华南春季强对流天气过程的动能收支 (二)辐散风和旋转风动能的收支和转换

在第(一)部分的基础上,进一步讨论辐散风动能和旋转风动能的收支以及这两种动能之间的转换过程。结果表明,尽管辐散风动能在总动能中所占比重很小,但它的变化与强对流天气过程的发生发展有着更为密切的关系。计算结果表明,在辐散风动能与旋转风动能的转换函数{K_D,K_R)中,B项(代表垂直运动与旋转风动能的垂直变化的耦合)是最大的转换项;在强对流区,反映涡管伸缩机制的A项也是一个很重要的转换项。就区域时间平均而言,有旋转风动能向辐散风动能(K_R→K_D)转换。      

8014号热带气旋发生发展过程的能量学诊断研究

利用动能和总位能收支方程，对８０１４号强热带风暴过程进行了能量学诊断研究。结果表明，地转作用是该热带气旋中辐散风动能向旋转风动能转换的主要物理机制；非绝热加热是热带气旋发展的主要能源，其对总位能的制造大部分用于次网格耗散和侧边界输出，只有一小部分被转化为辐散风动能；两个转换函数Ｃ（Ｐ，Ｋｘ）和Ｃ（Ｋｘ，Ｋφ）在时空分布上具有很好的一致性；该热带气旋与周围环境场有明显的能量交换，在高层有总位能和旋转风动能输出，在低层有辐散风动能输入；在总动能收支中，辐散风作功是主要的功能产生项，旋转风作功主要是消耗动能。     

华南登陆台风“榴莲”的能量分析

对 0 1 0 3号台风 (榴莲 )造成华南西南部特大暴雨的过程进行了高分辨数值模拟 ,在模拟结果与实况较为一致的基础上 ,利用辐散风和旋转风动能平衡方程分析低压区域内的动能收支和转换特征 ,揭示华南登陆台风低压衰减过程的能量演变特征及其与暴雨增幅关系     

华北盛夏台风低压暴雨的能量分析

利用辐散风和旋转风动能平衡方程,分析了1996年8月3日至5日由浙江沿海登陆北上的台风与西风带系统相互作用产生的暴雨过程．计算并分析了暴雨增幅时台风低压扰动区域内平均的动能收支和转换特征,揭示了台风低压维持的机制及其与外围暴雨增幅之间的关系,得到的结论可供制作北上台风及其暴雨预报时参考。     

2006年超强台风“桑美”强度突变的动能特征分析

应用NCEP/NCAR再分析资料,对2006年超强台风“桑美”（Saomai）强度突变过程的动能特征进行分析,结果表明：“桑美”突然增强时刻其低层总动能和旋转风动能突然增加,辐散风动能也有所增加,总动能的增加主要是由旋转风动能增加所引起的;其高层总动能和旋转风动能突然减小,而辐散风动能突然增加,高层动能下传是导致“桑美”突然增强的重要原因;“桑美”突然增强时刻高层辐散风动能向旋转风动能的转换达到最大,低层辐散风与旋转风相互作用动能项达到最大;“桑美”突然减弱时刻的高低层能量变化趋势与突然增强时刻相反,并存在着低层动能的上传;“桑美”强度突变时对总动能（K）、旋转风动能（KR）、辐散风动能（KD）变化的响应时间为6～18 h。     

TOGA-COARE强化期(IOP)西太平洋热带海域的热通量特征

选取夏季月 份南海局地性扰动发展与不发展的个例各一个,利用动能收支方程分别考察了辐散风和旋转风的动能制造和输送对扰动发生发展的贡献,并计算了辐散风旋转风之间的动能转换。     

北上台风暴雨过程涡散场的能量收支和转换特征

利用辐散风和旋转风的动能收支方程,对北方一次北上台风倒槽暴雨过程暴雨区内的涡散场能量收支和转换进行了计算.结果表明:暴雨区内动能的增加是暴雨增幅的一个主要原因.暴雨发展时,就旋转风动能(K_R)而言,旋转风动能通量(HFR)辐合是主要能源,而旋转风的动能产生项(GR)是主要能汇;就辐散风动能(K_D)而言,辐散风的动能产生项(GD)是主要能源,辐散风动能通量(HFD)辐散是主要能汇;总动能水平通量(HF)提供的辐合主要表现于对流层中、低层,这就使得低层辐合加强,上升运动加强,有利于暴雨的增幅.在暴雨过程中次网格尺度效应由能源转变为能汇,在暴雨发展之时能汇减小;能量的转换项C(K_D,K_R)总为正值,在转换项中,地转效应项的贡献很大.说明暴雨过程能量均由K_D向K_R转换,也就是说有效位能经K_D向K_R转换,充分说明了在整个暴雨过程中,尽管辐散风动能变化(∂K_D/∂t)很小,但是它在其中充当“桥梁”作用,C(K_D,K_R)在暴雨发展时达到最大,此时能量转换最为旺盛;对流层低层辐散风动能向旋转风动能的转换是暴雨产生和发展的重要条件.此次暴雨过程,在暴雨区内表现为斜压不稳定和正压稳定共存的特征,其发展过程是系统斜压不稳定增长,正压稳定性减弱的过程,暴雨增幅的另一个重要原因就是暴雨区内低层斜压的发展.     

登陆热带气旋海马（0421）变性加强的诊断研究

利用台风年鉴、NCEP/NCAR再分析资料、旋转风及辐散风动能诊断方程对热带气旋海马(2004)的变性加强过程进行了诊断分析。结果表明,海马变性加强发生在向极运动过程中,与高空槽前急流发生耦合,西风槽引导冷空气侵入海马环流内部,形成半冷半热结构。进一步利用辐散风动能方程诊断分析发现,海马变性加强的主要能量来源有两个,一个是西风槽带来的冷空气下沉侵入低压环流释放的有效位能,另一个是海马与环境系统发生相互作用导致其低压环流不均匀分布的总动能通过辐散风向低压动能的转化。二者的值为同一量级。此外,此两种能量来源均可使海马低层平均风速在6h增加10m/s以上,地面摩擦和大气内摩擦是TC动能消耗的主要原因,而动能垂直通量的散度项使得动能由低层输送至高层。     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断 II:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断——Ⅱ:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

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。     

北部湾热带低压发展成台风的结构演变和动能收支的诊断分析

本文对1985年8月下旬北部湾热带低压发展为台风的演变过程作了诊断分析。发现在台风的生成和加强的过程中,涡旋动能出现显著的加强和向下转移,最大涡度层和无辐散层明显下降.与此同时,暖心结构也逐步形成。这一过程与低层西南季风的增强北进,卷入台风环流中的过程密切相关。涡旋动能收支的计算表明,低压由于处在强的水平切变和垂直切变基流中,风场和温度场的不对称和暖心结构的形成,使台风获得正压和斜压不稳定能量,加之以积云对流为代表的次网格过程向涡旋运动输送能量,从而使低压发展为台风。台风的衰亡是由于登陆后低层偏冷气流的入侵和下部暖心结构的破坏,使台风只有纬向平均气流取得能量,不足以补偿摩擦耗散和位能通量的辐散,因而减弱为低压的。      

Energy Exchanges for Mediterranean Weather Systems

Summary  An analysis of the kinetic energy budget is made for a cyclonic development over the Mediterranean. Horizontal flux convergence constitutes a major energy source. Generation of kinetic energy via cross-contour flow is a persistent sink except only a weak energy source for the decay period of our case study. Dissipation of kinetic energy, computed as a residual, has local maxima both in the lower troposphere and near the jet stream level. By investigating the relative importance of divergent and non-divergent components in the kinetic energy budget we found that when calculating the magnitude of the kinetic energy one may safely replace the total wind with the non-divergent one. But the horizontal flux convergence of kinetic energy and the generation of kinetic energy are sensitive to the magnitude of the divergent wind. A large increase in the kinetic energy of the total flow fields and the nondivergent component of the flows occurs over the southeastern Mediterranean with the existence of the subtropical jet. This indicates that the subtropical jet steadily receives energy from divergent flow. Maximum energy conversion and transport occur near the time of maximum storm intensity while smaller values are observed during the development and decay stages. Received July 2, 1998/Revised December 28, 1998     

南海夏季风建立前后的大气能量收支

本文用总动能、总有效位能、扰动动能和扰动有效位能四个收支方程计算了1980年4-6月南海南部(0-15°N,100-120°E)夏季风建立前(4月1日-5月9日)和夏季风建立后(5月18日-6月25日)各时段的大气能量收支,并对其结果进行了分析讨论,发现:(1)总动能主要是在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间达到平衡,夏季风建立后源汇强度值都增大了40%左右。(2)非绝热加热所直接制造的有效位能并不重要,高层总有效位能的水平通量辐合、中低层与总动能间的转换和由于参考气压的变化而引起总有效位能的增减对于总有效位能的收支作用较大,其作用在夏季风建立前后也明显不同。(3)扰动动能同总动能一样主要在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间平衡。夏季风建立后源汇强度增强。(4)扰动有效位能主要由非绝热加热制造,夏季风建立后制造量增大了16倍多。夏季风建立前,扰动有效位能主要因参考气压的改变而减少;夏季风建立后,扰动有效位能主要被转换为扰动动能和平均有效位能。      

动能的周期变化和动能转换率对动能增衰的作用

利用1976～1977年冬季四个月北半球500mb资料,对北半球平均动能和涡动动能波谱的中期变化、动能转换率对平均动能的增衰和对波动增衰的作用进行了研究,得到一些初步结果。指出:北半球平均动能、涡动动能以及涡动动能和平均动能之间的转换率,有准两周的周期振动。涡动动能先于动能转换率一天达到峰值,而后再过两天平均动能达到峰值。在k=3波时,动能也存在准两周的周期振动,它是对涡动动能总值贡献最大的波动,同涡动动能总值具有同位相的振动。对动能转换率总值贡献最大的还是k=3波,其转换率具有同转换率总值同位相的准两周振动。 动能转换率对平均动能整个增长阶段的贡献,大于衰退阶段,在平均动能增长阶段,动能转换率近似于同平均动能变化率平衡。这意味着平均动能的增长,正压过程在起作用。 文中还研究了动能转换率对k=1～6波增衰的作用,结果表明:它对波动的增长不起作用,但对波动的衰退起到足够的贡献。 最后,对波动的增衰同平均动能和涡动动能的中期变化之间的联系进行了讨论。     

The Effect of Moisture on the Kinetic Energy Budget of a Mediterranean Cyclone

Summary  A diagnostic energetics analysis is used to study the effects of moisture-related processes on a developing cyclone over the Mediterranean. This is done by using the moist wind component to calculate the energy budget and then the effect due to wind field changes on the kinetic energy budget is illustrated. The horizontal flux convergence serves as a major energy budget source in both cases (actual and moist wind), although the magnitude values of this term are small in the case of the moist wind. Generation of kinetic energy, is generally (in the case of moist wind), a prominent sink during the life cycle of the cyclone, and its values are greater than the corresponding ones for the actual wind field except at the decay period. Subgrid-scale sources of kinetic energy provide a substantial energy gain throughout the life cycle of the cyclone. The values of the dissipation term differ from using the actual or moist components where its values are influenced by the values of the other terms in the budget. The baroclinic generation due to the divergent moist wind component offsets by 80.8% and 12.1% for the barotropic destruction of kinetic energy by the rotational moist wind component. The divergent moist wind component was found to be very important in the synoptic-scale environments of the cyclogenesis. Both demonstrate that the divergent moist wind component is as important as the rotational moist wind component in producing generation and horizontal flux divergence of kinetic energy. Generation of kinetic energy by the divergent moist wind component seems to be a major factor leading to the creation of upper-level wind maxima north of the storm areas. Thus, these diagnostic findings suggest possible modifications to the wind field by investigating the role of the divergent moist wind component and may also be fruitful in exploring the effects of cyclogensis on the large-scale environment. Received April 27, 1998/Revised April 23, 1999     

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation in a warmer climate

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation are assessed for the northern winter season (DJF) in a warmer climate, using the outputs of four climate models from the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 3. The energetics changes are characterized by significant increases in both the zonal mean and eddy components for the barotropic and the deeper baroclinic modes, whereas for the shallower baroclinic modes both the zonal mean and eddy components decrease. Significant increases are predominant in the large-scale eddies, both barotropic and baroclinic, while the opposite is found in eddies of smaller scales. While the generation rate of zonal mean available potential energy has globally increased in the barotropic component, leading to an overall strengthening in the barotropic energetics terms, it has decreased in the baroclinic component, leading to a general weakening in the baroclinic energetics counterpart. These global changes, which indicate a strengthening of the energetics in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), sustained by enhanced baroclinic eddies of large horizontal scales, and a weakening below, mostly driven by weaker baroclinic eddies of intermediate to small scales, appear together with an increased transfer rate of kinetic energy from the eddies to the zonal mean flow and a significant increase in the barotropic zonal mean kinetic energy. The conversion rates between available potential energy and kinetic energy, C, were further decomposed into the contributions by the rotational (Rossby) and divergent (gravity) components of the circulation field. The eddy component of C is due to the conversion of potential energy of the rotational adjusted mass field into kinetic energy by the work realized in the eddy divergent motion. The zonal mean component of C is accomplished by two terms which nearly cancel each other out. One is related to the Hadley cell and involves the divergent component of both wind and geopotential, while the other is associated to the Ferrel cell and incorporates the divergent wind with the rotationally adjusted mass field. Global magnitude increases were found in the zonal mean components of these two terms for the warmer climate, which could be the result of a strengthening and/or widening of both meridional cells. On the other hand, the results suggest a strengthening of these conversion rates in the UTLS and a weakening below, that is consistent with the rising of the tropopause in response to global warming.     

东海近海台风发生发展的动能收支

用2.5×2.5经纬距热带网格资料,对东海近海台风(以8211号台风为例)的动能收支进行了分析研究。初步结果表明,台风是一个强大的动能源,其发生发展不同阶段的动能平衡有着较大的差异,平均环流和涡动过程在台风的发生发展各不同阶段的作用不同。我们发现的主要事实有二,(一)在台风发展过程中,其中层有明显的动能制造过剩;(二)动能制造量的变化与台风未来的强度变化有关,具有一定的预报指示意义。      

非均匀风场与急流强迫的水体涡旋动力特征模拟

通过数值模拟有限区域水气界面由强迫作用驱动形成的水体涡旋及环流动力结构特征,分析非均匀风场、水体急流、两者叠加以及环境边界和地转偏向力等因子的综合影响,探讨此类水体涡旋结构和动力特征。风应力驱动的水体涡旋尺度大,相对深厚,正涡旋具有下凹表面,负涡旋具有上凸表面。水体急流驱动的涡旋形成在急流两侧,对应急流所在深度及厚度尺度相对较小,也较浅,但流速与强度均大于风场驱动的涡旋环流。地形阻挡起着引导涡旋环流走向的作用;同时在北半球地转偏向力对急流侧向负涡旋形成和强度增强更为有利。此外正涡旋对应的辐合辐散势函数强于负涡旋,有利于正涡旋区垂直上升运动强于负涡旋中垂直下沉运动。非均匀风场及水体急流两种强迫叠加作用下,涡旋数量增加、尺度减小,底层的流场形态及强度与表层差异增大。形成的水体涡旋结构呈现多种形态：深厚的整层一致;浅薄的仅维持在上层,或上下层环流相反等。风应力驱动的涡旋以正压性为主,水体急流驱动的涡旋因急流的垂直强切变而具有强的斜压性,在正斜压动能的转换中,正压性涡旋区有斜压动能向正压动能转换,斜压性涡旋区有正压动能向斜压动能转换,均有利于这两个区域正负涡旋的维持。