垂直向基流二次切变对梅雨锋中尺度低涡暴雨系统的影响

β中尺度低涡是引发长江中下游地区梅雨锋暴雨的主要中尺度天气系统之一,采用实况统计与数值模拟相结合的方法,对1999—2005年长江中下游地区梅雨期间23个低涡暴雨过程进行分析得出:暴雨一般都发生在中低层低涡南侧的西南急流里,急流的强度和位置直接影响降水落区和强度,低涡所激发的涡旋Rossby波在急流里传播时引发不稳定,产生强降水。根据基本流场风速二次切变理论,进一步研究表明:大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变,而这种情况正是涡旋Rossby波产生的物理根源。当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且高层200 hPa附近引导气流比较强时,低涡移向东北偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中层急流比上下层略强,即U_(ZZ)绝对数值很小,低涡移向东南偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中低层急流相对于高层急流很强的时候,低涡移向西南向;当垂直向基流在中层的急流很强,上下急流不明显时,低涡移向西或西偏北。因此,垂直向基流风速二次切变是影响梅雨锋中尺度低涡路径的关键因子,这一结论对于梅雨期间低涡暴雨落区预报有很好的指示意义。     

近年来影响我国东部洪涝的高原东移涡环流场特征分析

利用NECP再分析资料,对1998—2004年间5次影响我国东部地区严重暴雨的高原东移涡过程的对流层中上层环流场特征进行了分析,指出了影响高原低涡东移出高原的四种天气系统类型:北槽南涡型、切变线、切变流场及西风槽前部;揭示了高原低涡东移出高原与500 hPa上的冷空气、副热带高压位置、200 hPa上的南亚高压及西风急流之间的关系;获取了高原低涡东移出高原的强信号,为高原东移涡暴雨预报提供了科学依据。     

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时（协调世界时,下同）一次青藏高原（简称高原）中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究（四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm）。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积（相当黑体亮度温度TBB≤?52°C）可以有效地指示西南低涡强度（涡度）的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。     

两次高原低涡东移特征及发展机制动力诊断

应用NCEP再分析资料,进行物理量计算,并结合地面和探空气象资料以及卫星探测资料,从动力学角度分析2008年7月19-22日和2007年7月29日-8月1日两次高原低涡东移特征及演变机制,获得低涡东移发展或减弱的一些特征和机理认识.研究结果表明,低涡东移过程中,正涡度东传特征明显.低涡东移过高原后呈维持加强趋势,表现为低涡过高原前,深厚的正涡度层配合深厚的上升运动,以及对流层中低层较强的辐合;低涡过高原后,正涡度强度增加,对流层中低层的辐合、上升运动增大,对流层中高层的辐散增加.而低涡东移后呈减弱趋势,表现为正涡度强度、垂直上升速度较东移发展低涡要弱;低涡过高原后,正涡度强度减弱,整层的辐合上升运动减弱明显.低涡东移过高原,与低涡发展密切相关的正涡度带的维持、发展或减弱的动力机制主要受控于总涡源的发生、发展与减弱.辐合辐散流场维持发展,对总涡源有较大影响,对低涡维持发展有重要作用;地形的动力作用使其大地形后的背风坡更易低涡发展;涡区附近及以北盛行偏北气流有利于低涡发展;垂直涡度输送不利于对流层中低层低涡加强.分析还表明,冷空气触发大气不稳定能量释放,是低涡发展的重要机制;冷暖卒气交汇导致辐合流场的维持和加强,是低涡得以维持和加强的重要因素.     

青藏高原低涡移出高原的大尺度条件

利用NCEP再分析资料,计算分析了各类高原涡东移出与未移出高原的对流层中、上层多种合成物理量场。研究指出,高原低涡移出高原是受西风带天气系统与副热带天气系统的相互作用及对流层中层与上层的天气系统相互作用造成的。研究揭示了低涡东移出高原的大尺度条件及物理图像,还揭示了各类高原涡东移出高原的大尺度条件的主要差异。为预报高原涡移出高原的暴雨、洪涝提供了科学依据。     

不同涡源西南涡的若干统计特征分析

利用2012～2016年Micaps天气图资料和《西南低涡年鉴》,对西南低涡及不同涡源西南涡的变化特征、活动期和移动特征以及对降水的影响等进行了统计分析。结果表明:(1)西南低涡平均每年生成95次,但各年差异大。其中,九龙涡最多,盆地涡次之,小金涡最少。西南低涡多发时段在春季与夏初,其中,九龙涡多发时段在春季与夏季,盆地涡多发时段在冬季与春初,小金涡多发时段在冬末与春季。(2)西南低涡活动主要在4～7月,小金涡最长生命史可达168h,在7月;九龙涡最长生命史156h,在5月;盆地涡最长生命史144h,在4月。西南低涡大多数在生成后24h内消失。在12月的西南低涡生命史最短,绝大部分在24h内。(3)西南低涡有三分之一能移出涡源区。其中,九龙涡移出的个数最多,盆地涡其次,小金涡移出的个数最少,但移出几率最高。3～6月是西南低涡移出的主要时段。其中,九龙涡主要移出时段在4～7月;盆地涡主要移出时段在1～5月;小金涡主要移出时段在2～5月。(4)西南低涡主要移动路径是东北、东、东南。其中,九龙涡以东北移为主;盆地涡以东北移、东移为主;小金涡以东移、东南移为主。(5)除冬季、春初外,不同涡源西南涡不论活动时间长短,都会造成降水,九龙涡造成的降水一般比盆地涡大。西南涡造成的很强降水多出现在6～7月。      

夏季青藏高原低涡研究进展述评

高原低涡是造成我国暴雨的重要天气系统之一。本文在简要介绍第一次青藏高原科学试验及以前研究工作的基础上,重点介绍了第二次青藏高原科学试验及近年来的一些主要研究成果,包括高原低涡的活动特征、高原低涡发展东移的机理、高原低涡发展东移的大尺度条件及高原低涡的结构特征等。并指出了目前高原低涡研究的局限性和待改进的方向。     

青藏高原低涡东移的数值试验

本文利用钱永甫的五层有地形的原始方程模式,模拟了一次高原低涡的东移过程。发现非绝热因子(辐射、积云对流、大尺度凝结潜热)只影响高原低涡的强度,其中辐射加热对高原低涡强度影响最大。当高原低涡西部有冷槽配合或高原北部45—55°N有高压脊存在时,有利于高原低涡东移。     

梅雨锋结构特征及与锋上涡旋扰动关系的诊断分析

利用1999年6月下旬持续性梅雨锋降水过程的模拟结果以及野外实验的加密资料，对这次梅雨锋过程进行诊断分析， 发现梅雨锋主；要表现为中层锋面，强度比边界层锋强，低涡沿中层锋面南缘移动。中层锋强的演变对两类低涡（西南涡和局地涡）发展的影响程度不同。对于东移明显的西南涡，梅雨锋强度的加强比低涡提早6小时以上。而对于长江中游的局地涡，锋面最强与低涡最强出现的时间却比较接近。梅雨锋中层锋面发展最强的位置与低涡发展最强的位置在东西方向上基本重合，基本在同一经度上。因此，低涡暴雨扰动加强发展区的北侧正是前期持续锋生所在，并且锋生的位置在东西方向上基本不随时间发生位移。当低涡移经该地时，低涡强度最强， 随后低涡东移并且强度减弱，锋面大值带也减弱并随低涡向东传播。     

一次高原低涡过程的数值模拟与结构特征分析

利用非静力中尺度数值模式MM5,模拟了2009年7月29～31日的一次高原低涡过程,结果表明,TBB卫星资料显示出在低涡发展过程中具有同热带气旋类低涡相似的涡眼结构.MM5模式能较好地模拟出低涡的降水落区、强度以及内部结构,正位涡区随着低涡的东移而东移.在动力结构上,低涡发展过程中,涡心处散度和涡度的变化不大,垂直速度...     

A study of the effect of topography on the merging of vortices

Eight sets of numerical experiments are performed in 48 hours of integtation by using a barotropic primitive equation model with a topographic term so as to investigate the effect of topography on the merging of vortices. It is pointed out that the introduction of topography may change the track of vortices,and it causes the low vortices and vorticity lumps to be detained on the southeast side of the topography,thus creating a favorable condition for the merging of the low vortex and vorticity lumps. It is also shown that the effect of topography may cause double mergers of vortices in a horizontally shearing basic flow,and it can strengthen the low vortex remarkably.     

A STUDY ON MESOSCALE VORTICITY PROPAGATION IN A TYPHOON-LIKE VORTEX*

By using an f-plane barotropic quasi geostrophic model in the rectangular coordinates with a grid spacing of 5 km,ten experiments whose integration time is 36 hours are performed in order to study the interaction between a typhoon vortex and a mesoscale vortex whose initial center position is located at 2 r_m northwest to the typhoon center,where r_m is the radius of maximum wind of the typhoon vortex. Results show that the interaction can create a pair of smaller scale vortices or lumps,which extend from the outside region of the typhoon to near its center,resulting in the inward propagation of mesoscale vorticity.In this process,the vorticity concentration of the mesoscale vortex may appear.The coexistence of the propagation and the concentration makes the increase of vorticity in the inside region i.e.a more intensive typhoon.Meanwhile,the intensity of the lump with positive vorticity oscillates with time,with the oscillation period being several hours,the distance from the typhoon center to the lump center also has a similar oscillation period,which reduces the oscillation of typhoon intensity.In the case of stronger circular basic flow,the interaction can make the intensification of typhoon more obviously. In addition,in some parametric conditions,the interaction may break down the continuous vorticity zone,exhibiting a cluster of smaller vorticity lumps.     

台风环流区域内中尺度涡量传播特征的研究

用一个高分辨率f平面直角坐标系的正压准地转模式,实施了10组积分时间为36 h的试验,研究了初始位于台风外区的一个中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用。结果表明:这种相互作用可以激发一个从外区伸展到内区的较小尺度的涡旋对,以此方式将涡量内传至台风中心附近。同时,中尺度涡旋呈现涡量集中化的特征。涡量内传与涡量集中化共存,使内区涡量增多,导致台风增强。此外,在一定条件下,这种相互作用还可以使涡量带破碎和断裂,形成一系列空间尺度更小的涡块。     

涡旋相互作用及其对强度和路径的影响

研究一个台风涡旋和一个低压涡旋之间的相互作用。该相互作用使低压涡旋强度 衰减的速率显著变慢，使低压涡旋滞留在初始位置附近的时间显著加长。在低压涡旋强度 演化和路径变化的过程中，显示出清楚的临界点现象。     

东北冷涡下一次飑线和MCV的形成与水平涡度的关系

利用WRF中尺度数值模式,NCEP/NCAR分析资料,多普勒雷达观测资料等,对2016年7月25日一次东北冷涡下的飑线过程进行数值模拟,研究了飑线形成和维持与水平涡度的关系及飑线过程中中尺度对流涡旋(MCV)的形成机制,分析发现,高低层水平涡度逆时针旋转对本次飑线的形成和维持有很好的指示意义。(1)飑线发生前,高层渤海湾西侧出现水平涡度的逆时针旋转中心,并有较强的辐散配合,低层水平涡度为逆时针弯曲,为飑线产生提供了有利的上升运动条件。随后高层多个对流单体的水平涡度气旋式涡旋合并形成较大范围的气旋式涡旋结构,触发低层的上升运动,同时低层对流区前部形成一致的气旋式弯曲使得对流单体组织成带状结构,形成飑线。(2)飑线成熟时期高层水平涡度表现为统一大范围气旋式涡旋结构,低层则呈现典型的S型弯曲结构,水平涡度x方向的分量沿对流带从南至北表现为正负正,y方向的分量始终为正,并由对流带的中心向两侧减小,显示出水平涡度矢量旋转的方向对飑线影响的重要性。(3)由垂直涡度方程的分析得出,在飑线发展中期,MCV形成前,雷达反射率回波在500 hPa左右表现出明显的旋转,此时主要与500 hPa以上强的正涡度水平平流项及中层倾侧项和水平散度项有关,之后,在这几项的作用下使得中层风场产生气旋式旋转,形成MCV。      

一次引发暴雨的东北低涡的涡度和水汽收支分析

对2005年7月25～29日引发较大范围持续性暴雨的东北低涡的结构、涡度和水汽收支进行了分析研究,结果表明:1)东北低涡是一个较深厚的冷性涡旋.初期,气旋性涡度出现在对流层中层,然后向中低层及高层伸展.而低涡加强阶段,气旋性涡度在对流层高层增加得最快,并逐渐向中低层传播,诱发地面气旋的发展;由于高低空锋生的相互作用,在低涡南部形成了深厚的近乎垂直的低层略前倾的"弓形"锋区.2)对涡度收支的计算表明,水平涡度平流项和水平辐散项对低涡的发展、加强起到最主要的作用.但在不同阶段,这两项的作用和大小各不相同.3) 对流层高层位涡大值区在低涡东部向下传播,有利于低涡的发展加强,与低涡暴雨的落区位置较为接近.此外对卫星云顶亮度温度(TBB)的分析,发现低涡暴雨典型的涡旋云带中对流活动旺盛的地区与局地暴雨的位置对应.4) 低涡暴雨的水汽初期主要来自北部,随着低纬地区西南季风的增强,沿副高西侧从低纬到中高纬建立起一条较强的水汽输送带,东北地区水汽收支以南北向的辐合为主.5)将2005年和1998年夏季6～8月的东北低涡暴雨个例的天气形势配置进行逐月比较,发现持续的较大范围的低涡暴雨过程与亚洲中高纬的阻塞形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有密切的关系.     

CHANGES OF TYPHOON INTENSITY AND ITS POSSIBLE INFLUENCING FACTORS IN AN f-PLANE BAROTROPIC QUASIGEOSTROPHIC MODEL

By using an f-plane barotropic quasigeostrophic model with the grid-spacing being 5 km,21 experiments whose integration time is 36 h are performed in this paper in order to investigate interactions between a typhoon vortex and its adjacent mesoscale vortices.Results show that whether the interaction leads to the intensification of the typhoon vortex depends on two kinds of factors:one is the value of the maximum wind speed of the typhoon vortex and the intensity of the shearing of circular basic flow:and the other is the condition of mesoscale vortices in the shearing basic flow,such as the spatial distribution,scale,intensity and structure of mesoscale vortices. There is the nonlinear relation between typhoon intensity and the scale and intensity of initial mesoscale vortices.     

IMPACT OF AIR-SEA INTERACTION ON THE GENESIS OF TROPICAL INCIPIENT VORTEX OVER SOUTH CHINA SEA: A CASE STUDY

Based on 6-hourly sensible heat flux and latent heat flux from the NCEP Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) and circulation data from the Japanese 25-year Reanalysis (JRA-25), the initial developing process of tropical cyclone Mindulle (1005) in 2010 has been diagnosed to reveal the impact of air-sea interaction over the South China Sea (SCS) on the genesis of its incipient vortex. The results show that the incipient vortex first occurred east of the Luzon Island on 0000 UTC 20 August, suggesting that the topographic forcing of the Luzon Island for easterly winds over the western Pacific might be one of the factors responsible for the formation of the incipient vortex. During the formation stage of the incipient vortex, strong southeasterlies over the SCS caused warm water of the middle and eastern SCS to flow toward the Luzon Island due to Ekman transport resulting from wind stress, leading to an increase of the sea surface temperature and sensible heat flux into the atmosphere. Although the anomalous sensible heating favored surface pressure to reduce, it was not conducive to the increase of local vorticity associated with the vortex above the heating area because, according to the atmospheric thermal adaptation theory, the anticyclonic vorticity would be created in the lower troposphere due to the decreased vertical gradient of the sensible heating. However, the ascending motions occurred over the eastern area of the anomalous sensible heating due to the augmentation of the vorticity advection with increasing height, causing water vapor to condense in the middle and upper troposphere. In turn, cyclonic vorticity was generated in the lower troposphere due to the increased vertical gradient of the condensation latent heating, resulting in the formation and further growth of the incipient vortex. Therefore, the vorticity creation due to the condensation heating played a dominant role during the subsequent enhancing stage of the incipient vortex.     

A NUMERICAL STUDY ON FORMATION OF THE NEGATIVE VORTICITY REGION OVER THE NORTHEAST SIDE OF THE QINGHAI-XIZANG PLATEAU*

In order to investigate the formation of the negative vorticity region over the northeast side of the Qinghai Xizang (Tibetan) Plateau,four sets of numerical experiments have been performed in this paper with a quasigeostrophic barotropical model considering large-scale topography,diabatic heating and dissipation.The diabatic heating in the model contains a constant forcing and timevarying forcing.The time-varying characters are determined by the continuous evolution of the sensible heat flux at Damxung Station (30°29'N,91°06'E) from 31 May to 4 June 1998.Results suggest that there are three types of processes significantly contributing to the formation of the negative vorticity region over the northeast side of the Qinghai Xizang Plateau,and they are the advection of the anticyclonic vortex at the upstream by the basic flow,the energy dispersion of the cyclonic vortex over the south side of the Plateau,and the strengthening of anticyclonic systems produced by the thermal forcing of the Plateau.     

GENERALIZED ENERGY CONSERVATION AND UNSTABLE PERTURBATION PROPERTY IN BAROTROPIC VORTEX

Based on a barotropic vortex model, generalized energy-conserving equation was derived and two necessary conditions of basic flow destabilization are gained. These conditions correspond to generalized barotropic instability and super speed instability. They are instabilities of vortex and gravity inertial wave respectively. In order to relate to practical situation, a barotropic vortex was analyzed, the basic flow of which is similar to lower level basic wind field of tropical cyclones and the maximum wind radius of which is 500 km. The results show that generalized barotropic instability depending upon the radial gradient of relative vorticity can appear in this vortex. It can be concluded that unstable vortex Rossby wave may appear in barotropic vortex.