位涡倾向分布与台风Megi(2010)移动的关系及其影响因子

结合数值试验结果对台风Megi(2010)不同半径内的位涡倾向(potential vorticity tendency,PVT)质心位置变化与台风移动的关系进行了探讨,并对PVT方程中不同因子影响PVT质心位置的作用范围进行了研究。结果表明,较小台风半径内的正PVT质心位置变化与台风移动具有较好对应关系,可指示"Megi"转向,较大台风半径内的PVT分布变化虽不直接指示"Megi"转向,但可反映对应区域内大气动力、热力状况发生了有利于"Megi"转向的调整。PVT质心移动受位涡水平平流项的影响较大,受垂直平流项和非绝热加热项的影响相对较小,PVT方程中与台风内部对流活动有关的垂直平流项和非绝热加热项可对"Megi"中心附近PVT分布产生影响,而与台风水平环流有关的水平平流项除可对较小台风半径内PVT分布造成影响外,还可将台风位涡向外输送,是导致不同半径内PVT质心位置差异的主要原因。     

登陆台风等熵面位涡演变的数值模拟研究

选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.引入Ertel等熵面位涡收支方程,深入分析了登陆台风结构演变的过程中绝热与非绝热作用对对流层低层位涡局地变化的影响.研究表明:台风温妮深入内陆的过程中,对流层低层台风中心西北侧位涡增长,且大值中心不再与台风中心重合;由于摩擦和非绝热加热的存在,对流层低层位涡不守恒,其局地变化主要决定于位涡的水平平流(守恒项)、位涡的垂直平流、加热的垂直微分(非守恒项)的分布;台风温妮变性前后,对流层低层位涡的守恒性逐渐减弱,非守恒项尤其是加热的垂直微分对位涡的局地增长的正贡献不断增强直至占有主导地位.     

结合“海棠”台风（2005）定量分析非绝热加热对湿 Q 矢量诊断能力的影响

湿Q矢量最大特点就是考虑了非绝热加热作用,各种湿Q矢量差异也主要表现在对非绝热加热计算处理方案的不同.因此,通过比较分析非绝热加热作用,可揭示出不同湿Q矢量之间诊断能力的差异.2005年第5号登陆台风"海棠"在7月19日08时20 H 08时,给福建省东北部及浙江省造成大范围暴雨.WRF模式成功模拟出此次台风暴雨过程.文章将结合"海棠"台风(2005)登陆台风暴雨过程,利用 WRF模式模拟输出的气象要素,通过计算降水场,定量分析了非绝热加热作用及其对湿Q矢量诊断能力的影响.结果表明:(1)对于公包括大尺度凝结加热的非绝热加热作用H1及包括了潜热加热(大尺度凝结加热和对流凝结加热)、感热加热和辐射加热的非绝热加热作用H2来讲,局地变化项的强迫作用较垂直平流项、水平平流项的强迫作用约小1-2个量级,可以忽略不计,垂直平流项的强迫作用是主要成分,对于水平平流项来讲,尽管其强迫作用明显小于垂直平流项的强迫作用,但也明显大于局地变化项的强迫作用,考虑其将更有利于充分反映H1、H2的强迫作用.对于包括非均匀饱和大气中潜热加热的H3来讲,水平平流项与垂直平流项的强迫作用相当,均为主要成分,而局地变化项的强迫作用为次要成分且不容忽视,对其考虑将有助于全面描述H2的强迫作用.(2)非绝热加热作用H1、H2以及H3强迫产生的24 h累积降水场具有相似的水平分佰特征,三者强迫产生的逐时雨量随时间演变特征也非常相似,这表明水汽凝结潜热是非绝热加热作用的主要成分.(3)进一步结合模拟降水场分析表明,相对于H1强迫产生的降水场来讲,H2与H3强迫产生的降水场更接近模拟结果,这揭示出包含H2的湿Q矢量与包含H2的湿Q矢量诊断能力相近,且对降水反映能力较包含H1的湿Q矢量诊断能力强.(4)不同湿Q矢量各自有其自身诊断特点,根据不同研究目的的需要,可有针对性的选取相应的湿Q矢量来作为研究工具.如需要具体、细敛分析水汽潜热的强迫作用,可以选朋包含H1、H3的湿Q矢量,如仅需考虑总的湿Q矢量强迫作用,则可以直接选用包含H2的湿矢量.     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

台风移动规律的研究 Ⅰ.非绝热加热与水平温度分布的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程。方程中包括了非绝热加热、温度场分布、地形与摩擦等各种可能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的作用所作分析表明,非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动;温度场上的冷区对台风有吸引作用。      

春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征

本文利用1958～2019年日本气象厅逐日再分析资料（JRA-55）,基于热力学方程,详细研究了北亚地区春夏季节转换前（第19至28候）平稳增温过程的热力学特征。结果表明,气候温度平流和非绝热加热有相反的变化趋势,它们先后主导着北亚春夏季节转换前的温度变化。在第22候之前,绝热的气候温度平流主导着北亚地区的增暖过程。但随着欧亚大陆中高纬度上的非绝热加热逐步增强,气候温度平流逐渐变为冷平流,使得非绝热加热成为主导项。线性斜压模式结果表明,非绝热加热除直接加热局地大气外,它还会在北亚地区强迫出气旋式环流异常和上升运动,从而引导着原位于新地岛附近的低压系统向北亚地区移动,进而在水平和垂直方向上引起绝热的冷平流。该冷平流部分抵消了非绝热的加热作用,最终在北亚地区形成平稳的增温过程。     

不同尺度涡旋相互作用对台风的结构和移动的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程，方程中包括了非绝热加热，温度场分布，地形与摩擦等各中能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的使用所作分析表明，非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动；温度场上的准区对台风有吸收作用。     

东北冷涡发展过程的位涡收支分析

从位涡收支的角度对一次东北冷涡发展过程进行了诊断分析,研究了位涡趋势方程中各趋势项对冷涡发展的贡献。结果表明,在对流层低层东北冷涡的发展过程中,非绝热加热率、水平平流位涡以及非平流的位涡趋势对低层位涡的增强做正贡献,有利于低层冷涡的发展,也充分说明了非绝热加热对低层冷涡的发展所起的重要作用;而垂直平流位涡刚好相反,对低层位涡的增强做负贡献,不利于低层冷涡的发展。从垂直结构看,水平平流位涡主要是在对流层低层和高层对位涡发展有正贡献;而垂直平流位涡是在中层促使位涡增强;非平流引起的位涡变化主要是在低层;由平流和非平流引起的总位涡趋势增大,促使冷涡加强发展。     

副热带高压对登陆台风等熵面位涡演变影响的数值模拟研究

选取1997年第11号台风“温妮”为研究个例, 通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、 变性及变性后再次发展的演变过程。采用Davis et al.(1996) 提出的片段位涡反演方法, 提取具有副热带高压物理意义的位涡扰动, 采用片段位涡反演的方法, 改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度, 并引入Ertel等熵面位涡收支方程, 深入分析不同强度的副热带高压环流系统在登陆台风结构演变的过程中等熵面位涡的守恒性, 以及守恒性与非守恒性相对作用的大小。研究表明: 台风北上深入内陆的过程中, 高空槽大值位涡源源不断的输送使得对流层低层西北侧位涡增长, 台风中心上空的辐散形势有利于台风强度的再次增强。由于摩擦和非绝热加热的存在, 对流层位涡局地变化主要决定于位涡的水平平流 (守恒项)、 位涡的垂直平流、 加热的垂直微分 (非守恒项) 的分布。台风经历变性及再增强的过程中, 其影响范围内位涡守恒性经历了先减弱后增强的过程, 非守恒项中位涡的垂直平流能较好地描述对流层中层位涡局地变化趋势, 而加热的垂直微分则在对流层低层和高层表现良好。副高强度的加强使台风加速北上, 加快了台风变性速度, 高层位涡的向下输送明显提前且强度增强, 位涡守恒性的破坏、 重建也相应提前, 位涡垂直平流的整层负值减小, 加热垂直微分对对流层低层位涡增长的正贡献加强, 且持续时间更长。     

东北太平洋一次强爆发性气旋发展的机制分析

使用FNL Analysis全球格点资料,对东北太平洋一次强爆发性气旋的特殊性进行了分析,发现气旋对其西北部低压系统的吸收合并是其爆发性发展过程中的典型特征,斜压强迫对其快速发展的作用较弱,与西北太平洋爆发性气旋的发展过程存在显著差异。同时,使用Zwack-Okossi诊断方程,从影响爆发性发展的动力和热力因子方面,对其发展机制作了深入的探讨。研究表明,正涡度平流、暖平流和非绝热加热的共同作用使气旋开始爆发性发展,由潜热释放导致的非绝热加热的贡献最大,非绝热加热是其快速发展的主导因子,其中正涡度平流贡献主要来自于中高层,暖平流的贡献主要来自于中低层和高层,而非绝热加热主要发生在中低层,这为东北太平洋爆发性气旋的发展机制提供了一个新的认识。     

A simulation study on pre-landfall erratic track of typhoon Haitang (2005)

Summary A new typhoon model named as GRAPES_TCM is applied to study the pre-landfall erratic track of Typhoon Haitang (2005), which hit China twice in mid-July by making landfall in Taiwan and Fujian provinces consecutively. The model is based on the Chinese Global/Regional Assimilation and PrEdiction System (GRAPES) and put into real-time operational test since 2004. It predicts almost correctly the pre-landfall loop and sharp turn of Haitang and its asymmetric rainfall distribution. Haitang’s erratic track is well explained by the potential vorticity (PV) theory on tropical cyclone motion, with the typhoon center moving toward the area of maximum wave-number 1 (WN1) PV tendency most of the time. Among the terms contributing to the WN1 PV tendency, the horizontal advection of PV is dominant with the diabatic heating and residual terms also being not negligible. A sensitivity experiment is carried out with removal of the Taiwan terrain to determine its importance in the erratic track of Haitang and it is found that the basic erratic feature of Haitang’s track remians unchanged although it tends to have a larger loop and a weaker northward turn, which suggests that Taiwan terrain may not be a key factor here. The sudden change of Haitang’s moving direction is always accompanied by a newly-generated or re-intensified WN1 PV center in the southern semicircle, which circles around the TC center cyclonically afterwards and weakens in the north or northwestern part. A phase-lock WN1 PV forcing related to diabatic heating is proposed to be the major contributor, the importance of which is magnified as it is in phase with the WN1 horizontal advection of PV. The intrusion of mid-level warm and dry air, as well as the existence of a low-level southwesterly jet, is considered to be the main reasons for such a phase-lock of the diabatic heating forcing on the PV tendency field that finally results in the erratic track of Haitang.     

Sources of CAM3 temperature bias during northern winter from diagnostic study of the temperature bias equation

The Community Atmosphere Model version 3 (CAM3) temperature simulation bias is examined in this paper. We compare CAM3 output with European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 40 year reanalysis (ERA-40) data. We formulate a time mean temperature bias equation then evaluate each term in the equation. Our focus is on the Northern Hemisphere winter time. We group the temperature equation terms into these categories: linear advection terms, nonlinear advection terms, transient eddy terms and diabatic heating, and find that linear advection and diabatic bias are the largest. The nonlinear terms (velocity bias advection of temperature bias) are much smaller than each of the other groups of terms at all levels except near the surface. Linear advection terms have dipolar pattern in the Atlantic (negative NW of positive) which reflects the shift of the CAM3 model North Atlantic storm track (NAST) into Europe, especially in the upper troposphere; opposite sign dipolar structure occurs over Alaska (positive) and the north Pacific storm track (negative). The transient advection terms in middle latitudes are larger in the upper troposphere and generally positive along the Atlantic storm track. Along the north Pacific storm track (NPST), the transient terms are negative in the mid and lower troposphere over much of the NPST (positive in upper troposphere). The diabatic heating bias has large values in the tropics along the Intertropical Convergence Zone (ICZ) and along the midlatitude storm tracks. During this time of year the ICZ is mainly in the Southern Hemisphere, but CAM3 emphasizes an ICZ-like heating in the northern hemisphere of the Atlantic and Pacific Oceans. CAM3 tends to have a weaker ICZ, especially in the Atlantic. In midlatitudes, we find large bias in heating by precipitation and vertically averaged net radiation over the NAST, Europe, and the Middle East.     

A STUDY ON TYPHOON MOVEMENT PART Ⅰ:THE EFFECT OF DIABATIC HEATING AND HORIZONTAL TEMPERATURE DISTRIBUTION

A basic equation governing the movement of a typhoon has been derived based on the system of primitive equations of motion in the atmosphere. The role of several forcing factors which cause the deviation of the typhoon from the steering current have been discussed based on the governing equation. What is presented in Part Ⅰ is a theoretical analysis on the effects of diabatic heating and the horizontal temperature distribution. It is shown that the accelerations of a typhoon caused by diabatic heating and temperature advection coincide with the direction of the volume-averaged "diabatic steering velocity" QV and the "steering velocity of temperature advection" A_TV (V is the air velocity,Q the diabatic heating rate and A_T the temperature advection ), respectively. The precipitation (or condensation heating) on the right (left) side of a typhoon will accelerate (decelerate) the typhoon. The precipitation in the front (rear ) of the typhoon will turn it to the left (right) of its ordainal path. A typhoon will speed up (slow down) when it moves towards a region of cold (warm) air.     

2003年夏季梅雨期一次强气旋发展的位涡诊断分析

通过位涡诊断和回推轨迹分析, 对2003年夏季梅雨期间一次强江淮气旋的发展过程进行了研究。结果表明: 气旋发展初期, 非绝热加热在气旋的低层发展中起了主要作用, 随后由于高层水平平流的增强, 通过垂直平流使高低层大值位涡耦合在一起, 从而使气旋迅速发展。从中、 高、 低层对位涡柱形成所起的作用来看, 低层主要是非绝热加热, 中层是垂直平流, 而高层主要是水平平流; 从构成气旋的气流来说, 在气旋迅速发展阶段, 低层主要以西南暖湿气流为主, 高层 (500 hPa以上) 主要以沿急流轴下降的高层干冷气流和对流层底层流向气旋东北部并迅速上升的暖湿气流为主。高低层冷暖空气的相互作用主要发生在600 hPa及以上层次, 因凝结加热引起的垂直运动通过垂直平流可能在冷暖气流相互作用和上下大位涡的垂直耦合中发挥了重要作用。     

两例爆发性东北低压的对比诊断分析

该文选择了发展变化机制有一定差异的两例春季爆发性东北低压（分别是1983年4月25～26日气旋（简称A例）和1983年4月28～29日气旋（简称B例）），进行了对比诊断分析。结果表明:（1）非绝热加热和局地斜压不稳定对A例气旋发展来说是十分关键的因子，而空正IPV平流的显著增强及其与低层IPV分布中两个局地最大值的垂直耦合是B例气旋增强的一个重要原因；（2）两个风暴最大不同点在于非绝热加热效应在影响气旋增强的程度上有所不同。另外，B例事件中对流层中部产生的较强高空锋生可以在低压范围内导致深厚的上升运动并使高空锋向下游的正涡度平流得以加强，这对系统的发展是十分有利的。     

Dynamical and Thermal Problems in Vortex Development and Movement. Part I: A PV–Q View

Based on the Lagrangian change equation of vertical vorticity deduced from the equation of threedimensional Ertel potential vorticity(PV e),the development and movement of vortex are investigated from the view of potential vorticity and diabatic heating(PV-Q).It is demonstrated that the asymmetric distribution in the vortex of the non-uniform diabatic heating in both vertical and horizontal can lead to the vortex’s development and movement.The theoretical results are used to analyze the development and movement of a Tibetan Plateau(TP) vortex(TPV),which appeared over the TP,then slid down and moved eastward in late July 2008,resulting in heavy rainfall in Sichuan Province and along the middle and lower reaches of the Yangtze River.The relative contributions to the vertical vorticity development of the TPV are decomposed into three parts:the diabatic heating,the change in horizontal component of PV e(defined as PV 2),and the change in static stability θ z.The results show that in most cases,diabatic heating plays a leading role,followed by the change in PV 2,while the change of θ z usually has a negative impact in a stable atmosphere when the atmosphere becomes more stable,and has a positive contribution when the atmosphere approaches neutral stratification.The intensification of the TPV from 0600 to 1200 UTC 22 July 2008 is mainly due to the diabatic heating associated with the precipitation on the eastern side of the TPV when it uplifted on the up-slope of the northeastern edge of the Sichuan basin.The vertical gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation below(above) the maximum of diabatic heating;the positive PV e generation not only intensifies the low-level vortex but also enhances the vertical extent of the vortex as it uplifts.The change in PV e due to the horizontal gradient of diabatic heating depends on the vertical shear of horizontal wind that passes through the center of diabatic heating.The horizontal gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation on the right(left) side of the vertical shear of horizontal wind.The positive PV e generation on the right side of the vertical shear of horizontal wind not only intensifies the local vertical vorticity but also affects direction of movement of the TPV.These diagnostic results are in good agreement with the theoretic results developed from the PV-Q view.     

沙尘暴辐射强迫的锋生过程分析

本文利用锋面方程结合数值模式结果讨论了在沙尘辐射强迫下,影响锋生过程的物理机制,计算了不同的沙尘分布对这种锋生过程的影响。计算和分析结果表明:白天锋生主要是由非绝热加热和水平速度变形场共同产生的,垂直速度场对锋生的影响较弱,主要起锋消作用。水平温度梯度的平流对锋生(消)的影响都很小。晚上影响低层锋消的主要因子是非绝热加热项。 当沙尘降低时,沙尘辐射强迫的锋面强度和坡度都相应地减小。沙尘暴区中心上空的等熵混合层厚度也随之减少。     

非绝热加热对热带气旋非对称结构影响的数值试验

利用含非绝热加热强迫的正压涡度方程。将非绝热加热作适当的参数化处理。对初始对称 热带气旋作了一系列数值试验,结果表明：不仅β项、平流项在热带气旋非对称结构的形成中有重要作用,而且非绝热加热对热带气旋的非对称结构亦有重要影响,从而验证了非绝热加热是热带气旋非对称结构形成的一种可能机制的结论。