非绝热二维滞弹性流体的动力稳定性

采用滞弹性近似下的二维滞流体动力学方程组，讨论了中尺度对称扰动的动力稳定性，得到其绝热情况下对称不稳定的判据条件。研究结果表明，相对于浅对流的情况而言，深对流情况下对称不稳定的条件更为苛刻一些。在考虑非绝热加热时，扰动增长率随其波长的变化会产生间断现象，中低层加热明显对中－β尺度扰动具有激发增长的作用，并且促使扰动向暖区传播，而中高层加热则具有一定的差异性。     

基于波作用方程的南疆西部干旱区暴雨的组织化机理研究

本文采用位涡波作用密度和波作用方程,对一次南疆西部干旱区暴雨的组织化过程和机制进行了诊断研究,对影响暴雨对流系统组织化的关键物理过程进行了分析和讨论。位涡波作用密度耦合了多种影响对流云体演变的大气动热力扰动,能够良好描述对流系统的组织化过程。以此为基础,描述位涡波作用密度变化的波作用方程能够用来研究驱动对流系统组织化发展的物理因素。研究发现,波作用方程诊断得到的多个物理过程与扰动斜压性、扰动风切变和扰动涡度的发展演变有关,表明它们对对流组织化有重要作用,多条东西向的对流线发展为东北—西南向的带状对流系统过程中,包含强对流的维持和南北尺度的增大。对流线在东北向弱对流的发展增强与基本态气流对强对流区的热力输送引起扰动斜压性增强有关。影响对流线中部强对流的维持和南北向发展的关键过程包括:上升、下沉气流引起的热力输送导致对流线内扰动斜压性增强,扰动西风与扰动东风形成气旋性环流引起经向切变环流增强,及扰动经向风将扰动纬向风切变向对流中心区输送引起纬向切变增强、垂直环流增强。该研究表明,对流系统的组织化是大气多种动热力扰动演变和配合的结果,通过波作用演变方程能够比较清晰体现其中的关键过程,且波作用方程为波作用密度倾向,未来可探讨其对对流系统组织化的预报意义。     

WAVE-CISK对称不稳定谱点分布的半圆定理

采用滞弹性近似研究了WAVE-CISK下对称性扰动的谱点分布,得到了WAVE-CISK下对称不稳定扰动谱点分布的半圆定理,用其可估计该对称不稳定增长率的上界.发现存在WAVE-CISK时加热反馈和层结参数对该不稳定的增长率均有重要影响.WAVE-CISK加热反馈越强、基流的垂直切变越大,扰动的垂直结构越简单则该不稳定增长率的上界就越大.存在WAVE-CISK时滞弹性近似下的对称不稳定发生的条件也较Boussinesq近似下的更苛刻.     

三维非均匀涡旋流上中尺度扰动的发展

从适于研究深对流运动的柱坐标系非弹性近似（ａｎｅｌａｓｔｉｃａｐｐｔｏｘｉｍａｔｉｏｎ）方程组出发,利用ＷＫＢＪ方法导出了包含径向辐合辐散及垂直运动的、非梯度风平衡、非静力平衡、非轴对称三维非均匀时变涡旋基流上扰动的波作用量方程,并对中尺度扰动的发展作了定性讨论．     

暴雨系统中环境涡度场与散度场之间相互关系

观测事实和理论研究表明,暴雨系统的形成和发展与环境涡度和散度的分布和演变有十分密切的关系。因此用涡度方程和散度方程来诊断和分析流场结构比其它方程(如动量方程)更为直接,物理意义也更加清楚,这就吸引气象学者把它用于分析实践。如Matsumoto等用完全涡度方程和散度方程各项来诊断中尺度系统发展过程中对流活动的作用;Schaefer选取散度方程中与发展有关的项来诊断未来风暴的发生,发现其相关率可达90％以上。我国学者也研究过散度方程各项的大小以及某些重要项对暴雨形成的作用。鉴于涡度方程和散度方程在气象中常采用其近似关系式,故本文对方程各项进行     

风速垂直切变环境中对流运动和水平涡度的数值研究

在y-z平面上,用积云动力方程组和涡度方程联合的二维模式进行数值试验,得到以下结果: 1.切变环境中,对流运动引起水平涡度的机制是辐合作用和倾斜作用。 2.水平涡度的强度和切变强度成正比。 3.倾斜项形成对流单体南北两侧一对反对称的涡度分布,辐合项使该涡度的水平分布更符合实际观测到的结果。 4.大气密度随高减小是涡度最强值能稳定在对流运动中下部的原因。 5.涡度的最强发展阶段的时间尺度和对流运动发展的时间尺度相当,前者落后约3分钟。 计算结果和观测相比是符合的。     

龙卷诱发原因的实例分析

利用雷达、自动站等资料,对一次龙卷过程进行了讨论与研究,详细分析了龙卷发生发展过程中系统结构及环境场特征的变化,并对龙卷的诱发原因进行了动力学探讨,结果表明：龙卷发生于气旋性涡度的高度集中区,对流层中层干冷空气的入侵,构成了上冷下暖的对流不稳定结构,当风场中的强风速带移近时,风速带上激发出中气旋系列,对流不稳定的加强,促使中气旋垂直对流强烈发展,从而导致龙卷天气的产生,进一步的动力学分析表明,当存在有较强的风垂直切变时,中尺度涡度方程中的倾斜项是造成中尺度扰动涡度变化的主要贡献者,也是这次龙卷天气产生的重要原因之一。     

青藏高原低涡群发性与10～30天大气低频振荡关系的初步研究

通过统计1998年和2003年5~9月500 hPa高原低涡出现的时空位置和频数,确定出1998年和2003年的低涡群发期,着重讨论1998年夏季500 hPa相对涡度场、射出长波辐射(OLR)的10~30天低频振荡特征。结果表明:高原低涡的发生具有群发性特点,低涡群发期的出现具有周期性特征。低涡群发期与10~30天大气低频振荡有密切联系,尤其是10~30天振荡对低涡的群发具有重要影响。绝大多数高原低涡出现在10~30天大气低频振荡的正位相(气旋性)位相期和对流扰动的负位相(对流性)位相期,高原低涡群发期几乎都对应相对涡度10~30天振荡的气旋性位相期。10~30天大尺度正涡度的扰动为高原低涡的发生和维持提供了气旋性旋转的动力条件,促使高原低涡在扰动正位相期频繁发生,大气相对涡度的10~30天振荡对高原低涡的群发性具有重要的调制作用。青藏高原地区对流活动10~30天振荡的对流性位相是以低涡的群发为主要特征,高原低涡在对流位相期反复、连续地发生、发展,促使对流扰动活跃发展。     

正压过滤模式大气中的对称运动和非对称运动

把流函数分成对赤道对称和对赤道反对称的两部分,可以把正压涡度方程分离为描写大气对称运动和反对称运动的两个方程。根据它们,讨论了在全球范围内几种基本物理量,如涡度和绝对角动量等在对称和反对称情况的守恒性。还给出了这两类运动的能量收支方程和能量转换表达式。可以看出,在大气中不仅有纬圈平均动能和扰动动能之间的转换,也有对称运动产生的和反对称运动产生的动能之间的转换。 还在涡度方程中考虑地形和水平扩散的情形下,提出了大气非对称性质产生的机制。结果表明:非对称的地形分布和水平扩散系数的分布可能是导致非对称运动的原因。 最后,还对全球预报和半球预报,从物理观点作了理论比较。     

夏季青藏高原低涡的能量场分析

本文采用视热源方程，视水汽汇方程，扰动能量方程和涡度方程对1979年6月的三次低涡进行了分析和研究，得到了以下结论:在低涡生成和发展过程中，积云和乱流引起的总热量的垂直涡旋输送很大。当大气处于条件不稳定时，γs＜γ＜γα，积云和乱流的这种输送结果，使得低涡的正涡度增长上升到较高层次；另外，积云和乱流对总热量的垂直涡旋输送使得低涡内扰动有效位能增加，然后向扰动动能转换，使低涡得以生成和发展。     

DEVELOPMENT OF MESOSCALE DISTURBANCE IN THREE-DIMENSIONAL INHOMOGENEOUS VORTEX

Starting from the anelastic equations describing deep convection in cylindrical coordinates, the WKBJ method is used to discuss the stability of asymmetric three-dimensional inhomogeneous vortex under the conditions of nonhydrostatic and non-equilibrium gradient wind. From the equation of wave action, the development of disturbance is qualitatively analyzed.     

斜压气流的中尺度稳定性 Ⅰ.对称不稳定

本文是“斜压气流的中尺度稳定性”的第一部份,讨论斜压基流对平行型中尺度扰动的稳定性,寻找弱稳定层结大气中出现带状中尺度扰动的可能性及其对深厚对流云系的启动和组织作用。 用非弹性近似(anelastic assumption),导出适于用广义矩阵法及打靶法解特征值问题的理想大气扰动方程,并在线性风,双曲正切型风及飑线发生前的实测风分布下,计算出中尺度不稳定谱及特征扰动结构,通过能量分析,说明斜压性在产生这种非地转惯性对流中的作用。     

The mesoscale balance and imbalance and the corresponding potential vorticity inversion from the view of helicity

The static balance and the geostrophic balance are the common balances in meteorology.All the synoptic systems and most of the mesoscale systems satisfy the above two balances.However,due to the strong convection and non-geostrophic feature,many mesoscale systems usually present as static imbalance,and the quasi-geostrophic approximation is no longer attainable.This paper tried to find out a kind of balance that exists for mesoscale convective system.To do this,the concrete mathematics definitions for balance and imbalance equations were defined.Then,it is proposed that the new balance equation should include the divergence,vorticity,and vertical motion simultaneously,and the helicity equation was a good choice for the basis.Finally,the mesoscale balance and imbalance equations were constructed,as well as a new balance model that was based on the helicity,horizontal divergence,vertical vorticity,continuity,and thermal dynamic equations under same approximations.Moreover,the corresponding potential vorticity(PV)inversion technique was introduced.It was pointed out that by using the PV conservation and the potential temperature conservation,the flows of the mesoscale balance model can be deduced,and their comparison with the real fields would give the degree of the imbalance.     

一次暴雨中尺度涡旋发展机制诊断分析研究

中尺度涡旋可以持续激发新对流,是造成局地持续性降水的重要系统。基于经典涡度方程的诊断无法描述热力信息对于涡旋发展的贡献。本文采用Boussinesq近似对涡度方程进行整理,将方程唯一强迫项定义为垂直速度位涡,其形式与位涡类似,利用垂直速度替换位温。进一步在垂直速度位涡倾向方程中,以气压水平梯度的形式引入热力过程的间接作用,定量描述动热力配置的贡献。以2021年6月15日发生在南疆的一次极端暴雨为例,利用高分辨率数值模拟资料,初步分析了低层动热力强迫作用向垂直涡度的传递。结果表明,垂直速度位涡的局地变化主要来自热力强迫项中低层垂直风切变与低层冷池的耦合作用,两者在降水区前侧产生大范围的正值区。该区域与垂直速度位涡的正值区重叠,促进垂直速度位涡的增长,进而维持降水前缘的正涡度,有利于产生较强的上升运动,触发新对流并造成持续性降水。     

梅雨暴雨的涡度平衡与积云对流

应用天气尺度运动,讨论梅雨期间暴雨区内的涡度平衡。在对流层下层有一个涡度的积累,对流层上层有涡度的亏损。积云对流在涡度平衡中起重要作用。给出了一个基于一维定常积云模式的对流涡度参数化方案,并和天气尺度运动的计算结果作了比较。     

一次河北大暴雨的华北低涡结构和涡度收支分析

利用Micaps系统下常规资料、云图资料和NCEP全球再分析资料,对2004年7月11-12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了诊断分析。结果表明：200hPa西风槽、500hPa华北低涡和中低层偏东风,是这场暴雨的直接影响系统,该过程中的华北低涡为低层冷心、高层暖心结构,具有随高度向西北倾斜的特征,涡度场特征明显。暴雨区对应着深厚的正涡度区,散度场结构零乱,非高层辐散、低层辐合的配置,暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500hPa以下的东北地区,水汽的源地来自渤海,低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。水平涡度平流项和水平涡度辐散项作用相反,水平涡度辐散项对总涡度起直接作用且为正贡献,而垂直平流项对总涡度贡献比较小。     

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。      

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及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。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

Vorticity budget investigation of a simulated long-lived mesoscale vortex in South China

A vorticity budget investigation is performed using the output data from a numerical simulation of a typical MCV (mesoscale convectively generated votex) case in South China. Results suggest that the divergence caused by convection in the low troposphere is the main producer of positive vorticity, while vertical vorticity transferred by the tilting term from the horizontal vorticity compensates the upward output of cyclonic vorticity. Scale analyses of the vorticity equation suggest that the advection of planetary vorticity can be neglected owing to the low latitude, which is different from the larger scale systems in high latitude areas. In addition, the distribution of relative vorticity tendency on pressure level is not uniform. A vortex will move along the vector from the negative to the positive vorticity tendency region. The mechanism of the phenomenon-that nearly all of the convectively ascending region is located southward/southeastward of the vortex center-is also discussed. Convergence with regard to latent heat release would be in favor of the spin-up of meso-vortex, however, the horizontal vorticity caused by windshear is tilted by vertical motion due to convection. Consequently, the negative and positive vorticity tendencies are located symmetrically about the convective center, which suggests that the vortex southward movement is dynamically driven by convection.