西北太平洋温带气旋爆发性发展的热力-动力学分析

利用天气、位涡分析和导出的Lagrangian型广义Z－O发展方程的诊断分析,考查了两个西北太平洋温带气旋爆发件发展的主要强迫机制和热力一动力空;司结构。结果表明,热力强迫对爆发性气旋发展起主要控制作用,当反映大气斜乐性的Laplacian温度平流、积云对流和湍流加热为主的热力强迫共同作用使地转相对涡度急剧增长时,气旋便出现了爆发性发展,其中积二尺度的对流加热贡献更大。Laplacian绝热冷却、大气向海洋的感热输送和摩擦效应起阻滞发展的作用,也是控制气旋衰亡的主要过程。爆发性发展启动同子因例而异,涡度平流、Laplacian温度平流和Laplacian大尺度加热均可成为主要启动因子。垂直积分平均分布和垂直结构考查进一步佐证了诊断分析的结果,并揭示了气旋爆发性发展过程中一些重要的热力-动力学分布特征。     

爆发性气旋的前世今生

温带气旋是中纬度地区每日天气舞台上最重要的“演员”。在秋冬季节的中高纬度海洋上有一类快速发展的温带气旋——“爆发性气旋”,尚未受到公众的广泛关注。文章围绕这一主题,首先回顾了温带气旋研究的历史,介绍了“爆发性气旋”这一术语产生的渊源,并对多位学者给出的爆发性气旋定义进行了系统梳理,重点介绍了一个考虑风速影响的、修正的爆发性气旋定义,还总结了爆发性气旋的研究现状,最后对其未来数十年的研究前景进行了阐述展望。     

海洋温带气旋发生发展的研究

本文综合地评述了近年来海洋温带气旋发生、发展的研究成果,讨论了海洋温带气旋爆发性发展的气候特征、天气形势、各种物理机制及数值模拟的结果,并进一步指出了有待解决的问题。     

东亚和西太平洋爆发性温带气旋发生的气候学研究

本文利用历史天气图资料,对1973—1988年中国东部和沿海地区的温带气旋及其爆发性发展情况进行了统计,共有1014个温带气旋发生,其中有1/5达到了爆发性发展的强度,构成了西太平洋爆发性海洋气旋的一部分.它占整个西太平洋爆发性气旋总频数(包括不同来源)的51％.进而对这类爆发性气旋的活动规律进行了分析,概括出了它们的气候学特征.比较亚洲大陆、中国近海及西太平洋地区的爆发性温带气旋表明,西太平洋地区不仅频繁而且强烈.而东、西太平洋地区发生海洋爆发性气旋的对比表明,二者存在着明显的差异.同时也指出,东太平洋地区爆发性气旋的发生并不是一种少见的现象.     

海洋温带气旋爆发性发展数值试验

利用 Ｐ Ｓ Ｕ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ Ｍ Ｍ ４ 对５ 个西北太平洋温带气旋的爆发性发展进行了一系列数值模拟和敏感性试验,并对重要的物理过程进行了分析和诊断。采用相同物理过程及边界条件的控制试验成功地模拟出了主要的爆发性气旋加深率,为海洋爆发性气旋的业务数值预报提供了可能。敏感性试验获得了湿物理过程、能量频散、 Ｓ Ｓ Ｔ 和海面能通量、日本岛地形及初、边值条件等影响气旋加深率的定量认识,分析表明水的微物理过程,特别是网格尺度的水汽凝结、未饱和层的云滴和雨滴蒸发,是气旋爆发性发展中最重要的物理过程;在高空 ２００～３００ｈ Ｐａ 层的云滴蒸发效应可能是形成相应层气旋中心非绝热冷却峰值的主要原因;由内在热力动力学过程所决定的潜热释放比对流参数化任意规定的加热分布更接近实际并能产生更好的模拟结果;没有能量频散效应时可减小模拟加深的 ３０％ ;海面能通量在初始时刻比在爆发性发展时更重要,不计初始时海面能通量将影响模拟加深约 ２５％ ,而不计爆发性发展时的海面能通量,这种影响不及前者的一半;爆发性发展时的海面能通量呈不均匀分布并能诱导反锋面热力环流在局部抑制气旋的加深;大气模式对海气边界层能通量交换的变化和海洋增暖产生了显著的热力学响     

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。     

2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋成因分析

利用常规和加密气象观测、NCEP再分析、云图等资料,对2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋造成的极端天气的物理机制进行分析。结果表明：春季进入到渤海、黄海北部的气旋平均每月2.4个;气旋一般先进入黄海,进入黄海和经渤海进入黄海的温带气旋总计有84.5%进入黄海北部,且春季进入黄渤海的气旋73%会给大连地区带来大风或降水天气,影响大连东部沿海的几率远高于其他地区;产生较强灾害性天气的爆发性气旋多发生在春季,路径基本都是由西南向东北方向移动。爆发性气旋主要是因为温带气旋经过黄渤海后短时间快速降压,到大连陆地发生爆发性发展,这种温带气旋的发展一般从低层开始,具有较强的锋区和斜压性,爆发阶段位于正涡度平流最大的高空急流出口区,对应低空位于低空急流左前方辐合区。较强的冷、暖温度平流是造成极端降水和大风天气的主要因素,暴雨的形成主要是温带气旋带来的暖湿气流持续输送,并伴有较强上升运动促使的水汽垂直输送,整层水汽充沛;当低空急流发展和冷、暖空气交绥时,出现了在高湿、高温的湿斜压锋区上的强降水;而北路强冷空气与黄、渤海上爆发性发展的温带气旋形成极强气压梯度,是出现极端大风的主要原因。     

2018年1月北大西洋上一个具有“T”型锋面结构的超强爆发性气旋的分析

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的0.5°×0.5° ERA-Interim再分析资料，麦迪逊-威斯康星大学气象卫星研究所（CIMSS）提供的地球静止环境业务卫星（GOES-EAST）红外卫星云图和天气预报模式（WRF）的模拟结果，对2018年1月3—6日发生在北大西洋上的一个具有“T”型（T-bone）锋面结构的超强爆发性气旋进行分析。该爆发性气旋在较暖的湾流上空生成，沿海表面温度大值区向东北方向快速移动，生成后6 h内爆发性发展，24 h中心气压降低48.7 hPa。高空槽加深、涡度平流加强和低层较强的大气斜压性为气旋快速发展提供了有利的环流背景场。由于气旋发展迅速，低层相对涡度急剧增大，低压中心南部来自西北方向的干冷空气随气旋式环流快速向东推进，与东南暖湿气流汇合，锋生作用较强。较暖的洋面对西北冷空气的加热作用使得交汇的冷、暖空气温度梯度较小。减弱东移的冷锋与暖锋逐渐形成近似垂直的“T”型结构。用Zwack-Okossi方程诊断分析表明，非绝热加热、温度平流和正涡度平流是该爆发性气旋发展的主要影响因子。气旋初始爆发阶段，西北冷空气进入温暖的洋面，海洋对上层大气感热输送和潜热释放较强，非绝热加热对气旋快速发展有较大贡献。气旋进一步发展，“T”型锋面结构显著，温度平流净贡献较大，对气旋的发展和维持起重要作用。      

春季中国东部海域气旋急流在气旋发展中的作用研究

对2008—2014年中国东部海域春季海上发展气旋进行了统计与诊断分析。结果表明:1)这类气旋属于较浅薄的低值系统,垂直伸展高度多在600 h Pa以下,水平尺度多在1 500 km以内。伴随的强天气为大风、大浪与强降水,落区主要位于气旋东南部。2)气旋环流各层的大风急流区构成了气旋的东南部位,称为气旋急流。从高层到低层,气旋急流轴在垂直方向上呈逆时针旋转,形成气旋上大下小的漏斗形状。3)气旋急流左侧的气旋式切变有利于气旋中心强度的维持,上层气旋急流左侧对应下层气旋急流前部流速辐合区,有利于气旋式动力抽吸及在气旋东南部形成强的垂直上升运动区。各层气旋急流配置导致气旋的非对称结构,以及气旋要素的非对称分布。气旋急流向气旋中输入螺旋度以及充足的水汽,并在东南部强烈抬升,增强了凝结潜热释放,从热力和动力两方面促进气旋发展及强天气落区。4)春季下垫面温度分布(锋区)有利于气旋急流的增强,并通过西北部非绝热冷却和东南部非绝热加热,增强气旋斜压性。高空环境西风急流位于气旋右侧,形成了整层偏差风辐合,有效增强低层气旋急流。同时高空动量下传位于气旋西侧,首先增强气旋西北部的弱流部分(即气旋螺旋结构的下沉支),进而增强整个气旋的螺旋环流,促使气旋急流也从下层开始增强。     

气旋快速发展的机制分析

本文主要分析爆发性气旋的形成机制。通过对一个爆发性气旋生成的个例分析表明,高空急流核的东传及高空强风动量的下传加强了低层强风带及气旋性涡度切变;涡度及位涡垂直分布显示,以对流层中高层的强涡度为背景,气旋在中低层得以爆发性发展,使得强盛期的气旋发展成为一个上下一致的垂直涡度柱;低空强风带的加强一方面由于高空急流的动力强迫作用,另一方面来源于低纬空气质点对强风动量的输送作用。另外,本文还利用拉格朗日方法进行空气质点的轨迹积分,以分析高空纬向气流及低层强风带的变化及输送作用。     

A DIAGNOSTIC STUDY OF AN EXPLOSIVELY DEEPENING OCEANIC CYCLONE OVER THE NORTHWEST PACIFIC

The vertical motions and secondary circulation of an explosively deepening oceanic cyclone,which oc-curred over the Northwest Pacific Ocean and was in conjunction with 200 hPa-level jet stream and hascentral pressure falls of 33.9 hPa/24h,have been computed from seven-level nonlinear balance model and Saw-yer-Eliassen-Shapiro equation for the transverse ageostrophic circulation.The vertical motions are partitionedinto contributions from large-scale latent heat release,effect of cumulus heating,thermal advection,differen-tial vorticity advection,etc.,while the secondary circulation stream function is partitioned into contributionsfrom geostrophic deformation,transfer of momentum and heat in the area of cumulus and diabatic heating.The principal results are the following.Large-scale latent heat release is very crucial to the explosive de-velopment of cyclones.If there is enough transfer of moisture,the positive feedback process between ascentof air and large-scale heating would work.The cumulus heating and the transfer of momentum and heatin the area of cumulus play an important role during the explosively deepening stage.Thermal advection isthe initial triggering condition for large-scale heating and the conditional instability for the convection ofcumulus.     

西北太平洋爆发性气旋的诊断分析

本文对一年中26个西北太平洋爆发性气旋形成的大尺度条件做了统计研究。结果表明:海洋上空大气层结的不稳定、高空急流出口区北侧的动力辐散,冬季副高位置偏北时其西侧的强暖平流以及中低层的强斜压区等都是气旋急剧发展的有利因素。 另外,本文利用完全的ω-方程和Sawyer-Eliassen次级环流方程对1983年1月6—9日发生在西北太平洋上的一次爆发性气旋做了诊断分析,得到:(1)大尺度加热是使气旋强烈发展的主要物理因子;积云对流加热也是重要的物理因子。(2)温度平流是使前两者起作用的先决因子,它对气旋的初期发展起了某种启动作用。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF THE OCCURRENCE AND DEVELOPMENT OF A MID-TROPOSPHERIC CYCLONE OVER THE SOUTH CHINA SEA

In this paper,the processes of the occurrence and development of a mid-tropospheric cyclone (MTC hereinafter)over the South China Sea are successfully simulated,adopting the convective heating profile calculated from the ana-lysed data.And a series of numerical experiments show that the convective heating rate, especially its vertical profile,plays a key role in the occurrence,development and maintenance of the MTC.When there is highly concentratedconvective heating in middle layer(400—450hPa),the MTC could occur and maintain for longer time.And the key tosuccessfully predict the MTC by numerical model is to correctly specify the convective heating profile in the model.     

东海地区温带气旋爆发性发展的动力学分析

本文对东海地区两个气旋波的爆发性发展过程进行了动力学分析。结果表明:明显的对流层中下部增温、增温以及不稳定的大气层结和强高空西风急流,及其有关的次级环流的作用是气旋爆发性发展的重要条件。在气旋爆发性发展过程中,上升运动、正涡度以及高空辐散和低空辐合的散度场皆达到最强。加热场的计算也表明非绝热加热特别是凝结潜热释放也在气旋爆发时刻达到最强,最大加热区位于气旋的东北象限内。这时涡动动能的增加十分显著,它主要是由涡动有效位能向涡动动能的转换造成,这说明气旋的爆发性发展是与斜压发展密切有关。     

春季江淮气旋发展的诊断研究

本文在等熵面上对１９９６年４月２８日－３０日发生在江淮地区的气旋作了分析和诊断研究。     

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。     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

南半球冷空气入侵与热带气旋的形成

文中采用NCAR/PSU研制的非静力中尺度模式MM 5 ,研究了南半球冷空气入侵在热带气旋形成中的作用。初始场为纬向平均场 ,不含任何扰动 ,但为热带气旋的发生提供了基本条件 ;通过改变设在赤道的南边界条件 ,设计系列数值试验反映南半球不同强度冷空气的入侵。数值试验结果表明 :南半球冷空气侵袭后 ,在菲律宾以东洋面上形成热带气旋 ;没有冷空气入侵时 ,只有扰动产生 ,没有热带气旋形成。在对流不稳定的背景场中 ,即使没有冷空气入侵 ,低层小尺度辐合引起强上升运动 ,产生的非绝热加热 ,在热带洋面上也能形成扰动。但是非绝热加热使得稳定度增加 ,没有低层强辐合的支持 ,对流不能持续 ,扰动不能发展成为热带气旋。南半球冷空气的入侵 ,一方面气温降低 ,使得中低层层结稳定度降低 ;另一方面 ,冷空气形成向北的气压梯度 ,在低纬度产生南风 ,导致低层强辐合。稳定度因子和低层辐合的共同作用 ,驱动深厚的垂直环流 ,产生十分显著的非绝热加热 ,形成了暖心的热带气旋。上述研究结果一定程度上肯定了存有疑义的冷空气学说     

热带气旋"黄蜂"动热力特征演变的模拟分析

以"中国登陆台风试验"项目的目标热带气旋"黄蜂"为对象,用高分辨数值模式成功模拟了其近海加强和登陆减弱的过程,从定量和时间演化角度细致分析了热带气旋(TC)各阶段的动、热力特征,包括对流加热特性、温湿结构、稳定度、涡散度、垂直运动、垂直环流、水平环流等基本动、热力因子的时空结构特征,揭示了该热带气旋的大量结构特点,如对流加热的强盛和非对称性、强热带风暴的无眼结构、低层的东暖西冷结构、涡度的准圆形对称结构、东/西侧环流正/斜压性的差异、低层辐合和上升运动的准周期振荡等等.这些结构特征的揭示对深入细致地研究和认识南海热带气旋的特点和演变机理具有重要学术意义.     

湿斜压性与热带气旋强度突变

应用湿位涡方程和倾斜涡度发展理论 ,研究了热带气旋内部相当位温结构的演变与其强度突变的可能关系 ,并用一套高分辨率的模拟资料对所得结论进行验证。结果表明 ,由于热带气旋眼壁附近等相当位温面陡立 ,湿斜压性变化所激发的倾斜涡度发展是引起该区域垂直涡度突然增大或突然减小的主要原因。当热带气旋中心附近大部分区域的垂直涡度显著增长时 ,热带气旋就会在整体上表现为爆发性或迅速发展。最后还据此对同心双眼结构的出现和消失如何影响热带气旋强度变化进行了探讨。