Diagnostic analyses and application of the moist ageostrophic vector<Emphasis Type="Italic">Q</Emphasis>

Considering the main thermal forcing factor, which is critical for the development of synoptic systems,the concept of the moist ageostrophic vector Q is introduced. A formula of the moist ageostrophic Q and the ageostrophic diabatic equation, in which the divergence of the moist ageostrophic Q is taken as a single forcing term, is derived. Meanwhile, the moist ageostrophic Q is applied to diagnose a torrential rain process in North China. The results suggest that the moist ageostrophic Q can clearly reveal the system development during the torrential rain process; the corresponding relationship between the divergence of the moist ageostrophic Q and the rainfall area is better than that of the vertical velocity (ω) and the divergence of the dry Q; the 6-h rainfall region can be correctly drawn according to the negative area of the divergence of the moist ageostrophic Q, and its precipitation is positively correlated to the magnitude of the divergence of the moist ageostrophic Q. The research provides valuable information for improving short-term weather forecast.     

Q矢量旋度：一个与暴雨相关的新诊断量

As a powerful tool to diagnose vertical motion, frontogenesis, and secondary circulation, the Q vector and its divergence are widely used. However, little attention has been given to the curl of Q vector. In this paper, a new set of analyses combining the divergence of the Q vector (DQ) with the vertical component of the curl of the Q vector (VQ) is applied to a Northeastern cold vortex rainfall case. From the derivation, it was found that the expressions of the Q vectors and their divergences in saturated moist flow (DQm) differ from those of dry and unsaturated moist atmosphere (DQ), while the VQs of various background flows are exactly the same, which largely simplified the analyses. This case study showed that, compared with the DQ, not only can the DQm diagnose precipitation more effectively, but the VQ may also be indicative of precipitation (especially for heavy rainfall and strong convection) because of its direct, close relationship with ageostrophic motion. Thus, the VQ may be computed and analyzed with ease, and may serve as a useful tool for analyses of precipitation and strong convective systems. Citation: Yang, S., and D. H. Wang, 2008: The curl of Q vector: a new diagnostic parameter associated with heavy rainfall, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 1, 36-39     

A study of partitioning Q vector on background conditions of a torrential rainfall over Shanghai, China on 25 August 2008

A rainfall that occurred during 0200–1400 Beijing Standard Time(BST)25 August 2008 shows the rapid development of a convective system,a short life span,and a record rate of 117.5 mm h-1for Xujiahui station since 1872.To study this torrential rainfall process,the partitioning method of Q vector is developed,in which a moist Q vector is first separated into a dry ageostrophic Q vector(DQ)and a diabatic-heating component.The dry ageostrophic Q vector is further partitioned along isothermal lines in the natural...     

定量分析几种Q矢量

结合1991年7月5日20:00～6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程，从台站实际业务工作需要考虑，细致、具体地比较分析了850 hPa、700 hPa及500 hPa 3个层次的准地转 Q 矢量散度场、半地转 Q 矢量散度场、非地转 Q 矢量散度场及湿 Q 矢量散度场与相应时刻地面降水场对应关系的差异，同时还针对每一种 Q 矢量，将其在850 hPa、700 hPa及500 hPa 3个层次的散度场对同时刻降水场的反映能力进行了比较。在定量比较的基础上，得到了对4种 Q 矢量诊断特性的具体认识:（1）在整个梅雨锋暴雨过程中，3个层次的半地转 Q 矢量散度场及准地转 Q 矢量散度场对雨区的反映能力较小，而非地转 Q 矢量的散度场和湿 Q 矢量的散度场对雨区的反映能力明显较前二者大，尤其是湿 Q 矢量散度场在每个层次的诊断能力基本都大于相应层次的其它 Q 矢量的散度场。（2）对于每一种 Q 矢量而言，基本都是在700 hPa的散度场与雨区的对应关系好于各自在850 hPa和500 hPa的散度场，尤其是700 hPa湿 Q 矢量散度辐合场对同时刻梅雨锋暴雨的强度及落区都有很好的指示作用。最后，基于理论的角度对各 Q 矢量的诊断特性进行了较为深入地探讨和比较分析，明确地指出了4种 Q 矢量存在理论前提上的差异。     

非地转湿Q矢量分解在暴雨分析中的应用

利用非地转湿Q矢量对山东省春秋季两次罕见的暴雨天气进行了诊断分析。分析结果表明:暴雨期间都有较强的非地转湿Q矢量辐合,产生上升运动,形成暴雨。这一结果也表明凝结潜热加热对暴雨的产生有着重要的作用。本文进一步把非地转湿Q矢量分解为平行于等位温线和垂直于等位温线两部分。揭示在这两场暴雨过程中,虽然都有中尺度和大尺度辐合上升运动作用的叠加,但在春季暴雨的个例中,垂直于等位温线的非地转湿Q矢量的辐合与总的非地转湿Q矢量的辐合相接近,暴雨以中尺度上升运动为主。而在秋季暴雨的个例中,平行于等位温线的非地转湿Q矢量的辐合与总的非地转湿Q矢量的辐合在形状上相似,在强度上偏强,暴雨的上升运动以大尺度为主,中间夹杂着中小尺度的上升运动,降水以混合型为主。     

Mesoscale dynamics and its application in torrential rainfall systems in China

Progress over the past decade in understanding moisture-driven dynamics and torrential rain storms in China is reviewed in this paper. First, advances in incorporating moisture effects more realistically into theory are described, including the development of a new parameter, generalized moist potential vorticity(GMPV) and an improved moist ageostrophic Q vector(Qum). Advances in vorticity dynamics are also described, including the adoption of a "parcel dynamic" approach to investigate the development of the vertical vorticity of an air parcel; a novel theory of slantwise vorticity development, proposed because vorticity develops easily near steep isentropic surfaces; and the development of the convective vorticity vector(CVV)as an effective new tool. The significant progress in both frontal dynamics and wave dynamics is also summarized, including the geostrophic adjustment of initial unbalanced flow and the dual role of boundary layer friction in frontogenesis, as well as the interaction between topography and fronts, which indicate that topographic perturbations alter both frontogenesis and frontal structure. For atmospheric vortices, mixed wave/vortex dynamics has been extended to explain the propagation of spiral rainbands and the development of dynamical instability in tropical cyclones. Finally, we review wave and basic flow interaction in torrential rainfall, for which it was necessary to extend existing theory from large-scale flows to mesoscale fields, enriching our knowledge of mesoscale atmospheric dynamics.     

结合“海棠”台风（2005）定量分析非绝热加热对湿 Q 矢量诊断能力的影响

湿Q矢量最大特点就是考虑了非绝热加热作用,各种湿Q矢量差异也主要表现在对非绝热加热计算处理方案的不同.因此,通过比较分析非绝热加热作用,可揭示出不同湿Q矢量之间诊断能力的差异.2005年第5号登陆台风"海棠"在7月19日08时20 H 08时,给福建省东北部及浙江省造成大范围暴雨.WRF模式成功模拟出此次台风暴雨过程.文章将结合"海棠"台风(2005)登陆台风暴雨过程,利用 WRF模式模拟输出的气象要素,通过计算降水场,定量分析了非绝热加热作用及其对湿Q矢量诊断能力的影响.结果表明:(1)对于公包括大尺度凝结加热的非绝热加热作用H1及包括了潜热加热(大尺度凝结加热和对流凝结加热)、感热加热和辐射加热的非绝热加热作用H2来讲,局地变化项的强迫作用较垂直平流项、水平平流项的强迫作用约小1-2个量级,可以忽略不计,垂直平流项的强迫作用是主要成分,对于水平平流项来讲,尽管其强迫作用明显小于垂直平流项的强迫作用,但也明显大于局地变化项的强迫作用,考虑其将更有利于充分反映H1、H2的强迫作用.对于包括非均匀饱和大气中潜热加热的H3来讲,水平平流项与垂直平流项的强迫作用相当,均为主要成分,而局地变化项的强迫作用为次要成分且不容忽视,对其考虑将有助于全面描述H2的强迫作用.(2)非绝热加热作用H1、H2以及H3强迫产生的24 h累积降水场具有相似的水平分佰特征,三者强迫产生的逐时雨量随时间演变特征也非常相似,这表明水汽凝结潜热是非绝热加热作用的主要成分.(3)进一步结合模拟降水场分析表明,相对于H1强迫产生的降水场来讲,H2与H3强迫产生的降水场更接近模拟结果,这揭示出包含H2的湿Q矢量与包含H2的湿Q矢量诊断能力相近,且对降水反映能力较包含H1的湿Q矢量诊断能力强.(4)不同湿Q矢量各自有其自身诊断特点,根据不同研究目的的需要,可有针对性的选取相应的湿Q矢量来作为研究工具.如需要具体、细敛分析水汽潜热的强迫作用,可以选朋包含H1、H3的湿Q矢量,如仅需考虑总的湿Q矢量强迫作用,则可以直接选用包含H2的湿矢量.     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

Q矢量和湿位涡在梅雨期区域性暴雨中的诊断分析

利用常规地面观测资料、区域自动站降水资料和NCEP再分析资料,根据Q矢量与湿位涡理论对2010年6月19-21日长江中下游暴雨过程进行诊断分析。结果表明：此次暴雨是由低层切变缓慢东移南压而造成;Q矢量绝对值大值区和Q矢量锋生函数大值区与强降水带相对应,值的变化也能反映出降水的增强与减弱,但Q矢量锋生函数中心与降水中心对应有时并不一致;Q矢量散度变化与雨带中心的加强减弱对应较好;强降水带处于正负值交界的等值线密集区,且其梯度的增大对应降水增强,梯度减小对应降水减弱。     

圣帕台风暴雨的非地转湿Q矢量的诊断分析

利用WRF中尺度模式模拟了台风"圣帕"登陆后减弱成热带低压造成湖南省大暴雨的过程,使用模拟输出的高分辨率资料,借助非地转湿Q矢量对这次暴雨过程做了详细的诊断分析.结果表明:非地转湿Q矢量能比较清楚地揭示此次暴雨演变过程,尤其700 hPa的非地转湿Q矢量散度场对降水预报具有较好的指示意义,其散度辐合区域对应着降水的落区,散度辐合强度变化指示着降水强度的变化趋势,并且非地转湿Q矢量散度辐合强度的大小可预示着未来3～6 h降水的强弱,是具有预报价值的;非地转湿Q矢量散度是非地转ω方程的强迫项,并与地形条件共同作用激发了地面中尺度系统的发展与次级环流的形成,是此次暴雨得以发展与维持的机制.     

2005年6月湖南大暴雨过程的天气动力学诊断分析

利用NCEP分析资料和实测资料，对2005年6月初湖南大暴雨过程进行了天气动力学诊断分析。结果表明：暴雨区中上升运动和水汽辐合均大于周围区域，中低层为对流不稳定层结。暴雨区位于非地转湿Q矢量辐合强迫的次级环流上升支中，其南北两侧为非地转下沉气流，下沉气流的补偿有利于暴雨系统的维持。非地转湿Q矢量辐合区对6小时暴雨落区预报有指示意义。暴雨区位于700hPa湿位涡和850hPa湿相对位涡负值中心附近偏暖湿气流一侧。低层暖湿平流和强上升运动致使低层湿空气辐合补偿、热量上传，利于高层辐散增强，抽吸作用加强低空辐合，促使暴雨发展。     

应用湿Q矢量分解理论诊断分析“05．7”梅雨锋暴雨

利用Q矢量分解理论对发生于2005年7月的一次江淮梅雨锋暴雨过程进行诊断分析,并对比分析了原非地转湿Q矢量（Q^＊）和改进后的非地转湿Q矢量（Q^M）的诊断能力。结果显示：对流凝结潜热的释放对此次梅雨暴雨中尺度系统的形成和维持起到非常重要的作用;将Q^M分解为平行和垂直于等位温线两个方向后,发现在暴雨强盛阶段,低层大气是以大尺度辐合为主,中高层相反,且南北方向有次级环流出现,表明次天气尺度的持续性水汽汇集和正反馈机制是此次梅雨锋暴雨的关键因子．     

湿Q矢量释用技术及其在定量降水预报中的应用

新发展了一种湿Q矢量释用技术:利用松弛法迭代求解以非地转干Q矢量散度为强迫项的方程得到垂直运动场ω ₁, 然后由ω ₁计算湿Q矢量散度场, 接着再利用松弛法迭代求解以湿Q矢量散度场为强迫项的ω方程得到垂直运动ω ₂, 最后由ω ₂结合水汽条件进行降水量计算, 得到湿Q矢量释用降水场。结合一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程研究表明, 湿Q矢量释用降水场对同期观测降水场水平分布特征、极端降水强度都具有一定的反映能力, 反映出湿Q矢量释用技术具备实际应用的可行性和一定合理性。将此释用技术应用于华东区域数值预报模式 (基于MM5 V3.6而建立, 以下简称MM5) 产品, 得到湿Q矢量释用定量降水预报 (QPF) 场, 其独立于模式本身输出的QPF场, 但与模式QPF场具有相同的时空分辨率。针对2004年6—8月汛期华东地区一次梅雨锋降水过程和一次登陆台风降水过程, 结合实况雨量资料, 比较分析了湿Q矢量释用QPF场和MM5模式QPF场对实际观测降水场的反映能力, 结果表明, 前者对有无降水、10.0 mm/24 h以上明显降水的反映能力明显优于后者。进一步进行预报统计检验表明, 湿Q矢量释用预报有无降水、小雨及10.0 mm/24 h以上降水的TS评分、正确率都明显高于MM5模式, 而漏报率、空报率则是前者明显低于后者。这也充分反映出湿Q矢量释用技术应用于QPF研究的有效性。最后, 探讨了数值预报产品释用技术对数值预报模式性能的依赖性, 并指出未来对湿Q矢量释用技术进一步改进的方向及其广泛应用前景。     

西太平洋副热带高压控制下上海地区一次局地短时强降水成因的Q矢量分析

在西太平洋副热带高压控制的天气背景下,2016年8月19日下午上海地区发生一次局地短时强降水过程,此次过程历时3 h、水平范围20~40 km,呈现出生命史短、局地性强的特点。基于上海地区地面自动气象站2分钟平均资料,采用仅需一层资料计算的非地转 Q 矢量分析方法,研究分析了此次局地短时强降水发生发展演变成因,结果如下:(1)地面温度场和风场叠加分析表明,上海“城市热岛”特征与长江沿岸及邻近水域的热力不均匀分布引发了江风,江风将江岸邻近水域的湿、冷空气向城市陆地输送,并与陆地上干、热空气交汇,激发产生局地短时强降水,而降水的发生,导致地面温度下降、“城市热岛”特征减弱,从而减小水陆温度差,进而减弱江风,这直接减弱了有助于降水发生发展的动、热力强迫条件,促使降水趋于衰亡结束。(2)地面 Q 矢量散度辐合场和温度露点差叠加分析表明:在降水发生发展阶段, Q 矢量散度辐合强迫产生垂直上升运动较强,而空气湿度条件相对较弱;在降水强盛阶段, Q 矢量散度辐合强度和空气湿度的强度不仅增至最强,且上升运动区与高湿区重合;在降水衰亡阶段,地面空气一直维持高湿条件而 Q 矢量散度辐合强度明显减弱。这从地面大气中垂直上升运动条件和水汽条件揭示出致使降水强度发展演变的内在因素,且二者重叠区对降水落区有较好指示意义。最后,对地面 Q 矢量散度辐合场在局地短时强降水短临预报工作中的潜在应用前景进行了有意义的讨论。      

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     

动力因子对地形影响下的四川暴雨落区的诊断分析

本文分析了2010年7月16～18日地形作用下四川盆地的一次持续性暴雨过程,指出此次暴雨过程是在高低层系统配置较好的情况下发生的。并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次四川暴雨过程的模拟较为成功,能很好地再现此次暴雨的降水落区以及强降水中心。运用广义湿位温、广义对流涡度矢量垂直分量的垂直积分和质量垂直螺旋度对受大巴山脉影响的四川东北部的暴雨落区进行了诊断分析。分析指出,广义湿位温纬向平均的垂直剖面图上,等湿位温线的倒Ω区域与四川东北部的强降水落区吻合较好,等湿位温线的倾斜程度以及湿位温异常的高度可以定性地指示降水的强弱;对广义湿位温从800 hPa到500 hPa垂直积分,用得到的湿位温的水平分布来指示东北部的暴雨落区效果较 好;用改进垂直积分区间后的广义对流涡度矢量垂直分量比用传统的对流涡度矢量垂直分量来示踪四川东北部的暴雨落区效果更好;质量垂直螺旋度能有效刻画出四川东北部地区强降水系统的典型动力场垂直结构,因此与四川东北部的地面强降水具有很好的对应关系。     

Characteristics and Nonlinear Growth of the Singular Vector Related to a Heavy Rainfall Case over the Korean Peninsula

In this study,singular vectors related to a heavy rainfall case over the Korean Peninsula were calculated using the fifth-generation Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5) adjoint modeling system.Tangent linear and adjoint models include moist physical processes,and a moist basic state and a moist total energy norm were used for the singular-vector calculations.The characteristics and nonlinear growth of the first singular vector were analyzed,focusing on the relationship between the basic state and the singular vector.The horizontal distribution of the initial singular vector was closely related to the baroclinicity index and the moisture availability of the basic state.The temperature-component energy at a lower level was dominant at the initial time,and the kinetic energy at upper levels became dominant at the final time in the energy profile of the singular vector.The nonlinear growth of the singular vector appropriately reflects the temporal variations in the basic state.The moisture-component energy at lower levels was dominant at earlier times,indicating continuous moisture transport in the basic state.There were a large amount of precipitation and corresponding latent heat release after that period because the continuous moisture transport created favorable conditions for both convective and nonconvective precipitation.The vertical propagation of the singular-vector energy was caused by precipitation and the corresponding latent heating in the basic state.     

湿热力平流参数在一次华北暴雨模拟诊断中的应用研究

对2011年7月24~25日发生在华北地区的一次暴雨过程进行了分析,并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次华北暴雨的模拟比较成功,基本反映出了本次暴雨过程的降水分布特点。利用湿热力平流参数对本次华北地区的降水落区进行了诊断分析。分析指出,湿热力平流参数纬向平均的垂直剖面图上,湿热力平流参数的高值区及大值中心与地面的强降水雨区对应得较好,其梯度大小及向上延伸高度均可以定性地指示降水的强弱;垂直积分的湿热力平流参数与地面6 h强降水落区具有较好的对应关系,而在示踪弱降水区时效果并不是很好,其大值中心并不与强降水中心完全重叠,而是其梯度大值区与降水中心相对应;垂直积分的湿热力平流参数与6 h累积地面降水的空间分布特征和时间演变趋势比较相似,并且其变化趋势能反映降水的发展和消弱。     

一次大暴雨过程的湿Q矢量比较分析

结合2005年7月18～19口出现在青藏高原东侧的一次大暴雨天气过程,对改进前（Q^＊）后（Q^q）两种非地转湿Q矢量的散度和锋生函数进行了比较诊断分析。结果表明：①改进后的掣矢量散度辐合场在位置、强度及走向上对暴雨区的反映都较改进前的Q^＊矢量更为准确。低层大气强迫为产生暴雨区上升运动的主要强迫作用,在不稳定的层结下使大气加速上升而产生强对流。②包含了所有非绝热效应的湿Q矢量锋生函数对暴雨中心和雨区走向的反映更准确,锋生作用更强。当出现一定程度降水后,由于大量不稳定能量的释放,锋消作用明显。     

应用湿Q矢量分解诊断梅雨锋暴雨

采用传统的Q矢量分解方法将湿Q矢量(Q*)分解在沿等位温线的自然坐标系中，并结合改进的MM4模式(MMM4)模拟资料，对一次江淮梅雨锋暴雨过程进行诊断分析。结果表明，分解湿Q矢量可将梅雨锋暴雨的垂直运动场进行一个有意义的尺度分离，这不仅验证了梅雨锋暴雨过程中存在不同尺度相互作用的已知结论，而且从定量的角度揭示出不同尺度在梅雨锋暴雨不同阶段所起的作用不同，有明显的主、次之分：在梅雨锋暴雨的开始形成阶段，大尺度对垂直运动场的产生起着主要的强迫作用，锋区尺度的强迫作用处于次要地位；在梅雨锋暴雨的强盛阶段，锋区尺度已经演变为垂直运动场的主要强迫因子，而大尺度的强迫作用则处于次要地位，其至多起着背景场的作用，甚至个别时次可以忽略不计；在梅雨锋暴雨的衰亡阶段，大尺度又逐渐演变为此时垂直运动场的主要强迫动力，而锋区尺度的强迫作用则迅速衰减，其又仅处于次要地位。此外，我们认为分解湿Q矢量比“总”的湿Q矢量更有利于对产生梅雨锋暴雨的潜在物理机制的评估：先是在大尺度2△↓.Qθ*的强迫作用下诱发中尺度2△↓.Qn*强迫作用的产生，随着2△↓.Qn*强迫作用的增强，其所强迫作用产生的次级环流增强，降水的强度也同时随着增大，最终由2△↓.Qn*强迫作用所产生的次级环流直接导致梅雨锋暴雨的发生。