垂直向基流二次切变对梅雨锋中尺度低涡暴雨系统的影响

β中尺度低涡是引发长江中下游地区梅雨锋暴雨的主要中尺度天气系统之一,采用实况统计与数值模拟相结合的方法,对1999—2005年长江中下游地区梅雨期间23个低涡暴雨过程进行分析得出:暴雨一般都发生在中低层低涡南侧的西南急流里,急流的强度和位置直接影响降水落区和强度,低涡所激发的涡旋Rossby波在急流里传播时引发不稳定,产生强降水。根据基本流场风速二次切变理论,进一步研究表明:大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变,而这种情况正是涡旋Rossby波产生的物理根源。当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且高层200 hPa附近引导气流比较强时,低涡移向东北偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中层急流比上下层略强,即U_(ZZ)绝对数值很小,低涡移向东南偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中低层急流相对于高层急流很强的时候,低涡移向西南向;当垂直向基流在中层的急流很强,上下急流不明显时,低涡移向西或西偏北。因此,垂直向基流风速二次切变是影响梅雨锋中尺度低涡路径的关键因子,这一结论对于梅雨期间低涡暴雨落区预报有很好的指示意义。     

热带大气运动的长波和超长波(一)

对热带干大气运动的长波、纬向超长波(纬向扰动尺度L_1～10~4公里,经向扰动尺度L_2～10~3公里)和经向超长波(L_1～10~3公里,L_2～10~4公里)进行了尺度分析,得到了适合这些运动的近似方程。对于纬向超长波,与长波的情况一样为正压无辐散运动;但在经向超长波时,则涡度方程中存在辐散项,这一结果与Matsuno得到的在热带存在Rossby波和惯性-重力波混合的情况是一致的。同时,在存在基本气流切变的情况下,对线性化扰动方程进行了频率分析,结果指出,当n≥1时,Rossby波和惯性-重力波是可分的;当n=0,而纬向尺度L_1～1000公里时,存在混合Rossby-重力波,这就证实了上述尺度分析的结果是正确的。于是,把尺度分析的结果与热带波动运动中Rossby波和惯性-重力波是可分的或混合的特性统一了起来。     

热带大气运动的长波和超长波(二)

本文对热带湿大气运动的长波、纬向超长波(纬向扰动尺度L_1～10~4公里,经向扰动尺度L_2～10~6公里)和经向超长波(L_1～10~3公里,L_2～10~4公里)进行了尺度分析,得到了适合这些运动的近似方程。对于纬向超长波,与干大气一样为正压无辐散运动;但对于长波和经向超长波,它们的运动特征与干大气有着巨大的差别,在这类运动中,位势部分、辐散辐合和垂直气流相当重要,而且重力内波波速大大变慢,因而可以认定混合的Rossby-重力波是热带长波和经向超长波的一个重要特性。我们所得的结果与Charney对干大气的分析不一致,也与Murakami对湿大气的分析不一致。从而证实了谢义炳教授最近提出的空气温度对大气运动有重要影响的观点。同时,在假定基本气流U=0的情况下,对线性化扰动方程进行了频率分析,证实了上述尺度分析的结果是正确的。     

涡旋强度调整半径对2016年第18号热带气旋路径预报的影响

2016年中国国家气象中心区域台风模式（GRAPES_TYM）对第18号热带气旋（记为TC 1618）的路径预报出现了较大的误差:其平均路径误差显著大于全年的平均误差。分析了涡旋初始化方案（包括涡旋重定位以及涡旋强度调整）对其路径预报的影响。结果显示,涡旋强度调整是造成TC1618预报路径平均误差偏大的主要原因。不同的强度调整半径（r₀=12°,9°,6°,3°）对TC1618路径影响的敏感性试验结果显示,强度调整半径越大,其平均路径预报误差越大。500 hPa副热带高压以及平均海平面涡旋尺度分析发现:较大的强度调整半径（r₀=12°,9°）其初始时刻的涡旋尺度较大,涡旋北侧邻近区域副热带高压等值线相对偏北,副热带高压相对偏弱。尺度大的涡旋其北移速度较大,并且在积分过程中其环流邻近区域副热带高压进一步减弱,导致涡旋环流会更早与其西北侧东移的西风槽结合,移速偏快。      

大气运动的特征参数和动力学方程

应用尺度理論及相似性原理分析大气动力学方程,可以揭露各种模式的相互联系并确定其适用范围。在准靜力平衡及气压梯度力与柯氏力同量級的假定下,对于无粘性流体的絕热运动,可以确定出三个由外部参数决定的特征尺度:由柯氏参数l_0决定的特征时間尺度l_0~(-1),由溫度层結及平均溫度决定的特征速度尺度C_0,及由此决定的水平距离尺度L_0=C_0L_0~(-1),这三个尺度与相应的大气运动的特征尺度之比值ε=1/Tl_0,μ=L_0/L及M_a~(-1)=C_0/U(或者λ=M_aμ)就是决定大气运动特性的三个基本参数。当o(ε)<相似文献   

大气运动非平衡强迫与“98·7”突发性特大暴雨诊断分析

应用常规气象和卫星资料,对1998年7月21日发生在武汉附近地区的突发性特大暴雨过程进行了分析,结果显示(1)引发本次突发性特大暴雨的系统是一个中-β尺度对流云团.(2)该中-β尺度暴雨系统在对流层高低层没有独立的负、正涡度大值中心区与之对应,辐合层并不十分深厚(低于500hPa),且气流散合强度(10-4s-1)较旋转强度(10-5s-1)大一个量级(D＞＞ζ).(3)在暴雨发生前10余小时,大气运动已处于较强的非平衡状态,且越临近暴雨发生,U＜0的非平衡性越强;而在暴雨达到强盛期后,大气运动即由U＜0的非平衡态转为U＞0的非平衡态.(4)对流层低层大气运动非平衡动力强迫与200hPa等压面上的中-β尺度强辐散是本例暴雨和中-β尺度暴雨系统发生发展的重要动力启动机制.     

热带气旋结构对其运动的影响

我们采用无辐散正压数值模式,在无基本气流的条件下研究了热带气旋结构对其运动的一些作用。正如 DeMaria 先前所指出的,初始最大风速对涡旋轨迹影响甚微。与β效应相联系的涡旋移动十分敏感地依赖于离中心300至1000km 范围内的气流强度。如果此圆环内的气流气旋性加强,则涡旋轨迹也会气旋性地转向,在北半球其移动更偏向于西。通过分解出对称和不对称环流,我们讨论了β漂移的动力学。对称气流经历了最大风速稍微减弱和在600km 以外激发出一反气旋环流的过程。不对称环流由方位1波环流所支配,中心东侧有一反气旋环流圈,西侧有一气旋性环流圈,两环流圈之间有一近于均匀的,尺度较宽的通风气流。涡旋移动的速度和方向几乎等同于该通风气流在涡旋内有显著气旋性环流区域上的平均值。模式流函数趋势方程的分析证实,线性β项导致初始不对称环流圈的形成。对称涡旋气流平流不对称环流,这一非线性项使两环流圈之间的内部区域发生扭曲,并使通风气流的方向由向北演变成向西北。由于该项几乎与线性β强迫相平衡,所以流函数时间趋势(及涡旋移动)主要由通风气流平流对称涡旋这一项决定。     

西北太平洋热带气旋强度和尺度协同变化特征北大核心CSCD

热带气旋强度和尺度是衡量其破坏性的重要指标。利用美国联合热带气旋警报中心(JTWC)最佳路径数据集和全球飓风强度统计预测计划(SHIPS)再分析数据集,对2004-2020年7-11月西北太平洋热带气旋的强度和尺度(26 m·s^(-1)大风平均半径)时空变化及协同变化特征统计分析发现,热带气旋强度与尺度在10月均达到峰值,主要表现为大而强且海上生命史长的热带气旋占比高于其他月份。热带气旋尺度伴随着强度增强(减弱)而增大(收缩),达到生命史最大尺度的时间平均滞后于最大强度时间40 h,且尺度快速膨胀及达到最大尺度的平均位置比发生快速增强和最大强度的位置更接近陆地。热带气旋初始尺度影响其最大尺度。71%大尺度涡旋在后期发展为大涡旋,其中发展为强热带气旋(不小于59 m·s^(-1))的占比为59%。热带气旋26 m·s^(-1)大风平均半径对后期尺度的影响可达66 h,说明尺度预报中不能忽略初始尺度的影响。热带气旋最大尺度增长率发生在中等强度条件下(25~50 m·s^(-1)),而最大强度增长率发生在中小尺度26 m·s^(-1)大风平均半径(50~100 km)范围。在高空辐散强、相对湿度高、海洋热含量大,且中等及较弱环境垂直风切变条件下,尺度更易向外扩展,甚至发生快速膨胀。     

北太平洋冬季天气尺度涡旋的机理分析

利用1981~2013年NOAA（美国国家大气海洋管理局）海温资料和NCEP（美国环境预报中心）大气再分析资料,采用经验正交函数（EOF）分解方法对850 hPa瞬变高度场进行分解发现:850 hPa瞬变高度场经验正交函数分解的前两模态表征同一发展型波动的传播特征,该波动在日本以西形成然后向东发展,沿东偏北移动,在日界线附近发展达到最强,之后迅速向东北衰弱直至消亡,本文将其定义为西部型天气尺度涡旋（WSE）。合成分析表明,西部型天气尺度涡旋的强弱变化与北太平洋大范围的海温、副极地海洋锋异常存在密切联系,当西部型天气尺度涡旋活动偏强时,北太平洋北部和中部的海温显著偏冷,副热带地区海温显著偏暖,副极地海洋锋大大增强。同时,西部型天气尺度涡旋的强度与大气环流异常存在明显的协同变化,表现为西部型天气尺度涡旋偏强对应于阿留申低压增强且位置偏东,中纬度上空纬向西风增强。海洋和大气环流的这种变化增强了西北太平洋上空大气的斜压性,使得有效位能向扰动动能的转换增加,从而有利于西部型天气尺度涡旋的发展。     

两层海洋对风场气候异常响应的解析解及其讨论

利用一个β通道线性化两层正压准平衡海洋模型,解析求解了两层海洋流场对时变风场(风场异常)的响应,得到了时变风场强迫下该海洋流场响应的斜压模态,而该模型中的正压模态则因其与实际情况不符,应弃之.在海洋上层该斜压模态中,西边界附近的海洋流场响应表现为一对由气旋性曲率和反气旋性曲率组成的涡旋偶;在时刻t=0和t=T/2(T为风场变化周期),β通道中线上分别有西风异常和东风异常最大,故响应表现为东向流和西向流;而在β通道的南北侧边界上响应表现为逆流;此时响应变化较缓慢,但强度大.在时刻t=T/4和t=3 T/4,虽无大气风场异常强迫,但因海洋运动的惯性,响应仍不为0;此时,响应变化较剧烈,但强度小,且.其流向也发生反转,这时上述涡旋偶也表现得最清晰.存海洋下层,海洋流场响应的强度和时间变化与上层相似,但流向却相反,而这体现了响应的斜压性.该海洋流场响应的频率与时变风场异常的频率相同,但存在位相差.因模型中采用了无辐散近似,故响应的性质为准平衡涡旋波,当风应力强迫和瑞利摩擦不太大时,即为海洋Rossby波.对该流场响应的振幅做了估计,发现风应力越大,β通道半宽越大,耗散越小,风应力变化的频率越低,则该响应就越大;在其他因子相同时,低频的风应力异常比高频的能激发出更大的海洋流场响应.得到的斜压模态的解析解与中纬度北太平洋在日本本州岛以东、以南的实际海洋上层流场异常相像,故其在一定程度上能够反映中纬度北太平洋海洋上层流场对实际风应力异常的响应情况;且其较我们以前得到的结果要优,适用性也更广,而这有助于揭示该响应的性质和机理.     

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。     

瞬变天气涡旋对北大西洋涛动的增强效应

使用NCEP/NCAR再分析资料计算了冬季北大西洋瞬变涡旋活动强度与北大西洋涛动(NAO)逐日指数的时间序列,结果发现:当涡旋活动强度出现峰值后会伴随NAO模态增强现象;而随着NAO的增强,涡旋能量同落.为了判断是否涡流相互作用将天气尺度的能量转换为低频尺度的能量,使用瞬变涡度通量来研究涡度与能量的传输.通过分析瞬变涡...     

守恒系统中台风强度变化及其可能因子的数值研究

用一个高分辨率的 f平面正压涡度方程模式 ,实施了时间积分为 36h的 2 1组试验 ,研究相邻中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用。结果指出 :这种相互作用能否导致台风加强 ,取决于两类因子 :一是台风涡旋最大风速的取值以及圆形基流切变的强弱 ;二是切变基流中的中尺度涡旋的自身条件 ,包括中尺度涡旋的分布、尺度、强度和结构。台风强度与初始中尺度涡旋的尺度、强度之间存在着非线性的联系     

非均匀风场与急流强迫的水体涡旋动力特征模拟

通过数值模拟有限区域水气界面由强迫作用驱动形成的水体涡旋及环流动力结构特征,分析非均匀风场、水体急流、两者叠加以及环境边界和地转偏向力等因子的综合影响,探讨此类水体涡旋结构和动力特征。风应力驱动的水体涡旋尺度大,相对深厚,正涡旋具有下凹表面,负涡旋具有上凸表面。水体急流驱动的涡旋形成在急流两侧,对应急流所在深度及厚度尺度相对较小,也较浅,但流速与强度均大于风场驱动的涡旋环流。地形阻挡起着引导涡旋环流走向的作用;同时在北半球地转偏向力对急流侧向负涡旋形成和强度增强更为有利。此外正涡旋对应的辐合辐散势函数强于负涡旋,有利于正涡旋区垂直上升运动强于负涡旋中垂直下沉运动。非均匀风场及水体急流两种强迫叠加作用下,涡旋数量增加、尺度减小,底层的流场形态及强度与表层差异增大。形成的水体涡旋结构呈现多种形态：深厚的整层一致;浅薄的仅维持在上层,或上下层环流相反等。风应力驱动的涡旋以正压性为主,水体急流驱动的涡旋因急流的垂直强切变而具有强的斜压性,在正斜压动能的转换中,正压性涡旋区有斜压动能向正压动能转换,斜压性涡旋区有正压动能向斜压动能转换,均有利于这两个区域正负涡旋的维持。     

一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究

2006年7月3日傍晚到4日凌晨,苏北到黄海的一个中尺度对流复合体(MCC)产生了系列龙卷、直线型对流大风和强降水,利用常规高空地面观测、区域自动气象站、卫星云图以及多普勒天气雷达资料,详细分析此次中尺度对流复合体的结构和产生的天气背景。主要结论如下:(1)该中尺度对流复合体高层为对应分离背景场的强辐散,中层在副热带高压西北侧和500 hPa东移的短波槽前,地面位于锋面气旋暖区内;该中尺度对流复合体发生在中等到强的对流有效位能、强的深层(0—6 km)和低层(0—1 km)风垂直切变环境下;(2)该中尺度对流复合体主要垂直环流特征为:近地层东南气流和其上的中低层西南暖湿气流从对流复合体南部流入到复合体中心,复合体后部对流层中低层和中层为较干冷的西北气流夹卷进入中尺度对流复合体,导致降水蒸发冷却形成强烈下沉气流,产生带有西北风动量的下沉气流,到地面形成β中尺度冷池,冷池与周边暖湿气流的交界处为β中尺度阵风锋,同时中尺度对流复合体位于对流层低层到地面部分形成深厚冷池导致的雷暴高压,阵风锋前部有β中尺度暖低压;中尺度对流复合体中高层由于水汽凝结潜热释放加热形成暖心结构,位于对流层中层的主要特征为β中尺度气旋性涡旋对应的中尺度低压,对流层高层存在β中尺度辐散反气旋环流;(3)多普勒天气雷达探测揭示该中尺度对流复合体成熟阶段主要呈现为线性结构,主要构成是一条尺度在150—200 km的活跃弓形飑线,还有数条较弱的呈气旋性弯曲的对流雨带,雨带旋入共同的涡旋中心,该涡旋中心与地面锋面气旋的中心相对应(重合),同时也是相应中尺度对流复合体的β中尺度气旋的中心,直径为40—60 km;(4)在上述活跃弓形飑线的前侧出现多个中尺度涡旋,4个EF2级龙卷和3个EF1级龙卷都发生在这些中尺度涡旋内,导致龙卷的中尺度涡旋水平尺度为4—5 km,旋转速度接近超级单体的强中气旋旋转速度,垂直伸展比超级单体中气旋浅薄,形成机制也与超级单体中气旋有明显差异;(5)该中尺度对流复合体成熟阶段的云系尺度为1000 km,其中低于220 K (-52℃)冷云盖的尺度在400 km左右,其内部结构的主要构成是一条150—200 km长的活跃弓形飑线,地面β中尺度冷池和阵风锋,沿着弓形飑线前侧出现多个尺度为4—5 km的中尺度涡旋,其中部分中尺度涡旋导致尺度只有几十至几百米的EF1和EF2级龙卷,呈现出明显的多尺度结构特征。      

河南省气候变化与北极涛动的多时间尺度相关

将交叉谱与小波变换方法相结合,采用交叉小波分析方法,分析了冬、夏季北极涛动指数距平(ΔIAO)、河南省降水距平(ΔR)和气温距平(ΔT)序列的时频结构及其联合统计特征,讨论了近55年来河南省气候变化与北极涛动之间的多时间尺度相关。结果表明:冬、夏季ΔIAO、ΔR和ΔT都存在准2年、4年、6~8年和11~22年左右的周期信号。冬季ΔR与ΔIAO之间的显著相关表现在准2年和14~22年尺度共振周期上,年代际尺度正相关振荡的凝聚性最强且为全时域分布;冬季ΔT与ΔIAO的显著正相关表现在2~4年和6~10年尺度共振周期上,时域中相关振荡存在局部化特征;年代际尺度上ΔR与ΔIAO的相关显著性高于ΔT与ΔIAO的相关而年际尺度上ΔT与ΔIAO的相关比ΔR与ΔIAO的相关更显著,表明冬季AO对河南省降水和气温变化的影响机制不同。夏季ΔR与ΔIAO之间的显著相关表现在准2年、4~6年、6~8年和16年左右尺度共振周期上,以6~8年尺度正相关振荡凝聚性最强;夏季ΔT与ΔIAO的相关显著性较低,仅在年际尺度周期上局部时域中有所表现;夏季AO主要通过影响东亚季风强度对河南省降水和气温变化产生间接影响。     

一次西南涡影响云南强降水过程分析

通过对2004年8月4日西南涡影响下云南强降水过程的环流背景、卫星云图演变以及动力、热力条件的分析,发现这次西南涡是一个具有斜压性的极其深厚的系统,随高度前倾,高层500 hPa上的西南涡表现尤为明显,并且诱发了低层700 hPa西南涡的产生,强降水主要出现在西南涡的西南方;强降水与强上升运动区和正涡度区有很好的对应关系,并且正涡度和上升运动的出现比气旋性环流场有24 h的提前时间,对于强降水预报更具有预示性,它们是一个逐渐由高层向低层发展的过程;中-β尺度对流云团在金沙江河谷南移合并加强,形成了中-α尺度涡旋状云系,其中的对流云团在强降水中作用较大;强降水正是出现在对流层低层(MPV1 MPV2)的负值范围内,这也说明西南涡涡旋云系的发展与正压和斜压不稳定都有关系,对流层低层MPV1<0和MPV2<0有利于暴雨的发生。     

浙江丽水高温的多时间尺度气候变化特征及趋势演变

利用1953~2013年丽水市逐日最高气温资料,通过多尺度趋势分析方法研究丽水高温的初、终日期,以及高温在年、月尺度上的变化趋势,并采用Morlet小波分析和多窗口谱分析对丽水高温的周期特征进行研究和检验。结果表明:丽水高温初日提前,终日延后,高温持续时间显著拉长;高温日数增多,强度加大,两者呈显著正相关关系,且以21世纪初的高温最为显著;高温主要分布在3~10月,集中于6~9月,且7月高温日数和强度都达到顶峰,8月次之。高温在年际和年代际尺度上都有周期分量,且不同的周期尺度高温的强度有所差异。高温在年代际尺度上以12 a的周期最为显著,在年际尺度上2~6 a周期相对明显。     

数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响

随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)情况下,研究并讨论数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响。结果表明,42层的垂直分辨率明显不足,而69层和90层的垂直分辨率则都能模拟出细致的台风边界层小尺度结构,龙卷尺度涡旋出现较多。与69层试验相比,90层试验模拟的台风强度要弱、龙卷尺度涡旋数量要少,但模拟的台风强度更稳定,模拟的小尺度涡旋也更精细。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。