湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的一种可能机制

根据暴雨中尺度系统发生时的大气运动特征,在绝热、无摩擦条件下,从湿斜压原始方程出发,考虑大气运动的涡度及散度演化不仅受动力场的制约,而且还受到热力场的约束,采用不同于传统研究涡度及散度方程的分析方法,导出了新形式的涡度及散度方程。在此基础上,分析了湿斜压大气中对流层中低层气流旋转与辐合持续增长的动力特征,初步揭示了湿斜压大气中暴雨中尺度系统发展的动力机制。     

第六讲 环流和涡度

大气作为一种流体其运动形式是各种各样的,它不仅位置可以发生变化,流体微团还可以发生转动、形变及辐散(合)等。为反映大气运动的这些特性,光有速度场V还不够,有必要引进环流、涡度、散度等物理概念。这些物理量及其相应规律的研究在动力气象学中占有重要的位置。     

湿位涡、热力学参数CD与涡度、散度演化

从湿斜压原始方程出发,将热力学方程引入散度方程,导出了显示包含热力学参数CD影响的散度方程。在此基础上,结合湿位涡方程,分析了湿斜压大气中湿位涡水平分量MPV2及其热力学参数CD的动力学性质,揭示了由热力学参数CD表征的斜压动力过程激发对流层中低层涡、散场演变的动力机制,阐明了应用热力学参数CD诊断暴雨中尺度系统发生发展和预报暴雨的理论依据。     

环境风场与对流风暴相互关系的动力分析

在前期提出大气多尺度分析理论基础上,利用动力学方法研究了大气环境风场与中尺度对流天气系统之间的关系,从微团的分离和运动的角度分析了高空急流、低空急流、水平涡度和垂直涡度在中尺度天气系统的形成和发展中的作用。结果发现,环境风场对微团的动力分离作用主要发生在高、低空急流附近,因为在高、低空急流的下方风动能随高度增加明显,在急流的左侧(背风而立)正涡度与地转涡度迭加使绝对涡度变大,因此,这两个区域是环境场对微团分离力最大的区域,也是对流最容易发展的地区。微团在上升过程中的运动轨迹与其环境密度比率有关,当微团的密度小于(大于)环境密度时,微团运动的旋转方向与水平涡度的方向一致(相反);平衡高度(微团密度与环境密度相等)越高,形成的系统越强,水平、垂直旋转的程度越强,范围越大。因为初始密度和平衡高度的不同,多单体风暴和超级单体中微团的运动形态存在明显区别。根据大气微团的运动方程推出了水平风随高度变化的公式,结果表明,微团水平运动垂直变化的大小与微团环境相对密度比、水平风速、垂直涡度成正比;与垂直运动速度大小成反比;风矢量由低到高的转向与绝对涡度垂直分量的旋转方向相反,即正(负)涡度与亚微团的顺(逆)转相对应。由公式解释了超级单体低空垂直切变明显大于高空的原因。进一步分析认为,风垂直切变对风暴的作用只表现在风速大小随高度的变化和水平涡度的作用上,而风向随高度的变化是大气对流的结果而不是对流的原因,对流越强,风向垂直切变越强。     

全国各省市气象科技期刊文摘

1 阻塞过程中正斜压涡度拟能相互转换机制的重要性 《山东气象》2002年第3期 朱乾根 南京气象学院 210044 摘要 使用正斜压涡度拟能方程对一次乌拉尔山阻塞过程的研究表明,虽然正、斜压涡度拟能向阻塞区内的净输送、阻塞区域内正斜压涡度拟能的净生成以及β效应是阻塞环流建立、维持和崩溃的基本能源,但正斜压涡度拟能相互转换机制则是阻塞过程得以形成的根本原因。如果没有正料压涡度拟能相互转化机制,则阻塞环流不但不能形成,反而使大气的斜压性不断增强,正压性不断减弱。     

阻塞过程中正斜压涡度拟能相互转换机制的重要性

使用正斜压涡度拟能方程对一次乌拉尔山阻塞过程的研究表明，虽然正、斜压涡度拟能向阻塞区内的净输送、阻塞区域内正斜压涡度拟能的净生成以及β效应是阻塞环流建立、维持和崩溃的基本能源，但正斜压涡度拟能相互转换机制则是阻塞过程得以形成的根本原因。如果没有正斜压涡度拟能相互转化机制，则阻塞环流不但不能形成，反而使大气的斜压性不断增强，正压性不断减弱。     

斜压涡度的变化与台风暴雨的关系研究

台风暴雨作为台风引起的最主要灾害之一,一直被人们关注。台风常被认为是对称结构,但从实际状况来看台风的非对称性非常明显,所以有必要研究斜压性涡度在台风中的表现。在高分辨率数值模拟的基础上,通过引入斜压涡度的概念,分析和总结了斜压涡度在2009年台风“莫拉克”暴雨过程中的表现。通过模拟与分析得到如下的结果:斜压涡度和MPV对比,可以看出在登陆前和登陆后,明显低层斜压涡度有更强的异常信号,围绕台风内核呈现正负正的位相特点;从沿着台风中心时间剖面可以看出,登陆前斜压涡度低层多为负正负的位相,并且随着时间的推移,斜压涡度有从大气的高层向台风的移动中心传递的趋势,即在台风即将到达时原先的正涡度被替换为负涡度,所以对其移动有一定指示意义;在台风“莫拉克”过台湾岛时,其斜压涡度表现为负涡度消失,在山地附近有正涡度生成,完成过岛,台风中心被替换;斜压涡度的异常值主要位于大气的低层时,一般会产生较强的降水。      

水平涡度与夏季风环流变化

在斜压涡度发展理论的基础上，讨论了大尺度大气运动中水平涡度向垂直涡度转化的情况，并用以刻划夏季风变动。将声坐标中涡度方程的有关项在2坐标中分离出水平涡度向垂直涡度转化的主要项，经尺度分析得出，在对流层中、高层，这些转化项中的水平分量是大尺度大气斜压性涡度发展的主要因子。通过对1998年4—8月的GAME(GEWEX Asian Monsoon Experiment，全球能量和水分循环试验(GEWEX)的子试验：亚洲季风试验，简称GAME)再分析资料进行实际计算发现，转化项在东亚夏季风上升支的600 hPa及以上层次对P坐标垂直涡度的局地变化贡献很大，不能忽略。同时发现水平涡度向垂直涡度的转化对南海季风爆发和江淮梅雨入梅及其发展过程均有指示性意义。南海季风爆发以后，在中国东南部地区，转化项的大小与夏季风的活跃和中断等活动吻合，转化项的变化反映了西太平洋副高在中国大陆的活动规律。     

涡度的计算

天气图上流线的形状,各式各样,经过分析归纳,不外乎由平移、辐合、辐散,变形、旋转等几种型式组合而成。涡度这个概念,就是为了定量描述空气旋转情况而引入的。     

正、斜压涡度拟能相互作用对乌拉尔阻塞过程的影响

研究表明,正压涡度拟能的增强和减弱是乌拉尔山上空阻塞过程的重要特征,正压涡度拟能增强的主要机制是斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换,而斜压涡度拟能的来源则是阻塞区外斜压涡度拟能向阻塞区的净输送和阻塞区内斜压涡度拟能的净生成。正压涡度拟能减弱的主要机制足耗散机制和β效应。因此。阻塞过程是正、斜压涡度拟能相互作用的结果。纬向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞的维持和崩溃中具有重要的作用,经向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞环流的建立中具有重要的作用,经向正压风对正压涡度拟能的净输送和斜压风对涡度拟能的净输送也具有重要贡献。     

新书架上

《动力气象学引论习题解》田永祥编著,科学出版社出版,1982年7月,162页。本书是对美国华盛顿大学霍尔顿(J.R.Holton)教授著的《动力气象学引论》一书中全部习题的习题解答。书中主要包含有地转风、热成风、温度平流、散度、涡度、环流等物理量的计算,大气中各种能量的产生、消耗及其相互转换所需时间的计算;平均动能、涡动动能方程和平均有效位能方程的推导,考虑摩擦作用的和由于流体深度随纬度变化而产生的罗斯贝波相速公式的推导;正压、斜压不稳定性的分析;典型龙卷和台风尺度扰动的运动方程的尺度分析,以及天气尺度运动的涡度方程和散度方程的尺度分析等内容。本书可供气象业务工作者、大专院校气象专业     

阻塞过程的正、斜压涡度拟能场诊断研究

应用正、斜压涡度拟能方程，对1998年6月3～11日发生在鄂霍次克海的一次阻塞环流进行诊断。结果表明:阻塞区内总涡度拟能和正压涡度拟能具有显著的变化，它清楚地揭示了阻塞过程中酝酿、维持和崩溃阶段中的不同特征，而正、斜压动能所显示的阻塞过程的变化特征则不明显。正、斜压涡度拟能场相互转换及阻塞区内外正、斜压涡度拟能场的净通量机制是鄂霍次克海阻塞环流建立和维持的两项主要因子。其过程是:首先通过斜压涡度拟能净通量机制，使斜压涡度拟能增长；又通过正斜压涡度拟能场的转换机制将增长的斜压涡度拟能转为正压涡度拟能；与此同时，通过正压涡度拟能净通量机制使正压涡度拟能增长。这两种不同的机制相互结合，从而使正压涡度拟能增长和维持，形成阻塞环流。而斜压涡度拟能增长甚微。     

北京“7.21”暴雨过程中变形场引起的锋生与倾斜涡度发展诊断分析

从变形场驱动锋生及通过锋生引起倾斜涡度发展的角度对变形场在北京“7.21”暴雨发生、发展过程中的可能作用机制进行了初步探讨。诊断结果发现：北京地区降水产生时,变形向量与等位温线走向一致或有较小夹角,北京地区有较强的变形场局地锋生过程。锋生函数分析发现,变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献。锋生能够引发大气动力、热力结构的调整,伴随大气锋生过程的高空急流加强和转竖使得北京地区处于高空急流入口区右侧的辐散区中,其带动低层空气辐合,有助于暴雨的加强维持。分析还发现,“7.21”暴雨过程中,垂直涡度存在爆发性发展,尤其是锋面降水阶段,而大气斜压度的增长趋势与垂直涡度增长趋势十分一致。分析全型涡度方程中与变形场有关的斜压度个别变化项发现,与变形场相关的垂直涡度驱动项异常正值区与垂直涡度爆发性增长区相对应,表明变形场在北京“7.21”暴雨过程中对垂直涡度发展有重要贡献。基于变形场沿其压缩轴方向气流汇合的特点,进一步分析了加入水汽作用的水汽通量变形场与暴雨发生、发展的关系。分析结果发现,低层水汽通量变形场的正值区与暴雨具有很强的相关,且水汽通量变形场包含两部分,一部分为比湿平流,其对未来暴雨区位置有很好的指示意义;一部分为变形场项,其对水汽通量变形场分布起主要贡献。     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断 II:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断——Ⅱ:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

大气湿位涡影响夏季江淮降水异常的机理分析

利用欧洲中心再分析资料(ERA-40)中1958-2001年气象场资料(世界时00时),分析了降水异常年850 hPa湿位涡及其分量差异的原因.结果表明,降水异常年湿位涡和湿位涡正压部分的差异主要是由水汽的垂直分布差异引起稳定度的变化所致,而相对湿位涡和湿位涡斜压部分的差异,分别主要是由垂直涡度及纬向风的垂直切变和暖湿气流的经向切变所致.另外,还利用湿位涡的正压部分和斜压部分讨论了江淮夏季850 hPa大气性质的变化,结果表明,近50年来,大气对流不稳定减弱,而斜压不稳定增强.     

高空槽对两类热带气旋变性阶段强度变化影响的数值模拟研究

选取9711号台风"Winnie"和0713号台风"Wipha"分别作为变性加强和变性减弱类台风个例进行数值模拟,而后利用模式结果对大尺度场及涡度收支场进行诊断分析。结果表明:台风"Winnie"变性过程中,其西北侧高空槽呈西北—东南走向,南亚高压强度弱,对高空槽东移阻塞作用小。变性前期阶段主要是锋面系统和斜压性起关键作用,变性完成后,"Winnie"在斜压、高层辐散及涡度平流的共同作用下再次加强。台风"Wipha"变性过程受强大的南亚高压和副高影响,其西北侧高空槽稳定少动且呈东北—西南走向,冷空气入侵不明显,斜压区面积和强度都受到了限制。另外高层辐散场和涡度平流场均未能为"Wipha"提供有利的环境使其再加强。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

引发黑龙江省暴雪爆发性气旋个例动力分析

利用气象站综合观测资料和NCEP FNL的1°×1°再分析资料,分析了2013年11月25日黑龙江省大暴雪的环流特征和气旋爆发性增长过程;在此基础上,对涡度平流、高低空急流的分布特征和垂直结构及湿位涡的正压项和斜压项对气旋爆发性增长的贡献进行了深入细致的研究,探索此次爆发性气旋发展的动力学机制.结果表明:此次黑龙江省暴雪过程地面气旋中心位于槽前最大正涡度平流区下方,正涡度平流使等压面降低,地面减压,气旋获得发展.地面气旋始终位于南支高空急流核左前方和北支高空急流核右后方,两支高空急流的动力作用均引起强辐散.高、低空急流耦合的区域,使高层强辐散和低层强辐合叠置,加强了气旋中心附近的上升运动,从而使气旋和降雪的强度得到加强.气旋在强斜压大气中获得爆发性增长,气旋的爆发与湿位涡的分布和演变关系密切,高层正湿位涡下传,使低层湿位涡增大,气旋获得发展;当高层ξmpv1线趋于准水平状态时,正湿位涡下传造成低层湿位涡发展结束,气旋发展停止并逐渐减弱.大气湿斜压性增加可引起垂直涡度的显著增加,促使气旋爆发性增长,垂直涡度的变化滞后于湿斜压性的变化.     

湿大气中低涡暴雨系统发展东移的初步分析

七十年代,谢义炳教授指出:湿大气动力学和干大气动力学特征有明显差异。结合我们的天气实践,注意到经常造成鄂北强降水的西南低涡处于对流层低层,在这一层次内不仅流场辐合明显,而且水汽丰沛,空气为强烈的对流性不稳定,这些因子对低涡的生消移动必然有较大的影响。本文的目的是,引入水汽因子后,通过简化涡度方程在湿斜压大气中的应用,并考虑湿静力稳定度σ_m既为P的函