The Conservation of Helicity in Hurricane Andrew （1992） and the Formation of the Spiral Rainband

The characteristics of helicity in a hurricane are presented by calculating the MM5 model output in addition to theoretical analysis. It is found that helicity in a hurricane mainly depends on its horizontal component, whose magnitude is about 100 to 1000 times larger than its vertical component. It is also found that helicity is approximately conserved in the hurricane. Since the fluid has the intention to adjust the wind shear to satisfy the conservation of helicity, the horizontal vorticity is even larger than the vertical vorticity, and the three-dimensional vortices slant to the horizontal plane except in the inner eye. There are significant horizontal vortices and inhomogeneous helical flows in the hurricane. The formation of the spiral rainband is discussed by using the law of horizontal helical flows. It is closely related to the horizontal strong vortices and inhomogeneous helical flows.     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

用热成风螺旋度诊断强对流灾害天气

对2006年7月中下旬由西太平洋地区生成,登陆我国,并对我国造成严重影响的强热带风暴"碧利斯"(0604号)和台风"格美"(0605号)的基本情况做了详细的总结,并基于武汉暴雨所AREM(Advanced Regional Eta Model)模式预报的700 hPa流场、900 hPa风场及降水量场,就模式对台风登陆时间、登陆地点、移动路径及其引发的附近最大风力和降水过程的预报情况做了分析.结果表明:"碧利斯"达强热带风暴强度,于7月14日12:50在福建霞浦登陆,后西行,造成位于21°N以北、28°N以南东西向的带状雨区,"格美"为台风强度,于7月25日15:50在福建晋江围头镇登陆,后西行,造成华东南地区近西南-东北走向的雨带,两台风给沿途及附近省份造成严重的气象灾害和人、财损失;AREM模式总体上对两台风附近最大风速,风雨带的基本位置、形态、走势、强度预报较好,对一些强降水中心的预报较为理想,但多数强中心的预报与实况存在位置和强度上的偏差;模式对于台风登陆时间和地点的预报较好,偏差较小,对于两台风西行走势的预报也基本符合实况,但也存在一定的预报位置偏差.     

局地分析和预报系统(LAPS)及其应用

通过2006年7月1～31日逐日08:00探空资料计算1000～100 hPa各层的热成风螺旋度,分析热成风螺旋度在各层等压面以及垂直剖面图上的分布与强对流灾害天气的关系.结果表明:强对流灾害性天气出现前,当地到邻近上游地区有正热成风螺旋度高值区(中心)存在,当高值中心数值很大、正值区垂直方向层次较厚时,出现的对流性灾害天气强度较大,出现站点数较多.热成风螺旋度正值中心出现在强对流灾害天气产生以前,且有6 h以上的提前量,因此可以用热成风螺旋度诊断强对流灾害天气,作为预报指标,建立预报概念模型,为强对流灾害天气预报提供依据.     

第二类热成风螺旋度对登陆台风降水的诊断能力分析台风泰利个例研究

文中利用中尺度数值模式MM5模拟了台风泰利的登陆过程,模拟的台风路径、天气形势和降水都与观测基本一致,能够很好地反映出真实的天气过程.再利用数值模拟结果,研究了第二类热成风螺旋度(H_2)对登陆台风泰利降水的诊断能力,结果表明它对深入内陆的台风强降水具有较好的诊断能力,而对刚登陆前后的台风降水诊断能力不如经典螺旋度.特别地,H_2在提前1 h时与泰利降水达到最高相关系数,且在提前1-5 h时,它与降水的相关性比经典螺旋度的高,表现出十分显著的预示降水增幅的能力.进一步分析表明,在刚登陆前后,泰利台风中心850-200 hPa的风场垂直切变较小(约5 m/s),其最强降水出现在路径右侧300 km半径范围以内,与低空的正温度平流、低空辐合、高空辐散等无明显的关系,而低空相对涡度能够很好地反映降水的变化,这是经典螺旋度与降水在这一阶段相关性优于H_2的主要原因.而在深入内陆后,台风泰利本体环流减弱,受北部西风槽的影响逐渐增强,环境风场垂直切变迅速增大,发生强降水的庐山和大别山区处于顺垂直风切变方向左侧.在东北向的垂直风切变情况下,庐山和大别山强降水区上空有向东的高空急流出流,强高空辐散诱发垂直次级环流,从而激发对流,形成强上升运动区,因此H_2的诊断优势在这一阶段表现得最清楚.     

水平螺旋度在沙尘暴预报中的应用

为了更准确地预报中国北方沙尘暴的强度和范围,应用2002—2010年3—6月逐日08和20时高空流场资料、高空图资料和地面每3 h的天气图资料,计算近地面至500 hPa的水平螺旋度。结果表明,螺旋度负值中心值越大,辐合上升运动越强,风速越大,对应沙尘暴的强度就越强。螺旋度负值中心常常在河西走廊附近最强,沙尘暴发生在螺旋度负值中心附近或下游。在沙尘关键区(40°—48°N,84°—120°E)当出现螺旋度≤-600 m2/s2的负值中心时,6 h内该区或其下游将产生能见度低于500 m的强沙尘暴,螺旋度负值中心与下游沙尘暴发生区有良好的对应关系。通过对中国北方区域性强沙尘暴典型个例、甘肃省河西走廊东部沙尘天气的对比分析,螺旋度有较强的日变化,白天强于夜间,对冬春季中国北方干旱区的冷锋型沙尘暴天气有较强的预报能力。     

基于螺旋度的中尺度平衡方程及非平衡流诊断方法

在回顾大尺度准地转平衡理论、各种平衡方程、平衡模式及非平衡流诊断工具的基础上,对平衡方程、非平衡方程给出了具体的定义.并在此基础上,进一步考虑中尺度强对流天气系统的特征,指出中尺度也有平衡运动的存在.但是由于中尺度对流系统中强烈的辐散风效应以及不可忽略的垂直运动的作用,以散度方程为基础的各种近似平衡方程不足以描述中尺度强对流天气系统的平衡运动,进而提出了从能够同时考虑旋转、辐散及垂直运动作用的螺旋度方程出发,寻找中尺度的平衡方程.在所得的平衡方程基础上,给出了相应的平衡模式和非平衡方程.并进一步将非平衡方程分解,用来诊断非平衡过程的平衡破坏和平衡恢复两个阶段,同时将它们与水平螺旋度和垂直螺旋度联系起来.     

两次持续性暴雨天气的螺旋度对比分析

本文利用常规观测资料、逐小时区域自动站观测资料、NCEP1°× 1°逐6小时再分析资料等对安顺2019年6月5-11日和9月5-10日的持续性暴雨天气进行分析,结果表明：（1）6月5-11日天气过程主要是由于两高之间不断有短波槽东移造成的,9月5-10日天气过程主要是由于副高稳定少动,西南涡在副高外围稳定维持较造成的;（2）垂直螺旋度垂直积分越大越有利于产生强的短时强降雨,垂直螺旋度强中心发展高度越高越有利于短时强降雨持续不断的产生;（3）水汽垂直螺旋度在这2次持续性暴雨天气过程中对短时强降雨的发生和降雨强度有很好的指示,水汽垂直螺旋度在短时强降雨出现前6小时出现增大,且中心值越大短时强降雨强度越强,在短时强降雨发生期间迅速减小;（4）6月5-11日天气过程中,质量垂直螺旋度值增大-减小得越多,出现的短时强降雨强度越强。     

能量位涡在雷雨大风天气诊断分析中的应用

从大气基本运动方程及大气总能量概念出发,提出将大气动力学与能量天气学相结合的物理量——干能量位涡与湿能量位涡,并确定其守恒性.通过分析发现,以静力温度表达的能量位涡数学计算更方便,物理意义更明确.以2007年湖北的一次典型雷雨大风天气为例,对雷雨大风天气用能量位涡进行诊断分析.结果表明:本文提出的干能量位涡与湿能量位涡可以较好地预示雷雨大风天气,高空干能量位涡的增强与向下发展使对流层中下层不稳定能量增大,有利于雷雨大风天气发生;低层湿能量位涡的不稳定能量高值区与斜压系统耦合时预示该区域将有雷雨大风发生.     

THE USE OF SHEAR GRADIENT VORTICITY IN TROPICAL CYCLONE HEAVY PRECIPITATION PREDICTION: A HIGH-RESOLUTION NUMERICAL CASE STUDY

This study introduces a new dynamical quantity, shear gradient vorticity (SGV), which is defined as vertical wind shear multiplying the horizontal component of vorticity gradient, aiming to diagnose heavy precipitation induced by some strong convective weather systems. The vorticity gradient component can be used to study the collision or merging process between different vortexes or the deformation of a vortex with a sharp vorticity gradient. Vertical wind shear, another contributed component of SGV, always represents the environmental dynamical factor in meteorology. By the combined effect of the two components, overall, SGV can represent the interaction between the environmental wind shear and the evolution of vortexes with a large vorticity gradient. Other traditional vorticity-like dynamical quantities (such as helicity) have the limitation in the diagnosis of the convection, since they do not consider the vorticity gradient. From this perspective, SGV has the potential to diagnose some strong convective weather processes, such as Extratropical Transition (ET) of tropical cyclones and the evolution of multicell storms. The forecast performance of SGV for the numerical ET case of Typhoon Toraji (0108) has been evaluated. Compared with helicity, SGV has shown a greater advantage to forecast the distribution of heavy precipitation more accurately, especially in the frontal zone.     

一次梅雨期苏北大暴雨的时空结构及其非线性亚临界对称不稳定

利用WRF V2.2模式对2006年6月30日00时—7月1日12时（世界时）江苏宝应地区的大暴雨过程进行数值模拟,并利用从模拟结果提取出的环境风场和中尺度扰动风场对此次大暴雨过程的时空结构,尤其是风场的垂直切变和非线性亚临界对称稳定性进行分析,结果表明：整层大气平均风垂直切变矢量转为西南偏西风后其南风分量随时间增大到最大值,对暴雨的发生有提前5-4 h的指示意义,相应时刻绝对水平螺旋度亦达到极值;暴雨发生前3 h首次出现强烈的整层垂直上升气流,预示大暴雨发生;在暴雨发生前9 h,高层200 hPa涡度、散度两波呈π/2位相差,对应强烈地转不平衡重力波,随时间向下传播,至暴雨发生前3 h下传到800 hPa;中尺度扰动风场的加强与降水的加强关系密切,在暴雨发生前3 h,出现中尺度非线性亚临界对称不稳定,激发暴雨发生,并对大暴雨的发生有重要的指示意义。     

麦莎台风造成冀东大暴雨的数值模拟和诊断分析

2005年第9号台风麦莎登陆后减弱为热带风暴, 受其影响, 8月8—10日河北东部地区出现大暴雨天气过程。采用中尺度数值模式MM5对这次过程进行了模拟, 对模拟结果进行了综合分析。结果表明:暴雨区上空有准饱和且深厚稳定的湿层, 低层强烈辐合与高层辐散互相配合, 强降水区与散度和垂直上升中心有很好的对应关系; 台风东部暖、西部冷, 中低层偏东风急流将海洋上的高能量暖湿空气向暴雨区输送; 局地螺旋度的极大值中心对未来强降水区有一定的指示作用, 强降水区发生在风暴相对螺旋度的大值中心或其东南部的等值线密集区域。     

应用雷达产品计算风暴相对螺旋度

风暴相对螺旋度（SRH）反映了一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，对雷暴、龙卷和大范围暴雨的分析与预报有一定的实用价值。首先探讨了由多普勒天气雷达提供的垂直风廓线（VWP）产品计算SRH的方法和步骤。根据此方法，分别计算、分析了暴雨、冰雹、大风三个天气个例的SRH。结果表明：SRH与大面积降水过程的暴雨雨强有很好的对应关系，降水强度的变化滞后SRH强度的变化约半小时左右，可以由SRH大致估计降水加强及消亡的时间；SRH对尺度非常小的冰雹、大风等强对流天气有提前10～20分钟的预报作用。应用VWP产品计算出的SRH，可以作为实际业务工作中暴雨、冰雹、大风等强对流天气的预报因子，给预测人员预报强对流天气提供宝贵时间。     

The synoptic meaning of helicity

Summary Helicity, a scalar quantity resulting from the inner product of velocity and vorticity, has until now mostly been used in the field of mesoscale meteorology and boundary layer meteorology. Goals of this paper are the derivation of the flux form of the helicity equation in general form without neglection of friction and Coriolis force and the examination of helicity patterns of larger scales. The general helicity equation is approximated for the synoptic and frontal scale by use of the scale analysis. High helicity values are bounded to fronts, such that helicity determines their positions. Finally the helicity patterns at different heights and helicity sources and sinks are discussed for a case study of a cyclogenesis over the Atlantic.With 6 Figures     

江苏沿江地区一次强冰雹天气的中尺度特征分析

利用常规气象资料、卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料,对发生在江苏沿江地区一次强冰雹天气形势背景、环境热动力条件、强冰雹发生前地区环境场变化、超级单体雷达回波中尺度特征等进行了详细分析。结果表明:(1)在东北冷涡槽后干冷气流影响下,中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结,高低空急流以及地面辐合系统的配置为此次强对流天气的产生提供了有利热动力条件;高CAPE值、逆温层、低层适当水汽条件及较强的深层垂直风切变有利于强冰雹天气的发生。(2)利用多普勒天气雷达、风廓线仪数据反演垂直分布的物理量场(平均散度、平均垂直速度、相对风暴螺旋度、垂直风切变)能够反映本站上空环境场的快速变化情况:强对流系统移入本站前雷达站上空逐渐调整为低层辐合、中高层辐散的风场配置结构,螺旋度和垂直风切变数值逐渐增加,表明环境场有利于强对流系统的维持发展。(3)强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外,持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。应用双多普勒雷达风场反演技术揭示了超级单体内部环流结构:低层气旋性旋转,中层旋转加强,高层风场辐散。超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于支撑空中大冰雹的增长。     

The mesoscale balance and imbalance and the corresponding potential vorticity inversion from the view of helicity

The static balance and the geostrophic balance are the common balances in meteorology.All the synoptic systems and most of the mesoscale systems satisfy the above two balances.However,due to the strong convection and non-geostrophic feature,many mesoscale systems usually present as static imbalance,and the quasi-geostrophic approximation is no longer attainable.This paper tried to find out a kind of balance that exists for mesoscale convective system.To do this,the concrete mathematics definitions for balance and imbalance equations were defined.Then,it is proposed that the new balance equation should include the divergence,vorticity,and vertical motion simultaneously,and the helicity equation was a good choice for the basis.Finally,the mesoscale balance and imbalance equations were constructed,as well as a new balance model that was based on the helicity,horizontal divergence,vertical vorticity,continuity,and thermal dynamic equations under same approximations.Moreover,the corresponding potential vorticity(PV)inversion technique was introduced.It was pointed out that by using the PV conservation and the potential temperature conservation,the flows of the mesoscale balance model can be deduced,and their comparison with the real fields would give the degree of the imbalance.     

春季滇南冰雹大风天气的螺旋度分析

用螺旋度对１９９７年３月发生在滇南的冰雹大风天气进行分析。结果表明：低层螺旋度的演变对冰雹大风天气有一定的指示意义;低层螺旋度的大值中心与降雹区比较靠近,螺旋度的垂直分布反映了降雹区大气的一些动力和热力特征。     

江西地区气候变暖的增湿效应研究

应用江西地区近45 a的气温、降水、水汽压、蒸发量等常规观测资料,对比分析了气温与降水的关系,并试图在此基础上,利用第二类热成风螺旋度来理解江西地区自20世纪80年代中期以来气候变暖的湿旋转效应.研究结果发现,1959～1969年,江西地区气温降低时,第二类热成风螺旋度下降,导致降水量减少.1970～1983年,气温、降水和第二类热成风螺旋度的变化幅度均较小.1984～2003年,气温上升时,第二类热成风螺旋度上升,引起湿旋转作用加强,从而进一步加速大气中的水汽凝结,形成更多的降水;与此同时,地面蒸发量却减少,导致地表水增加,引发更多的地质灾害,造成更大的经济损失.     

Relation of the Second Type Thermal Helicity to Precipitation of Landfalling Typhoons: A Case Study of Typhoon Talim

This study utilized the MM5 mesoscale model to simulate the landfalling process of Typhoon Talim. The simulated typhoon track, weather patterns, and rainfall process are consistent with the observation. Using the simulation results, the relation of the second type thermal helicity (H ₂) to rainfall caused by the landfalling typhoon Talim was analyzed. The results show that H ₂ could well indicate the heavy inland rainfall but it did not perform as well as the helicity in predicting rainfall during the beginning stage of the typhoon landfall. In particular, H ₂ was highly correlated with rainfall of Talim at 1-h lead time. For 1–5-h lead time, it also had a higher correlation with rainfall than the helicity did, and thus showing a better potential in forecasting rainfall intensification. Further analyses have shown that when Talim was in the beginning stage of landfall, 1) the 850–200-hPa vertical wind shear around the Talim center was quite small (about 5 m s⁻¹); 2) the highest rainfall was to the right of the Talim track and in the area with a 300-km radius around the Talim center, exhibiting no obvious relation to low-level temperature advection, low-level air convergence, and upper-level divergence; 3) the low-level relative vorticity reflected the rainfall change quite well, which was the main reason why helicity had a better performance than H ₂ in this period. However, after Talim moved inland further, 1) it weakened gradually and was increasingly affected by the northern trough; 2) the vertical wind shear was enhanced as well; 3) the left side of the down vertical wind shear lay in the Lushan and Dabieshan mountain area, which could have contributed to triggering a secondary vertical circulation, helping to produce the heavy rainfall over there; hence, H ₂ showed a better capacity to reflect the rainfall change during this stage.     

“2002.3”华北地区强沙尘暴天气的螺旋度分析

利用MM5非静力中尺度模式和螺旋度计算结果,对2002年3月18-22日华北地区发生的一次强沙尘暴过程进行了分析研究,重点分析了北京及周边地区水平与垂直方向螺旋度和完全螺旋度的结构变化及演变特征,结果表明：螺旋度的演变与强沙尘暴天气的发生、发展有较好的对应关系,将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可以有效提高沙尘暴天气的预报准确度。