THE THEORY OF MOIST POTENTIAL VORTICITY AND ITS APPLICATION IN THE DIAGNOSIS OF TYPHOON RAINFALL AND INTENSITY

This paper tests the impacts of cloud-induced mass forcing on the moist potential vorticity (MPV) anomaly associated with torrential rains caused by Typhoon No.9914 (Dan) by using fine model simulation data outputted by the Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5). The diagnostic results show that the positive MPV anomaly region, which is obtained by integrating the MPV from 600 hPa to 300 hPa in the vertical, roughly coincides with the precipitation at their synchronous stages either in position or in the distribution pattern, and the maximum positive MPV area of Dan is located mainly between 600 hPa and 300 hPa, which is much higher than torrential rain cases. Further analyses also showed that the value of positive MPV anomaly increased or decreased with the development of Dan, and the positive MPV anomaly may also be served as a tracer to indicate the evolution of tropical cyclone intensity.     

强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析

从动力上推导了热力、质量强迫下的湿位涡方程，阐明了在暴雨系统中引起的强降水会造成热力、质量强迫下的湿位涡异常。并用NCEP1°×1°的分析资料对1999年6月23日到6月26日引起长江流域暴雨的对流系统进行了湿位涡诊断分析，分析结果表明湿位涡异常高度主要出现在700~500 hPa之间，中心最大值可超过1.4 PVU。从动力和资料诊断两个方面均揭示出湿位涡异常区与强降水区有很好的对应关系。     

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。     

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。     

“碧利斯”引发强降水过程的湿位涡诊断分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料,计算了2006年第4号强热带风暴“碧利斯”过境引发强降水过程的湿位涡（MPV）和假相当位温（θse）,分析了其湿位涡中尺度时空分布特矸,探讨了湿位涡发展、减弱与暴雨增幅、减弱的相关性,并结合假相当位温分布对此次强降水发生发展机制进行了分析。结果表明,850 hPa层湿位涡负值中心与强降水区域均有较好的对应关系,强的降水区域在850 hPa层位于湿位涡负中心的暖湿气流一侧,与负中心相距1个纬距左右,MPV负值中心大小可反映降水强度;在低纬地区,MPV的湿正压项MPV1负值区、MPV的湿斜压项MPV2正值中心北部以及θse等值面陡然向地面转折处是预报强降水中心落区的一个判据;MPV1负值增长期,MPV2由负值向正值过渡期,对应降水增幅期;     

2012年7月北京一次大暴雨过程的湿Q矢量和湿位涡分析

利用NCEP 1°×1°的6 h再分析资料和常规气象观测资料,对2012年7月21日发生在北京地区的一次大暴雨天气过程进行非地转湿Q矢量(Q*)和湿位涡等物理量诊断分析,研究暴雨期间Q*散度、锋生函数和湿位涡的时空分布特征,以及它们与强降水之间的关系。结果表明,Q*在850 hPa高度层上对暴雨表现出良好的诊断特性,冷、暖气流的汇聚加强了锋生作用,强锋生中心出现几小时后即出现暴雨。暴雨区位于Q*辐合区内,Q*散度对6 h后暴雨的落区有很好的指示意义。暴雨落区基本位于MPV1正、负值交界处的等值线密集带上以及MPV2负值区内。暴雨区上空,从近地面到对流层低层的对流性不稳定与条件性对称不稳定同时存在,两者共同作用,这很可能是此次暴雨的中尺度对流系统发生发展的重要条件之一。     

滇中暴雨的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论,对１９９８年６月滇中地区罕见的６场暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：θｅ面陡立且南侧暖湿气流活跃,易导致湿斜压涡度发展,形成θｅ陡峭密集区,密集区内暴雨容易发生;湿空气对流活动层仅能达到５００ｈＰａ至６００ｈＰａ之间,若对流层低层ＭＰＶ１〈０,同时ＭＰＶ２〉０,易产生暴雨。     

切变线暴雨过程中湿位涡的中尺度时空特征

利用中尺度数值预报模式MM5V3.6,对2005年9月19—21日发生在山东中南部的区域性切变线暴雨天气过程进行了数值模拟。并用高时空分辨率的模式输出资料,对此次暴雨过程的湿位涡场特征进行了诊断分析。结果表明:θse面陡立易导致湿斜压涡度的发展,形成θse陡峭密集区,密集区内容易发生暴雨。通过湿位涡的分析,揭示了暴雨过程中湿位涡的中尺度演变特征和空间结构,表明切变线暴雨的发生发展与湿位涡的时空演变有很好的联系。暴雨主要出现在850hPa的ζMPV1负值区和ζMPV2正值区等值线密集区附近,降水中心位于ζMPV1负值中心前部对流不稳定区中。     

Application of Generalized Moist Potential Vorticity to the Analysis of a Torrential Rain Case

Considering the non-uniform saturation of the real atmosphere,a diagnostic study of a torrential rain event is performed from the perspective of the anomaly of the generalized moist potential vorticity(GMPV) after introducing the generalized potential temperature into the thermodynamic frame of the real atmosphere. The results show that the anomaly appeared at mid-lower levels of the troposphere when the torrential rain happened.Analysis of the magnitudes and locations of maximum values of the tendency o...     

CONSERVATION OF MOIST POTENTIAL VORTICITY AND DOWN-SLIDING SLANTWISE VORTICITY DEVELOPMENT*

An accurate form of the moist potential vorticity(MPV) equation was deduced from a complete set of primitive equations.It was shown that motion in a saturated atmosphere without diabatic heating and friction conserves moist potential vorticity.This property was then used to investigate the development of vertical vorticity in moist baroclinic processes.Results show that in the framework of moist isentropic coordinate,vorticity development can result from reduction of convective stability,or convergence,or latent heat release at isentropic surfaces.However,the application of the usual analysis of moist isentropic potential vorticity is limited due to the declination of moist isentropic surfaces.and a theory of development based on z-coordinate and p-coordinate was then proposed.According to this theory,whether the atmosphere is moist-symmetrically stable or unstable,on convective stable or unstable,the reduction of convective stability,the increase of the vertical shear of horizontal wind or moist baroclinity may result in the increase of vertical vorticity,so long as the moist isentropic surface is slantwise.The larger the declination of the moist isentropic surface,the more vigorous the development of vertical vorticity.In a region with a monsoon front to the north and the warm and moist air to the south,or by the north of the front,the moist isentropes are very steep.The is the region most favorable for development of vorticities and formation of torrential rain.For a case of persistent torrential rain occurring in the middle and lower reaches of the Changjiang and Huaihe Rivers in June 11-15,1991,moist potential vorticity analysis,especially the isobaric analysis of its vertical and horizontal components,i.e.MPV1 and MPV2,respectively,is effective for identifying synoptic systems not only in middle and high latitudes,but also in low latitudes and in the lower troposphere.It can serve as a powerful tool for the diagnosis and prediction of torrential rain.     

湿位涡与锋面强降水天气的三维结构

湿位涡（MPV）给出了大气短期行为的热力状态和涡旋运动之间的约束关系，这种关系导致了强降水这样的天气现象中涡旋爆发性增长的重要机制，它的大小与大气层结的状态、斜压性以及风的垂直切变有关，其正负符号取决这三者的配置。文章分析指出500 hPa上MPV1零线或0～20（0.1 PVU）的区域可作为强降水区的后界（西北界）。锋面南侧暖湿对流不稳定层结大气中，在对流层700 hPa及以下的中低层（低空急流之上）。存在着向东的正涡度环流对应MPV2的正值中心，该中心北部对应强降水区，而锋面北侧的对流稳定层结大气中，     

Up-sliding Slantwise Vorticity Development and the complete vorticity equation with mass forcing

The moist potential vorticity (MPV) equation is derived from complete atmospheric equations including the effect of mass forcing, with which the theory of Up-sliding Slantwise Vorticity Development (USVD) is proposed based on the theory of Slantwise Vorticity Development (SVD). When an air parcel slides up along a slantwise isentropic surface, its vertical component of relative vorticity will develop, and the steeper the isentropic surface is, the more violent the development will be. From the definition of MPV and the MPV equation produced here in, a complete vorticity equation is then put forward with mass forcing, which explicitly includes the effects of both internal forcings, such as variations of stability, baroclinicity, and vertical shear of horizontal wind, and external forcings, such as diabatic heating, friction, and mass forcing.When isentropic surfaces are flat, the complete vorticity equation matches its traditional counterpart. The physical interpretations of some of the items which are included in the complete vorticity equation but not in the traditional one are studied with a simplified model of the ChangjiangoHuaihe Meiyu front. A 60-h simulation is then performed to reproduce a torrential rain event in the ChangjiangoHuaihe region and the output of the model is studied qualitatively based on the theory of USVD. The result shows that the conditions of the theory of USVD are easily satisfied immediately in front of mesoscale rainstorms in the downwind direction, that is, the theory of USVD is important to the development and movement of these kinds of systems.     

阿克苏北部暴雨和冰雹湿位涡对比诊断分析

应用湿位涡理论,分别对阿克苏北部2次暴雨和冰雹过程进行诊断分析。结果表明：θse面陡立易导致湿斜压涡度发展,形成θse陡峭密集区,密集区内暴雨和冰雹容易发生;850hPa MPV1〈0和MPV2〉0以及700hPa MPV1〉0和MPV2〈0,易产生暴雨,且MPV1和MPV2数量级相当,即正压过程与斜压过程同样重要。冰雹发生时850hPa MPV1〉0和MPV2〈0,由于影响系统的不同,700hPa MPV1和MPV2分布有所不同,但存在MPV1和MPV2的正负配置,有利于倾斜涡度发展。     

呼和浩特市一次大暴雨天气的湿位涡诊断分析

对1998年7月12日发生在呼和浩特地区的大暴雨天气过程进行了湿位涡初步诊断分析。结果表明:湿位涡在暴雨预报中具有较好的指示性,当对流层低层MPVl<0,同时MPV2>0时,暴雨易发生。从500hPa到对流层中高层,在切变线的附近有一个大的湿位涡正值中心,各层中心的位置基本相对应,从中层到高层略向北倾,越到高层中心值越大。强降水位于低层湿位涡高值区东北侧正位涡较小的地区,并与位涡斜压部分的负值中心相对应,随着斜压负值中心强度的增强,暴雨加强。     

副高断裂前后四川盆地一次暴雨过程的比较分析

利用NCEP1°×1°6 h再分析资料,对副热带高压与西风槽典型环流形势配合下发生的一次四川区域性暴雨过程的不同阶段进行对比分析。结果表明,前期暴雨天气过程,其动力条件占到了主导地位,具有明显的经向垂直环流圈和垂直上升运动支,而在副高断裂后较强冷空气作用下,在副高边缘发生的区域性暴雨过程受西风带槽前的能量锋区影响,动力强迫作用和热力强迫作用激发的次级环流,进一步加强了四川盆地垂直运动的发展;冷空气作用前期的暴雨过程和冷空气进入后副高边缘发生的区域性暴雨过程中暴雨区域内的假相当位温均强于高层,大气处于对流性不稳定层结状态,对四川盆地暴雨的增强也起了不可忽视的作用,但由副高控制到副高逐渐断裂,湿位涡的斜压扰动是逐渐增强的过程,导致倾斜垂直涡度发展,激发更为强烈的上升运动;副高与西风槽环流形势相配合的暖区暴雨过程水汽主要来自中低层孟加拉湾;而副高断裂后发生在副高边缘的区域性暴雨过程,水汽主要来自850hPa层南海和孟加拉湾,从对流层中到低层,四川盆地东部恰恰是冷暖气流的交汇处,偏南气流将海上充沛的水汽输送到盆地东部,为暴雨的发生提供充足的水汽条件,并与对流层低层秦岭附近的东北冷气流交汇。     

山东省春秋季暴雨天气的环流特征和形成机制初探

对山东省春秋季暴雨的气候特征和影响系统进行了分析, 制作了春秋季暴雨的平均环流形势图。分析了2003年春秋季两次大范围暴雨的环流特征和影响系统及暴雨期间大气的热力特征和水汽输送特征, 应用k-螺旋度和倾斜涡度发展理论, 分析了暴雨的形成机制。结果表明:4月暴雨均受气旋影响, 10月暴雨以冷锋影响居多。2003年4月17—18日为气旋暴雨, 10月10—12日为切变线冷锋暴雨。两次暴雨前都有低空偏南风急流向暴雨区输送水汽, 大气强烈增温增湿, 对流不稳定度增大, 湿斜压性增强。强冷锋南下触发对流不稳定能量释放, 产生暴雨。暴雨期间低层正k-螺旋度猛烈发展。暴雨前期中低层MPV1 < 0且MPV2 > 0, 冷锋影响期间MPV1 > 0且MPV2 < 0, 都有利于倾斜涡度发展, 增强了上升运动。     

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。     

贺兰山东麓两次局地暴雨过程的湿位涡诊断分析

利用自动气象站雨量资料、MICAPS4调阅资料以及NCEP再分析资料,对比分析了2016年8月21日和2018年7月22日宁夏贺兰山东麓两次局地暴雨过程的降水特征、环流形势等,重点对两次过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明:两次暴雨过程第一阶段均为暖区降水,表现出降水范围小、时间短、强度大,相对第一阶段降水,第二阶段降水范围较大、雨强较小。两次过程强降水均发生在假相当位温(θse)等值线密集区,并沿低空急流轴呈长条状分布,强降水时段与θse最大值出现时间相一致。暴雨区位于位涡(PV)负值中心区附近,暴雨发生发展过程与PV负值中心的移动和变化较为一致,PV负值中心的加强和减弱以及移动方向对局地暴雨的预报有很好的指示意义。对流层500 hPa以上湿位涡正压项(MPV1)正的大值区对应700 hPa以下负的大值区,正负中心区垂直叠加的配置有利于暴雨发生发展。垂直剖面图上600 hPa都存在湿位涡斜压项(MPV2)负极值中心,对流层中低层MPV2负极值中心的强度和维持时间以及变化对局地暴雨的预报有一定的指示作用。     

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。     

1998年武汉大暴雨过程的切变涡度及非绝热加热垂直结构分析

文中通过比较 1 998年武汉大暴雨期间相对涡度、切变涡度和纬向切变涡度 (ζs1) ,发现ζs1中心与暴雨中心位置有更好的对应关系 ,其在时序上高空负纬向切变涡度发展要超前强降水出现约 1 d。暴雨发生前高空反气旋性涡度增强 ,且与此同时 ,低层要求有正涡度发展。暴雨发生时段对应着 Q1,Q2 的高值区 ,并具有强上升运动 ,且 Q1,Q2 两者之间存在较强的耦合。视热源中心在 45 0 h Pa,而水汽汇中心主要在 6 0 0 h Pa附近。Q1,Q2 局地变化和平流变化是反位相分布的 ,共同的作用是减小对加热的贡献。Q1中局地变化可省略 ,但 Q2 中局地变化在第2次强降水时段可达 4K/d左右 ,因此不能省略。垂直输送项在 Q1,Q2 中是最主要的加热项