地面加热与高原低涡和对流系统相互作用的一次个例研究

本文利用NCEP-FNL再分析资料、FY-2E卫星TBB数据、CMORPH降水资料,通过热力学和动力学诊断分析并结合中尺度天气模式WRF的数值模拟试验,研究了2012年6月下旬青藏高原一次东移对流系统的生成发展机制以及与地面加热相互作用的物理过程。结果表明,高原中西部地面感热加热是高原低涡生成、发展和东移的主导因子。而东移的高原低涡通过加强偏北、偏南气流形成的辐合带,进而触发高原东部对流系统的生成。同时,高原对流系统降水产生的凝结潜热释放也加强了东移高原低涡的强度,这表明地面加热与高原低涡和对流系统之间存在一种正反馈机制。数值试验结果进一步表明,除了适当的背景环流外,高原地面潜热通量能够增强中低层大气的不稳定性,为对流系统的发生发展积累能量,造成有利于对流降水的热力环境。     

一次东移型西南低涡的数值模拟及位涡诊断

利用非静力中尺度模式WRF对2011年6月16-18日引发强降水的一次东移型西南低涡过程进行了数值模拟,结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次西南低涡所引起强降水的范围和移动。低涡首先在低层850 hPa形成,9 h之后在700 hPa出现闭合低涡,发展成熟。西南低涡的初生和成熟阶段在对流层低层都维持与正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构,并伴有上升运动;在成熟阶段,上升运动、正涡度柱和高位涡柱明显加强、发展至对流层高层(300 hPa)。低层水汽通量散度对降水带的强度和移动都具有较好的指示意义。位涡收支诊断分析表明,非绝热作用项的垂直结构与垂直通量散度项相反,潜热释放造成的非绝热作用项有利于低层位涡增长、抑制高层位涡增长,对西南低涡的生成、发展有重要作用。     

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。     

一次东北移西南涡的结构特征分析

利用欧洲中心ERA5 逐小时再分析资料对一次东北移西南涡活动特征进行诊断分析,得到以下结论：本次西南涡是在稳定的“东高西低”环流形势下生成和发展,高原涡诱发西南涡生成,在高原气流的引导下向东北方向移动,西南涡在向东北移动的过程中和高原涡耦合促使西南涡进一步发展。西南涡东北移过程中均有低空急流配合。西南涡初生阶段较为浅薄,动力特征较弱;东移发展过程中动力作用增强,正涡度发展至对流层顶,正涡度柱内“低层辐合-高层辐散”的特征显著,高层辐散大于低层辐合,强的高空抽吸作用促使低层辐合增强。涡度平流项、垂直输送项和拉伸项对西南涡的发展起到主要作用。视热源和视水汽汇在低涡发展阶段,中低层暖湿空气的加热使空气增温,从而使地面减压,有利于西南涡的发展;中高层凝结潜热和感热加热,使得对流层高层增温,促使高层出流加强,进一步增强西南涡的发展。     

一次东移高原低涡影响四川暴雨的数值模拟分析

应用自动站雨量资料、常规观测资料和国家气象中心T213分析场资料,采用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2008年7月20日高原低涡东移引发的四川盆地暴雨过程。通过分析模式输出资料,结果得出高原涡东移影响四川盆地暴雨的一种物理触发机制:高原涡正涡度的东移促使四川盆地正涡度发展,正涡度的发展使得大气旋转上升加强,对流层高层强烈辐散,低层辐合,对流发展形成降水,大气凝结释放潜热加热大气,使得高层等压面升高,负涡度发展,低层降压,正涡度发展,这样就形成了一个正反馈的循环机制,从而导致了四川盆地强降水。      

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

青藏高原一次MCC转MCV过程研究

利用WRF(ARW)模式、WRF-3DVAR系统以及ATOVS卫星资料,对2013年7月22-23日高原上的一次MCC转化MCV的过程进行了直接同化试验和数值模拟。同化的模拟结果表明,同化不同传感器资料效果相差较大;同时同化多种传感器资料并未比单一资料效果好;连续循环同化有效改善了高原MCV的强度和位置模拟。选定循环同化AMSUB资料为最优同化方案,对此次高原MCC转化为MCV的过程进行分析:中尺度涡旋和强降水均发生在湿等熵面下陷区域。高空正的湿位涡异常叠加低层正温度异常,在此过程中经历对流不稳定度的减弱,诱生出气旋性环流并向下伸展,使得气旋性涡度发展,降水发生,而水汽的凝结潜热释放进一步加剧了湿等熵面的倾斜,从而使得垂直涡度进一步发展。同时,在此过程中受水汽加热的影响,水平相当位温梯度减弱,负的斜压项减弱,使得总的湿位涡正值增大。另外,比较了东部MCV与高原MCV的差异,发现后者由于高原的加热作用,低层的涡度值较大。     

青藏高原一次MCC转MCV过程研究北大核心CSCD

利用WRF(ARW)模式、WRF-3DVAR系统以及ATOVS卫星资料,对2013年7月22-23日高原上的一次MCC转化MCV的过程进行了直接同化试验和数值模拟。同化的模拟结果表明,同化不同传感器资料效果相差较大;同时同化多种传感器资料并未比单一资料效果好;连续循环同化有效改善了高原MCV的强度和位置模拟。选定循环同化AMSUB资料为最优同化方案,对此次高原MCC转化为MCV的过程进行分析:中尺度涡旋和强降水均发生在湿等熵面下陷区域。高空正的湿位涡异常叠加低层正温度异常,在此过程中经历对流不稳定度的减弱,诱生出气旋性环流并向下伸展,使得气旋性涡度发展,降水发生,而水汽的凝结潜热释放进一步加剧了湿等熵面的倾斜,从而使得垂直涡度进一步发展。同时,在此过程中受水汽加热的影响,水平相当位温梯度减弱,负的斜压项减弱,使得总的湿位涡正值增大。另外,比较了东部MCV与高原MCV的差异,发现后者由于高原的加热作用,低层的涡度值较大。     

青藏高原低涡东移的数值试验

本文利用钱永甫的五层有地形的原始方程模式,模拟了一次高原低涡的东移过程。发现非绝热因子(辐射、积云对流、大尺度凝结潜热)只影响高原低涡的强度,其中辐射加热对高原低涡强度影响最大。当高原低涡西部有冷槽配合或高原北部45—55°N有高压脊存在时,有利于高原低涡东移。     

2010年7月甘肃大暴雨及其低涡结构分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和中尺度模式MM5V3,对2010年7月造成甘肃东部大暴雨过程的低涡系统进行了诊断分析和数值模拟.结果表明:(1)在低涡发生、发展阶段,假相当位温和比湿的垂直平流在视热源、视水汽汇中占绝对优势,说明垂直平流变化与低涡发生、发展及强降水有很好的正相关;(2)上升运动中心与视热源、视水汽汇大致中心相对应,变化趋势基本一致,最强的凝结潜热加热发生在中层,最强上升运动同样也出现在中层,说明降水过程中大气加热与大气上升运动密切相关,大气热源主要来自于水汽的凝结潜热;(3)低涡发生、发展过程中伴随中低层有西南风急流、强正涡度中心、低层辐合、高层辐散结构、强上升运动及低层水汽通量辐合;(4)低涡区上空对流层低层为对流不稳定层结,中层至中高层为条件对称不稳定层结,对流不稳定层结强度随时间变化不大,而条件对称不稳定层结强度随时间有明显加强,位势不稳定和条件性对称不稳定共存使得假相当位温高值区域的垂直上升运动得以产生和维持.     

高原低涡移出高原的动力结构特征分析

利用ECMWF资料对2001年6月1~5日东移出高原的低涡个例的动力结构进行了诊断分析。结果表明:(1)低涡东移过程中,闭合等高线或者闭合气旋式环流的垂直厚度随时间呈加厚趋势;(2)高原低涡在东移过程中,垂直方向上几乎都是正涡度,500hPa上正涡度随时间呈增强趋势;(3)在高原上时涡区明显低层辐合、高层辐散;移出高原后表现为微弱的低层辐合、高层辐散,甚至低层辐散、中层辐合、高层辐散。(4)处于高原上时涡区整层都为上升运动,移出高原以后上升运动微弱,中低空经常为下沉运动。(5)低涡处于高原上时,涡区在边界层始终有水汽辐合,移出高原以后在低空只有微弱的水汽辐合甚至辐散。涡区外围东南侧的槽前脊后区存在低空急流,是水汽通量和水汽辐合的大值区。      

四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征

针对2020年8月11—12日四川盆地西部特大暴雨过程中尺度系统演变特征和维持机制,利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料以及FY-4A的云顶相当黑体温度TBB资料进行诊断分析。(1) 本次过程发生在500 hPa巴湖长波槽分裂短波和高原低槽东移发展在四川盆地停滞,副高加强西伸形成阻挡的形势下,同时200 hPa有南亚高压和高空分流区配合。(2) 在上述有利的背景条件下,中尺度系统活动经历了中尺度辐合扰动-西南涡生成发展-低空急流影响-西南涡再次发展增强等4个阶段,西南涡两个阶段的发展对降水影响最大,初生发展阶段雨强最强,再次发展阶段强降雨范围最大。(3) 西南涡在暖区内初生发展,对流不稳定性强,地面潜热和感热加热以及500 hPa层以下水汽凝结潜热加热均十分显著,在较强暖湿平流作用下,配合低层涡度拉伸项和扭转项的动力作用加强,西南涡迅速发展,但低层辐合相对较弱,正涡度柱高度仅发展至500 hPa。(4) 西南涡再次发展阶段冷平流入侵,大气斜压性增强,中高层感热和凝结潜热加热作用加大,“低层辐合-中高层辐散”的动力机制显著加强,配合垂直向上输送正涡度和涡度拉伸项的动力发展作用,西南涡发展旺盛,正涡度柱中心强度和发展高度较初始发展阶段均明显增强。      

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。     

一次浅薄低涡暴雨过程数值模拟及发展机制分析

运用WRF中尺度数值模式对2009年7月27日长江下游地区的一次6 h累计降水226 mm的暴雨过程进行数值模拟,利用模式输出资料,对引发此次暴雨过程的浅薄低涡移动演变和动力结构、温湿特征进行分析,探讨低涡发展东移机制。结果表明:低涡位于500 hPa西风槽前,仅出现在对流层低层,动力与温湿特征均表现其浅薄结构。低涡暴雨降水主要发生在低涡东侧暖式切变线附近。水汽来源于中国南海和东海两地,水汽辐合层深厚,达600 hPa。此次低涡具有较强的斜压结构特征。通过涡度方程分析,辐合辐散流场的维持和发展为正涡度变化率作出主要贡献,三维风场倾斜扭转项作用与正涡度变化存在重要正相关。地形的动力作用使得背风坡更有利于低涡绕山后加强。高低空急流耦合中心和水汽凝结潜热释放区均有利于引导低涡以及低涡暴雨加强东移。湿等熵面呈垂直陡立状,指示低涡已发展到成熟期。预示暴雨即将减弱。倾斜涡度发展条件C_d0的连续增强,指示斜压性、稳定度和垂直风切变的综合作用也是这次低涡保持发展加强的重要原因。     

雨季青藏高原东部MCC移动特征及其热动力原因分析

利用2012-2016年5-9月风云二号静止卫星资料结合ERA_Interim再分析资料,对雨季青藏高原东部中尺度对流复合体MCC的移动特征进行了对比分析。结果发现,根据高原MCC的移动特征可以将其分为三类:东北移型NE-MCC、东移型NE-MCC和局地生消型L-MCC。NE-MCC一般是高原上生成的,而E-MCC和L-MCC生成源地在高原南坡。对流强的MCC系统通常不能移出高原,而对流强度中等、生命期较长的MCC系统东移特征更为明显,主要是由于强对流MCC一般位于高原南坡且生命周期短。与NE-MCC和E-MCC相比,L-MCC型云盖面积最小、云顶黑体亮温TBB最低、上下两层散度差最大,冰水含量IWC(ice water content)和液水含量LWC(liquid water content)最大,强烈的辐合上升气流使对流加强并形成正反馈机制; NE-MCC与E-MCC相比,生命期较长、系统所处位置相对湿度较低。500 h Pa高度上,NE-MCC的移动受气旋性环流中的西南气流影响,E-MCC受短波槽底部的西风气流影响,L-MCC位于局地气旋性环流中;三类MCC位于高温中心或高温梯度上,可能来源于夏季高原热源的贡献。低层辐合、高层辐散、低层正涡度、高层负涡度或正负涡度梯度的环境配置场有利于MCC的发生发展; MCC中心的垂直剖面上,辐合和辐散中心的散度梯度方向可以判断系统的移动趋势,地形阻挡作用使L-MCC缺乏向北的移动分量。     

大气热源对高原低涡不同发展阶段的影响——2013年7月个例分析

高原低涡是夏季青藏高原（简称高原）及其下游地区的主要降水系统。本文利用ERA5逐小时再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温逐小时数据和TRMM 3 h降水资料,对2013年7月19～21日活动于高原的一次低涡过程进行了诊断分析。此低涡在高原期间的活动时间长达56 h,将其分为初生、发展及移出高原前三个阶段,着重分析了高原大气热源在低涡不同阶段的关键作用和机理。结果表明：此低涡在发展过程中表现为阶段性增强的特征,位势涡度倾向方程诊断发现非绝热加热的垂直梯度是造成低涡发展增强的主要因素,即非绝热加热极值所在高度的下方和上方分别有正的和负的位涡制造,从而加强了低层的气旋和高层的反气旋。进一步分析可知大气热源在低涡发展过程中也表现出阶段性增强的特征,最大值出现在正午时段,且在低涡移出高原前阶段最强。低涡的生成与地面暖中心有关,这归因于地表感热加热的作用;而低涡的后续发展则主要依赖于凝结潜热加热,加热高度位于对流层中层,这主要是由垂直运动将低层的水汽集中到中层,产生水汽凝结所致。     

涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅰ:PV-Q观点

基于从三维埃尔特尔位涡（PV_e）方程推导出的垂直涡度的拉格朗日变化方程,从位涡和非绝热加热（PV-Q）的观点研究涡旋的发展和移动,阐明了涡旋中非均匀的非绝热加热在垂直和水平方向的非对称分布对涡旋发展和移动的影响。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬一次青藏高原低涡的发展和移动过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑山青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。低涡的垂直涡度发展可分解成由非绝热加热、位涡水平分量（PV₂）和静力稳定度（θ_z）变化引起的3个部分。结果表明,在大多数情形下,非绝热加热对垂直涡度发展起着主导作用;其次是位涡水平分量（PV₂）变化的作用;当稳定大气变得更稳定时θ_z变化起负作用,当大气趋向中性层结时θ_z变化则起正作用。2008年7月22日06—12时（世界时）,当青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时,低涡加强主要是由位于涡旋东边的强降水凝结潜热加热引起的。非绝热加热的垂直梯度在非绝热加热的最大中心的下（上）层产生正（负）PV_c制造,正的PV_e制造不仅加强低层涡旋的发展,而且,增强涡旋的垂直范围。非绝热加热的水平梯度对位涡变化的影响取决于加热中心处的水平风的垂直切变,其在该水平风的垂直切变的右（左）边产生了正（负）的PV_e制造。水平风的垂直切变的右边的正PV_e制造不仅加强了该处的垂直涡度,而且,影响着低涡的移动方向。这些诊断结果证实了PV-Q观点的理论结果。     

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。     

一次双台风影响下暴雨过程的中尺度涡旋模拟分析

本文对上海地区一次双台风环境影响的暴雨过程进行数值模拟及分析,探讨了强降水过程中大气中低层的涡旋特征及发展机理。结果表明:(1)暴雨过程处于双台风、大陆高压的共同影响下,中低层伴随有较明显的中尺度低涡发展。(2)与涡旋相关的局地垂直涡度由低层开始发展,先期涡度发展集中于850 hPa以下,之后向大气中上层发展增强,涡旋尺度强度也随之发展,最终形成在对流层下半部具有闭合式气旋性环流的深厚涡旋。(3)影响局地涡度变化的水平平流项、垂直平流项、散度制造项和倾斜项对不同时间、不同高度的涡度作用各不相同,其中散度制造项是中低层涡度的主要来源,垂直平流项的输送作用对中上层的涡度发展有重要作用,倾斜项对涡旋发展移动也有部分贡献。(4)通过敏感性试验考察了对流潜热反馈的贡献,发现潜热释放过程通过加热改变大气温压场结构,从而维持并改变局地涡度倾向的中低层辐合及对流上升运动,对涡旋的发展和移动起了重要影响。     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相