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     

华南前汛期锋面垂直环流及其与中尺度对流系统的相互作用

对1998年华南暴雨试验加密观测期间(IOP)5月23日强降水个例的数值模拟结果分析指出,锋面对于中尺度对流系统而言除了提供对流运动的触发机制外,两者之间还可能存在复杂的相互作用。华南前汛期中伴随对流活动的冷锋具有独特的垂直环流结构。它主要表现为暖湿气流不是沿锋面上滑,而是在冷锋前沿的对流雨团中直接上升到高空,锋面上方上滑的暖空气完全被对流雨团北侧的补偿性下沉气流所代替;而在锋后以及锋前暖区内均有对流活动发生的情况下,低空流入锋区前沿和锋区上方雨团的空气不是来自锋前暖区,而是来自锋后。对对流系统内部雨团进行的三维轨迹追踪也揭示出锋面上空对流雨团内存在一部分来自锋后并穿越锋区的上升气流。这是因为锋面并不是真正意义上的物质面,它只是大气温、湿属性有显著差别的界面,因此存在穿越锋区的运动并不是完全不可能发生的。在华南前汛期中,锋区两侧温度对比比通常意义上的锋面要小,这也是可能发生穿越锋面运动的原因之一,表明中尺度对流系统由于具有与梅雨锋在跨锋方向相类似的尺度而有可能对梅雨锋的流场结构发生影响。     

论冷锋锋区中的气压梯度

在锋面过境,特别是冷锋过境时,风速往往加大,有时可达30米/秒以上。在苏联陆地上观测到的飑有91％产生于锋面,其中74％产生于冷锋。可以认为,这种风速的加大,其原因之一,是由于在狭窄锋区(宽度为几十公里)内气压梯度的增大所致。为了估计锋区气压梯度的大小,需要有一个详细的环流图,以便对锋区气压场进行精确的分析。本文基于下述设想,试图说明冷锋狭窄区域内     

论冷锋锋区内阵风风速的计算

众所周知,在大气锋区,尤其冷锋锋区,风速急剧增强,有时达30米/秒或以上。在苏联91％的飑产生在锋区内,其中74％出现在冷锋区中。在一系列研究中,都试图找出锋区内不同大气热力参数与风速间的统计关系。但这由于下列情况未能确定出它们之间的密切关系。大家知道,最强的风常出现在比较狭窄的地带(几十公里)和很短的时间内,因此高空观测很少与锋面通过的时间相吻     

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。     

两次昆明准静止锋的对比分析

利用EAR5再分析气象数据,分析了两次昆明准静止锋天气过程的高低空环流形势、锋面结构、锋面位置、以及相关要素场等基本特征及其异同。结果表明：中高纬度地区阻塞形势的存在是昆明准静止锋形成的背景环流。当冷暖气团均强且势均力敌时,更有利于锋面的维持;冷空气较强时,锋面会向西移动,越过云贵高原地形的阻挡;反之,锋面则会向东移动。当锋面维持在高原地形东侧时,冷空气被地形阻挡时,锋面的移动缓慢,此时锋区最为明显。当锋面维持在地形东侧时,风场的最大水平切变、温度的最大水平梯度和相当位温的密集区,描述的锋面位置几乎相同。两次过程寒潮爆发时冷空气均只能维持到700hPa附近,且水平风场也均为600hPa以下的低空切变,说明昆明准静止锋为浅薄系统。昆明准静止锋与一般冷锋锋后不同,两次个例昆明准静止锋锋后低空为湿区,而锋前水汽是否充足则要看南支槽所处的位置。     

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.     

高空西风急流和低空南风急流中的冷锋环流

文中利用原始方程模式研究了不同背景风场中的冷锋环流，计算结果显示，对越锋非地转环流和锋区垂直运动起主要作用的是垂直于锋面的背景风场，沿锋的背景风场也有影响，但比前者小得多，后者产生的越锋非地转环流和上升速度也比前者弱得多；具有强垂直切变的西风急流更有利于在锋区产生强的越锋环流和大的上升速度；此外，越锋非地转环流还与Richardson数的小值区相联系。     

青海湖北岸大气向下长波辐射特征及云的影响

大气向下长波辐射对地表能量平衡、水循环等有重要影响。基于青海湖北岸2018年9月至2019年8月辐射观测资料,分析不同时间尺度的辐射通量变化特征,对比晴天条件下10个大气比辐射率参数化公式在该地区的适用性,在此基础上定量评估了云对大气向下长波辐射的影响。结果显示:青海湖北岸地区各辐射分量均呈现相似的"单峰型"日变化特征,辐射量白天较高、夜间较低;一年中,除向上短波辐射(主要受地表反照率影响)外,其余辐射分量均随气温而变化。晴天条件下大气比辐射率参数化Brutsaert公式在青海湖北岸地区的适用性最高。随着云份额数(C_f)的增大,青海湖北岸大气向下长波辐射逐渐增强,在C_f10%时,云增强效应低于10 W·m~(-2);当C_f75%时,云增强效应超过60 W·m~(-2)。云天大气向下长波辐射观测值与晴天计算值的比值r随着C_f的增大而增大,两者存在极显著的二次函数关系,当C_f10%时,r平均为1.04;当C_f75%时,r1.25,该统计关系能够较好地揭示青海湖北岸地区云对大气向下长波辐射的影响。     

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。     

切变线冷区和暖区暴雨落区分析

利用常规、自动气象站、NCEP/NCAR再分析资料（1°×1°,逐6h）和WRF模式逐小时资料,对2010年6月30日—7月2日山东省暴雨过程的落区进行了分析.结果表明：本次暴雨过程具有暖区暴雨和冷区暴雨两种特征.暖区暴雨强度强、范围广、落区集中,位于925 hPa经向切变线右侧或者低涡的东南象限“人”字型切变线内、暖温度脊后部、地面低压前部南风区内;冷区暴雨区强度弱、范围小、落区分散,位于925 hPa经向切变线左侧、冷温度槽前、地面低压后部北风区内.冷区和暖区暴雨均位于大气可降水量大于70 kg/m^2的区域、低空急流顶端的左侧.低空急流与强降水同时开始或者低空急流提前1h开始,降水强度最大时段出现在850 hPa风速跃增后1～3h.只有冷区暴雨时,冷空气较弱,冷锋伸展高度较低,暴雨区位于冷锋后部θse锋区前沿、θse暖脊脊线顶点、强上升运动中心.冷区与暖区暴雨共存时,冷暖空气势力均比只有冷区暴雨时强,冷锋伸展高度较高,冷区与暖区暴雨均位于强上升运动中心南侧1个纬距内风速辐合处.只有暖区暴雨时,冷空气较强,冷锋伸展高度较高,暴雨区位于冷锋前1个纬距内、θse暖脊脊线与地面交点、上升运动中心.低层向北倾斜锋区的南北跨度与中层向南倾斜锋区的南北跨度的差值大小,直接影响上升运动的强度和暴雨区的分布.     

“09.4.15”渤海和山东强风过程的动力学诊断分析

2009年4月15日,渤海和山东大部出现了一次强风天气过程。本次过程具有强度大、持续时间短、强风在渤海及山东附近显著加强等特点。为探讨强风的成因,根据常规观测资料以及NCEP分析资料进行了诊断分析。结果表明,本次强风过程是在低层冷锋、高层低涡横槽影响下产生的。冷空气向南推进过程中,冷平流中心由高层向低层传播,850 hPa以下冷平流不断加强,使冷锋不断增强。冷空气到达渤海湾后,锋前的强暖平流与锋后的强冷平流造成低空锋区进一步增强。冷锋次级环流的下沉运动与地面正变压中心对应,变压梯度风与大尺度气压梯度风共同造成强风过程,而强风中的阵风可能与次级环流的强烈脉动有关。     

一次华北飑线天气过程中环境条件与对流发展机制研究

利用多种观测和分析数据对2008年6月23日午后华北地区一次持续时间较长的强飑线天气过程进行了研究。分析表明这是一次在夏季冷涡背景下发生的强对流天气过程,相对孤立的MCSs在副冷锋附近发生发展。此次飑线天气过程中强风暴对流单体、超级单体活跃,对流组织化过程与地面风场辐合线以及锋面有紧密的关系。天气分析表明22日夜间主冷锋过境后,变性高压后部的偏东风以及偏南回流导致在华北东部的锋区开始增强,通过地面观测订正的探空分析表明,对流天气发生前华北地区局地具有较明显的对流潜势。从23日午后开始,河套地区对流层中低层有明显的短波槽扰动发展,在冷涡后部有副冷锋向华北地区逼近,对流的触发与副冷锋密切相关,并通过次级环流方程进一步诊断了锋面所造成的垂直运动;来自气旋后部对流层中高层的强下沉气流,造成了华北地区垂直方向上干湿对比明显,形成较强位势不稳定,有利于对流的触发以及地面大风的形成。通过对垂直风廓线结构和飑线移动速度的分析,表明在此次过程中冷池边界扩张速度与低层风垂直切变大致相当,因此MCS具有较强的强度并维持较长时间。     

2019年台风利奇马引发山东特大暴雨成因分析

利用地面观测资料、雷达资料、FY-2G卫星云图资料及欧洲中心细网格资料,对台风利奇马登陆北上引发山东特大暴雨的成因进行分析。发现:利奇马登陆北上过程中,冷空气先后从台风的西部、西南部与南部侵入至台风中心内部,使其暖心结构逐渐减弱,其变性时段发生在10日20:00至11日08:00。山东的特大暴雨主要出现在台风变性前12h至台风变性后6h。变性之前的暴雨主要是由于台风螺旋云带与高空槽尾部云系相叠加造成的,变性之后的暴雨则是由于冷空气侵入致使台风外围云系演变成强对流复合体造成的。变性之前,对流层内800～500hPa风速小,500～250hPa风速大,气层内有暖平流,整层的上升运动,降水以暖区对流降水为主;变性之后800～500hPa风速大,500～250hPa风速小,500hPa至地面是上升运动,以上为下沉运动,降水以斜压锋区附近的对流降水为主。当500hPa至地面气层内出现冷平流时,湿层变薄,降水趋于减弱。特大暴雨区出现在台风中心西北方向,与850hPa假相当位温锋区与水汽通量散度辐合大值区相吻合。     

2008年1月末九江雨凇转大雪天气过程成因分析

对2008年1月25—29日九江市一次雨凇转大到暴雪天气过程的大气垂直结构进行了分析。结果表明,在雨凇和降雪区域中层有暖层,低层有冷层,且存在对称不稳定层结。垂直风切变明显,有利于对称不稳定能量积累和上升气流的形成。高、低空急流辐散、辐合相互垂直,引发的较强上升运动是雨雪天气得以维持的重要条件。东西风向切变使冷、暖气流在雨雪区域上空交汇,形成水平气旋性辐合,产生垂直运动,且与垂直风切变相互作用,促动上、下层动量传递,使高、低空急流维持。雨凇转大到暴雪时,暖层气温降低,垂直风切变向上增强,对称不稳定能量增大,风向切变辐合加大,上升气流和水汽输送加大。     

福建西部山区一次中尺度对流系统触发机制分析

利用常规天气资料及地面自动站、风廓线雷达、新一代天气雷达资料和ERA-Interim逐6 h 0.125°×0.125°再分析资料,分析2015年5月19日福建西部山区一次极端降水的中尺度特征。结果表明:(1)极端降水分为锋前暖区降水和锋面降水两个阶段,暴雨区位于低空西南急流轴左侧,水汽充足,冷暖空气交汇,不稳定能量大,抬升凝结高度和自由对流高度低,大气可降水量大及中等强度的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统(mesoscale covective system, MCS)发展的环境条件。(2)锋前暖区降水期间,西南气流携带高能量和水汽充足的空气移入暴雨区被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,对流单体向东北偏东方向移动,排列形成短雨带;若干条东北—西南向长度不等的短雨带在中尺度出流边界北侧建立,缓慢向东移动,依次重复影响关键区;暴雨关键区存在辐合线和风速辐合,为降水提供了良好的动力抬升条件;向西南开口的河谷地形加强了对流的发展;对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带重复影响同一地区的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。(3)锋面降水期间,对流单体在低涡切变南侧风速辐合、水汽和能量大值区发展东移南压,中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得强降水加强并维持。对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。     

西太平洋暖池对夏季华东海面日最大风速变化的影响

利用1979—2018年ERA Interim地面10 m风场、位势高度场、温度场和风场,Hadley中心HadISST再分析海温资料,采用SVD分析、合成分析等方法,研究了夏季（6—8月）西太平洋暖池关键海域海表面温度（Sea Surface Temperature,简称SST）对华东海域夏季10 m日最大风速变化的影响关系。SVD分析结果表明,夏季华东近海风速变化与菲律宾以东海域SST有明显负相关,第一模态左、右空间向量的时间系数相关达0.58,通过了置信度为95%的显著性检验。当西太平洋暖池SST正异常时,暖池海域SST增高,西北太平洋副热带高压（以下简称副高）加强,副高脊线北进（西北太平洋副高脊线纬度位置与暖池SST相关系数达到0.46,通过置信度为95%显著性检验）。此时华东近海正处于副高控制,近海下沉运动增强,大气温度垂直剖面有普遍增温现象,10 m风场有偏北风异常,海面风速减小约占40 a平均风速的约30%;当暖池SST负异常时,副高东撤南退,华东近海冷空气活动加强,温度垂直剖面存在显著降温现象,华东近海风速增加占40 a平均风速的20%以上。本研究进一步说明了暖池SST异常是一个有效的预报因子,可用于华东近海海面风速预测预报。