地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅱ:暖锋、均匀地转流

利用一个有地形、边界层摩擦作用、简化的二层浅水锋面模型,在理论上研究了地形上空边界层流动中地面暖锋的结构及环流分布特征问题。暖锋的坡度主要取决于其暖域地转流、锋面移速,它随锋面移速增大而减小,这与冷锋特征相反。地形对暖锋坡度的影响作用较小。与无地形作用时相比,静止性暖锋冷域中,位于锋面界面附近的闭合正环流系,当暖锋位于地形上游,其伸展范围增大;当暖锋位于迎风坡时,其伸展范围缩小,中心位置上抬;锋面移至背风坡时,其伸展范围重新增大。对于冷域中远离地面暖锋的另一支正环流系来说,当暖锋位于地形上游或迎风坡时,它可被地形完全阻塞于背风侧,地形高度越高,地形阻塞作用越大。在暖锋锋区附近主要存在三支垂直上升运动带：（a）由于边界层摩擦辐合作用,导致在地面暖锋后缘暖区中形成一支水平尺度较小、强度较大的垂直运动带,它随着暖锋移速增大而减弱。该垂直运动带,当暖锋位于地形迎风侧,强度增加;暖锋位于地形背风侧,其强度减弱。（b）在锋区暖域沿锋面存在均匀的上升运动,（c）在冷域远离地面暖锋处,存在一支水平范围较宽,其中心位于边界层顶部附近的垂直运动带,当暖锋位于迎风坡时,这支垂直运动带可被地形阻塞于地形背风侧。     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究 I：冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型 ,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题。冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关。当冷锋位于迎风坡时 ,其坡度减小 ,位于背风坡时 ,其坡度增大。在静止冷锋存在两类不同的环流系 ,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系。静止冷锋位于背风坡 ,其冷域中的这支闭合环流增强 ,范围增大 ,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移 ,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大。当静止冷锋位于迎风坡时 ,结果相反。冷锋移动较慢时 ,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡。当静止冷锋移离地形时 ,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽。地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用 ,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现。由于边界层摩擦的辐合作用 ,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带 ,当冷锋位于迎风坡时 ,其强度增强 ,当冷锋位于背风坡时 ,其强度减弱。当冷锋位于背风坡时 ,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大 ,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区     

地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究Ⅰ:冷锋、均匀地转流

文中利用一个包含地形、边界层摩擦作用的二层锋面简化模型,讨论了地形、边界层对冷锋锋面结构、环流的动力学影响作用问题.冷锋的倾斜主要与冷锋暖区的地转流分布、锋面移动速度、锋面与地形的相对位置有关.当冷锋位于迎风坡时,其坡度减小,位于背风坡时,其坡度增大.在静止冷锋存在两类不同的环流系,即位于大气低层、地面锋附近的反时针环流系和远离地面锋的顺时针环流系.静止冷锋位于背风坡,其冷域中的这支闭合环流增强,范围增大,而位于冷锋界面上的环流转向点沿锋面上移,暖域中沿锋面的暖空气运动范围变大.当静止冷锋位于迎风坡时,结果相反.冷锋移动较慢时,其冷域远离地面锋的这支顺时针环流主体可被地形完全阻塞在迎风坡.当静止冷锋移离地形时,由于地形作用可在锋面暖域、地形下游形成一个背风槽.地形对锋区的垂直运动影响主要通过地形与边界层共同作用,改变锋区流场辐合辐散的分布及地形强迫抬升两条途径实现.由于边界层摩擦的辐合作用,在地面冷锋的前缘可形成一支范围较窄、强度较大的上升运动带,当冷锋位于迎风坡时,其强度增强,当冷锋位于背风坡时,其强度减弱.当冷锋位于背风坡时,在暖区沿锋面上升的暖空气运动范围增大,可以出现沿锋面相间隔的多个上升区.     

一次北上江南气旋的结构特征与演变机理分析

利用常规的高空、地面观测、NCEP的1°×1°再分析资料和FY-2E水汽图像等资料,分析了一次北上的江南气旋降水分布、生成环境、结构特征及气旋发展和移动的成因。结果表明:(1)气压场形状和强降水落区的演变类似于Shapiro-Keyser气旋模型。(2)江南气旋发生并向北发展,表现为250 hPa高空辐散,500 hPa西北槽与高原东部槽东移合并、下游脊加强环流的背景。(3)这次气旋虽然没有出现Shapiro-Keyser气旋模型中明显的暖锋后弯现象,但在低压中心附近存在弱的暖核,该核主要位于850 hPa以下层次。(4)当正相对涡度区随高度向西倾斜、地面气旋中心西侧的冷锋锋区增强、高层相对涡度值增大时,气旋处于快速加深过程中;当高低层正相对涡度中心几乎垂直重合、且对流层低层冷锋锋区减弱,则气旋缓慢发展。(5)暖湿气流向北发展和垂直于暖锋的次级环流加强使得暖锋附近的降水增强。(6)用准地转ω运动方程诊断得到,在气旋的初生阶段,地面气旋上空垂直上升速度几乎为0,气旋基本不发展;但其下游暖平流和高低层涡度平流差值大,有利于气旋快速向东北方向移动。在气旋发展阶段,地面气旋上空垂直上升速度加大,气旋快速发展,但其下游暖平流和高低层涡度平流差值减小使得气旋移速缓慢。在气旋发展停滞阶段,地面气旋上空垂直上升速度微弱,气旋发展趋于停止,且其下游暖平流和高低层涡度平流差值继续减小,气旋移速进一步变缓。     

复杂地形与锋面系统共同作用对台湾岛暴雨影响的数值分析

应用MM5V2数值模式输出的高分辨率资料对在复杂地形和锋面系统共同作用下台湾暴雨发生的水汽、垂直速度、低空急流等物理量场的中尺度特征进行了分析。表明地形是使锋面降水加强．最终形成暴雨的主要原因。在地形作用下，速度场、湿度场都具有比较稳定的局地特征，台湾岛迎风区保持着比背风区大的湿度场，流场表现为一个地形性中尺度环流。随着锋面系统的不断靠近，局地特征表现为加强和减弱两个阶段。发现迎风坡的低空急流主要是由地形引起的，它的南北向分布不均使空气发生了辐合上升运动，与地形和锋面引起的上升运动叠加，在地形迎风坡形成了一个垂直速度的大值区。有地形比无地形的降水明显加强。     

陆地上爆发性温带气旋的暖锋后弯结构分析

温带气旋的暖锋后弯是20世纪80年代末从北大西洋爆发性气旋现场科学试验中发现的一个重要科学成果, 修正了 经典温带锋面气旋模式中锢囚锋的概念。在地球同步卫星云图上, 经常可以观测到欧亚大陆的气旋云系也存在与暖锋后弯 非常类似的演变过程。利用常规的高空、地面观测, NCEP的1°×1°再分析场和FY-2E 水汽图像等资料, 通过分析2012年5 月11-14日一次蒙古气旋强烈发展的结构特征, 揭示了在内陆地区温带气旋发展过程中若暖锋锋区增强而冷锋锋区减弱, 则 该类气旋也存在暖锋后弯和暖核被隔离的事实。分析结果还表明该类蒙古气旋中暖核强度虽不如海洋爆发性气旋, 但其厚 度可伸展到600hPa,在对流层低层850hPa低压中心附近不仅有暖核, 而且存在与暖核近乎重合的干中心, 但干暖中心与气 旋中心并不重合。另外, 单站探空及垂直剖面的分析显示, 在后弯的暖锋锋区附近存在强的湿上升运动, 干暖核内以干空气 和下沉运动为主, 在边界层内后弯暖锋锋区比冷锋锋区强;在冷锋后部的干输送带中对流层中高层锋区明显, 且总体上相对 湿度较小、上升运动微弱, 最显着的干区位于锋区上方下沉的暖空气中。     

冬季1月昆明准静止锋进退及维持的结构特征

利用地面气象观测资料、ERA-Interim再分析数据以及DEM地形数据,使用合成分析方法,从大气环流场、锋面附近要素场及锋生函数诊断场探讨了昆明准静止锋在西进、东退及维持时的结构特征。结果表明,当锋后低层到地面等温线呈"V"型分布,锋后正的次级环流相对深厚,锋面易西进;当锋后低层呈较深厚的逆温层且锋后正次级环流较浅薄,锋面易东退;当逆温层仅限于低层而近地面为冷中心,锋面易维持。东西风风速零线西端在锋面左侧,锋面易西进,反之锋面易东退;零线的位置与锋面基本重合,锋面易维持。垂直运动倾斜项在锋面西进时105°E附近迎风坡出现强烈的锋消现象,锋面东退和维持时出现弱锋生现象。水平辐散项产生的强锋生区在锋面左侧时,指示锋面西进;强锋生区在锋面右侧,且锋生现象很弱时,指示锋面东退;锋面维持时,强锋生区与锋区基本重合。水平变形项中切变变形起主要的锋生作用,而由于冷气团受迎风坡影响,导致伸缩变形在104°E以东的锋后区域产生较强的锋生现象。     

2009年黑龙江省冬季两次暴雪过程对比分析

1引言回流天气是冬季黑龙江省产生暴雪的一种特殊的天气形势,黑龙江省回流天气特征是在一定的环流形势下．中低层有由东部或东南部海上伸向陆地的暖脊,风向以出现偏东风为标志,地面气压场上,黑龙江省处于低压北部的偏东气流里。2009年冬季,黑龙江省出现了两场典型回流暴雪天气过程,通过分析发现：在回流暴雪形成与发展的过程中,动力锋生机制发挥了重要作用。强降雪产生在锋区靠近暖区一侧．地形在回流暴雪过程中,通过其强迫分别位于迎风坡和背风坡的正负垂直速度中心,对降雪起明显的增幅作用。     

水汽凝结过程与高低空急流对冷锋环流的作用

文中利用包括水汽凝结过程的湿大气原始方程模式，研究了高空西风急流和低空南风急流中冷锋环流和垂直运动场的演变，计算结果显示:水汽凝结过程的加入，使锋区垂直运动和锋面环流大大增强，上升运动随时间发生剧烈的变化；湿过程对锋面环流的作用发生在水汽饱和并发生凝结之后，未饱和水汽的存在对锋面环流没有什么作用；与干大气模式中高空西风急流是造成冷锋环流演变的主要因子情况不同，低空南风急流在湿大气中对锋面环流有极为重要的作用，其作用至少与高空西风急流相等；在激发锋区重力波上，低空南风急流的作用可能更加明显；水汽凝结湿过程的加入，不论是在高空西风急流下还是在低空南风急流中，都能在锋区激发出波长约为300 km的重力波，并以大于锋面移速的相速传入暖区。     

三维非静力中—β尺度动力学预报模式的应用研究Ⅲ:关中地区边界层结构的数值模拟

本文利用已建立的三维非静力中－β尺度动力学预报模式［1］以1996—3—31和6—1为实例，模拟研究关中地区地形的动力和热力效应对边界层结构的影响。模拟结果表明：起伏地形对垂直流场及低层风场影响较大；迎风坡空气抬升，背风坡空气下沉；层结稳定时易形成背风波，层结不稳定时，在背风波和水平温度梯度（地表性状不同）的共同作用下，在地形边界处易形成局地环流；除迎风坡空气抬升和背风坡引起上升运动外，还有地形加热引起的上升运动，它们对于水汽、能量等的垂直输送起着重要作用。     

地形对地转适应和锋生的影响

作者的目的是分析地形对由于热力差异所引起的局地锋生现象和地转适应过程的影响．为此，分别用零位涡流和均匀位涡流来近似代替实际大气，并借助位涡、绝对动量、位温的守恒关系，就地形对适应锋生和适应过程中能量转换等问题进行了简单讨论。初始位温扰动的水平分布及其相对于地形的位置对适应锋生有重要影响。当初始热力扰动主要位于地形迎风坡山脚时，地形不利于锋面形成，这时要形成锋面不连续，初始位温梯度的水平变化必须非常显著；当初始热力扰动主要位于山顶附近时，地形促进流体运动的辐合，有利于锋面不连续的形成，这时即使初始位温梯度的水平变化不是很大，也可能会形成锋面；当初始热力扰动主要位于背风坡时，地形是否有利于锋面不连续的形成取决于流体的层结情况，如果流体的基本层结很弱，地形促进锋面不连续的形成，反之，地形不利于锋面不连续的形成，这种差异主要是由于在这两种情况下，地形引起的下沉增温效应的强弱是不同的。另外，地形对地转适应过程中动能和位能之间的能量转换率也有影响，与没有地形的情况相比，当初始热力差异显著区位于迎风坡时，能量转换率减小，当不平衡场位于背风坡时，能量转换率增加，原因是在迎风坡流体要克服重力作功，在背风坡重力对流体作正功。     

两次副热带高压北侧暖锋暴雨动力热力诊断

使用常规观测资料、自动气象站降水量以及NCEP FNL再分析资料,对黑龙江省两次副热带高压(简称副高)北侧暖锋暴雨过程(简称"0801"和"0803"过程)进行动力热力机制诊断分析。结果表明,两次暖锋暴雨过程,均有台风活动,造成副高西伸北抬,副高外围的西南低空急流向北输送大量高动量的暖湿空气。两次暴雨过程与高低空急流关系密切,"0803"过程中高低空急流均更强,暴雨区位于高低空急流耦合形成的垂直次级环流的上升支。"0801"过程,暴雨发生前大气对流不稳定,辐合抬升及次级环流上升气流的共同作用触发对流,促使不稳定能量释放,形成强降水。"0803"过程,暴雨期间大气对流稳定,锋区中层的CSI有利于降水强度的增强及维持,锋面强度更大,由锋面辐合抬升形成的上升运动范围更广,造成更大范围的强降水天气。在暴雨区上空由于凝结潜热释放而引起广义位温高值区向下伸展,强暖平流促使中低层湿斜压性显著增大,利于暖锋锋生。水汽散度通量和水汽垂直螺旋度能够较好地描述强降水过程,强降水区与水汽散度通量正值区及水汽垂直螺旋度负值区相对应。     

2021年11月8日雨雪冰冻灾害天气过程分析

2021年11月7日夜间-9日白天黑龙江省出现大范围雨雪、大风、降温天气。此次天气过程中南部地区雨雪相态转换频繁,出现了罕见的冻雨天气。本文通过对高低空环流演变以及大气温度垂直变化的分析,认为主要是极地冷空气向南爆发的过程中,与低层暖湿空气北上强迫产生斜压不稳定,在地面低压北侧暖锋抬升作用下出现的大范围雨雪天气。分析探空资料可以看出大气边界层起到了冷垫作用,后期地面暖锋沿低层冷垫抬升,大气温度垂直分布出现“上暖下冷”的逆温结构。此外,边界层暖湿平流的输送增加了暖层的厚度,地形影响使“冷垫”作用加强。     

新疆北部一次暖区暴雪过程锋面结构及中尺度云团分析

通过对2014年1月29-30日北疆北部地区出现强降雪过程中常规资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料及卫星红外云图的分析研究。结果表明:(1)500 h Pa极锋锋区偏西急流与中纬度西南急流交汇,锋区在巴尔喀什湖附近加强并东移进入北疆偏北地区,为此次暴雪天气的发生提供有利的环流形势;高低空急流耦合明显,在地形强迫和锋面抬升下垂直上升运动再次得到增强,是暴雪发生的有利动力抬升条件;(2)中低层暖锋锋生,锋区随高度向东北倾斜,暖湿气团强盛并沿底层冷楔爬坡,推动冷气团向北移动,暴雪区位于暖锋锋区前沿处;(3)巴湖附近带状云系中不断有中尺度云团生成、合并和消亡,暴雪区与中尺度云团边缘TBB等值线梯度大值区有较好的对应关系。     

温带气旋暖锋后弯云图特征及结构成因分析

尽管关于温带气旋发展和演变的观点不尽相同,但目前普遍被接受的两种模型是:挪威气旋模型、Shapiro和Keyser模型。以FY-2E卫星云图为基础,先给出8个温带气旋过程实例,然后结合常规高空、地面观测及NCEP的1°×1°再分析场等资料,通过个例分析,对暖锋后弯气旋发生发展的环流背景、结构及成因进行分析。结果表明:(1)卫星云图显示东亚陆地上温带气旋存在T-bone结构和暖锋后弯的事实。(2)温带气旋发生在500 h Pa东亚大陆中高纬两脊一槽的背景下,槽加深及下游脊的发展有利于气旋的发展,与经典温带气旋发生发展的环流背景类似。(3)2012年5月11—13日个例分析表明蒙古气旋中存在锋面波动、锋面断裂、T-bone结构和暖锋后弯、暖核被隔离现象;暖核可从地面向上伸展到600 h Pa。(4)在地面气旋初生和发展阶段,地面气旋中心西侧高低层正相对涡度区呈后倾结构;当高低层正涡度区几乎垂直重合时,地面气旋停止发展;气旋中心西侧对流层中低层的锋区一直存在。(5)当高低层涡度平流差值为正、300 h Pa正涡度平流引起的辐散叠加到对流层中低层锋区之上,地面气旋才会生成和发展。逐渐增强的暖平流从气旋中心的东部和北部向气旋的西部和西南部输送,从而形成了卫星云图上的T-bone结构和暖锋后弯现象。     

豫西地形对一次强降水过程的影响分析

利用中尺度模式WRF 3.3.1模拟了2007年7月29日豫西山区强对流天气过程,并进行了地形高度敏感性试验。结果表明：模式能够很好地再现此次强对流降水过程,模拟降水范围与强降雨中心均与实况较一致。分析对比控制试验和地形敏感性试验结果可知,地形的改变能够在水平和垂直方向上影响环流形势,进而影响降水的落区和中心量级。地形升高和迎风坡梯度增大使近地面层水平风场辐合增强,中层上升运动明显增大,且低层的水汽通量增大,导致雨带横向范围和降水中心量级明显增大;而地形降低和迎风坡梯度减小使山脉对近地面层气流的阻挡作用明显减弱,低层水汽通量显著降低,中层辐合抬升运动明显减弱,迎风坡前强降水中心减弱甚至消失,而山脉下游降水则有所增强。分析地形高度与山前降水的定量关系可知,降水中心量级随着地形升高或降低相应地增大或减小,但二者并非完全的线性正相关。     

持续性冷涡暖锋暴雨成因及特征分析

利用常规观测资料、自动气象站降水量以及NCEP FNL再分析资料,对2019年8月6—8日一次持续性东北冷涡暴雨过程成因及特征进行诊断分析。结果表明:暖锋稳定维持在同一区域且不断锋生造成持续性暴雨。强降水出现在850 hPa锋区南侧,呈东西带状分布,暴雨与最大锋生区相对应。大气中层为弱对流不稳定,有利于强降水的维持。高层正位涡大值区向下层扩展,促使中低层涡度增加,在暖锋前形成正涡柱结构,在地面锋区上诱发出气旋性环流,有低压新生。锋区低层的强辐合区位于迎风坡,锋面辐合抬升和地形强迫抬升的共同作用,使低层强辐合区持续3 d维持在同一区域。冷涡东移减弱阶段,台风携带大量暖湿空气北上促使锋区北抬,强降水维持。冷涡新生和维持阶段,T_(850-500)≥25℃,K≥35℃,且有一定的对流有效位能,对暴雨的出现有较好的指示意义。暴雨区东边界的水汽输入最为关键,占到整个水汽输入总量的一半,尽管南边界的总水汽输入量不大,但集中出现在第一个暴雨日,是6日暴雨过程主要水汽贡献者。     

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

地形与双冷锋的锋生过程

本文利用半地转模式，讨论了双冷锋的锋生过程及其越过山脉的演变。结果显示，在变形场作用下，双冷锋在移行过程中会发生上层锋合并的现象。在锋生过程中，下层前一条冷锋加强远大于后一条，在上层则是后一条冷锋的加强远大于前一条。地形对双冷锋有重大影响，山的迎风坡对冷锋移行有阻挡作用，并削弱锋的强度，背风坡则加速锋的移行，并加强锋的强度。山对双冷锋的上层锋的合并有促进作用，并造成近地面锋区呈现鼻状突出；地形促使锋区垂直速度大大增大，并导致其产生跳跃式变化；地形对锋的影响限于下层锋区。     

河北省南部回流暴雪天气结构特征

利用常规气象观测资料、降雪加密观测资料和NCEP的1°×1°再分析资料,对2009年11月10—12日和2011年11月29—30日河北省南部两次回流暴雪天气过程进行对比分析。结果表明：河北省南部两次回流暴雪的时空分布具有中尺度特征。两次回流暴雪的典型天气形势为500 hPa高空河套地区有低压槽东移,700 hPa有切变线影响,地面蒙古冷高压东移至东北地区南下,河套倒槽发展,华北地面为东高西低形势。回流暴雪过程中高低空急流有非常重要的作用,冷空气自850 hPa以下随强劲的东北风回流至河北省南部形成冷垫,700 hPa暖湿气流随西南急流输送至河北省南部叠加在冷垫上辐合抬升,高空200 hPa急流右后侧的辐散抽吸作用使上升运动加强。华北平原高空存在一支垂直环流,边界层东北风到达太行山东麓,在迎风坡抬升至对流层中高层转为西南风,到达东北地区转为下沉气流,再与低层东北风构成一个完整的垂直环流。θse密集区由地面向上向北伸展至700 hPa,锋面结构特征明显,锋面的前沿从北向南推进,地面锋面附近850 hPa以下等θse线与地面垂直,具有对流中性层结。回流强降雪发生在地面锋后冷气团中。