一次自上向下发展的高原涡的多尺度动力学分析

高原涡作为经常给我国带来暴雨等灾害的天气系统,其形成一般认为是通过感热和潜热自下而上激发的,然而,2013年5月下旬发生的一次引发其下游灾害性强降水的高原涡却是由对流层高层天气尺度低涡诱发的。为此,基于新发展的多尺度子空间变换和多尺度能量涡度方法以及ERA5再分析资料对其动力学过程进行了详尽的探讨,先将原始场重构到三个尺度子空间,即背景环流尺度子空间、天气尺度子空间和高频尺度子空间,重构场上首次显示此次过程生成于青藏高原西北侧,其成因为对流层高层基本气流尺度向天气尺度的跨尺度动能正则传输,即正压失稳,并且表现为从高层向下。在发展阶段,其能量最终来源为基本气流向天气尺度的有效位能传输和非绝热加热,然而这些过程只发生于涡旋低层的西侧。进一步分析发现,天气尺度内存在一个能量再分配“路径”:首先,低层西侧获得的有效位能转换为动能,西侧垂直的气压梯度力做功将低层获得动能向高层分配;在高层,水平的气压梯度力做功进而将西侧获得的动能向东侧分配;东侧垂直的气压梯度力做功再将动能向低层分配;至此,低层西侧获得的能量被分配到整个涡旋空间中,使得涡旋能够均匀发展。     

2008年1月中国南方低温雨雪期间异常阻塞高压事件的多尺度动力过程分析

2008年1月,中国南方发生了罕见的低温雨雪灾害,造成这次灾害的关键系统之一是乌拉尔山以东地区的异常阻塞高压（阻高）。基于NCEP再分析资料,利用新发展的多尺度子空间变换和重构分析了这一期间阻高的多尺度特征,发现其源头来自欧洲地区,强度减弱后东移,在乌拉尔山—贝加尔湖地区重新增强并得以维持相当长的时间。结果表明,两次阻高过程本质上是同一过程在不同阶段的表现。为探讨上述过程的动力学机制,利用基于多尺度子空间变换的局地多尺度能量分析方法以及正则传输理论对其进行了分析,发现此次异常阻高过程源自32 d以下尺度系统的动能强迫,具体地说,能量来自32 d以下尺度系统向32—128 d低频尺度系统的正压正则传输,而且这种正则传输在阻高环流的东、西两侧不对称,西侧在强度上远大于东侧。分析表明,上述非对称的强迫作用由动能空间输运来平衡,平流将西侧获得的32—128 d低频尺度动能向东侧输运,以此来维持阻高环流的整体稳定和均一。上述两种内部的物理过程是高压环流在东移的过程中得以重新增强并长时间维持的机制。      

基于局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)的北半球夏季西太平洋MJO动能分析

采用局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)和基于MS-EVA的局地正则传输与不稳定性理论对北半球夏季MJO的动能变化进行了诊断分析。结果表明:1)引起对流层上层和下层MJO动能变化的主要影响因素是有效位能转换和气压梯度力做功,其中有效位能转换在对流中心以北有明显的正的大值带,是MJO的主要动能源;气压梯度力做功则主要是将从有效位能转换而来的动能在空间重新分布。2)引起对流层中下层MJO动能变化的主要因素是动能跨尺度传输作用,其中大尺度向MJO尺度的跨尺度传输在对流中心附近表现为明显的正值,因此是该高度上MJO的动能源,并受5~15°N区域上空正压不稳定制约。3)MJO与天气尺度系统间的动能传输则主要表现为MJO的动能汇,其与MJO环流场分布以及MJO对天气尺度波动动量通量的平流输送有关。     

2007号台风“海高斯”的多尺度能量分布及转化特征分析

2020年第7号台风“海高斯”在广东省造成大风、暴雨灾害,细致研究其多尺度能量分布及转化特征有助于更好地认识和防御类似的台风灾害。运用WRF模式对台风“海高斯”进行了数值模拟,使用Barnes滤波方法将模拟结果分离为大尺度背景场(> 2 000 km)、α中尺度系统(200～2 000 km)、β中小尺度系统(<200 km)等三个尺度分量,分别计算三个尺度动能、有效位能的分布及变化。结果表明：(1)台风“海高斯”活跃期内,大尺度背景场动能先增加后稳定,α中尺度动能先增加后减少,β中小尺度动能变化不明显。动能的主要来源是有效位能的转化及气压梯度力做功,主要去向是水平输送及跨尺度转化。三种尺度动能主要分布于对流层低层。(2)大尺度背景场有效位能有两次先增加后减少的过程,α中尺度和β中小尺度有效位能先增加后减少。有效位能的主要来源是非绝热加热,主要去向是转化为动能和水平输送及跨尺度转化。三种尺度有效位能主要分布于对流层高层。(3)台风“海高斯”能量转化区域主要为距台风中心200 km以内台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、距台风中心200—700 km台风外围区域对流层上层、...     

一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。     

一次东北冷涡背景下MCS过程多尺度能量相互作用研究

采用WRF模式对东北冷涡背景下MCS过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为3个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究MCS发展过程,多尺度系统能量相互转化,以及动能与降水的联系。研究表明:在此次过程中各尺度之间都有位能向动能的大量转化,为系统发展提供能量。在对流单体发展到M CS成形前,中低层天气尺度动能减少,天气尺度动能向β中小尺度动能转换,促进对流单体的发展;高层天气尺度动能增强,对应高空急流增强,促进对流系统发展;β中小尺度系统在中层对α中尺度系统有动能输送,促进MCS形成。在MCS形成和发展阶段,各尺度位能向α中尺度和β中小尺度动能转化达到最大。在MCS减弱阶段,天气尺度系统和α中尺度系统在中高层对β中小尺度系统有一定的抑制作用,使β中小尺度系统发展减弱。此次过程中β中小尺度系统是降水的直接成因,动能变化的正值中心对应大的降水中心。     

一次中尺度对流低涡增强阶段的能量诊断分析

本文基于CFSR每日4个时次、水平分辨率为0.5°×0.5°全球预报场资料,美国NCEP中心每日4个时次、水平分辨率为1°×1°FNL全球再分析格点资料,以及华中地区国家基准站逐小时的加密降水资料,围绕2015年6月1日华中地区的一次中尺度对流低涡(mesoscale convective vortex,MCV)天气过程,通过WRF模拟和能量诊断的方法,重点研究了低涡增强期内的能量分布特征及其对低涡发展的影响机制。研究结果表明:此次MCV初生于湖北中部地区,低涡生成后向湖北东北部大别山地区移动且不断发展加强,MCV增强阶段的降水带分布由早期的三中心分布(分别位于宜昌、荆州、随州)演变为后期的纬向型雨带分布。降水产生的凝结潜热释放、对流有效位能的增强、低层暖湿气流的输送以及中层干冷空气的侵入等有利的环境场条件对低涡的增强起到了重要的推动作用。低涡的增强对能量演变有重要影响,具体表现为一方面MCV外围辐合气流随低涡发展而增强,引起对流层低层扰动动能的增加,另一方面MCV外围降水产生的凝结潜热,导致对流层中层扰动有效位能的增加,之后通过垂直气流作用使扰动有效位能向上输送,从而使对流层高层的扰动有效位能增加。另外,此次MCV增强阶段的能量制造项依次为:扰动有效位能向扰动动能的转换,不同高度层的基本气流黏性力作用效果,纬向平均有效位能向扰动有效位能的转换,以及来自系统外部扰动动能的输入。其中,扰动有效位能向扰动动能转换是对MCV发展增强的直接贡献项,对其空间分布特征进一步分析可知,在对流层低层和顶层,扰动有效位能向扰动动能转换,使辐合辐散气流增强;而在对流层中高层,扰动动能向扰动有效位能转换,为低涡发展成熟后的继续维持储备了必要的能量。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

夏季热带对流层上层超长波的维持机制

本文应用波数空间的动能与有效位能方程.采用ECMWF/WMO资料,讨论了1983年6月11日至8月13日64天热带对流层上层200百帕东风带纬向平均气流与超长波的动能和有效位能的维持机制。发现夏季热带东风气流是正压稳定的,波动向平均气流输送动能。2波在与其它波动发生非线性作用时是一个动能源。另外侧边界的气压力作功与非线性项的边界辐合作用对热带超长波的动能维持亦有重要贡献。     

华南飑线升尺度增长过程中的多尺度能量相互作用分析

采用WRF模式对华南飑线的升尺度增长过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为三个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化,以及三个尺度系统能量的相互转化。研究表明:动能的变化与飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应,β中小尺度对流的发展对应β中小尺度系统动能的变化,而在飑线升尺度增长过程中,α中尺度系统动能快速增长。在飑线发展过程中环境场通过位能向动能的转化使得β中小尺度对流快速发展加强,而β中尺度飑线的快速发展与合并加强导致了飑线的升尺度增长。在飑线的升尺度增长过程中,β中小尺度动能大量转化为α中尺度动能使得α中尺度飑线迅速增强,而环境场对飑线升尺度增长过程的直接影响较小。      

The Energy Budget of a Southwest Vortex With Heavy Rainfall over South China

Energy budgets were analyzed to study the development of an eastward propagating southwest vortex (SWV) associated with heavy rainfall over southern China(11-13 June 2008).The results show that kinetic energy(KE) generation and advection were the most important KE sources,while friction and sub-grid processes were the main KE sinks.There was downward conversion from divergent to rotational wind KE consistent with the downward stretching of SWVs.The Coriolis force was important for the formation and maintenance of the SWV.Convergence was also an important factor for maintenance,as was vertical motion during the mature stage of the SWV and the formation stage of a newly formed vortex(vortex B).The conversion from available potential energy(APE) to KE of divergent wind can lead to strong convection.Vertical motion influenced APE by dynamical and thermal processes which had opposite effects. The variation of APE was related to the heavy rainfall and convection;in this case,vertical motion with direct thermal circulation was the most important way in which APE was released,while latent heat release and vertical temperature advection were important for APE generation.     

Main Energy Paths and Energy Cascade Processes of the Two Types of Persistent Heavy Rainfall Events over the Yangtze River–Huaihe River Basin

Two types of persistent heavy rainfall events(PHREs) over the Yangtze River–Huaihe River Basin were determined in a recent statistical study: type A, whose precipitation is mainly located to the south of the Yangtze River; and type B, whose precipitation is mainly located to the north of the river. The present study investigated these two PHRE types using a newly derived set of energy equations to show the scale interaction and main energy paths contributing to the persistence of the precipitation. The main results were as follows. The available potential energy(APE) and kinetic energy(KE) associated with both PHRE types generally increased upward in the troposphere, with the energy of the type-A PHREs stronger than that of the type-B PHREs(except for in the middle troposphere). There were two main common and universal energy paths of the two PHRE types:(1) the baroclinic energy conversion from APE to KE was the dominant energy source for the evolution of large-scale background circulations; and(2) the downscaled energy cascade processes of KE and APE were vital for sustaining the eddy flow, which directly caused the PHREs. The significant differences between the two PHRE types mainly appeared in the lower troposphere, where the baroclinic energy conversion associated with the eddy flow in type-A PHREs was from KE to APE, which reduced the intensity of the precipitation-related eddy flow; whereas, the conversion in type-B PHREs was from APE to KE, which enhanced the eddy flow.     

一次闽南暖区暴雨的多尺度动力过程

作为气象研究中的一个难点问题,暖区暴雨的动力学一直为学界所关注。基于多尺度子空间变换(MWT)以及基于MWT的局地多尺度能量学分析和正则传输理论,对2018年5月7日的一次闽南暖区暴雨进行研究以了解其多尺度动力过程。首先将原始物理量场重建到三个尺度子空间:背景流子空间、天气尺度子空间和暴雨子空间。重构场上可以很好地看出背景环流尺度的高低空急流,以及暴雨尺度上的垂直环流。以往的研究普遍认为暖区暴雨的动力过程具有弱斜压性这一特征,而就此次事件而言,正压失稳和斜压失稳都起着很关键的作用,暴雨主要落区内既发生了正压失稳,也发生了斜压失稳。研究表明,对流层不同高度上的动力学存在差异,低层主要表现为正压失稳,天气尺度子空间与背景流子空间向暴雨子空间传输的动能相当; 中层主要是混合失稳,除正压失稳外,斜压正则传输也将有效位能从背景流子空间传输到了暴雨子空间,再通过浮力转换将有效位能转为动能,从而维持暴雨在中层的动力过程; 高层则与低层相似,但只存在背景流子空间向暴雨子空间的能量传输。      

引发强降水的一次东移高原云团的能量演变特征研究

利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料,根据时间尺度分解的局地能量诊断方法,本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时,下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团,得到了以下主要结论。本次事件中,高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前,其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响,随着云团移出高原,高原涡消亡,而高原短波槽则随时间发展加强,成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征,自西向东引发了一系列的降水,移出高原后,其对流重心显著降低,降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段）,背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量,这是此阶段扰动流动能维持的主要方式;云团移出高原过程中（第二阶段）,降水凝结潜热明显增强,由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下,扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源;云团移出高原后（第三阶段）,背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强,但是不同于第一阶段的直接影响方式,该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能,然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外,本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈）,但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。     

青藏高原东部暴雨的中尺度有效位能收支分析

针对2018年7月10-11日青藏高原东部一次暴雨过程,利用模式模拟资料分析了有效位能分布特征,成因及其对降水发展演变的影响.结果表明,有效位能主要分布在对流层低层4km以下和高层8-14km,高层有效位能和降水有更好的对应性西北冷平流和降水粒子下落的蒸发作用是低层有效位能高值中心的主要成因,而降水过程释放潜热带来的热力扰动叠加高原大地形造成的位温扰动是导致高层有效位能高值的主要原因.有效位能收支分析表明,有效位能的通量输送项以及与动能间的转换项是主要源汇项.低层有效位能的经向通量输送和动能向有效位能的转化补给了有效位能的耗散;高层有效位能向垂直动能转化增强垂直运动是促进降水发展演变的主要因素.高层有效位能与垂直运动之间的正反馈过程使得两者相关性较强;低层较长时间内均存在垂直动能向有效位能的转化,削弱了垂直运动,而西北冷平流使得低层有效位能有增强的趋势,因此二者相关性较弱.     

中高纬大气ISO对夏季鄂海阻高形成和维持的调节作用

运用1979—2015年的逐日NCEP-DOE再分析资料,探讨了夏季鄂霍次克海阻塞高压(简称“鄂海阻高”)与中高纬大气季节内振荡(简称“ISO”)之间的可能联系。研究发现,ISO扰动与夏季鄂海阻高在关键区(130°~160°E,60°~75°N)有最好的耦合关系,且关键区位势高度表现出显著的10~30 d的振荡周期。超前滞后合成分析表明,与鄂海阻高相联系的ISO扰动具有明显的向西传播的特征。波活动通量分析结果显示,波能量在中高纬140°W附近累积,因此西传的ISO扰动可能源自中高纬140°W附近。对位势倾向方程的诊断结果显示,动力作用对关键区位势高度的时间变化起主要作用。进一步运用尺度分析表明,在夏季鄂海阻高发生和维持的过程中,ISO经向风引导的平均涡度平流对位势高度的时间变化起主导作用。     

登陆台风的能量学分析

本文对一个登陆我国的台风以及它与西风带相互作用的过程进行了能量学分析。计算了动能平衡和有效位能。结果表明:(1)台风在登陆后的减弱过程中,与环境大气的动能交换较小,可以把这个台风看作是一个动能的“准封闭系统”。(2)在登陆台风减弱过程的不同阶段,热力和动力作用很不相同。刚登陆时,伴随着大暴雨,积云对流群是台风的重要动能源。对流层上部穿越等压线的运动是台风减弱的重要原因。其中以正压过程为主。台风与西风带系统相互作用后的动能平衡与温带气旋类似。斜压过程的动能产生率增加,摩擦在台风衰减过程中起重要作用。(3)在台风附近有大量的有效位能释放。通过台风系统的边界有大量位能注入环境大气。而在台风倒槽里新生的气旋,则从环境大气中得到位能。这种过程可能是台风与周围环境相互作用的一种主要方式。