一次飑线过程对流稳定度演变的诊断分析

针对2016年5月2日发生在华东地区的一次飑线过程,利用WRF模式进行高分辨率数值模拟。在成功模拟飑线发生、加强和移动的基础上,对此次过程中对流不稳定特征以及引起对流稳定度变化的原因进行诊断分析。结果表明:（1）在降水发生前,低层大气表现为对流不稳定;降水发生后,对流不稳定能量得到释放,大气趋于稳定。为了分析引起对流稳定度变化的原因,推导了局地直角坐标系中相当位温垂直梯度的倾向方程,其中位势散度是引起位势稳定度局地变化的主要强迫项。在弱降水区,低层位势散度为负值,有利于增强位势不稳定;强降水区及其前沿为位势散度正值区,倾向于抑制位势不稳定。在强降水区低层,位势散度的主要分量为垂直风切变项,代表垂直风切变和大气湿斜压性的综合作用;高层的主要分量为散度项,代表水平散度和位势稳定度的耦合作用。（2）位势散度能综合表征降水区上空垂直风切变、大气湿斜压性、水平辐合辐散和大气位势稳定度变化等特征,因而与降水联系紧密。本文利用位势散度对飑线降水进行预报,结果表明,位势散度与小时观测降水在时间和空间上吻合较好,对降水区有一定的指示意义,可以为飑线降水业务预报提供参考。     

台风“莫拉克”登陆前后的动力诊断分析

利用NCEP 0.5°×0.5°每日4次的全球预报场分析资料GFS(Global Forecast System)、日本MTSAT静止红外卫星云图,对2009年第8号台风"莫拉克"在台湾登陆前后的演变特征进行了动力学诊断分析。结果表明:(1)由于近台风中心附近对流层中低层存在切向风大值区中心,使得水平位涡通量散度项在其内侧分布密集。(2)近台风中心低层的负水平位涡通量散度项指向正水平位涡通量散度项,可以很好地示踪台风在海上的移动。(3)p坐标系下的负垂直位涡通量散度密集区可作为分析台风移动的一个重要参考指标。通过涡度方程讨论了决定台风对流层中低层气旋性涡度变化的主要因子,指出南海、华南沿海地区夏季西南气流与台风的耦合对台风结构、路径产生了重要的影响。     

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.     

一次早台风暴雨的湿位涡分析

对0601号早台风暴雨进行湿位涡分析,结果表明：台风移向高空槽的过程中,冷空气在台风登陆前以高MPV1柱的形势下传使得台风低层环流对流稳定度减小、湿斜压性增大,导致垂直涡度显著发展,暴雨增幅。特大暴雨发生在台风低层出现MPV1锋区的时段,低层大范围正MPV1区的出现预示着强降水的结束,暴雨落区与低层正MPV2分布相一致。     

一次早台风暴雨的湿位涡分析

对0601号早台风暴雨进行湿位涡分析,结果表明:台风移向高空槽的过程中,冷空气在台风登陆前以高MPV1柱的形势下传使得台风低层环流对流稳定度减小、湿斜压性增大,导致垂直涡度显著发展,暴雨增幅。特大暴雨发生在台风低层出现MPV1锋区的时段,低层大范围正MPV1区的出现预示着强降水的结束,暴雨落区与低层正MPV2分布相一致。     

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料（ERA-40）,从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在“深冬抑制”现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的“深冬抑制”现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80％,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的直接原因。     

2016年"7.19"京津冀极端降水系统的动热力结构及不稳定条件分析

利用NCEP/NCAR 的GFS再分析资料,结合中国气象局气象信息中心提供的全国自动站观测降水量资料、CMORPH卫星反演降水资料、FY2反演降水资料和雷达定量估测降水产品融合的降水资料,对造成2016年7月19~21日北京—天津—河北（以下简称京津冀）地区的极端降水天气系统动热力结构演变以及不稳定条件进行了诊断分析,揭示了京津冀地区上空不同气压层上天气尺度系统的配置,水汽条件,降水发生的垂直运动条件及不稳定层结演变情况。结果表明:（1）500 hPa呈现东高西低的环流形势,与700 hPa低涡和高低空急流相配合,副高北抬阻挡华北地区低涡的东移,导致低涡在京津冀地区停滞是此次降水发生的环流背景;（2）低层的低涡东移发展与中高层正涡度叠加对暴雨发生有重要作用;（3）引用位势散度分析对流不稳定度变化的原因表明,降水区后部的京津冀西南地区,低层的位势不稳定主要由位势散度的水平风垂直切变部分决定,代表水平风垂直切变和大气湿斜压的共同作用,弱降水区以及降水区后方的低层位势散度为负值,有利于该区域位势不稳定加强,强降水区及降水区前方位势散度为正值,抑制了位势不稳定发展。位势散度变化可以通过影响大气稳定度变化进而影响降水落区,位势散度的高值区对应了降水大值区,尤其是700 hPa位势散度对降水落区有很好的指示作用,可以结合位势散度的变化对降水落区进行预估。     

副热带高压对登陆台风等熵面位涡演变影响的数值模拟研究

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。采用Davis et al.(1996) 提出的片段位涡反演方法, 提取具有副热带高压物理意义的位涡扰动, 采用片段位涡反演的方法, 改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度, 并引入Ertel等熵面位涡收支方程, 深入分析不同强度的副热带高压环流系统在登陆台风结构演变的过程中等熵面位涡的守恒性, 以及守恒性与非守恒性相对作用的大小。研究表明: 台风北上深入内陆的过程中, 高空槽大值位涡源源不断的输送使得对流层低层西北侧位涡增长, 台风中心上空的辐散形势有利于台风强度的再次增强。由于摩擦和非绝热加热的存在, 对流层位涡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。台风经历变性及再增强的过程中, 其影响范围内位涡守恒性经历了先减弱后增强的过程, 非守恒项中位涡的垂直平流能较好地描述对流层中层位涡局地变化趋势, 而加热的垂直微分则在对流层低层和高层表现良好。副高强度的加强使台风加速北上, 加快了台风变性速度, 高层位涡的向下输送明显提前且强度增强, 位涡守恒性的破坏、 重建也相应提前, 位涡垂直平流的整层负值减小, 加热垂直微分对对流层低层位涡增长的正贡献加强, 且持续时间更长。     

贵州暴雨的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论，对2004年贵州的6次暴雨过程进行分析，讨论了湿位涡与贵州暴雨的关系，结果表明暴雨的发展与湿位涡的变化有很好的对应关系：0e面陡立且南侧暖湿气流活跃，易导致湿斜压涡度发展，密集区内暴雨容易发生。湿空气对流活动层仅能达到500～600hPa之间。对流层高层及平流层高位势涡度下传有利于位势不稳定能量的释放，从而造成强对流天气。对流层低层湿正压项负值区的移动反映了强对流过程位势不稳定能量的释放过程，湿斜压项的高值中心区与暴雨的落区相一致，为暴雨强度和落区的预报提供了一定的参考。     

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。      

关于大气运动湿位涡不守恒性问题

本文建立湿位涡方程、提出不守恒基本判据、分析不守恒运动的动力特征,尤其指出在湿中性层结区域非绝热加热和外作用力场对运动的激发作用。     

从有效位能变化来分析ElNino的年代际变化

利用近50a的美国Maryland大学全球海洋同化分析资料和NCEP全球大气再分析资料，分析了与ElNino相联系的热带太平洋有效位能（APE）的时空演变过程，从有效位能变化角度揭示了50年来ElNino的年代际变化特征。结果表明，热带太平洋ElNino年代际变化特征主要表现为在20世纪70年代末期以前与其后的显著不同。在有效位能异常变化的振幅和频率方面，20世纪70年代末期以后，振荡的振幅显著增,大直频率变慢。在有效位能异常变化的振幅和频率方面，70年代末期以前，ElNino事件的先兆是有效位能先在热带西太平洋异常积累，然后这些积累的有效位能沿赤道快速向东传播并释放能量，使得东太平洋出现能量的异常，东太平洋的有效位能减少，产生ElNino事件；70年代末期以后，ElNino事件的建立没有表现异常的有效位能在热带西太平洋的积累，其建立表现为赤道中太平洋直接出现的局地有效位能的异常，然后表现为不稳定海气耦合模态增幅性地缓慢向东传播，使得东太平洋的有效位能减少，发生ElNino事件。     

关于等熵位涡应用的一点认识

位涡、湿位涡及其守恒开启了(湿)位涡理论的较广泛应用,使(湿)位涡成为天气系统、天气现象演变的重要诊断物理量,能有效解释一些天气系统、天气现象的演变。为合理应用(湿)位涡及等熵位涡思维,简单分析了气象常用坐标中位涡、湿位涡表达式的限制性条件,强调此条件与(湿)等熵坐标成立的条件相同,指出z 坐标(湿)位涡与p、θ(θse)坐标(湿)位涡存在物理差异。在θ(θse)坐标中,气块的水平速度是相对水平面(地面)的移动速度,而非气块沿着等θ(θse)面的移动。在(湿)等熵位涡分析中,(湿)等熵位涡强度的变化,是平流、垂直输送以及非绝热过程的综合作用,不能简单归因为只由高层的(湿)等熵位涡异常向中低层传输、或中低纬的(湿)等熵位涡异常向高纬传送所造成。     

罗-辛假相当位温的精确计算

综合分析罗斯贝、辛普森、拉欣和桑德斯等关于空气的干绝热和湿绝热过程的研究,从定义出发,严格推出罗-辛假相当位温（θ_ses）的精确计算公式,包含罗斯贝假相当位温（θ_se）与辛普森假相当位温（θ_ss）,编制出5种假相当位温变量表,对比分析了文献[12]及其计算结果与本文相应结果的差异,并分析指出差异的原因。      

DIAGNOSIS OF THE DEVELOPMENTAL MECHANISM OF THE EXTRATROPICAL TRANSITION OF A TROPICAL CYCLONE USING POTENTIAL VORTICITY INVERSION OF FRONTOGENESIS

This paper diagnoses and analyses the developmental mechanism of a process of extratropical transition of a tropical cyclone which occurred over West Pacific Ocean based on a diagnosis method of potential vorticity inversion of frontogenesis.The study diagnoses quantitatively the role and effect of dynamic influence of westerly cold troughs,middle-latitude baroclinic frontal zones,cyclone cycles and unbalanced wind fields during the different stages of the extratropical transition of a tropical cyclone,and also discusses the interaction between them and the developmental mechanism.The results show that there are different developmental mechanisms during each stage of the extratropical transition and the processes are also unbalanced.     

THE THEORY OF MOIST POTENTIAL VORTICITY AND ITS APPLICATION IN THE DIAGNOSIS OF TYPHOON RAINFALL AND INTENSITY

This paper tests the impacts of cloud-induced mass forcing on the moist potential vorticity (MPV) anomaly associated with torrential rains caused by Typhoon No.9914 (Dan) by using fine model simulation data outputted by the Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5). The diagnostic results show that the positive MPV anomaly region, which is obtained by integrating the MPV from 600 hPa to 300 hPa in the vertical, roughly coincides with the precipitation at their synchronous stages either in position or in the distribution pattern, and the maximum positive MPV area of Dan is located mainly between 600 hPa and 300 hPa, which is much higher than torrential rain cases. Further analyses also showed that the value of positive MPV anomaly increased or decreased with the development of Dan, and the positive MPV anomaly may also be served as a tracer to indicate the evolution of tropical cyclone intensity.     

POTENTIAL PREDICTABILITY OF MONTHLY PRECIPITATION OVER CHINA

In this paper,based on the data at 70 stations selected evenly over China for 31 years from1961—1991.three methods to estimate climatic noise have been discussed and then the climaticnoise and potential predictability of monthly precipitation(January.July.April and October)havebeen examined.The estimating of climatic noise is based on the method of Madden and improvedmethods of Trenberth and Yamamoto et al.(1985).The potential predictability is approximatedby the ratio of the estimated interannual variation to the natural variation.Generally.the climaticnoise of monthly precipitation over China has obvious seasonal variation and it is greater in summerthan in winter,a bit greater in autumn than in spring.In most areas,the climatic noise isprominently decreasing from south to north and from coast to inland.The potential predictabilityof monthly precipitation also has obvious seasonal and regional difference,but the potentialpredictability is greater in winter than in summer in most parts of China.Whereas the comparisonof spring and autumn is not obvious.Comparing with the method of Madden,the estimated valuesof climatic noise based on the improved methods of Trenberth and Yamamoto et al.are relativelylower.     

LOCAL POTENTIAL AND PRINCIPLE OF VORTICITY CONSERVATION

In this paper,the local potential of nondivergent flow on beta plane is derived from the motion equa-tion.The conservation principle for vorticity is obtained when the local potential tends to be minimumwith the variational technique.Some other properties st,ch as Lagrangian of vorticity equation,energyetc.are also discussed briefly in the paper.