非线性惯性重力内波的特征及天气意义

对大气非线性惯性重力内波方程组,利用相平面分析法导出了相应的ＫｄＶ方程。采用直接积分法求出两类有意义的孤立波解,讨论了波解的基本特征,并着重分析了一类奇异孤立波与某些天气系统（如青藏高原５００ｈＰａ低涡）的可能联系。     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组，讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时，其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说，对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子，并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播；（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说，在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下，此时根本不存在涡旋Rossby波，横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时，此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波），涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的，涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0），此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中，涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

台风中－α尺度重力惯性波的发展与暴雨增幅

通过数值模拟和诊断研究得出，９２１６号台风暴雨的增幅过程与台风中－α尺度重力惯性波的发展、传播，非均匀层结的分布以及积云对流潜热反馈有关。大尺度非线性平流项的作用激发出大尺度的重力惯性波，积云对流潜热加热作用导致非地转风场扰动大大加强，从而使重力惯性波波幅加大，上升运动增强，暴雨加大。当重力惯性波向稳定度减小的方向传播时，波能量最易加强     

非均匀层结大气中的重力惯性波及其激发对流的物理机制

本文用WKBJ方法求解Boussinesq近似下的重力波方程,导出非均匀层结大气中重力惯性内波的一个守恒波作用量(称为广义波作用量)。根据广义波作用量守恒原理,着重讨论了重力惯性内波在发展过程中尺度变化的规律;在适当的条件下,重力波随着其尺度的变化而可能崩溃(或破碎),从而激发对流的发展。      

梅雨暴雨期重力惯性波的发展与雨带的活动

由1991年7月5—6日一次梅雨期暴雨过程的中尺度扰动场分析, 发现高低层重力惯性波的发展与传播和雨带、低涡的发展与传播有密切的联系, 高低层重力惯性波有明显不同的传播形式。结果表明:降水初期, 对流不稳定激发出重力惯性波, 低层南部相对稳定, 有向南传播的重力惯性波, 高层出现传播的重力惯性波, 高低层向南传播的重力惯性波有利于多条雨带的形成; 降水中期, 高层的重力惯性波出现围绕低层涡旋中心逆时针旋转, 降水也开始加大并东移; 高层向北传播的重力惯性波可导致低层的涡旋和降水发展。     

热带气旋内中尺度波动的不稳定机理研究进展

在回顾了近年来热带气旋波动动力学研究的基础上,介绍了热带气旋内中尺度波动不稳定机理研究方面的进展,分别对热带气旋三类中尺度特征波动的不稳定,即经典重力惯性波、涡旋Rossby波和具有物理性质不可分的混合波的不稳定进行了物理分析,给出了热带气旋内对称不稳定、横波不稳定、对流对称不稳定、涡旋Rossby波正压不稳定及混合波不稳定的动力解释,进一步说明热带气旋内中尺度扰动发展是与基本气流的动力(水平和垂直切变)及热力状态之间的相互作用密切相关。     

台风中－α尺度重力惯性波的发展与暴雨增幅

通过数值模拟和诊断研究得出,９２１６号台风暴雨的增幅与台风中－α尺度重力惯性波的发展,传播,非均匀层结构的分布以及积云对流潜热反馈有关。大尺度非线性平流希的作用激发出大尺度的重力惯性波,积云对流潜热加热作用导致非地转风场扰动大大加强,从而使重力惯性波波幅加大,上升运动增强,暴雨加大。     

暴雨中尺度涡旋系统发生发展的诊断

从位涡方程出发,导出描述三维涡度强度变化方程,分析大气层结及其变化等对三维涡度强度变化的影响。在此基础上,通过对垂直涡度变化的分析,揭示了大气层结变化、水平能量锋演化、垂直风切变等有利于涡旋系统发展的动力机制。针对湿中性层结特征(θse/p≈0),讨论了降水反馈对中尺度系统发展的影响,并揭示湿中性层结下凝结潜热的垂直非均匀分布与垂直涡度的耦合强迫作用可能是暴雨中尺度系统发展的动力机制。     

凝结加热和地表通量对华南中尺度对流系统(MCS)发生发展的影响

通过有无凝结加热和地表通量影响的数值模拟对比研究，分析了非绝热过程对一次华南暴雨MCS发生发展过程的影响。结果表明：（1）凝结加热对MCS的降水影响很大，在MCS发展的各个时期，如不考虑凝结加热，MCS的降水强度很快减弱，无法继续发展。（2）凝结加热在MCS涡旋的形成期最为重要，在涡旋形成之后，影响相对减弱。（3）凝结加热通过对MCS发展过程的影响从而也影响了MCS环境场中尺度低空急流、高层辐散等中尺度结构特征的形成。（4）地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程对MCS的形成也有重要影响；在暴雨MCS发生前期，地表非绝热过程造成气压下降，导致华南南部来自海洋的偏南风加大，辐合加强，从而使低层的湿度增大，气层变得更加不稳定，有利于对流的启动。     

圆形涡旋大气中的横波不稳定

讨论涡旋大气中,存在沿切向基流传播的横波型扰动,并采用数值方法讨论了柱坐标系下圆形涡旋系统斜压气流中这类扰动的不稳定,这是一类中尺度的重力惯性波的不稳定.研究了涡旋环境大气的层结稳定度参数N2、切向风垂直切变Vz、凝结潜热、涡旋特性及科里奥利参数f0对不稳定增长率的影响.圆形涡旋中同样存在横波不稳定的Eady模态和中尺度模态,得到了中尺度模态的扰动场分布特征:流场的不规则"猫眼"结构及慢速传播的扰动均集中在低层,而快速传播的扰动均集中在高层的扰动特征.     

四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征

针对2020年8月11—12日四川盆地西部特大暴雨过程中尺度系统演变特征和维持机制,利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料以及FY-4A的云顶相当黑体温度TBB资料进行诊断分析。(1) 本次过程发生在500 hPa巴湖长波槽分裂短波和高原低槽东移发展在四川盆地停滞,副高加强西伸形成阻挡的形势下,同时200 hPa有南亚高压和高空分流区配合。(2) 在上述有利的背景条件下,中尺度系统活动经历了中尺度辐合扰动-西南涡生成发展-低空急流影响-西南涡再次发展增强等4个阶段,西南涡两个阶段的发展对降水影响最大,初生发展阶段雨强最强,再次发展阶段强降雨范围最大。(3) 西南涡在暖区内初生发展,对流不稳定性强,地面潜热和感热加热以及500 hPa层以下水汽凝结潜热加热均十分显著,在较强暖湿平流作用下,配合低层涡度拉伸项和扭转项的动力作用加强,西南涡迅速发展,但低层辐合相对较弱,正涡度柱高度仅发展至500 hPa。(4) 西南涡再次发展阶段冷平流入侵,大气斜压性增强,中高层感热和凝结潜热加热作用加大,“低层辐合-中高层辐散”的动力机制显著加强,配合垂直向上输送正涡度和涡度拉伸项的动力发展作用,西南涡发展旺盛,正涡度柱中心强度和发展高度较初始发展阶段均明显增强。      

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。     

一类奇异孤波解及其在高原低涡结构分析中的应用

文中利用相平面分析法 ,由非绝热大气运动方程组导出了与非线性重力内波有关的 Kd V方程 ,然后用直接积分法得到两类有意义的孤立波解 ,重点分析了一类具有间断点的奇异孤立波解的特征 ,初步建立了此波解与一类青藏高原暖性低涡的联系 ,讨论了高原加热和层结稳定度对高原低涡生成和移动的影响 ,并且从理论上论证了高原低涡具有与热带气旋类低涡( Tropical cyclone- like vortices)类似的涡眼和暖心结构     

青藏高原上空一次重力波过程的识别与天气影响分析

应用再分析资料、多套卫星反演资料和WRF中尺度数值模拟资料,识别了2005年1月10日青藏高原上空一次重力波过程,以及重力波对青藏高原西部降雪的影响。结果表明,此次重力波位于急流出口区的左方,以西南-东北走向覆盖青藏高原大部分地区。大尺度的冷暖平流相间分布和不断增强的非平衡流为重力波的形成提供了有利背景场。小波交叉谱分析显示垂直涡度与水平散度在对流层中层满足重力波的极化性质,在青藏高原西部的上升支对应有降雪过程发生。WRF可以较好地再现这一过程,并且能够模拟出再分析资料中无法分辨的中尺度重力波。数值模拟表明,青藏高原近地面强烈非绝热加热使得低层大气静力不稳定,在近地面暖区触发对流后引起高层凝结释放潜热,低层融化冷却,有利于激发重力波,并在其上升支产生固态凝结物,随后到来的冷气团提供了有利的水汽输送条件,大范围的弱抬升运动取代了原间隔进入降雪区的强对流上升支,使得固态凝结物得以落至地面,最终在青藏高原西部形成本次降雪过程。      

Diagnosis of the forcing of inertial-gravity waves in a severe convection system

The non-hydrostatic wave equation set in Cartesian coordinates is rearranged to gain insight into wave generation in a mesoscale severe convection system. The wave equation is characterized by a wave operator on the lhs, and forcing involving three terms—linear and nonlinear terms, and diabatic heating—on the rhs. The equation was applied to a case of severe convection that occurred in East China. The calculation with simulation data showed that the diabatic forcing and linear and nonlinear forcing presented large magnitude at different altitudes in the severe convection region. Further analysis revealed the diabatic forcing due to condensational latent heating had an important influence on the generation of gravity waves in the middle and lower levels. The linear forcing resulting from the Laplacian of potential-temperature linear forcing was dominant in the middle and upper levels. The nonlinear forcing was determined by the Laplacian of potential-temperature nonlinear forcing. Therefore, the forcing of gravity waves was closely associated with the thermodynamic processes in the severe convection case. The reason may be that, besides the vertical component of pressure gradient force, the vertical oscillation of atmospheric particles was dominated by the buoyancy for inertial gravity waves. The latent heating and potential-temperature linear and nonlinear forcing played an important role in the buoyancy tendency. Consequently, these thermodynamic elements influenced the evolution of inertial-gravity waves.     

台风Chanchu(0601)变性过程中的强度变化及环境场分析

利用非静力中尺度WRF模式模拟的台风Chanchu(0601)的输出资料,探讨了Chanchu减弱变性过程的强度及结构变化。分析结果表明:在台风Chanchu北移过程中,高层的暖心被破坏,强度快速减弱,眼壁对流发展高度降低,眼壁对流由对称结构演变为非对称,内核对流减弱。此减弱变性过程与惯性稳定度减小、垂直风切变增强、低层锋生等环境要素有关。惯性稳定度与台风强度变化一致,随着惯性稳定度降低,最大切向风减弱并不断外扩,Rossby变形半径增大从而潜热释放不集中难以维持台风强度,台风减弱;同时,内核区的高层暖心更易径向频散,从而高层暖心难以维持;环境的垂直风切变增强使台风的斜压性增强,台风垂直结构的倾斜度增大,对流发展高度降低;低层冷空气侵入台风中心趋于填塞,也利于台风强度减弱;台风登陆以后冷暖空气对比导致的锋生使得不稳定能量释放从而重新加强了Chanchu环流内的中低层对流活动,但较台风最强时刻而言对流强度减弱。总体减少的对流和降低的对流高度,导致潜热能释放减小,其向心输送也减少,不足以维持强暖心结构,最终使得台风减弱并变性。      

2012年夏季四川东部一次大暴雨过程分析

本文使用常规观测资料、四川省自动站降水资料、0.1°×0.1°的FY－2E云顶亮温资料和1°×1°的NCEP再分析格点资料对2012年7月20～23日四川东部强降水过程的主要影响系统、水汽源地、动力、热力条件等进行诊断分析,结果表明:(1)本次暴雨过程中伴有500hPa高空槽东移至四川并向南加深发展,槽后冷空气与槽前暖湿气流在四川汇合,低层有低涡发展,配以高低空急流耦合的有利形势;(2)暴雨前期水汽主要来源于孟加拉湾,随着南海台风西进,其外围偏东气流向西输送增强,西南暖湿气流北上受到抑制,使得雨带南压;(3)降水以对流性降水为主,暴雨期间水汽凝结潜热在对流层中低层起主要作用,强上升运动将低层的潜热加热向上输送,形成高空的热源中心,强降水期间大气的加热是与大气的垂直上升运动密切相关的;在本次暴雨过程垂直输送项是视热源Q1和视水汽汇Q2的主要贡献者,尤其是在强降水阶段;(4)在低涡在发展阶段,低层正涡度局地变化项首先得到发展,在低涡减弱阶段,正涡度局地变化项的峰值中心由低层向中低层抬升;(5)中尺度对流系统与小时降水分布一致,MCS的发展是触发降水的重要因素之一。      

海南2008年秋季持续性暴雨过程的物理机制分析

利用地面常规与加密自动站降水观测、卫星云图、NCEP FNL全球分析等资料对2008年10月12—14日海南持续暴雨天气过程进行诊断分析。分析表明:热带低压、冷空气以及副热带高压三者的相互作用,导致海南低空出现持续的东(东南)风急流,该急流在海南东部沿海形成的向岸风辐合及地形强迫抬升是MCS的重要触发机制,其暖湿输送作用是暴雨区不稳定能量得以循环建立的主要途径。南海东北风冷涌前沿强辐合、潜热加热以及高空强辐散有利于热带扰动的发展与维持。热带低压与冷空气相互作用导致大气斜压性增强,地转强迫作用与惯性振荡机制使得低压北侧东北风急流加强。东北与东南急流之间的形变与辐合导致持续锋生过程,锋生强迫产生的热力直接环流上升支与低空急流左前侧次级环流上升支是对流系统发展的主要动力触发机制,低空强潜热加热也有利于对流向更高层次发展。     

The Evolution of a Meso-β-Scale Convective Vortex in the Dabie Mountain Area

The evolution of a mesoscale convective system (MCS) that caused strong precipitation in the northern area of Dabie Mountain during 21-22 June 2008 is analyzed, along with the evolution of the associated meso-β-scale convective vortex (MCV). The mesoscale reanalysis data generated by the Local Analysis and Prediction System (LAPS) at a 3-km horizontal resolution and a 1-h time resolution during the South China Heavy Rainfall Experiment (SCHeREX) were utilized. The results show that two processes played key roles in the enhancement of convective instability. First, the mesoscale low-level jet strengthened and shifted eastward, leading to the convergence of warm-wet airflow and increasing convective instability at middle and low levels. Second, the warm-wet airflow interacted with the cold airflow from the north, causing increased vertical vorticity in the vicinity of steeply sloping moist isentropic surfaces. The combined action of these two processes caused the MCS to shift progressively eastward. Condensation associated with the MCS released latent heat and formed a layer of large diabatic heating in the middle troposphere, increasing the potential vorticity below this layer. This increase in potential vorticity created favorable conditions for the development of a low-level vortex circulation. The vertical motion associated with this low-level vortex further promoted the development of convection, creating a positive feedback between the deep convection and the low-level vortex circulation. This feedback mechanism not only promoted the maturation of the MCS, but also played the primary role in the evolution of the MCV. The MCV formed and developed due to the enhancement of the positive feedback that accompanied the coming together of the center of the vortex and the center of the convection. The positive feedback peaked and the MCV matured when these two centers converged. The positive feedback weakened and the MCV began to decay as the two centers separated and diverged.     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。