2004年7月黄淮特大暴雨的天气动力学分析

利用NCEP 1°×1°的每6 h的再分析资料和计算的几个物理参数对2004年7月黄淮最强一次特大暴雨过程进行天气动力学诊断分析。结果表明:锋生函数的水平运动项对降雨锋形成作用最大,暴雨区上空对流层中下层和上层螺旋度呈“下正上负”的垂直结构,视热源Q1和视热汇Q2的局地变化项和平流变化项分布反位相,垂直输送项的作用引起Q1和Q2的异常,异常加热中心位于对流层中高层,是由对流降水产生的凝结潜热加热所致。锋生大值区、螺旋度正的大值区、Q1和Q2的强增温区与强降水区有很好的对应关系。     

中国暴雨中尺度系统发生与发展的诊断分析和数值模拟(Ⅰ)诊断分析

通过对我国三次(“81.7”、“81.8”和“91.7”)典型大暴雨过程的动力学和热力学诊断来探讨暴雨中尺度系统发生与发展的问题。大、中尺度天气分析指出,无论是发生在我国东部的“91.7”暴雨过程,还是出现在西部地区的“81.7”和“81.8”暴雨过程,都与在特定大尺度环流形势下持续发展的中尺度系统直接关联。涡度诊断表明,高、低空正涡度中心的叠加和耦合、并形成一个正涡度柱是这类暴雨中尺度系统持续发展的一种共同特征。根据场分解涡度方程获得的涡源诊断表明,涡源对这类中尺度系统的发生和发展具有重要的动力学贡献。中尺度热量和水汽收支诊断揭示,视热源 Q_1和视水汽汇 Q_2的垂直积分高值区,与低涡或低涡切变线及其暴雨区基本一致;Q_1(Q_2)的面积平均最大加热(增湿)区间出现在对流层中、上(下)部;由于感热和潜热对流涡动通量辐合的加热,在其上部近乎等于凝结释放潜热量的一半。     

一次华南暴雨过程中水汽输送和热量的研究

利用NCEP/NCAR 每日4 次全球再分析1°×1°网格资料,计算了2004年7月17-21日华南汛期暴雨过程的水汽通量、视热源(Q1)和视水汽汇(Q2),并探讨了其垂直分布特征.结果表明:华南汛期暴雨过程中存在大量的水汽和凝结潜热.孟加拉湾、南海和西太平洋都是这次华南暴雨过程重要的水汽供应源.暴雨区南边界为水汽的主要输入区,北边界为主要输出区,而暴雨区南、东边界的水汽输送主要发生在低层,西边界在中、低层的水汽输送大致相当.在这次降水过程中,视热源和视水汽汇的较大值与降水的大值区有很好的对应关系.视热源、视水汽汇和垂直上升运动与降水量的变化总体趋势是一致的.视热源垂直方向上的峰值在400 hPa附近,而视水汽汇呈双峰型特征,峰值分别在700 hPa和450 hPa附近.垂直平流项均是视热源、视水汽汇的主要贡献者.     

赤道地区向西传播的40天周期低频波

本文用滤波和EOF位相合成技术对1981年7—12月份赤道地区出现的向西传播的40天周期低频波进行了分析。结果认为东太平洋地区从南半球到北半球的越赤道40天周期温度波是产生这种西传波的主要原因。这种波动主要产生于两个源地:一个是赤道150°E附近的对流层下层;另一个是110°W的赤道对流层上层。这两处产生的低频波性质不一样,前者与对流密切相关。通过计算整层积分的非绝热加热Q_1和水汽汇Q_2,结果表明Q_1加热中心在东太平洋也有越赤道传播。在150°E以西Q_2加热中心是向西北传播的,与低频波方向一致,Q_1的传播特征不明显,这说明西太平洋地区的热带对流可能有这种周期振荡。     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

我国南方MCC的涡度、水汽和热量收支平衡

采用合成分析方法 ,将我国南方中尺度对流复合体的生命史划分为 7个子阶段 ,详细探讨MCC演变过程中的涡度、水汽和热量收支平衡演变特征 ,着重分析了中小尺度系统在MCC过程中的作用。结果表明 :( 1)在MCC过程中 ,中γ尺度和中 β尺度系统活动是引起涡度不平衡的重要原因。( 2 )在MCC初始阶段有中小尺度对流系统消耗MCC的水汽、热量而积极活动 ,造成MCC的视热汇、视水汽汇。成熟阶段的源区域表明有中小尺度系统的活动造成MCC的视热源、视水汽源 ,这是MCC具有长生命史的原因。MCC后期 ,中小尺度对流系统活动造成的视水汽汇和视热汇 ,与有利的大尺度天气条件的逐渐消亡 ,使MCC渐渐消失。 ( 3 )MCC的形成和启动受大尺度环境场的控制 ;一旦MCC开始活动 ,对流层低层、中层的中尺度对流系统活动对MCC的发展与持续过程有十分重要的作用 ;在MCC前期 ,中小尺度对流活动消耗MCC的总能量而启动 ;在成熟阶段中小尺度对流活动释放总能量造成了MCC的长生命史 ;MCC后期 ,大形势发生改变 (如位势不稳定度的变化等 ) ,积云对流活动和(或 )中尺度对流活动的作用与大尺度形势趋势一致 ,致使MCC消亡。 ( 4 )在MCC前期 ,潜热释放是主要加热因子 ;而后对流垂直输送水汽和热量的作用比对流凝结加热的作用大。     

黄河中游暴雨系统的能量平衡

本文对两个典型暴雨个例的平均结构、大尺度热量、湿度和动量的平衡进行了考察。一个重要的结果是无辐散层略低于500毫巴,其下面为辐合,上面为辐散。大尺度上升运动在整个对流层里,无辐散层处有一个极大值。此结构不同于强烈对流天气的结构。 由于次网格尺度的对流使总热量(热量和湿度)向上输送,因此对流层下部有总热量的净减而上部有净增;500毫巴以下有湿度的水平辐合,以上有水平辐散。对流层上半部的水汽来源于下部。在暴雨区上空由于凝结而在深厚气层中为视水汽汇(apparent sinks of moisture)。对流层中上部有动量向下输送,最大通量约为3—5达因·厘米~(-2)。次网格尺度的动能对能量平衡有很大贡献。     

"98.5"华南前汛期暴雨中尺度系统发生发展的动力、热量和水汽收支诊断

为进一步了解华南暴雨的形成机理,利用MM5模式输出的高时空分辨率资料,对“98.5”华南暴雨的总涡源、视热源和视水汽汇进行了诊断分析。诊断结果表明:总涡源场与涡度场对应一致,高值中心位于降水上空,正的总涡源柱中心预示了涡度柱将继续发展;在组成总涡源各项中水平绝对涡度平流项和扭转项是负贡献,垂直涡度平流项和散度项为正贡献;降水区与视水汽汇和视热源高值区对应一致,视水汽汇和视热源有峰值相伴,说明凝结潜热给系统提供了发展的能量;地面涡动通量和各层的次网格尺度涡动使高层冷却,低层加热,有利于降水系统中对流发展;在组成视热源和视水汽汇各项中均为垂直项起主要作用,充分说明了在暴雨发生过程中强上升运动具有重要作用;强烈的垂直上升运动将水汽带到了高层,云水场的发展与视水汽汇有着一致性,在视水汽汇达到极值时,除冰晶外,云水场各物理量中心高度达到极值,部分物理量的强度也达到最大。     

毛乌素沙地南部边缘一次大暴雨过程的中-γ尺度特征及成因分析

利用MICAPS资料、多普勒雷达资料和NCEP资料,对2010年8月10日08:00-11日08:00(北京时)毛乌素沙地南部边缘地带一次大暴雨过程的中-γ尺度特征及成因进行了分析。结果表明,强降水发生时,在多普勒气象雷达速度场上可观测到西南低空急流的生成和增强,以及西南低空急流左侧中-γ尺度气旋式辐合的生成和维持,并在反射率因子图上出现>50dBz的强回波区;暴雨过程中单站要素表现为气压持续降低并出现≥4.0m·s-1的最大风速(南风);伴随强降水的开始,暴雨区主要受水平平流项和水平辐散项作用,600hPa以下对流层低层的涡度收支增大,800～700hPa达6×10-9s-2;受水平平流项作用,350～100hPa维持涡度收支负值,在150hPa附近达-6×10-9s-2;视热源Q1的垂直廓线显示,伴随暴雨区最强降水即将开始时,主要受局地变化项和垂直输送项作用,Q1在780～300hPa形成正值层;受水平平流项作用,Q1在300～220hPa形成负值层,大气热力强迫作用有利于上升运动加强和云团发展;Q1的累积分布显示,临近暴雨发生时,暴雨区靠近上游生成Q1>20J·kg-1·s-1的大值中心,而且暴雨区视水汽汇Q2>10J·kg-1·s-1。     

冬季西伯利亚高压动力结构的研究

本文研究了冬季西伯利亚高压建立时期的动力结构。研究得到,在高压建立前期,对流层中以正涡度为主。低层和高层有弱的辐合,中层是辐散;相应在700hPa以下是上升,以上是下沉。但当反气旋发展时,高层为正涡度和辐合气流,低层为负涡度和辐散气流,整层为下沉运动。这表明对流层中、上层的强质量辐合是导致西伯利亚高压发展的一个重要因子。涡度方程的诊断表明,西伯利亚高压区负涡度的出现和加强是对流层中、上层负涡度平流和低层散度项的作用。 另外,西伯利亚高压热平衡计算表明,对流层有深厚的冷却层(热汇)。这种非绝热冷却将在对流层中导致深厚的下沉运动,从而引起中高层的辐合,低层的辐散,有利于高压的加强。因而西伯利亚高压是在动力和热力因子共同作用下形成的。     

2010年7月甘肃大暴雨及其低涡结构分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和中尺度模式MM5V3,对2010年7月造成甘肃东部大暴雨过程的低涡系统进行了诊断分析和数值模拟.结果表明:(1)在低涡发生、发展阶段,假相当位温和比湿的垂直平流在视热源、视水汽汇中占绝对优势,说明垂直平流变化与低涡发生、发展及强降水有很好的正相关;(2)上升运动中心与视热源、视水汽汇大致中心相对应,变化趋势基本一致,最强的凝结潜热加热发生在中层,最强上升运动同样也出现在中层,说明降水过程中大气加热与大气上升运动密切相关,大气热源主要来自于水汽的凝结潜热;(3)低涡发生、发展过程中伴随中低层有西南风急流、强正涡度中心、低层辐合、高层辐散结构、强上升运动及低层水汽通量辐合;(4)低涡区上空对流层低层为对流不稳定层结,中层至中高层为条件对称不稳定层结,对流不稳定层结强度随时间变化不大,而条件对称不稳定层结强度随时间有明显加强,位势不稳定和条件性对称不稳定共存使得假相当位温高值区域的垂直上升运动得以产生和维持.     

1983年长江中游梅雨期的热源和热汇分析

本文用曲面拟合和收支方程计算了5—7月长江中游地区梅雨前后不同时段热源和热汇的分布,得到如下一些结果:(1)梅雨期的热源主要由降水产生的凝结潜热造成。最大热源位于700—400hPa层中。降水的性质一般以连续性降水为主,但有时也发生明显的对流活动。在无雨期,在深厚的对流层大气中是冷却的,这主要由辐射冷却引起。因而梅雨时期的大气性质十分类似于热带大气。(2)梅雨期的降水以及热源热汇分布有明显的日变化。一般下午为明显的热源或更强的对流热输送。(3)在梅雨期及其前后感热和蒸发的作用不能忽略。在无雨或少雨期,蒸发是形成水汽源汇的主要因子。      

2007年7月7—9日淮河流域梅雨锋雨带特征分析

针对2007年7月7—9日发生在淮河流域的暴雨,采用NCEP1°×1°客观分析资料、6h地面观测降水资料,对此次降水过程中雨带发生、发展进行天气动力学分析。结论如下:(1)暴雨区位于高空急流入口区南侧、南亚高压辐散场东侧,该区域对流层高层为反气旋控制区,有利于低层低值系统的发展;(2)处于非热成风不平衡状态下的低空强急流带形成以后,对于雨带分布以及暴雨发展产生重要影响;(3)视热源、视水汽汇廓线在垂直方向上的变化,体现了水汽凝结潜热释放加热环境大气的作用;(4)基于p坐标系的比湿垂直输送正值带可以较好地示踪雨带移动。     

华南西南季风活跃期间大气热量和动量的收支

本文讨论了西南季风活跃期华南区域平均对流层运动学特征和热量水汽,动量的收支。计算表明,我国西南季风活跃期对流层特征既不同于冷空气活动期也不同南海季风活跃期。此时华南整层对流层处反气旋流场中,无辐散层位于700毫巴,下层辐散上层辐合。西南季风层为下沉运动,上层为上升运动。热量收支表明,季风层为视热汇和视水汽源,东风层为视热源。切变层以上水汽源汇数值很小,不起明显作用。水热源汇主要由垂直运动造成。动量收支表明,在季风层动量基本上是准平衡的,只有在对流层上层和近地面层有动量盈亏,动量收支主要来自地转偏差。最后,我们简单讨论了次网格尺度涡旋对水热平衡的贡献,认为西南季风期垂直涡旋输送十分活跃,其输送水热的作用超过气团变性过程所起的作用。      

一次强降水过程的热量和水汽收支分析

利用NCEP/NCAR每日4次全球再分析1°×1°网格资料,计算了2007年7月18日河北南部暴雨过程的水汽通量、视热源(Q1)和视水汽汇(Q2),分析了降水区热量和水汽收支的变化,并探讨了其垂直分布特征.结果表明:本次暴雨过程是由沿低涡切变线相继生成并强烈发展的中尺度对流云团造成的;当有强对流发生并伴有强降水时,就会有强的视热源Q1和视水汽汇Q2出现,且与强降水区基本对应,对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件.     

河南“21.7”极端暴雨过程天气尺度系统发展维持机制分析

利用实况资料和ERA5再分析资料对“21.7”河南极端暴雨过程的锋生作用、大气非绝热加热和水汽净收支进行了深入分析,揭示此次过程天气尺度系统发展维持机制。结果表明：本次极端暴雨过程中,河南位于西北太平洋副热带高压(副高)和大陆高压之间的鞍型场中,低层辐合高层辐散的配置有利于500 hPa低压系统的发展和维持;锋生作用主要发生在对流层低层且与θ _se密集区有较好的对应关系,水平散度项和水平变形项起主导作用,两者的贡献基本相当;视热源?Q ₁?和视水汽汇?Q ₂?水平分布与强降雨落区较为吻合,二者的垂直分布有明显差异,Q₁最强加热作用在对流层中高层,而Q₂垂直分布较为均匀但强度明显小于Q₁,Q₁中位温垂直输送项起主导作用,而Q₂中比湿水平平流项发挥着主导作用,这表明本次河南极端暴雨中,区域性强凝结潜热的释放对降水有正反馈作用。伴随来自台风烟花(2106)北侧偏东气流的不断加强西进,强风速切变及地形抬升引发异常强盛的边...     

高原切变线形态演变过程中的个例研究:结构特征

利用逐6 h 1°×1°的NCEP/NCAR FNL资料、中国气象局地面降水实况数据和青藏高原低涡切变线年鉴图集资料,分析了2010年7月16 17日S1019高原切变线由竖切变线转变为横切变线的形态演变过程中动力、热力结构特征及其演变。结果显示,在动力结构特征方面:在其生成发展期,高层200 h Pa受南亚高压控制,中低层相对涡度大值区在范围和强度上均出现迅速发展特征,垂直方向上呈现"干湿相间、冷暖相间"的斜压结构特征。在其减弱消亡期,高层200 h Pa南亚高压有所减弱,中低层相对涡度大值区发生断裂,大值区主体随西风槽和西南涡逐渐移出高原地区。在热力结构特征方面:在其生成发展期,高层300 h Pa附近呈明显的"暖心"和"湿心"结构特征,伴随着降水的发生发展,视热源Q_1和视水汽汇Q_2在垂直方向上均加强,Q_1的大值中心从400 h Pa抬升至300 h Pa,Q_2的大值中心从300 h Pa下降至600 h Pa。在其减弱消亡期,高层总体偏湿偏冷,当降水趋于结束,视热源Q_1和视水汽汇Q_2均迅速减弱。     

东亚寒潮高压的位涡诊断研究

用位势涡度方程对1980年1月26—30日东亚寒潮高压的演变做了诊断研究，表明高压中心地区低层是低值位涡区，位涡值随高压增强（减弱）而变小（变大）；随着高压的发展加强，位涡最小值由对流层中层降到近地面层，随着高压的减弱，最小值中心又上升；对流层高层的位涡值随着地面高压的增强而加大，反映高空冷槽、地面高压同时在发展。位涡收支方程各项对高压发展、减弱有着不同的作用。作用最大的是地转风水平平流项和地转偏差风的散度项，其次是地转偏差风的平流项和辐射项，扭转项和热成风偏差项均甚小，可忽略不计。     

中国近海热带气旋强度突变的热力特征

应用2000 2006年的NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析和对比分析,利用全型垂直涡度倾向方程,研究中国近海热带气旋强度突变的热力特征.结果表明:(1)突然增强热带气旋在其中心附近对流层高低层均存在视热源Q1的极大值中心,低层Q1在突然增强过程中越来越强;而突然减弱热带气旋在中心附近对流层中层存在Q1的极大值中心,而且在突然减弱过程中Q1越来越弱.视水汽汇Q2的极值中心在热带气旋强度变化过程中位于对流层中层,在突然增强过程中有所增大,而在突然减弱过程中有所减小.(2)Q1的峰值高度在热带气旋突然增强和突然减弱过程中分别位于对流层高层和中层.Q2的峰值高度在热带气旋突然增强过程中不断抬升,而在突然减弱过程中不断降低,这说明积云对流的垂直输送在热带气旋突然增强过程中起到一定作用.(3)热带气旋中心附近对流层中上层非绝热加热随着高度增加、对流层低层垂直非均匀加热的增大有利于热带气旋的突然增强,反之导致热带气旋突然减弱.     

一次温带气旋涡度场演变特征及气旋发生发展机制分析

气旋是涡旋运动,因此相对涡度(以下简称涡度)是确切表征气旋中心位置和强度的物理量,分析气旋发生发展过程就是分析涡度的变化机理。文中采用1000 hPa地转风涡度表征地面气旋,利用常规地面观测、6 h一次的NCEP 1°×1°再分析场等资料,对2014年6月一次具有螺旋式回转路径的北方温带气旋过程进行了诊断分析。利用Petterssen地面气旋发展公式,再结合300 hPa涡度平流、散度场与850 hPa热力场的配置关系,考察了对流层中低层温度平流、500 hPa涡度平流以及300 hPa涡度平流引起的辐散对地面气旋发展的贡献。结果表明:(1)这次气旋过程中500、300 hPa存在两个正涡度区及涡度中心的替换:即在地面气旋发生发展阶段,第一个涡度中心为主要的涡度中心;在气旋减弱阶段,第二个涡度中心成为主要的涡度中心。(2)地面和高空涡度中心均以逆时针螺旋式路径移动。在地面气旋初生和发展阶段,高低层涡度中心及正涡度区呈后倾结构;当高低层涡度中心及正涡度区几乎垂直重合时,地面气旋停止发展。(3)温度平流项在气旋初生阶段起主要作用;500 hPa涡度平流决定了地面气旋的发展。(4)当300 hPa正涡度平流引起的辐散区叠加在对流层低层850 hPa斜压锋区上时,地面气旋发展。