基于波谱方法的湖北冬季两次长持续低温雨雪天气分析

使用NCEP资料,利用波谱方法,分析了湖北省1954年12月26日至1955年1月18日和2008年1月11日至2月1日两次长持续低温雨雪天气过程的物理量波谱演变。结果发现:(1)40°N纬圈优势波由4波转2波且纬向动能高值区位于35°N时,有利于湖北省维持低温雨雪天气;(2)低温雨雪过程开始前,高纬和低纬分别有纬向动能高值区,过程结束前,35°N纬向扰动动能高值中心或北跳或南移;(3)低温雨雪过程开始前,30°—35°N的长波角动量先辐合,超长波角动量后辐合,过程开始后,35°—55°N负的超长波角动量转正。     

春夏季节过渡期间北半球500百帕能量变化的波谱分析和研究

本文利用1972-1982年5月初-7月底春夏季节过渡期间北半球500百帕高度资料计算有关能量谱、角动量输送谱和扰动动能向平均动能转换率谱,分析了大气环流由春到夏季节过渡期间能量谱变化特征及过渡前后特征差异,并揭示了它们与初夏中期主要天气过程-梅雨天气过程的关系。结果表明由春到夏季节过渡前后,对流层中层扰动动能谱和大气波能密度均有显著变化,大气波能密度值有个急剧减弱过程,经向扰动动能集中的波数由超长波向长波转移,55、45、35°N角动量输送平均辐散也有明显转折,这些是春夏二种不同流型在能量学上的基本差异点。对流层中层扰动动能向平均动能转换率谱在季节过渡前后也有显著不同:过渡前高纬强于中纬;而过渡后中纬转换明显增强,并大大超过高纬。大气环流由春到夏的季节过渡,一般由一次或二次长波急剧发展来完成。在大型环流转变上对应为一次副热带高压明显北跳加强及西风带迅速北撒减弱,在天气表现形式上江淮流域对应为梅雨这种大型天气过程的出现。      

1996年江苏梅雨期暴雨与500hPa高度场波谱特征分析

本文利用EC北半球500hPa5* 5网格点资料,计算了1996年梅雨期80°N-25°N各纬度带上波谱参数Ik、平均纬向动能Eu(k)、平均经向动能Ev(k)和角动量输送Jk。结果表明,梅雨期内中高纬度超长波向长波调整,且这种调整涉及到较低纬度上发生长波调整或长波增长,江苏就有一次暴雨过程发生。这种波的调整在动能场上表现为长波经、纬向动能迅速增长,扰动加强。另外,副热带角动量南北输送的转换和向南输送的明显增长,对暴雨发生有重要作用。     

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.     

夏半年青藏高原及邻近地区重大天气过程的能量学特征分析

本文应用波数域能量方程,对夏半年青藏高原3次重大天气过程合成分析,得出了连续20天左右的正压能量学中期物理变化过程.其主要特征为:(1)过程前中纬度和中低纬度6波动能迅速增长、发展,紧接着8波脉冲,且其能量主要由平均动能转换、波与波相互作用和净边界通量输送等获得.(2)在过程期间6波仍再次担当主要角色,并逐渐向超长波反串,其来源除L_1(n)外,还来源于平均动能转换率M_1(n).值得指出的是,低纬度净边界通量项BL_1(n)向中纬度的输送是其不可缺少的重要来源.(3)波与波相互作用项L_1(n)随时随波数在中低纬度呈现顺串的演变过程,而在中纬度却呈现反串的演变过程.     

能谱分析在暴雨中期预报中的应用

本文分析了我省暴雨天气发生前期５００ｈＰａ扰动动能、角动量输送谱的演变特征，指出暴雨天气发生前扰动动能在长波（４～６波）有一高能中心形成，而角动量输送在中纬度有强烈的辐合中心，并建立了暴雨天气的中期能谱预报模型。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

夏季东亚阻塞高压形成维持的波数域动能分析

用波数域动能方程分析了1986年夏季东亚阻塞高压的形成、维持和衰退过程。发现该夏季代表阻塞高压的波动是5波（长波）,而不是2波（超长波）。在阻高形成和维持阶段,波与波非线性相互作用向5波输送动能,使5波动能增大;而波与平均流的相互作用则使5波动能减小。在阻高维持阶段,有效位能向5波转换动能,维持阻高。波与平均流的相互作用却使5波维持。在阻高衰退阶段则完全相反,波与波相互作用项以及有效位能与动能转换项均为负值,使5波动能变小,阻高衰退。而波与平均流相互作用,却使高纬西风减小,有利阻高维持。     

浙江区域性暴雨过程的能谱特征及其中期预报

一次区域性暴雨过程从酝酿到发生,其环流背景发生调整转换,整个过程以超长波与长波在中、低纬一致西退、及超长波衰减、长波增值为特征。与此同时,表征大气能量变化与相互转换的能谱也有一次相应的调整变化过程。本文试从浙江区域性暴雨中期过程中的经向与纬向扰动动能以及扰动动能与平均动能转换率的变化特征,分析其与暴雨的关系,并获得暴雨过程中期预报的依据。     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

两个相似路径台风残余造成局地特大暴雨的成因机制和能量收支对比分析

本文利用ERA-Interim 0.5°×0.5°再分析资料、自动站小时和分钟加密资料、风云2G（FY-2G）卫星红外云图及多普勒雷达和风廓线雷达资料对2015年路径高度相似的“苏迪罗”和“杜鹃”台风在浙江沿海引发的局地特大暴雨进行对比分析。这两次降水过程都是在台风减弱为热带低压甚至残压并深入内陆远离浙江沿海后发生的。结果表明,“苏迪罗”降水过程是由低层强东南和偏南急流长时间辐合加上有利地形共同作用导致的;经向环流背景下来自季风持续的水汽输送有利于“苏迪罗”维持较长的生命史和稳定的降水。“杜鹃”残压特大暴雨的触发系统则是高纬地面冷高压底部的东东北出流南下与“杜鹃”北象限的东东南风交汇形成的中尺度倒槽;纬向环流和强盛副热带高压造成的弱引导气流及夏季风南撤和低涡卷挟造成的水汽通道断裂是“杜鹃”登陆后快速减弱为残压和降水维持时间较短的原因。两次台风降水过程中均无外部动能输送和来自有效位能的动能转换。动能收支的主要影响因子为中低层局地次网格运动间的能量转换、旋转风和散度风效应及下垫面的摩擦耗散。所以,虽然“杜鹃”的对流有效位能很小,但仍可造成强对流和特大暴雨。此外,降水过程中释放的凝结潜热造成的局地非绝热加热使气柱中显热能大量累积,促使地面中小尺度涡旋和倒槽不断加深,造成降水的增幅。     

一次梅雨锋暴雨的边界层热通量输送与湍流动能收支分析

利用中尺度WRF模式对于2007年7月一次典型的梅雨锋暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,对于边界层内的热通量输送和湍流动能的时空变化特征,以及湍流动能各收支项的分布及变化特征进行了分析。结果表明,降水发生时段内边界层热通量和湍流动能的时空分布特征与晴空日变化特征表现出显著不同,潜热通量随高度自下而上呈现"正—负—正"的分布,感热通量以负值为主,负值中心高度与潜热通量由负转正的高度相对应,湍流动能的发展高度与持续时间都有所增加,降水区近地面湍流动能弱于其他区域,但是在468 m以上高度则显著强于其他区域。降水区湍流动能的来源主要是平均风切变所产生的机械湍流,浮力作用与粘性耗散在降水期间消耗湍流动能,湍流输送作用将低层的湍流动能输送至较高的高度,使低层减小而高层增大,临界高度与湍流动能的大值中心高度对应。     

6月连阴雨500hPa波谱特征分析

本文应用５００ｈＰａ波谱资料分析了８次连阴雨过程．分析表明，中纬度（５０°Ｎ）的波谱特征主要表现在超长波１～３波的相互转换，转换时位相（脊）主要在西欧和乌拉尔山．连阴雨主要在超长波ｌ波的控制下发生．连阴雨期间优势波常向长波转换．阴雨结束时在超长波优势控制下位相西退，长波优势下则相反。低纬度（２０°Ｎ）主要的特征是２波优势，当２被减弱时位相西遇阴雨结束。阴雨前５～６波有增值现象。     

TOVS／MSU－ch．2亮温的中尺度天气特征环境

将ＮＯＡＡ－１１探测仪ＴＯＶＳ／ＭＳＵ－ｃｈ．２亮温，对照分析四川省（２０°－４０°Ｎ，９０°－１１０°Ｅ）境内１９８９年７月７日到１２日几次重复出现的中尺度云团发展和降水过程，得到两点看法：①ＭＳＵｃｈ．２亮温可能表示７００ｈＰａ附近中尺度天气的一种特征环境；②强中尺度对流云团可能在ＭＳＵ－ｃｈ．２亮温分布的相对低值到高值过渡带内强烈发展，有时偏向高值区出现降水天气．     

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。     

大暴雨的多普勒资料分析

１９９７年７月１７日,潮汕地区普降暴雨～大暴雨,大暴雨中心落在汕头市区,日雨量１０９－５ｍｍ。这次大暴雨过程的特点是：雨势强,主要降水时段出现在午夜～凌晨,０４～０５时一小时最大雨量达４０－７ｍｍ,另一降水时段出现在１７日午后。１　多普勒资料分析　　从本次大暴雨过程多普勒雷达资料分析,降水主要分成两个阶段。第一阶段从１７日午夜至凌晨,该时段是全过程雨量的高峰,一小时最大雨量４０－７ｍｍ。在降水发生前,有来自不同方向的降水回波向测站汇集,测站东南方辐合带弧状降水回波强度为３５～４０ｄＢｚ,以３０ｋ…     

30—50天振荡动能演变及维持机制的诊断分析

本文采用带通滤波的方法,选取赤道附近(5°S—5°N,80—120°E)和中纬度区域(40—BO°N,140—180°E)的平均量作为研究对象,分析动能平衡方程各项的时间演变特征、季节平均的垂直分布特征以及各作用项与动能变化的可能联系。指出30—50天振荡动能的维持主要与平流作用和平均气流的正压相互作用有关,但其输送在赤道和中纬度地区恰好是反方向的。赤道地区是振荡的源,振荡从基本流中获得能量,同时通过平流作用向外输送,振荡动能对各项作用的响应为5—7天;中纬度地区是振荡的汇,向基本流中输送能量,动能变化对各项作用的响应为2—3天。      

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尺度过程则消耗区域的功能；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。     

梅寸涡旋与环境场动能的相互作用

选取１９９１年７月长江中下游地区一次梅雨涡旋暴雨过程，对实测资料用Ｂａｒｅｎｓ尺度分离方法经自适应技术处理后，应用动能相互作用方程组，计算得出发展阶段和成熟阶段涡旋区内对流层高、中、低各层次天气尺度和次天所尺度系统的动能源汇以及相互作用过程，尤其看到两种尺度流场和质量场之间相互作用制造的动能向两种尺度系统转换，故它是一个促使系统发生发展的能量学标志。     

30—50 天振荡动能特性及其与平均气流正压不稳定能的转换

该文利用冬季500 hPa的欧洲中心（ECMWF）网格点逐日资料，分析了30—50天振荡的E矢量分布、动能特性及平均气流的正压不稳定能转换特征，从而得到:30—50天振荡的能量传播与西风急流的位置有密切的关系，在西风大风速区作纬向能量传播，在小风速区作指向赤道的经向传播；在急流的出口区有较强的正压能转换，低频振荡从基本流中获得能量，使这里的低频动能最大，并表现出较强的正压特性，与低纬度的斜压特性形成鲜明对照。