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.     

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。     

一次MCC转MCV过程中动热力结构特征演变的诊断

为深入了解青藏高原上中尺度对流复合体(MCC)及其向中尺度对流涡旋(MCV)转化过程中的动热力结构特征演变和发展机理,利用NCEP FNL再分析资料、FY-2E及TRMM卫星资料,对2013年7月22—23日青藏高原上的一次MCC转化MCV的过程进行数值模拟,对其发生的环境背景,以及过程中的涡度、温度和能量收支演变等进行诊断。结果表明:低层水平涡度向垂直涡度的转换,以及垂直方向上正涡度的输送,形成了垂直方向上有利于对流涡旋发展的正反气旋性环流配置。转化过程中大气中上部温度正异常主要来自于可分辨的凝结,温度升高使得高层等压面抬升;下方冷却异常主要来自于蒸发作用和垂直运动,低层温度降低引起等压面收缩下降,这样的配置有利于涡旋发展、对流上升运动加强以及降水发生。对流活动释放的潜热能是转化过程中的主要能量来源,高空急流入口区直接热力环流引发的有效位能向动能转化,也为MCC向MCV转化提供了能量。     

一次东北冷涡发展过程中的能量学研究

对一次典型的东北冷涡过程做了能量学分析。结果表明,东北冷涡活动具有鲜明的阶段性能量学特征。东北冷涡发展之前,各种能量之间的转换很小,边界通量也处于正负相间的振荡状态。早期发展阶段,扰动动能边界通量作用是至关重要的。随着非绝热加热制造扰动有效位能和扰动有效位能向扰动动能转换的大幅度增长,以及外界扰动动能的大量输送和纬向平均动能向扰动动能转换的明显加强,导致了东北冷涡的强烈发展,即这一时期区域内部的能量过程也同样十分重要。东北冷涡的减弱是从有大量扰动动能转换成纬向平均动能开始的,随后加上扰动有效位能向扰动动能转换以及边界通量作用的减弱,使得冷涡逐渐衰亡。     

山东初冬一次极端降水和大风天气成因分析

利用常规地面、高空观测、雷达及ERA5再分析等资料，对山东初冬一次极端降水、大风天气成因分析，结果表明：低槽东移发展，冷空气南压，低空切变线配合东北、西北地区地面高压坝形成的“阻挡”形势利于极端降水的产生。本次水汽条件具有较强的极端性，水汽通量辐合远强于气候平均态，925 hPa和700 hPa水汽通量辐合大值区分别与雨、雪区域配合较好。降雨时垂直上升运动中心在边界层，升至600 hPa时转为降雪，降雨时低层辐合、高层辐散，降雪时由低到高呈辐散-辐合-辐散分布。冷锋过境条件对称不稳定触发产生对流，随后在冷锋后侧逆温层上由锋生过程的上升支环流强迫产生高架对流。强冷空气扰动从内蒙古高原下滑至华北平原，与近地面冷平流汇合增强，产生较强变压风，同时促进了势能向动能转换和动量下传。地形强迫造成下沉运动增强，华北地区低层形成锋面次级环流，环流前部锋区暖界面为地转偏差辐合，冷界面为地转偏差辐散。环流内有水平动能和地转偏差大值区，偏北气流和下沉运动使水平动能向南、向下输送，导致地面极端大风。     

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、...     

两次夏季暴雨期间高低空急流相互作用的诊断分析

利用ERA-Interim数据,计算扰动能量方程,分析了2012年7月21日北京暴雨和2010年7月12日江苏暴雨期间高低空急流相互作用的能量特性。结果表明,与高层急流有关的扰动动能的产生主要由斜压过程和非地转风位势通量散度决定,而低空急流的扰动动能主要由后者决定。当中低空对流层扰动位势为负时,高层急流引起的次级环流的下支通过非地转位势通量矢量将高层的扰动动能输送到低空急流附近,使低空急流增强。上述两次暴雨过程中,能量通过直接(间接)环流自高层向低层的输送方式存在明显不同。     

一次中亚低涡中期过程的能量学特征

中亚低涡是中期时间尺度（4天以上）的对流层深厚切断低压系统,也是造成新疆暴雨（雪）、持续低温天气的重要影响系统之一,对其形成、维持和减弱的能量特征还不十分清楚。利用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）2.5°×2.5°逐日再分析资料和有限区域能量循环方程,对1996年7月10—20日造成新疆区域两次暴雨过程的中亚低涡系统进行分析,以揭示低涡持续活动11天的能量循环和转换特征。分析结果表明,中亚低涡活动具有明显的阶段性能量学特征。这次低涡发展和减弱过程处于斜压不稳定状态,扰动动能来源于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展,同时区域内部非绝热加热制造的一部分扰动有效位能向外输出,在减弱期扰动有效位能向外输出大于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,因此低涡逐渐减弱。低涡成熟期处于正压不稳定状态,系统内部的能量转换很小,扰动动能来自于外界扰动位能输入,支出项为向开放边界的扰动动能输出。低涡过程各个时期纬向平均动能向扰动动能的转换都很小,即正压不稳定造成的能量转换较弱。低涡活动过程中,在对流层中、高层扰动动能很强,表明中亚低涡是主要在对流层中、高层活动的天气尺度系统,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送主要发生在中、高层,扰动位能和扰动动能的变化很好地反映低涡的强度变化和发展阶段,且能量的垂直输送对低涡系统的发展也有一定促进作用。     

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。     

一次东风波大暴雨过程诊断分析

利用美国环境预报中心0.5°气候预报系统再分析资料,研究了1988年“7·30”浙东大暴雨过程,发现低空南、北两支东风扰动的合并及其与高空急流的相互作用是暴雨产生的主要原因.高空冷涡与华北高压共同强迫,形成了东南向的高空急流;急流具有明显的动量下传特征,加大了对流层中层的东风分量,构成深厚的东风波系统.“7·30”过程的对流有效位能主要是海上气团的平流输送.低压倒槽的切变辐合积聚了大气的水汽含量,形成深厚的高相当位温层.对流层高层存在冷平流,使得东风波西移过程中对流有效位能能够持续稳定.风暴相对螺旋度与东风波系统匹配较好,能够清楚反映南、北两支东风扰动的合并过程.风暴相对螺旋度移动速度略快于东风波系统和垂直涡度,能够提前预报东风波降水的落区.     

亚洲东西季风区之间的能量交换及其周期振荡

本文应用1982年8—9月的气象资料,分析计算了亚洲东部的南海季风区和华北季风区与其西部的印度季风区和高原季风区之间的能量交换及其周期振荡。高原季风区向华北季风区输送各种能量,南海季风区向印度季风区输送感热能、位能和动能,主要是从高层输送的。值得注意的是印度季风区向南海季风区净输送潜热能,主要是由低层西南季风输送的,虽然其数量相对地较小,但对于季风降水却是重要因素。南部季风区能量通量的主要振荡周期较北部季风区长,前者为准双周和准四周,后者为准双周和准三周。高层的振荡周期长于低层,准单周振荡主要出现在低层。同一主要振荡周期,高、低层的初始位相有差异,这种位相差可能是造成强对流天气周期性出现的重要原因。     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

纬向平均有效位能和平均动能变化的机制

当非绝热经向不均匀加热作用制造平均有效位能多,而平均有效位能向扰动有效位能输送少时,平均有效位能就增加,反之就减少,这是平均有效位能变化的指数循环振动的主要机制。平均有效位能变化的短期振动主要决定于平均有效位能与扰动有效位能的相互作用。 平均动能变化的振动的主要机制是平均动能与扰动动能的相互作用。     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

频散效应对Rossby波动量和热量输送的影响

本文分析了扰动的频散效应对Ｒｏｓｓｂｙ波动量和热量输送的影响，分析指出：（１）频散效应是大气大尺度运动中扰动动能向平均动能转换（即能量逆转）的根本原因，也是扰动有效位能转化为扰动动能所必不可少的。（２）正压大气大尺度运动扰动动能转化为平均动能的充分条件为基本气流水平切变的特征宽度Ｌ（１）小于临界宽度Ｌｃ≡｜γ     

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。     

海南岛"0810"特大暴雨物理量诊断及多普勒特征分析

应用常规观测、海口多普勒回波及NCEP1×1°再分析等资料,对2008年10月12～15日海南特大暴雨成因进行诊断分析,并揭示了暴雨过程中的多普勒回波特征.结果表明:导致海南岛产生强降水的主要原因是热带低压移动缓慢和弱冷空气的低层入侵;当冷暖空气交绥,大气温湿结构发生突变,θse面陡立造成对流系统斜压发展,激发位势不稳定能量释放.正差动假相当位温平流意味着低层暖湿空气的平流大于高层,加强了层结对流不稳定发展;在斜压扰动作用下,对流层中层正差动涡度平流和低压东侧的暖平流破坏了海南岛的准地转平衡,动力强迫和热力强迫共同作用激发了次级环流,导致暴雨区上空的垂直运动的发展,促使暴雨增强.充沛的水汽输送及水汽的强烈辐合,为暴雨发生的有利水汽条件.多普勒径向速度揭示了暴雨区低层冷平流高层暖平流、风向风速的垂直切变大的垂直结构以及持续性的强烈辐合等等特征,回波停滞和"列车效应"使降水增幅,降水回波的性质差异,可造成强降水区域分布的不同.     

一次强沙尘暴过程中尺度平均动能变率诊断

利用MM5中尺度气象模式嵌套数值模拟的输出结果,计算并分析了一次强沙尘暴天气过程的中尺度动能收支,揭示了沙尘暴过程中的起沙、扬沙和输送的能量来源以及随高度的分布和演变过程。结果表明：(1)沙尘暴天气期间中尺度能量过程活跃;(2)沙尘暴过程因消耗局地动能而启动和发展,能量来源在于高空的动能转化;(3)沙尘暴天气过程中,非地转运动造成的气流穿越等压线运动是沙尘暴能量平衡过程中次重要的能汇项;(4)水平通量散度项为沙尘暴天气过程中主要的中尺度能汇;(5)垂直通量散度项为沙尘暴天气过程中的能源项。随着系统的演变,能源中心从高层向中层转移,直至后期的高层出现能汇;(6)摩擦消耗和次网格尺度效应以及计算误差R在沙尘暴天气过程中总体表现为能源项。     

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。     

华南春季强对流天气过程的动能收支 (一)总动能收支

本文利用常规探测资料计算和分析了1983年3月1日影响珠江三角洲的一次强对流天气过程的总动能收支。结果表明:就时间区域平均而言,动能制造项是总动能源,动能水平通量散度和次网格尺度过程则消耗区域的动能;几乎所有的主要收支项数值,都在高空急流所在的对流层上层最大;网格尺度的垂直输送使动能由对流层中、低层向高层输送,但次网格尺度过程使动能下传。在风暴影响前后,各能量的收支项都有明显的改变。