不同定义的湿位涡分析及在台风中的诊断

本文对不同定义的湿位涡做了理论分析,并利用1522号台风“彩虹”的数值模拟结果对各种湿位涡进行了诊断。主要结论有:经典湿位涡、广义湿位涡和改进湿位涡的差异主要是由不同定义的位温造成的,相当位温、广义位温和修改位温的构成均是在位温基础上添加一显含水汽的附加量;经典湿位涡、广义湿位涡和改进湿位涡的构成均能分为干、湿分量两部分,其干分量表达式相同,都与Ertel干位涡的定义一样,水物质相变潜热的影响隐含在位温中;不同定义湿位涡的本质差异表现在不同的湿分量上,湿分量的表达式中显含了水物质的作用。对台风的诊断分析发现,改进湿位涡分布与Ertel干位涡非常相似,呈现中空分布的位涡塔结构,大值区对应眼墙内侧,改进湿位涡湿分量与经典湿位涡的湿分量分布相似,只是湿分量的绝对值更小,这反映了改进湿位涡既能保持干位涡的分布特征,其分布和演变可反映台风的结构和演变,又能合理地体现水汽分布的影响,所以在台风诊断中有更广泛的应用前景。经典湿位涡在低层表现为负值,这与水汽梯度的分布关系很大,但与垂直速度、潜热加热大值区等都没有很好的匹配关系,用其分析台风结构和演变具有一定局限性;广义湿位涡其形式较复杂,仅在近饱和区域才能发挥其诊断优势。     

四川盆地西部两次极端暴雨的广义湿位涡诊断分析

利用ERA5 0.25°×0.25°再分析资料、MICAPS4的常规资料以及四川加密自动站逐时降水观测资料,对2020年8月11~13日和15~18日发生在四川盆地西部的两次极端暴雨过程的广义位温和广义湿位涡进行诊断分析。结果表明:两次暴雨过程均属于500 hPa“东高西低”型暴雨,中高层南亚高压、高空急流、西风槽和低层切变线、低涡等天气系统是两次暴雨有利的动力条件,低空急流则是暴雨区良好的水汽条件。两次过程暴雨区上空均存在强广义位温梯度区和强广义湿位涡异常区,“8.11”暴雨出现高度为800~900 hPa,“8.15”暴雨出现高度为700~800 hPa,这种分布与低层相对湿度含量密切相关,即相对湿度越高,广义位温垂直梯度越强,广义湿位涡异常区中心值越高。两次暴雨的强降水站点广义位温和广义湿位涡的时空演变和降水的时间演变均有较好的对应关系,但广义湿位涡强度与小时雨强并不存在明显的正相关关系。      

广义湿位涡与暴雨落区预报的诊断分析

探讨了广义湿位涡理论及其倾向方程在暴雨落区预报方面的可应用性，为非均匀饱和广义湿位涡理论的业务应用提供了新的思路。 资料诊断结果表明， 非均匀饱和大气中的广义湿位涡虽然不具有守恒性， 但由于其体现了实际大气的非均匀饱和特性，尤其是水汽梯度效应的引入，使得广义湿位涡的异常在对流层低层能比较清楚地反映出暴雨发生时期的高水汽集中的特性和机制，有效地反映出暴雨区以及暴雨落区的变化。      

三种温湿参数下昆明准静止锋锋面位置及锋生函数诊断的对比分析

针对2008年1~2月昆明准静止锋天气过程,讨论了位温、相当位温和广义位温三个温湿参数及其对应的锋生函数,对比分析结果表明:（1）广义位温因其湿度因子权重过大,不适用于分析以温度梯度定义的昆明准静止锋锋面位置和强度;（2）理想状态下的干大气位温和饱和大气相当位温仅与气压和温度有关,均能较好地反映大气温度场特征,适用于昆明准静止锋的分析,比较而言相当位温对温度锋区的描述更为显著;（3）用位温或相当位温计算锋生函数所得结果直接表达了因温度场变化导致的锋面生消状况,而用广义位温计算锋生函数所得结果同时包含温度锋生（消）和湿度锋生（消）两种情况,不能简洁地判断昆明准静止锋锋面生消状况。     

广义湿位涡理论及其应用研究

押重点介绍了诊断暴雨落区与强度的广义湿位涡理论研究方面的两个内容,一是由于暴雨系统中强降水引起的质量亏空导致的暴雨系统中质量强迫下的湿位涡异常理论,二是非均匀饱和大气中的广义湿位涡理论;对暴雨系统中质量强迫的物理意义和非均匀饱和大气中的广义位温引入的思路与意义作了详细说明,并对位涡理论作了细致推导。在此基础上,针对暴雨个例,利用质量强迫的湿位涡异常和非均匀饱和广义湿位涡异常诊断了暴雨落区,从理论和诊断上论证了利用这两种湿位涡异常判断暴雨落区的可行性。     

广义相当位温及其扩展应用

广义相当位温是一个包含水汽和液态水在内的新的大气热力学参量。通过简明推导和论证，进一步讨论其物理意义和扩展应用；结合耗散结构理论，提出了排熵指数的概念；根据广义相当位温自身的特点，设计了大气液态水含量指数和大气水物质含量指数等预报判据；这些参数在强对流天气和区域性暴雨分析预报中，应用效果较好。     

相当湿位涡异常与梅雨锋暴雨分析

基于位涡异常与中尺度对流系统发展密切相关的分析事实,以及中尺度天气的发生发展的过程中水汽的重要作用,在引入水汽变化方程的基础上,导出了非均匀饱和大气中的相当湿位涡方程,进而分析了引起相当湿位涡异常的主要因子。依据相当湿位涡包含动力因子、热力因子和水汽因子的特点,利用相当湿位涡及增量对一次梅雨锋暴雨进行诊断和模拟分析,初步揭示了相当湿位涡及其增量对梅雨锋强降水的指示意义,相当湿位涡及其增量大值区对未来1～3小时的强降水具有较好的指示作用。针对梅雨锋暴雨,可以将梅雨湿度锋与相当湿位涡相结合作为强降水短时临近预报的一个指标。      

敦煌致洪暴雨的广义湿位涡分析

利用高空、地面定时观测资料、区域站降水资料、FY-2E红外云图和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月15-16日甘肃敦煌、阿克塞和肃北的一次历史罕见暴雨天气过程的影响系统、水汽条件、广义湿位涡及其倾向变化进行了分析.结果表明,这次暴雨是中高纬天气系统与低纬天气系统相互作用的结果.暴雨水汽来源于700 hPa新疆东部偏西气流输送和600 hPa附近河西走廊西部偏东气流输送.广义湿位涡正异常主要集中在850～750 hPa广义位温线密集区,这与实际大气水汽主要集中在低层是一致的,在一定程度上反映出暴雨期的水汽分布和水汽集中特征.800 hPa上广义湿位涡的正异常区基本与暴雨区一致,与湿位涡相比,广义湿位涡能更好地诊断出这次暴雨落区.广义湿位涡正异常大值区出现在绝对涡度异常大值区与大的相对湿度梯度相重叠的区域.单点广义湿位涡倾向异常值的负正、正负转换及峰值变化与降水开始、结束和雨强变化相一致.广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生、发展的动力变量外,还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点,在暴雨分析中有一定的优势.     

非均匀饱和广义湿位涡在暴雨分析与预测中的应用

考虑实际大气非均匀饱和特性, 通过引入广义位温及广义湿位涡方程, 对华北暴雨和江淮梅雨锋暴雨的发生及落区进行了广义湿位涡异常的诊断分析, 表明暴雨形成时大气低层有广义湿位涡的异常出现。对广义湿位涡倾向的计算表明:它对暴雨的发生有一定指示作用, 因而可利用广义湿位涡的异常来识别暴雨的出现。     

广义湿位涡在江淮流域暴雨分析和预报中的应用

利用中尺度数值模式MM5, 以6 h间隔的NCEP/NCAR 1°×1°的格点资料为背景, 加入新一代天气雷达 (CINRAD－SA雷达) 1 h间隔的反演风廓线资料和12 h探空、 3 h常规地面观测进行四维同化模拟得到的输出资料, 检验非均匀饱和大气中的广义湿位涡在2003年江淮流域暴雨动力指示方面的分析和预报能力。理论分析表明: 广义湿位涡综合体现了大气的动力、 热力及水汽作用, 相对于常用的温度、 湿度等物理量来说, 在一定程度上包含了风场、 温度场和湿度场的相互作用, 对实际非均匀饱和大气的热力变化和水汽影响有较好的反映。对模拟结果的诊断发现, 广义湿位涡倾向值的正负及强弱变化对暴雨落区预报和单站降水变化趋势预报都有一定的指示意义。利用NCEP/NCAR 1°×1°格点资料和气象台站观测的实况降水资料, 对1999年长江流域梅雨和2007年淮河流域大洪水时期的广义湿位涡及其倾向变化与区域平均降水变化的对比分析进一步表明了在持续性暴雨发生时期, 在大气中低层(主要在500 hPa以下), 确实持续存在广义湿位涡和广义湿位涡倾向的异常, 这种异常能在一定程度上反映出对应时期的水汽分布和水汽集中特征, 与降水量的变化是一致的, 而850 hPa以下的广义湿位涡倾向在一定程度上也能反映出降水的增强或减弱趋势, 即: 广义湿位涡倾向为正 (负) 异常时, 未来降水量可能增加 (减小), 因此, 广义湿位涡倾向可以定性地给出暴雨是加强还是减弱的强度趋势预报。类似于涡度、 湿位涡等其他动力变量, 广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生发展的动力变量外, 还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点, 在暴雨分析中有一定的优势。     

一次北疆暴雪天气的热力和湿位涡条件分析

2010年2月22～24日北疆出现了一次暴雪天气过程。本文基于高空和地面实况、欧洲中心数值预报、NECEP资料,通过对环流形势、低层风场、假相当位温、湿位涡的分析,结果表明：极锋锋区与副热带锋区在新疆汇合是产生暴雪的主要原因,低层辐合为暴雪提供了足够的上升动力条件,极锋锋区上的冷空气和北疆上空的垂直风切变为暴雪提供了不稳定条件。暴雪发生常伴随在北疆低层大的能量锋区附近,暴雪落区在700hPa负的湿位涡中心值附近,可以把它作为一个暴雪落区预报的一个参考指标。     

Tracking surface cyclones with moist potential vorticity

1. Introduction There have been two di?erent approaches used fortracking extratropical cyclones. The traditional andmost common approach is to follow the minimum sur-face pressure of a cyclone (e.g., Petterssen, 1956; Car-nell and Senior, 1998; Serreze…     

Ionospheric potential as a proxy index for global temperature

Since the global circuit is maintained by currents from thunderstorms and electrified clouds, which are controlled by temperature, we are investigating the use of ionospheric potential (V_I) as a measure of the variation of global temperature. We report positive correlation between V_I and global temperature obtained from three different data sets. V_I is also positively correlated with an inferred global lightning/deep cloud index which is positively correlated with global temperature. Thus, there is a consistent picture of warmer temperatures leading to more deep convection and higher V_I. Since a series of single V_I soundings at any appropriate location may provide a globally representative measure of temperature variation in real time, it is suggested that routine monitoring of this parameter could provide considerable cost and operational advantages compared to current methodology involving observations at thousands of ground stations and satellite radiation measurements.     

超强台风“韦帕”的暴雨机制及湿位涡分析

通过对0713号超强台风"韦帕"进行数值模拟,利用高分辨率模拟资料进行湿位涡分析,研究"韦帕"影响过程中暴雨的产生机制,发现中低层水平温位涡负值中心与强降水中心有较好的对应关系,且水平湿位涡绝对值与降水强度成正相关,低层对流稳定度减小导致气旋性涡度迅速增长、低空急流和暖湿气流的加强以及台风与西风槽结合产生湿斜压不稳定触发不稳定能量释放都对暴雨的产生起了巨大作用.     

A diagnostic study of moist potential vorticity generation in an extratropical cyclone

Moist potential voracity (MPV) and Its generation may be important in the development of mesoscale structures such as rainbands within cyclones. In an adiabatic and frictionless flow, MPV generation is possible if the flow is three-dimensional and the air is unsaturated. Moist potential vorticity can be generated through the combined effects of gradients in the potential temperature and moisture fields. The diagnosis of MPV generation in an extratropical cy-clone was performed with the ECMWF objectively analyzed fields for a system that developed during February 1992. It was found that at various stages during the development of the cyclone, negative MPV was generated: at the north end of the cold front; along the occluded front and the cold front; and in the region of the warm core. This pattern of negative MPV generation is in excellent agreement with the predictions of previous theoretical and numerical studies. After the cyclone ceased to deepen, the region of negative MPV generated in the cyclone was horizontally adverted in-to a saturated area. The area of negative MPV generated both along the occluded front in this case study and in the region of the bent-back warm front in a numerical simulation showed a mesoscale structure with a width of about 200-500 km. It was found that the intrusion of moist or dry air into baroclinic zones was important for MPV genera-tion. In addition, baroclinicity increase (adjacent to the area of condensation) in the regions of high moisture gra-dients led to significant MPV production.     

Observational and theoretical studies of the moist baroclinic atmosphere

In this paper, the main scientific conclusions of a national wide project of heavy summer rainstorms are presented. The active role of the moisture in the large scale motion of the atmosphere is stressed when the water vapour is saturated. The concept of moist baroclinity is introduced, and moist baroclinic processes are studied. Theoretical results, i. e., moist solenoid, moist available potential energy, moist jet, moist baroclinic instability, etc. are presented. Some observational and numerically experimental results are also shown.     

华北一次强对流暴雨的湿位涡诊断分析

应用常规地面观测资料、区域加密站降水资料、NCEP再分析资料（水平分辨率1°×1°,间隔为6 h）,对2009年6月8日发生在华北的一次强对流暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明:湿位涡的分布对强对流暴雨的发生、落区有较强的指示性作用,MPV1“正负值区垂直叠加”的配置是强对流暴雨发生、发展的有利形势。暴雨出现在850 hPa上MPV、MPV1、MPV2正负值过渡带附近,是对流不稳定与斜压不稳定相结合的地区。θse的等值线接近垂直的地区有利于垂直涡度的增长,亦有利于强降水发生。     

Q矢量和湿位涡在梅雨期区域性暴雨中的诊断分析

利用常规地面观测资料、区域自动站降水资料和NCEP再分析资料,根据Q矢量与湿位涡理论对2010年6月19-21日长江中下游暴雨过程进行诊断分析。结果表明：此次暴雨是由低层切变缓慢东移南压而造成;Q矢量绝对值大值区和Q矢量锋生函数大值区与强降水带相对应,值的变化也能反映出降水的增强与减弱,但Q矢量锋生函数中心与降水中心对应有时并不一致;Q矢量散度变化与雨带中心的加强减弱对应较好;强降水带处于正负值交界的等值线密集区,且其梯度的增大对应降水增强,梯度减小对应降水减弱。     

华北一次强对流暴雨的湿位涡诊断分析

应用常规地面观测资料、区域加密站降水资料、NCEP再分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间间隔为6 h）,对2009年6月8日发生在华北的一次强对流暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明：湿位涡的分布对强对流暴雨的发生、落区有较强的指示性作用,MPV1＂正负值区垂直叠加＂的配置是强对流暴雨发生、发展的有利形势。暴雨出现在850 hPa上MPV、MPV1、MPV2正负值过渡带附近,是对流不稳定与斜压不稳定相结合的地区。θse等值线接近垂直的地区有利于垂直涡度的增长,亦有利于强降水发生。     

Sensitivity of Cyclone Tracks to the Initial Moisture Distribution： A Moist Potential Vorticity Perspective

In this study, the characteristics of moist potential vorticity （MPV） in the vicinity of a surface cyclone center and their physical processes axe investigated. A prognostic equation of surface absolute vorticity is then used to examine the relationship between the cyclone tracks and negative MPV （NMPV） using numerical simulations of the life cycle of an extratropical cyclone. It is shown that the MPV approach developed herein, i.e., by tracing the peak NMPV, can be used to help trace surface cyclones during their development and mature stages. Sensitivity experiments are conducted to investigate the impact of different initial moisture fields on the effectiveness of the MPV approach. It is found that the lifetime of NMPV depends mainly on the initial moisture field, the magnitude of condensational heating, and the advection of NMPV. When NMPV moves into a saturated environment at or near a cyclone center, it can trace better the evolution of the surface cyclone due to the conservative property of MPV. It is also shown that the NMPV generation is closely associated with the coupling of large potential temperature and moisture gradients as a result of frontogenesis processes. Analyses indicate that condensation, confluence and tilting play important but different roles in determining the NMPV generation. NMPV is generated mainly through the changes in the strength of baroclinicity and in the direction of the moisture gradient due to moist and/or dry air mass intrusion into the baroclinic zone.