中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究

本文通过对一次长江中游中尺度低涡的分析发现,在这类斜压性低涡发展时,低涡西侧冷区对流顶明显下降,在低涡区发生折叠现象.与大位涡值相联系的平流层空气从该处下沉至对流层,对流顶下陷比对流活动区对流顶高度变化要早且明显.中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自辐散风动能,在对流层高层和低层这种正向转换最为清晰,而整个气柱中位能向辐散风动能转换,以支持它在涡旋发展过程中之消耗.但高层与低层的情况不同.在100hPa高空辐散风动能既支持了涡旋动能,又向总位能转换.分析表明,高层对流层流场在中尺度系统发展过程中是十分活跃的,必须引起足够的重视.     

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。     

一次西太平洋副高中期进退过程环流机制的分析

本文通过一次西太平洋副高进退过程的分析得到,海上西太平洋副高主体和大陆西太副高(脊)维持的环流机制是不同的。前者和经典的环流模式一致。后者和经典模式不同,推断主要受副副热带季风环流的作用,并且副热带季风环流有超前副高进退的指示意义。      

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

青海高原暴雨的形成条件与基本特征分析

综合运用2007-2017年青海省52个自动气象站小时降水资料,ERA-interim 0.5°×0.5°以及FY-2卫星TBB资料,对青海地区暴雨的形成条件和基本特征进行了分析。结果表明,西太平洋副热带高压（以下简称副高）和青藏高原低涡切变（以下简称低涡切变）是影响青海暴雨的主要天气系统,将青海暴雨类型划分为副高边缘型、副高控制型和低涡切变型三种。研究表明：（1）南亚高压中心位置位于青海南部或四川北部,且副高西脊点位于90°E-100°E,32°N时,有利于副高边缘型和副高控制型暴雨的形成;南亚高压中心位置偏南,位于西藏时,有利于低涡切变型暴雨形成。（2）形成暴雨的对流系统主要有低空急流影响下的移动性对流单体,副高控制下原地生消的非移动性对流单体以及高原切变线维持下的多单体合并。（3）副高边缘和副高控制型暴雨的水汽源地主要来自西太平洋地区,低涡切变型暴雨的水汽源地主要来自孟加拉湾地区,其次是中纬度西风带地区。（4）副高边缘型暴雨具有典型的锋面降水特征,暴雨区出现在θse等值线向北倾斜密集区,以混合性降水为主,平均降水持续时间为12 h;副高控制型暴雨发生在高温高湿环境中,降水效率高,...     

一次中亚低涡中期过程的能量学特征

中亚低涡是中期时间尺度（4天以上）的对流层深厚切断低压系统,也是造成新疆暴雨（雪）、持续低温天气的重要影响系统之一,对其形成、维持和减弱的能量特征还不十分清楚。利用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）2.5°×2.5°逐日再分析资料和有限区域能量循环方程,对1996年7月10—20日造成新疆区域两次暴雨过程的中亚低涡系统进行分析,以揭示低涡持续活动11天的能量循环和转换特征。分析结果表明,中亚低涡活动具有明显的阶段性能量学特征。这次低涡发展和减弱过程处于斜压不稳定状态,扰动动能来源于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展,同时区域内部非绝热加热制造的一部分扰动有效位能向外输出,在减弱期扰动有效位能向外输出大于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,因此低涡逐渐减弱。低涡成熟期处于正压不稳定状态,系统内部的能量转换很小,扰动动能来自于外界扰动位能输入,支出项为向开放边界的扰动动能输出。低涡过程各个时期纬向平均动能向扰动动能的转换都很小,即正压不稳定造成的能量转换较弱。低涡活动过程中,在对流层中、高层扰动动能很强,表明中亚低涡是主要在对流层中、高层活动的天气尺度系统,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送主要发生在中、高层,扰动位能和扰动动能的变化很好地反映低涡的强度变化和发展阶段,且能量的垂直输送对低涡系统的发展也有一定促进作用。     

一次MCC转MCV过程中动热力结构特征演变的诊断

为深入了解青藏高原上中尺度对流复合体(MCC)及其向中尺度对流涡旋(MCV)转化过程中的动热力结构特征演变和发展机理,利用NCEP FNL再分析资料、FY-2E及TRMM卫星资料,对2013年7月22—23日青藏高原上的一次MCC转化MCV的过程进行数值模拟,对其发生的环境背景,以及过程中的涡度、温度和能量收支演变等进行诊断。结果表明:低层水平涡度向垂直涡度的转换,以及垂直方向上正涡度的输送,形成了垂直方向上有利于对流涡旋发展的正反气旋性环流配置。转化过程中大气中上部温度正异常主要来自于可分辨的凝结,温度升高使得高层等压面抬升;下方冷却异常主要来自于蒸发作用和垂直运动,低层温度降低引起等压面收缩下降,这样的配置有利于涡旋发展、对流上升运动加强以及降水发生。对流活动释放的潜热能是转化过程中的主要能量来源,高空急流入口区直接热力环流引发的有效位能向动能转化,也为MCC向MCV转化提供了能量。     

东北冷涡过程的能量学分析

对一次较典型的东北冷涡过程作了能量学分析。结果表明，冷涡涡动动能的主要收入来自涡动位能的转换（Ａｅ→Ｋｅ）。在冷涡发展期，由外边界强气流入侵所产生的动能输入也十分重要。涡动动能的支出主要是转换为纬向气流的动能，即Ｋｅ→Ｋｚ，其次是消耗项和成熟期以后的边界动能输出。冷涡过程涡动动能变化的绝对值以中、高空为大，但相对变率却远小于低空。Ａｅ→Ｋｅ主要发生在７００—３００ｈＰａ中空，高空则为Ｋｅ→Ａｅ的转换     

一次自上向下发展的高原涡的多尺度动力学分析

高原涡作为经常给我国带来暴雨等灾害的天气系统,其形成一般认为是通过感热和潜热自下而上激发的,然而,2013年5月下旬发生的一次引发其下游灾害性强降水的高原涡却是由对流层高层天气尺度低涡诱发的。为此,基于新发展的多尺度子空间变换和多尺度能量涡度方法以及ERA5再分析资料对其动力学过程进行了详尽的探讨,先将原始场重构到三个尺度子空间,即背景环流尺度子空间、天气尺度子空间和高频尺度子空间,重构场上首次显示此次过程生成于青藏高原西北侧,其成因为对流层高层基本气流尺度向天气尺度的跨尺度动能正则传输,即正压失稳,并且表现为从高层向下。在发展阶段,其能量最终来源为基本气流向天气尺度的有效位能传输和非绝热加热,然而这些过程只发生于涡旋低层的西侧。进一步分析发现,天气尺度内存在一个能量再分配“路径”:首先,低层西侧获得的有效位能转换为动能,西侧垂直的气压梯度力做功将低层获得动能向高层分配;在高层,水平的气压梯度力做功进而将西侧获得的动能向东侧分配;东侧垂直的气压梯度力做功再将动能向低层分配;至此,低层西侧获得的能量被分配到整个涡旋空间中,使得涡旋能够均匀发展。     

影响初夏江淮流域年代际极端干旱的欧洲关键区能量演变特征分析

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium?Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的全球再分析数据,使用局地多尺度能量涡度分析法(localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,MS?EVA)分析了初夏影响江淮流域极端干旱发生的欧洲关键区动能变率的时间特征及其动能收支。结果表明:初夏欧洲关键区高层动能有增长趋势时,我国江淮流域极易发生极端干旱事件。该处增长的动能主要来自天气尺度动能的传输,其次来自气压梯度力做功和动能的垂直输送;动能向有效位能的转换和季节平均尺度动能的传输是高层动能流失的原因。深入研究三项动能来源因子后发现:上层增加的动能一部分来自低层北大西洋东岸和欧洲大陆西南地区的动能东传,在欧洲辐合后向上输送,为高层传递能量;同时,由于关键区地面热强迫增强,使垂直风切变增大,大气斜压稳定度降低,气压梯度力做功项增大,使得高层动能得到补充。在此期间,由于地面加热,天气尺度传输项对高层动能的传输量也增多。关键区增加的净能量经西风环流在江淮地区辐合,有助于该地上空的脊增强,促进了极端干旱事件发生。该结果从能量转换角度探究了江淮流域干旱发生的部分成因,为干旱预估提供依据。     

一次东北冷涡发展过程中的能量学研究

对一次典型的东北冷涡过程做了能量学分析。结果表明,东北冷涡活动具有鲜明的阶段性能量学特征。东北冷涡发展之前,各种能量之间的转换很小,边界通量也处于正负相间的振荡状态。早期发展阶段,扰动动能边界通量作用是至关重要的。随着非绝热加热制造扰动有效位能和扰动有效位能向扰动动能转换的大幅度增长,以及外界扰动动能的大量输送和纬向平均动能向扰动动能转换的明显加强,导致了东北冷涡的强烈发展,即这一时期区域内部的能量过程也同样十分重要。东北冷涡的减弱是从有大量扰动动能转换成纬向平均动能开始的,随后加上扰动有效位能向扰动动能转换以及边界通量作用的减弱,使得冷涡逐渐衰亡。     

华南涡旋暴雨的物理对比分析

低涡型暴雨是华南地区一种重要的暴雨类型,它常常发生在对流层低层天气尺度切变线上,虽难从气压场上找到,但它所造成的暴雨却很强。我们发现,常规天气图上似乎很弱的这类涡旋,却有较强的流场涡度和典型的散度分布,构成了强降水过程的必要物理条件。本文把它与热带气旋发展过程中的物理结构、能量变化和转换特征进行了诊断、对比分析,指出它们不仅三维物理量场分布差异较大,其发展过程中能量变化也有很大差异。热带气旋的K,值远大于切变线低涡,但K_φ的变化则相反,无论是其绝对值或它占总动能的比值,都不      

亚洲季风变动与大气正压/斜压运动动能变化的气候特征

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ４０年（１９５８～１９９７年）月平均再分析资料,通过动力学论断研究了大气斜压／正压运动动能的变化及其相互转换,分析了亚洲季风变动与这两种动能变化的联系。指出：季风区大气运动动能的组成和变化具有独特的特征。冬季风时期大气斜压运动动能与正压运动动能具有正相关线性关系,斜压运动能向正压运动动能转换;春、秋季无论是东亚还是印度季风区斜压运动动能与正压运动动能之间转换都处于极小值,只是     

8807号登陆台风的数值研究：内核结构及能量水汽收支

使用PSU/NCAR研制的非静力中尺度模式MM5对登陆后维持较久的典型个例8807号台风(Bill)进行了数值模拟。模拟采用了网格距分别为18和6 km的两重双向嵌套网格。通过给定初始涡旋和选择合适的物理过程,模式不仅比较好地模拟了Bill的强度变化过程,而且再现了风暴的移动轨迹,对降水量的模拟也相当成功。文中利用细网格的模拟结果,分析台风登陆前后的内核结构特征和能量水汽收支,揭示Bill登陆后维持较久的可能原因。分析表明,Bill台风登陆后出现了中低层的稳定度特别是湿稳定度显著加大、表面热通量和水汽通量明显减小、摩擦耗散的动能显著增加等不利于台风维持的特征。但是台风登陆后眼墙结构长时间维持,在登陆初欺眼墙区的上升气流乃至较登陆前更强;台风登陆后通过低层辐合获得了大量水汽,眼墙区强劲的上升运动将低层辐合的水汽向中上层输送,在眼墙附近凝结产生大量的非绝热加热;非绝热加热不仅增暖气柱、增加位能还影响位能向动能的转换,虽然台风登陆后陆面摩擦显著加大,但气压梯度力所做的正功足以补偿摩擦耗散的动能,因而Bill能在登陆后长时间维持。     

水平切变线上涡层不稳定理论

文中打破了传统的 Kelvin- Helmholtz研究切变不稳定的观点 ,考虑了强涡度切变存在时切变线已构成了一个涡层 ,这时切变线的不稳定问题就变为涡层的不稳定问题。同时考虑由涡层所产生的诱导速度 ,从理论上得到了水平切变线上涡层不稳定必要条件的判据 ,即必须满足 (1 - Rv Rid) >0 ,且有 U(y,t) >U(A(t) )与之相配合。这表明环境场的配置制约着切变线上扰动的发展 ,这种中尺度扰动同环境场存在着相互作用。文中还用具体个例对如何计算不稳定必要条件做了解释和说明。     

IMPACTS OF UPPER-LEVEL COLD VORTEX ON THE RAPID CHANGE OF INTENSITY AND MOTION OF TYPHOON MERANTI (2010)

Typhoon Meranti originated over the western North Pacific off the south tip of the Taiwan Island in 2010.It moved westward entering the South China Sea,then abruptly turned north into the Taiwan Strait,got intensified on its way northward,and eventually made landfall on Fujian province.In its evolution,there was a northwest-moving cold vortex in upper troposphere to the south of the Subtropical High over the western North Pacific(hereafter referred to as the Subtropical High).In this paper,the possible impacts of this cold vortex on Meranti in terms of its track and intensity variation is investigated using typhoon best track data from China Meteorological Administration,analyses data of 0.5×0.5 degree provided by the global forecasting system of National Centers for Environmental Prediction,GMS satellite imagery and Taiwan radar data.Results show as follows:(1)The upper-level cold vortex was revolving around the typhoon anticlockwise from its east to its north.In the early stage,due to the blocking of the cold vortex,the role of the Subtropical High to steer Meranti was weakened,which results in the looping of the west-moving typhoon.However,when Meranti was coupled with the cold vortex in meridional direction,the northerly wind changed to the southerly at the upper level of the typhoon;at the same time the Subtropical High protruded westward and its southbound steering flow gained strength,and eventually created an environment in which the southerly winds in both upper and lower troposphere suddenly steered Meranti to the north;(2)The change of airflow direction above the typhoon led to a weak vertical wind shear,which in return facilitated the development of Meranti.Meanwhile,to the east of typhoon Meranti,the overlapped southwesterly jets in upper and lower atmosphere accelerated its tangential wind and contributed to its cyclonic development;(3)The cold vortex not only supplied positive vorticity to the typhoon,but also transported cold advection to its outer bands.In conjunction with the warm and moist air masses at the lower levels,the cold vortex increased the vertical instability in the atmosphere,which was favorable for convection development within the typhoon circulation,and its warmer center was enhanced through latent heat release;(4)Vertical vorticity budget averaged over the typhoon area further shows that the intensification of a typhoon vorticity column mainly depends on horizontal advection of its high-level vorticity,low-level convergence,uneven wind field distribution and its convective activities.     

一个孟加拉湾低压动能收支的研究

本文用1979年夏季风试验时期(MONEX)得到的专门观测资料计算了孟加拉湾地区一个季风低压的能量收支,得到(1)无辐散风动能制造项是低压的主要动能制造项。在整个低压生命期,平均无辐散风动能制造为7.40瓦/米2,辐散风动能制造为0.67瓦/米2。这表明正压能量制造过程的重要性;(2)对于扰动动能收支,斜压能量转换和正压能量转换都有重要作用。另外通过边界通量,低压总是从环境得到扰动动能的。