Analysis Method of Equivalent Isobaric Geopotential on σ Coordinate and Its Application to a Vortex in the Tibetan Plateau

在青藏高原大地形及其邻近区域,低层等压面的资料是从对流层中上层通过外插法插值得到的,不能代表高原地区近地面的实际天气系统.因此,在常用的等压面分析方法中,如何较准确地分析高原近地面的天气系统是个难题.本文引入有限区域矢量场分解的平均调和-余弦算法,基于σ面坐标及资料,引入一个满足准地转近似的新变量,其作用相当于等压坐标中的重力位势,称为等σ面上的相当重力位势,在等σ面上给出相当重力位势分布图后,可直接在等σ面上就能分析出天气系统.在方法介绍基础上,本文以2008年7月20日08时到21日14时(北京时)青藏高原上一次高原低涡东移的个例为例,对等σ面上的相当重力位势对天气系统和天气形势的描述能力进行考察.结果表明:在美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)海平面气压分析场上,高原附近有一些长期存在的气压异常偏低系统,高原上也存在很多面积较小气压却异常高(或低)的天气系统,这些系统都是由于外插时受高原地形影响而计算出来的误差,不是高原地区近地面天气系统的正确反映,因而无法正确描述近地面高原涡东移出高原并与四川盆地附近西南涡耦合后加强的过程.而运用相当重力位势变量来表示高原近地面的天气形势后,能够清晰反映高原近地面上此次高原涡东移南压引起低层西南涡加强的过程,可把高原大地形上的天气分析与下游地区天气形势分析更好地衔接起来,在天气分析方面具有明显的好处.     

高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究

利用多途径探测与再分析资料,通过诊断分析、数值模拟和敏感性试验,对2008年7月20～21日一次高原涡东移诱生西南涡并引发川中特大暴雨的天气过程进行了初步分析,探讨了西南涡特大暴雨发生的中尺度环境场特征,特殊地形和非绝热物理过程在高原涡东移诱生西南涡特大暴雨中的作用。结果表明,高原涡形成后沿高原东北侧下滑,在四川盆地诱生出西南涡,川中特大暴雨在西南涡形成过程中由强中尺度对流系统(MCSs)的活动造成。高原涡东移诱生的低层偏东气流在川西高原东侧地形的动力强迫抬升作用下,释放对流有效位能激发出MCSs产生强降水,降水凝结潜热加热反馈驱动西南涡快速发展。地形的动力作用仅能形成浅薄的西南涡,降水凝结潜热的加入才能使西南涡充分发展。高原涡的发展主要受地面热通量影响,它的发展与否在很大程度上决定西南涡能否形成。盆地周边高大山脉对西南涡的位置分别有不同程度的影响,而盆地周边高大山脉上叠加的中小尺度地形对西南涡和暴雨带的整体位置影响不大,在一定程度上影响暴雨的落区。     

一个六层亚洲有限区域模式及对一次西南涡过程的数值模拟

本文介绍的六层亚洲有限区域模式包含了地形作用和地面摩擦、动量、热量和水汽的水平和垂直方向扩散过程（其中包括了下垫面感热作用）、水汽凝结潜热、云和辐射作用以及积云对流等物理过程。并运用新的有效的计算气压梯度力的方法，为减少青藏高原引起的σ面上的初值（由p面到σ面）的插值误差，用了初始时刻的迭代插值方法。另外，利用上述模式，以1981年7月11日12时客观分析为初始场，对青藏高原背风坡地区的西南涡形成过程进行了数值模拟试验，较成功地研究了青藏高原动力作用对西南涡形成和发展过程的影响，模式还较成功地模拟出在西南涡形成过程中在我国西南地区低层西南风急流的迅速形成和维持过程。如果降低模式地形高度（如将青藏高原降至3000 m以下），地形的坡度也变小了，西南涡的模拟就不能成功。本模式所用的新的气压梯度力的计算方法，使预报效果得到了改进。     

青藏高原的动力和热力作用对高原低涡形成的数值试验

本文通过适用于高原地区中尺度系统的6层σ坐标原始方程模式,采用理想初始场,进行高原低涡形成的数值试验。同时还研究了地形作用,感热和潜热等多种物理过程对中尺度高原低涡的贡献。通过敏感性模拟试验,揭示了高原低涡形成的物理机制,以及青藏高原动力和热力作用对高原低涡形成的影响。     

青藏高原天气动力学研究的新进展

在主导中国青藏高原、西南地区的极端天气、气候事件,以及东移引发中国东部夏季降水的天气系统中,高原天气系统扮演着十分重要的角色,其中以高原低涡、高原切变线和西南低涡为代表的高原低值天气系统(简称低值系统)最为常见。重点回顾了近10年以来高原低值系统天气动力学研究领域的若干新进展,着力梳理了高原低涡动力学、高原切变线动力学、西南低涡的中尺度动力诊断研究、高原低涡与西南低涡耦合作用的动力分析、高原切变线与高原低涡关系的动力学解析、低频振荡对高原低涡的调制作用等高原天气动力学研究领域的前沿科学问题,并基于最新研究成果和相关理论方法、技术手段的发展趋势,展望并提出该领域有发展潜力的一些研究方向,希冀对目前处于弱势的高原天气动力学研究的促进以及新的学科生长点、新概念、新理论的形成能有参考价值和启发意义。     

青藏高原热源与天气系统影响灾害性天气的研究进展

青藏高原热源与天气系统对我国灾害性天气的影响一直是高原气象学的重点和难点。本文从高原热源与天气系统影响灾害性天气关键区与强信号、高原涡与西南涡基本结构和演变特征及其东移机制、高原热源与天气系统关系及其对暴雨天气影响、基于高原影响的灾害性天气分析诊断预报技术等4个方面,综述了其近10年内的最新进展;并针对高原地-气过程影响、天气系统分布演变特征、高原影响灾害性天气机理和高原气象观测试验布局等研究指出了存在的主要问题;最后,围绕高原气象综合观测系统、高原天气变化理论和高原天气预报技术展望了青藏高原影响灾害性天气未来的主要发展趋势。      

青藏高原地形对东南亚10月平均环流影响的数值模拟

本文利用P-σ混合坐标五层原始方程模式做了青藏高原对10月平均环流形成的模拟实验。分析指出:10月在蒙古人民共和国的海平面高压中心不真实,这可能是由于地面气压向海平面订正所造成的。在青藏高原附近我国平原上空850hPa反气旋是高原的动力作用引起的;从阿萨姆到中国西南部的降雨带完全是由于高原地形的影响所产生的。     

高原天气研究若干进展——基于中国气象局成都高原气象研究所相关研究

主要回顾了近5年成都高原所围绕高原天气研究中的高原天气系统(包括高原涡、西南涡、高原切变线)活动,特别是东移出高原后的高原低涡活动,低涡暴雨机理以及西南涡加密观测资料在天气预报与分析中的应用等方面的研究成果,在此基础上指出研究存在的不足,如多尺度天气系统相互作用研究不多,高原天气系统的发展维持机理、加密观测资料的应用等还有待深入,以此推动高原天气研究向深入开展。     

一次沿川西高原东麓地带的强降雨过程分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和地面加密自动站资料及卫星资料,对2012年8月16~18日盆地西北部沿龙门山脉的连续特大暴雨的形成机制进行探讨,此次暴雨过程出现在青藏高原东侧陡峭地形向盆地的过渡带,具有突出的地域特点。重点分析了青藏高原切变线东移期间,副高西北侧暴雨区内的对流触发机制和地形作用。分析表明:副热带高压前期的维持稳定与高原低值系统东移是产生强降雨的环流背景,在强降雨区域低层具有明显的风速风向辐合,东北—西南向的龙门山带即青藏高原东侧陡峭地形引起了盆地低层东南气流强烈的垂直上升运动。青藏高原东侧暴雨区最显著的热力特征是低层具有明显的高温高湿和大气不稳定层结。此次强降雨具有典型的“上干下湿,上冷下暖”的结构,正是强对流天气形成的有利条件。      

高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析

利用动力诊断方法,对2008年7月20~22日高原低涡与低层西南低涡相互作用引发西南低涡强烈发展和四川大面积特大暴雨天气发生机理进行了诊断分析。分析表明：高原涡与西南涡涡心之间的纬向距离在5个纬度的时候,两者上升气流都在500 hPa以下,当两者继续东移,在经向上耦合的时候,二者同时得到发展,西南涡中心的上升气流达到300 hPa,而高原涡中心的上升气流突破200 hPa;西南涡在低层出现初期,在一定程度上制约了高原涡的发展,随着两者在经向方向发生耦合,上下涡度平流不同造成垂直差动,将激发500 hPa以下的上升运动与气旋性涡度加强,使得500 hPa与700 hPa涡心正涡度值的增大近1倍。并且涡前的正涡度变率使得高原涡发展并东移,待垂直耦合后,高原涡与盆地涡相互强迫作用促使气流上升运动加强也是导致高原低涡与西南低涡共同发展的一种机制。     

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时（协调世界时,下同）一次青藏高原（简称高原）中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究（四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm）。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积（相当黑体亮度温度TBB≤?52°C）可以有效地指示西南低涡强度（涡度）的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。     

GRAPES模式后处理技术改进应用研究

详细梳理了GRAEPS模式后处理系统的计算方案,进行了GRAPES模式后处理中海平面气压计算方案的改进,温度垂直插值方案的改进以及位势高度的垂直插值外插方案的改进等。假定温度廓线随地形高度变化并满足静力平衡条件,对海平面气压及位势高度外插进行改进,改进后海平面气压和低层等压面的位势高度场在青藏高原和南美洲西部等大地形处改进明显,均方根误差和距平相关系数改进较大并通过显著性检验。对温度垂直插值采用的原始插值层进行改进,使得高层等压面温度场的准确性进一步提高,统计检验评分在各区域都有不同程度的提高,尤其是热带地区和东亚地区高层温度场改善明显。这些都为模式产品用户提供了更可靠的数值模式产品。     

2010年6月中国南方持续性强降水过程：天气系统演变和青藏高原热力作用的影响

2010年6月中国南方发生持续性强降水,其强度与2008年6月相当,超过近年来其他年份。但是,与2008年6月相比,2010年6月对流层中低层低值系统活动在青藏高原至长江中下游地区异常频繁,副热带高压(副高)位置异常偏西、强度偏强,导致低层异常风场辐合区及强降水区域相对偏北。分析2010年6月14—24日中国南方连续出现的4次持续性强降水过程,发现南亚高压、对流层中层的中纬度槽脊和西太平洋副高以及低层切变线和东移低涡是造成持续性强降水的主要天气系统。利用WRF模式对2010年6月强降水过程实施显式对流集合模拟试验,在控制试验重现观测到的地面降水和天气系统特征的基础上,在敏感性试验中将青藏高原的地表短波反照率修改为1.0,对比两组模拟试验的结果表明:控制试验中青藏高原的地表感热加热作用使得高原及其周边地区的大气温度发生变化,相应的热成风平衡调整使得对流层低层至高层大气环流和天气系统特征发生显著变化,增强了中国南方的持续性降水。200 hPa青藏高原西部形成反气旋性环流异常,东部形成气旋性环流异常,青藏高原东部南下的冷空气加强,中国南方辐散增强;500 hPa青藏高原北部的脊加强,中国东部的槽加深,副高西北侧的西南风明显增强,从青藏高原向下游传播的正涡度也显著加强;850 hPa的低涡强烈发展并逐步东移,华南沿海的西南低空急流更为强盛,导致降水区的水汽辐合、上升运动及降水强度都增强。     

中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究

由观测和数值模拟结果分析发现,2019年8月5～6日中国西南部的东移型致灾暴雨事件中存在三涡（南北双高原涡、西南涡）相继发展并导致暴雨加强和移动的现象。借助数值试验,研究了多尺度地形因子（青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形）各自对涡旋演变的作用。结果表明,横断山脉对西南涡的形成起关键作用,四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡（南侧高原涡）的移动,四川盆地地形只影响涡旋强度演变,但不会改变高原涡的移动路径。一旦横断山脉被移除,高原涡的东移现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响发现,发现坡度越陡,高原涡移动速度越快,且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论,解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响：随着坡度变陡,倾斜涡度发展系数沿涡旋下滑路径快速减小,对垂直涡度局地倾向的强迫作用,加剧了涡旋的快速加强。     

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。     

青藏高原对其邻近地区一次天气系统影响的数值试验

本文利用P-σ混合坐标系绝热的两层有限区域模式,模拟了1979年5月19—24日西风带长波槽从西边经过高原的例子。对同一个例子,作了有地形、无地形和粗细网格的试验,进一步揭示了青藏高原大地形对其周围天气系统的纯动力作用。指出青藏高原的动力作用不仅可以改变西风带冷槽的强度和移速,而且可以使西风大槽在高原西边切断,同时在其周围(尤其是在高原北侧和东侧)产生新的中尺度天气系统,如西南涡、高原东侧的切变线和北侧的小高压等。     

高原低涡研究和TRMM卫星资料应用的相关进展

高原天气系统对青藏高原及其下游地区的降水有重要影响。高原低涡是活动于高原主体的重要天气系统之一。TRMM卫星的应用为研究高原天气系统提供了新方法。本文回顾了部分关于高原低涡和TRMM卫星资料应用的研究成果,包括高原低涡的定性认识、结构及其和背风坡浅薄天气系统的相互作用,TRMM卫星的基本资料、其在非高原地区和高原地区的应用。      

夏季青藏高原低涡研究进展述评

高原低涡是造成我国暴雨的重要天气系统之一。本文在简要介绍第一次青藏高原科学试验及以前研究工作的基础上,重点介绍了第二次青藏高原科学试验及近年来的一些主要研究成果,包括高原低涡的活动特征、高原低涡发展东移的机理、高原低涡发展东移的大尺度条件及高原低涡的结构特征等。并指出了目前高原低涡研究的局限性和待改进的方向。     

青藏高原东侧陡峭地形对一次强降水天气过程的影响

利用高分辨率中尺度模式分析资料,研究了青藏高原东侧陡峭地形对一次暴雨天气发生发展的影响。结果显示,青藏高原地形对大气环流的动力阻挡作用形成了本次暴雨过程的水汽输送通道,青藏高原东侧陡峭地形结构造成了四川西北部和黄河上游的强水汽辐合中心,并使低层高能舌和能量锋区位于海拔较低的四川盆地,在四川盆地对流层低层建立起位势不稳定层结。青藏高原东侧陡峭地形结构引起了低层偏东气流强烈的垂直上升运动,最强的垂直上升运动出现在东西风垂直切变与陡峭地形交汇处,激发不稳定能量释放,促使强对流猛烈发展,暴雨过程中高原东侧还有一个中尺度涡旋的发生发展相伴。青藏高原东侧暴雨区最显著的热力特征是高温高湿区域仅出现在对流层低层,最显著的动力特征是强涡度柱也仅出现在对流层低层。     

梅雨期青藏高原东移对流系统影响江淮流域降水的研究

利用GOES-9和FY-2C卫星TBB资料、1°×1°的NCEP再分析资料以及常规地面观测资料对2003和2007年梅雨期内青藏高原东移对流系统影响重庆、四川以及江淮梅雨锋地区降水的主要方式作了研究。结果表明,2003和2007年梅雨期内,青藏高原东移对流系统影响下游地区降水主要存在4种方式:(1)高原上的动力辐合中心伴随高原对流系统东移,影响所经地区的降水,该种影响方式较为常见,持续时间较长,影响范围较广。(2)高原对流系统移出高原后在四川盆地引发稳定少动的西南低涡,触发一系列暴雨过程,此种影响方式持续时间较长,主要影响地区为四川和重庆(往往会造成强度很大的暴雨),当西南低涡以东盛行较强西南风时,向梅雨锋的动能输送较强,这十分有利于梅雨锋地区对流活动和降水的加强。(3)高原东移对流系统在四川盆地触发西南低涡,西南低涡生成后,在引导槽的作用下沿梅雨锋东移,沿途引发一系列暴雨,此种影响方式持续时间最长,波及范围最广。(4)对流系统东移出青藏高原后直接影响下游地区,此种影响方式最为常见,但其影响时间最短,强度最小。对环境场的分析表明,高原强对流往往发生在500hPa影响槽槽区附近的上升运动区,当200hPa高空急...