一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究I.理论分析

本文是讨论梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用问题的开始部分。为了分析梅雨锋暴雨过程中的多尺度能量相互作用,从z坐标系中的运动方程和热力学方程出发,把基本物理量分成大尺度背景场（>2000 km）、α中尺度（200~2000 km）和β中小尺度系统（< 200 km）分量,利用滞弹性近似,推导了大尺度背景场、α中尺度和β中小尺度系统三个尺度的动能方程和位能方程。能量方程中包含了各尺度动能之间的转换、位能之间的转换以及动能和位能之间的转换。动能方程主要包括各尺度动能之间转换项、动能输送项、水平气压梯度力做功项、垂直方向扰动气压梯度力做功项、浮力做功项、地转偏向力分量做功项以及摩擦力做功项。位能方程主要包括各尺度位能之间转换项、位能输送项、浮力做功项以及非绝热加热做功项。其中浮力做功项为位能和动能之间的能量转换项,是暴雨发生发展过程中比较关键的能量转换项。关于将能量方程用于梅雨锋暴雨过程中并且诊断能量相互作用影响暴雨发展和消亡过程的物理机制等问题,将在以后的研究中给出。     

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

动能EOF分析和β中尺度雨团中的能量转换

本文针对2008年上海8月25日暴雨过程,利用WRF中尺度数值模式对其较好模拟的结果,应用EOF分析方法对其做了动能偏差场的统计动力诊断。探讨了该暴雨过程中各种尺度天气系统,特别是β中尺度雨 团,其有效位能向动能的转化机制。所得主要结论有:对该暴雨过程,动能偏差场EOF分析的第一、二、三模态可分别称为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。在该暴雨落区附近,低层各模态动能偏差场水平梯度的绝对值均较大,系统演变也较剧烈,且尤以暴雨雨团模态为甚;这表明低层暴雨雨团模态该处风场具有强烈的非地转性,有着强辐合,运动是非平衡的,其性质为重力惯性波(含涡旋—重力惯性混合波)。在某等压面上,有效位能的时间变化与位势偏差的时间变化相同,而前者的水平梯度则与后者的空间梯度大致相同,这样讨论某层前者的变化就归结于讨论该层后者的变化。暴雨来临前在该暴雨落区附近,前三个模态都有有效位能向动能的 转化,其表现为动能的增长和有效位能的下降,且以暴雨雨团模态表现更突出。暴雨雨团模态的尺度为β中尺 度,这表明该尺度的系统在有效位能向动能转换中起着关键作用,且扮演着有效位能与涡旋场动能之间转换的中介角色。     

华南初夏的超低空急流及其对暴雨的影响

通过华南暴雨实验获得的8次暴雨过程的资料分析,发现这些暴雨过程行星边界层下部都伴见1—2支中间尺度的偏南风强风带,它和常见的西南风低空急流有显著不同,为易于区别,称为超低空急流。分析看到,超低空急流和华南初夏的暴雨有着密切关系。     

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。     

华南低空急流影响广西暴雨的机理

本文在利用客观分析风场资料探讨急流暴雨活动规律基础上,对多个急流暴雨个例进行分析、讨论华南低空急流影响广西暴雨机理,指出,暴雨是一种中尺度现象,不稳定的低空急流上风速脉动能触发中尺度系统的产生,弱冷空气在急流暴雨中起激发作用等,最后给出我区急流暴雨的天气学模型以及阐明我区几个有利地形易于诱发急流暴雨的区域。     

2011年秦巴山区秋季区域性暴雨数值模拟及诊断分析

利用WRF对秦巴山区秋季一次区域性暴雨进行了数值模拟,在模拟结果与实况相一致的情况下,进行了秋季暴雨机理的研究,结果表明:秦巴山区暴雨落区位于500hPa槽前、700hPa冷式切变的暖区、低空急流轴的左前侧;低空急流携带的暖湿空气与西北路冷空气在陕南秦巴山区形成稳定维持的冷式切变是本次暴雨的主要原因;700hPa西南低空急流与850hPa偏东急流是本次过程的水汽和能量来源;K指数大值中心的出现在秦巴山区秋季暴雨预报中应予以重视,600~800hPa高对流有效位能维持为暴雨的发生提供了充足的能量。     

两次夏季暴雨期间高低空急流相互作用的诊断分析

利用ERA-Interim数据,计算扰动能量方程,分析了2012年7月21日北京暴雨和2010年7月12日江苏暴雨期间高低空急流相互作用的能量特性。结果表明,与高层急流有关的扰动动能的产生主要由斜压过程和非地转风位势通量散度决定,而低空急流的扰动动能主要由后者决定。当中低空对流层扰动位势为负时,高层急流引起的次级环流的下支通过非地转位势通量矢量将高层的扰动动能输送到低空急流附近,使低空急流增强。上述两次暴雨过程中,能量通过直接(间接)环流自高层向低层的输送方式存在明显不同。     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

华南前汛期大范围暴雨的合成分析

利用多时间尺度 NCEP/ NCAR再分析资料、TBB资料 ,通过合成分析、动力诊断等方法 ,对华南大范围暴雨高低空共同特征进行了探讨 ,得出 :华南暴雨区位于 2 0 0 h Pa高空急流入口的右侧 ,高空辐散中心区下方 ,同时位于 2 0 0 h Pa南亚高压北缘和中纬度脊前辐散气流中。对于低层而言 ,暴雨区位于 85 0 h Pa低空急流轴的左侧。     

2011年秦巴山区秋季区域性暴雨数值模拟及诊断分析2011年秦巴山区秋季区域性暴雨数值模拟及诊断分析

利用WRF对秦巴山区秋季一次区域性暴雨进行了数值模拟,在模拟结果与实况相一致的情况下,进行了秋季暴雨机理的研究,结果表明：秦巴山区暴雨落区位于500 hPa槽前、700 hPa冷式切变的暖区、低空急流轴的左前侧;低空急流携带的暖湿空气与西北路冷空气在陕南秦巴山区形成稳定维持的冷式切变是本次暴雨的主要原因;700 hPa西南低空急流与850 hPa偏东急流是本次过程的水汽和能量来源;K指数大值中心的出现在秦巴山区秋季暴雨预报中应予以重视,600～800 hPa高对流有效位能维持为暴雨的发生提供了充足的能量。

     

华南前汛期大范围暴雨的合成分析

利用多时间尺度NCEP／NCAP再分析资料、TBB资料，通过合成分析、动力诊断等方法，对华南大范围暴雨高低空共同特征进行了探讨，得出：华南暴雨区位于200hPa高空急流入口的右侧，高空辐散中心区下方，同时位于200hPa南亚高压北缘和中纬度脊前辐射气流中。对于低层而言，暴雨区位于850hPa低空急流轴的左侧。     

大尺度低空急流附近的水汽输送与暴雨

本文利用1977—79年华南前汛期的暴雨实验资料,分析研究了大尺度低空急流附近的水汽输送及其对暴雨的贡献。研究表明,与低空急流相联系的暴雨的生成,主要是由于低空急流之下水汽的横向辐合,而不是低空急流所在层的水汽辐合。低空急流之下的水汽由急流左侧向右侧输送,在暴雨区上升,而后在低空急流之上向右侧输送并下沉,从而构成一中尺度的水汽输送环流圈,它与大尺度环流圈同相叠加,有利于暴雨的维持。由于摩擦作用,在低空急流之下的边界层中风向随高度顺转,这是水汽横向输送的主要原因,因此,暴雨可在低空急流左侧的任何位置生成。     

一次闽南暖区暴雨的多尺度动力过程

作为气象研究中的一个难点问题,暖区暴雨的动力学一直为学界所关注。基于多尺度子空间变换(MWT)以及基于MWT的局地多尺度能量学分析和正则传输理论,对2018年5月7日的一次闽南暖区暴雨进行研究以了解其多尺度动力过程。首先将原始物理量场重建到三个尺度子空间:背景流子空间、天气尺度子空间和暴雨子空间。重构场上可以很好地看出背景环流尺度的高低空急流,以及暴雨尺度上的垂直环流。以往的研究普遍认为暖区暴雨的动力过程具有弱斜压性这一特征,而就此次事件而言,正压失稳和斜压失稳都起着很关键的作用,暴雨主要落区内既发生了正压失稳,也发生了斜压失稳。研究表明,对流层不同高度上的动力学存在差异,低层主要表现为正压失稳,天气尺度子空间与背景流子空间向暴雨子空间传输的动能相当; 中层主要是混合失稳,除正压失稳外,斜压正则传输也将有效位能从背景流子空间传输到了暴雨子空间,再通过浮力转换将有效位能转为动能,从而维持暴雨在中层的动力过程; 高层则与低层相似,但只存在背景流子空间向暴雨子空间的能量传输。      

近30年华南前汛期暴雨研究概述

对近30年来华南前汛期暴雨研究进行了较为全面的回顾,主要介绍了华南前汛期暴雨发生时中高纬大气环流、副热带高压、南亚高压和副热带西风急流等大尺度环流背景,亚洲夏季风、南半球冷空气活动以及越赤道气流在华南暴雨中的作用,华南暴雨的天气系统及主要特点,华南和南海北部低空急流的形成机制及其与暴雨的关系和对暴雨的作用,引发华南暴雨的中尺度对流系统形成机理及其物理图像,地形、海陆差异及下垫面特性等对华南暴雨的影响,有利于华南暴雨发生的主要云微物理过程等。最后,根据前人的研究成果,总结出华南前汛期暴雨形成的多尺度物理过程和概念模型,并提出有待进一步加强研究的科学问题。     

一次黄河气旋暴雨大尺度高低空急流影响的数值试验

通过１９８７年８月２６日一次黄河气旋暴雨的数值试验，研究高，低空气流和强对流暴雨以及高，低空急流间的相互作用。指出：这是一次在有利的中尺度条件下，低空急流诱发的中尺度扰动不断发展，引起次天气尺度黄河气旋的发生，发展，从而产生暴雨的过程。通过减弱高，低空急流的试验，指出：低空急流是产生中尺度扰动和次天气尺度黄河气旋的必要条件，高空急流为气旋的产生提供了必要的环境场。同时高，低空急流相互作用，低空急流     

“96.8”暴雨过程的尺度分离动能方程的诊断

用尺度分离的动能平衡方程,对1996年8月3～5日华北地区台风暴雨过程雨区内的动能制造和转换进行诊断。结果表明:动能在暴雨发展过程逐渐减小,动能转换项也是逐渐减小的。暴雨发生前,尺度相互作用制造项GKMS起最重要的作用,大尺度动能制造项次之,中尺度动能制造项消耗少量的动能;暴雨发生时,尺度相互作用和天气尺度运动仍制造动能,只是比发生前明显减少,中尺度运动由消耗动能转变为制造动能,动能转换主要来源于低层且数值明显减少;暴雨发生后,动能制造项数值仍为正,此时天气尺度动能制造最重要,但数值比前两阶段小,动能的转换主要出现于高层。可见,此次暴雨过程总动能的制造项一直为正,主要出现于高层,只是其制造量逐渐减小;动能转换是从低层向高层进行的,水平转换项起主要作用,是一种尺度减小的动能转换过程。     

东风低空急流暴雨的中尺度分析

东风低空急流暴雨在湖北比较少见。使用卫星云图、武汉多普勒雷达资料和地面中尺度资料，针对2004年6月4～5日发生在湖北中东部地区的一次东风低空急流暴雨过程进行了中尺度分析，得到：（1）东风低空急流暴雨是在有利的大尺度背景场条件下，在特定的地域触发产生的；（2）东风低空急流在暴雨的形成和发展中起到重要的作用；（3）东风低空急流暴雨是由中尺度回波团和中尺度复合体造成的；（4）东风低空急流暴雨是在多种尺度天气系统相互作用的情况下发生发展的，而中小尺度系统是其产生的最直接的系统。     

一次华南低空急流和暴雨过程的对比数值试验

在文献「４」成功地模拟华南前汛期一次低空急流和暴雨过程的基础上，分析讨论了４个对比数值试验。结果表明：凝结潜热加热和青藏高原大地形对暴雨的产生，华南低空急流的维持是十分重要的；不同的边界层过程以及华南地形的作用只表现在雨量的大小和分布上。