三种温湿参数下昆明准静止锋锋面位置及锋生函数诊断的对比分析

针对2008年1~2月昆明准静止锋天气过程,讨论了位温、相当位温和广义位温三个温湿参数及其对应的锋生函数,对比分析结果表明:（1）广义位温因其湿度因子权重过大,不适用于分析以温度梯度定义的昆明准静止锋锋面位置和强度;（2）理想状态下的干大气位温和饱和大气相当位温仅与气压和温度有关,均能较好地反映大气温度场特征,适用于昆明准静止锋的分析,比较而言相当位温对温度锋区的描述更为显著;（3）用位温或相当位温计算锋生函数所得结果直接表达了因温度场变化导致的锋面生消状况,而用广义位温计算锋生函数所得结果同时包含温度锋生（消）和湿度锋生（消）两种情况,不能简洁地判断昆明准静止锋锋面生消状况。     

“2010.1.6”新疆北部特大暴雪过程中的锋面结构及降水机制

利用WRF模式对2010年1月6—7日新疆北部的暴雪过程进行了数值模拟和诊断分析。分析表明,巴尔喀什湖冷涡与新疆以北南压的冷涡横槽的结合过程,以及相应的中高层急流核传播和发展是造成此次暴雪的关键天气过程,并据此建立了暴雪过程的天气学概念模型。通过温度平流以及锋生函数的诊断表明,地形前方的中尺度辐合对于低层局地锋生有正的贡献,而与潜热释放对应的垂直运动项产生了最强的锋生。进一步通过锋面次级环流的诊断表明,低层锋生强迫的垂直运动较为重要。在地形的影响下,低层冷空气在阿勒泰山前有一定的堆积过程,中高层锋面与低层锋面将发生分裂。由地形因素造成的锋面结构变化对于对降雪的微物理过程有明显影响,6日白天的降水与在地形前爬升的暖性气流以及中高层层云降水有密切关系,但降水量相对较小;6日20时以后地形前方暖平流增强并伴有较为清楚的锋生,而分裂过山的锋面结构形成了明显的冰晶播撒-繁殖机制,降水效率有明显增加,因此在7日白天降雪明显增强。     

利用锋生函数对2008年年初昆明准静止锋生消过程的诊断分析

利用ERA-Interim 0.125°×0.125°高分辨率逐6小时再分析数据,选取昆明准静止锋2008年1~2月长时间维持过程诊断分析了锋生函数及其各分项在锋面生消过程中的作用与贡献,并结合2016年1月20~27日锋面增强西进过程和1979年1月14~20日锋面减弱东退过程进行了比较分析。结果表明:（1）非绝热加热项对锋面生消作用较小,但存在显著的日变化。在辐射作用下,非绝热加热项日间表现为锋消,夜间为锋生。（2）西移冷气团在被高原大地形抬升过程中存在局地地形迫使冷气团下沉的情况,并导致垂直运动倾斜项表现为锋生。由于地形固定不变,局地锋生形成次级锋生带。次级锋生带与昆明准静止锋的形成、维持和东西摆动有密切的联系。（3）辐合辐散项和水平形变项是锋生函数变化的主要贡献项,其中水平形变项中的切变变形作用以锋生为主,而伸缩变形项在纬向产生锋生,在经向产生锋消。     

沙尘辐射强迫锋生过程的数值模拟

本文分别利用二和三维数值模式研究了沙尘暴辐射强迫的锋生过程和孤立的沙尘暴单体辐射加热对锋面环流系统的影响。结果表明:沙尘爆发时,沙尘辐射加热在大气低层导致锋生,在大气中层产生一明显的等熵位温层。水平速度场在沿锋面移动方向表现出明显的辐合(散)特征。晚上,沙尘辐射冷却导致大气低层锋消。 孤立的沙尘暴单体辐射加热在盛行风方向强迫出一个明显的垂直环流圈,它在白天较强,晚上较弱和反向。水平风场对沙尘的辐射强迫响应在不同高度上是不同的。     

一次北方暴雨的Q矢量诊断分析研究

考虑水汽相变的凝结潜热作用,引入广义位温,发展了包含广义位温的Q矢量,并在此基础上推导了非地转湿大气Omega方程。(1)包含广义位温的Q矢量是Omega方程的唯一强迫项,由拟涡度伸展矢量、锋生矢量和非绝热加热梯度等三项构成。(2)利用包含广义位温的Q矢量对一次北方夏季暴雨进行诊断分析,发现包含广义位温的Q矢量对降水区的垂直运动结构有良好指示意义,可以综合表征次级环流、锋生和锋消、大尺度和中尺度强迫等多种物理因素,而这些均是影响暴雨发生发展的重要因素,因而包含广义位温的Q矢量及其散度与强降水的发生发展密切相关。(3)利用美国全球预报系统24 h预报场对包含广义位温的Q矢量散度进行计算,结果表明预报的Q矢量散度在时间和空间上与观测6 h降水联系紧密,根据预报的Q矢量散度的异常能够判断降水的可能落区。     

地面暖带附近锋生的数值试验

采用半地转方程的二维锋生模式，研究了地面暖带附近锋生过程中，大尺度斜压区、地面暧带和潜热释放之间的相互作用，结果表明：变形场中的孤立暖带，当它位于大尺度斜压区暖空气一侧时，可在有限时间内形成强锋区（有潜热加热时锋生速度更快）；当暖带与大尺度斜压区配合时，可出现双锋区结构，强锋区可能先在暖带中出现。在暖带深厚并有潜热释放时表现更明显且有利于双锋区结构的维持，锋生强迫作用和位温扰动是梅雨锋附近两条中－     

南岭准静止锋附近加热场特征及其对锋面维持的作用

利用锋面客观分析资料计算分析了南岭准静止锋锋面附近加热场的分布特征及非绝热加热锋生（以下简称加热锋生）对锋面维持和锋面移动的作用。结果表明:大尺度凝结加热主要分布在锋区附近，在经向剖面上呈带状分布，并反映锋面结构的中尺度特征。加热的锋生作用不仅对锋面形成和维持是重要的，而且对锋面的移动与准静止也有重要作用。分析还表明，凝结加热的锋生作用不利于南岭静止锋水平稳定层的维持。     

沙尘暴辐射强迫的锋生过程分析

本文利用锋面方程结合数值模式结果讨论了在沙尘辐射强迫下,影响锋生过程的物理机制,计算了不同的沙尘分布对这种锋生过程的影响。计算和分析结果表明:白天锋生主要是由非绝热加热和水平速度变形场共同产生的,垂直速度场对锋生的影响较弱,主要起锋消作用。水平温度梯度的平流对锋生(消)的影响都很小。晚上影响低层锋消的主要因子是非绝热加热项。 当沙尘降低时,沙尘辐射强迫的锋面强度和坡度都相应地减小。沙尘暴区中心上空的等熵混合层厚度也随之减少。     

地形的动力作用与冷锋锋生研究

本文建立了一个考虑天气尺度水平变形场的二维、滞弹性、非静力平衡锋生模式，对冷锋过山时的锋生锋消机制进行了数值研究，试验结果表明:当无地形影响时，由于变形场的锋生作用与摩擦等因子的锋消作用相互抵消，冷锋最终达到其强度的准定常状态；当考虑地形影响时，地形强迫环流与锋面环流相互作用，使得锋面强度在山前和山后发生变化，在冷锋开始爬坡时锋生，爬过半山腰后开始锋消，过山顶后锋面强度变化不明显或者有微弱锋生，到达山脚后开始强烈锋生，并在地形下游其强度达到最大；总之，冷锋在翻越山脉或从高原移到平原之后，锋面发展的强度比冷锋不遇到地形时的更大。     

2006年6月5～8日梅雨锋上中尺度对流系统引发福建北部暴雨的诊断分析

利用1°×1°经纬度的NCEP再分析资料、地面1 h降水和卫星黑体辐射亮度温度资料,分析了2006年6月5～8日引发福建北部大暴雨的梅雨锋上的中尺度对流系统活动,探讨了梅雨锋上或锋前暖区一侧中尺度对流系统触发和增强的动力机制,并进一步研究了强降水凝结潜热造成的非绝热加热在对流系统发生发展中的作用。结果发现:福建北部强降水产生是由梅雨锋上或锋前多个β中尺度或α中尺度的强对流系统活动造成的,这些中尺度对流系统的发生发展与大尺度地转强迫造成的上升运动、武夷山脉等的地形动力强迫抬升作用、梅雨锋锋生以及锋面的阻挡和直接抬升作用有关。梅雨锋上强降水造成的非绝热加热在中尺度对流系统的形成和发展中起到了重要作用。最后,总结出梅雨锋上中尺度对流系统发生发展的概念模型。     

非绝热加热对锋面次级环流的影响

通过考虑非绝热加热项和摩擦项的原始方程组，取沿锋面方向地转近似，导出一个描写定常锋面次级环流的方程，研究对流加热（ＣＩＳＫ）对锋面次级环流的作用。结果表明；非绝热加热能加强锋生过程，加强锋面环流，使环流宽度变窄，陡度加大。从而从理论上对锋面过程的降水不均匀性给出解释。     

梅雨锋锋生过程的诊断分析

本文分析了一次梅雨锋的锋生过程,并利用锋生函数和温度平衡方程,讨论了影响梅雨锋形成和维持的因子。结果表明:感热加热是使江淮流域低层锋区消失的主要原因,潜热加热以及水平运动造成的变形是维持梅雨锋存在的重要因素。     

两次昆明准静止锋的对比分析

利用EAR5再分析气象数据,分析了两次昆明准静止锋天气过程的高低空环流形势、锋面结构、锋面位置、以及相关要素场等基本特征及其异同。结果表明：中高纬度地区阻塞形势的存在是昆明准静止锋形成的背景环流。当冷暖气团均强且势均力敌时,更有利于锋面的维持;冷空气较强时,锋面会向西移动,越过云贵高原地形的阻挡;反之,锋面则会向东移动。当锋面维持在高原地形东侧时,冷空气被地形阻挡时,锋面的移动缓慢,此时锋区最为明显。当锋面维持在地形东侧时,风场的最大水平切变、温度的最大水平梯度和相当位温的密集区,描述的锋面位置几乎相同。两次过程寒潮爆发时冷空气均只能维持到700hPa附近,且水平风场也均为600hPa以下的低空切变,说明昆明准静止锋为浅薄系统。昆明准静止锋与一般冷锋锋后不同,两次个例昆明准静止锋锋后低空为湿区,而锋前水汽是否充足则要看南支槽所处的位置。     

地形追随垂直运动方程在南疆极端暴雨中的诊断分析

针对2021年6月15～17日发生在昆仑山脉北坡的南疆极端暴雨过程,本文综合考虑地形对暴雨发生、发展的作用后,利用地形追随坐标控制方程并采用Boussinesq近似推导建立了地形追随坐标的非静力平衡广义垂直运动方程。诊断结果表明,经向气压梯度力耦合经向散度项（项一）、垂直气压梯度力耦合纬向散度项（项二）和非绝热加热经向梯度项（项三）是激发暴雨垂直运动发展演变的三个主要强迫项。项一体现了偏北风逐渐增强,在昆仑山脉的阻挡下导致经向辐合增强,触发了垂直上升运动。经向气流辐合始终是对流活动最主要的强迫过程,其次为纬向气流辐合。在地形追随坐标形式下,经向和垂直气压梯度能够增强项一和项二。对流发展阶段,水汽辐合与非绝热加热过程增强了非绝热加热经向梯度,促进了垂直上升运动发展。在地形的影响下,对流层中高层西风过山气流波动特征明显。重力波活动导致的高层辐散进一步促进了山脉迎风坡对流活动。经向和纬向气流辐合、非绝热加热过程以及重力波活动等多个因素共同造成了此次南疆极端暴雨。     

一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析

基于观测资料和NCEP再分析资料,并结合中尺度数值模拟,对2012年1月14—15日我国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定(conditional symmetric instablility,CSI)进行诊断分析。结果表明,南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动,在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程,构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景;来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必须的水汽条件,异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。在降水过程中锋面附近有多条中尺度雨带活动,锋生函数分析表明,14日夜间广西境内锋生明显增强,在潜热释放的影响下CSI开始发展,相应的锋生次级环流也有所发展,锋前暖区中的上升运动随之增强,导致广西北部形成较强的中尺度降雨带。分析表明,锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程(Sawyer-Elissen方程)在不同稳定性条件下的解,锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。     

地形对地转适应和锋生的影响

作者的目的是分析地形对由于热力差异所引起的局地锋生现象和地转适应过程的影响．为此，分别用零位涡流和均匀位涡流来近似代替实际大气，并借助位涡、绝对动量、位温的守恒关系，就地形对适应锋生和适应过程中能量转换等问题进行了简单讨论。初始位温扰动的水平分布及其相对于地形的位置对适应锋生有重要影响。当初始热力扰动主要位于地形迎风坡山脚时，地形不利于锋面形成，这时要形成锋面不连续，初始位温梯度的水平变化必须非常显著；当初始热力扰动主要位于山顶附近时，地形促进流体运动的辐合，有利于锋面不连续的形成，这时即使初始位温梯度的水平变化不是很大，也可能会形成锋面；当初始热力扰动主要位于背风坡时，地形是否有利于锋面不连续的形成取决于流体的层结情况，如果流体的基本层结很弱，地形促进锋面不连续的形成，反之，地形不利于锋面不连续的形成，这种差异主要是由于在这两种情况下，地形引起的下沉增温效应的强弱是不同的。另外，地形对地转适应过程中动能和位能之间的能量转换率也有影响，与没有地形的情况相比，当初始热力差异显著区位于迎风坡时，能量转换率减小，当不平衡场位于背风坡时，能量转换率增加，原因是在迎风坡流体要克服重力作功，在背风坡重力对流体作正功。     

大尺度凝结加热与中尺度位温扰动对冷锋锋生的作用

文中导得简化的包括大尺度凝结潜热的半地转锋生模式，利用该模式讨论了大尺度凝结加热和中尺度位温扰动对冷锋锋生的影响，给出了锋生过程中各物理量的演变图。计算结果表明，大尺度凝结加热对冷锋锋生具有加强作用，增大锋生率，增大上升运动速度，缩小上升运动区的范围，使之更具有中尺度系统特征，使非地转越锋环流增强并发生倾斜，凝结加热和中尺度位温扰动的结合是锋前暖区多重雨带形成的可能机制之一。     

冷锋雨带中湿物理过程与非绝热锋生的相互作用

利用包含冰相微物理过程参数化方案的三维非静力中尺度／云模式（ARPS）模拟了与冷锋有关的冷锋雨带（NCFR）结构，着重分析了锋面云系发展演变的主要特征。模拟结果表明，锋面云系是由位于锋面前沿处的锋面次级环流的上升运动激发的；锋面强度与冷锋云（雨）带中的潜热释放之间的正反馈引起的持续非绝热锋生是锋面以及冷锋雨带得以长时间维持的主要物理机制。进一步分析表明，锋区两侧位温梯度的增加是与沿着冷锋表面的倾斜上升运动引起的云水及水汽的再分布密切相关的，即在冷气团中由云水蒸发发冷却形成冷池，而在暖气团中由水汽凝结以及雨滴冻结等形成暖池，这种冷／暖池在冷／暖气团上的叠加是引起非绝热锋生的关键。     

冬季1月昆明准静止锋进退及维持的结构特征

利用地面气象观测资料、ERA-Interim再分析数据以及DEM地形数据,使用合成分析方法,从大气环流场、锋面附近要素场及锋生函数诊断场探讨了昆明准静止锋在西进、东退及维持时的结构特征。结果表明,当锋后低层到地面等温线呈"V"型分布,锋后正的次级环流相对深厚,锋面易西进;当锋后低层呈较深厚的逆温层且锋后正次级环流较浅薄,锋面易东退;当逆温层仅限于低层而近地面为冷中心,锋面易维持。东西风风速零线西端在锋面左侧,锋面易西进,反之锋面易东退;零线的位置与锋面基本重合,锋面易维持。垂直运动倾斜项在锋面西进时105°E附近迎风坡出现强烈的锋消现象,锋面东退和维持时出现弱锋生现象。水平辐散项产生的强锋生区在锋面左侧时,指示锋面西进;强锋生区在锋面右侧,且锋生现象很弱时,指示锋面东退;锋面维持时,强锋生区与锋区基本重合。水平变形项中切变变形起主要的锋生作用,而由于冷气团受迎风坡影响,导致伸缩变形在104°E以东的锋后区域产生较强的锋生现象。     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。