一次引发华北和北京沙尘暴天气的快速发展气旋的诊断研究

对造成2000年4月5～7日华北大范围严重沙尘天气、产生大风的蒙古气旋快速发展过程进行了研究.气旋发展初期和发展成熟期温度平流均为气旋发展的主要因子,涡度平流也起了作用,但较温度平流作用弱且随气旋的发展而减弱.斜压作用开始出现在低层且位于气旋的后部,气旋发展开始时气旋区高低空并没有很强的锋生,但到气旋发展到最强时,对流层高空锋生区叠加在低层锋区上气旋周围的斜压作用增强,这对于有效位能的释放、动能的制造及气旋的加深有很大作用.此外,斜压强迫诱发出强烈的非地转风;对流层顶出现较深的"下陷",显示出冷空气的快速下沉及高低空系统之间存在明显的相互作用;水汽和潜热释放的作用不明显;揭示出该气旋发生发展机制不但与挪威学派的温带气旋模型有较大差别,而且与Petterssen的A、B类气旋发展、我国夏半年降水的江淮气旋和西南涡等低压系统亦不相同.     

一次引发强沙尘天气的快速发展蒙古气旋的诊断分析

利用NCEP分析资料和常规气象观测资料对造成2006年3月9-10日华北大范围强沙尘天气,产生大风的蒙古气旋快速发展过程进行了分析。结果表明：气旋发展前期,高层反气旋性流场对波能量发展有正的贡献,有利于气旋的爆发性发展。在气旋发展过程中,温度平流和涡度平流均为气旋发展的主要因子,但涡度平流在气旋发展初期相对温度平流较弱。斜压作用出现在低层,并随着气旋后部的锋消作用以及前部的锋生而显著增强,这对于有效位能的释放、动能的产生以及气旋的发展有重要作用,同时,斜压强迫能够诱发出强烈的非地转风。此外,位涡分析表明,气旋的发展与冷空气活动的关系比较密切,并且存在明显的高低空系统之间的相互作用,而水汽和潜热释放产生的作用不明显。同时揭示出该气旋发生发展机制不但与挪威学派的温带气旋模型有较大差别,而且与Petterssen总结的A、B类气旋、引起我国夏半年降水的江淮气旋和西南涡等低压系统亦不相同。     

一次入海气旋快速发展的动力和热力学特征分析

利用扩展Zwack-Okossi方程(扩展Z-O方程)对2007年3月3-5日黄、渤海海上快速发展的温带气旋进行了诊断分析。结果表明,潜热释放和暖平流在气旋发展初期起主要作用,潜热释放是气旋接近爆发性发展的最主要强迫项,这与以往研究的主要受涡度平流强迫的中国沿海温带气旋不同,说明在中国近海快速发展的一部分温带气旋主要是由潜热释放项强迫的。绝对涡度平流在气旋发展后期才成为主要强迫项。进一步利用MM5模式模拟了潜热释放的作用以及其他一些影响气旋发展的因素,海表面热通量、水汽通量以及气旋路径上的地形对这次气旋的发展有积极贡献,但作用相对潜热释放较小。由于这种在中国近海接近爆发性发展的温带气旋容易造成风暴潮,因此利用动能方程对气旋发展中期的渤海大风进行了诊断分析。结果表明,动能水平平流是动能增加的主要作用项,但动能达到最大值后渤海海域的动能主要由有效位能转换和动量下传提供。     

温带气旋

气旋是产生大范围降水、大风等天气现象的主要系统,它的水平尺度是二、三百公里至二、三千公里,属中间尺度系统。 一、气旋的分类 在北半球的不同地区,围绕中心作逆时针旋转的低压系统,按热力性质不同,一般把它分为三类。即温带气旋、副热带气旋和热带气旋。温带气旋主要出现在副热带高压北边的中、高纬地区。它发生在极地空气和热带空气交汇之处,斜压性强,气旋中心比四周冷。这种     

两次夏季江淮气旋的动能平衡过程及其与大尺度环流的关系

本文用准拉格朗日方法计算了两例夏季江淮气旋各个阶段的动能收支及旋转风、辐散风对动能制造项的贡献，并讨论了它们与大尺度环流的关系。主要结论有:（1）气旋区域动能平衡的特点随大尺度环流改变；（2）动能的水平输送取决于气旋和高空急流中心的相对位置；（3）稳定少动的高空急流入（出）口区有较强的旋转风动能制造（消耗），与水平输送项反号，移动快的急流附近，此项数值较小；（4）发展的气旋波，高层和低层有较强的辐散风动能制造；（5）夏季江淮气旋波转化为温带气旋时，高层表现为动能输入，高空急流转为气旋式弯曲。     

东海地区温带气旋爆发性发展的动力学分析

本文对东海地区两个气旋波的爆发性发展过程进行了动力学分析。结果表明:明显的对流层中下部增温、增温以及不稳定的大气层结和强高空西风急流,及其有关的次级环流的作用是气旋爆发性发展的重要条件。在气旋爆发性发展过程中,上升运动、正涡度以及高空辐散和低空辐合的散度场皆达到最强。加热场的计算也表明非绝热加热特别是凝结潜热释放也在气旋爆发时刻达到最强,最大加热区位于气旋的东北象限内。这时涡动动能的增加十分显著,它主要是由涡动有效位能向涡动动能的转换造成,这说明气旋的爆发性发展是与斜压发展密切有关。     

台风变性加强过程的数值模拟和试验分析

1997年登陆的Winnie台风经历了变性重新加强的过程,利用中尺度数值模式MM5对该过程进行了数值模拟和分析.等熵位涡分析显示重新加强过程经历了2个阶段:(1)高层扰动加强期,北上的变性气旋在其高层维持了小的位涡区,使上游东移的位涡槽加强;(2)气旋斜压发展期,低层气旋上的斜压带与高层加强的扰动耦合,气旋获得斜压发展.该过程伴随着高层风速的加强并发展为急流,这是动力平衡和低层斜压动能输送的结果.高层扰动和急流演变过程说明了变性气旋自身对其发展的重要性.通过热带气旋分离的方法,利用数值试验对变性气旋以及与气旋相关的物理因子的作用进行分析.结果显示,低层变性的气旋Winnie首先通过潜热过程加强了高层的扰动,然后在其北移过程中和高层的扰动位相锁定而得到斜压发展,演变过程说明了登陆台风自身的重要性.在这个过程中,初始气旋的涡旋环流足最主要的,其次是水汽,而斜压性影响最少.斜压性影响最少是由于在气旋环流和高湿度的环境下,斜压带得到重建,使气旋仍然可以和高层的扰动相互作用而得到斜压发展.所以,斜压性仍是变性气旋再度发展的直接原因.综观台风Winnie的变性以及重新加强过程,气旋中斜压性的产生以及维持都和与降水相关的潜热过程密切相关.     

西北太平洋热带气旋变性阶段强度变化的比较研究

选取西北太平洋上两个生命史中发生变性的热带气旋Yagi和Francisco,前者变性后有一个24小时的再增强过程,而后者则继续减弱直至消亡。利用日本气象厅提供的热带气旋资料和美国环境预报中心(NCEP)提供的FNL全球分析资料,对比分析两个TC在变性阶段的形势场,发现两者在高低层的环境场均具有明显的差异:Yagi在变性阶段其高空槽较强且在低层有一个与中纬度原先存在的温带气旋合并的过程;而Francisco在变性阶段其高空槽较弱,且变性后自行消亡。另外探讨了导致Yagi变性增强的原因,结果表明:(1)Yagi变性阶段与高空槽前的急流相互作用时,高空急流入口区左侧和出口区右侧的次级环流将产生高空辐散低空辐合的趋势,有利于低层TC低压的发展。同时,当Yagi在穿越急流的过程当中,垂直风切变的增加将导致斜压不稳定增强,低层锋区强烈发展,锋区内的斜压能量可能向TC动能转化,从而使得Yagi发展增强;(2)高空槽所对应的高层湿位涡下传可使得低层正涡度增长,从而在低层诱生出气旋性环流,有利于Yagi变性后重新发展;(3)Yagi与中纬度原先存在的温带气旋发生合并,温带气旋所带来的较高纬度冷空气的入侵增强了低层的水平温度梯度,使得低层锋区强烈发展,从Yagi以一个锋面气旋的形式而再度发展,促使其变性后进一步增强。而这些特征都是Francisco所不具备的。     

2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋成因分析

利用常规和加密气象观测、NCEP再分析、云图等资料,对2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋造成的极端天气的物理机制进行分析。结果表明：春季进入到渤海、黄海北部的气旋平均每月2.4个;气旋一般先进入黄海,进入黄海和经渤海进入黄海的温带气旋总计有84.5%进入黄海北部,且春季进入黄渤海的气旋73%会给大连地区带来大风或降水天气,影响大连东部沿海的几率远高于其他地区;产生较强灾害性天气的爆发性气旋多发生在春季,路径基本都是由西南向东北方向移动。爆发性气旋主要是因为温带气旋经过黄渤海后短时间快速降压,到大连陆地发生爆发性发展,这种温带气旋的发展一般从低层开始,具有较强的锋区和斜压性,爆发阶段位于正涡度平流最大的高空急流出口区,对应低空位于低空急流左前方辐合区。较强的冷、暖温度平流是造成极端降水和大风天气的主要因素,暴雨的形成主要是温带气旋带来的暖湿气流持续输送,并伴有较强上升运动促使的水汽垂直输送,整层水汽充沛;当低空急流发展和冷、暖空气交绥时,出现了在高湿、高温的湿斜压锋区上的强降水;而北路强冷空气与黄、渤海上爆发性发展的温带气旋形成极强气压梯度,是出现极端大风的主要原因。     

登陆台风的能量学分析

本文对一个登陆我国的台风以及它与西风带相互作用的过程进行了能量学分析。计算了动能平衡和有效位能。结果表明:(1)台风在登陆后的减弱过程中,与环境大气的动能交换较小,可以把这个台风看作是一个动能的“准封闭系统”。(2)在登陆台风减弱过程的不同阶段,热力和动力作用很不相同。刚登陆时,伴随着大暴雨,积云对流群是台风的重要动能源。对流层上部穿越等压线的运动是台风减弱的重要原因。其中以正压过程为主。台风与西风带系统相互作用后的动能平衡与温带气旋类似。斜压过程的动能产生率增加,摩擦在台风衰减过程中起重要作用。(3)在台风附近有大量的有效位能释放。通过台风系统的边界有大量位能注入环境大气。而在台风倒槽里新生的气旋,则从环境大气中得到位能。这种过程可能是台风与周围环境相互作用的一种主要方式。     

Chaba (0417) 台风变性前后热力结构特征

运用美国NOAA-15极轨气象卫星高分辨率的AMSU探测资料, 结合NCEP/NCAR再分析资料和GMS-5气象卫星红外云顶亮温(TBB)资料, 对2004年Chaba(0417)台风(TC)变性前后的热力结构特征进行分析。发现变性前TC暖核结构呈对称分布, 在高空存在一强暖心; 变性后原TC对称暖心结构消失, 存在于温带气旋上空的相对暖区呈现出倾斜的非对称分布, 在高、低层各形成一弱的暖区中心, 锋面的斜压特性显著。通过热力结构对比, 进一步揭示出TC在向高纬度方向移动时, 与中纬度系统相互作用发生变性, 实质上是两个相继过程, 即热带气旋的消亡和温带气旋的生成发展。TC西侧高空干冷空气的入侵下沉, 破坏了其发展所需的水汽条件, 造成TC对称暖核结构的削弱和损毁。与此同时, 在TC残留区域, 由于空气较暖且存在气旋式环流, 暖空气在东侧呈气旋式上升, 与西侧高空入侵下沉的干冷空气形成偶极, TC暖气团与冷空气相交发展形成斜压的结果, 则为温带气旋的生成和发展创造了有利条件。     

爆发性与非爆发性海洋温带气旋

本文选取分别代表爆发性发展(1983年3月)和非爆发性发展(1982年3月)的两个海洋温带气旋个例,对它们进行了比较研究。结果表明,无论是在基本要素场,还是诊断出的物理量场,两者都表现出明显的差异。其中,涡度、位势涡度、扰动动能和总动能之间的差别更大。在爆发阶段,前3项的增加量爆发性气旋是非爆发性气旋的2—4倍,而总动能的增大值两者悬殊更大,比值为13.6:1。     

西北太平洋地区一次爆发性气旋的诊断分析

采用NCEP 2.5°×2.5°每6 h再分析格点资料,对1979年1月9—12日西北太平洋地区一次爆发性气旋进行了诊断分析,重点讨论了气旋爆发的天气学特征和动力因子。结果表明：爆发性气旋的发展具有明显的非地转特性,高低空急流的耦合作用、涡度平流和凝结潜热的释放是气旋爆发性发展的主要强迫因子;爆发性气旋处于高空急流之下的对流层锋区,大气的斜压性很强,斜压能量是气旋初期生成和发展动能的主要来源。     

夏季江淮气旋结构的比较分析

通过考察两个个例的经向、纬向剖面,对夏季江淮气旋的结构做了比较分析。结果表明:(1)这两个气旋波皆位于低层锋区向北弯曲处,随锋区向北倾斜。但东西方向上倾斜不明显。(2)两个个例在南北方向的结构,分别表现为较明显的温带特征(斜压结构)和热带特征(相当正压结构),后者较有利于气旋发展。(3)这些气旋波的结构与湿大气中的对称不稳定扰动类似,其活动可能与静止锋附近的条件性对称稳定度有关。     

春夏季节黄河气旋经渤海发展时影响因子对比研究

利用2008—2012年台站资料、NCEP(National Centers for Environ mental Prediction) FNL(Final Operational Global Analysis)1°×1°再分析资料,将近5年经过渤海持续发展的黄河气旋分为夏季型和春季型,采用动态合成法对两类气旋的结构和黄渤海海域的热力、动力、水汽等影响因子进行对比分析。结果表明：经过渤海时,夏季型气旋主要伴随大范围的强降水,而春季型气旋主要形成强风区。春夏季黄河气旋均为冷暖交汇的斜压性结构,但夏季型有偏暖中心,斜压性弱于春季型。春季高空急流位于气旋南部,其左侧正涡度区维持气旋的深厚,且气旋后部高空动量下传与锋面二级环流及平坦海面配合有利于气旋低层大风迅速增强。夏季高空急流位于气旋北部,高空强辐散区和低层辐合区配置加强了气旋中的上升运动,有利于气旋强降水和凝结潜热释放。气旋发展阶段,扰动位能向动能的转化,支持气旋动能的维持与加强。湿位涡计算显示,夏季气旋中有深厚的干空气下沉,干湿梯度强,尺度大,有利于气旋的强降水,春季气旋中干湿梯度小,分布零散,对应降水强度和范围均小。黄渤海为气旋主要水汽输送通道,夏季海温相对春季高,水汽充沛,春季水汽辐合量仅为夏季三分之一。海洋下垫面作用对春季气旋影响大,在夏季作用不明显。夏季海面潜热加热影响为主,春季感热加热影响明显。     

北半球温带气旋的变化

许多学者对近半个世纪以来温带气旋的频数、强度和路径的年际、年代际变化等特征进行了研究,并探讨了温带气旋变化与大气环流的关系,试图揭示气候变暖背景下温带气旋变化的可能原因。较为一致的研究结论是：在全球变暖背景下,北半球气旋活动的变化显示出在中纬度明显减少,而在高纬度增加的趋势,意味着气旋的路径已经明显地北移。研究还表明,气旋活动的变化与对流层斜压性、急流以及北大西洋涛动、海温梯度等因素有关。     

ERA40再分析资料揭示的北半球和东亚地区温带气旋生成频率变化

本文利用欧洲中心再分析数据ERA40的6小时间隔海平面气压场和一种改进的客观判定和追踪方法研究19582001年北半球和东亚地区温带气旋生成频率的气候态、年代际变化及可能原因。结果表明:(1)北半球温带气旋的源地主要位于北美东部(落基山下游地区)、西北大西洋地区、格陵兰至欧洲北部地区、蒙古地区和日本至西北太平洋地区。大洋的西岸和陡峭地形的背风坡有利于大气斜压性的增强和正涡度的发展,从而有利于地面气旋的形成。(2)年、冬季和春季30°～60°N气旋生成数目呈现减少的变化趋势,60°～90°N地区的气旋生成数呈增加的变化趋势。这在一定程度上支持了北半球风暴路径北移的观点。60°N以南和以北的温带气旋数目同北极涛动指数(AO)分别呈现负相关和正相关,这种相关性在年、春季和秋季最为显著。(3)1 958—2001年东亚地区的年气旋数目呈现明显的年代际变化。20世纪60年代至80年代中期40°～60°N、80°～140°E地区气旋数目呈增加趋势,而80年代中期之后温带气旋数目则锐减,主要原因是80年代以后该地区大气斜压性减弱,更高纬度地区的大气斜压性增强,从而导致了气旋源地的北移。在较低纬带的20°～40°N、110°～160°E地区气旋数目线性增加,这主要是由于位于40°～55°N的北太平洋风暴轴有向低纬度偏移的变化趋势造成的。     

亚洲季风变动与大气正压/斜压运动动能变化的气候特征

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ４０年（１９５８～１９９７年）月平均再分析资料,通过动力学论断研究了大气斜压／正压运动动能的变化及其相互转换,分析了亚洲季风变动与这两种动能变化的联系。指出：季风区大气运动动能的组成和变化具有独特的特征。冬季风时期大气斜压运动动能与正压运动动能具有正相关线性关系,斜压运动能向正压运动动能转换;春、秋季无论是东亚还是印度季风区斜压运动动能与正压运动动能之间转换都处于极小值,只是     

粤东台风“浣熊”大暴雨的辐散风动能分析

利用热带气旋和雨量观测资料、NCEP再分析资料和辐散风动能方程,对台风"浣熊"在粤东造成大暴雨到特大暴雨的大尺度环流及动能转换特征进行了分析。结果表明,此次强降水过程主要是台风残涡与周围环境相互作用的结果。来自西太平洋的低层强偏东南急流和与热带气旋相连的西南急流,维持强水汽输送且输送至粤东地区;辐散风动能的变化对本次过程有较好的指示意义;低空两支急流的分布及辐合变化造成的动能通量辐合效应,是暴雨区辐散风动能的主要能量来源。此外,两支急流中心分别存在暖空气上升和冷空气下沉运动,斜压有效位能释放转化为辐散风动能。在上述两种过程中,冷空气均起到了重要作用。在低层近似辐合条件下,大气层结条件的不同是造成粤东和登陆点附近降水强度差异的重要原因。     

北半球温带气旋的模拟和预估研究Ⅱ:6个CMIP5耦合模式预估的未来RCP4.5情景下的变化

利用 CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）的6个气候耦合模式中等排放情景———RCP4?5（典型浓度路径4?5）下的模拟结果对北半球温带气旋数目、风暴路径和强度的未来变化进行了研究分析。结果表明：（1）相对于20世纪后半叶,RCP4?5情景下的2053—2100年,虽然各模式的模拟结果存在一定的区域性差异,但共同显示了至21世纪末北半球整体温带气旋生成将减少,较低纬度减少得更显著。（2）模式较一致地模拟出未来北半球温带气旋的中心气压有降低的趋势,涡度强度将线性减弱。大多数的模式模拟得到北大西洋风暴轴未来将继续向极地偏移,但强度主要将减弱;过半的模式显示北太平洋风暴轴也将向极地偏移,强度变化则随季节的不同而不同。（3）6个模式的模拟结果均显示对流层中高层斜压区未来将向高层和高纬度扩展,南半球的变化更为显著。斜压区的变化在某种程度上反映了风暴轴的类似变化,因此, 这也支持了北太平洋和北大西洋风暴路径未来可能向极地偏移的结论。RCP4?5情景下北半球整体温带气旋活动将显著减少,但斜压区和风暴轴向高纬度的偏移将使较低纬度未来温带气旋活动减少得更为显著。