副高外围对流雨带中的对流—对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压(简称副高)西北外围对流雨带的云图特征进行了分析,利用WRF3.3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟,在模拟较成功的基础上,利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明:副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成,单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系,东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层(700 hPa以下)的对称不稳定区,700~500 hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展,700~500 hPa的对流不稳定度明显减弱,而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区,中高层为垂直上升区,左侧对应下沉气流,呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征,体现了对流—对称不稳定的作用。对流层低层(750 hPa以下)锋生的存在提供了对流—对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500~800 hPa等厚度线基本平行,而与500 hPa等高线存在明显的交角,雨带中的对流单体随环境气流移动,雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。     

一次四川暴雨过程的非线性对流—对称不稳定分析

以NCEP/NCAR再分析资料和区域加密观测资料为背景场对2004年9月3—5日四川省一次特大致洪暴雨过程进行数值试验。在对降水模拟有较好结果的基础上,用模式大气资料分析了暴雨过程的非线性对流—对称不稳定,结果表明,近地面层条件性不稳定和地形强迫的共同作用触发了对流,而中高层的条件性对称不稳定促进对流的进一步发展,由此引发的深厚湿对流形成了持续大暴雨。     

北京“7.21”暴雨的不稳定性及其触发机制分析

本文利用WRF模拟的高分辨率资料对2012年7月21日北京特大暴雨过程的对流不稳定和条件对称不稳定性及其触发和维持机制进行了诊断分析。分析结果表明:(1)在临近暴雨发生时刻及暴雨初期, 大气低层主要以对流不稳定为主, 随后对流触发, 不稳定性减弱, 而低空急流和湿斜压性的增强, 使得条件性对称不稳定加强, 维持和加强了暴雨的不稳定性。(2)分析表明, 在暴雨过程中主要由于较强的水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量异常, 从而导致条件性对称不稳定的产生。(3)本文分别对暴雨发生过程中的对流不稳定与条件对称不稳定的触发机制进行了分析, 主要结论如下:暴雨初期对流性降水阶段, 切变线上有利的垂直上升环境与地形的强迫抬升相互配合, 触发了对流性降水。另外, 北京上空的干冷空气入侵, 也增强了大气的对流不稳定性, 更易触发对流;对称不稳定导致的降水阶段, 主要是由于北京上空冷暖空气的长期对峙, 冷空气逐渐深入到暖湿空气下方, 使得暖湿气团沿冷气团爬升, 从而触发对称不稳定, 造成持续性降水。此次暴雨过程中0900～1300 UTC时刻暴雨增幅的重要原因是0900 UTC北京风向突变, 转为偏东风, 且风速骤增, 北京西北侧的喇叭口状的地形的强迫抬升作用, 与上空750 hPa移来的切变线上的垂直运动相互叠加, 形成中尺度涡旋, 产生了强烈的上升运动, 触发不稳定, 产生大暴雨。     

副高外围对流雨带中的对流—对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压（简称副高）西北外围对流雨带的云图特征进行了分析,利用WRF3.3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟,在模拟较成功的基础上,利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明：副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成,单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系,东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层（700 hPa以下）的对称不稳定区,700～500 hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展,700～500 hPa的对流不稳定度明显减弱,而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区,中高层为垂直上升区,左侧对应下沉气流,呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征,体现了对流—对称不稳定的作用。对流层低层（750 hPa以下）锋生的存在提供了对流—对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500～800 hPa等厚度线基本平行,而与500 hPa等高线存在明显的交角,雨带中的对流单体随环境气流移动,雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.     

2003年江淮梅雨暴雨与湿位涡的关系

统计了2003年发生在江淮地区的梅雨暴雨，根据暴雨中心对流稳定度及降雨性质将暴雨分为4种类型。分析湿位涡与梅雨暴雨中的惯性不稳定、对称不稳定、对流不稳定的关系发现：第1类暴雨往往与对称不稳定有关，第2类暴雨与对流不稳定有关，且这两类暴雨高层多具有强惯性不稳定，降水相对较大；第3、第4类暴雨是稳定性降雨，高层一般不具备惯性不稳定，雨量一般较小。高层的惯性不稳定对降水的加强作用明显。     

贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3.6模式对2004年5月29~30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟,模拟结果与实况基本一致。在此基础上,用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析,以解释强降水发生的物理机制。结果表明,这次降水是由多种尺度系统相互作用,高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的;高层辐散区发展、低层辐合加强,形成"抽气机"效应,低层正涡度和高层负涡度加强,垂直涡度发展,激发出次级环流;对不稳定性的分析表明,降水开始为对流不稳定能量触发,降水加强后对流不稳定层次降低,对流不稳定能量减弱;中层锋区附近θe面陡立,有倾斜涡度发展,继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展,降水加强。     

惯性稳定性在伴有高低空急流的暴雨中的作用

通过对低空西南急流左前方和高空偏北大风轴右后方的惯性稳定性和对称稳定性的理论分析和实例计算，表明：低空急流左前方惯性稳定度大值区的存在，有利于低层湿热能量的积累，使低层倾斜对流的不稳定发展更多期望于条件性对称不稳定或对流不稳定；高空偏北大风轴(西风急流)的存在，是其右后方(右侧)出现对称不稳定的有利条件，高空相对容易出现干对称不稳定；惯性稳定性的作用，使低层的倾斜对流更偏向于垂直方向，有利于对流发展，使高层的倾斜对流更偏向于水平方向，有利于高层辐散。     

长江流域一次暴雨过程中的不稳定条件分析

文中分析了 1998年 7月 2 0～ 2 3日发生于长江流域的持续性降水和暴雨过程 ,在分析大尺度降水和中小尺度暴雨相对应的环流场和天气实况的基础上 ,主要分析相应大气层结的对流不稳定和条件性对称不稳定条件 ,并对切变线上涡层不稳定做了重点介绍和分析 ,计算了条件性对称不稳定判据和涡层不稳定判据。结果表明 :降水期间大气低层有对流不稳定和对称不稳定能量的积聚 ,在这两类不稳定条件都基本满足的情况下 ,涡层不稳定的维持对此次降水过程中暴雨的发生提供了有利的不稳定环境场 ,具体的计算分析还表明环境场的配置制约着切变线上低涡扰动的发展 ,是造成降水的重要原因之一。     

1991年江淮梅雨期对称不稳定与降水关系的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料对1991年5月18日—7月13日江淮地区梅雨期的湿位涡、正压湿位涡、斜压湿位涡以及它们的扰动量进行了诊断分析,并讨论了经向风场及温度、湿度场和大气对称不稳定度的演变特征及其与降水的关系。结果表明:对流层低层的对称不稳定度与降水的发生发展有较好的对应关系,较强对称不稳定对应较强降水的发生,当对称不稳定度减弱,降水也随之减弱或渐止。对称不稳定度的大小与对流不稳定、惯性不稳定以及大气湿斜压性和风的垂直切变紧密相关。西南风活跃、冷暖空气交汇,形成对称不稳定倾斜上升气流区,是导致在梅雨锋上暖湿空气一侧发生强降水的重要原因。     

Absolute instabilities in the spatially developing Kuroshio Extension

Satellite observations have long revealed to us a spatially growing Kuroshio Extension (KEx), but its underlying dynamics is yet to be studied. With a normal mode model of absolute/convective instability, it is found that the mean zonal jet is unstable at all the sections in the downstream region (east of 154 °E). In each of the resulting complex dispersion relation diagrams there lies a single saddle point associated with a positive temporal growth rate; that is to say, the mean jet is absolutely unstable, implying that KEx favors self-sustained oscillations. By calculation the absolute instability wave has a period increasing from about 27 days to 72 days, and a slightly decreasing wavelength from 360 km to 250 km, as longitude increases from 154 °E to 174 °E, agreeing with those inferred from the wavelet power spectra and Hovmöller diagram of the satellite observations. As KEx travels downstream, the associated eigen-structure of the perturbation velocity changes from a surface trapped mode to a mode with components maximized in the vertical interior. This study shows that at least a portion of the KEx intraseasonal variability is of intrinsic origin, and may be predictable with the absolute/convective instability theory.     

圆形涡旋中的惯性重力内波不稳定和对称不稳定

用Boussinesq近似下的轴对称径向二维柱坐标系中的线性扰动方程组，讨论了圆形大气涡旋系统中扰动的惯性重力不稳定和对称不稳定。在环境为正压情形时，惯性重力内波不稳定的条件为#A(μj/R0)2N2+n2F2<0；当环境为斜压时，具有平行型扰动特征的惯性重力波发展的条件为Ri＊<1-[(3/2)+m]2，此时表现为对称不稳定。可见，惯性重力内波不稳定和对称不稳定都可作为台风、气旋一类圆形涡旋中扰动形成和发展的机制。     

黄淮气旋引发山东两次暴雨过程的对比分析

利用常规天气图资料和NCEP再分析资料,对2002年5月14日和2013年5月26日发生在山东的两次气旋暴雨过程进行对比分析。结果表明:两次过程均是在高空低槽、西南涡及地面气旋共同作用下形成的,但气旋形成方式、高低空急流及空气不稳定层结有明显的差异。前者为倒槽锋生型,空气层结呈对流性稳定,冷暖空气在近地层交汇使得等熵面陡立触发垂直涡度增长和湿对称不稳定能量释放造成暴雨,后者为静止锋上冷暖平流加强形成气旋波,冷空气团叠加在暖湿气流之上通过降低低层稳定度强迫暖空气抬升触发对流不稳定能量释放造成暴雨;前者高空急流偏南,后者高低空急流配合较好激发出次级环流从而使上升运动增强;两次过程暴雨落区均在850hPa高能轴顶端冷暖空气交汇处。     

Properties and stability of a meso-scale line-form disturbance

By using the 3D dynamic equations for small- and meso-scale disturbances, an investigation is performed on the heterotropic instability (including symmetric instability and traversal-type instability) of a zonal line-like disturbance moving at any angle with respect to basic flow, arriving at the following results: (1) with linear shear available, the heterotropic instability of the disturbance will occur only when flow shearing happens in the direction of the line-like disturbance movement or in the direction perpendicular to the disturbance movement, with the heterotropic instability showing the instability of the internal inertial gravity wave; (2) in the presence of second-order non-linear shear, the disturbance of the heterotropic instability includes internal inertial gravity and vortex Rossby waves. For the zonal line-form disturbance under study, the vortex Rossby wave has its source in the second-order shear of meridional basic wind speed in the flow and propagates unidirectionally with respect to the meridional basic flow. As a mesoscale heterotropic instable disturbance, the vortex Rossby wave has its origin from the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance and is independent of the condition in the direction parallel to the flow; (3) for general zonal line-like disturbances, if the second-order shear happens in the meridional wind speed, i.e., the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance, then the heterotropic instability of the disturbance is likely to be the instability of a mixed Rossby–internal inertial gravity wave; (4) the symmetric instability is actually the instability of the internal inertial gravity wave. The second-order shear in the flow represents an instable factor for a symmetric-type disturbance; (5) the instability of a traversal-type disturbance is the instability of the internal inertial gravity wave when the basic flow is constant or only linearly sheared. With a second or nonlinear vertical shear of the basic flow taken into account, the instability of a traversal-type disturbance may be the instability of a mixed vortex Rossby – gravity wave.     

Evolution of instability before and during a torrential rainstorm in North China

NCEP-NCAR reanalysis data were used to analyze the characteristics and evolution mechanism of convective and symmetric instability before and during a heavy rainfall event that occurred in Beijing on 21 July 2012.Approximately twelve hours before the rainstorm,the atmosphere was mainly dominated by convective instability in the lower level of 900-800 hPa.The strong southwesterly low-level jet conveyed the moist and warm airflow continuously to the area of torrential rain,maintaining and enhancing the unstable energy.When the precipitation occurred,unstable energy was released and the convective instability weakened.Meanwhile,due to the baroclinicity enhancement in the atmosphere,the symmetric instability strengthened,maintaining and promoting the subsequent torrential rain.Deriving the convective instability tendency equation demonstrated that the barotropic component of potential divergence and the advection term played a major role in enhancing the convective instability before the rainstorm.Analysis of the tendency equation of moist potential vorticity showed that the coupled term of vertical vorticity and the baroclinic component of potential divergence was the primary factor influencing the development of symmetric instability during the precipitation.Comparing the effects of these factors on convective instability and symmetric instability showed some correlation.     

The influence of the coast on the dynamics of upwelling fronts: Part II. Numerical simulations

We investigated the dynamics of upwelling fronts near a coast. This work was first motivated by laboratory experiments [Bouruet-Aubertot, Linden, Dyn. Atmos. Oceans, 2002] in which the front is produced by the adjustment of a buoyant fluid initially confined within a bottomless cylinder. It was shown that cyclonic eddies consisting of coastal waters are enhanced when the front is unstable near the coast (the outer vertical boundary). The purpose of this paper is to provide further insights into this process. We reproduced the experimental configuration using a three-dimensional model of the primitive equations. We first show that for coastal fronts more potential energy, in terms of the maximum available potential energy, is released than for open-ocean fronts. Therefore, waves of larger amplitude are generated during the adjustment and the mean flow that establishes has a higher kinetic energy in the former case. Then as baroclinic instability starts and wave crests reach the boundary, cyclonic eddies are enhanced as in the laboratory experiments and in a similar way. However, in contrast to the laboratory experiments, offshore advection of cyclonic eddies can occur in two stages, depending on the spatial organization of the baroclinic wave. When the baroclinic wave consists of the sum of different modes and is thus highly asymmetric, the offshore advection of cyclonic eddies occurs just after their enhancement at the boundary, as in the laboratory experiments. By contrast, when a single-mode baroclinic wave develops, neighboring cyclonic eddies first merge before being advected offshore. Very different behavior is observed for open-ocean fronts. First a mixed baroclinic–barotropic instability grows. Then the eddies transfer their energy to the mean flow and the barotropic and baroclinic instabilities start again. An excellent agreement is obtained with the main result obtained in the laboratory experiments: the ratio between growth rates of surface cyclonic and anticyclonic vorticity increases as the instability develops nearer to the coast.     

川东北一次西北气流型强冰雹天气的成因分析

利用常规气象资料和NCEP／NCAR 1°×1° 6h再分析资料,从大气环流形势、物理量场等方面对2007年4月29日发生在川东北地区的一次强冰雹天气过程的成因进行了分析。结果表明：此次西北气流型冰雹天气是在低能量环境场条件下发生的;冰雹天气发生前12h内降雹区的对流有效位能激增、午后下垫面强烈加热对大气不稳定性增强的作用显著;大气层结对流不稳定、湿对称不稳定、充足的水汽以及干线（露点锋）的存在为此过程提供了有利条件。     

一次闽南暖区暴雨的多尺度动力过程

作为气象研究中的一个难点问题,暖区暴雨的动力学一直为学界所关注。基于多尺度子空间变换(MWT)以及基于MWT的局地多尺度能量学分析和正则传输理论,对2018年5月7日的一次闽南暖区暴雨进行研究以了解其多尺度动力过程。首先将原始物理量场重建到三个尺度子空间:背景流子空间、天气尺度子空间和暴雨子空间。重构场上可以很好地看出背景环流尺度的高低空急流,以及暴雨尺度上的垂直环流。以往的研究普遍认为暖区暴雨的动力过程具有弱斜压性这一特征,而就此次事件而言,正压失稳和斜压失稳都起着很关键的作用,暴雨主要落区内既发生了正压失稳,也发生了斜压失稳。研究表明,对流层不同高度上的动力学存在差异,低层主要表现为正压失稳,天气尺度子空间与背景流子空间向暴雨子空间传输的动能相当; 中层主要是混合失稳,除正压失稳外,斜压正则传输也将有效位能从背景流子空间传输到了暴雨子空间,再通过浮力转换将有效位能转为动能,从而维持暴雨在中层的动力过程; 高层则与低层相似,但只存在背景流子空间向暴雨子空间的能量传输。      

非热成风平衡基流的对称不稳定

采用适合于中尺度研究的ｆ平面、非静力平衡、滤声波模式，运用解析方法研究了具有非热成风梯度存在的高空急流入口区右侧及低空急流入口区左侧的对称不稳定性问题。求出了扰动流函数解析表达式，从而定性地分析了由于非热成风梯度的存在，中尺度扰动波结构以及波振幅空间分布特征。所得理论结果可以解释在平行型高低空急流入口区间产生强暴雨的原因。