螺旋度及螺旋度方程的讨论

文中从无摩擦的运动方程出发 ,利用量纲分析的方法 ,导出简化了的螺旋度方程和不同方向上的螺旋度方程 ,并对影响它们变化的各因子进行了讨论。分析结果表明 ,除了Lilly在 1986年研究中强调的浮力效应外 ,压力梯度与涡度共同作用项和力管项对螺旋度的变化也有重要影响 ,甚至比浮力效应更大 ,且力管作用、水平压力梯度与水平涡度共同作用主要影响水平螺旋度 ,浮力效应、垂直压力梯度与垂直涡度共同作用主要影响垂直螺旋度 ;螺旋度的输送和大气的辐散、辐合对螺旋度变化的影响较弱 ;地转偏向力 (无论是在水平方向还是垂直方向 )的作用要在系统水平尺度较大时才能体现出来。水平和垂直方向上的螺旋度既相互区别在暴雨、强对流天气过程中表现出不同的作用 ,又相互联系。一方面 ,水平螺旋度更具预示性 ,对预报强风暴有指示意义 ,而垂直螺旋度更倾向为能反映系统的维持状况和系统发展、天气现象的剧烈程度的一个参数。另一方面 ,大的正水平螺旋度有助于垂直螺旋度的增长 ,而与垂直螺旋度对应的运动可能对水平螺旋度产生影响。将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可能可以提高风暴路径和雨区的预报准确度。     

一次暴雨过程的螺旋度分布特征分析

使用1°×1°的NCEP资料,计算能够反映旋转上升强度的物理量——垂直螺旋度,对2005年6月25-26日河南出现的一次大暴雨过程进行了诊断分析,发现垂直螺旋度的空间分布特征与各层的低值系统有较好的对应关系,其强度变化既反映了天气影响系统的演变,又对应了降水强度的变化。因此,垂直螺旋度的空间分布特征可用于确定影响系统的位置和降水落区,垂直螺旋度的强度与降水的强度成正比。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP／NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28—30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋武环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28-30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋式环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

"98.7"特大暴雨低涡的螺旋度和动能诊断分析

“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员献,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。     

垂直螺旋度的拓展研究及应用

垂直螺旋度Hp由垂直速度和垂直涡度构成,反映涡度的垂直平流。通过尝试将Q矢量引入垂直螺旋度进行研究,即基于Q矢量散度和垂直涡度构造出一种新型垂直螺旋度HQ。HQ为Hp的拓展形式,二者差别主要在于计算HQ时无需求解垂直速度。同时,结合一次典型的江淮梅雨锋气旋暴雨过程研究,结果表明,HQ对降水落区及降水强度水平分布的不均匀性均具有较好的反映能力,且揭示出暴雨上空垂直涡度平流呈倾斜分布特征。进一步分析表明,对于垂直涡度而言,HQ三维空间分布特征与辐合的Q矢量散度有更多的相似性,这在一定程度上反映出HQ与Q矢量散度联系更为密切。     

2005年7月一次大暴雨过程的模拟和诊断分析

基于2005年7月9—10日河南、安徽等地一次大暴雨的巨大影响,利用中尺度模式（MM5）对此次过程进行了模拟,并使用NCEP/NCAR再分析资料和模式输出产品作了多种物理量诊断分析,结果表明,贝加尔湖附近阻高、下游的东北冷涡及其伴随的高空槽造成了有利的环流形势,低层切变线及急流是此次暴雨过程的最主要影响系统。散度、涡度、垂直速度、螺旋度及位温的分布和演变反映出在此次降水发生过程中,暴雨区出现了很强的辐合上升运动,中低层大气层结不稳定性强,上下层大气物质交换强烈,在暴雨区上空螺旋度呈＂下正上负＂的垂直结构,螺旋度正的大值区对应强降水中心;水汽通量散度的分布说明暴雨区有充足的水汽供应,而锋生条件为降水的形成和维持提供了一定的能量。     

河南省2011年8月1—2日暴雨过程水汽条件与垂直螺旋度分析

利用常规资料和NCEP再分析资料,对2011年8月1—2日河南省区域性暴雨过程的环流形势、水汽条件和垂直螺旋度进行了分析,结果发现：这次暴雨是一次较为典型的西南涡东北移影响河南所造成的暴雨过程,500hPa高原槽东移,副热带高压减退之后又增强,中低层西南涡沿切变线东北移出,河南处于涡前的西南低空急流出口区前方及前方左侧,具备了区域性暴雨产生的动力与水汽条件。在本次暴雨过程中,700hPa水汽通量变化对强降水落区有很好的指示作用：豫西南的暴雨区位于水汽通量大值中心附近和前端水汽通量等值线密集带内,豫中东部的暴雨区位于水汽通量大值中心北部水汽通量等值线密集带内、大值中心运动方向的左侧。水汽通量散度场上,850hPa水汽通量散度的变化与暴雨的开始时段和强度有很好的对应：水汽通量散度转为辐合、辐合层增厚为强降水开始的标志,辐合量突然增大标志着降水强度增大。700hPa垂直螺旋度的迅速增强与强降水发生时段有较好的对应,强降水产生在垂直螺旋度大值轴的东南侧。     

第二类热成风螺旋度对登陆台风降水的诊断能力分析台风泰利个例研究

文中利用中尺度数值模式MM5模拟了台风泰利的登陆过程,模拟的台风路径、天气形势和降水都与观测基本一致,能够很好地反映出真实的天气过程.再利用数值模拟结果,研究了第二类热成风螺旋度(H_2)对登陆台风泰利降水的诊断能力,结果表明它对深入内陆的台风强降水具有较好的诊断能力,而对刚登陆前后的台风降水诊断能力不如经典螺旋度.特别地,H_2在提前1 h时与泰利降水达到最高相关系数,且在提前1-5 h时,它与降水的相关性比经典螺旋度的高,表现出十分显著的预示降水增幅的能力.进一步分析表明,在刚登陆前后,泰利台风中心850-200 hPa的风场垂直切变较小(约5 m/s),其最强降水出现在路径右侧300 km半径范围以内,与低空的正温度平流、低空辐合、高空辐散等无明显的关系,而低空相对涡度能够很好地反映降水的变化,这是经典螺旋度与降水在这一阶段相关性优于H_2的主要原因.而在深入内陆后,台风泰利本体环流减弱,受北部西风槽的影响逐渐增强,环境风场垂直切变迅速增大,发生强降水的庐山和大别山区处于顺垂直风切变方向左侧.在东北向的垂直风切变情况下,庐山和大别山强降水区上空有向东的高空急流出流,强高空辐散诱发垂直次级环流,从而激发对流,形成强上升运动区,因此H_2的诊断优势在这一阶段表现得最清楚.     

0908号台风“莫拉克”诱发浙闽暴雨的螺旋度分析

利用气象常规资料和NCEP同化资料,对0908号台风“莫拉克”登陆浙闽诱发的暴雨过程进行螺旋度诊断分析。结果表明：925hPa螺旋度与浙闽暴雨中心强降水演变一致;中低层水平螺旋度由负转正时,浙闽降水急剧增加,减少时则降水趋于结束;垂直螺旋度正极值区与强降水中心对应,预报台风强降水落区,垂直螺旋度比水平螺旋度更具有优势;垂直方向上,用中低层垂直螺旋度“由极大值减小”来判别“莫托克”暴雨结束时间,比水平螺旋度有更多有效预报时效;若能结合水平和垂直螺旋度预报强降水,将有助于提高台风强降水预报准确率。     

Shearing Wind Helicity and Thermal Wind Helicity

Helicity is defined as H ： V ω, where V and ω are the velocity and vorticity vectors, respectively. Many works have pointed out that the larger the helicity is, the longer the life cycle of the weather system is. However, the direct relationship of the helicity to the evolution of the weather system is not quite clear. In this paper, the concept of helicity is generalized as shearing wind helicity （SWH）. Dynamically, it is found that the average SWH is directly related to the increase of the average cyclonic rotation of the weather system. Physically, it is also pointed out that the SWH, as a matter of fact, is the sum of the torsion terms and the divergence term in the vorticity equation. Thermal wind helicity （TWH）, as a derivative of SWH, is also discussed here because it links the temperature field and the vertical wind field. These two quantities may be effective for diagnosing a weather system. This paper applies these two quantities in cylindrical coordinates to study the development of Hurricane Andrew to validate their practical use. Through analyzing the hurricane, it is found that TWH can well describe the characteristics of the hurricane such as the strong convection and release of latent heat. SWH is not only a good quantity for diagnosing the weather system, but also an effective one for diagnosing the development of the hurricane.     

2008年河南黄淮地区暴雨过程个例分析

利用常规气象资料和NCEP资料对2008年7月22日河南黄淮地区的暴雨过程进行了分析.结果表明:这次过程是在500 hPa槽前西南气流引导下,高低空急流耦合区内西南涡沿切变线移出,弱冷空气侵入暖倒槽触发不稳定能量释放造成的.垂直螺旋度计算结果显示:中低层正垂直螺旋度中心与降水落区有很好的对应关系,大暴雨中心位于正垂直螺旋度中心附近.湿位涡演变分析发现,这次过程有"干侵入"发生,暴雨区中低层对流不稳定和对称不稳定共存,有利于降水增幅.水汽条件分析表明:这次过程的水汽源地在孟加拉湾和南海,主要是低层和近地层的水汽辐合.     

沙澧河流域两场大暴雨过程的对比分析

利用常规观测资料、自动站资料和NCEP1°×1°再分析资料对2007年7月5日和14日沙澧河流域两场大暴雨过程进行了诊断对比分析.结果表明:不同影响系统下产生的大暴雨过程其动力机制有所差异.垂直螺旋度计算结果显示:两次过程700hPa等压面上正垂直螺旋度中心的移向和强度变化与降水落区及趋势变化有很好的对应关系,暴雨区出现在正垂直螺旋度中心移动的前方,对流域大暴雨的落区有一定的指示意义.5日呈现中低层正、高层负的垂直螺旋度配置,动力条件更有利于大暴雨的发生.湿位涡演变分析发现,5日中低层既存在对流不稳定,又存在对称不稳定,有利于垂直对流和倾斜对流发生,造成流域大暴雨.14日中低层大气处于对流稳定状态,但边界层和中层存在对流不稳定,同时中层还存在较强的对称不稳定,垂直涡度得到较大增长,导致上升运动的加强和水汽的垂直输送,有利于降水增幅.     

2018年一次非典型梅雨锋暴雨过程诊断分析

利用常规地面气象观测资料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°网格点逐6 h再分析资料,对2018年6月20日浙江省一次暴雨过程的主要环流系统、等熵位涡、垂直螺旋度等进行了天气动力学诊断分析。结果表明：850 hPa低涡切变、对流层中层冷空气、200 hPa南亚高压、副热带高压是此次暴雨过程发生的主要影响系统;700 hPa上的正垂直螺旋度中心对暴雨的发生有良好的指示意义;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有较好的视踪作用,等熵位涡中心两侧气流辐合,有利于低压系统发展,高层等熵位涡与冷空气活动有较好的对应关系,等熵位涡大值区偏南侧的移动与强降水落区有较好的对应关系。     

2012年春季河南一次区域暴雨的诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°间隔6 h再分析资料,采用天气学诊断分析方法,对2012年4月23-24日河南省一次春季暴雨的形成机制进行分析,结果表明:高纬冷空气沿贝加尔湖低涡后部偏北气流南下,在河套西部形成深厚低槽,低槽携带冷空气东移,在河南境内与强盛的西南急流汇合,是本次暴雨过程的天气背景。冷空气的侵入有利于西南涡的加强,而南支槽前的正涡度平流促使西南低涡沿切变线向东北方向移出,使得切变线南侧西南低空急流加强,为暴雨的发生提供了有利的动力与水汽条件。短时强降水发生前,低层能量场出现明显辐合,当低层能量场转为辐散时,能量释放,有利于短时强降水的出现。高层辐散、低空辐合的动力条件配置,使得大范围垂直上升运动加强,特别是高层散度场的下伸,利于降水释放潜热,增加大气的不稳定,进而利于强降水的发生。850 h Pa垂直螺旋度中心大值区域能很好地反映切变线、急流等与低涡相联系的天气系统,其中心强度的迅速变化能较好地指示降水的落区和强度。     

Relation of the Second Type Thermal Helicity to Precipitation of Landfalling Typhoons: A Case Study of Typhoon Talim

This study utilized the MM5 mesoscale model to simulate the landfalling process of Typhoon Talim. The simulated typhoon track, weather patterns, and rainfall process are consistent with the observation. Using the simulation results, the relation of the second type thermal helicity (H ₂) to rainfall caused by the landfalling typhoon Talim was analyzed. The results show that H ₂ could well indicate the heavy inland rainfall but it did not perform as well as the helicity in predicting rainfall during the beginning stage of the typhoon landfall. In particular, H ₂ was highly correlated with rainfall of Talim at 1-h lead time. For 1–5-h lead time, it also had a higher correlation with rainfall than the helicity did, and thus showing a better potential in forecasting rainfall intensification. Further analyses have shown that when Talim was in the beginning stage of landfall, 1) the 850–200-hPa vertical wind shear around the Talim center was quite small (about 5 m s⁻¹); 2) the highest rainfall was to the right of the Talim track and in the area with a 300-km radius around the Talim center, exhibiting no obvious relation to low-level temperature advection, low-level air convergence, and upper-level divergence; 3) the low-level relative vorticity reflected the rainfall change quite well, which was the main reason why helicity had a better performance than H ₂ in this period. However, after Talim moved inland further, 1) it weakened gradually and was increasingly affected by the northern trough; 2) the vertical wind shear was enhanced as well; 3) the left side of the down vertical wind shear lay in the Lushan and Dabieshan mountain area, which could have contributed to triggering a secondary vertical circulation, helping to produce the heavy rainfall over there; hence, H ₂ showed a better capacity to reflect the rainfall change during this stage.     

风切变对中尺度对流系统强度和组织结构影响的数值试验

采用我国实际观测的探空作为中尺度模式Weather Research and Forecasting(WRF)的理想试验的背景场,分别改变整层、低层和中层的垂直风切变,研究其对中尺度对流系统强度和组织结构的影响。结果表明,改变整层垂直风切变对对流系统的强度和组织结构影响最显著,增加整层垂直风切变,对流强度增强且易组织成线状,减小整层垂直风切变,对流强度弱且呈分散状态。从垂直速度、水平风场、散度场和冷池的三维结构特征分析了其影响的机制:(1)风切变增加,上升气流与下沉气流的相互干扰减弱,有利于垂直速度的维持和增强;(2)垂直风切变增加造成水平涡度增加,扭转项的作用分别使上升和下沉运动得到加强;(3)垂直风切变增加,冷池强度和高度增加且集中在系统后部,使系统线状组织性增强。研究还发现,增加垂直风切变造成近地面大风和降水增强,且强降水出现在大风之后,这主要是因为在对流发展阶段上升运动与下沉运动互不干扰情况下,强下沉运动造成的近地面大风,而成熟阶段上升运动不断增强或维持造成雨水比湿不断增加形成强降水。     

基于Ｔ／２分数间隔的ＳＥＩ双模式盲均衡算法

采用NCEP/NCAR 1°×1°最后分析资料（final analysis,FNL）计算“圣帕”台风螺旋度,探讨各垂直层上水平螺旋度与强降水时间演变的关系、水平螺旋度与强降水落区的关系以及垂直螺旋度时间演变与强降水发生、发展的关系。结果表明,700 hPa螺旋度最能反映强降水时间演变,正螺旋度大值中心附近与暴雨落区一致,同区域内螺旋度中心值的强弱与该区域内降水的强弱关系密切;若垂直方向上高低层的螺旋度同时由负值转为正值,则强降水发生,反之降水减弱、停止;对于预报台风强降水时效,水平螺旋度远比垂直螺旋度、散度、垂直速度具有更多有效预报时间;对于预报台风强降水落区,垂直螺旋度比水平螺旋度更具有优势,若能利用垂直螺旋度对水平螺旋度预报强降水作出订正可能将有助于提高台风强降水预报准确率。     

局地分析和预报系统(LAPS)及其应用

通过2006年7月1～31日逐日08:00探空资料计算1000～100 hPa各层的热成风螺旋度,分析热成风螺旋度在各层等压面以及垂直剖面图上的分布与强对流灾害天气的关系.结果表明:强对流灾害性天气出现前,当地到邻近上游地区有正热成风螺旋度高值区(中心)存在,当高值中心数值很大、正值区垂直方向层次较厚时,出现的对流性灾害天气强度较大,出现站点数较多.热成风螺旋度正值中心出现在强对流灾害天气产生以前,且有6 h以上的提前量,因此可以用热成风螺旋度诊断强对流灾害天气,作为预报指标,建立预报概念模型,为强对流灾害天气预报提供依据.     

用热成风螺旋度诊断强对流灾害天气

对2006年7月中下旬由西太平洋地区生成,登陆我国,并对我国造成严重影响的强热带风暴"碧利斯"(0604号)和台风"格美"(0605号)的基本情况做了详细的总结,并基于武汉暴雨所AREM(Advanced Regional Eta Model)模式预报的700 hPa流场、900 hPa风场及降水量场,就模式对台风登陆时间、登陆地点、移动路径及其引发的附近最大风力和降水过程的预报情况做了分析.结果表明:"碧利斯"达强热带风暴强度,于7月14日12:50在福建霞浦登陆,后西行,造成位于21°N以北、28°N以南东西向的带状雨区,"格美"为台风强度,于7月25日15:50在福建晋江围头镇登陆,后西行,造成华东南地区近西南-东北走向的雨带,两台风给沿途及附近省份造成严重的气象灾害和人、财损失;AREM模式总体上对两台风附近最大风速,风雨带的基本位置、形态、走势、强度预报较好,对一些强降水中心的预报较为理想,但多数强中心的预报与实况存在位置和强度上的偏差;模式对于台风登陆时间和地点的预报较好,偏差较小,对于两台风西行走势的预报也基本符合实况,但也存在一定的预报位置偏差.