导致甘肃输电线路舞动的蒙古气旋的形成及增风机理研究

受一次向东南方向移动蒙古气旋强风的影响,2020年4月18日甘肃省白银市的高压输电线路出现了严重的舞动,这造成了该地区的输电线路跳闸事故.基于0.5度逐小时分辨率的ERA5再分析数据,本文研究了这次蒙古气旋及其强风的形成机理.涡度收支的结果表明,辐合相关的垂直伸展以及垂直运动向上的正涡度输送是本次蒙古气旋形成的主因,而倾斜项的负涡度制造以及从气旋中心区域向外的正涡度输送在一定程度上不利于蒙古气旋的形成.动能收支的结果表明,蒙古气旋所伴随的风场主要由于气压梯度力的做功而迅速增强.与我国西北部其它的典型强风事件不同的是在本次事件中,未发现显著的来自于对流层高层的动量下传现象,垂直的动能输送在本次事件中仅对强风的形成有些许的促进作用.此外,水平风场对动能的输送作用使得蒙古气旋大风区的动能存在向外的净输出,这对蒙古气旋强风的生成有一定的延缓作用.     

气旋快速发展的机制分析

本文主要分析爆发性气旋的形成机制。通过对一个爆发性气旋生成的个例分析表明,高空急流核的东传及高空强风动量的下传加强了低层强风带及气旋性涡度切变;涡度及位涡垂直分布显示,以对流层中高层的强涡度为背景,气旋在中低层得以爆发性发展,使得强盛期的气旋发展成为一个上下一致的垂直涡度柱;低空强风带的加强一方面由于高空急流的动力强迫作用,另一方面来源于低纬空气质点对强风动量的输送作用。另外,本文还利用拉格朗日方法进行空气质点的轨迹积分,以分析高空纬向气流及低层强风带的变化及输送作用。     

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究

采用动态合成方法, 对登陆后长久维持热带气旋(LTC)和迅速衰亡热带气旋(STC)的涡度、动能、热量和水汽的收支平衡进行计算和对比分析.结果表明: (1)LTC在陆上长久维持过程中, 其低层正涡度衰减缓慢并保持一定强度.STC登陆后正涡度减弱较快.(2)热带气旋登陆后涡度的收支主要取决于水平散度项、平流项和剩余项.散度项使LTC低层正涡度增加, 高层减少, 平流项和剩余项则使其低层涡度减弱, 高层涡度增加.总体而言, LTC自高层获得正涡度的补充, STC则没有获得环境正涡度.(3)低层, 摩擦耗散使LTC动能减少, 但动能通量辐合可补充部分动能而减缓衰减.中高层, LTC登陆后36～60 h动能收大于支, 动能的增加一部分来自于斜压动能制造, 一部分来自于次网格尺度.STC有类似的动能耗散, 却无动能补充.(4)LTC登陆后保持一定强度, 并从外界获得热量和水汽补充来支持积云对流发展, 而积云对流对LTC的维持具有正反馈作用.STC登陆后没有这一过程.     

梅雨锋上引发暴雨的低压动力学研究

对1998年"二度梅"结束前后长江中下游地区准静止锋上一次气旋发生发展过程进行了涡度收支的诊断分析.结果表明:(1)风场(尤其是辐散风场)对该气旋发生发展有重要影响;(2)低层辐合场是直接决定气旋发生发展的动力因子,它导致低层正涡度制造,对气旋的发展起直接作用;(3)涡度平流上正下负的配置和水汽凝结潜热释放,通过影响上升运动及低层辐合对地面气旋的发展起间接作用.在系列研究工作的基础上,提出了梅雨锋上第二类气旋(低压)的概念模型.     

2017年1月上旬泰国南部暴雨反复发生机制的研究（英文）

基于0.25°×0.25°的CMORPH日降水量产品以及ECMWF 0.25°×0.25°的ERA5再分析数据,本文对2017年1月上旬泰国南部反复发生暴雨事件的机制进行了研究,这些暴雨事件造成了Ko Samui和Ko Phangan近三十多年来最强的洪水事件。结果表明,初生于中南半岛西南方,向东北方向移动的一个中尺度涡旋是泰国南部重复发生暴雨事件的直接原因。涡度收支分析表明,水平辐合项是这个中尺度涡旋维持的最有利因子,倾斜项是第二有利的因子,而水平和垂直输送则主要造成了涡旋三维空间范围内正涡度向外的净输出,这是不利于涡旋维持的。进一步的分析表明,倾斜项与垂直涡度输送项分别对涡旋的移动及涡旋周边对流层低层的涡度增长较为敏感,这两个作用项在涡旋维持的两个不同阶段内各自表现出了完全不同的作用。     

由台风低压倒槽引发的山东暴雨过程研究

2004年8月26-28日发生在山东省的大到暴雨过程主要是由"艾莉"台风减弱的低压和西风带冷空气远距离相互作用造成的,台风倒槽的发展与低空东南气流的加强及台风低压外围热量和动量的向北输送密切相关.采用双向三重嵌套网格非静力模式MM5对这一过程进行了数值模拟,研究了台风倒槽的中尺度结构特征,并通过涡度收支探讨了台风倒槽及中尺度低涡发生发展的物理过程.结果表明,强降水是在台风倒槽顶部强风中心与弱风中心之间的强辐合作用下触发的,台风倒槽的增强和中尺度低涡的形成是低空急流及其动力作用的结果,降水的非绝热加热也起着重要作用.涡度方程的收支诊断表明,对流层低层的散度项、对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者,在同一等压面上散度项和水平平流项的作用是相反的.对流层中层铅直输送项的贡献为正,扭转项为负贡献,涡度变化的总趋势是它们相互作用的净结果.等压面上相对涡度的变化趋势并不是均匀的,中尺度低涡的东南象限相对涡度局地变化较强,这是强降水发生在此的重要原因.低层正涡度的增加是由水平辐合引起的,而高层正涡度的增加是涡度由低层向高层垂直输送的结果.因此台风倒槽的发展和中尺度低涡的形成主要是由于低层的涡度制造,另一方面来自中低层涡度的垂直输送.     

2017年1月上旬泰国南部暴雨反复发生机制的研究

基于0.25°×0.25°的CMORPH日降水量产品以及ECMWF 0.25°×0.25°的ERA5再分析数据,本文对2017年1月上旬泰国南部反复发生暴雨事件的机制进行了研究,这些暴雨事件造成了Ko Samui和Ko Phangan近三十多年来最强的洪水事件。结果表明,初生于中南半岛西南方,向东北方向移动的一个中尺度涡旋是泰国南部重复发生暴雨事件的直接原因。涡度收支分析表明,水平辐合项是这个中尺度涡旋维持的最有利因子,倾斜项是第二有利的因子,而水平和垂直输送则主要造成了涡旋三维空间范围内正涡度向外的净输出,这是不利于涡旋维持的。进一步的分析表明,倾斜项与垂直涡度输送项分别对涡旋的移动及涡旋周边对流层低层的涡度增长较为敏感,这两个作用项在涡旋维持的两个不同阶段内各自表现出了完全不同的作用。     

一次典型蒙古气旋沙尘暴的对流层顶演变及沙尘垂直输送特征

利用高分辨率中尺度数值模拟结果,对一次蒙古气旋沙尘暴过程的对流层顶折叠和沙尘对流层-平流层输送特征进行分析研究。结果发现:本次过程蒙古气旋的发展由对流层中低层斜压强迫引发,对流层中高层高空位涡下传是蒙古气旋发展的另一影响因素。蒙古气旋发展阶段,对流层中高层为低压槽,对流层顶折叠呈漏斗状;随着蒙古气旋的成熟及高空切断低涡的形成,对流层顶折叠变为双漏斗状,位置偏于低涡区南侧,分别位于低槽槽线中段和低涡中心附近。之后的气旋减弱阶段,对流层顶折叠逐渐与低涡区趋于重合。高空急流位于漏斗状对流层顶折叠区南支附近,当对流层顶折叠加强时,高空急流核向下拉伸,反之,高空急流核则趋于水平。对流层顶折叠呈漏斗状的气旋发展阶段,对流层-平流层输送气流位于漏斗东侧、北侧,即气旋暖区螺旋上升气流,位置越偏东、偏北,输送气流的强度和范围越大;气旋成熟阶段,对流层顶折叠呈双漏斗状(经向)和平直带状(纬向),低涡中心附近的准垂直上升气流、低涡中心以东的低涡区偏南上升气流、以及低涡前部槽前强上升气流均产生明显的对流层-平流层输送。气旋减弱阶段,偏南上升气流、准垂直上升气流导致的对流层-平流层输送明显减弱,低涡东北象限偏东气流则能够形成不可逆的对流层-平流层输送。     

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。     

一次西南低涡发生发展的涡度收支及潜热释放诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料、地面自动站降水资料,对2010年7月8~10日发生在重庆地区的大暴雨过程进行涡度收支及潜热释放诊断分析。结果表明:(1)再次发展的850 h Pa西南低涡中心与持续发展的700 h Pa低涡中心的耦合发展对此次暴雨过程的发生发展有重要作用;(2)在暴雨过程中,涡度的垂直输送项和水平辐合辐散项对850 h Pa低涡的再次发展及700 h Pa低涡的维持发展起主要作用;(3)降水与低涡基本同步发生,降水带来的潜热释放使得对流中心附近的上升运动不断加强,凝结潜热释放也随之增多,引起非绝热作用增强,导致局地位涡增加和低涡中心附近的正涡度逐渐加大,风场气旋性弯曲显著,低涡环流逐渐形成。     

地形对登陆台风麦莎(2005)影响的数值模拟研究

利用非静力平衡的中尺度模式MM5(V3)对2005年9号台风Matsa("麦莎")登陆后期的过程进行了48h模拟,应用低通滤波器分离模拟结果中的天气尺度和次天气尺度运动,并采用热带气旋动态坐标跟踪考察登陆过程中热带气旋的次天气尺度环流特征.通过研究地形对两种尺度间动能和涡度转换的影响,进一步证明了地形对热带气旋有着不可忽视的影响.结果表明,地形的存在有利于维持热带涡旋性强度,这种影响随气旋中心与地形间距离的缩小而逐渐增强,且强度的增强在对流层中高层表现得更为明显.去掉地形后对流层低层次天气尺度系统向热带气旋输送的动能减少,次天气尺度系统对热带气旋动能的消耗增大;当低层涡度转换项的垂直运动贡献为负时,去掉地形会加剧这种负贡献,即次天气尺度系统从热带气旋得到更多的正涡度;从整体上看,去掉地形后,热带气旋不仅没有从次天气尺度系统获得正涡度,反而将自身的正涡度向外输送.     

南海地区中层气旋的生成

本文对12个中层气旋生成时的环境场作综合分析,选出两个生成位置靠近平均位置的气旋,分4个时次进行涡度和热量的收支计算。结果表明,大尺度的涡度倾向是气旋生成的必要条件,尤其是散度项的贡献最为显著。在低纬地区地转参数(f)比中纬度小,散度项的贡献较大程度地取决于相对涡度(ξ)的大小。在对流层中下层,散度项值最大,气旋也首先在这里生成。气旋生成时涡管倾斜度很大,由于积云对流将低层的正涡度向上层输送,使涡管变垂直,促使气旋发展成熟。计算得到的小尺度涡度输送和实际降水量分布十分一致。积云对流释放出来的潜热可直接加热中层大气,但上层大气是靠补偿动力下沉增温的。      

一次MCC转MCV过程中动热力结构特征演变的诊断

为深入了解青藏高原上中尺度对流复合体(MCC)及其向中尺度对流涡旋(MCV)转化过程中的动热力结构特征演变和发展机理,利用NCEP FNL再分析资料、FY-2E及TRMM卫星资料,对2013年7月22—23日青藏高原上的一次MCC转化MCV的过程进行数值模拟,对其发生的环境背景,以及过程中的涡度、温度和能量收支演变等进行诊断。结果表明:低层水平涡度向垂直涡度的转换,以及垂直方向上正涡度的输送,形成了垂直方向上有利于对流涡旋发展的正反气旋性环流配置。转化过程中大气中上部温度正异常主要来自于可分辨的凝结,温度升高使得高层等压面抬升;下方冷却异常主要来自于蒸发作用和垂直运动,低层温度降低引起等压面收缩下降,这样的配置有利于涡旋发展、对流上升运动加强以及降水发生。对流活动释放的潜热能是转化过程中的主要能量来源,高空急流入口区直接热力环流引发的有效位能向动能转化,也为MCC向MCV转化提供了能量。     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

2001年春季中国北方沙尘暴的环流动力结构分析

通过对2001年春季中国北方5次沙尘暴的高度场，涡度场，散度场和风场的分析，研究了沙尘暴强盛期的环流动力结构。结果表明，在5次沙尘暴强盛期有相似的环流动力结构特征。在沙尘暴强盛期的高度场上，蒙古国有深厚的低值系统，乌拉尔高压发展，其间的强气压梯度是沙尘暴的动力源；低值系统有正涡度中心支持，外围是负涡度区，其间有强涡度梯度带；低值中心伴随有低层辐合高层辐散的垂直结构，易于发生近地面大风和上升气流，有利于地面起沙上扬，形成沙尘暴，大风区与强涡度梯度带一致，强风带切变形成的涡度输送有利于加强低值系统，进而增强风场。     

一次华南强飑线过程的数值模拟及后方入流作用诊断

利用WRF中尺度模式对2014年3月30—31日发生在华南的一次强飑线过程进行数值模拟。本次飑线过程受高空槽和低涡切变线影响,水汽条件充足,低层垂直风切变较强。模拟结果表明:发展阶段,后方入流缺口开始出现,飑线逐渐呈弓形结构;成熟阶段,飑线后方入流逐渐下沉到地面并延伸至对流区前沿,冷池完全移入残留冷区并加强,配合九连山下坡过程,飑线得以加强。后方入流对本次飑线过程的发展和维持十分重要。后方入流受环境风及中层负压力扰动作用开始形成,随后受对流区后侧中低层涡旋对的影响迅速发展增强而进入发展阶段,反气旋式涡旋的北侧风场促进了后方入流的形成和发展;成熟阶段,气旋式涡旋的南侧风场使后方入流迅速增强。气旋式涡旋区域主要受涡管拉伸作用增长,反气旋式涡旋区主要受涡度倾斜增长作用。涡旋对垂直涡度主要是由低层水平涡度向上倾斜引起,而水平涡度则是由斜压作用产生。     

暴雨中尺度环境场特征及积云对流的反馈作用

本文利用一套具有中尺度分辨率的观测资料,对发生在1983年6月下旬的一次长江流域梅雨暴雨过程进行了诊断研究,并比较了该过程的对流降水活跃期和非活跃期的中尺度环境场特征。结果表明,两个时期的动量场存在明显差异,而水热场差异不大,Q₁和Q₂以及涡度收支也存在明显差异。在降水活跃期（暴雨集中期）,积云对流对能量和涡度的垂直输送有着重要作用;在水热收支中,起主要作用的是垂直输送项,潜热加热基本上为抬升冷却所平衡,水汽的垂直输送是积云对流的主要水汽源;在涡度收支中,低层散度项和扭转项制造正涡度,并通过积云对流向上输送,无论在低层或高层积累的正涡度都被平流非线性过程所耗损。      

登陆台风Matsa维持机理的数值研究

使用新一代中尺度WRF模式对2005年台风Matsa(麦莎)登陆后的变化特征进行了数值模拟;对其登陆后强度持续维持的机理作了初步探讨;对登陆后涡动动能收支作了诊断分析。台风"麦莎"登陆后长久维持与以下因素密切相关。(1)持续的水汽输送通道。"麦莎"登陆后两条持续维持的水汽输送通道将暖湿空气源源不断地送入台风,为"麦莎"的维持提供了潜热能。(2)增强的高层辐散风场。200 hPa附近的辐散风场随着时间的增加而增强,所产生的"抽吸"作用和"减压"作用,对"麦莎"环流和强度的维持起到了重要的作用。(3)长久剧烈的上升运动。"麦莎"登陆后一直保持着剧烈的上升运动,强烈的上升运动把低层的暖湿空气向上输送,为"麦莎"的维持提供热能和动能。(4)活跃的中尺度扰动。"麦莎"的螺旋云带中活跃着中尺度对流系统,它们在低层所产生的较强辐合作用对"麦莎"气旋式环流的维持起到了正反馈作用。(5)涡动动能收支的诊断分析表明,"麦莎"登陆后,地形等摩擦作用和水平输送使其能量耗损,垂直通量散度项使其能量增加,平均动能与涡动动能之间的转换项是涡动动能收支中的相对小项;但随着时间的增加摩擦动能耗散作用逐渐减小,"麦莎"从中高层环境中获得了能量,涡动动能的增加从高层开始逐渐向中低层传播。     

天山山区及邻近地区夏季降水的环境场特征与涡度平衡

本文对天山山区及其邻近地区夏季降水过程的环境场特征、水热收支和涡度平衡做了诊断分析。结果表明，降水发生前的环境场有利于降水系统的发展。Ｑ１，Ｑ２和涡度平衡在降水发生前与降水期有一定的差异，降水期水热收支中起主作用的是水平平流项潜热和热基本上被冷平流所平衡；水汽的水平输送为降水的主要水汽来源，垂直输送也起一定的作用，涡度平衡中主要是水平平流累积的正涡度与散度项制造的负涡度相平衡，与副热带锋区上急流相