一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断——Ⅱ:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断 II:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

一次梅雨暴雨的动能谱特征分析及收支诊断

利用WRF模式和NCEP再分析资料,对一次梅雨暴雨个例进行了数值模拟,基于高分辨率的模拟结果计算了水平动能谱、涡旋动能谱及辐散动能谱,诊断了动能收支谱方程。结果表明:在暴雨发展阶段,各个高度上都有中尺度动能增长,其显著增加始于中尺度低端,这导致了在中尺度波段出现谱转折特征,但在不同高度转折尺度不同;对流层高层涡旋动能大于辐散动能,平流层低层反之;不同降水阶段、不同高度和不同尺度上动能的来源不同,对流层高层,中尺度动能倾向由非线性项和气压项贡献;平流层低层,气压项的作用更为明显。     

8014号热带气旋发生发展过程的能量学诊断研究

利用动能和总位能收支方程，对８０１４号强热带风暴过程进行了能量学诊断研究。结果表明，地转作用是该热带气旋中辐散风动能向旋转风动能转换的主要物理机制；非绝热加热是热带气旋发展的主要能源，其对总位能的制造大部分用于次网格耗散和侧边界输出，只有一小部分被转化为辐散风动能；两个转换函数Ｃ（Ｐ，Ｋｘ）和Ｃ（Ｋｘ，Ｋφ）在时空分布上具有很好的一致性；该热带气旋与周围环境场有明显的能量交换，在高层有总位能和旋转风动能输出，在低层有辐散风动能输入；在总动能收支中，辐散风作功是主要的功能产生项，旋转风作功主要是消耗动能。     

一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析

利用MM5模式对2003年7月4—5日一次江淮梅雨暴雨过程进行了数值模拟。分析表明：暴雨与江淮地区对流层中低层中尺度低涡的发生发展有密切关系。中尺度低涡与中尺度雨团相伴移动，低涡强度与雨强的演变近于一致；低涡中心的强上升运动及低层辐合、高层辐散的配置有利于中尺度对流系统的发生发展；低涡低层有不稳定能量的积聚。应用螺旋度理论分析指出，较大的螺旋度是对流层中低层低涡发生和发展的一种有利机制。     

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。     

麦莎台风登陆后能量过程与水汽供应的诊断研究

对0509号台风"麦莎(Matsa)"登陆后长时间维持并轻度加强的过程进行了诊断研究,此过程涉及到多种因素.位涡分析表明,当中纬度西风槽东移,该槽底部分裂出的一个较小的正位涡中心与"麦莎"合并使"麦莎"的涡旋动能增强,而在9日之后"麦莎"与槽主体合并的阶段,槽区主要的正位涡中心与"麦莎"融合.动能收支分析发现,"麦莎"登陆北移过程中,高层的无辐散风穿越等高线将位能转换为动能这一过程较"麦莎"的整体加强为早,而辐散风是低层动能的主要来源.中低层天气尺度系统为积云对流的发展提供动能,而积云对流释放潜热又为高层动能的维持提供了帮助.将"麦莎"与北美"Agnes"飓风比较后发现,"麦莎"加强程度比"Agnes"较弱的原因之一,是高层的无辐散风把台风环流内的动能向环境输出,而"Agnes"飓风则是环境区有大量动能向台风环流区输送.分析水汽来源可知,在"麦莎"登陆期间及其后副热带和热带的两条水汽通道同时或分别为"麦莎"的积云对流提供了足够的水汽供应.     

2003年淮河汛期一次中尺度强暴雨过程的诊断分析和数值模拟研究

2003年7月4—5日淮河流域发生了一次中尺度强暴雨过程,致使淮河洪水泛滥。这次暴雨过程由中尺度对流系统(MCS)以及因其发展而产生的低涡造成。通过对此次过程的诊断分析和新一代细网格WRF中尺度预报模式的数值模拟,研究了这次过程发生发展的机制。模拟结果较好地描述了本次暴雨及中尺度系统发生、发展的时空演变过程。分析结果表明:此次移动性暴雨过程的前期由不断向东移动发展的MCS造成,后期降水则由低涡切变线产生的中尺度低涡引起。同时,副热带高压明显偏西偏北,并维持较长时间,造成雨带一直维持在淮河流域。高层辐合中心的加强使低空急流不断增强,低空急流的增强进而引起低层辐合的加强,而低层辐合的加强以及上升运动的潜热释放导致低涡的发生,低涡形成及形成后移动缓慢,造成了淮河流域的大暴雨。高层中尺度辐散区的抽吸对低层中尺度涡旋的发生发展起到了促进和加强的作用。低层的中尺度辐合场和高层的中尺度辐散场的发展与耦合对中尺度系统的发展有很好的预示作用。低层中尺度辐合区的减弱预示着系统的衰减,西南偏西的中层相对干冷空气侵入并在梅雨锋前缘下沉促进了系统的衰减。     

2006年超强台风“桑美”强度突变的动能特征分析

应用NCEP/NCAR再分析资料,对2006年超强台风“桑美”（Saomai）强度突变过程的动能特征进行分析,结果表明：“桑美”突然增强时刻其低层总动能和旋转风动能突然增加,辐散风动能也有所增加,总动能的增加主要是由旋转风动能增加所引起的;其高层总动能和旋转风动能突然减小,而辐散风动能突然增加,高层动能下传是导致“桑美”突然增强的重要原因;“桑美”突然增强时刻高层辐散风动能向旋转风动能的转换达到最大,低层辐散风与旋转风相互作用动能项达到最大;“桑美”突然减弱时刻的高低层能量变化趋势与突然增强时刻相反,并存在着低层动能的上传;“桑美”强度突变时对总动能（K）、旋转风动能（KR）、辐散风动能（KD）变化的响应时间为6～18 h。     

湿急流的结构及形成过程

利用比较稠密的无线电探空和气球测风观测网,通过对华北夏季一次暴雨过程的三维流场和湿度场的分析,揭示了湿急流的结构和形成过程。湿急流是指低层空气在湿不稳定大气的上升过程中,不断加速形成一支斜穿整个对流层的自下而上的急流。在湿急流附近,凝结饱和区的分布和发展过程,似乎表明水汽在急流形成过程中起了一种主动作用。湿急流在对流层顶附近和副热带急流合併,并使副热带急流的动能增加。这似乎启示,湿斜压过程可能是大气环流中的基本过程之一。     

对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析

通过对９６０８号台风低压及其外围暴雨位和等熵面上物理量场的分析,揭示了台风低压北上诱发暴雨过程的位涡场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用,给出此次暴雨增幅过程的图像。分析表明：对流层低层中高纬度冷空气（高位涡）扩散南下在台风低压环流区附近的“侵入”作用是此次特大暴雨过程的最重要的原因之一;等熵面位涡的分析进一步说明了中高纬地区冷空气的活动状况;对流层高层或平流层低层位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放     

2019年4月广州白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA5再分析资料和广州白云机场自动观测系统降水资料,分析2019年4月白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层的信号特征。分析发现,2019年4月中下旬,广州白云机场出现了3次持续时间长、降水量大的持续性暴雨过程,降水较往年同期显著偏多。研究结果表明,3次持续暴雨发生前,对流层顶高度出现了下降,平流层高位涡冷空气入侵,机场上空位涡升高;在环流场中,中低纬地区对流层顶和平流层东风偏强,向北和向下传播,广州白云机场终端区在暴雨发生前西风持续下传;广州白云机场上空暴雨发生前对流层顶至平流层位势高度正异常。暴雨发生前,平流层冷空气高位涡移入、对流层顶下降、西风的下传均有利于持续性暴雨的生成。     

一次东北冷涡过程的数值模拟与降水分析

本文利用WRF模式对2007年7月8日至12日的东北冷涡过程进行模拟。通过分析天气尺度背景场可知, 在对流层中高层出现干侵入过程, 干空气主要来源于我国内蒙古西部和东北冷涡的西北部, 随着东北冷涡一起呈涡旋状运动, 在对流层中层的干侵入更加明显; 东北冷涡的东部为水汽通量辐合区, 说明此处水汽丰沛, 该处的暖湿空气与干冷空气相汇, 有利于降水的生成。通过分析中尺度对流系统的地面和对流层中下层的风场结构可知, 中尺度对流系统易发生在东北冷涡东南侧和东北侧的气旋性曲率最大处, 此处的对流层低层易形成强辐合区, 而风场的水平辐合运动激发出垂直上升运动, 在对流不稳定区配合着强上升运动, 有利于对流系统发展而产生降水, 因此在低压系统东南侧及东北侧的 “气旋曲度” 区易形成降水。从对流涡度矢量的垂直分量可知, 在东北冷涡中的东南侧和东北侧, 对流涡度矢量的垂直分量对于中尺度系统的发生位置和降水区域有很好的指示作用。     

冷暖空气入侵对西南低涡发生发展影响研究

本文采用WRF模式模拟了2008年7月20~22日四川省一次由西南涡活动引发的大暴雨过程,并分析了对流层中层至中低层冷/暖空气入侵在西南涡发生发展过程中的作用,研究结果表明:冷/暖空气从北部入侵会改变对流层中、低层流场,当降低模式北边界温度,增强西北气流南下,致使四川省上空没有形成西南涡,取而代之为一深槽,同时雨区内上升运动减弱、低层辐合减弱,对流层中层温度增加、比湿略减小,雨区集中在深槽附近,雨区范围和强度都显著减弱且小于控制试验。增加模式北部温度引起北部东北气流向南输送,低值系统南移,增温促进了周围空气向降水中心辐合,增强了中低层大气的辐合上升运动,对流层中、中高层增温,雨带南压,雨区强度显著增强且大于控制试验。降低或增加模式西边界温度对流场、低涡强度和位置影响相对较小,降温使得低涡位置偏北、对流层风速增强与减弱区交替分布;增温使得低涡偏东、对流层中层至中低层风速减弱高层风速增强,二者对降水落区影响亦较小,对大暴雨中心强度有不同程度影响。      

2008-2011年湖北省暖干类暴雨特征分析

选取2008-2011年湖北省7个暖干类暴雨个例,利用GFS 0.5°×0.5°再分析资料进行合成分析。结果表明：湖北省暖干类暴雨过程中,正涡度平流不是大范围出现,而是以正涡度平流核的形式出现并随着风场流转,使暴雨区各层涡度平流的配置快速发生变化,容易引起上升运动的突然加强;暖平流从中高层扩展至整层,强暖平流中心出现在临近暴雨发生时的边界层,热力强迫导致低层强辐合,950 hPa上下强暖平流中心与暴雨点位置较一致,对暖干类暴雨的预报有较好的指示意义;中层干空气和低层暖湿空气的侵入是暴雨区对流不稳定增长的主要影响因子,均与副热带高压的西伸发展有关。     

等熵位涡在一次淮河流域大暴雨分析中的应用

利用NCEP/NCAR 1°×1°逐日再分析资料、常规气象观测资料,通过等熵位涡理论对淮河流域2009年9月24—25日的大暴雨过程进行分析。结果表明:淮河流域对流层低层的中尺度低涡的发生发展与此次暴雨密切相关;315 K等熵位涡高值中心的移动和强度变化很好地反映出中尺度低涡系统的发展变化情况,其移动方向与雨带走向一致,降水落区主要位于等熵位涡高值中心轴线移动方向右侧的强西南气流处,对应于345 K等熵面上干冷空气移动方向前部的暖湿区内;在暴雨发展强盛时期,淮河流域暴雨区上空从对流层高层至低层均存在明显的正等熵位涡平流,干冷空气的侵入使得低涡加强发展,辐合上升运动增强,有利于暴雨的增幅,这是引发此次暴雨过程重要的触发机制。     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是:暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1<0同时MPV2≧0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是:在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。      

华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。