山东半岛一次强降雪过程的中尺度特征

利用非静力平衡模式MM5V3．6对2005年12月3日影响山东半岛的一次强降雪过程进行数值模拟,对其中中尺度重力波（MGW）的特征进行分析。并且通过非线性平衡方程（NBE）对高分辨率模式数据进行诊断分析,较详细地说明了非平衡流的出现而引起的地转适应过程以及地形强迫对重力波产生和发展的作用,和它们对强降雪过程的影响。研究表明：这次强降雪过程中的中尺度重力波波长约为100km。相速约20m／s;在有利的大尺度环流形势下,太行山的地形强迫与非平衡流是其产生的首要机制,而冬季海陆热力差异形成的海洋的热力作用也是造成区域性强降雪的一个重要原因。非线性平衡方程（NBE）对于非平衡流的诊断在确定波动产生区域方面有比较好的指示作用;通过对波动的结构以及维持机制的分析,这次过程中的中尺度重力波符合波导条件和Wave-CISK理论框架,波动能够从环境场中得到足够的能量从而维持相当长时间,从而造成这次罕见的连续性强降雪过程。     

2007年3月3—5日辽宁省暴雪和大风天气的中尺度分析

使用中尺度数值模式WRFV2.2.1对辽宁省2007年3月3-5日的暴雪和大风天气过程进行了数值模拟,结合10min一次的地面自动观测站资料和数字化多普勒天气雷达探测资料,研究了中尺度重力波的结构及其环境场特征,探讨了波动的激发机制.对流层上层中尺度重力波生成在350-250 hPa(约9-11 km),周期为2-3h,水平波长30-40 km,波动沿水平方向传播约9h.地面气压扰动振幅约为2 hPa,周期为2-3 h,波动由西南向东北方向传播,方向与地面风向相反.沿波的传播方向,地面观测的逐时降水量呈波动特征,周期约为2h.对流层上层中尺度重力波减弱后,雷达降水回波强度出现显著的波动特征.对流层上层中尺度重力波生成在朝向脊区传播的高空急流出口区下方,300 hPa环境场具有显著的切变不稳定特征.波动生成在理查逊数小于0.25的地区,在中尺度重力波生成的高度上,暖平流强,风速低,风切变大.中尺度重力波生成地区出现显著的不平衡气流,拉格朗日罗斯贝数大于0.7,水平散度倾向出现明显的大值,其中-▽w·(e)v/(e)v的量级明显大于其他各项,表明对流层上层重力波的生成及发展与环境场的显著风切变有关.     

非地转强迫对Fitow(0114)暴雨的影响

利用非静力中尺度模式MM5对 0 114号台风Fitow从 2 0 0 1年 8月 31日 0 0时～ 9月 2日 0 0时 (UTC ,下同 )的降水过程进行了模拟研究。结果表明 ,MM5对Fitow登陆过程中暴雨落区和强度的模拟与实况比较一致。模拟结果较好地再现了暴雨的中尺度特征。正是维持少动的台风倒槽和嵌入其中的中小尺度系统相互作用造成了暴雨的发生、发展 ,而高、低空中尺度散度场的配置对暴雨有很好的指示意义。在华南台风暴雨区无论是高层还是低层 ,都存在很强的非地转作用 ,非地转涡度项对散度倾向项是重要的强迫因素 ;但非地转作用的实现与中高纬度地区有本质的区别 ,在低层非地转作用是由于强的位势场气旋涡度 (- 2  <0 )与弱的流场气旋涡度 (fζ >0 )不平衡产生的 ;而高层非地转作用是由于强的位势场反气旋涡度 (- 2  >0 )与弱的流场反气旋涡度 (fζ <0 )不平衡产生的。非地转作用是暴雨中尺度系统上升运动发展的触发机制。从动力学角度解释了用非地转 Q矢量散度场来判断暴雨落区要比用准地转 Q矢量散度场好的原因。     

一次梅雨锋暴雨过程中的重力波特征

利用中尺度数值模式WRF模拟了2007年7月7~9日江淮地区发生的一次梅雨锋暴雨过程,通过动力分析和Morlet小波分析方法研究了此次梅雨锋的重力波特征。结果表明:2种非平衡流诊断指标(Ro和ΔNBE)简易有效,梅雨锋暴雨过程中的中尺度重力波系统垂直结构十分清晰;强波动发生时段集中在7日20时至8日06时,30~80 min短周期重力波能量远高于长周期;重力波在低层表现强烈,中高层的短周期能密度中心出现更早;最强波动时段与强对流相对应,波动与对流形成耦合,动力与统计分析相互补充,效果较好。     

一次暴雨过程数值模拟与诊断分析

利用NCEP/NCAR分辨率为1°×1°再分析资料和气象台实测降水资料及TRMM 3 h降水资料,采用WRF中尺度数值模式,对2010年7月22日发生在黄河流域中游南部的一次暴雨过程进行了数值模拟及诊断分析。结果表明：WRF模式能较为成功的模拟出本次暴雨过程。此次暴雨在大尺度环流形势上,是由于西太平洋副热带高压与河套低压槽的共同影响产生的;来自印度洋、中国南海的大量水汽输送为暴雨提供了充足的水汽来源。处于200 hPa的高空急流,由于地转调整激发出了中尺度重力波,使用散度场、云水分布,能够确定中尺度重力波的存在和移动方向。在利用模拟资料分析重力波对甘肃省东部地区暴雨产生的原因时得出：高空急流中产生的中尺度重力波与低层大气对中尺度重力波的吸收作用,共同导致了该地暴雨的发生。由高空急流风向和非线性平衡方程的数值分布情况,可以提前判断中尺度重力波发生的区域和移动方向,从而能够提前对暴雨可能发生的区域和时间作出预报。     

不同源区雷达回波的汇合与暴雨的形成

一、引言 暴雨是一种中尺度天气现象。关于暴雨形成的大尺度背景条件以及中尺度系统的天气学特征,有过许多分析研究。至于暴雨的触发机制,一些理论研究主要分析了不同条件下重力波对暴雨的触发作用。李麦村根据大尺度天气系统发展时的非地转平衡能激发重力波,指出其在条件不稳定大气中传播时,可以是发动暴雨的一种机制。最近又根据两     

非地转平衡流激发的重力惯性波对梅雨锋暴雨影响的动力学研究

文中以 2 0 0 0年 6月 1～ 3日的一次梅雨锋暴雨过程为例 ,通过数值模拟 ,得到了降雨区和强度都与实况基本吻合的结果。进一步利用数值模拟场 ,比较详细地分析了大尺度环流调整后的地转平衡被破坏、非平衡流出现、低空急流建立、重力波发生与传播对暴雨过程的影响。研究表明 ,副高的西伸北跳可以造成局部地转平衡被破坏 ,引起环流的适应调整 ,以建立新的平衡。在这一过程中 ,会出现与之相适应、配合的低空急流和重力波的发生 ;重力波的频散有利于急流中心大风区的传播 ,引导气流和水汽集中区对传播方向有显著影响 ;低空急流的建立则是导致暴雨发生的重要条件之一。通过对高时空密度中尺度数值模拟资料的分析 ,可以较清晰地反映出上述结果。     

青藏高原地区夏季两次强降水过程中重力波特征分析

为了更为全面地认识高原地区重力波对暴雨发生发展的影响,利用中尺度数值模式WRF(V3.5.1)对青藏高原东部地区2007年8月25日和2011年8月14日发生的两次强降水过程进行了模拟,分析了降水过程中的重力波特征及其与强降水之间的联系。结果表明,模拟结果较好地再现了这两次强降水过程,降水过程中的垂直速度场和散度场交替式运动完整地表现出波的传播特征,其伴随的上升运动和降水也有着密切的联系。分析Richardson数表明,5~6 km高度上垂直切变不稳定出现的时间先于这些波传播的发生,随着波动的增强,垂直切变逐渐减弱,垂直切变的不稳定气流为重力波提供能量,垂直切变和Richardson数可作为下游地区暴雨预报的指标和依据。同时,Morlet小波分析的结果表明,两次过程中主要是中尺度重力波,其中较长波长的重力波出现时间早,持续时间长,对强降水过程的加强起主要作用。这些表明中尺度重力波是该地区中尺度强降水发生的动力机制之一,在该地区夏季强降水过程中扮演着重要角色。重力波的分析有助于对该地区强降水过程的理解,进而提高青藏高原地区降水的预报能力。     

近几年中尺度动力学研究进展

近几年,中尺度气象由于在逐日天气预报中的重要作用和在气象灾害预报中的显著贡献,已经成为一个热门的研究课题.中尺度气象研究并预测中尺度天气系统的发生发展及其引发的灾害性天气,如暴雨、冰雹、龙卷风等.本文主要总结了2007年以来我国在中尺度研究中取得的显著性成果.主要包括:波动、涡旋、锋面、稳定性、Q矢量和不变量.在波动方面包括重力波的形成和传播的研究,包含旋转Rossby波、混合低频旋转Rossby波和高频惯性重力波在内的台风波动以及考虑水汽作用的中尺度波作用守恒.涡旋部分主要介绍了青藏高原低涡(TPV)和热带气旋内部的涡旋问题.除了涡旋之外,锋面在中国也是一个关键系统.在锋面方面的进展有:梅雨锋中的β中尺度双雨带机制的产生和维持的实验性研究,以及基于广义位温的锋生函数的提出,这些成果使得对锋生过程的描述更接近于实际大气状况.在不稳定问题上,主要介绍了采用Energy-Casimir方法建立的拟能量波作用方程和基本气流具有线性和非线性切变时的横波扰动的不稳定.关于Q矢量,介绍了从地转Q矢量,半地转Q矢量到非地转Q矢量,非地转湿Q矢量的发展,以及由湿地转Q矢量和垂直风切变耦合得到的新型散度方程.最后,讨论了有关质点的两个不变量位温和位涡的相关研究新进展.     

“7.27”陕北暴雨数值模拟与诊断分析

利用NCEP/NCAR 1 °×1 °再分析资料、地面观测降水资料、FY-2E卫星相当黑体温度资料,采用WRF(Weather Research Forecasting)中尺度数值模式对2012年7月27日陕西省北部一次暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析.结果表明:此次暴雨处于西太平洋副热带高压西北边缘带与贝加尔湖低压之间,中低层水汽由孟加拉湾经青藏高原东部输送到陕北;无规则小云团的自组织过程,促使中尺度对流系统得以发展.200 hPa急流出口区的右侧由于地转调整作用,在槽线上激发了中尺度重力波.高空重力波能量下传并被近地面中性层结大气吸收,引起低层大气对流发展,对暴雨的发生发展过程有很好的促进作用.     

DYNAMIC STUDY ON INFLUENCE OF INERTIAL GRAVITY WAVES INDUCED BY UNBALANCED FLOW ON MEIYU FRONT HEAVY RAIN*

The Meiyu front heavy rain process in 1-3 June 2000 is numerically simulated in this paper, and results are then analyzed to show the effects of geostrophic balance collapse,unbalanced flow occurrence,low level jet (LLJ) development,and gravity waves genesis and propagation on the rainstorm.Analyses indicate that the sudden northwest movement of subtropical high may destruct the local geostrophic balance,leading to an increase in the local pressure gradient and the occurrence of ageostrophic flow,and meanwhile the adjustment of circulation starts to build a new balance.During the process,an LLJ and gravity waves appear correspondingly.The dispersion of unbalanced energy through the divergence/convergence of the geostrophic departure winds, promotes the propagation of strong wind cores along the LLJ,and the dispersion direction is influenced by the steering flow and the moisture concentration area.The development of LLJ is one of important conditions,which induces the heavy rain especially in the left front part of the jet where the convergence and shear of winds occur.It is also found that the genesis of disturbance, meso-vortex,and meso-convective system provides a favorable condition for the rainstorm.The above results are clearly illustrated by the high spatial and temporal resolution simulation data from a mesoscale numerical model.     

A survey of unbalanced flow diagnostics and their application

1.IntroductionImbalanceisdefinedintermsoftowhatextenttheflowdepartsfromabalancedstate.Despitetheapparentcomplexityofatmosphericmotions,thepressure(massfield)andvelocity(momentum)distributioncanberelatedbyrathersimpleapproximateforcebalances(sothatparcelaccelerationscanbeignored).Davisetal.(1996)pointedoutthattheunderlyingassumptionofbalanceddingnosticsisthatthenowevolvesinawayconsistentwiththerestrictionsimplicitwithinthediagnosticframework.ThesimplesttwobalancerelationsaregeostrOPhl'cbalance…     

旋转流地转适应过程与能量转换规律

利用一维线性浅水模式从一个比较普遍的角度对地转适应过程中能量转换的特点进行分析。中首先考虑了两类不同的初始不平衡流的适应问题。一个是Gill所采用的质量不平衡模型，即初始场是静止的，只有水面扰动；另一个是Rossby中所考虑的动量不平衡模型，其初始不平衡流中只有风场的扰动，对这两个模型的适应过程而言，一个显的 特点就是能量转换率始终不会大于1／2或小于0，即适应过程中有位（动）能的释放和向动（位）能的转换，但释放出的能量最多只有其中的一半可以保留在最后的平衡场中。另外，本对任意初始不平衡流适应过程中的能量学特征也进行了分析，指出对于偏差场（相对于一定基本态）的动能和位能而言，上述能量转换关系依然成立。     

Mesoscale dynamics and its application in torrential rainfall systems in China

Progress over the past decade in understanding moisture-driven dynamics and torrential rain storms in China is reviewed in this paper. First, advances in incorporating moisture effects more realistically into theory are described, including the development of a new parameter, generalized moist potential vorticity(GMPV) and an improved moist ageostrophic Q vector(Qum). Advances in vorticity dynamics are also described, including the adoption of a "parcel dynamic" approach to investigate the development of the vertical vorticity of an air parcel; a novel theory of slantwise vorticity development, proposed because vorticity develops easily near steep isentropic surfaces; and the development of the convective vorticity vector(CVV)as an effective new tool. The significant progress in both frontal dynamics and wave dynamics is also summarized, including the geostrophic adjustment of initial unbalanced flow and the dual role of boundary layer friction in frontogenesis, as well as the interaction between topography and fronts, which indicate that topographic perturbations alter both frontogenesis and frontal structure. For atmospheric vortices, mixed wave/vortex dynamics has been extended to explain the propagation of spiral rainbands and the development of dynamical instability in tropical cyclones. Finally, we review wave and basic flow interaction in torrential rainfall, for which it was necessary to extend existing theory from large-scale flows to mesoscale fields, enriching our knowledge of mesoscale atmospheric dynamics.     

Large scale perturbations in extratropical atmosphere—Part I: On rossby waves

This study reexamines the propagation mechanism and geostrophic property of the classical two-dimensional Rossby waves in a non-divergent barotropic atmosphere. It will be found that propagation of large scale atmospheric waves depends crucially on horizontal divergence. A small Rossby number in Rossby waves is not sufficient for the waves to have a small ageostrophic component, because the two-dimensional classical Rossby waves do not manifest the geostrophic balance as good as observed in the atmosphere.     

地形强迫对大气长波调整的可能影响

地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。     

Large scale perturbations in extratropical atmosphere—Part II: On geostrophic waves

We have examined, in Part I, the propagation mechanism and geostrophic property of classical Rossby waves in a non-divergent barotropic atmosphere. As we found that the non-divergent Rossby waves do not propagate in a hydrostatically equilibrium atmosphere, and do not manifest a good geostrophic property, an alternative large scale circulation pattern of geostrophic waves has been proposed (McHall, 1991a). The propagation mechanism and geostrophic property of these waves are examined in the present study.