准平衡和非平衡流对台风百合（2001）内中尺度深厚湿对流的影响

利用台风百合(2001)的高分辨率模式资料, 应用PV－ω反演方法, 在分析台风准平衡和非平衡垂直环流基本特征的基础上, 诊断研究了热力和动力强迫对台风深厚湿对流结构的影响, 结果指出: 准平衡流能够描述台风中具有较长生命史过程的中尺度对流系统的环流结构, 中层大振幅垂直运动主要由准平衡ω方程中凝结潜热释放的热力强迫所决定; 台风低层由动力辐合强迫产生的弱对流, 对眼墙区深厚湿对流的形成起到触发作用; 而高层动力强迫产生的下沉运动则削弱了凝结潜热项的影响, 抑制了垂直运动向高层伸展。非平衡垂直环流结构上呈现的短波振荡和快时间尺度调整的时空分布特征表明, 它是与重力快波频散过程相联系的非定常环流。分析台风中深厚湿对流形成的物理模型可知, 准平衡动力强迫引起的低层弱对流达到一定振幅, 则会引起中层水汽相变引起的凝结潜热反馈, 使得准平衡和非平衡流叠加形成了眼墙区上升运动的大值中心, 加上非平衡垂直环流对动量和热量起到的补偿和调整作用, 构成了台风内中尺度深厚湿对流的组织化过程。     

二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式.模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数,并具有最优协调分辨率,弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷.数值试验表明:模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力.在条件性对称不稳定条件下,扰动发展呈现为强倾斜环流特征,垂直速度场有狭窄的强倾斜上升运动,与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展.诊断分析表明:在扰动发展演化过程中,条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在.     

准平衡流在中尺度深厚湿对流系统中的诊断分析概述

从中尺度组织化深厚湿对流具有强烈的辐散风效应和强垂直运动的观测事实出发,评述了平衡流和非平衡流在对旋转风和辐散风的诊断分析中的作用和不足,介绍了准平衡流的原理、计算方法及其分别在台风暴雨和梅雨锋暴雨诊断研究中的应用。研究结果表明:准平衡流能真实反映涡散共存的大振幅垂直运动特征,暴雨区的垂直环流中有50%～70%归于准平衡流部分,准平衡流可以描述致洪暴雨过程中具有较长生命史组织化过程的深厚湿对流系统中垂直运动的主要部分,准平衡流场具有涡散运动共存的特征,准平衡流分析方法在中尺度深厚湿对流系统诊断研究中具有重要作用。     

边界层对梅雨锋 β 中尺度对流系统形成发展作用的模拟分析

利用中尺度数值模式MM5对2008年6月9日发生在皖浙赣地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,着重应用高时空分辨率的MM5模式输出资料对引发这次暴雨降水过程的β中尺度对流系统(MβCS)的发生发展过程进行诊断分析.对这个MCS的中心涡度、散度的时空演变分析表明其强度的快速增长信号最先出现在边界层,边界层在这个β中尺度对流系统早期的发生发展过程中起了重要作用;相当化温的演变则显示凝结潜热释放足此次β中尺度对流系统后期发展的主要物理因子.通过对边界层埃克曼平衡流的进一步分析发现在这个MCS发展的早期,地形对上升运动的作用基本可以忽略不计,埃克曼抽吸导致的垂直上升运动也仅占边界层整个上升运动的30%左右,真正起主要作用的是边界层中的埃克曼非平衡流调整激发出的次级环流,埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流的调整及产生的垂直上升运动可能足导致MCS早期发展的主要物理过程.通过这次模拟诊断分析工作,我们最后得到了以下初步结论:在本次梅雨锋暴雨个例中,MCS的发展前期是依靠边界层内强迫对流启动发展起来,即埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流调整过程所引起的次级环流使得MCS在初期发展;当达到一定强度后,可能激发了后来的自由对流即潜热的突然释放,从而使得MCS进一步维持强烈持续的爆发.     

华北秋季强弱线型对流发展时天气尺度环境条件探讨

华北地区进入秋季以后,弱对流过程增加.为了提高秋季对流天气强度的诊断识别能力,选择了9月份发生在相似背景下,强弱不同的两个线型对流个例作了对比分析.结果表明,强对流发生在深厚的天气尺度上升区中(上升运动伸展到200 hPa附近),而且对流层低层环境大气的绝对湿度较大;而弱对流发展时,上升运动仅存在于500 hPa以下,边界层内的比湿只有5～7 g·kg-1,较强对流个例低2～5 g·kg-1.它们是导致对流强弱不同的主要原因.强对流个例深厚的上升运动源于低层辐合切变线、露点锋和高空槽的强迫,此外对流层上部的强辐散叠置在低层辐合区上空,有利于上升运动加强并向高层发展.弱对流产生时,冷空气侵入到对流层中层以下,造成下沉区的下边界较低,不能产生深厚的上升运动.这是强弱个例垂直运动伸展高度不同的动力因素.热力学条件差异主要在对流层中下层.强对流产生时,对流区内有能量聚积,CAPE达到1087 J·kg-1,而且暖湿层和对流性不稳定层伸展到600～700 hPa.弱对流个例,仅边界层相对暖湿,CAPE只有68J·kg-1.上述关于力和热动力条件差异研究结果表明,天气尺度上升运动伸展的高度、对流层下层空气的绝对湿度、暖湿层和不稳定层的厚度等可能是影响华北秋季对流强弱的重要环境因素.     

中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学问题

深厚湿对流运动发展机制包含湿大气的对称不稳定(MSI和CSI)及锋面环流．它们需要的基本条件是不稳定、水汽和抬升，这些机理在动力学中是有联系和区别的，即虽然都是与基流平衡状态被破坏后引起的中尺度环流有关，但是扰动流非平衡运动是不同的。本文综合概述了有关平衡动力学的研究进展，提出了中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学主要问题，并评述了一些研究的方法及主要结论和尚需进一步探索的方面．以加深对不同机制下深对流运动的认识。     

边界层对梅雨锋β中尺度对流系统形成发展作用的模拟分析

利用中尺度数值模式MM5对2008年6月9日发生在皖浙赣地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,着重应用高时空分辨率的MM5模式输出资料对引发这次暴雨降水过程的β中尺度对流系统(MβCS)的发生发展过程进行诊断分析。对这个MCS的中心涡度、散度的时空演变分析表明其强度的快速增长信号最先出现在边界层,边界层在这个β中尺度对流系统早期的发生发展过程中起了重要作用;相当位温的演变则显示凝结潜热释放是此次β中尺度对流系统后期发展的主要物理因子。通过对边界层埃克曼平衡流的进一步分析发现在这个MCS发展的早期,地形对上升运动的作用基本可以忽略不计,埃克曼抽吸导致的垂直上升运动也仅占边界层整个上升运动的30%左右,真正起主要作用的是边界层中的埃克曼非平衡流调整激发出的次级环流,埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流的调整及产生的垂直上升运动可能是导致MCS早期发展的主要物理过程。通过这次模拟诊断分析工作,我们最后得到了以下初步结论:在本次梅雨锋暴雨个例中,MCS的发展前期是依靠边界层内强迫对流启动发展起来,即埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流调整过程所引起的次级环流使得MCS在初期发展;当达到一定强度后,可能激发了后来的自由对流即潜热的突然释放,从而使得MCS进一步维持强烈持续的爆发。     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的结构和准平衡特征分析

利用2008年6月广西致洪暴雨过程高分辨率数值模式资料,分析引起暴雨的中尺度涡旋在移动和持续性发展过程中其内部结构的演变以及系统的动力学特征。研究结果表明,中尺度涡旋是导致此次广西暴雨的主要系统,其发展移动过程中伴随有强烈上升运动的深厚湿对流,并在中高层持续形成明显的暖心结构。此次涡旋系统移动过程可分为涡旋南移和涡旋东移两个阶段,由于受到环境场的影响,涡旋中心区域动量、热量和水汽的再分配为其持续性发展提供有利条件。同时诊断分析表明,涡旋内部存在具有继发特征的长时间维持的组织化深厚湿对流系统,以强非地转分量为特征的超地转流,并表现出涡散运动共存且同量级的特征,具有典型的准平衡特征。     

一次梅雨锋暴雨中尺度系统发展的动力机制分析

应用常规资料、TBB资料和NCEP分析资料,对2007年7月25日发生在湘黔边境的一次梅雨锋大暴雨天气过程进行了分析.结果表明:深厚的高空低槽和副热带高压稳定维持,有利于冷暖空气的辐合和梅雨锋的长时间维持.梅雨锋上不断有中小尺度对流系统产生,这些中小尺度对流系统在受到大尺度强迫作用和梅雨锋自身的强迫抬升作用而发展增强并长时间维持,在暴雨区形成强烈的降水.暴雨区上空具有低层辐合、高层辐散的结构特征,低层的辐合使得涡度往中上层输送,这种耦合形势有利于垂直上升运动和暴雨的维持.积云对流释放的凝结潜热加热对流层中上层大气,引起梅雨锋锋生,维持和促进了垂直上升运动和对流活动.     

一次连续暴雨的非地转湿Q矢量分解分析

利用实测暴雨资料,运用改进的非地转湿Q矢量对青藏高原东侧2005年7月18日至19日的一次连续暴雨天气进行了诊断分析。分析结果表明：700 hPa Q矢量散度场不仅将暴雨区反映出来了,而且散度辐合中心与降水中心对应。进一步把改进的非地转湿Q矢量分解为平行于等位温线和垂直于等位温线两部分,分析表明：准地转的大尺度系统与非地转非绝热的中小尺度系统在不同高度起着不同程度的作用,二者相叠加,形成暴雨。在第一阶段的暴雨中,大尺度的上升运动强迫作用在700 hPa占主要作用,而中小尺度系统在较低层次和中层起主要作用,促使强对流的发展和深对流的形成,对暴雨落区的反映也更准确。在第二阶段的暴雨中,垂直上升运动以中尺度非绝热强迫为主,随着对流不稳定能量的大量释放,中小尺度系统作用快速减弱,降水趋于减弱。     

The major research advances of mesoscale weather dynamics in China since 2003

This paper reviews the main theoretical progress of mesoscale weather dynamics since 2003, including： （1） The dynamic mechanisms of balanced and unbalanced flow are applied to study the genesis and development problems of mesoscale circulation. The symmetric instability and transverse-wave instability are analyzed in line and vortex atmosphere convection, and further research has been done on nonlinear convective symmetric instability. The interaction between forced convection and unstable convection and the wave characteristics of mesoscale motion are also discussed. （2） Intermediate atmosphere dynamic boundary layer models are developed. The complicated nonlinear interaction is analyzed theoretically between the atmospheric boundary layer and the free atmosphere. The structure of the topography boundary layer, atmospheric frontogenesis, the structure and circulation of the low-level front and other boundary layer dynamic problems are discussed. （3） The formation and development of meso-β-scale rainstorms under the background of the East-Asia atmosphere circulation are diagnosed with the variation of MPV （moist potential vorticity） anomalies. And some physical vectors are modified and applied in the moist atmosphere.     

黔西南一次中尺度暴雨的数值模拟诊断研究

使用WRF模式 (Weather Research and Forecasting model) 模拟了2006年6月12日贵州省西南部一次典型的突发性强对流暴雨过程, 模式较真实地模拟了这次局地发展的中尺度暴雨天气过程。对流层低层的中尺度辐合线造成了初始的上升运动, β中尺度对流系统首先在地面锋线前不稳定的暖区中生长, 辐合线南侧的偏南气流对水汽和热量的输送是对流能够持续生长的最重要因素。通过非地转ω方程的诊断证明, 在降水开始后, 凝结加热的释放对β中尺度对流系统的发展最为重要, 它强迫产生的上升运动分量超过了低层暖平流强迫造成的上升运动分量。在相应的热力、 动力结构的调整作用下, 对流层低层出现中尺度低空急流、 中尺度涡旋等动力结构。到降水过程后期, 由于偏北气流的侵入, 降水区上空对流层低层转为对流稳定的层结, β中尺度对流系统无法获得不稳定能量以维持其发展, 降水也逐渐减弱直至终止。     

A NUMERICAL INVESTIGATION OF THE IMPACT OF MOIST PROCESSES UPON THE STRUCTURE OF ACTIVE COLD FRONTS:APPLICATION OF A 3D MESOSCALE MODEL IN FRONTAL SITUATIONS

A 3D mesoscale model is applied in a marine cold front case in order to investigate the impact oflatent heating on the structure of cold fronts.Results of the moist and dry simulations are comparedto stress the effects of moist processes.It is found that both the temperature gradient and the cyclonicvorticity across the frontal zone considerably increase due to the latent heating,especially in the lowertroposphere.A thermally direct cross-front ageostrophic circulation.forced by frontogenesis,is foundbetter developed and organized in the moist case than in the dry case.This cross-front directageostrophic circulation,particularly its ascending branch,is considerably enhanced by latent heatingdue to increased frontogenetical forcing and reduced effective static stability in the rising motion regionwhere condensation occurs.One important feature in most observed cold fronts is the presence of anintense rising cell just above their leading edge.This intense rising cell is well simulated in the moistcase but is less clear and much weaker in the dry case,indicating the important contribution by the la-tent heat release to the formation of this intense updraft above the surface cold front.     

华南局地锋生及对流系统发展的模拟分析研究

2009年3月28日一条东西向的锋面出现在华南25°N附近。伴随着锋面的活动,对流降水回波午后开始在广西的梧州附近发展,并在随后几小时向东移动,组织发展成为中尺度对流系统(MCS),为广东中西部及珠三角地区带来了雷暴、暴雨、冰雹等灾害天气。应用地面自动站、雷达回波、卫星云图以及NCEP-FNL再分析资料和WRF模式的模拟结果,对锋面暴雨形成的天气特征进行了诊断分析,考察了中尺度对流系统的发展演变过程及其与局地锋生的相互关系。结果表明,锋面对流系统形成发展于一个东西向水平尺度约200km的地面中尺度辐合线附近,对流起始发展于具有较大对流有效位能(CAPE)和较小对流抑制位能(CIN)的区域。伴随着对流的发展,锋面强度增强。锋生函数的计算发现,非绝热项和倾斜项分别在由对流引起的次级环流的上升运动支和下沉运动支起锋生作用,是引发中尺度锋生的主要影响因子。而相对来说,水平辐合项和形变项的作用却比较小。这与大尺度的锋生过程不同,中尺度锋生更主要的是由热力直接触发的非地转环流所驱动。涡度场的演变分析还发现,沿着850hPa锋区大的正涡度区与500hPa的强上升运动区对应良好,对流系统发展与中尺度锋生之间存在着类似于第二条件不稳定机制的相互作用,对流增强了锋生过程,锋面则对中尺度对流系统的发展起组织作用。中尺度锋生对对流组织发展的作用作为此类灾害天气形成的原因值得关注。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

ANALYSIS OF THE COLD AIR EFFECT ON AN EXTREME PRECIPITATION EVENT TRIGGERED BY AN INVERTED TROUGH OF TYPHOON HAIKUI (1211)

Based on intensive automatic weather station data, satellite cloud imagery, NCEP reanalyzed data, and the simulation results from mesoscale numerical models, this study analyzes the characteristics and formation mechanisms of the mesoscale convection system (MCS) during the extreme precipitation event that was triggered by a weakened low-pressure inverted trough of Typhoon Haikui on August 10/2012. The results of this study show that cold air at the rear of a northeastern cold vortex creates thermodynamic conditions favorable to the development of extreme precipitation. The main body of the cold air is northward located so that the cold air invades only the middle layer of the periphery of the inverted trough. Thus, the cold air minimally affects the lower layer, which results in a vertically distributed structure of the temperature advection that augments the formation and development of convective instability stratification. In the middle troposphere, the cold air encounters the convergent, ascending, warm moist air from the low-pressure inverted trough, leading to frontogenesis. The frontogenesis enhances wind convergence which, in turn, further enhances the frontogenesis, and the positive feedback between these two forces augments the development of meso- and small-scale convection systems in the rainstorm region and its vicinity, which strengthens the upward transportation of water vapor from low layers and thickening of water vapor convergence and results in local heavy rains.     

Meso-beta scale numerical simulations of terrain drag-induced along-stream circulations Part I: Midtropospheric frontogenesis

Summary The problem of along-stream ageostrophic frontogenesis is studied by employing a numerical model at meso-alpha and meso-beta scales in simulations of the downstream circulations over the Front Range of the Rocky Mountains. Three-dimensional real data simulations at these two scales of motion are used to diagnose the transition from semigeostrophic cross-stream frontogenesis accompanying a propagating baroclinic upper-level jet streak to midtropospheric along-stream ageostrophic frontogenesis. This along-stream ageostrophic frontogenesis results from the perturbation of the jet streak by the Rocky Mountain range. The case study represents an example of internal wave dynamics which are forced by the drag of the Rocky Mountains on a strong jet streak in the presence of a low-level inversion.The simulation results indicate that, unlike semi-geostrophic frontogenesis, a front (which is alligned perpendicular to the axis of the jet stream) may form when significant adiabatic heating occurs within a stratified shear flow over horizontal length scales shorter than the Rossby radius of deformation. The mechanism responsible for the frontogenesis is the growth of the divergent along-stream wind velocity component which becomes coupled to the front's along-stream pressure gradient force. This nonlinear interaction produces hydrostatic mesoscale frontogenesis as follows: 1) vertical wind shear in the along-stream plane strengthens resulting in the increasingly nonuniform vertical variation of horizontal temperature advection as the ageostrophic wind component grows in magnitude downstream of the meso-scale terrain-induced adiabatic heating, 2) increasing along-stream differential vertical motions (i.e., along-stream thermally indirect circulation with warm air sinking to the west and cold air rising to the east) tilt the vertical gradient of isentropes into the horizontal as the vertical temperature gradient increases due to the previous process in proximity to horizontal gradients in the along-stream component of the ageostrophic wind, 3) as tilting motions act to increase the along-stream horizontal temperature gradient, the along-stream confluence acts to nonuniformly increase the along-stream frontal temperature gradient which increases the along-stream pressure gradient force resulting in further accelerations, ageostrophy, and frontal steepening as part of a scale contraction process.The evolution of the aforementioned processes results in the three-dimensional hydrostatic frontogenesis accompanying the overturning of isentropic surfaces. These adjustments act to turn air parcels to the right of the southwesterly geostrophic wind vector at successively lower atmospheric levels as the scale contraction continues. This simulated along-stream front is verified from diagnostic analysis of the profiler-derived temperature and wind fields.With 17 Figures     

大尺度凝结加热与中尺度位温扰动对冷锋锋生的作用

文中导得简化的包括大尺度凝结潜热的半地转锋生模式，利用该模式讨论了大尺度凝结加热和中尺度位温扰动对冷锋锋生的影响，给出了锋生过程中各物理量的演变图。计算结果表明，大尺度凝结加热对冷锋锋生具有加强作用，增大锋生率，增大上升运动速度，缩小上升运动区的范围，使之更具有中尺度系统特征，使非地转越锋环流增强并发生倾斜，凝结加热和中尺度位温扰动的结合是锋前暖区多重雨带形成的可能机制之一。     

大气层结对冷锋环流的影响

利用原始方程模式讨论了不同大气层结对冷锋环流的影响及其在激发锋区中尺度强对流系统中的作用，结果表明：层结对锋区环流有非常大的影响，随层结稳定度的减小，锋区非地转越锋环流和上升运动迅速增强，锋前暖区有可能产生中尺度强对流和多重中尺度上升运动带，并有利于对称不稳定的激发；层结对冷锋环流的影响和锋区中尺度强对流系统形成的作用主要由中低层的大气层结状态决定     

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.