一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。     

大气对流层重力波研究进展

重力波对暴雨等强对流天气有着触发机制的作用,甚至影响着大气环流、大气结构和演变.综合近50年来国内外有关大气对流层重力波的研究成果,为重力波的进一步研究提供参考.多年研究表明：暴雨等强对流系统、山脉地形等为对流层重力波波源;重力波强度与风垂直切变、背景绝对涡度成正比,传播速度与波的振幅、水平波宽成正比,重力波在稳定大气中得到了加强,潜热加热有利于重力波的形成;重力波的探测手段为微压器、卫星、雷达观测等,通过重力波探测目前基本掌握了重力波的日、月、季节的活动规律.     

一次东移西南涡过程的平流层重力波特征研究

基于WRF模式对2011年6月16—19日一次东移西南涡过程的模拟,开展了西南涡激发平流层重力波的特征研究。东移西南涡可以分为发展、强盛和减弱3个阶段,每个阶段均伴随着强降雨天气,但由于降水位置和强度的不同,平流层重力波的分布和强度也不同。西南涡发展阶段,平流层重力波主要位于低涡的东侧,并向东北传播;西南涡强盛阶段,伴随对流降水的强度和范围明显增大,平流层重力波的振幅和范围也显著增大,且围绕西南涡的东侧和南侧呈现出半环状的重力波分布特征可分为两支,东侧波动波列表现为东北西南向分布,南侧的波列表现为东—西向分布;西南涡减弱阶段,重力波的振幅和范围均减小。波谱分析表明,重力波的纬向波数频率谱关于零频率呈非对称分布,且随着西南涡的增强,波谱在小尺度范围显著增大,即强对流更容易激发出小尺度的高频波;经向波数频率谱在波数较小谱段关于零频率基本呈对称分布,但在波数较大谱段,也呈非对称分布,这说明受平流层东风气流的影响,重力波主要向东传播。     

一次高空云波动诱发的鄂东北强降水特征分析

利用实况观测资料、GFS再分析资料和高时空分辨率的风云卫星资料,详细分析了鄂东北2016年6月30日下午16:00出现的强降水与上午08∶00开始其西侧400 km外西南涡降水中心的云波动之间的关系。结果表明:在鄂东北强降水发生前,其西侧西南涡中心附近出现两条重力波云波列向偏北和偏东传播。北支云波列在向北传播到鄂西北触发强降水后折向东南方向传播,转向后的北支云波列受500 hPa对称不稳定影响产生云波动,但由于500 h Pa水汽较少,不利于降水形成。南支云波列在600 hPa以下条件性对流不稳定的影响下,出现弱的惯性重力波传播特征。南北两支高度不同的云波列在鄂东交汇后,浅薄对流转为深厚对流,在充分的水汽和不稳定条件下触发鄂东局地强降水。     

四川盆地低涡的月际变化及其日降水分布统计特征

利用ERA-interim再分析资料和全国824个气象基准站的日降水资料,统计分析了1983年1月1日~2012年12月31日发生在四川盆地的低涡天气过程及其降水特征,结果表明:盆地涡初生位置主要位于盆地的西南部和东北部,盆地涡夏季出现最多,冬季出现最少,其中初生位置位于盆地西南部的低涡7月出现最多,12月和1月出现最少;位于东北部的低涡6月出现最多,1月出现最少;盆地涡具有明显的日变化,西南型盆地涡3~10月夜晚发生概率均大于白天,其他月份低涡夜发性不明显,而东北型盆地涡只在5~9月期间夜晚发生概率大于白天,其他月份低涡夜发性不明显;盆地涡生命史与对流程度具有相关性,对流发展有利于盆地涡长时间维持,然而,夏季西南型盆地涡即使对流没向上发展也能长时间维持;盆地涡夏季移出最多,尤其以7、8月最明显,冬季移出最少,7月前以偏东路径为主,7月后以东北路径为主;盆地涡频数的月际变化与川西高原西南涡源地的风场扰动移出有密切联系,九龙地区夏季风场扰动移出活跃,冬季移出不活跃。小金地区春季风场扰动移出活跃,冬季移出不活跃。九龙地区风场扰动移出对盆地涡频数的月际变化贡献明显,小金地区风场扰动移出对盆地涡频数的月际变化贡献不明显;夏半年(5~10月)西南型盆地涡和东北型盆地涡引起的日降水区域分布的月际变化特征不同,前者的日降水最大值中心随月份先由盆地东北部向西南部移动,之后再由盆地西南部向东北部折回,后者的日降水最大值中心会一直稳定维持在盆地的东北部达州地区。东北型盆地涡虽然出现频次低,但各月的日降水强度要远大于西南型盆地涡。     

夏季沿西亚急流Rossby波活动异常的波源和能量传播及转换特征

用1958-2003年NCEP/NCAR再分析资料,利用涡度源方程、Eliassen-Palm通量(EP通量)和非绝热效应的波能方程,分析了夏季沿西亚急流Rossby波活动(WAJRA)异常的波源、能量传播和转换特征,从大气动力学内部机制上进一步认识WAJRA异常的成因,提高对中高纬大气环流异常机理的理解.研究表明,对流层高层位于地中海和北大西洋-斯堪的纳维亚半岛的负涡度源区和EP通量强辐散区为夏季WAJRA异常的波源区.当波源区位置和强度出现异常时,波源所激发东传的Rossby波活动也出现异常,从而导致WAJRA强弱变化.WAJRA强(弱)年冰岛-斯堪的那维亚半岛(斯堪的那维亚半岛以东)EP通量强辐散区激发Rossby波并沿2条路径向东传播,一支向东传播在乌拉尔山附近转向东南并在里海、咸海-新疆上空进入亚洲副热带西风急流传播增强(减弱),另一支直接向东南方向传播在地中海东部-黑海附近进入亚洲西风急流增强(减弱),此外,地中海上空EP通量辐散也增强(减弱),它们共同作用使得WAJRA增强(减弱).沿西亚地区副热带西风急流(简称西亚急流,指亚洲副热带西风急流的15°-60°E部分)非绝热加热产生扰动有效位能远大于基本气流动能向扰动动能的转换和基本气流有效位能向扰动有效位能的转换.西亚急流Rossby波活动强年(弱年)伊朗高原及其北侧的西亚地区非绝热加热产生的有效位能增强(减弱)显著,是WAJRA增强(减弱)的能量源.     

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。     

冬季全国性持续低温事件过程中的平流层—对流层相互作用

利用1959～2017年ERA40/ERA-Interim逐日再分析资料和国家气候中心的逐日站点资料,针对发生在当年11月至次年3月（NDJFM）的全国性持续低温事件（EPECEs）,分析了热带外环流的变化特征,以及平流层—对流层相互作用。结果表明,全国性EPECEs可划分为冷空气在乌拉尔山—西伯利亚关键区堆积和冷空气爆发以及消亡三个阶段,分别与对流层中层乌拉尔山—西伯利亚一带大型斜脊的建立、发展和崩溃以及平流层极涡强度的恢复、维持和再次减弱相对应,其中伴随着显著的平流层—对流层相互作用。首先,以大西洋地区异常扰动为主的热带外对流层形成2波型行星波异常,并上传影响平流层;随后在平流层2波调整为1波型的过程中,出现了行星波的异常下传以及平流层极涡强度的恢复,在对流层形成的1波型的高度正异常中心位于东欧地区,有利于乌拉尔山高度脊的建立以及源于北冰洋的冷空气在高压脊前形成堆积;随后由于平流层极涡强度维持,对流层行星波上传持续受到抑制,并主要在欧洲一带出现显著的异常向下反射,对应对流层1波型高度正异常中心逐步东移至中西伯利亚地区,从而有助于乌拉尔山脊向下游发展成一个横跨西伯利亚地区的大型斜脊,冷空气堆积区也东移到中西伯利亚地区。进入冷空气爆发阶段,随着斜脊前的大型横槽与上游移来的短波槽形成阶梯槽形势,横槽很快转竖引导低层冷空气向我国大范围爆发;同时大型斜脊的维持也使行星波再次出现1波型异常上传,影响平流层极涡再次减弱。最后,随着冷空气爆发,大型槽脊迅速崩溃,对流层波动减弱,低层气团的经向输送也随之减弱,EPECEs消亡。     

不同涡源西南涡的若干统计特征分析

利用2012～2016年Micaps天气图资料和《西南低涡年鉴》,对西南低涡及不同涡源西南涡的变化特征、活动期和移动特征以及对降水的影响等进行了统计分析。结果表明:(1)西南低涡平均每年生成95次,但各年差异大。其中,九龙涡最多,盆地涡次之,小金涡最少。西南低涡多发时段在春季与夏初,其中,九龙涡多发时段在春季与夏季,盆地涡多发时段在冬季与春初,小金涡多发时段在冬末与春季。(2)西南低涡活动主要在4～7月,小金涡最长生命史可达168h,在7月;九龙涡最长生命史156h,在5月;盆地涡最长生命史144h,在4月。西南低涡大多数在生成后24h内消失。在12月的西南低涡生命史最短,绝大部分在24h内。(3)西南低涡有三分之一能移出涡源区。其中,九龙涡移出的个数最多,盆地涡其次,小金涡移出的个数最少,但移出几率最高。3～6月是西南低涡移出的主要时段。其中,九龙涡主要移出时段在4～7月;盆地涡主要移出时段在1～5月;小金涡主要移出时段在2～5月。(4)西南低涡主要移动路径是东北、东、东南。其中,九龙涡以东北移为主;盆地涡以东北移、东移为主;小金涡以东移、东南移为主。(5)除冬季、春初外,不同涡源西南涡不论活动时间长短,都会造成降水,九龙涡造成的降水一般比盆地涡大。西南涡造成的很强降水多出现在6～7月。      

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后,常骤发强风,甚至起沙扬尘,持续数小时甚至一二天,通过对边界层超声风温仪的资料分析,可知大风常叠加有周期为3～6 min的阵风,较有规律,且有明显的相干结构:阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主,横向和垂直方向的分量都较小,其本质是低频次声波和重力波的混合;阵风沿顺风向且向下传播.周期小于1 min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡.大风期间,无论是平均流、阵风和湍流脉动,至少在120 m高度以下,主要都有西风和北风动量下传,感热上传.平均流的动量下传强于由脉动下传的量,与一般天气情况不同,而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多.平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用.     

基于秒级探空资料分析四川重力波统计特征

利用2014年6月-2017年9月的秒级探空资料,选取四川地区5个代表性站点研究重力波在对流层（2~10 km）和平流层（18~25 km）的时空特征。选取结果表明:重力波能量在四川地区各个高度均存在明显的季节变化,冬季强,夏季弱;在对流层由于地形影响,川西和川北高原地区的能量小于其他地区。垂直波长没有明显的时空变化,在对流层和平流层分别集中分布于1.5~3 km和1.5~3.5 km;水平波长则差别较大,分别分布于0~300 km和100~700 km,平均值分别为100 km和350 km。重力波固有频率在对流层有较大的区域差异,表现为在四川西北部的高原地区固有频率平均值为3f（f为地转参数）,其他地区则仅为2.4f;平流层则没有明显的差异存在,均约为2f。四川地区重力波的垂直传播方向特征基本相同,在对流层约有50%的波动向上传播,平流层则有90%以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确定性,特别是对流层;平流层水平传播方向存在明显的季节变化,表现为夏季重力波多向偏东方向传播,而其他季节则向偏西方向传播。     

The Role of Stationary and Transient Planetary Waves in the Maintenance of Stratospheric Polar Vortex Regimes in Northern Hemisphere Winter

Using 1958-2002 NCEPNCAR reanalysis data, we investigate stationary and transient planetary wave propagation and its role in wave-mean flow interaction which influences the state of the polar vortex (PV) in the stratosphere in Northern Hemisphere (NH) winter. This is done by analyzing the Eliassen-Palm (E-P) flux and its divergence. We find that the stationary and transient waves propagate upward and equatorward in NH winter, with stronger upward propagation of stationary waves from the troposphere to the stratosphere, and stronger equatorward propagation of transient waves from mid-latitudes to the subtropics in the troposphere. Stationary waves exhibit more upward propagation in the polar stratosphere during the weak polar vortex regime (WVR) than during the strong polar vortex regime (SVR). On the other hand, transient waves have more upward propagation during SVR than during WVR in the subpolar stratosphere, with a domain of low frequency waves. With different paths of upward propagation, both stationary and transient waves contribute to the maintenance of the observed stratospheric PV regimes in NH winter.     

A two-way stratosphere-troposphere coupling of submonthly zonal-mean circulations in the Arctic

This paper examines the dominant submonthly variability of zonally symmetrical atmospheric circula- tion in the Northern Hemisphere （NH） winter within the context of the Northern Annular Mode （NAM）, with particular emphasis on interactive stratosphere-troposphere processes. The submonthly variability is identified and measured using a daily NAM index, which concentrates primarily on zonally symmetrical circulation. A schematic lifecycle of submonthly variability is developed that reveals a two-way coupling pro- cess between the stratosphere and troposphere in the NH polar region. Specifically, anomalous tropospheric zonal winds in the Atlantic and Pacific sectors of the Arctic propagate upwards to the low stratosphere, disturbing the polar vortex, and resulting in an anomalous stratospheric geopotential height （HGT） that subsequently propagates down into the troposphere and changes the sign of the surface circulations. From the standpoint of planetary-scale wave activities, a feedback loop is also evident when the anoma- lous planetary-scale waves （with wavenumbers 2 and 3） propagate upwards, which disturbs the anomalous zonally symmetrical flow in the low stratosphere, and induces the anomalous HGT to move poleward in the low stratosphere, and then propagates down into the troposphere. This increases the energy of waves at wavenumbers 2 and 3 in the low troposphere in middle latitudes by enhancing the land-sea contrast of the anomalous HGT field. Thus, this study supports the viewpoint that the downward propagation of stratospheric NAM signals may not originate in the stratosphere.     

100 hPa极地涡旋分裂和重建的能量机制

对于100 hPa极涡分裂过程,对流层2波能量的大量上传是主要因素,其次是波与波非线性相互作用的影响。而对极涡重建过程,主要因素是波与波非线性相互作用,其次是对流层能量上传变化的影响。     

北半球冬季平流层强、弱极涡事件演变过程的对比分析

利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析,同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明,强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程,而弱极涡事件的建立非常迅速;和强极涡事件相比,弱极涡事件的峰值强度更强,异常中心的位置更高。此外,强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件,发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波;当平流层西风达到一定强度,上传的行星波受到强烈抑制,使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件,发展阶段一波型的异常增强了行星波上传,通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态,更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明,有SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常,通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃;无SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层缺乏向上的一波通量,二波活动起到重要作用,其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件,其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常,伴随着强的向极的EP通量异常,导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常,其后期的对流层效应更加滞后也不连续,对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。     

CHARACTERISTICS OF GRAVITY WAVE PROPAGATION AND ENERGY CONVERSION IN A SUDDEN HEAVY RAINFALL EVENT

In this paper, a sudden heavy rainfall event is analyzed, which occurred over the Yellow River midstream during 5–6 August 2014. We used observational, NCEP/NCAR reanalysis, high-resolution satellite, and numerical simulation data. The main results are as follows. Under an unfavorable environmental circulation, inadequate water vapor and unfavorable dynamic conditions but sufficient energy, a local sudden heavy rainfall was caused by the release of strong unstable energy that was triggered by cold air transport into middle and lower layers and the propagation of gravity waves. The distributions of rain area, rain clusters, and 10-minute rainfall showed typical mesoscale and microscale fluctuation characteristics. In the mesoscale rain area or upstream, there was a quasi-stationary wave of mesoscale gravity waves with their propagation downstream. In the course of propagation from southwest to northeast, the wavelength became longer and the amplitude attenuated. In the various phases of gravity wave development, there were evident differences in the direction of the wave front. Wave energy was mainly in the lower layers. Unstable vertical wind shear at heights of 1–6 km provided fluctuation energy for the gravity waves. The mechanisms of heavy rainfall formation were different at Linyou and Hancheng stations. Diabatic heating was the main source of disturbed effective potential energy at Linyou. The explosive short-period strong precipitation was caused by the release of strong effective potential energy triggered by the gravity waves, and its development and propagation after that energy maximized. In contrast, the latent heat release of upstream precipitation was the main source of disturbed effective potential energy at Hancheng. This formed a positive feedback mechanism that produced continuous precipitation. In the studied event, the development of westerly belt systems had disturbed the wind field. The contribution of kinetic energy generated by this disturbance could not be ignored. The Froude number, mountain shape parameter, and ratio between mountain height and temperature inversion layer thickness had various effects of atmosphere and terrain on mesoscale and microscale mountain waves. In upper and lower layers, there were five airflows that were strengthened by the terrain. All these had important influences on local heavy rainfall at Linyou and Hancheng stations.     

青藏高原红原站平流层下部重力波观测特征分析

利用位处青藏高原的红原探空站2008年5月垂直高分辨率的无线电探空资料分析了其上空下平流层(19～26 km)重力波的波动特性.结果表明:重力波的垂直波长主要集中在2～4 km之间,平均值约为2.9 km;水平波长主要集中在100～600 km之间,平均值约为311 km;固有频率主要集中在1.5f～3.5f(f为科氏...