“海棠”台风(2005)暴雨过程数值模拟及位涡分析

采用WRF模式对2005年"海棠"台风登陆福建省前后24h内所造成的降水过程进行了数值模拟,在此基础上,利用模式输出结果,借助位涡理论分析位涡与台风低压流场及降水的关系,并结合对风场、相当位温、相对湿度等诊断量的分布特征分析,探讨了台风强降水的发展和维持机制。结果表明,310K等熵面上高位涡发展演变较好反映了台风低压系统路径移动以及强度变化的过程。暴雨中心主要出现在位涡大值区及其偏东北方向,且位涡气块回旋少动,与暴雨的发展维持密切相关。高位涡区主要位于等熵面坡度和梯度最大处,当等熵面上下贯通,对流层高层的高位涡沿等熵面下传,形成位涡柱时,有利于暴雨增幅。台风环流内水汽充足,上升运动强烈,也有助于此次台风降水强度持续强大。     

对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析

通过对９６０８号台风低压及其外围暴雨位和等熵面上物理量场的分析,揭示了台风低压北上诱发暴雨过程的位涡场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用,给出此次暴雨增幅过程的图像。分析表明：对流层低层中高纬度冷空气（高位涡）扩散南下在台风低压环流区附近的“侵入”作用是此次特大暴雨过程的最重要的原因之一;等熵面位涡的分析进一步说明了中高纬地区冷空气的活动状况;对流层高层或平流层低层位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放     

台风碧利斯的位涡场分析

利用WRF数值模式对2006年7月14-15日由0604号登陆台风碧利斯（Bilis）引发的特大暴雨过程进行了数值模拟，分析了这次暴雨产生的原因。结果表明：台风自身的非对称结构是暴雨维持的机制；位涡倾斜下传致使深对流出现；低层暖湿空气沿湿等熵面的爬升与下沉冷空气交汇，对流强烈发展，产生暴雨。     

9012号台风暴雨过程的位涡分析

通过９０１２号台风登陆前后等熵面位涡图和位涡剖面图的分析，研究了台风的位涡场结构以及它登陆后与中纬度天气系统相线作用过程中的演变特征，结果表明：台风的位涡结构为一深厚的高位涡“柱”对流层的高低中有一个高位涡中心；中层高位涡平流或正位涡平流随高度增加以及等熵面上的初变线可作为定性判断台风和外围暴雨落区的一个指标，中纬度系统对９０１２号台风的作用，主要在于冷空气进入台风环流的导致台风迅速减弱消亡，等熵     

一次西南涡暴雨的位涡分析

利用NCEP提供的FNL再分析资料对2013年5月25—26日发生在我国中东部西南涡暴雨过程的初期阶段进行了位涡分析,结果表明:高原槽附近异常高位涡,促进了低层西南涡前期的发展,这对西南涡前期的预报有很好指导意义;西南涡发展前期,强降雨中心湿位涡正压子项自低层至高层呈现出"负—正"的分布特征,湿位涡斜压子项在中低层有强负值中心,反映出低层对流不稳定和垂直风切变对于对流性降水的促进作用;西南涡发展阶段,湿位涡正压子项正值中心呈现出倾斜漏斗状,斜压子项在降雨中心低层出现了强负值中心;强降水中心与低层扰动湿位涡负值有较好的对应关系,对于强降雨落区的预报提供了一种参考。     

等熵位涡在一次淮河流域大暴雨分析中的应用

利用NCEP/NCAR 1°×1°逐日再分析资料、常规气象观测资料,通过等熵位涡理论对淮河流域2009年9月24—25日的大暴雨过程进行分析。结果表明:淮河流域对流层低层的中尺度低涡的发生发展与此次暴雨密切相关;315 K等熵位涡高值中心的移动和强度变化很好地反映出中尺度低涡系统的发展变化情况,其移动方向与雨带走向一致,降水落区主要位于等熵位涡高值中心轴线移动方向右侧的强西南气流处,对应于345 K等熵面上干冷空气移动方向前部的暖湿区内;在暴雨发展强盛时期,淮河流域暴雨区上空从对流层高层至低层均存在明显的正等熵位涡平流,干冷空气的侵入使得低涡加强发展,辐合上升运动增强,有利于暴雨的增幅,这是引发此次暴雨过程重要的触发机制。     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.     

一次西南涡暴雨的湿位涡诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料对2013年5月25~26日发生在我国中东部大范围的暴雨过程进行了湿位涡诊断分析,结果表明:(1)暴雨发生时低层湿位涡明显增加,湿位涡正压项自底层至高层呈现出“负-正”的分布特征,湿斜压项负值中心的演变反应出斜压性在强降水发生时所起的重要作用;(2)本次暴雨过程分两个阶段,第一阶段主要是因为强垂直风切变作用,使得降水具有强对流特征;第二阶段则是由于斜压性作用,降水分布广、持续时间长;(3)干冷空气沿着等熵面向下入侵到低层负位涡之上会导致对流不稳定度进一步加大,垂直运动发展使得低层水汽抬升,凝结潜热释放有利于中低层低涡的维持和发展。      

台风外围偏东气流中的暴雨及其等熵位涡特征

0414号台风"云娜"在浙江登陆后迅速减弱为台风低压,48 h后台风低压北侧偏东气流区域出现了暴雨,当时暴雨区中低层850,700和500 hPa没有辐合系统,而且暴雨出现前较强冷空气影响该区域,已使这里的位势不稳定减小,因此动力抬升和位势不稳定条件均不利于暴雨的产生。为了探讨这种情况下暴雨形成的原因,应用常规报文和1°×1°的NCEP再分析资料,对此次暴雨产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明:中层台风低压倒槽的移速快于低层,在暴雨区形成了一支自下而上向西倾斜的上升气流,暴雨区上空恰好存在着对称不稳定,斜升气流引起了对称不稳定能量的释放,使倾斜对流发展,提供了产生暴雨所需的动力和不稳定条件。而台风外围较强的水汽输送为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。等熵位涡分析表明,大值位涡带与降水区有较好的对应关系。正位涡异常中心的出现对降水的发生发展具有指示意义。     

切变线暴雨过程中湿位涡的中尺度时空特征

利用中尺度数值预报模式MM5V3.6,对2005年9月19—21日发生在山东中南部的区域性切变线暴雨天气过程进行了数值模拟。并用高时空分辨率的模式输出资料,对此次暴雨过程的湿位涡场特征进行了诊断分析。结果表明:θse面陡立易导致湿斜压涡度的发展,形成θse陡峭密集区,密集区内容易发生暴雨。通过湿位涡的分析,揭示了暴雨过程中湿位涡的中尺度演变特征和空间结构,表明切变线暴雨的发生发展与湿位涡的时空演变有很好的联系。暴雨主要出现在850hPa的ζMPV1负值区和ζMPV2正值区等值线密集区附近,降水中心位于ζMPV1负值中心前部对流不稳定区中。     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

台风海棠造成河南暴雨过程的位涡分析

采用NCEP／NCAR再分析资料对2005年台风海棠影响河南所造成的三个阶-RCS区域性暴雨进行位涡分析，揭示了此次台风暴雨产生的机制。结果表明：台风海棠低压环流呈现为高位涡结构。它造成的河南第一个阶段强降水是在台风东北部的东南急流南侧产生的；第二和第三个阶段是由于台风到达较高纬度后，与西风带高位涡冷空气相互作用而产生的远距离暴雨。同时，高空西风急流的南移有利于高位涡的向南输送，对于暴雨的增幅具有促进作用。     

0103号和0104号台风暴雨过程的螺旋度和位涡分析

利用螺旋度和位涡对 0 10 3号和 0 10 4号台风过程进行分析 ,结果表明 :暴雨位于正螺旋中心右侧 ,当负螺旋度转为正螺旋度并增加时 ,将出现台风低涡暴雨 ,当螺旋度减小并由正转负时 ,暴雨也趋于结束 ;正螺旋度中心位于登陆台风移动路径的前方。台风中心上空对应正的干位涡 (PV)大值中心 ,而湿位涡 (MPV)与暴雨的关系更为密切 ,70 0 HPA以下 MPV为负 ,70 0 HPA以上 MPV为正 ;台风低涡暴雨位于正负 MPV2中心之间的低值区     

远距离台风暴雨过程分析

利用NCEP再分析资料,对2005年7月22-23日由台风"海棠"外围东南急流造成安阳东部和濮阳地区的大暴雨过程进行了分析。结果表明,远距离台风暴雨区位于对流有效位能高值舌区与低层垂直螺旋度大值带重合的区域及325 K等熵位涡的高值区域。     

登陆台风等熵面位涡演变的数值模拟研究

选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.引入Ertel等熵面位涡收支方程,深入分析了登陆台风结构演变的过程中绝热与非绝热作用对对流层低层位涡局地变化的影响.研究表明:台风温妮深入内陆的过程中,对流层低层台风中心西北侧位涡增长,且大值中心不再与台风中心重合;由于摩擦和非绝热加热的存在,对流层低层位涡不守恒,其局地变化主要决定于位涡的水平平流(守恒项)、位涡的垂直平流、加热的垂直微分(非守恒项)的分布;台风温妮变性前后,对流层低层位涡的守恒性逐渐减弱,非守恒项尤其是加热的垂直微分对位涡的局地增长的正贡献不断增强直至占有主导地位.     

2009年豫南一次强暴雨过程的位涡方程诊断分析

利用中尺度WRF模式、NCEP/NCAR再分析格点资料及常规气象观测资料,对2009年8月28—30日河南省南部一次强暴雨过程进行中尺度数值模拟,借助模式输出的模拟数据计算位势涡度及位势涡度方程收支,并利用位涡收支方程对此次暴雨过程进行诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程的模拟效果较好,模拟暴雨强度及落区与实况较一致,位势涡度能够较好地反映此次暴雨过程的动力及热力特征。位涡异常高值区与暴雨中心有较好的对应关系,暴雨中心大致位于位涡高值中心东南侧。位涡收支方程中各收支项同样能够反映此次暴雨过程的动力、热力性质。暴雨发展过程中大气中低层位涡局地增加,位涡局地变化大值中心驿应暴雨中心。各收支项中,引起中低层位涡局地变化的贡献主要来源于潜热加热作用、水平平流作用、垂直输送作用及摩擦作用。其中潜热加热与水平平流作用对暴雨中低层正变位涡起正贡献作用,潜热加热作用有利于位涡局地增加,水平平流作用易于低层位涡向流场辐合区聚集,引起局地位涡增加;垂直输送及摩擦作用对中低层位涡变化表现为负贡献作用,垂直作用易于将中低层位涡向高层输送,使得低层位涡减小,高层位涡增加。在摩擦作用下,低层位涡被大量耗散,使得中低层位涡局地减小。     

一次大范围暴雨过程的诊断分析

用ECMWF 0.75°×0.75°, 6 h间隔再分析资料、地面加密观测资料、Micaps资料和云图T_BB资料, 对2012年8月20日一次大范围暴雨过程进行诊断分析。结果表明:本次大暴雨过程是在高层急流入口辐散和中低层的低槽切变线的耦合作用以及台风的间接影响使得低槽系统移动缓慢和提供水汽的有利条件下产生的。暴雨带中水汽主要来源于南海和东海。从等熵位涡、湿位涡和总能量分析说明这次暴雨和大暴雨是在水汽条件充沛条件下, 对流不稳定叠加斜压不稳定和对称不稳定等共同作用下, 产生暴雨-大暴雨。另外, 南北两支气流在暴雨区强烈辐合(南侧为上升运动, 北侧为下沉运动)也起到了重要作用, 且总能量垂直廓线与雨团中心对流强度和强降水时段对应较好。低层东海东南暖湿气流和干冷的东北气流对本次大范围暴雨过程的产生起触发作用。     

A Review of Potential Vorticity and its Possible Application in the moist Atmospheric Flow

Potential vorticity (PV) has been served as a powerful and useful dynamic tracer for the understanding of the large-scale dynamics and synoptic variations in the atmosphere and oceans. Significant progress has been made on the application of PV. In recent decades there has been a substantial amount of work done on PV in a general moist atmosphere. In this paper PV and the generalized moist potential vorticity (GMPV) and their application in the tropical cyclones and mesoscale meteorological field are reviewed. The GMPV is derived for a real atmosphere (neither totally dry nor saturated) by introducing a generalized potential temperature instead of the potential temperature or equivalent potential temperature. Such a generalization can depict the moist effect on PV anomaly in the non-uniformly saturated atmosphere. A new convective vorticity vector (CVV) is introduced in connection with GMPV in order to diagnose the development of tropical deep convections.