“99.8”山东特大暴雨的螺旋度分析

应用螺旋度理论结合湿度条件对１９９９年８月１１～１２日产生在鲁东南和鲁中北部的大暴雨,特大暴雨天气过程进行了诊断分析。结果表明：暴雨产生在高温、高温和不稳定大气中;５００ｈＰａ以下低层ｋ－螺旋度正值较大。暴雨产生在８５０ｈＰａ螺旋度中心附近。螺旋度的变化对天气系统的移动、发展及暴雨的落区和强度有较好的指示性;螺旋度还反映了大气垂直运动分布特征和旋转状况。     

云南初夏罕见暴雨的螺旋度分析

应用螺旋度理论,对2001年初夏(5—6月)云南罕见的暴雨天气过程进行了诊断分析,结果表明：暴雨产生在低层700hPa正的hp螺旋度与不稳定能量区重叠的区域内,其变化对天气系统的移动、发展及暴雨的落区和强度有一定的指示意义;暴雨区上空hp螺旋度呈高层负中心、低层正中心分布;螺旋度还反映了大气垂直运动分布特征和旋转状况。     

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演在台风暴雨研究中的应用进展

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演是近代天气学中的先进动力诊断工具。Q矢量被视为估算垂直运动的有效方法。螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量。位涡是一个综合反映大气热力和动力性质的物理量并具有守恒性和可反演性。位涡反演是指在给定位涡分布和边界条件且假定运动是平衡的情况下,可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度等物理量的分布。台风暴雨形成机理及其预报研究一直是大气科学研究领域的重点和业务天气预报工作的难点。文章将着重总结分析国内外有关将Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演方法应用于台风暴雨研究的进展状况,并对未来如何综合应用上述诊断工具进行了展望。     

“91.7”梅雨锋暴雨的螺旋度分析

螺旋度（Ｈｅｌｉｃｉｔｙ）是近年来引入天气分析预报中的一个非常重要的物理量，其严格的定义式为风速和涡度点积的体积分［１，２］：其中是相对涡度（以下简称涡度）。可以看出，螺旋度的大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。虽然有关该量应用的研究目前在国内外刚刚起步，但是已展现了广阔的前景。伍荣生［１］曾经给出了螺旋度的平衡方程式，并指出：在准地转运动中大气的螺旋度是守恒的，许多研究还表明［２－４］，螺旋度对雷暴、龙卷等天气现象的预报具有一定的指示意义。１９９１年７月（集中在６月３０日至７月１２日）的梅雨锋暴雨给长江中下游地区带来了严重的洪涝灾害，图卫给出该时段的平均２４ｈ降水量。本文对这一时段暴雨的螺旋度进行了分析，得出了一些有意义的结果，发现螺旋度作为一个新的诊断量，在暴雨研究中是有一定应用价值的。     

我国螺旋度的研究及应用

对自20世纪90年代以来至今国内关于螺旋度理论及应用研究工作进行了较系统地总结,将螺旋度归类为垂直螺旋度、水平螺旋度及完全螺旋度,同时又将垂直螺旋度划分为局地垂直螺旋度和积分垂直螺旋度,详细介绍并给出了每一类螺旋度的计算表达式以及其在天气诊断分析中的应用状况,对螺旋度的应用研究现状进行了简单地分析与讨论,最后展望了未来螺旋度研究与应用的发展方向。     

正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

广义系统的整体演化和天气预测

引　言　　陆士嘉先生说：“流体怕搓,一搓就搓出了涡”。大气作为流体的一种形式,更怕“搓”。大气怎么被“搓”？本文从“广义系统”整体演变的观点出发,通过传统的描述流体运动非线性方程的Ｃａｕｃｈｙ问题来论述大气运动随时间演化的逆向转变（溃变）问题。且以此来探索大气运动的转折性变化的物理成因,以及与大气非均匀演变紧密相关的大气涡旋运动。最后讨论预测问题,以及大气涡旋运动在强对流和强降水天气预测中的应用。目前,理论研究为追求定量可比性而与实际应用之间在相当程度上脱离了联系,并且被喻为“脱离生产,脱离实际…     

大气运动方程组的算子特性及其应用

本文利用文献[1]提出的描述大气运动的算子理论,研究了绝热无摩擦线性化方程组的算子特性,并利用这些特性讨论了:1)初值问题解的唯一性问题;2)大气特征波动的普遍性质;3)检验了几种经典近似的合理性,在保证算子性质不变的前提下对非弹性近似和Bousinessq近似作了重新定义。最后指出采用算子理论描述大气运动的基本特征具有广泛的应用前景。     

螺旋度在对流天气预报中的应用研究进展

螺旋度表征流体旋转与沿旋转方向运动的强度,在等熵流体中具有守恒性。螺旋性是维持大气运动的基本物理图案：边界层流体、湍流、强风暴、热带气旋等都有较强的螺旋结构;对流风暴常发生在螺旋度值大的地方,流体稳定性与螺旋度密切相关,高螺旋度阻碍了扰动能量串级,对超级单体风暴的维持有重要作用;z螺旋度对大范围暴雨有较好的指示意义。风暴相对螺旋度对决定对流风暴类型有重要作用,其大小决定超级单体是否能形成中气旋,同时,其对冰雹预报有一定的指示意义;风暴相对螺旋度用于预报时计算的难点在于确定预报风暴移动速度。热力场与螺旋度有内在联系,地面相对螺旋度可视为地转风或实际风引起温度平流的一个量度。     

螺旋度及螺旋度方程的讨论

文中从无摩擦的运动方程出发 ,利用量纲分析的方法 ,导出简化了的螺旋度方程和不同方向上的螺旋度方程 ,并对影响它们变化的各因子进行了讨论。分析结果表明 ,除了Lilly在 1986年研究中强调的浮力效应外 ,压力梯度与涡度共同作用项和力管项对螺旋度的变化也有重要影响 ,甚至比浮力效应更大 ,且力管作用、水平压力梯度与水平涡度共同作用主要影响水平螺旋度 ,浮力效应、垂直压力梯度与垂直涡度共同作用主要影响垂直螺旋度 ;螺旋度的输送和大气的辐散、辐合对螺旋度变化的影响较弱 ;地转偏向力 (无论是在水平方向还是垂直方向 )的作用要在系统水平尺度较大时才能体现出来。水平和垂直方向上的螺旋度既相互区别在暴雨、强对流天气过程中表现出不同的作用 ,又相互联系。一方面 ,水平螺旋度更具预示性 ,对预报强风暴有指示意义 ,而垂直螺旋度更倾向为能反映系统的维持状况和系统发展、天气现象的剧烈程度的一个参数。另一方面 ,大的正水平螺旋度有助于垂直螺旋度的增长 ,而与垂直螺旋度对应的运动可能对水平螺旋度产生影响。将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可能可以提高风暴路径和雨区的预报准确度。     

2004—07—16河南省特大暴雨过程螺旋度分析

应用螺旋度理论对2004年7月16～17日河南省特大暴雨天气过程进行了诊断分析。结果表明：螺旋度分布低层天气系统有很好的对应关系，暴雨过程中相对垂直螺旋度大值区长轴始终与低层南北向切变线走向一致；大暴雨区与低空水平螺旋度大值区长轴走向一致，且与水平螺旋度梯度≥130m．s^-2的区域基本对应；暴雨首先产生在高湿中心与不稳定能量中心相重叠区域，并随相对垂直螺旋度正值增大而增强，且与水汽输送区相对应。     

高原东侧突发性大暴雨过程中螺旋度的诊断分析

利用MM5模式模拟输出结果,对2002年6月8-9日发生在陕西省和四川北部的一次突发性大暴雨过程进行了螺旋度诊断分析.结果表明:暴雨区附近总存在一对紧邻的大小(低层)或正负(中层)螺旋度中心,低层螺旋度正值区强度远大于中高层螺旋度正负值区,对流层中层正负中心的轴线随高度呈逆时针旋转,相应的垂直结构是一对正负相伴的螺旋度柱.当暴雨区东侧正螺旋度突然向高层伸展,西侧伴有负螺旋度发展,且两中心间等值线变密集时,暴雨开始,大小(正负)螺旋度最强及其间等值线最紧密时,暴雨达到最强盛时期,而且暴雨就发生在两螺旋度之间偏大值中心的等值线密集区.进一步分析表明:螺旋度发生发展的主要贡献者是水平速度和水平速度的垂直切变.     

四川盆地西北部一次暴雨过程数值试验

利用成都区域气象中心η坐标模式对１９９８年８月１９日发生在四川盆地西北部的一次暴雨过程进行了数值模拟试验。结果表明：η模式对此过程系统移动、降水强度和落区有较好的预报。在此暴雨过程中,高原低涡对暴雨强度、范围影响很大;高原地形对暴雨落区关系密切;河套小的存在有利降水加强。     

基于概率分析的暴雨事件快速评估模型

通过对区域性暴雨事件历史资料的统计分析,利用平均降水量、降水强度和覆盖范围3个指标,建立了基于距离函数的暴雨事件快速评估模型。在建模过程中,对每个指标进行了正态化转化和正态性检验,并利用正态分布概率密度函数确立了各指标数年一遇的等级标准。采用定义域平移的办法,对模型中各指标的权重系数进行了调整。另外,应用此模型对2005年汛期3次区域性暴雨灾害进行了评估应用,结果表明,决策服务效果较好。     

辽宁暴雨事件影响的预评估和灾后速评估

本文不同于通常的暴雨灾害事后灾情评估,而是单纯采用气象资料来实现暴雨事件的灾前预评估和灾后快速评估。为此,通过对辽宁省区域性暴雨事件历史资料的统计分析,利用平均降水量、降水强度和覆盖范围3个指标,建立了基于距离函数的暴雨事件快速评估模型。在建模过程中,对每个指标进行了正态化转化和正态性检验,并利用正态分布概率密度函数确立了各指标数年一遇的等级标准。采用定义域平移的办法,对模型中各指标的权重系数进行了调整。另外,应用此模型对2005年汛期三次区域性暴雨事件进行了评估应用,结果表明,决策服务效果较好。     

四川暴雨过程动力因子指示意义与预报意义研究

本文利用2010年8月18~19日四川盆地西部地区一次引发了泥石流等次生灾害的暴雨天气过程的数值模拟资料及0.5°×0.5°分辨率、每6 h一次的GFS(Global Forecast Model)预报资料,结合集合动力因子预报系统中的广义对流涡度矢量垂直分量、质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、热力垂直螺旋度、湿热力平流参数、密度散度垂直通量、散度垂直通量、热力散度垂直通量、水汽散度通量、广义 Q 矢量散度等12个动力因子成员对此次暴雨过程进行诊断分析和预报研究,结果显示:(1)集合动力因子预报系统中的动力因子对此次降水落区诊断效果良好;(2)各动力因子区域均值随时间的变化曲线都能表现出降水区域均值随时间变化曲线双峰形态,其中,广义 Q 矢量散度、水汽垂直螺旋度、热力垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、垂直螺旋度与降水的相关系数较大(达0.9以上),对此次降水的诊断效果较好;(3)动力因子对此次强降水过程的发展演变具有一定的预报能力。     

螺旋度在分析一次三峡大暴雨中的应用

用螺旋度分析了1982年7月16日三峡区间出现的近27年来最大一次暴雨。结果表明，①在垂直剖面图上，在雨区上空300 hPa附近，螺旋度有一个负的极小值中心；在600 hPa附近，有一个正的极大值中心。②300 hPa螺旋度分布图上的极小值中心位置，与主要雨区中心位置非常靠近，相距约60 km。     

江苏一次大暴雨过程的诊断与中尺度分析

利用FY-2E卫星TBB资料、加密自动气象站资料、多普勒雷达产品、NECP格点资料,对2010年7月12—13日发生在江苏沿江地区的一次大暴雨过程进行了诊断和中尺度分析。结果表明:此次大暴雨过程是在有利的大尺度环流形势稳定维持下发生的,强度大、中尺度特征非常明显;高空辐散低空辐合的有利配置和垂直螺旋度是此次暴雨过程的动力机制;非地转风和垂直环流圈的上升支气流触发了不稳定能量释放,激发了暴雨过程;正反环流圈不断地加强和补充暴雨所需的水汽和能量,使暴雨得以维持;10个中尺度雨团的频繁活动直接造成了此次暴雨。其中,起重要作用的是合并而成的A、B雨团,雨团的合并使雨区扩大、雨势更强、生命史更长;3个β-MCS是造成此次暴雨的中尺度对流系统,与雨团发展直接相联系的是≤-62℃,甚至≤-72℃的冷云盖。1号β-MCS影响时段内,由多个对流单体回波合并形成的块状对流回波。3号β-MCS影响时段内,对流单体回波合并后形成一条东西向带状回波,在径向速度场上则出现了逆风区特征。地面中尺度辐合系统与雨团的发生发展关系十分密切,且对雨团的发生发展具有一定的预示作用。     

近年来我国暴雨中尺度动力分析研究进展

总结了近十年以来中国气象科研人员在暴雨中尺度动力分析研究领域的主要研究成果，从大尺度环流背景与中小尺度系统的相互作用、高低空急流、低涡、位涡与对流涡度矢量、螺旋度、不稳定等方面对它们进行了分类概括。对暴雨中尺度动力分析研究的回顾表明，以往常用的数值模拟、能量转换收支分析、涡度、散度、涡度收支、涡度平流、温度平流、各种不稳定指数等的诊断仍然是暴雨中尺度动力分析的主要手段，但是，近年来，除了位涡、螺旋度等动力变量在暴雨中尺度动力分析中的广泛应用以外，一些新的物理量，如非均匀饱和广义湿位涡、对流涡度矢量以及有限区域风场分解方法在暴雨中尺度动力分析中也得到了更多的应用。     

动力因子对2006“碧利斯”台风暴雨的诊断分析

本文利用2006年登陆台风"碧利斯"暴雨过程高分辨率数值模拟资料, 结合湿热力平流参数、广义对流涡度矢量垂直分量、水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量、热力切变平流参数和 Q *矢量散度等8个动力因子, 对"碧利斯"台风暴雨进行诊断分析。结果指出:(1)8个动力因子在"碧利斯"台风强降水区均表现为强信号, 其中, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量等动力因子与降水强度的相关系数均达0.99以上, 与总云水物质的相关系数也均达0.97以上, 而热力切变平流参数与上述二者的相关系数最低, 达0.5左右;(2)8个动力因子中, Q *矢量散度随降水强度先增大后减小, 与"霰融化成雨水造成雨水增长"微物理过程随降水强度的变化相似, 热力切变平流参数随降水强度呈现"增大—减小—再增大"的变化特征, 而其他6个动力因子均呈现单调增长趋势, 与"雨水碰并云水造成雨水增长"微物理过程随降水强度的变化相类似;(3)总体看来, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量4个动力因子与降水强度及雨水收支相关的总的云微物理过程转化率对应更好, 因此, 对降水的指示意义也更好。