一次中尺度对流低涡增强阶段的能量诊断分析

本文基于CFSR每日4个时次、水平分辨率为0.5°×0.5°全球预报场资料,美国NCEP中心每日4个时次、水平分辨率为1°×1°FNL全球再分析格点资料,以及华中地区国家基准站逐小时的加密降水资料,围绕2015年6月1日华中地区的一次中尺度对流低涡(mesoscale convective vortex,MCV)天气过程,通过WRF模拟和能量诊断的方法,重点研究了低涡增强期内的能量分布特征及其对低涡发展的影响机制。研究结果表明:此次MCV初生于湖北中部地区,低涡生成后向湖北东北部大别山地区移动且不断发展加强,MCV增强阶段的降水带分布由早期的三中心分布(分别位于宜昌、荆州、随州)演变为后期的纬向型雨带分布。降水产生的凝结潜热释放、对流有效位能的增强、低层暖湿气流的输送以及中层干冷空气的侵入等有利的环境场条件对低涡的增强起到了重要的推动作用。低涡的增强对能量演变有重要影响,具体表现为一方面MCV外围辐合气流随低涡发展而增强,引起对流层低层扰动动能的增加,另一方面MCV外围降水产生的凝结潜热,导致对流层中层扰动有效位能的增加,之后通过垂直气流作用使扰动有效位能向上输送,从而使对流层高层的扰动有效位能增加。另外,此次MCV增强阶段的能量制造项依次为:扰动有效位能向扰动动能的转换,不同高度层的基本气流黏性力作用效果,纬向平均有效位能向扰动有效位能的转换,以及来自系统外部扰动动能的输入。其中,扰动有效位能向扰动动能转换是对MCV发展增强的直接贡献项,对其空间分布特征进一步分析可知,在对流层低层和顶层,扰动有效位能向扰动动能转换,使辐合辐散气流增强;而在对流层中高层,扰动动能向扰动有效位能转换,为低涡发展成熟后的继续维持储备了必要的能量。     

一次北方台风暴雨(9406)能量特征分析

从能量角度分析了9406号台风在我国北方造成大范围暴雨过程,定量讨论了台风变性过程中显热能、潜热能和动能的时空分布特征、北方暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量的变化、以及动能的补充来源.发现:(1)虽然潜热能比显热能小1个量级,但潜热能平流大于显热能平流.热带气旋在获得西风带斜压能量之前,其总能量的维持主要来自潜热能的贡献,潜热能的贡献约是显热能的两倍.(2)台风远距离降水的突然增幅是中低纬度系统相互作用的结果.来自热带气旋的显热能平流与西风带显热能平流非线性叠加,导致槽前显热能明显增加,西风带槽迅速加深,降水突然增幅.同时,暴雨区高空动能下传的突然增强对暴雨突然增幅有贡献,而该高空动能下传的增加与6小时之前台风环流区大量潜热能量释放相对应.(3)台风进入影响区之前,在整个对流层有潜热能、显热能和动能直接从台风区输入暴雨区;在台风进入影响区之后,只有低空显热能平流保持继续向暴雨区输送能量.(4)台风进入影响区之后,北方暴雨区动能的补充主要来自对流层上层动能的下传、斜压不稳定能量向动能的转化和北方暴雨区西边界动能的输入.5个类似台风的合成分析支持了以上主要结论.得出的暴雨增幅模型可对预报台风远距离降水有指示作用.     

一次西南低涡降水雷达回波结构和演变特征分析

基于新一代天气雷达三维组网等多源气象数据分析了2009年7月30～31日的一次西南低涡触发的强降水天气过程以及主要降水时段雷达回波三维结构及演变特征,研究发现:(1)西南低涡降水与低涡强度发展存在不一致性,强降水出现在低涡强度达到最强之前;(2)中尺度对流系统的发生、发展是此次低涡降水的重要影响因素,西南低涡与中尺度对流系统既相互独立又相互影响,降水是两者共同作用的结果;(3)最强组合反射率因子同样出现在西南低涡发展到最强盛之前,西南低涡能显著影响盆地内降水雷达回波的强度与类型。      

2014年7月14日高原低涡降水过程观测分析

利用第三次青藏高原大气科学试验的多种雷达、雨滴谱仪以及MODIS卫星观测资料、常规气象站地面和高空观测资料,针对2014年7月14日发生在青藏高原中部那曲地区的一次降水过程,研究了降水的时空变化特征,触发不同阶段降水的天气尺度和中尺度环流系统以及相关的云降水物理特征。从降水演变特征看,这次降水过程包括3个阶段,即发生在下午的强降水阶段和夜间的两个弱降水阶段。从影响系统看,下午的降水主要由天气尺度的高原低涡发展引起,此时那曲位于低涡中心前部的中尺度辐合线上;发生在晚上的降水主要与高原低涡前部的暖湿东南气流爬越地形有关,东南气流为产生降水提供了有利的水汽、大气不稳定和浅薄的动力抬升条件。从云降水微物理特征看,高原低涡降水初期,低涡前部的上升运动深厚,对流发展明显,而后期的对流性减弱。东南气流爬坡引起的地形降水表现出层状云降水的特征,高原低涡降水的雨滴谱分布较宽（0.3~4.9 mm）,而夜间降水过程的雨滴谱分布较窄（0.3~2.1 mm）。     

全球大气能量的时空特征及变化趋势分析

大气能量学是大气科学重要的组成部分，了解大气能量的时空分布和变化特征，能够为大气科学研究，尤其是气候变化研究提供新的思路和手段。本文基于1948～2016年NCEP逐月再分析资料，从大气的总能量及其内能、位能、潜热和动能的分布、变化趋势和主模态变化等方面阐释了全球大气能量变化的整体特征。主要结论如下:（1）除高海拔地区外，总能量呈现从赤道向两极逐渐递减的分布，且全球大部分地区呈增加趋势，内能和位能的分布和变化与总能量较为接近；潜热能的极大值区和显著变化区均位于赤道及低纬地区；动能的极大值区分布在中纬度长波槽和西风急流出口区，其在南半球双西风急流区的变化最为显著。（2）总能量呈现出不连续的阶段性跳跃式增长特征；北半球的总能量多于南半球，而增速却慢于南半球，即两半球间的能量呈趋同趋势；海洋上空的总能量多于陆地，且海陆间差额有增大趋势；火山爆发事件可能对大气能量在年际尺度上的减少有重要作用。（3）大气各能量第一模态的空间特征与其各自变化趋势分布非常相似，并先后在1975年左右发生了年代际突变。就第二模态而言，大气的总能量、内能和位能从整体上反映出南北极与其它地区呈反向变化的特征；部分低纬度地区的潜热能与其它地区呈反向变化；动能主要呈现从热带太平洋向南北两极的经向波列分布；它们的时间系数均有一定的多年代际变化特征，可能与气候系统的内部变率有关。     

青藏高原土壤湿度对一例高原涡影响的数值模拟

采用NCEP-FNL再分析资料、FY-2E气象卫星的黑体亮温TBB(Temperature of Black Body)数据以及中国自动站与CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)卫星的融合降水产品,通过中尺度天气模式WRFV3.8.1对2014年8月16 17日一次高原涡过程进行了控制试验和4组针对高原土壤湿度的敏感性试验,研究了土壤湿度通过地面加热对高原涡影响的物理机制。结果表明,控制试验能较好地模拟出此次高原涡的位置、强度及降水。土壤湿度对高原涡的强度和降水有重要的作用,而对高原涡的性质和移动路径影响不显著。同时,主要考虑土壤湿度通过地表潜、感热通量的变化来影响高原涡。当土壤湿度增大时,地表潜热通量增大,中低层大气不稳定性增强,对流系统活动所需能量得到积累,使得对流降水增加,最终通过增加凝结潜热的释放来加强高原涡强度;反之高原涡强度和降水都减弱。而本文中地表感热通量的变化对高原涡的生成并没有多大影响,因此只考虑其对对流性降水的影响。当土壤湿度增大时,地面温度减小,地表感热通量减小,行星边界层高度PBLH(Planetary Boundary Layer Height)降低,边界层气团的湿静力能增大,使得对流降水增加;反之对流降水减小。     

东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系

应用地面自动站1 h雨量资料和NCEP再分析资料,以一次典型的东北冷涡过程(2005年7月8~14日)为例,根据冷涡环流特征,将冷涡过程划分为发展期、成熟期、减弱期3个阶段。发现冷涡发展阶段降水主要由其南部西风锋区湿斜压不稳定产生,属于大范围混合型降水;而其他阶段降水主要由对流不稳定产生,以局地对流性降水为主。冷涡的不同发展阶段均可对应不稳定能量区,但其分布有较大差异,对流层低层的暖湿输送及辐合是不稳定能量积累的关键。发展阶段不稳定能量区分布于离冷涡中心较远的东南部;成熟期位于接近冷涡中心东南部;减弱期位于冷涡减弱形成的低压槽中。不同发展阶段不稳定能量与对流降水有不同的对应关系,冷涡发展期对流有效位能与较大的水汽通量是影响降水落区的主要因素;成熟期对流降水基本发生在对流有效位能区和925 hPa湿区的重叠区域;减弱期对流降水不但与对流有效位能、低层相对湿度有关,而且还取决于对流层低层辐合线。     

引发强降水的一次东移高原云团的能量演变特征研究

利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料,根据时间尺度分解的局地能量诊断方法,本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时,下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团,得到了以下主要结论。本次事件中,高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前,其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响,随着云团移出高原,高原涡消亡,而高原短波槽则随时间发展加强,成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征,自西向东引发了一系列的降水,移出高原后,其对流重心显著降低,降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段）,背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量,这是此阶段扰动流动能维持的主要方式;云团移出高原过程中（第二阶段）,降水凝结潜热明显增强,由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下,扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源;云团移出高原后（第三阶段）,背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强,但是不同于第一阶段的直接影响方式,该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能,然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外,本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈）,但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。     

物理量计算及其在暴雨分析预报中的应用——湿静力能量与湿静力温度

一、湿静力能量与湿静力温度 研究表明,可以直接决定当时大气运动状态的主要能量是:显热能、潜热能、位能和动能,这四种能量之和,常称为总能量。单位质量的空气块的总能量为: 式中L为水汽凝结潜热常数,H为拔海高度。上式右端各项彼此虽是和差关系,但用观测资料进行计算仍有困难,为此,近几年来我国气象工作者引入了与总能量相应的温度——总温度来表示,其表达式为:     

1710号台风"海棠"登陆后漳州市远距离暴雨的能量特征

从能量角度分析台风和暴雨区显热能、潜热能和动能的时空分布特征,定量讨论台风强度长时间维持和暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量加强的成因以及动能的补充途径。结果表明:(1)台风中心和暴雨区上空潜热能比显热能小一个量级,但潜热能平流明显大于显热能平流,潜热能对台风中心和暴雨区总能量增量的贡献大于显热能。(2)台风远距离暴雨发生时,暴雨区低层是一个深厚的潜热能大值区,凝结潜热释放有利于暴雨发生,低层是显热能和气温低值区,冷区的存在增加了暴雨区上空斜压不稳定,对暴雨具有增幅作用。(3)区域外能量的补充是"海棠"登陆后强度长时间维持的主要原因,西南风急流是显热能和潜热能补充台风的主要途径,潜热能增量远大于显热能增量。(4)"海棠"登陆后强度长时间维持导致西南急流加强,暴雨区低层显热能平流和潜热能平流也得到加强。暴雨区西边界纬向动能平流的加强、中高层动能的下传和斜压不稳定能量的转化使低层动能得到加强。低层动能加强、能量的积累和冷区的建立为台风远距离暴雨的发生提供能量、动力条件和不稳定条件。(5)台风远距离暴雨的发生具有前兆性,暴雨区低层出现正能量平流时间提前强降水发生时间约12 h。     

MODULATION OF MADDEN-JULIAN OSCILLATION ON TIBETAN PLATEAU VORTEX

This study uses NCEP/NCAR daily reanalysis data, NOAA outgoing long-wave radiation (OLR) data, the real-time multivariate MJO (RMM) index from the Australian Bureau of Meteorology and Tibetan Plateau vortex (TPV) data from the Chengdu Institute of Plateau Meteorology to discuss modulation of the Madden-Julian Oscillation (MJO) on the Tibetan Plateau Vortex (TPV). Wavelet and composite analysis are used. Results show that the MJO plays an important role in the occurrence of the TPV that the number of TPVs generated within an active period of the MJO is three times as much as that during an inactive period. In addition, during the active period, the number of the TPVs generated in phases 1 and 2 is larger than that in phases 3 and 7. After compositing phases 1 and 7 separately, all meteorological elements in phase 1 are apparently conducive to the generation of the TPV, whereas those in phase 7 are somewhat constrained. With its eastward propagation process, the MJO convection centre spreads eastward, and the vertical circulation within the tropical atmosphere changes. Due to the interaction between the mid-latitude and low-latitude atmosphere, changes occur in the baroclinic characteristics of the atmosphere, the available potential energy and eddy available potential energy of the atmosphere, and the circulation structures of the atmosphere over the Tibetan Plateau (TP) and surrounding areas. This results in significantly different water vapour transportation and latent heat distribution. Advantageous and disadvantageous conditions therefore alternate, leading to a significant difference among the numbers of plateau vortex in different phases.     

大气热源对高原低涡不同发展阶段的影响——2013年7月个例分析

高原低涡是夏季青藏高原（简称高原）及其下游地区的主要降水系统。本文利用ERA5逐小时再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温逐小时数据和TRMM 3 h降水资料,对2013年7月19～21日活动于高原的一次低涡过程进行了诊断分析。此低涡在高原期间的活动时间长达56 h,将其分为初生、发展及移出高原前三个阶段,着重分析了高原大气热源在低涡不同阶段的关键作用和机理。结果表明：此低涡在发展过程中表现为阶段性增强的特征,位势涡度倾向方程诊断发现非绝热加热的垂直梯度是造成低涡发展增强的主要因素,即非绝热加热极值所在高度的下方和上方分别有正的和负的位涡制造,从而加强了低层的气旋和高层的反气旋。进一步分析可知大气热源在低涡发展过程中也表现出阶段性增强的特征,最大值出现在正午时段,且在低涡移出高原前阶段最强。低涡的生成与地面暖中心有关,这归因于地表感热加热的作用;而低涡的后续发展则主要依赖于凝结潜热加热,加热高度位于对流层中层,这主要是由垂直运动将低层的水汽集中到中层,产生水汽凝结所致。     

南海季风爆发期间中尺度对流云带演变特征与持续性加强的机理研究

南海季风爆发与随后爆发的东亚季风,与夏季东亚地区旱涝关系密切,而相伴的南海对流活动与季风爆发的维持和发展存在何种相互关系,是需要探究的.为此,利用热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)的雷达(Precipitation Radar,PR)、微波成像仪(TRMM ...     

半干旱雨养农田典型晴天感热、潜热的阶段差异

利用野外试验观测资料，就西北地区东部半干旱雨养农田典型晴天感热、潜热在作物不同生长时段的变化特征进行初步的探讨。结果表明：在作物不同生长阶段，我国西北地区东部半干旱雨养农田典型晴天的感热、潜热日变化特点基本相似，均表现为单峰型变化特征。从春季到夏季。感热的阶段变化表现为增加的趋势，而潜热的阶段变化与晴天前期的降水变化基本一致，呈波动趋势。在农田的地气能量交换中，植被的影响为主导因素时，主要表现为潜热交换方式，太阳辐射的影响为主导因素时主要表现为感热交换方式。农田典型晴天波恩比的阶段变化与晴天前期降水量的阶段变化有较好的反对应关系。降水的季节变化基本决定了农田水分的季节变化。     

夏季青藏高原地面热源和高原低涡生成频数的日变化

通过1981—2010年NCEP/NCAR再分析资料,分析出夏季青藏高原地面热源具有强烈的日变化,白天高原是强热源,夜间高原地面转变为弱热汇,日较差可达420 W·m~(-2),呈由西向东递减分布。其中地面感热和潜热加热的日变化均十分明显,日较差分别可达300 W·m~(-2)和200 W·m~(-2);感热加热的日变幅由西北向东南递减,而潜热加热由南向北递减。同时,利用人工识别的高原低涡数据集初步分析了夏季高原低涡生成频数的日变化,发现夜间生成的高原低涡频数略高于白天,其中00 UTC的低涡源地主要在西藏那曲和林芝(工布江达),12 UTC低涡源地主要在西藏那曲和青海玉树。     

1979—2013年ERA-Interim资料的青藏高原低涡活动特征分析

为分析青藏高原低涡活动特征,利用1979—2013年ERA-Interim再分析资料500 hPa高度场,基于气旋客观识别和追踪算法得到青藏高原及其附近地区低涡路径,同时利用客观分析方法对500 hPa温度场进行分析得到低涡的冷暖性质,从而得到一套青藏高原低涡活动的资料。对高原低涡的频次、强度、持续时间、地理位置和移出高原等特征分析结果表明,35年间青藏高原上活动的系统主要为高原低涡,年均约53个,其中,年均6.7个高原低涡移出青藏高原;高原低涡持续时间从少至多呈指数减少,强度和冷暖性质的出现频次均呈正态分布,初生的高原低涡以暖涡居多,占81%。高原低涡发生且强度较大主要在青藏高原的汛期(5—9月),高原低涡源地主要在西藏那曲地区西部和阿里地区北部,消亡地主要位于源地高频中心东侧的唐古拉山地区和青海西部当曲河流域,高原低涡的消亡可能受地形影响。近35年来高原低涡生成频次呈不显著减少趋势(－2个/(10 a));移出高原低涡数(－1.4个/(10 a))和高原低涡移出率(－2.3%/(10 a))均显著减少。      

一次冷涡背景下强对流不稳定条件的成因分析

利用常规观测资料及NCEP再分析资料,在分析环流背景、探空资料的基础上,通过选取不同的高度和温度,对比研究四种CAPE以及CAPE场与地面要素场的关系,对发生在辽宁沈阳的一次冷涡背景下的强对流天气进行不稳定条件成因分析.结果表明,水汽潜热是不稳定能量的主要组成部分,冷涡背景下低层暖湿平流、高层冷干平流有利于不稳定能量的累积,从而导致强对流天气的发生;对流温度CAPE可以反映午后发生强对流所必需的不稳定能量,对强对流天气预报具有一定指示意义.     

Impact of vegetation changes on a mesoscale convective system in West Africa

The evolution of precipitating convective systems in West Africa has been a research topic throughout the past three decades and is considered to be influenced by surface–atmosphere interactions. This study builds on the previous research by examining the sensitivity of a mesoscale convective system (MCS) to a change in the vegetation cover by using a regional atmospheric model with a high horizontal resolution. Vegetation cover values in the region between 10 and 15°N have increased by 10–30% over the last 20 years. The effect of both an increase and a decrease in vegetation cover by 10, 20 and 30% is investigated. The MCS case selected occurred on 11 June 2006 and was observed during the African Monsoon Multidisciplinary Analysis field campaign in Dano, Burkina Faso. The model is able to reproduce the most important characteristics of the MCS and the atmospheric environment. For the investigated case, no clear precipitation response of the MCS to the applied vegetation scenarios is found. The vegetation changes do alter the surface fluxes in the days before the MCS arrives, which have a clear effect on the modelled convective available potential energy (CAPE) values. However, a link between CAPE, mesoscale circulation and rainfall amounts could not be demonstrated as a dynamical mechanism is found to counteract the CAPE signal. By using a kilometre-scale model, a change in the cold pool dynamics of the MCS could be detected which results from alterations in boundary layer moisture. The effect of vegetation changes on the MCS is thus not straightforward and a complex interaction between different processes should be taken into account.     

一次非典型秋季冷空气暴雨过程分析

利用常规气象资料、加密气象站观测资料、1°×1°的NCEP再分析资料以及多普勒雷达资料,诊断分析2010年10月14～ 15 日广东南部的非典型冷空气暴雨过程.分析结果表明:(1)此次暴雨过程的中尺度特征较为明显;(2)垂直上升运动先于强降水出现前即有明显反映,而低层水汽辐合与降雨量级的同时性较为一致;(3)前期不稳定...     

TRMM-retrieved Cloud Structure and Evolution of MCSs over the Northern South China Sea and Impacts of CAPE and Vertical Wind Shear

Cloud structure and evolution of Mesoscale Convective Systems(MCSs) retrieved from the Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager(TRMM TMI) and Precipitation Radar(PR) were investigated and compared with some pioneer studies based on soundings and models over the northern South China Sea(SCS).The impacts of Convective Available Potential Energy(CAPE) and environmental vertical wind shear on MCSs were also explored.The main features of MCSs over the SCS were captured well by both TRMM PR and TMI.However,the PR-retrieved surface rainfall in May was less than that in June,and the reverse for TMI.TRMM-retrieved rainfall amounts were generally consistent with those estimated from sounding and models.However,rainfall amounts from sounding-based and PR-based estimates were relatively higher than those retrieved from TRMM-TMI data.The Weather Research and Forecasting(WRF) modeling simulation underestimated the maximum rain rate by 22% compared to that derived from TRMM-PR,and underestimated mean rainfall by 10.4% compared to the TRMM-TMI estimate,and by 12.5% compared to the sounding-based estimate.The warm microphysical processes modeled from both the WRF and the Goddard Cumulus Ensemble(GCE) models were quite close to those based on TMI,but the ice water contents in the models were relatively less compared to that derived from TMI.The CAPE and wind shear induced by the monsoon circulation were found to play critical roles in maintaining and developing the intense convective clouds over SCS.The latent heating rate increased more than twofold during the monsoon period and provided favorable conditions for the upward transportation of energy from the ocean,giving rise to the possibility of inducing large-scale interactions.