贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3.6模式对2004年5月29~30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟,模拟结果与实况基本一致。在此基础上,用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析,以解释强降水发生的物理机制。结果表明,这次降水是由多种尺度系统相互作用,高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的;高层辐散区发展、低层辐合加强,形成"抽气机"效应,低层正涡度和高层负涡度加强,垂直涡度发展,激发出次级环流;对不稳定性的分析表明,降水开始为对流不稳定能量触发,降水加强后对流不稳定层次降低,对流不稳定能量减弱;中层锋区附近θe面陡立,有倾斜涡度发展,继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展,降水加强。     

涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅱ:广义倾斜涡度发展

从位涡-位温（PV-θ）以及拉格朗日观点,引入广义倾斜涡度发展的概念研究绝热条件下的垂直涡度发展。广义倾斜涡度发展是一个与涡度发展的坐标无关的概念框架,该框架包括倾斜涡度发展。倾斜涡度发展研究当大气处于稳定或不稳定层结情形,空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程垂直涡度激烈发展。因此,倾斜涡度发展是研究强烈天气过程的涡度发展非常强的情形。此外,广义倾斜涡度发展概念澄清了涡度发展和倾斜涡度发展的区别,涡度发展和倾斜涡度发展的判别标准表明,倾斜涡度发展的要求比涡度发展的要求严格很多。在空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程,当在稳定大气中静力稳定度（θ_z）迅速减小或在不稳定大气中静力稳定度（θ_z）迅速增大,即静力稳定度（θ_z）趋于0时,如果C_D<0,那么垂直涡度将急速发展。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬的一次青藏高原低涡过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑出青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。诊断表明,2008年7月22日00—06时（世界时）青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时低涡加强发展,PV₂变化对低涡加强发展有贡献,因为此时的水平涡度（η_s）变化和斜压度（θ_s）变化都对垂直涡度发展起正贡献。而且,22日06时,330 K等熵面的倾斜涡度发展判据满足,表明倾斜涡度发展并对垂直涡度发展起重要贡献。围绕着低涡中心较强的涡度发展和倾斜涡度发展信号表明,广义倾斜涡度发展概念框架可以作为诊断天气过程的一个有用工具。     

湿位涡在云南冰雹天气分析中的应用

应用湿位涡理论, 对1997年3月云南南部频繁发生的几次冰雹天气进行了诊断分析.结果表明:在θ_e陡立密集区, 湿斜压涡度发展, 密集区内冰雹容易发生; 在降雹区低层为对流稳定的层结下 (MPV1 > 0), 有MPV2 < 0, 使湿斜压不稳定增强, 倾斜涡度得以发展; 冰雹易在MPV2负值区南侧或MPV2正值区北侧发生.     

一次西南涡影响云南强降水过程分析

通过对2004年8月4日西南涡影响下云南强降水过程的环流背景、卫星云图演变以及动力、热力条件的分析,发现这次西南涡是一个具有斜压性的极其深厚的系统,随高度前倾,高层500 hPa上的西南涡表现尤为明显,并且诱发了低层700 hPa西南涡的产生,强降水主要出现在西南涡的西南方;强降水与强上升运动区和正涡度区有很好的对应关系,并且正涡度和上升运动的出现比气旋性环流场有24 h的提前时间,对于强降水预报更具有预示性,它们是一个逐渐由高层向低层发展的过程;中-β尺度对流云团在金沙江河谷南移合并加强,形成了中-α尺度涡旋状云系,其中的对流云团在强降水中作用较大;强降水正是出现在对流层低层(MPV1 MPV2)的负值范围内,这也说明西南涡涡旋云系的发展与正压和斜压不稳定都有关系,对流层低层MPV1<0和MPV2<0有利于暴雨的发生。     

一次暴雨的湿位涡分析及EVAD技术应用

利用NCEP/NCAR再分析资料和实测资料对2004年6月24-25日的一次江苏暴雨过程进行了分析,并且根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论,对这次暴雨过程中的湿位涡进行了诊断分析,结果表明:此次暴雨由中尺度低涡、切变线直接触发产生;西南低空急流的稳定维持为这次暴雨的发生提供了重要的水汽条件;当负湿位涡向上的扰动高度增加、强度增强,高低空正负湿位涡区配合较好时常会出现强降水.另外,利用EVAD技术由多普勒雷达基数据定量计算了这次过程的平均散度场,通过分析其演变情况,发现:低层散度场由辐散逐渐向辐合过渡、高层散度场由辐合逐渐向辐散过渡时,预示着强降水将要发生,如果出现相反的变化趋势,则降水减弱或停止;低层由辐散向辐合、高层由辐合向辐散的转折出现时间早于强降水出现的时间,对强降水产生有预示作用,对预报员准确作出短时临近预报预警具有重要实际应用价值.     

2021年7月河南极端暴雨事件的位涡诊断和精细化预报

2021年7月17～22日，河南省发生一次大范围极端暴雨事件。本文利用ERA5再分析资料，基于湿位涡和倾斜涡度发展理论对此次暴雨过程进行诊断分析，并考察高分辨率全球模式天机系统及欧洲中期天气预报中心业务预报系统对此次降水过程的预报能力。结果表明此次事件是中高—低纬系统相互作用、协同影响的结果。18～19日，来自中高纬度的高湿位涡沿倾斜的湿等熵面自对流层中高层向下入侵，降温和相对湿度增加，导致河南省西北部高涡度带的形成及对流层低层倾斜湿等熵面在河南省北部建立。20日受低纬台风的影响南风增强，沿倾斜湿等熵面的上滑运动增强，导致相对涡度迅猛发展，强降水发生。天机系统对此次强降水过程的预报能力较欧洲中期天气预报中心的业务预报系统好，能为业务部门提前发布预警信号提供科学支撑。湿位涡和倾斜涡度发展理论是暴雨的诊断及预报的有力理论基础，在再分析资料及模式预报数据中与降水强度、降水落区及雨带的移动均有很好的对应。     

位涡诊断在云南夏季强降水预报中的应用

通过对云南夏季常见的"滇黔辐合型"强降水的个例分析,探讨位涡诊断在低纬高原的应用前景。发现干、湿位涡能较好地反映天气系统的演变特征,干位涡能反映冷空气活动的路径和暖湿气流的活动。高层干位涡具有向对流层低层延伸和低层干位涡具有向上伸展的特点,当高层干冷空气与低层的暖湿气流汇合,加上低层低涡切变的辐合机制,产生强烈的上升运动,这种形势极有利于对流不稳定能量的储存和释放,造成强降水。当高、低层干位涡减弱,两者相互作用减弱时,降水趋于结束。云南夏季常见的"滇黔辐合型"强降水过程的干位涡场表现在对流层中低层,高低纬呈现南北向或东北西南向高值带,当PV高值带断裂时,云南省强降水过程趋于结束。对流层低层湿位涡MPV1较PV能更好地反映对流层低层西南涡的移动和发展,在云南强降水过程中,700hPa上MPV1<0,MPV2>0。     

陕西盛夏一次强雷暴天气成因分析

利用常规气象观测资料、NCEP1°×1°逐6 h再分析资料、云顶亮温资料等对2019年8月2—4日西北涡作用下发生在陕西的一次强降水过程进行分析,结果表明：强降水发生在高原槽东移加深,副高西伸北抬的大尺度环流背景下,700 hPa西北涡是强降水产生的主要影响系统;台风“韦帕”与副高外围的暖湿气流为西北涡迅速增强提供了水汽、能量、动力条件,低层辐合、高层辐散进一步加强了西北涡发展;西南急流为强降水提供了水汽输送和不稳定能量,陕西处于θse高能区,大气上冷下暖存在位势不稳定层结;地面辐合线触发对流,陕南出现分散的对流性强降水,西北涡东移北上,低涡切变引发陕北系统性强降水;深厚的湿层、较厚的暖云有利于短时强降水出现;低涡降水云系中有对流单体生成发展,短时强降水出现在云顶亮温等温线密集处。     

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。     

一次东移西北涡暴雨过程的诊断分析

利用常规高空、地面观测资料以及NECP的1°×1°FNL资料,对2016年8月17—18日西北涡东移发展造成的暴雨过程进行诊断分析,探讨了西北涡东移演变及其引发强降水的物理机制。结果表明:西北涡是造成此次暴雨的直接影响系统。西北涡在东移过程中强度先后有两次增大衰减,两次峰值对应东西两个强降水中心。西北涡第一次增强的重要原因是台风"电母"远距离输送水汽与能量。第二次增强的原因为西北涡从内蒙古高原移至华北平原时等熵面倾斜,垂直风切变或湿斜压增加导致倾斜涡度发展。研究发现,纬向型西北涡由燕山山脉南下发展垂直涡度增强,一定条件下可以在河北地区诱发大暴雨。     

滇中暴雨的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论,对１９９８年６月滇中地区罕见的６场暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：θｅ面陡立且南侧暖湿气流活跃,易导致湿斜压涡度发展,形成θｅ陡峭密集区,密集区内暴雨容易发生;湿空气对流活动层仅能达到５００ｈＰａ至６００ｈＰａ之间,若对流层低层ＭＰＶ１〈０,同时ＭＰＶ２〉０,易产生暴雨。     

北京“7.21”暴雨过程中变形场引起的锋生与倾斜涡度发展诊断分析

从变形场驱动锋生及通过锋生引起倾斜涡度发展的角度对变形场在北京“7.21”暴雨发生、发展过程中的可能作用机制进行了初步探讨。诊断结果发现：北京地区降水产生时,变形向量与等位温线走向一致或有较小夹角,北京地区有较强的变形场局地锋生过程。锋生函数分析发现,变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献。锋生能够引发大气动力、热力结构的调整,伴随大气锋生过程的高空急流加强和转竖使得北京地区处于高空急流入口区右侧的辐散区中,其带动低层空气辐合,有助于暴雨的加强维持。分析还发现,“7.21”暴雨过程中,垂直涡度存在爆发性发展,尤其是锋面降水阶段,而大气斜压度的增长趋势与垂直涡度增长趋势十分一致。分析全型涡度方程中与变形场有关的斜压度个别变化项发现,与变形场相关的垂直涡度驱动项异常正值区与垂直涡度爆发性增长区相对应,表明变形场在北京“7.21”暴雨过程中对垂直涡度发展有重要贡献。基于变形场沿其压缩轴方向气流汇合的特点,进一步分析了加入水汽作用的水汽通量变形场与暴雨发生、发展的关系。分析结果发现,低层水汽通量变形场的正值区与暴雨具有很强的相关,且水汽通量变形场包含两部分,一部分为比湿平流,其对未来暴雨区位置有很好的指示意义;一部分为变形场项,其对水汽通量变形场分布起主要贡献。     

Vertical vorticity development owing to down-sliding at slantwise isentropic surface

Based upon the conservation of Ertel potential vorticity and moist potential vorticity, a ‘parcel dynamic’ approach is used to investigate the development of vertical vorticity of a parcel which is sliding down a slantwise isentropic surface. An accurate form of the tendency equation of vertical vorticity is deduced to interpret such slantwise vorticity development (SVD). In addition to those dynamic terms in the traditional vertical vorticity equation, the newly developed accurate form includes several thermal terms associated with the changes in stability, vertical wind shear and baroclinity. It is proved that the combinative impacts of these thermal terms on the development of vertical vorticity can be expressed by a succinct theory of SVD. According to this theory, when the horizontal component of potential vorticity and stability possess opposite signs, and the slantwise isentropic surfaces are very steep, the vorticity development of the down-sliding flow at such isentropes can be dramatic. It is also shown that in a convectively unstable and saturated atmosphere, such vorticity development must be accompanied by the development of a low-level jet. Study of a torrential rain process shows that moist potential vorticity analysis is a powerful tool in the study of torrential rain occurrence. Results from the present study are in agreement with the contentions of earlier workers that moist symmetric instability is the cause of some heavy rainbands.     

A review of major progresses in mesoscale dynamic research in China since 1999

Mesoscale research conducted by Chinese meteorologists during the past four years is reviewed.Advances in theoretical studies include (a) mesoscale quasi-balanced and semi-balanced dynamics, derived through scale analysis and the perturbation method which are suitable for describing mesoscale vortices;(b) subcritical instability and vortex-sheet instability; (c) frontal adjustment mechanism and the effect of topography on frontgenesis; and (d) slantwise vorticity development theories, the slantwise vortex equation,and moist potential vorticity (MPV) anomalies with precipitation-related heat and mass sinks and MPV impermeability theorem. From the MPV conservation viewpoint, the transformation mechanism between different scale weather systems is analyzed. Based on the data analysis, a new dew-point front near the periphery of the West Pacific subtropical high is identified. In the light of MPV theory and Q-vector theory, some events associated with torrential rain systems and severe storms are analyzed and diagnosed.Progress in mesoscale numerical simulation has been made in the development of meso-α, meso-β vortices,meso-γ-scale downbursts and precipitation produced by deep convective systems with MM5 and other mesoscale models.     

“海棠”台风远距离强降水分析

对2005年"海棠"台风倒槽造成河南特大暴雨过程的湿位涡分析结果表明:倾斜涡度发展是暴雨产生和加强的重要机制之一,暴雨产生在eθ线陡立密集区内,湿位涡在这次暴雨过程中边界层内925hPa具有MPV1>0、MPV2<0的特征,此次暴雨产生在正的MPV1中心附近,有利的地形条件在一定程度上增加了降水量。     

阿克苏北部暴雨和冰雹湿位涡对比诊断分析

应用湿位涡理论,分别对阿克苏北部2次暴雨和冰雹过程进行诊断分析。结果表明：θse面陡立易导致湿斜压涡度发展,形成θse陡峭密集区,密集区内暴雨和冰雹容易发生;850hPa MPV1〈0和MPV2〉0以及700hPa MPV1〉0和MPV2〈0,易产生暴雨,且MPV1和MPV2数量级相当,即正压过程与斜压过程同样重要。冰雹发生时850hPa MPV1〉0和MPV2〈0,由于影响系统的不同,700hPa MPV1和MPV2分布有所不同,但存在MPV1和MPV2的正负配置,有利于倾斜涡度发展。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

位涡分析在新疆暴雨预报中的应用

根据位涡理论,选取2004年7月18~20日的一次由中亚低涡造成的盛夏暴雨过程做个例分析,对位涡与新疆地区降水和暴雨的关系进行了初步研究。结果表明:对流层高层干位涡能较好地反映冷暖空气的活动及天气系统的演变特征,位涡场比温度场、高度场能更清楚地示踪冷空气,这为研究冷空气的活动,特别是冷空气在触发暴雨中的作用提供了新的思路;对流层低层湿位涡与降水的强弱有良好的对应关系,当eθ线陡立时,易导致倾斜涡度发展,出现降水;当湿位涡MPV<0时,在eθ线陡峭密集区内易出现暴雨。     

Using the isentropic analysis for the operational short-range weather forecast

The software is described, developed within the meteorological geographical information system (GIS Meteo) technology, intended for the operational plotting of isentropic analysis charts. The study of atmospheric processes is carried out by the example of a concrete event, an unexpectedly heavy snowstorm in Moscow region on December 7, 2009. It is revealed that the potential vorticity anomaly formed over Moscow region favored the generation of cyclonic circulation in the lower troposphere and the ascent of the air being close to the saturation. According to the observation data, the precipitation was of convective type, although no convective instability was revealed. The study of the equivalentpotential vorticity evolution in the lower troposphere demonstrated the presence of conditional symmetric instability causing the development of the moist slantwise convection.