季风涡旋对热带气旋生成影响的理想试验研究

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF_ARW（3.3.1版本）模拟季风涡旋中热带气旋生成的过程,从动力和热力作用两方面分析大尺度季风涡旋对热带气旋生成的影响。结果表明:从动力学角度来看,能提供较大环境场涡度的季风涡旋不利于扰动涡旋快速发展成热带气旋。初始阶段,由于季风涡旋尺度大,垂直涡度径向梯度弱。而垂直涡度径向梯度的强弱可以通过“涡度隔离”效应影响对流单体向涡旋中心的聚集合并过程。随着扰动的组织化,径向入流对涡度的平流作用越来越重要。对流单体相对最大风速半径的位置对热带气旋生成作用明显,当其集中在最大风速半径附近时涡旋容易快速发展。此外,环境场相对涡度与热带气旋的尺度存在显著正相关。初始尺度大的涡旋最终具有较大的外围尺度,其涡度的分布范围也更广。从热力学角度来说,较大的环境场相对湿度有利于热带气旋的生成。虽然较大的环境场湿度能够诱发较强的外围对流,但同时也会使最大风速半径以内存在丰富的对流,后者能够提供充分的内区非绝热加热,降低中心气压,促进涡旋发展。      

中尺度对流系统的动热力特征及其演变对风垂直切变的响应

为探究环境风切变在对流系统发生发展与维持过程中的重要性,利用2009年6月5日20时（北京时）上海宝山站的探空资料生成理想试验初始场,设计了包含改变整层、中层和低层风切变在内的多组试验,对比分析各试验系统的动热力结构特征及其演变发现:(1)整层环境风切变的改变对中尺度对流系统的影响最显著,其次是中层风切变。增大整层风切变时,对流系统强度及组织性最强,生命史增长。减小整层风切变时,系统强度最弱且组织结构易发散。(2)风切变增加,水平涡度增大,其受垂直运动影响转化为垂直涡度,涡旋对与垂直运动间相互作用形成的正反馈过程是系统强度增强并可以长时间维持线状结构的重要原因。(3)风切变减小,对流系统移动速度远小于阵风锋,阵风锋移至系统前方,阻断系统前沿上升气流必需的暖输送。阵风锋后冷而稳定的环境令系统逐渐消散。      

飑线结构和强度对低层湿度和环境垂直风切变的敏感性研究

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。     

飑线组织化过程对环境垂直风切变和水汽的响应

利用ARPS模式对飑线发生发展过程进行二维理想数值试验,讨论了低层环境垂直风切变和水汽条件变化时,飑线内部物理因子配置变化及其与系统强度演变的联系。研究表明,飑线发展过程中出现的动量、热量和水汽的再分配过程,造成系统内垂直环流结构和扰动温湿场分布发生变化,从而影响系统内部深对流的组织化过程和飑线强度的发展。基于低层环境垂直风切变和水汽两个要素的敏感性试验研究表明,低层环境垂直风切变增大（减小）时,飑线移速减慢（加快）,冷池前沿激发的新对流与中高层的垂直运动相互贯通（分离）,飑线系统强度随之增强（减弱）。此外,当低层水汽增加（减少）时,会导致输送到中层的水汽增加（减少）,中层凝结潜热释放增多（减少）,该层垂直运动增强（减弱）;同时,飑线系统区域环境释放的对流有效位能（CAPE）增大（减小）,新生对流的强度增强（减弱）。低层水汽条件通过水汽输送和能量释放,改变冷池前沿新对流与中高层垂直环流的组织化结构,从而影响飑线强度。     

强垂直风切变环境下对流单体对飓风强度的影响

利用高分辨率模式输出资料,诊断分析强垂直风切变环境下飓风Bonnie(1998)中风暴相对螺旋度的分布特征,再现了Molinari等(2008)利用下投式探空仪获得的该飓风内部风暴相对螺旋度的离散观测结果。通过对比不同垂直风切变环境下,不同区域风暴的相对螺旋度、对流有效位能及风速的水平分布,揭示出与高值风暴相对螺旋度相联系的强对流单体的分布与环境垂直风切变的密切联系。基于风暴相对螺旋度和对流有效位能的配置分析,研究强环境垂直风切变时段,眼壁附近的深厚涡旋对流以及螺旋雨带中的小型对流单体的三维结构和演变特征。分析表明,环境垂直风切变较强时,在眼壁附近的顺切变区存在典型的深厚涡旋对流系统,这类深厚涡旋系统能够激发二级垂直环流,有利于旋转上升运动的维持,并在近眼心区域引发补偿性的干暖下沉气流,有助于飓风暖心的维持和加强;同时,螺旋雨带中也存在以涡度为特征的小型对流单体,这些对流单体随着平流不断移入飓风中心,使得飓风中心垂直涡度增加,最终导致飓风强度的增强。      

冷涡背景下不同类型强对流天气的成因对比分析

利用常规气象观测资料、自动站资料、卫星、雷达和NCEP再分析资料,针对2015年8月22日冷涡背景下华北东北部和黄淮地区同时出现的不同类型强对流天气,对比分析引发不同天气的两种中尺度对流系统的演变过程及冷涡背景下不同强对流天气的成因。具体结论如下:(1)同一冷涡背景下,华北东北部位于冷涡中心外围西南象限和地面冷高压前沿,触发的分散性多单体风暴位于冷涡外围的涡旋云系中,引发以短时强降水为主的强对流天气;黄淮地区位于冷涡后部和地面冷锋前,槽后晴空区的多个对流单体,合并后形成人字形飑线系统引发短时强降水、冰雹和雷暴大风天气;(2)环境热力和水汽的差异为形成不同的强对流天气提供了前提条件:华北东北部受高层暖脊影响,地面高压后部的偏东气流带来水汽输送,整层暖湿的条件利于产生强降水;黄淮地区高层有补充干冷空气,利于热力不稳定条件发展,但黄淮地区低层水汽不足,风雹天气在较干环境场中不易被触发;(3)引发不同强对流天气的对流触发机制不同,两处的初始对流均受同一地面辐合线影响,但华北东北部在地形抬升与辐合线共同作用下不断新生单体;黄淮地区的初始局地热对流形成后,其前沿的辐散出流与环境风形成新的辐合,使原辐合线断裂和转向;(4)出现不同强对流天气时垂直风切变不同,黄淮风雹区的中层垂直风切变更显著,有利于形成持续性的强风暴;强对流天气发生时,华北东北部中低层风场的演变与天气尺度系统的变化有关,黄淮地区中低层风的垂直分布与中尺度对流系统的发生发展有关。     

一次华南海岸带台前飑线的结构特征与环境条件的观测研究

2007年8月8日,热带风暴“帕布”移动到华南近海,在珠江三角洲至湛江以西地区出现了一次强飑线天气过程。根据多普勒天气雷达、风廓线雷达和气象探空等观测数据,分析此次台前飑线的生成、演变过程、组织结构以及环境大气条件特征,并对热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系进行初步探讨。观测和分析结果显示:(1)此次台前飑线系统是由孤立的对流单体逐渐发展而成,陆风环流的抬升作用有可能对飑线的初始生成起到重要作用;(2)台前飑线移动路径和强度受海岸附近环境条件的影响;在海岸靠近陆地一侧的强度远比内陆和海洋上强,移动路径倾向于沿海岸线平行;(3)台前飑线在发展和成熟阶段,其水平结构具有典型的尾流层云降水特征;其冷池强度和垂直结构具有典型的热带飑线特征;(4)台前飑线发生在具有深厚水汽层、对流凝结高度较低的环境大气条件中,与热带飑线的环境大气条件类似;而对流不稳定能量和低层垂直风切变强度与中纬度飑线接近;(5)热带气旋外围大风一方面使低层风切变加强,同时为环境大气提供了高层的水汽。在下沉环流区内太阳辐射使陆地明显增温,一方面使位势不稳定能量增大,另一方面也使海陆温差增大、海风环流加强,导致低层风切变进一步加强,低层水汽输送增大。下沉逆温抑制了低层弱对流的发生,为强对流的发展积累了对流不稳定能量。      

一次模态变异中尺度对流系统的模拟与分析

利用NCEP FNL分析资料及南京多普勒雷达观测,借助WRF模式,对2017年8月19日发生在长江中下游地区的一次中尺度对流系统(MCS)进行模拟和诊断分析。此次MCS组织模态PS(Parallel Stratiform)型和TS(Trailing Stratiform)型共存,开始为带状结构,最后演变为强弓状飑线。气旋切变和低空急流是此次过程的重要影响系统,而午后强烈发展的地面锋触发了此次强对流。在垂直风切变和冷池共同作用下,西侧初始对流发展为PS型模态,东侧发展为TS型模态。由于PS型模态的中低层垂直风切变发生转向,导致其消散。TS型模态附近冷池和垂直风切变相配合,且在后向入流(Rear Inflow Jets,RIJ)作用下发展成为强弓状飑线;RIJ受中低层涡旋对影响而发展增强,其中气旋式涡旋主要由涡度方程中拉伸项决定,而反气旋式涡旋则主要由倾侧项决定。      

我国南方MCC的涡度、水汽和热量收支平衡

采用合成分析方法 ,将我国南方中尺度对流复合体的生命史划分为 7个子阶段 ,详细探讨MCC演变过程中的涡度、水汽和热量收支平衡演变特征 ,着重分析了中小尺度系统在MCC过程中的作用。结果表明 :( 1)在MCC过程中 ,中γ尺度和中 β尺度系统活动是引起涡度不平衡的重要原因。( 2 )在MCC初始阶段有中小尺度对流系统消耗MCC的水汽、热量而积极活动 ,造成MCC的视热汇、视水汽汇。成熟阶段的源区域表明有中小尺度系统的活动造成MCC的视热源、视水汽源 ,这是MCC具有长生命史的原因。MCC后期 ,中小尺度对流系统活动造成的视水汽汇和视热汇 ,与有利的大尺度天气条件的逐渐消亡 ,使MCC渐渐消失。 ( 3 )MCC的形成和启动受大尺度环境场的控制 ;一旦MCC开始活动 ,对流层低层、中层的中尺度对流系统活动对MCC的发展与持续过程有十分重要的作用 ;在MCC前期 ,中小尺度对流活动消耗MCC的总能量而启动 ;在成熟阶段中小尺度对流活动释放总能量造成了MCC的长生命史 ;MCC后期 ,大形势发生改变 (如位势不稳定度的变化等 ) ,积云对流活动和(或 )中尺度对流活动的作用与大尺度形势趋势一致 ,致使MCC消亡。 ( 4 )在MCC前期 ,潜热释放是主要加热因子 ;而后对流垂直输送水汽和热量的作用比对流凝结加热的作用大。     

海口美兰机场夏季一次夜间雷暴的分析

利用GMS-5红外逐时Tbb资料和客观分析资料,分析2000年夏季海口美兰机场一次特大雷暴天气产生的云图特征和相应大尺度环境场特征.认为该强对流天气是由中-α尺度对流系统造成的,该中-α尺度对流系统产生于热带低压外围合适的大尺度环境场背景中,在有利的水汽场、涡度场、垂直速度场中发展起来的.     

热带气旋强度与结构研究新进展

主要回顾热带气旋(TC)强度与结构变化的研究发展近况。以往热带气旋的理论研究认为在给定的大气和海洋热状况下,存在着一个TC所能达到的最大可能强度(MPI)。但实际上,海洋生成的热带气旋达到的最大强度普遍要比由MPI理论计算得到最大强度要低。近几年的研究表明,存在着内部和外部的不利因子通过对TC结构的改变来阻碍其加强,从而限制TC的强度。以往认为在诸多因子中,垂直风切变产生的内核区非对称结构与眼墙区下方海水上涌造成的海面冷却是制约TC达到MPI的主要因子。最新的研究进一步指出,产生TC非对称性的中尺度过程对其强度与结构的变化至关重要。中尺度过程包含有对流耦合的涡旋Rossby波、内外圈螺旋雨带、嵌于TC环流内的中尺度涡旋。外部的环境气流也是通过这些眼墙的中尺度过程影响到TC的强度与结构变化。     

广东前汛期锋面强降水和后汛期季风强降水特征对比分析

应用近二十年的历史观测资料和EC再分析资料,对由锋面和季风槽两种不同天气系统影响下广东发生的两组暴雨过程的天气形势、降水/短时强降水落区及其对流活动和物理量特征进行了诊断分析和对比分析。结果表明:无论是前汛期锋面降水还是后汛期季风降水,珠三角（珠江三角洲）地区都是次中心,有大到暴雨量级降水。珠三角地区也是小时雨量≥50 mm的短时强降水高发区。前汛期锋面对流活动的抬升凝结高度约在900~850 hPa,南北方向的温度梯度提供了斜压不稳定能量,0~3 km强的风垂直切变使对流易于维持和发展;对流区有较强的水汽通量辐合;风暴相对螺旋度较大,对流的旋转性和沿着旋转方向的移动特征明显。相对而言,后汛期季风强降水对流凝结高度更低,对流活动具有正压的热带对流性质,可在弱的水汽通量辐合和垂直风切变环境中维持,但对流强度不如前汛期。以上结论可为同类天气的短期和短临主客观预报提供预报思路和依据。      

北京721特大暴雨极端性分析及思考（一）观测分析及思考

本文利用多种常规和非常规观测资料对北京2012年7月21日大暴雨过程的降水特点,引发特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件及其发生发展过程进行了全面的分析。观测分析发现：这次特大暴雨是一次极端性降水过程,具有持续时间长、雨量大、范围广的特点。降水过程由暖区降水和锋面降水组成。暖区降水开始时间早,强降水中心较为分散,持续时间长。锋面降水阶段,多个强降水中心相连,形成雨带,雨强大,降水效率高,持续时间较短。引发此次特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件分析发现：极端降水过程发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等高低空系统耦合的背景下。来源于热带和副热带的暖湿空气在暴雨区辐合,持续输送充沛的水汽,具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等极端水汽条件。在充沛的水汽条件下,低涡切变、低空急流上的风速脉动、地面辐合线、地形作用等触发了强降水。随着锋面系统东移,在冷空气和适度的垂直风切变作用下对流系统组织化发展,产生较强的锋面降水。中尺度对流系统发生发展过程分析发现：降水过程首先以层状云降水和分散的对流性降水为主。随着干冷空气的侵入逐渐转化为高度组织化的对流性降水,多个中小尺度对流云团组织化发展并形成MCC,产生极端强降水。由于回波长轴方向、地形以及回波移动方向三者平行,此次过程的雷达回波具有明显的“列车效应”;并具有明显的后向传播特征和低质心的热带降水回波特点。通过此次罕见暴雨事件观测资料的综合分析,提出了需要进一步研究的问题：此次特大暴雨过程极端性降水特点及极端水汽条件的成因;北方地区暖区暴雨的形成机制;列车效应和后向传播的形成机制;对流单体的组织维持机制以及数值预报对暖区降水的模拟诊断能力等。     

福建一次大暴雨过程的多尺度分析

利用常规气象资料、自动气象站降水资料和NCEP再分析1°×1°等资料,对福建2017年6月初一次强降水过程进行多尺度分析。结果表明:(1)冷空气与暖湿气流相互作用形成持续性暴雨,中尺度系统的活动导致短时暴雨。(2)较大的风暴相对螺旋度,低层的正涡度和中低层的上升运动有利于中尺度对流系统(MCS)的发展和维持;强烈的热力不稳定和较强的垂直风切变是中尺度对流发展的环境特征。(3)强的整层水汽通量和水汽辐合为暴雨区提供水汽来源和水汽条件。(4)锋生的大小和位置对降水的强度和落区有很好的指示作用;低层以水平锋生为主,中层以垂直锋生为主,有利于成片暴雨的发生。(5)中尺度系统对天气尺度的水汽辐合和边界层对流不稳定条件有增幅作用;上下两支次级环流的上升支叠加,有利于低层不稳定能量的释放,促进中尺度系统的发展。     

Buoyancy of convective-scale updrafts in the outer cores of sheared tropical cyclones

通常认为局地浮力与对流活动息息相关。本文统计分析了不同强度垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动的浮力特征。研究发现,弱至中等强度的垂直风切变环境下,顺切变象限的浮力大于逆切变象限的浮力,顺切变象限的总浮力随风切变的增大而减小。而在极端强度的风切变影响下,大部分总浮力为负值。热力浮力、动力浮力与上升运动垂直质量输送没有明显相关性,因此总浮力和垂直质量输送也无显著相关性。上述结果加深了我们对热带气旋外核区对流发生发展过程的物理认识。     

一次梅雨锋特大暴雨过程的数值模拟研究：不同尺度天气系统的影响作用

2003年7月4~5日在江淮地区沿梅雨锋有一系列中尺度对流系统相继生成和强烈发展,导致了江淮地区特大暴雨的形成。该研究利用中尺度数值模式MM5对这次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果的基础上重点分析了不同尺度天气系统相互作用对这次特大暴雨过程的影响作用。在这次特大暴雨过程中,位于梅雨锋北侧的东北—西南走向深厚、稳定的短波槽系统与槽前从西南移来的低涡系统相配合,加强了位于梅雨锋北侧的反气旋性扰动发展,从而导致梅雨锋北侧反气旋性涡旋的形成。该类反气旋性涡旋形成对江淮切变线的加强与维持起重要作用。中尺度对流系统的潜热释放首先导致梅雨锋低层切变线上的中尺度对流性涡旋(MCV)的形成,而中尺度对流性涡旋的形成进一步加强了切变线上的低层辐合,中尺度对流性涡旋消亡后,在切变线上形成低涡。梅雨锋附近主要存在4种不同垂直环流,它在降水的不同阶段具有不同的结构、配置与动力学作用。其中跨锋面、高层非地转两支垂直环流对锋区的对流扰动发展和暴雨形成最为重要,而降水发展可以调整锋区垂直环流的结构、配置,随降水的减弱,梅雨锋区的不同垂直环流系统又重新恢复到先前结构。梅雨锋上不同尺度、高度的天气系统之间的相互作用主要通过这些垂直环流系统调整实现。     

与海南岛秋季暴雨有关的一类热带中尺度涡旋的动力学分析

对惯性重力内波方程组分别通过线性和非线性求解探讨造成2010年10月海南岛一次特大暴雨中一类热带中尺度涡旋生成发展的动力、热力机制,研究发现:（1）在副热带高压和大陆冷高压南侧反气旋性纬向水平风切变大值区、静力不稳定大气层结、积云对流潜热释放、低空急流、适当强度的冷空气有利于热带中尺度涡旋的形成和发展;（2）非线性惯性重力内波的孤立波解与这类热带中尺度涡旋有很好的联系,在静力不稳定的大气层结下,热带中尺度涡旋的形态主要由对流凝结潜热加热所决定,即潜热加热下的孤立波解要求热带中尺度涡旋在垂直方向是一个浅薄的涡旋系统;另外强盛的对流凝结潜热对热带中尺度涡旋垂直运动振幅的增强起主要作用,更有利于涡旋的发展和维持。基于天气事实分析的理论研究为深化影响海南的热带中尺度涡旋乃至南海中尺度对流系统的机理认识进行了探索。      

河西走廊一次突发性暴雨天气的诊断分析

对2006年7月14日发生在甘肃省永昌县南部山区的局地强暴雨从天气学、物理量场、水汽条件、降水强度、卫星和雷达特征等方面进行了综合分析,发现500 hPa气旋式风切变是局地强降水形成的主要形势诱发因子,风的垂直切变为上升运动的维持提供了有利条件,有利于对流的产生和发展;由涡旋云系外部气流引发的对流单体,造成了这次局地强对流降水。同时发现高能区和S i场的分析对强对流天气的预测有良好的指示作用。     

大气季节内振荡对夏季西北太平洋热带气旋群发性的影响

利用中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径资料、 向外射出长波辐射 (OLR) 和NCEP/NCAR再分析风场资料, 研究了1991年夏季西北太平洋热带气旋的群发性特征及其与大气季节内振荡的关系。结果表明, 1991年6～9月西北太平洋地区的对流活动存在20～60天的准周期振荡, 该区域的热带气旋活动也具有这种频率的季节内变化, 即热带气旋的活动具有明显的群发性和周期性。进一步分析表明, 热带气旋易集中出现在大气季节内振荡的湿位相, 这是因为湿位相期间大气低层维持的较大尺度的低频气旋性环流为天气尺度的热带气旋的生成提供了有利的背景环流场。低频气旋中心东南侧的不稳定低空西风急流容易激发出一些小扰动, 低空的低频正涡度异常又有利于这些初始小扰动的增长, 同时, 热带气旋发生势 (genesis potential) 表现为正距平, 说明热带气旋发生发展的垂直风切变条件容易满足, 因而导致热带气旋的相继群发。     

一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究

2006年7月3日傍晚到4日凌晨,苏北到黄海的一个中尺度对流复合体(MCC)产生了系列龙卷、直线型对流大风和强降水,利用常规高空地面观测、区域自动气象站、卫星云图以及多普勒天气雷达资料,详细分析此次中尺度对流复合体的结构和产生的天气背景。主要结论如下:(1)该中尺度对流复合体高层为对应分离背景场的强辐散,中层在副热带高压西北侧和500 hPa东移的短波槽前,地面位于锋面气旋暖区内;该中尺度对流复合体发生在中等到强的对流有效位能、强的深层(0—6 km)和低层(0—1 km)风垂直切变环境下;(2)该中尺度对流复合体主要垂直环流特征为:近地层东南气流和其上的中低层西南暖湿气流从对流复合体南部流入到复合体中心,复合体后部对流层中低层和中层为较干冷的西北气流夹卷进入中尺度对流复合体,导致降水蒸发冷却形成强烈下沉气流,产生带有西北风动量的下沉气流,到地面形成β中尺度冷池,冷池与周边暖湿气流的交界处为β中尺度阵风锋,同时中尺度对流复合体位于对流层低层到地面部分形成深厚冷池导致的雷暴高压,阵风锋前部有β中尺度暖低压;中尺度对流复合体中高层由于水汽凝结潜热释放加热形成暖心结构,位于对流层中层的主要特征为β中尺度气旋性涡旋对应的中尺度低压,对流层高层存在β中尺度辐散反气旋环流;(3)多普勒天气雷达探测揭示该中尺度对流复合体成熟阶段主要呈现为线性结构,主要构成是一条尺度在150—200 km的活跃弓形飑线,还有数条较弱的呈气旋性弯曲的对流雨带,雨带旋入共同的涡旋中心,该涡旋中心与地面锋面气旋的中心相对应(重合),同时也是相应中尺度对流复合体的β中尺度气旋的中心,直径为40—60 km;(4)在上述活跃弓形飑线的前侧出现多个中尺度涡旋,4个EF2级龙卷和3个EF1级龙卷都发生在这些中尺度涡旋内,导致龙卷的中尺度涡旋水平尺度为4—5 km,旋转速度接近超级单体的强中气旋旋转速度,垂直伸展比超级单体中气旋浅薄,形成机制也与超级单体中气旋有明显差异;(5)该中尺度对流复合体成熟阶段的云系尺度为1000 km,其中低于220 K (-52℃)冷云盖的尺度在400 km左右,其内部结构的主要构成是一条150—200 km长的活跃弓形飑线,地面β中尺度冷池和阵风锋,沿着弓形飑线前侧出现多个尺度为4—5 km的中尺度涡旋,其中部分中尺度涡旋导致尺度只有几十至几百米的EF1和EF2级龙卷,呈现出明显的多尺度结构特征。