地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的f平面准地转正压涡度方程，实施5组积分时间长度为72h的试验，研究了中尺度地形对涡旋自组织的影响。结果指出：无地形时，准终态涡是一个带有螺旋带的类似台风的涡旋；有地形时，准终态涡是一个无螺旋带但有两个低涡量区的准圆形涡旋。有无地形两个准终态涡中心的位置可以相距100km以上。     

不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的准地转正压模式,研究了不同初始涡廓线对涡旋自组织的作用。结果表明：初始涡廓线的不同,不仅可以影响到自组织的过程,而且可以影响到自组织起来的准终态涡的性质。     

小尺度系统对涡旋自组织的影响

在涡旋自组织动力学的框架内,利用．厂平面准地转正压模式讨论小尺度涡旋系统对两个中β尺度涡旋的自组织过程的影响。4组数值试验表明：小尺度涡旋的存在,可能会改变双涡相互作用的终态,使原本不合并的两个涡旋组织起来;双涡相互作用的终态对小尺度涡旋的初始位置敏感;存在“Z”型敏感区域,当小尺度涡旋出现在这一区域时,就有可能改变双涡相互作用的终态;小尺度涡旋对双涡相互作用产生影响需具备4个条件,即初始位于敏感区内,有足够的强度,距离适当且生存时间足够长。     

随机分布的小尺度涡对涡旋自组织影响的研究

以往双涡相互作用的动力学一般都在决定性的框架内研究。文中用一个平流方程模式,实施积分时间为30 h的8组试验,分析决定性和随机性共存系统中双涡相互作用和涡旋自组织的问题。随机性通过以下方式引入模式:先用Iwayama方案生成随机分布的小尺度涡,再将这些小尺度涡加入初始场。试验中,初始随机分布小尺度涡的强度参数K分别取0.0、0.4、0.6、0.8和1.0。结果表明,没有小尺度涡的条件下(K=0.0),初始分离的两个β中尺度涡逆时针互旋,其准终态流型是两个分离的涡;引进小尺度涡后,K取0.8、1.0时,初始分离强度相同的两个β中尺度涡,逐渐形成主次之分。主涡将次涡拉伸成为螺旋带,其准终态流型是一个自组织起来的类似于台风环流的涡旋。准终态涡中心的相对涡度值随K值的加大而加大。结果还表明,准终态流型不仅与初始小尺度涡的强度参数有关,而且与初始小尺度涡的分布有关。此外,在相同初始场的情况下,还实施了3类不同边畀条件的试验:第1类,在东西边界取周期条件,在南北边界取固定条件;第2类,在所有边界均取固定条件;第3类,在所有边界均取周期条件。这3类试验的准终态流型相同,都显示出一个类似于台风涡旋的环流。根据这些结果可以初步认为,涡旋自组织的研究从决定性动力学向随机动力学的过渡是值得探索的。     

多涡自组织的初步研究

在涡旋自组织动力学的框架内,用f平面二维准地转模式研究了初始场上不规则分布的由12个β和γ中尺度涡构成的涡群如何自组织成一个较大涡旋的问题。结果表明,多涡自组织是一个逐次合并的过程,开始时是相邻双涡的合并,然后形成三涡流型,最后才形成一个α中尺度的终态涡。因此,多涡共存条件下的双涡作用,是多涡自组织的一个基本的物理过程。初始场上的每一个涡或涡块,主要有两类“前景”,一是其涡量与相邻涡涡量合并,成为新的一个涡的内区的涡量来源;二是被相邻涡的环流拉伸,成为新的一个涡的螺旋带涡量的来源。每一个新的涡,类似地也有这两类前景,直至惟一的一个较大尺度的涡自组织起来。初始涡结构描述精度不同,自组织过程中涡互旋和涡合并的速率均会不同,终态涡内区涡量来源也不相同,说明准确给出初始涡群涡结构特征十分重要。最后指出了二维准地转流自组织过程数值解的一个属性,即总动能缓慢衰减,总涡度拟能迅速衰减,最大尺度涡旋的环流迅速加大。     

多尺度系统中台风自组织的研究

在一个4种尺度(副热带高压、台风、β中尺度涡群和γ中涡尺度)共存的系统中,用正压原始方程模式数值地研究台风自组织及其强度变化问题。结果指出:(1)由于多尺度的相互作用,在初始台风衰减的过程中,在该台风的西南方经自组织形成了一个新的台风,其尺度、强度与初始台风相同。在初始台风衰减消失后,新的台风维持一定的强度继续向偏西北方向移动。(2)初始γ中涡的个数和位置对自组织起来的台风的强度有显著影响。其影响机制是非线性相互作用的结果在不同尺度层次的传递。γ中尺度层次或γ中—β中层次的相互作用直接影响到β中层次涡作用的结果,或者使双β中涡合并,或者使双β中涡分离。β中涡层次的相互作用直接影响到台风层次———新台风自组织的过程。这种影响最后反映到自组织起来的台风的强度和路径变化的宏观行为。     

非轴对称双涡相互作用的研究

在平流动力学的框架内,用准地转正压涡度方程模式实施了19组试验,研究双涡合并的条件及较大尺度涡旋自组织的问题。结果指出:(1)存在着两个影响双涡合并的因素,即初始双涡中心之间的距离和初始涡旋的非轴对称分布。初始两个对称涡旋合并具有明显的临界距离效应,但初始两个非轴对称涡旋能否合并还受到初始涡旋的非对称结构的复杂影响。(2)存在着两类不同的较大尺度涡旋的自组织过程,形成较大尺度涡旋。第一类,初始两个涡旋相同,均呈轴对称分布。双涡作用经历了缓变、快变,以及涡量羽翼的生成、拉伸和发展的过程,合并后呈对称性流型;终态涡内区涡量的堆积来源于两个初始涡,终态涡外区的螺旋带来源于两个初始涡外缘线涡量羽翼的拉伸。第二类,初始两个涡旋不同,一个为椭圆型,一个为偏心型,均呈非轴对称分布。双涡作用中,椭圆涡一边互旋,一边向计算区域中心靠近,同时涡量范围加大,形成了终态涡的内核区;偏心涡一边互旋,一边被不断拉伸,形成了终态涡的螺旋带区;表现出终态涡内区的涡量堆集来源于椭圆涡,终态涡外区螺旋带主要来源于偏心涡的反复拉伸及断裂的特性。     

初始涡的结构与尺度对涡旋自组织影响的研究

在涡旋自组织动力学的框架内,实施了9组积分时间为72 h的试验,分析初始涡廓线与初始涡尺度对多涡自组织的作用。试验的初始场上,存在着12个大小不等的β和γ中尺度的涡。若初始涡廓线为高斯型,则这些涡不能自组织形成一个α中尺度的涡;若初始涡廓线为双正弦型、抛物线型或压缩型,则这个α中尺度的涡可以形成。此外,涡廓线不同,三涡流型出现的时间迟早不一,较大尺度α中尺度涡出现的时间也迟早不一。同时,初始涡的半径大小也是影响自组织过程成败的一个重要因素。     

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

一个β中涡对双台风相互作用影响的物理过程

利用高分辨率f平面正压拟谱模式,分析一个β中尺度涡对双台风相互作用影响的物理过程。结果表明：β中涡的存在可以使原本排斥的两个DeMaria型台风涡旋合并;β中涡改变双台风相互作用终态的物理机制是：初始时段处于某一台风涡旋正影响区内的β中涡,构成了非对称涡度场,进而在该台风涡旋内部产生指向另一个台风涡旋的气流。该气流如果足够强,则会使两个台风的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内,触发双涡合并过程的发生。     

An Investigation into Effect of Randomly Distributed Small Scale Vortices on Vortex Self-Organization

Previous studies concerning the interaction of dual vortices have been made generally in the determin-istic framework. In this paper, by using an advection equation model, eight numerical experiments whose integration times are 30 h are performed in order to analyze the interaction of dual vortices and the vortex self-organization in a coexisting system of deterministic and stochastic components. The stochastic compo-nents are introduced into the model by the way that the Iwayama scheme is used to produce the randomly distributed small-scale vortices which are then added into the initial field. The different intensity of the small-scale vortices is described by parameter K being 0.0, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0, respectively. When there is no small-scale vortex (K=0.0), two initially separated meso-beta vortices rotate counterclockwise mutu-ally, and their quasi-final flow pattern is still two separated vortices; after initially incorporating small-scale vortices (K=0.8, 1.0), the two separated meso-beta vortices of initially same intensity gradually evolve into a major and a secondary vortex in time integration. The major vortex pulls the secondary one, which gradually evolves into the spiral band of the major vortex. The quasi-final flow pattern is a self-organized vortex with typhoon-like circulation, and the relative vorticity at its center increases with increasing in K value, suggesting that small-scale vortices feed the self-organized vortex with vorticity. This may be a pos-sible mechanism responsible for changes in the strength of the self-organized vortex. Results also show that the quasi-final pattern not only relates with the initial intensity of the small-scale vortices, but also with their initial distribution. In addition, three experiments are also performed in the case of various boundary conditions. Firstly, the periodic condition is used on the E-W boundary, but the fixed condition on the S-N boundary; secondly, the fixed condition is set on all the boundaries; and thirdly, the periodic condition is chosen on all the boundaries. Their quasi-final flow patterns in the three experiments are the same with each other, exhibiting a larger scale typhoon-like circulation. Based on these results mentioned above, authors think that the transition of vortex self-organization study from the deterministic system to the coexisting system of deterministic and stochastic components is worth exploring.     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

An Investigation into Effect of Randomly Distributed Small Scale

Previous studies concerning the interaction of dual vortices have been made generally in the deterministic framework. In this paper, by using an advection equation model, eight numerical experiments whose integration times are 30 h are performed in order to analyze the interaction of dual vortices and the vortex self-organization in a coexisting system of deterministic and stochastic components. The stochastic components are introduced into the model by the way that the Iwayama scheme is used to produce the randomly distributed small-scale vortices which are then added into the initial field. The different intensity of the small-scale vortices is described by parameter K being 0.0, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0, respectively. When there is no small-scale vortex （K=0.0）, two initially separated meso-beta vortices rotate counterclockwise mutually, and their quasi-final flow pattern is still two separated vortices; after initially incorporating small-scale vortices （K=0.8, 1.0）, the two separated meso-beta vortices of initially same intensity gradually evolve into a major and a secondary vortex in time integration. The major vortex pulls the secondary one, which gradually evolves into the spiral band of the major vortex. The quasi-final flow pattern is a self-organized vortex with typhoon-like circulation, and the relative vorticity at its center increases with increasing in K value, suggesting that small-scale vortices feed the self-organized vortex with vorticity. This may be a possible mechanism responsible for changes in the strength of the self-organized vortex. Results also show that the quasi-final pattern not only relates with the initial intensity of the small-scale vortices, but also with their initial distribution. In addition, three experiments are also performed in the case of various boundary conditions. Firstly, the periodic condition is used on the E-W boundary, but the fixed condition on the S-N boundary; secondly, the fixed condition is set on all the boundaries; and thirdly, the periodic conditio     

A study of the effect of topography on the merging of vortices

Eight sets of numerical experiments are performed in 48 hours of integtation by using a barotropic primitive equation model with a topographic term so as to investigate the effect of topography on the merging of vortices. It is pointed out that the introduction of topography may change the track of vortices,and it causes the low vortices and vorticity lumps to be detained on the southeast side of the topography,thus creating a favorable condition for the merging of the low vortex and vorticity lumps. It is also shown that the effect of topography may cause double mergers of vortices in a horizontally shearing basic flow,and it can strengthen the low vortex remarkably.     

四川地形扰动对降水分布影响

引入一维加权平均的谱分析方法定量研究四川地形强迫对该区域降水分布的影响。结果表明:纬向地形和冬季降水谱峰锁相于同一波长（475.8 km）,呈共振关系,地形与其他季节降水呈漂移关系,这与经向和纬向上环流变动有关,即冬季纬向环流占主导,纬向地形触发的大气波动对冬季降水策动作用大;夏季降水是各种不同尺度系统相互作用的结果,地形是重要因素之一。经向和纬向地形特征尺度分别为296.8 km和475.8 km,反映了地形强迫的中尺度特征,且纬向地形谱峰比经向大1个数量级,纬向强迫更明显。夏季降水谱峰比冬季大2个数量级,降水系统纬向特征尺度比冬季小约150 km,说明夏季在纬向地形强迫下,降水系统尺度减小的同时其强度大大增加,这在一定程度上可以解释中尺度对流性降水在夏季偏多。四川夏季最大降水位于雅安地区,其地形扰动比四川整体扰动更明显,故产生的降水也更大。夏季降水和经向地形锁相于同一波长（37.1 km）,经向地形对雅安夏季强降水起关键作用。     

2016年GRAPES_TYM改进及对台风预报影响

为了进一步提高国家气象中心区域模式台风数值预报系统（GRAPES_TYM）的预报能力,2016年对模式参考大气廓线以及涡旋初始化方案进行了改进:由模式初始场水平方向平均的一维参考大气代替原来的等温大气,涡旋初始化方案取消了原涡旋重定位并将涡旋强度调整半径由原来的12°减小到4°。对2014—2016年的生命史超过3 d的所有台风进行了回算,路径及近地面最大风速统计误差分析表明:参考大气的改进可以减小模式对台风预报路径预报的系统北偏和平均路径误差,尤其是140°E以东的转向台风。涡旋初始化方案中强度调整半径的减小会进一步减小模式预报路径的北偏趋势,从而进一步减小平均误差。同业务系统预报结果相比,改进后的GRAPES_TYM（包括参考大气和涡旋初始化）可以使平均路径误差分别减小10%（24 h）,12%（48 h）,16%（72 h）,14%（96 h）以及15%（120 h）。同美国NCEP全球模式路径预报相比,GRAPES_TYM在西行、西北行登陆我国的台风路径预报有一定优势。     

Vortex erosion in a shallow water model of the polar vortex

The erosion of a model stratospheric polar vortex in response to bottom boundary forcing is investigated numerically. Stripping of filaments of air from the polar vortex has been implicated in the occurrence of stratospheric sudden warmings (SSWs) but it is not understood in detail what factors determine the rate and amount of stripping. Here a shallow water vortex forced by topography is used to investigate the factors initiating stripping and whether this leads the vortex to undergo an SSW. It is found that the amplitude of topographic forcing must exceed some threshold (of order 200–450 m) in order for significant stripping to occur. For larger forcing amplitudes significant stripping occurs, but not as an instantaneous response to the forcing; rather, the forcing appears to initiate a process that ultimately results in stripping several tens of days later. There appears to be no simple quantitative relationship between the amount of mass stripped and the topography amplitude. However, at least over the early stages of the experiments, there is a good correlation between the amount of mass stripped and the global integral of wave activity, which may be interpreted as a measure of the accumulated topographic forcing. Finally there does not appear to be a simple correspondence between amount of mass stripped and the occurrence of an SSW.