多普勒雷达回波资料分析表明:在多普勒径向速度图上“辐合点”、“中气旋”的图像特征出现有利于局地暴雨发生,并提前于暴雨。对突发性局地暴雨的临近预报有一定的指示意义。     

奇异值分解方法在季降水预测中的应用

用奇异值分解方法对冬季北太平洋海表温度与广东省４－６月降水量之间的关系进行了计算，得出奇异向量分布型。对前６对奇异向量进行了分析，并用历史资料进行了反查检验，用１９９４年和１９９５年的海温型进行了广东的降水趋势预测     

A Case Study on a Quasi-Stationary Meiyu Front Bringing About Continuous Rainstorms with Piecewise Potential Vorticity Inversion

A 4-day persistent rainstorm resulting in serious flooding disasters occurred in the north of Fujian Province under the influences of a quasi-stationary Meiyu front during 5-8 June 2006. With 1°× 1° latitude and longitude NCEP reanalysis data and the ground surface rainfall, using the potential vorticity （PV） analysis and PV inversion method, the evolution of main synoptic systems, and the corresponding PV and PV perturbation （or PV anomalies） and their relationship with heavy rainfall along the Meiyu front are analyzed in order to investigate the physical mechanism of the formation, development, and maintenance of the Meiyu front. Furthermore, the PV perturbations related to different physics are separated to investigate their different roles in the formation and development of the Meiyu front. The results show： the formation and persistence of the Meiyu front in a quasi-WE orientation are mainly due to the maintenance of the high-pressure systems in its south/north sides （the West Pacific subtropical high/ the high pressure band extending from the Korean Peninsula to east of North China）. The Meiyu front is closely associated with the PV in the lower troposphere. The location of the positive PV perturbation on the Meiyu front matches well with the main heavy rainfall area along the Meiyu front. The PV inversion reveals that the balanced winds satisfying the nonlinear balanced assumption represent to a large extent the real atmospheric flow and its evolution basically reflects the variation of stream flow associated with the Meiyu front. The unbalanced flow forms the convergence band of the Meiyu front and it mainly comes from the high-pressure system in the north side of the Meiyu front. The positive PV perturbation related to latent heat release in the middle-lower troposphere is one of the main factors influencing the formation and development of the Meiyu front. The positive vorticity band from the total balanced winds is in accordance with the Meiyu front band and the magnitude of the posit     

“7·20”河南极端暴雨精细观测及热动力成因

利用分钟降水资料、FY-4A气象卫星高分辨率资料、多普勒天气雷达资料和ERA5再分析资料对2021年“7·20”河南极端暴雨过程中尺度系统精细结构及热动力发展机制进行观测分析和诊断研究, 结果表明: 该过程发生在“两高对峙”的鞍型场弱背景下, 其主导系统为500 hPa弱低压系统和低层偏东风切变线; 极端暴雨主要由水平尺度约300 km呈近乎圆形结构中尺度对流复合体产生, 其长时间维持与内部多个中尺度对流系统的合并及外围东南侧暖湿区新生单体的持续并入有关; 郑州站小时强降水(201.9 mm· h-1)由几乎静止的低质心β中尺度弓状回波产生, 其分钟降水量持续在3~4.7 mm; 边界层风场的动力辐合触发强烈对流, 使得强降水区上空θ_se锋区长时间处于中性层结, 其高层辐散气流在西北太平洋副热带高压附近构成次级环流下沉支; 中层500 hPa低压区气旋式曲率附近正涡度平流和925 hPa偏东气流持续暖平流输送、低层变形场锋生作用, 以及来自华东近海边界层急流异常强盛的水汽输送是此次极端过程发展维持的热动力学成因。     

GPS遥感大气可降水量在暴雨天气过程分析中的应用

利用北京市气象局地基GPS监测试验网遥感大气可降水量（PWV）数据，分析2004年汛期暴雨天气过程PWV的变化特征及其与降雨量、降雨强度的关系；通过分析地面、高空的位势高度场、风场，以及比湿外水汽通量Q及水汽通量散度AQ等物理量诊断场分布，研究天气系统与大尺度水汽输送、辐合的关系，大尺度水汽输送、辐合与PWV变化的关系；探讨GPS遥感大气水汽资料在预报强降雨天气过程中的应用。得出：PWV的增长方式受当地天气系统的支配和制约，对于明显降雨过程，当地面、高空天气系统有利于暖湿空气的输送时，在北京附近形成等湿度线密集区，PWV逐渐增长（降雨开始前的13-24h）的趋势；当地面、高空有辐合系统东移或生成，或有中小尺度天气系统影响时，PWV显著增长（降雨开始前的3～4h）；当PWV大于某阈值后出现较强降雨，PWV值及增量的大小与降雨量的大小没有明显的关系。     

客观预报中格点因子处理方法探讨

在要用数值预报产品制作温度，降水客观预报时，一种常见的方法是对数值预报产品格点因子进行平滑处理，以利于过滤噪声，为了确定对格点因子进行平滑处理与非平滑处理优劣，采用1995－1997年6－9月的国家气象中心T106数值预报产品资料，分别建立了这两种方法的山东省各测站1－5天日极端温度，降水量MOS预报方程，并对1999年7－9月的预报结果进行了对比检验，结果表明，非平滑处理优于平滑处理的预报效果。