用三点法计算散度和涡度所出现的计算误差试验

本文用我国74个高空观测站联结成三角形网,并用不同波长和位相的理想风场,准确地检验了三点法汁算散度和涡度所可能出现的计算误差。结果证明了三点法所计算的散度值,其误差可达到或超过天气系统散度的数量级,所得到的天气尺度和中尺度特征完全有可能是虚假的。涡度场值也可能存在很大的误差。     

单部多普勒雷达反演三维风场涡度—散度方法的初步研究

涡度－散度反演三维风场的方法是在反演二维风场的涡度－散度方法基础上发展得到的。其基本做法是将垂直方向的涡度方程适当简化，结合涡度和散度的定义，再以连续方程为约束，计算出风场三个方向的分量以及涡度，散度，从而反演到三维风矢量场。初步的试验资料检验结果表明，它是一种具有实用前景的三维风场反演方法。2000年，作者考虑了降水粒子的下落速度对垂直速度的影响，将该方法进一步完善。     

运用地理参数计算平均涡度、散度

用“三站法”——三站实测风简便计算涡度、散度时，会遇到数据量大．不便于自动化处理，计算精度受人为因素制约等问题．为配合地级预报自动化系统建设，特引入测站地理经度、纬度参数，使计算的涡度、散度更趋于客观，数据量减少，便于计算机自动化处理。     

登陆台风莫拉克(2009)的涡度拟能收支分析

利用涡度拟能、散度平方项(简记为散度能量)和总变形平方项(简记为变形能量)来表征涡度、散度和变形的强度,并推导这3个物理量的倾向方程。这些方程中既包含代表这些物理量相互转化的符号相反项,也含有代表共同强迫的符号相同项,其中,涡度拟能局地变化主要由涡度拟能与变形能量的共同强迫项、涡度拟能与变形能量的转化项以及涡度拟能与散度能量的转化项组成。针对2009年第8号台风莫拉克,利用美国全球预报系统分析场资料计算这些方程中的强迫项,分析涡度拟能及其收支特征,以此来探讨影响台风莫拉克涡度拟能局地变化的主要物理因素。结果表明,在莫拉克发展和衰减阶段,涡度拟能与变形能量的共同强迫项(涡-形相同项)和涡度拟能与散度能量的转化项(涡-散转化项)是影响涡度拟能局地变化的重要强迫项。涡度拟能与变形能量转化项(涡-形转化项)的贡献相对来说弱一些。影响位涡拟能局地变化的重要物理因素是涡-形相同项和涡-形转化项中的平流输送项和散度耦合项,以及涡-散转化项中散度耦合项。变形能量一方面通过涡-形转化项向涡度拟能转化,直接促进涡度拟能增长;另一方面通过散-形转化项向散度能量转化,再通过涡-散转化项散度能量向涡度拟能转化,间接促进涡度拟能增长。     

积云对流对涡度场和散度场的反馈作用

在涡度和散度方程简要讨论的基础上,计算得出长江中下游地区暴雨过程中涡度和散度收支各项的水平和垂直分布。结果表明,雨带附近对流层高层是源、低层是汇,尤其以散度场的不平衡更为显著,可见积云对流垂直输送涡度和散度是重要过程。     

诊断量无信度时的资料误差限和诊断场无信度区的鉴别

本文用误差传递公式讨论了涡度攻度计算过程中的误差放大现象，指出放大因子的构造形式由差分方案决定，而放大因子的数值大小由流场的风向结构和风速结构决定。放大率随流场结构的变化而在很大范围内变化，致命部分区域诊断结果无信度，本文提出了散度涡度诊断结果无信度时的风场误差限概念，并相应建立了对诊断场作信度鉴别的方法。     

一次温带气旋涡度场演变特征及气旋发生发展机制分析

气旋是涡旋运动,因此相对涡度(以下简称涡度)是确切表征气旋中心位置和强度的物理量,分析气旋发生发展过程就是分析涡度的变化机理。文中采用1000 hPa地转风涡度表征地面气旋,利用常规地面观测、6 h一次的NCEP 1°×1°再分析场等资料,对2014年6月一次具有螺旋式回转路径的北方温带气旋过程进行了诊断分析。利用Petterssen地面气旋发展公式,再结合300 hPa涡度平流、散度场与850 hPa热力场的配置关系,考察了对流层中低层温度平流、500 hPa涡度平流以及300 hPa涡度平流引起的辐散对地面气旋发展的贡献。结果表明:(1)这次气旋过程中500、300 hPa存在两个正涡度区及涡度中心的替换:即在地面气旋发生发展阶段,第一个涡度中心为主要的涡度中心;在气旋减弱阶段,第二个涡度中心成为主要的涡度中心。(2)地面和高空涡度中心均以逆时针螺旋式路径移动。在地面气旋初生和发展阶段,高低层涡度中心及正涡度区呈后倾结构;当高低层涡度中心及正涡度区几乎垂直重合时,地面气旋停止发展。(3)温度平流项在气旋初生阶段起主要作用;500 hPa涡度平流决定了地面气旋的发展。(4)当300 hPa正涡度平流引起的辐散区叠加在对流层低层850 hPa斜压锋区上时,地面气旋发展。     

大气边界层中散度、涡度、铅直速度的计算

前几讲介绍的散度、涡度、铅直速度、水汽通量散度的计算,都没有考虑地形起伏和摩擦作用。很显然,这与实际情况有出入。本文介绍作上述物理量时,怎样考虑地形和摩擦等。 一、地面附近散度、涡度、水汽通量散度的计算 当地面各测站拔海高度差别较大时,则不能用第一讲中介绍的公式求散度,而应加上地形坡度的影响。这是因为辐散、辐合现象是对同一个水平面上的风场     

"96.1"暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断Ⅰ: 涡度和涡度变率诊断

利用引入三相云显式降水方案后改进和发展的中尺度模式(MM4)模拟输出资料, 对"96.1"高原暴雪切变线发生、发展的结构进行了运动学和动力学诊断.涡度场演变指出, 高原上局地涡度中心和涡度带的生成和发展不仅与暴雪切变线的形成和发展密切相关, 而且有预测切变线生成的先兆意义; 涡度场、散度场、垂直速度场与相当位温场的剖面结构诊断表明, 运动场和热力场的相互配置与耦合关系极有利于暴雪切变线发展及暴雪形成与维持; 涡度变率诊断结果指出, 涡度正变率中心带初生于暴雪切变线附近, 其时空演变与切变线生成和发展相伴的正涡度中心带垂直结构及演变基本一致.在对涡度变率贡献的诸因子中, 非线性相互作用涡度变率的相对数值最大; 时间平均涡度变率的贡献次之; 与强波扰气流有关的扰动涡度变率贡献最小.在总涡度变率的诸强迫项中, 散度项贡献最大; 水平涡度平流项次之; 垂直涡度输送项和扭转项的贡献相反, 基本上互相抵消.     

一次河北大暴雨的华北低涡结构和涡度收支分析

利用Micaps系统下常规资料、云图资料和NCEP全球再分析资料,对2004年7月11-12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了诊断分析。结果表明：200hPa西风槽、500hPa华北低涡和中低层偏东风,是这场暴雨的直接影响系统,该过程中的华北低涡为低层冷心、高层暖心结构,具有随高度向西北倾斜的特征,涡度场特征明显。暴雨区对应着深厚的正涡度区,散度场结构零乱,非高层辐散、低层辐合的配置,暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500hPa以下的东北地区,水汽的源地来自渤海,低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。水平涡度平流项和水平涡度辐散项作用相反,水平涡度辐散项对总涡度起直接作用且为正贡献,而垂直平流项对总涡度贡献比较小。     

Kinematic estimate within surface-layer thermal structures

An experiment was performed in which the horizontal divergence and vertical vorticity were estimated within thermal structures that are found in the surface layer. Ultrasonic anemometer/thermometers were mounted on top of 13 m masts on the vertices of an equilateral triangle with sides of 100 m. A planimetric method in combination with conditional averaging was used to assess the kinematics. Statistical validation of the technique is based on precise measurement, optinization by excluding the smaller length scales (<50 m), and by theoretical agreement. Already in the raw signals of horizontal divergence and vertical velocity, it can be seen that warmer rising air coincides with surface convergence spots whereas the surrounding downward movements result in divergence flow fields. The dependencies of the kinematic parameters on atmospheric stability are discussed. Two regions of opposite vorticity within thermal structures are measured.     

消去分析台风方法的对比研究

详细分析了GFDL飓风模式和MM5模式消去分析台风的原理, 通过10个台风个例的对比分析指出, GFDL方案从平均意义上求取分析台风中心位置和半径的方法, 优于MM5方案采用涡度极值来确定分析台风中心以及将分析台风中心半径定为常数的方法。而MM5方案考虑要素场之间的协调, 较GFDL方案更为合理。试验结果表明:通过将两者优点相结合对MM5方案进行修正, 能够更加合理、彻底地消去分析台风。     

A fine mesh analysis scheme designed for mountainous terrain

Summary A fine mesh analysis scheme (grid distance approximately 47 km) has been developed which takes care of mountain ridges of different height, to be able to study cyclogenesis induced by the Alps from the standpoint of observational quantitative vorticity dynamics.The method represents a 2-D univariate statistical interpolation scheme with isotropic correlation function over flat terrain but anisotropic across major mountain ridges like the Alps and Pyrrences.The checked and corrected ALPEX-IIb data set-which is the best data set for the Alpine region concerning time and space resolution as well as quality up to now-is used to produce analyses of basic and derived atmospheric variables. It is shown that structures in the upper meso-scale are resolved with pronounced gradients across mountains.With 9 Figures     

正压涡度方程中考虑粘性项与平滑过程的一些意见

本文首先讨论了如何依据空间步长来选取平滑系数。其次考虑在涡度方程中加上粘性项后对微分方程解的影响,讨论如何选取适当的粘性系数。第三讨论涡度方程加粘性项后对差分格式计算稳定性的影响,证明了在常用时间中心差分格式中应把粘性项取在第(n-1)时间层,这样计算才是稳定的。反之,如把粘性项取在第n时间层,则差分格式计算不稳定。并且时间向前差的格式在加上粘性项后也可以稳定,但要求的粘性系数过大。最后讨论了用涡度方程作数值预告时加上平滑过程与加上粘性项之间的关系,从计算上看,二者并不等价。但可以把平滑过程与扩散方程类比,以确定适当的平滑系数。     

A NUMERICAL SIMULATION OF THE GEOSTROPHIC ADJUSTMENT PROCESS

In this paper,a numerical simulation of the geostrophic adjustment process with C-grid network is illustrated.A difference scheme which has the energy and potential vorticity conserving relation consistent with the differential equations is given,and the effect of some time difference schemes on dispersion of the gravity-inertia wave is discussed.An improved forward-backward time integration scheme is proposed for keeping the computational stability.The effect of various boundary conditions for a finite region model On the gravity-inertia wave is shown by some calculated results.     

地转风适应过程的数值试验研究

本文用C—网格模拟了地转风适应过程,给出了能量及位涡守恒关系和微分方程相一致的一种差分格式,并讨论了时间差分对重力惯性波频散特性的影响。为了保持计算稳定性,提出了一种改进的向前向后时间积分方法。通过实例计算,说明了有限区域各种边界条件对重力惯性波传播的影响。     

对流层顶折叠检测新方法及其在中纬度 灾害性天气预报中的应用

对流层顶折叠是中纬度地区对流层上层—平流层下层区域(简称UT/LS)内的一个重要的大气现象,它与气旋生、暴雨强对流触发以及降水增幅密切相关。由于这些天气条件下的大气状况异常复杂,因此目前国际上普遍采用的基于干大气条件的对流层顶折叠检测方法存在很大局限性。本文在借鉴已有的卫星资料和数值预报相结合的模式识别法的基础上,通过统计分析的方法建立了高层大气水汽与广义湿位涡、臭氧浓度的关系以及对流层顶折叠与高空急流的位置关系,同时考虑了动力对流层顶高度在判识过程中的辅助作用,建立了一套基于FY-2E静止气象卫星遥感数据的,适用于与暴雨强对流有关的对流层顶折叠动态监测新方法。在利用FY-3A和FY-3B反演的臭氧总量、臭氧垂直廓线以及ECMWF Interim资料计算的位涡等资料对算法进行精度验证的基础上,将该方法在2012年7月21日北京特大暴雨天气过程以及2013年5月14~17日华南大暴雨天气过程的监测和分析上进行了应用,并取得了较好的效果。从应用效果看,本文提出的这种对流层顶折叠识别方法是合理可行的,并具有一定的应用价值,可为中纬度地区暴雨强对流天气的监测和预警提供参考指标。     

梅雨暴雨的涡度平衡与积云对流

应用天气尺度运动,讨论梅雨期间暴雨区内的涡度平衡。在对流层下层有一个涡度的积累,对流层上层有涡度的亏损。积云对流在涡度平衡中起重要作用。给出了一个基于一维定常积云模式的对流涡度参数化方案,并和天气尺度运动的计算结果作了比较。     

一个计算球面不规则多边形内平均涡度、散度的方案

到目前为止,气象上已出现许多种计算涡度、散度的方案。如三点法(三角形法)、有限差分法(网格法、又称u、v分量法)、有限元插值法、面积膨胀率法、球面上的三角形法、以及在三角形法上通过地球投影发展而成的计算大范围散度、涡度的方案。纵观这些方案,有两个问题没有很好地解决。一是球面上任意多边形内涡度、散度的计算,二是测站间风矢的连续性假设。除文献[4]外,上述方案都是在平面上计算涡、散度,有的方案计算周界长度或网格距时,虽然计算的也是地表弧长,但最终结果都是在球面拓展为平面的情况下得到的,这样做会给计算精度带来影响。文献[4]虽在球面上计     

斜压涡度的变化与台风暴雨的关系研究

台风暴雨作为台风引起的最主要灾害之一,一直被人们关注。台风常被认为是对称结构,但从实际状况来看台风的非对称性非常明显,所以有必要研究斜压性涡度在台风中的表现。在高分辨率数值模拟的基础上,通过引入斜压涡度的概念,分析和总结了斜压涡度在2009年台风“莫拉克”暴雨过程中的表现。通过模拟与分析得到如下的结果:斜压涡度和MPV对比,可以看出在登陆前和登陆后,明显低层斜压涡度有更强的异常信号,围绕台风内核呈现正负正的位相特点;从沿着台风中心时间剖面可以看出,登陆前斜压涡度低层多为负正负的位相,并且随着时间的推移,斜压涡度有从大气的高层向台风的移动中心传递的趋势,即在台风即将到达时原先的正涡度被替换为负涡度,所以对其移动有一定指示意义;在台风“莫拉克”过台湾岛时,其斜压涡度表现为负涡度消失,在山地附近有正涡度生成,完成过岛,台风中心被替换;斜压涡度的异常值主要位于大气的低层时,一般会产生较强的降水。