北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

大理机场一次晴空大风天气诊断分析

利用常规气象资料、NCEP2.5°×2.5°资料和风廓线雷达资料,分析了2015年2月27日晴空大风天气过程。结果发现:大理机场上空位于高空西风急流轴附近,虽然高空冷平流较弱,但是动量下传是造成大风的主要因子。当高空至机场近地面均为下沉运动时,下沉气流携带高空的动量下传,造成大理机场出现大风天气。相反,当近地面至700 h Pa为上升运动时,上升气流会阻碍高空动量向下传递,机场大风结束。风廓线雷达资料分析也表明动量下传是27日大风的主要动力因子,当高空到地面均为下沉运动时,大于3 m/s的下沉速度到达的高度越低,大风的出现频率越高;同时300~2500 m风向随时间反气旋偏转能使高空动量持续向近地面传送,对大风的产生和维持起作用,相反300~2500 m风向随时间气旋性偏转,则对高空的动量下传起抑制作用。     

混合层的建立对一次强阵风天气过程的影响

利用NCEP再分析资料和常规地面观测资料,分析混合层的建立对2012年3月23日天津地区强阵风天气过程的影响机理。结果表明：强气压梯度和强变压梯度的共同动力作用是地面强阵风形成的背景条件。强阵风出现在午后气温较高、湿度较低且地面气压较低的时段。午后深厚混合层内的干热对流使高空急流北侧下沉气流将动量下传至对流层中层后向近地面层进一步有效下传,导致地面阵风增大。深厚混合层的建立也是地面强阵风形成的一个重要原因。WRF模拟结果表明,局地混合层强度差异使高空动量下传产生局地差异,这可能是天津各地区阵风强度存在空间差异的重要原因。     

2019年4月9日四川东北部一次飑线大风的成因分析

本文利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料、自动站观测资料等多种资料，对2019年4月9日发生在四川东北部的一次飑线大风天气进行了分析。结果表明：本次飑线大风天气过程为低层暖平流强迫类型，低层西南急流和暖脊使得热力不稳定增长，配合低槽东移影响，加强了大气层结的不稳定性，在地面辐合线的作用下，最终触发了本次飑线天气过程。飑线后部存在的中尺度雷暴高压和超强冷池，造成了强冷池密度流，利于产生大风；后向入流和低层显著干区加强了降水粒子的蒸发、冷却，形成了强烈的下沉气流；高空动量下传，对地面大风有增幅作用；飑线移动迅速，前向传播明显，有利于大风的产生。     

0601号登陆台风及暴雨减弱消亡过程中的动能收支分析

利用高分辨率（10km）数值模拟的结果,以登陆华南并引发特大暴雨的0601号台风为例,对台风中田尺度动能收支平衡进行了诊断分析。结果表明,中-β尺度系统动能收支水平项（水平通量散度项和水平产生项）很小,垂直项（垂直通量散度项和垂直产生项）是动能收支方程的主要部分;动能垂直通量散度在对流层低层是动能的汇,在对流层中高层为动能的源;动能垂直产生项在对流层各层都是动能的汇;浮力产生项在300hPa以下是动能的源,在对流层高层是动能的汇;平均动能的局地变化项,在对流层各层均小于零,暴雨期间对流层动能支大于收,且动能变化在对流层中低层最明显。就整个对流层的垂直总量而言,浮力产生项是主要的动能源,而垂直产生项是主要的动能汇。较强冷空气首先从对流层中层入侵台风环流系统,抑制动能制造和传输,是中田尺度对流系统不能维持、发展的主要原因,也是台风系统及其暴雨不能长久维持的关键。     

乌鲁木齐春季两类东南大风个例的对比分析

运用NCEP逐6 h再分析资料、乌鲁木齐自动站逐时常规观测资料、微波辐射计及边界层风廓线雷达资料,对比分析了发生在乌鲁木齐春季的两次接地型东南风和一次低空型东南大风过程。结果表明:无论是接地型还是低空型,峡谷两端南高北低的海平面气压场是必要的地面形势;地面蒙古冷高越强,东南风不一定越强,乌鲁木齐与达坂城的气压梯度也不一定越大;东南大风很大程度上受温度平流影响,水平方向乌鲁木齐与其以东或以南形成较大温度梯度、垂直方向乌鲁木齐上空对流层中下层暖气团越深厚、温度越高,越利于地面东南大风的发生;进一步分析发现地面乌鲁木齐东南大风较大时刻都伴随着高空的动量下传,一方面动量下传为地面风提供动量,另一方面向下输送的暖平流利于乌鲁木齐局地升温减压,确保乌鲁木齐与峡谷南端气压差和温度差的维持。     

森林冠层边界层湍流传输的观测和数值模拟

文中分析和模拟了森林冠层上下动量、热量和水汽传输的特征。结果表明：冠层对动量的吸收十分明显,非局地扩散通量在冠层上下的动量传输中起着很大的作用;白天在冠层下层结稳定,但冠层下观测的感热通量向上传输;夜晚冠层下层结不稳定,但冠层下观测的感热通量向下传输,白天和晚上都出现了热量的反梯度传输现象,从而证明在热量输送中,非局地扩散通量不可忽视。同时对冠层上下的水汽交换特征的分析表明：非局地扩散通量是冠层内水汽向冠层上传输的主要机制。     

一次西南气流中长生命史多单体风暴过程的演变特征及成因

利用常规天气探测资料、自动站资料、FY-2G云顶温度资料、多普勒天气雷达产品和闪电定位资料,对2017年4月8日造成江西省东北部强雷暴大风的长生命史多单体风暴过程进行了分析。结果表明:对流层中层干的西南气流叠加在低层西南暖湿气流之上和发展旺盛的地面倒槽,为江西东北部提供了较强的动力、热力不稳定环境。中低层风速矢端图表现为单一方向的风切变,强的垂直风切变集中在低层,有利于风暴的发生和维持。风暴移动和传播同向,呈前向传播特征。风暴前冷池与移动前方高温区之间的局地温度锋区与地面辐合线是风暴的触发条件和维持机制。雷暴下沉气流及地面辐散、高空动量下传和地面气压梯度风的共同作用,导致了地面大风。地闪活动演变超前地面大风1—2 h。     

非均匀对流边界层的地转强迫流动和动量输送

用大涡模拟方法研究地转强迫下的对流边界层流动和地表热力非均匀性影响.模拟重现了典型对流边界层的平均风廓线和动量通量垂直分布.地表热力非均匀性对区域平均风速和动量通量分布无明显影响,但边界层内的局地流动性状和湍流动量输送情况有系统性的改变.下风较热区近地面风速增强而高空流动受到阻塞,上风较冷区之上情况则正好相反.对应于平均流动场的畸变,地表较热区之上边界层大部可以出现动量向上输送的情况,较冷区成为大气动量下传的主要通道.地面应力在较热区增强、较冷区减弱的趋势明显.     

西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究

利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量（即u角动量）经向、垂直输送通量及其三个分量（平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量）的气候特征,特别是讨论了12～2月、6～8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:（1）包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。（2）发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季（夏季）的副热带西风急流主要由平均经圈环流（强度相当的定常波和瞬变涡）强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。（3）热带东风区是牵连角动量（即Ω角动量）的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。     

Downstream development of baroclinic waves in the midlatitude jet induced by extratropical transition: A case study

This study uses eddy kinetic energy analysis and a targeting method to investigate how an extratropical transition(ET)event induced downstream development(the modification of the midlatitude flow downstream of the ET system) in the midlatitude jet environment. The downstream development showed distinct characteristics of "coupling development" and being "boundary-trapped". Eddies(potential disturbances) first developed at the upper levels, and these triggered lower-level eddy development, with all eddies decaying away from the tropopause and the surface. Thereafter, a lower-level eddy caught up with the upper-level eddy ahead of it, and they coupled to form a cyclone extending through the whole troposphere. Vertical ageostrophic geopotential flux may be a crucial dynamic factor throughout the eddy's lower-level growth, boundary-trapping,and coupling development.Together with barotropic conversion, the ageostrophic geopotential fluxes that were transported from Hurricane Fabian(2003) to the midlatitudes by the outflow led to downstream ridge development in the upper-level jet. The strong downstream advection of eddy kinetic energy in the exit region of the jet streak triggered downstream trough development. The well-known ridge–trough couplet thus formed. The vertical ageostrophic fluxes that were transported downward from the developed upper-level systems converged near the surface and resulted in lower-level eddy growth. Baroclinic conversion was negligible near the boundaries, while it was the main source of eddy kinetic energy at mid-levels. In the upper-level jet, potential energy was converted to the mean kinetic energy of the jet, which in turn was converted to eddy kinetic energy through barotropic conversion.     

Near-Surface Vertical Flux Divergence in the Stable Boundary Layer

Flow in the stable boundary layer is examined at four contrasting sites with greater upwind surface roughness. The surface heterogeneity is disorganized and in some cases weak as commonly occurs. With low wind speeds, the vertical divergence (or convergence) of the momentum and heat fluxes can be large near the surface in what is normally assumed to be the surface layer where such divergence is neglected. For the two most heterogeneous sites, a shallow “new” boundary layer is captured by the tower observations, analogous to an internal boundary layer but more complex. Above the new boundary layer, the magnitudes of the downward fluxes of heat and momentum increase with height in a transition layer, reach a maximum, and then decrease with height in an overlying regional boundary layer. Similar structure is observed at the site with rolling terrain where the shallow new boundary layer at the surface is identified as cold-air drainage generated by the local slope above which the flow undergoes transition to an overlying regional flow. Significant flux divergence near the surface is generated even over an ice floe for low wind speeds and in a shallow Ekman layer that forms during the polar night. For higher wind speeds, the magnitude of the downward fluxes decreases gradually with height at all levels as in a traditional boundary layer.     

2016年北京地区一次雷暴大风的观测研究

利用常规气象观测资料、风廓线资料、北京观象台多普勒天气雷达产品、多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）的反演资料和地面自动气象站客观分析资料,对2016年7月27日北京地区出现的一次雷暴大风天气的环境条件特征、风暴结构特征及演变机制进行了分析。结果显示：本次雷暴大风天气过程出现在弱天气尺度强迫环境中,较好的热力不稳定增强机制促使线状对流发展为弓形回波,形成雷暴大风天气。探空曲线中低层接近于干绝热的环境温度直减率和下沉对流有效位能突增等现象,对预报大风天气有较好的指示意义。上游雷暴的冷池出流与山前偏南暖湿气流在北京西部形成了明显的风向辐合,在强烈的扰动温度梯度和地形抬升的共同作用下,位于地面辐合抬升最强处触发新生单体并迅速发展。新生单体与风暴主体合并下山过程中,由于地形作用抬升了冷池出流高度,与平原地区偏南暖湿气流形成显著的不稳定层结,产生显著的扰动温度梯度,触发不稳定能量使雷暴在下山过程中强度增强。多普勒雷达产品上也表现为强的反射率因子核,并出现回波悬垂和有界弱回波区等特征,速度产品上可看到一对明显的端点涡旋。在冷池不断加强和端点涡旋对后入气流不断加速的共同作用下,后侧入流气流加强成为后侧入流急流,在低仰角速度产品上表现为显著的大风区。后侧入流气流将环境中的干冷空气夹卷进入云体,通过蒸发作用产生负浮力,使冷空气加速下沉,加之降水粒子的拖曳作用,最终造成剧烈的地面大风。     

一次弱弓形飑线后方入流特征的观测分析

后方入流是中尺度对流系统内中尺度环流的一部分,表现为一支从风暴后部穿过层状回波区进入风暴系统的相对气流,对增强中尺度下沉气流和地面冷池具有重要作用。利用多普勒雷达探测资料、地面加密自动站和NCEP再分析资料,结合雷达径向剖面内反演的系统相对水平速度,对2012年5月16日江苏省一次弱弓形飑线的后方入流演变特征进行了分析。结果表明,此次飑线是在东北冷涡影响下,受高、低空温度平流差动、低空急流和低层温度暖脊的共同作用生成。飑线发展阶段,后方入流最早出现在对流层中层的层状回波区中,并向前伸展到对流回波区后缘;成熟阶段,后方入流逐渐下沉并与对流区前低层辐散外流合并,形成一条从飑线后部中层延伸到对流区前缘的持续性后方入流通道;消散阶段,后方入流中心下沉到地面附近,与冷池外流共同增强,与其前侧西南入流的局地辐合,可能是触发对流单体后向新生并促使双带状回波出现的有利条件。后方入流把中层干冷空气持续输送到对流区中下方,通过加剧降水粒子的蒸发冷却作用,增强地面冷池及其出流,导致成熟阶段地面大风生成,这与以往的研究结论一致。受后方入流中心下沉到地面以及新生带状回波系统的影响,地面冷池持续增强,可能是消散阶段地面大风形成的原因。此外,后方入流与飑前地面中尺度辐合线具有很好的对应关系。      

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。     

Analysis of the coupling between the stratospheric meridional wind and the surface level zonal wind during 1979–93 Northern Hemisphere extratropical winters

The coupling between the stratosphere and the troposphere has been investigated by analysing low-frequency variations in: (1) the meridional mass flux into the polar cap (north of 60°N), computed separately for the stratosphere and the troposphere; (2) the polar cap mean surface pressure, and (3) the surface level meridional pressure gradient and zonal wind around 60°N. The analysis has been done for the 1979–93 Northern Hemisphere (NH) winters, using ECMWF reanalysis data. The results show that for all winters the meridional mass flux variations in the stratosphere precede those in the troposphere, by about one day. This result can also be obtained qualitatively with a very simple model, based on the zonally averaged zonal and meridional momentum equations. The lag is not very sensitive to the latitude of the southern boundary of the polar cap. The analysed variations in the polar cap mean surface pressure associated with variations in the meridional mass flux, determine most of the variability in the analysed meridional surface pressure gradient and the associated surface zonal wind around 60°N. The results also show that in the stratosphere the Coriolis force associated with the zonal-mean meridional wind is in near-balance with the convergence of the eddy momentum flux, and in the lower troposphere with the zonal frictional force. In summary, the results indicate that in the extratropical northern winter hemisphere, low-frequency variations in the meridional wind in the stratosphere induce low-frequency variations in the zonal wind near the surface.     

川藏高原一次混合型强对流天气的观测特征

利用中国气象局地面自动气象站、探空、天气雷达等观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析2016年9月8日川藏高原一次强对流天气过程。结果表明:该过程多站出现8级雷暴大风、10 mm以上小时强降水且伴有最大直径为18 mm的冰雹,是川藏高原一次混合型强对流过程。对流系统发生在500 hPa弱冷平流和低层切变线影响下,中低层深厚湿层、环境中等强度对流有效位能和垂直风切变为超级单体的形成和维持提供有利条件。初始北侧多单体和南侧弱对流在地面辐合线上生成,向东南移入适宜环境后,北侧多单体发展成线状对流系统,与南侧单体合并且促使其迅速发展成超级单体。成熟超级单体低层具有清晰的前侧入流缺口、钩状回波和中气旋特征。强回波区随高度前倾,呈显著的上冲云顶突起、回波悬垂和有界弱回波区。风暴内中层径向辐合、上升气流减弱和反射率因子核心快速下降预示下击暴流的产生。中层干空气的夹卷和水凝物快速下落的拖曳作用加强下沉气流,结合峡谷地形的狭管效应,引起地面大风。     

一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究

2006年7月3日傍晚到4日凌晨,苏北到黄海的一个中尺度对流复合体(MCC)产生了系列龙卷、直线型对流大风和强降水,利用常规高空地面观测、区域自动气象站、卫星云图以及多普勒天气雷达资料,详细分析此次中尺度对流复合体的结构和产生的天气背景。主要结论如下:(1)该中尺度对流复合体高层为对应分离背景场的强辐散,中层在副热带高压西北侧和500 hPa东移的短波槽前,地面位于锋面气旋暖区内;该中尺度对流复合体发生在中等到强的对流有效位能、强的深层(0—6 km)和低层(0—1 km)风垂直切变环境下;(2)该中尺度对流复合体主要垂直环流特征为:近地层东南气流和其上的中低层西南暖湿气流从对流复合体南部流入到复合体中心,复合体后部对流层中低层和中层为较干冷的西北气流夹卷进入中尺度对流复合体,导致降水蒸发冷却形成强烈下沉气流,产生带有西北风动量的下沉气流,到地面形成β中尺度冷池,冷池与周边暖湿气流的交界处为β中尺度阵风锋,同时中尺度对流复合体位于对流层低层到地面部分形成深厚冷池导致的雷暴高压,阵风锋前部有β中尺度暖低压;中尺度对流复合体中高层由于水汽凝结潜热释放加热形成暖心结构,位于对流层中层的主要特征为β中尺度气旋性涡旋对应的中尺度低压,对流层高层存在β中尺度辐散反气旋环流;(3)多普勒天气雷达探测揭示该中尺度对流复合体成熟阶段主要呈现为线性结构,主要构成是一条尺度在150—200 km的活跃弓形飑线,还有数条较弱的呈气旋性弯曲的对流雨带,雨带旋入共同的涡旋中心,该涡旋中心与地面锋面气旋的中心相对应(重合),同时也是相应中尺度对流复合体的β中尺度气旋的中心,直径为40—60 km;(4)在上述活跃弓形飑线的前侧出现多个中尺度涡旋,4个EF2级龙卷和3个EF1级龙卷都发生在这些中尺度涡旋内,导致龙卷的中尺度涡旋水平尺度为4—5 km,旋转速度接近超级单体的强中气旋旋转速度,垂直伸展比超级单体中气旋浅薄,形成机制也与超级单体中气旋有明显差异;(5)该中尺度对流复合体成熟阶段的云系尺度为1000 km,其中低于220 K (-52℃)冷云盖的尺度在400 km左右,其内部结构的主要构成是一条150—200 km长的活跃弓形飑线,地面β中尺度冷池和阵风锋,沿着弓形飑线前侧出现多个尺度为4—5 km的中尺度涡旋,其中部分中尺度涡旋导致尺度只有几十至几百米的EF1和EF2级龙卷,呈现出明显的多尺度结构特征。