线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应II.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子, 剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因, 并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用。结果表明, 在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下, 高、低压中心位于热源北侧。结果还表明, 当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时, 低层气旋和反气旋中心位于地面上, 当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时, 低层气旋和反气旋中心抬升离开地面; 进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后, 反气旋中心继续抬升至中层, 证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献。指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制, 从而得到“潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上”的不切实际的解。     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应I.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一, 其简单明了, 解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年, 有研究 (Chen et al., 2001) 运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成, 在相似加热强迫下, 其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征, 以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响: (1) 当基本流为东风或为零时, 定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构, 波动振幅随东风的增大而减小; (2) 当基本流为西风时, 呈现向上的传播特征, 振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3 m/s), 此时, 波动振幅最强; 基本流的平流作用具有非对称性, 西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质: 加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流; 基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧, 并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时, 线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升, 而不出现在地面上, 与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中, 洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释; 另外, 静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要, 使热源的强迫作用放大。     

线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响

通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压“三角形偏心”结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其经向切变能改变气旋和反气旋中心的经向位置,使它移至0风速所在纬度附近;其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的“三角形偏心”结构。副热带高纬度的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬度的东风使其西移,形成东北—西南走向的“平行四边形”结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北—西南走向的“三角形偏心”结构。      

春季中国西南降水与青藏高原及周边非绝热加热之间的关系

基于气象观测资料和再分析资料,从西南地区降水年际变化规律入手,运用统计学方法从时空角度分析了与其相伴随的环流型和非绝热加热的关联。结果表明,当西南地区降水偏多时,东西向异常气旋、反气旋分别位于我国长江以南地区上空以及青藏高原西南侧上空对流层中、高层,西南地区对流层高层被异常偏北风控制,低层被异常偏南风控制,中层伴有较强的异常垂直上升运动,且与异常非绝热加热源区基本重合,而青藏高原西南侧上空对流层中层为异常的垂直下沉运动,且与异常非绝热加热汇区基本重合;反之亦然。在此基础上进一步运用气候动力学方法揭示了导致西南降水异常的可能物理过程：高原西南侧爬升流的异常垂直运动通过影响南支气流向下游的水汽输送异常,进而导致西南地区非绝热加热异常,最终实现对西南地区降水的调制作用。     

东亚沿海气旋生成的数值个例研究

本文用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)有限区域模式,对潜热释放和地面感热通量在一个东亚沿海气旋生成个例中的相对重要性,进行了研究。在包括所有物理过程的对照试验中,气旋的迅速发展同观测的结果类似。在无潜热反馈的试验中,当高空短波槽接近位于沿海的地面倒槽时,仅出现一个浅低区,但未出现进一步发展。这样我们可认为,这些物理过程的反馈促使斜压的强迫作用加强。在对照试验中,很好地模拟了大发展以前的一支越来越不平衡的副热带急流、一支非地转的低空急流和伴生的垂直逆环流,但在“干”试验(无潜热加热)中,它们未被模拟出来。潜热加热对加强急流环流和诸系统内的垂直耦合具有深刻影响。这看来促进了沿海迅速的气旋生成。感热加热对地面发展的影响约占18％。它有助于在沿海900百帕以下建立一个位温对比。当无感热加热时,模式潜热释放减少。无感热和潜热加热的试验结果表明,感热加热的影响部分地是通过湿过程而不是直接加热。     

感热加热和垂直风切变对温带CISK扰动的影响

第二类条件不稳定(CISK)是热带气旋发展的重要机制,Rasmussen(1979)在研究所谓极地低压时首先指出了温带CISK扰动的存在和性质。但对于温带扰动的发展,除了积云对流凝结的反馈外,下垫面的感热和对流层低层风的垂直切变有相当重要的作用。因此,感热加热和垂直风切变对温带CISK扰动的影响是一个有意义的研究课题。 将下垫面感热加热和对流层低层风的垂直切变分别引入温带CISK模式,其结果表明:下地面感热加热可以明显地加速温带CISK扰动的发展,这可能是一些温带小气旋急速发展(例如美国的炸弹气旋等)的原因之一;对流层低层的垂直风切变既可以加强也可以削弱温带CISK扰动,其影响依赖于垂直风切变的类型;下垫面感热加热和垂直风切变的共同作用则反映了复杂而有意义的性质。一般情况下,对流层低层垂直风切变对CISK扰动的发展有抑制作用。     

爆发性发展台风合成环境场的诊断分析

本文应用合成分析方法对5个台风的平缓演变阶段和爆发性发展阶段的环境场作了对比分析。结果表明，在台风爆发性发展时，副热带高压及其反气旋环流增强，台风东部低层风速加大，高空有东风扰动叠加，低空辐合和高层辐散增强，低层水汽能量辐合及台风外围对流性不稳定性增大，低空垂直环流发展。以上因子导致积云对流发展。在弱垂直切变环境下，通过第二类条件性不稳定(CISK)机制，使台风中心气压急剧下降，气旋性环流显著增强，从而导致台风的爆发性发展。这说明台风爆发性发展是大尺度环流和积云对流相互作用的结果。     

春季中国东部海域气旋急流在气旋发展中的作用研究

对2008—2014年中国东部海域春季海上发展气旋进行了统计与诊断分析。结果表明:1)这类气旋属于较浅薄的低值系统,垂直伸展高度多在600 h Pa以下,水平尺度多在1 500 km以内。伴随的强天气为大风、大浪与强降水,落区主要位于气旋东南部。2)气旋环流各层的大风急流区构成了气旋的东南部位,称为气旋急流。从高层到低层,气旋急流轴在垂直方向上呈逆时针旋转,形成气旋上大下小的漏斗形状。3)气旋急流左侧的气旋式切变有利于气旋中心强度的维持,上层气旋急流左侧对应下层气旋急流前部流速辐合区,有利于气旋式动力抽吸及在气旋东南部形成强的垂直上升运动区。各层气旋急流配置导致气旋的非对称结构,以及气旋要素的非对称分布。气旋急流向气旋中输入螺旋度以及充足的水汽,并在东南部强烈抬升,增强了凝结潜热释放,从热力和动力两方面促进气旋发展及强天气落区。4)春季下垫面温度分布(锋区)有利于气旋急流的增强,并通过西北部非绝热冷却和东南部非绝热加热,增强气旋斜压性。高空环境西风急流位于气旋右侧,形成了整层偏差风辐合,有效增强低层气旋急流。同时高空动量下传位于气旋西侧,首先增强气旋西北部的弱流部分(即气旋螺旋结构的下沉支),进而增强整个气旋的螺旋环流,促使气旋急流也从下层开始增强。     

环境流场对台风发生发展的影响

本文用简单的数学模式、基于CISK理论,从动力学角度分别讨论了在对流层低层气旋性切变基本气流作用下以及对流层上层切变基本气流作用下,台风低压增长率的改变。结果表明,对流层低层的气旋性切变基本气流可以使增长率明显增大,这从动力学角度解释了赤道西风或西南季风的加强以及适中强度的冷空气影响有利于台风生成和发展的天气事实。对流层上层反气旋性切变基本气流有利于台风发展,而对流层上层气旋性切变基本气流使台风削弱。但对流层上层环境流场的影响相对比较微弱。     

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向的影响

潜热释放的作用在温带气旋的研究中一直是研究的重点。江苏省气象台沈阳等以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700 hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。     

一次台风变性并入东北冷涡过程的动力诊断分析

台风北移变性并入东北冷涡是造成东北地区夏季大范围暴雨的主要形式之一, 但其中的热动力结构变化特征及其物理机制尚不清晰。本文利用美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料对一次台风变性并入东北冷涡过程进行动力诊断分析, 分析结果显示:冷涡冷空气的不断侵入以及台风移动形成的相对冷平流使得台风暖心结构消亡, 其低层低压辐合和高层高压辐散结构消失, 变性并入东北冷涡后气旋整层偏冷, 低层出现冷中心。台风变性并入东北冷涡过程中, 冷涡中心附近高空急流南侧的反气旋切变抑制气旋直接往高空发展, 而急流轴左侧的热动力分布特征有利于垂直涡度的发展, 变性后的气旋环流向冷涡的移近有利于急流轴维持倾斜, 从而促进气旋向高空冷涡倾斜发展。同时, 冷空气在气旋低层附近堆积导致等假相当位温线发生倾斜, 造成垂直涡度在气旋中层倾斜发展。台风变性并入东北冷涡后, 高空冷涡槽底的正垂直涡度平流促进气旋由中层直接向高层发展, 而高空冷涡槽底急流促进正垂直涡度平流的维持。气旋高空环流的发展反过来削弱了东北冷涡的高层环流, 导致高空冷涡中心出现北撤。     

热力适应、过流、频散和副高II.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气 动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

4～5月南亚高压在中南半岛上空建立过程特征及其可能机制

利用NCEP/NCAR再分析资料, 发现菲律宾群岛以东洋面上空反气旋在4月第5候分裂成位于中南半岛上空的西部中心和仍位于菲律宾以东洋面上空的东部中心两部分, 其中位于中南半岛上空的反气旋中心加强后形成南亚高压。中南半岛高空反气旋生成加强和菲律宾群岛以东洋面高空反气旋减弱消亡的同时发生是4~5月南亚高压在中南半岛上空建立过程的主要特征, 其主要促发因子是亚洲南部大气非绝热加热状态的改变。事实上, 随着对流沿亚澳 “大陆桥” 北移和中南半岛对流建立, 中南半岛上升运动加强, 高空辐散加剧, 西部中心在中南半岛南部生成, 南亚高压初步建立。随后, 菲律宾群岛以东洋面上热源突然东撤至150°E以东, 中南半岛热源成为主导, 在加热区东面对流层高层激发出气旋式环流, 造成西太平洋高压在120°E附近分裂。之后, 孟加拉湾[CD*2]中南半岛夏季风建立, 孟加拉湾[CD*2]中南半岛对流加强, 在深对流作用下, 中南半岛上空释放大量潜热, 上升运动进一步加强, 西部中心加强北抬。同时, 南海对流开始加强, 其释放的潜热加热会在加热区东部的对流层高层激发出正涡度变率, 令东部中心减弱消亡, 南亚高压在中南半岛上空完全建立。     

热带气旋碧丽斯(2000)发生的数值模拟:非对称流的发展及转换

采用NCAR/PSU研制的非静力双向嵌套的仔尺度模式MM5,模拟了热带气旋碧丽斯(2000)从热带弱低压发展为热带风暴及台风的过程.分析表明非对称流在低层发展并通过涡动通量项向对称流转换,使得热带弱低压快速发展达到热带风暴强度.进一步的分析表明:涡动通量项不仅依赖于非对称流的强度,还取决于非对称流型.当非对称流场为气旋式流入或反气旋式流出时,非对称动量向对称动量转换,非对称流减弱,轴对称流加强;反之,当非对称流场为反气旋式流入或气旋式流出时,动量由对称流向非对称流转换.     

南半球冷空气入侵与热带气旋的形成

文中采用NCAR/PSU研制的非静力中尺度模式MM 5 ,研究了南半球冷空气入侵在热带气旋形成中的作用。初始场为纬向平均场 ,不含任何扰动 ,但为热带气旋的发生提供了基本条件 ;通过改变设在赤道的南边界条件 ,设计系列数值试验反映南半球不同强度冷空气的入侵。数值试验结果表明 :南半球冷空气侵袭后 ,在菲律宾以东洋面上形成热带气旋 ;没有冷空气入侵时 ,只有扰动产生 ,没有热带气旋形成。在对流不稳定的背景场中 ,即使没有冷空气入侵 ,低层小尺度辐合引起强上升运动 ,产生的非绝热加热 ,在热带洋面上也能形成扰动。但是非绝热加热使得稳定度增加 ,没有低层强辐合的支持 ,对流不能持续 ,扰动不能发展成为热带气旋。南半球冷空气的入侵 ,一方面气温降低 ,使得中低层层结稳定度降低 ;另一方面 ,冷空气形成向北的气压梯度 ,在低纬度产生南风 ,导致低层强辐合。稳定度因子和低层辐合的共同作用 ,驱动深厚的垂直环流 ,产生十分显著的非绝热加热 ,形成了暖心的热带气旋。上述研究结果一定程度上肯定了存有疑义的冷空气学说     

台风“莫拉非”非对称环流与强度变化的关系

利用热带气旋定位资料和NCEP同化资料,通过动态合成方法分析0906号台风"莫拉非"的非对称环流特征,探讨非对称环流与"莫拉非"强度变化的联系。结果表明:"莫拉非"的环境风场水平切变以对流层低层经向风水平切变最显著,且超前于"莫拉非"的强度变化;热带气旋中心附近-6~6m.s-1的纬向风垂直切变密集带和北侧东风切变的南移,是"莫拉非"逐渐增强的有利条件;"莫拉非"中心附近存在高低层相对涡度垂直切变正值中心,其在热带气旋发展成台风时达到极大值。     

防城港一次暴雨诊断分析

利用常规观测资料、自动气象站资料、卫星云图资料等,对2014年8月19日防城港市暴雨过程的大尺度环流和物理条件等进行分析。结果表明:高层辐散、低层辐合和切变为此次暴雨产生的环流背景,暴雨区出现在东西两环副高,北侧华北槽的阻塞形势当中;高层反气旋性辐散,低层气旋性辐合和较强的垂直上升运动为暴雨产生提供有利的动力条件;西南急流为暴雨区提供热力和水汽条件;地形的抬升作用是暴雨加强的重要因子。另外,此次暴雨产生在高能区内和能量锋区前方。     

热带西太平洋潜热通量异常影响华南6月降水的模拟研究

通过统计分析和区域气候模式RegCM3的模拟试验,对热带西太平洋关键区潜热通量异常影响华南6月旱涝的机制进行研究。结果表明:（1） 华南6月的降水与热带西太平洋5月和6月的潜热通量都存在负相关关系,特别是与5月热带西太平洋关键区的潜热通量存在更为显著的滞后负相关。（2） 热带西太平洋关键区潜热通量异常是影响华南6月旱涝的重要因子,其概念模型是:5月和6月热带西太平洋潜热通量异常增高,在其西北侧对流层低层出现一个异常的气旋性环流,华南地区位于气旋性环流西侧,为东北风异常,不利于西南季风进入我国华南地区,水汽减少。同时,形成一个潜热通量异常区上升、而在华南地区下沉的垂直环流,华南降水减少,导致干旱发生。当5月和6月热带西太平洋潜热通量异常减少,在其北侧出现异常反气旋式环流,华南地区处于环流西侧,西南气流加强,有利于水汽输送。同时,出现一个热带西太平洋潜热通量区下沉、而华南地区上升的距平垂直环流,造成华南地区洪涝多雨。      

热力适应、过流、频散和副高Ⅱ．水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压中低空出现在低源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡强度迫源还通过能量散射，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。