大气对黑潮延伸区中尺度海洋涡旋的响应——冬季暖、冷涡个例分析

采用动态合成、带通滤波等方法,通过对冬季黑潮延伸区暖、冷两个中尺度海洋涡旋的分析,研究了大气对中尺度海洋涡旋的响应特征。结果表明,海表温度（SST）与近海面风速的正相关关系在涡旋的动态合成图上清晰可见,暖（冷）涡上空对应10 m风速的极大（小）值,即海洋对大气的强迫作用在日时间尺度上表现显著;SST高低值中心基本对应10 m风无辐散区,暖（冷）涡上空为异常正（负）涡度分布;暖（冷）涡上空潜热、感热通量增大（减小）,降低（增大）大气稳定度,从而加强（减弱）边界层垂直混合作用,使得海洋大气边界层增厚（变薄）。暖（冷）涡旋上空对应摩擦速度极大（小）值,反映了湍流粘性力在高（低）海温中心增大（减小）的特征,表明动量垂直混合机制在中小尺度海气相互作用中起着主要作用。中尺度海洋涡旋能够影响大气瞬变扰动,大气瞬变扰动强度在暖（冷）涡下游上空出现极大（小）值,该影响不仅表现在海洋大气边界层,在自由大气中低层也有较为清晰的反映。此外,从能量转换的角度入手,发现斜压能量转换在中尺度海洋涡旋影响大气瞬变扰动强度中贡献明显。     

冬季一次引发华北暴雪的低涡涡度分析

利用NCEP FNL 1°×1°再分析资料和WRF模式,模拟了2010年1月2～3日我国华北地区的一次由涡旋造成的冬季降雪过程,并采用位涡和涡度方程对引发暴雪的涡旋发展机制进行了诊断分析。结果表明,这次降雪过程中,对流层中层高空浅槽东移、加深及发展,并引导低空和地面系统自西向东移动,高空位涡的下传强迫加强了对流层中低层涡旋的发展。平均通量和涡旋区域的辐合、辐散作用对涡旋涡度的增长贡献最大,扰动通量和类倾斜项的作用较小。在中层涡旋成熟期,环境场的风速小于中层涡旋的移动速度时,环境场相对于涡旋区域为辐散,涡旋涡度减小;当环境场风速大于涡旋的移动速度时,环境场相对于涡旋区域为辐合,涡旋涡度增加。在涡旋衰减期,向涡旋外输送的绝对涡度通量使得涡旋涡度逐渐减弱。这次过程中,高空位涡强迫、低空辐合和涡旋边界平均气流对扰动涡度的输送是涡旋发展的主要机制。     

大气涡旋的螺旋结构

利用速度场的分解,说明大气中常见的斑图.速度场可分为变形场和旋转场.若大气动力学方程中只有气压梯度力和科里奥利力平衡,此时速度场只有旋转场,地面天气图上气旋反气旋斑图是闭合的.若再加上摩擦力,则斑图为实际的气旋反气旋螺旋.对三维有水平辐散辐合的涡旋,其斑图为三维螺旋型式,常见是漏斗状.台风小口朝上,龙卷风大口朝上.     

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。     

气流辐合对高原低涡切变的影响

利用欧洲中心ERA-interim再分析资料,通过计算Okubo-Weiss（OW）参数,对青藏高原上一次高原切变线诱发高原低涡生成的过程进行了诊断分析。结果表明:（1）OW负值带可以指示高原切变线的可能生成区;OW值趋于0时,切变线变得不稳定,强度逐渐减弱;OW正值区能够指示高原低涡的后续移动趋势以及发展情况,气流辐合区域与OW大正值区有很好的对应关系。（2）此次高原切变线气流活动以拉伸变形为主。切变线生成阶段,其附近气流作拉伸变形运动;切变线成熟阶段,气流拉伸变形运动达到最强;切变线减弱阶段,其气流拉伸变形运动减弱。（3）切变线的生成以及移动主要受总变形方程的局地变化项影响;低涡的生成位置以及后续移动路径与水平涡度方程的散度项有很好的对应关系。气流辐合在高原低涡形成的初期起主要作用,辐合强度的减弱会抑制高原低涡的东移及发展。      

湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的一种可能机制

根据暴雨中尺度系统发生时的大气运动特征,在绝热、无摩擦条件下,从湿斜压原始方程出发,考虑大气运动的涡度及散度演化不仅受动力场的制约,而且还受到热力场的约束,采用不同于传统研究涡度及散度方程的分析方法,导出了新形式的涡度及散度方程。在此基础上,分析了湿斜压大气中对流层中低层气流旋转与辐合持续增长的动力特征,初步揭示了湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的动力机制。     

四川盆地持续性暴雨发生的一类环流特征研究

利用NCEP1°×1°的资料研究了四川盆地一类持续性暴雨特征,结果表明：（1）在伴有西太平洋副热带高压西伸和其南侧有热带低压系统扰动的大气环流背景下,其水汽供应环流形势体现为东南气流输送,这主要与副高和热带低压系统相互扰动有关,而与大部分造成四川盆地暴雨的西南气流输送有差异。（2）局地涡度的变化对大尺度环流背景场的分布起到重要的作用,在副高西伸稳定的边缘,局地涡度变化为负,在槽区和热带低压扰动区域内,局地涡度变化为正,而局地涡度的正负变化,取决于涡度方程各项的变化大小,在850hPa上,雨区局地正涡度的增加可能与热带低压的局地正涡度输送有关,而这一过程可能主要山正涡度平流来完成。（3）局地正涡度变化范围和中心较好程度上对应着雨区的范围和中心,可以作为一个判断降水落区的预报要素来参考。     

北京“7.21”暴雨过程中变形场引起的锋生与倾斜涡度发展诊断分析

从变形场驱动锋生及通过锋生引起倾斜涡度发展的角度对变形场在北京“7.21”暴雨发生、发展过程中的可能作用机制进行了初步探讨。诊断结果发现：北京地区降水产生时,变形向量与等位温线走向一致或有较小夹角,北京地区有较强的变形场局地锋生过程。锋生函数分析发现,变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献。锋生能够引发大气动力、热力结构的调整,伴随大气锋生过程的高空急流加强和转竖使得北京地区处于高空急流入口区右侧的辐散区中,其带动低层空气辐合,有助于暴雨的加强维持。分析还发现,“7.21”暴雨过程中,垂直涡度存在爆发性发展,尤其是锋面降水阶段,而大气斜压度的增长趋势与垂直涡度增长趋势十分一致。分析全型涡度方程中与变形场有关的斜压度个别变化项发现,与变形场相关的垂直涡度驱动项异常正值区与垂直涡度爆发性增长区相对应,表明变形场在北京“7.21”暴雨过程中对垂直涡度发展有重要贡献。基于变形场沿其压缩轴方向气流汇合的特点,进一步分析了加入水汽作用的水汽通量变形场与暴雨发生、发展的关系。分析结果发现,低层水汽通量变形场的正值区与暴雨具有很强的相关,且水汽通量变形场包含两部分,一部分为比湿平流,其对未来暴雨区位置有很好的指示意义;一部分为变形场项,其对水汽通量变形场分布起主要贡献。     

冬、 春季青藏高原东侧涡旋对特征及其对我国天气气候的影响

受高原地形影响, 低层西风气流在高原西侧分支, 从南北两侧绕流, 在高原东侧汇合, 并在南（北）侧形成定常的正（负）涡度带。本文利用NCEP/NCAR提供的1951-2004年再分析资料, 发现这两个涡度带在700 hPa上最明显, 常年存在一正一负两个对称的涡旋（下称“涡旋对”）, 且冬, 春季较强。根据各月涡旋对的位置及强度, 本文定义冬, 春季绕流指数为正\, 负涡旋对平均涡度之差, 定量地表征高原绕流作用的强弱, 绕流指数大则高原绕流作用强。结果表明, 1951-2004年中2/3的年份高原绕流作用春季强于冬季, 高原绕流作用不仅是高原大地形的动力作用造成的, 而且受到热力作用的影响。冬季绕流指数以年代际变化为主, 近50年冬季高原绕流作用有显著的增强趋势; 春季绕流指数年代际和年际变化均不明显。冬、 春季, 强高原绕流作用均有利于中高纬冷空气向我国北方输送, 使东北及新疆北部地区气温偏低。春季强高原绕流作用还有利于高原东南侧的暖湿气流向华南及江南地区输送, 使西南、 华南部分地区气温偏高; 偏南暖湿气流和来自中高纬的偏北冷干气流在31°N附近辐合, 有利于江淮地区降水。无论冬\, 春季, 亚洲中纬度西风强度是影响高原绕流作用的重要因子。     

与夏季北太平洋副热带中尺度海洋涡旋相联系的海气关系

采用高分辨率卫星和再分析资料,利用涡旋探测技术、滤波和合成分析等方法,对夏季北太平洋副热带地区中尺度海洋涡旋与大气的耦合关系进行了分析。结果表明:在日时间尺度上,海洋涡旋的海表温度（Sea SurfaceTemperature,简称SST）与海表风速之间不仅存在同位相的正相关关系,还存在反位相的负相关关系,即在涡旋这种中尺度上既存在海洋对大气的强迫,也存在大气对海洋的强迫。海表风速与SST同位相时,对暖（冷）涡来说,向上（下）的净热通量增强,云和降水增多（减少）;其海水温度异常和海流旋度较强,暖（冷）涡较为深厚,一定程度上表明了海洋对大气的强迫。海表风速与SST反位相时,对暖（冷）涡而言,当其处在正（负）位势高度异常、中低层相对湿度较小（大）、气温较高（低）的大气配置下,海表风速较小（大）;同时向下（上）净热通量增强,云和降水减少（增多）;涡旋海水温度异常和海流旋度较弱,这种暖（冷）涡较为浅薄;表明晴空（阴雨）条件下有利于暖（冷）涡的维持,一定程度上反映了大气对海洋的强迫作用。     

尘卷风的形成、结构和卷起沙尘过程的数值研究

文中应用数值算法对尘卷风的发展过程进行了模拟计算与分析。通过模拟计算得到了尘卷风的内部详细结构和运动过程。研究表明尘卷风是由于地面局部增热不均匀而形成的一种特殊的旋转对流运动。在尘卷风形成的过程中 ,外围空气通过贴近地面的薄层被地面加热后流向中心部位 ,外围空气的旋转能量在中心部位得到加强形成尘卷风 ,其旋转能量是热泡原来具有的旋转能量的局部集中和一部分势能转化而形成的 ,其旋转方向是由热对流泡的初始旋转方向所决定。尘卷风是一种类兰金涡 ,旋转速度和压力的分布具有兰金组合涡的特点 ;在成熟阶段 ,尘卷风的详细结构可以粗略地分为 4个区域———地面附近的气流汇聚区域、柱状的涡核区域、旋风与地面作用形成的转角风区域以及涡核外部的外围气流区域。转角区域可以细分为两个子区域———外围的方位角风区域(在该区域 ,上升气流运动方向与轴线之间有一定的夹角 ,称为方位角 )和中心的下沉停滞气流区域。尘卷风中心的低压和急速的上升气流可使大量沙尘扬起 ,不同直径的沙尘颗粒在尘卷风的作用下运动轨迹不同 ,因此卷起不同大小沙尘的尘卷风的外形也是不同的。     

高云与高层垂直速度关系的个例研究II·动力学分析

观测表明,高云的夏季块状分布和冬季带状分布,与低层赤道辐合带的夏季与冬季的形状十分相似;并且卷云和卷层云可以独立于深对流单独存在。作者对这两个观测分析结果进行动力学分析,结论如下:1)由于印度洋北面是青藏高原与亚洲大陆,夏季不能在北面副热带地区形成反气旋,从而印度洋赤道北面为西南气流,导致了赤道辐合带在该地区断裂并且相应的深对流在亚洲季风区的块状分布。2)利用斜压超长波理论,将Rodwell等的亚洲季风单向模型(即非绝热加热导致季风形成)作了修改,扩展为双向闭合模型。印度洋跨赤道偏南风产生大范围水汽辐合,其与地形的共同作用,产生了降水云系的高层加热,由于Sverdrup涡度平衡关系,导致了低层的偏南风而形成了一个相互作用的闭合过程,从而表明了亚洲夏季风是准定常的。3)通过详细分析涡度方程,证明除了恰好在赤道上之外,赤道辐合带上的水平辐合均会产生涡,并且这些涡由点涡(涡度的奇异部分)与各种尺度的涡(涡度的正则部分)组成。正涡度对应于云区,负涡度对应于晴空区,与赤道辐合带(ITCZ)的观测结果一致。4)由于辐合和切变产生涡,得到赤道辐合带和深对流的带状准定常维持的动力机制,即:由于赤道辐合带的辐合,其南北风辐合与东西风切变将产生涡,其与水汽的共同作用产生了深对流的上升降水云系,而降水云系的潜热诱导上升,进一步加强了水平辐合,从而表明了赤道辐合带的带状准定常维持的中介是不同尺度的涡。5)卷云和卷层云可以独立于深对流的原因是热带卷云和卷层云与流场是可以互相激发的,深对流不是其唯一的源。     

The Effects of Strong Ageostrophic Outflows on the Formation of Surface Mesoscale Pressure Systems in Squall Lines

Based on the previous study of the streamline field triggered by singularities in a two-dimensional potential flow,the wind ficld caused by vorticity lines in an incompressible flow is deduced in this paper.The result shows an elliptic cyclonic(anticyclonic)circulation in association with a positive(negative)vorticity line.By use of the shallow-water model,the flow fields are simulated in a weak wind background under the influence of mesoscale vorticity lines.In the case of two vorticity line,one positive and the other negative,a mesoscale vortex couplet forms in the flow.When three vorticity lines are considered,three mesoscale circulations develop,and a mesohigh and two mesolows similar to the thunderstorm high,wake low and pre-squall mesolow of a mature squall line are produced.Theoretical analysis and numerical simulations show that the formation of the surface mesoscale pressure systems in squall lines may be partly attributed to the dynamical effects of the ageostrophic outflows.The strong downdrafts under the thundercloud base of the squall line lead to surface ageostrophic outflows,and produce positive-negative-positive arranged vcrtical vorticity bands(VBs)along the direction normal to the squall line,then the mesoscale circulations develop and mesoscale pressure systems form or strengthen during the geostrophic adjustment.By use of the scale separation method,this dynamic mechanism is confirmed by a case study of a severe storm passing over eastern China on 17 June 1974.     

Vorticity budget investigation of a simulated long-lived mesoscale vortex in South China

A vorticity budget investigation is performed using the output data from a numerical simulation of a typical MCV (mesoscale convectively generated votex) case in South China. Results suggest that the divergence caused by convection in the low troposphere is the main producer of positive vorticity, while vertical vorticity transferred by the tilting term from the horizontal vorticity compensates the upward output of cyclonic vorticity. Scale analyses of the vorticity equation suggest that the advection of planetary vorticity can be neglected owing to the low latitude, which is different from the larger scale systems in high latitude areas. In addition, the distribution of relative vorticity tendency on pressure level is not uniform. A vortex will move along the vector from the negative to the positive vorticity tendency region. The mechanism of the phenomenon-that nearly all of the convectively ascending region is located southward/southeastward of the vortex center-is also discussed. Convergence with regard to latent heat release would be in favor of the spin-up of meso-vortex, however, the horizontal vorticity caused by windshear is tilted by vertical motion due to convection. Consequently, the negative and positive vorticity tendencies are located symmetrically about the convective center, which suggests that the vortex southward movement is dynamically driven by convection.     

2013年5月河南一次大暴雨成因分析及数值预报检验

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,分析了2013年5月25日08时--26日08时河南大暴雨过程的成因,对主要物理量因子的T639预报场进行检验。结果表明：强正涡度平流促使中高空低涡移动、地面低压发展成气旋,最强暴雨区与中高空低涡位置相对应。θse等值面坡度加大使气旋性涡度剧烈增长,产生强烈的上升运动。高空辐散与低空辐合叠加,有利于上升运动加强维持。低空气流带来充沛的水汽,大量水汽辐合有利于产生暴雨。运用正负符号一致率、相关系数和平均距离系数检验T639数值预报产品的结果表明,垂直速度预报最优,其次是涡度、散度、涡度平流预报。水汽通量、假相当位温2412h预报产品参考价值较大。     

A Study on a Heavy Rainfall Event Triggered by an Inverted Typhoon Trough in Shandong Province

A heavy rainfall event that occurred in Shandong Province in 26 28 August 2004 was caused mainly by Typhoon Acre and cold air activities related to a westerly trough. The event was triggered by an inverted typhoon trough, which was closely associated with the intensification of the low-level southeasterly flow and the northward transport of heat and momentum in the periphery of the typhoon low. A numerical simulation of this event is performed using the nonhydrostatic mesoscale model MM5 with two-way interactive and triply-nested grids, and the structure of the inverted typhoon trough is studied. Furthermore, the formation and development mechanism of the inverted typhoon trough and a mesoscale vortex are discussed through a vorticity budget analysis. The results show that the heavy rainfall was induced by the strong convergence between the strong and weak winds within the inverted typhoon trough. Dynamic effects of the low-level jet and the diabatic heating of precipitation played an important role in the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex. The vorticity budget analysis suggests that the divergence term in the low troposphere, the horizontal advection term, and the convection term in the middle troposphere were main contributors to positive vorticity. Nonetheless, at the same pressure level, the effect of the divergence term and that of the adveetion term were opposite to each other. In the middle troposphere, the vertical transport term made a positive contribution while the tilting term made a negative contribution, and the total vorticity tendency was the net result of their counteractions. It is found that the change tendency of the relative vorticity was not uniform horizontally. A strong positive vorticity tendency occurred in the southeast of the mesoscale vortex, which is why the heavy rainfall was concentrated there. The increase of positive vorticity in the low （upper） troposphere was caused by horizontal convergence （upward transport of vorticity from the lower troposphere）. Therefore, the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex were mainly attributed to the vorticity generated in the low troposphere, and also the vertical transport of vorticity from the low and middle troposphere.     

THE TOPOGRAPHIC PARAMETER SENSITIVITY TO VORTICITY PROPAGATION AND TYPHOON TANGENTIAL VELOCITY CHANGES

1 INTRODUCTION Being one of the important factors that govern the track and intensity change of the tropical cyclone (TC) [1, 2], topographic features are closely related with topographic parameters and the speed of latitudinal flows. As shown in a statistical study by Brand et al., with its passage through the islands of the Philippines, the TC begins to decrease the mean maximum surface wind speed from 47 m/s to 45 m/s 4 hours before reaching the Philippines. They also find that when …     

城市街道峡谷对称性对内部气流场的影响研究

应用雷诺应力湍流模型,模拟了不同高度比的城市街道峡谷的气流场。结果表明:峡谷的对称性对其内部气流场有显著影响。前高后低型峡谷下部为逆时针旋涡,上部为顺时针旋涡,峡谷越深,流场发展的越充分;峡谷内部墙面存在明显的驻点。前低后高型峡谷只存在一个大的顺时针旋涡,随着峡谷的加深,内部气流速率有减小的趋势;峡谷达到一定深度后出现驻点。对称型峡谷内部形成了顺时针旋涡,强度不大;随着峡谷的加深,内部流场转为一顺一反2个旋涡的二元结构;仅当峡谷很深时才出现明显驻点。前低后高型峡谷的气流场形式更有利于污染物的迁移、扩散,在城市规划中应尽量结合主导风向设计这类建筑布局。