巴湖低压稳定、东移的涡度、散度收支分析

本文对1982年7月15日—18日一次巴湖低压活动过程进行了涡度、散度收支分析。在巴湖低压活动的过程中,辐散项对低压区内涡度收支贡献较大;非地转涡度作用与地转涡度平流作用对散度收支贡献较大。巴湖低压的稳定和东移与新地岛低槽槽前的正涡度与辐合区变化有关。     

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。      

0601号登陆台风及暴雨减弱消亡过程中的动能收支分析

利用高分辨率（10km）数值模拟的结果,以登陆华南并引发特大暴雨的0601号台风为例,对台风中田尺度动能收支平衡进行了诊断分析。结果表明,中-β尺度系统动能收支水平项（水平通量散度项和水平产生项）很小,垂直项（垂直通量散度项和垂直产生项）是动能收支方程的主要部分;动能垂直通量散度在对流层低层是动能的汇,在对流层中高层为动能的源;动能垂直产生项在对流层各层都是动能的汇;浮力产生项在300hPa以下是动能的源,在对流层高层是动能的汇;平均动能的局地变化项,在对流层各层均小于零,暴雨期间对流层动能支大于收,且动能变化在对流层中低层最明显。就整个对流层的垂直总量而言,浮力产生项是主要的动能源,而垂直产生项是主要的动能汇。较强冷空气首先从对流层中层入侵台风环流系统,抑制动能制造和传输,是中田尺度对流系统不能维持、发展的主要原因,也是台风系统及其暴雨不能长久维持的关键。     

华南春季强对流天气过程的动能收支 (一)总动能收支

本文利用常规探测资料计算和分析了1983年3月1日影响珠江三角洲的一次强对流天气过程的总动能收支。结果表明:就时间区域平均而言,动能制造项是总动能源,动能水平通量散度和次网格尺度过程则消耗区域的动能;几乎所有的主要收支项数值,都在高空急流所在的对流层上层最大;网格尺度的垂直输送使动能由对流层中、低层向高层输送,但次网格尺度过程使动能下传。在风暴影响前后,各能量的收支项都有明显的改变。      

华南春季强对流天气过程的动能收支（一）总动能收支

本文利用常规探测资料计算和分析了1983年3月1日影响珠江三角洲的一次强对流天气过程的总动能收支。结果表明：就时间区域平均而言，动能制造项是总动能源；动能水平通量散度和次网尺度过程则消耗区域的功能；几乎所有的主要收支项数值，都在高空急流所在的对流层上层最大；网格尺度的垂直输送使动能由对流层中、低层向高层输送，但次网格尺度过程使动能下传。在风暴影响前后，各能量的收支项都有明显的改变。     

雷暴大风过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征研究

2014年5月31日北京发生一次雷暴大风过程。以雷达资料同化结果为初始场,对此次过程进行高分辨率数值模拟。采用非静力平衡和非地转平衡的经向动量方程和质量权重动能方程,利用模拟资料,对雷暴大风过程中经向动量和质量权重动能进行收支分析,以此来研究雷暴过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征,讨论地面大风的可能成因。分析结果表明,在对流层中低层,经向动量通量散度是影响经向动量局地变化的主要强迫项。雷暴系统后部的入流把中低层的经向动量倾斜向下输送,系统前部对流云区中低层的下沉气流也向下输送经向动量。这两支下传动量通量先后与近地面经向动量的水平通量汇合,向系统前沿输送经向动量。在北京西北部地形阻挡作用下,经向动量通量在系统前端近地面辐合,促进那里的经向动量局地增长,有利于增强那里的南风。质量动能收支的特征与经向动量收支类似,在近地面层质量动能的局地变化主要是由质量动能通量散度引起的。系统后部入流把中层质量动能向下传输到近地面层,然后与近地面质量动能的水平通量汇合,向系统前沿输送质量动能。相对来说,近地面层经向动量和质量动能的水平通量比下传通量更重要,这主要与低层较强的东南急流有关。     

冬季一次次天气尺度渤海气旋的动能制造

应用FGGE-Ⅲ_b资料对1979年11月24日—25日一次快速发展并造成渤海二号船翻沉事故的次天气尺度渤海气旋进行了局地动能收支分析。 气旋发展期间通过垂直气柱侧边界的动能、势能净通量是辐散的,气旋发展的能源主要依赖于动能产生项、动能转换项以及网格区域不能分辨的尺度运动作用。气旋控制期间边界层风场的增强,其外部能源主要依赖于通过侧边界的动能、势能净通量辐合,内部主要依赖于动能产生项和动能转换项。 与前人所研究过的天气尺度气旋相比较,这次气旋在发展阶段的动能产生和剩余源项[E]的数值都较大。     

一次强沙尘暴过程中尺度平均动能变率诊断

利用MM5中尺度气象模式嵌套数值模拟的输出结果,计算并分析了一次强沙尘暴天气过程的中尺度动能收支,揭示了沙尘暴过程中的起沙、扬沙和输送的能量来源以及随高度的分布和演变过程。结果表明：(1)沙尘暴天气期间中尺度能量过程活跃;(2)沙尘暴过程因消耗局地动能而启动和发展,能量来源在于高空的动能转化;(3)沙尘暴天气过程中,非地转运动造成的气流穿越等压线运动是沙尘暴能量平衡过程中次重要的能汇项;(4)水平通量散度项为沙尘暴天气过程中主要的中尺度能汇;(5)垂直通量散度项为沙尘暴天气过程中的能源项。随着系统的演变,能源中心从高层向中层转移,直至后期的高层出现能汇;(6)摩擦消耗和次网格尺度效应以及计算误差R在沙尘暴天气过程中总体表现为能源项。     

热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究

采用动态合成方法, 对登陆后长久维持热带气旋(LTC)和迅速衰亡热带气旋(STC)的涡度、动能、热量和水汽的收支平衡进行计算和对比分析.结果表明: (1)LTC在陆上长久维持过程中, 其低层正涡度衰减缓慢并保持一定强度.STC登陆后正涡度减弱较快.(2)热带气旋登陆后涡度的收支主要取决于水平散度项、平流项和剩余项.散度项使LTC低层正涡度增加, 高层减少, 平流项和剩余项则使其低层涡度减弱, 高层涡度增加.总体而言, LTC自高层获得正涡度的补充, STC则没有获得环境正涡度.(3)低层, 摩擦耗散使LTC动能减少, 但动能通量辐合可补充部分动能而减缓衰减.中高层, LTC登陆后36～60 h动能收大于支, 动能的增加一部分来自于斜压动能制造, 一部分来自于次网格尺度.STC有类似的动能耗散, 却无动能补充.(4)LTC登陆后保持一定强度, 并从外界获得热量和水汽补充来支持积云对流发展, 而积云对流对LTC的维持具有正反馈作用.STC登陆后没有这一过程.     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP／NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28—30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋武环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28-30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋式环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

华南春季强对流天气过程的动能收支 (二)辐散风和旋转风动能的收支和转换

在第(一)部分的基础上,进一步讨论辐散风动能和旋转风动能的收支以及这两种动能之间的转换过程。结果表明,尽管辐散风动能在总动能中所占比重很小,但它的变化与强对流天气过程的发生发展有着更为密切的关系。计算结果表明,在辐散风动能与旋转风动能的转换函数{K_D,K_R)中,B项(代表垂直运动与旋转风动能的垂直变化的耦合)是最大的转换项;在强对流区,反映涡管伸缩机制的A项也是一个很重要的转换项。就区域时间平均而言,有旋转风动能向辐散风动能(K_R→K_D)转换。      

北上台风暴雨过程涡散场的能量收支和转换特征

利用辐散风和旋转风的动能收支方程,对北方一次北上台风倒槽暴雨过程暴雨区内的涡散场能量收支和转换进行了计算.结果表明:暴雨区内动能的增加是暴雨增幅的一个主要原因.暴雨发展时,就旋转风动能(K_R)而言,旋转风动能通量(HFR)辐合是主要能源,而旋转风的动能产生项(GR)是主要能汇;就辐散风动能(K_D)而言,辐散风的动能产生项(GD)是主要能源,辐散风动能通量(HFD)辐散是主要能汇;总动能水平通量(HF)提供的辐合主要表现于对流层中、低层,这就使得低层辐合加强,上升运动加强,有利于暴雨的增幅.在暴雨过程中次网格尺度效应由能源转变为能汇,在暴雨发展之时能汇减小;能量的转换项C(K_D,K_R)总为正值,在转换项中,地转效应项的贡献很大.说明暴雨过程能量均由K_D向K_R转换,也就是说有效位能经K_D向K_R转换,充分说明了在整个暴雨过程中,尽管辐散风动能变化(∂K_D/∂t)很小,但是它在其中充当“桥梁”作用,C(K_D,K_R)在暴雨发展时达到最大,此时能量转换最为旺盛;对流层低层辐散风动能向旋转风动能的转换是暴雨产生和发展的重要条件.此次暴雨过程,在暴雨区内表现为斜压不稳定和正压稳定共存的特征,其发展过程是系统斜压不稳定增长,正压稳定性减弱的过程,暴雨增幅的另一个重要原因就是暴雨区内低层斜压的发展.     

北部湾热带低压发展成台风的结构演变和动能收支的诊断分析

本文对1985年8月下旬北部湾热带低压发展为台风的演变过程作了诊断分析。发现在台风的生成和加强的过程中,涡旋动能出现显著的加强和向下转移,最大涡度层和无辐散层明显下降.与此同时,暖心结构也逐步形成。这一过程与低层西南季风的增强北进,卷入台风环流中的过程密切相关。涡旋动能收支的计算表明,低压由于处在强的水平切变和垂直切变基流中,风场和温度场的不对称和暖心结构的形成,使台风获得正压和斜压不稳定能量,加之以积云对流为代表的次网格过程向涡旋运动输送能量,从而使低压发展为台风。台风的衰亡是由于登陆后低层偏冷气流的入侵和下部暖心结构的破坏,使台风只有纬向平均气流取得能量,不足以补偿摩擦耗散和位能通量的辐散,因而减弱为低压的。      

重庆2次西南涡暴雨过程的类比分析

基于AREM模式分别对2010年夏季发生在重庆的两次西南涡暴雨过程进行数值模拟,并利用模拟结果对暴雨过程的动力和热力场演变以及涡度收支变化进行分析。结果表明:1)西南涡造成的降水落区位于低涡中心附近,整个降水过程雨带分布与低涡移动路径相一致;2)整层水汽通量辐合极值出现时间超前于最大降水出现时间,降水增强阶段,整层水汽呈增长趋势,说明存在稳定的水汽输送;3)最强辐合出现时间略早于最大正涡度出现的时间,说明大气辐合能够促进涡度的发展,辐合中心比正涡度中心位置低;4)涡度辐合辐散项对低涡的发展加强起最主要的作用;涡度平流项和涡度辐合辐散项的作用集中体现在中低层大气中,而垂直对流项和扭转项的作用则在中高层更为明显;降水的强弱与涡度变率的大小及伸展高度相对应。     

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

地气通量中存贮和平流项计算方案的探讨

从物质收支方程出发,推导了一个包含物质存贮、水平平流输送、垂直对流输送以及传统的涡度相关项的地气通量计算方程。平流项本质上是地表非均匀性的结果,不同下垫面的感热和潜热通量也不同,将会产生中尺度环流,使得辐合辐散过程得以维持,从而将体元内的物质输送到体元以外,因此可以通过计算水汽和感热的存贮,间接求出物质的水平平流输送。量纲分析和实际的资料应用都表明,存贮和平流的通量贡献是非常小的。尤其是在均匀下垫面下,方程中的存贮和平流项的通量贡献可以忽略,因此估算地气通量时仅需考虑涡度相关项和Webb修正项即可。而在非均匀下垫面下,在1 d以上的时间尺度上,为方便计算,可以忽略存贮和平流的通量贡献;而在小时这样的时间尺度上,从物质能量收支守恒的角度考虑,估算地气通量需要包括存贮和平流的通量贡献。     

一次高空急流增强过程中的中尺度扰动和动量输送特征

本文利用中尺度数值模式的高分辨率模拟结果,研究了夏季东亚副热带西风急流一次短时间尺度强度变化过程中的中尺度西风扰动特征和相应的动量输送特征。结果表明,此次急流强度短时间尺度变化以急流轴线为界,北侧增强,南侧减弱。急流整体增强和急流内部中尺度西风扰动的积累效应有关。急流入口区(出口区)南侧主要为西风动量水平通量辐散区(辐合区),北侧为辐合区(辐散区),西风动量水平辐合辐散区的水平尺度只有百公里左右,也属于中尺度范围,并且辐合辐散区一般位于地形坡度较大区域上空。西风动量的垂直输送与西风动量水平通量散度分布几乎一致,但数值小一个量级以上。     

强台风“尤特”登陆前后移动路径和强度变化特征分析

利用美国NCEP/NCAR再分析资料和雷达拼图资料等对2013年8月13—19日1311号强台风"尤特"登陆前后的移动特征和结构强度变化进行了诊断,初步分析了"尤特"登陆后准静止维持的成因,主要结论如下:(1)"尤特"登陆后低压环流在华南持续较长时间,且15—17日环流中心稳定少动。(2)副高在"尤特"北侧形成高压坝,并从"尤特"东侧向低纬扩展,"尤特"被高压环流包围可能是其稳定少动的原因之一;此阶段环境引导气流明显减弱,也使"尤特"移动缓慢。(3)环境垂直风切变在登陆后迅速变小,对"尤特"低压环流的维持有积极作用。(4)"尤特"登陆后仍与水汽通道紧密相连,充沛的水汽利于环流中对流系统的发生发展。水汽通量和水汽通量辐合中心的分布,影响"尤特"环流中对流的分布。(5)在准静止维持阶段,涡动动能的增加利于"尤特"环流的维持,其增加主要是由于动能制造项的增强,并且高层水平通量辐合作用的增强以及区域平均动能向涡动动能的转化也都为其提供动能。     

渭河流域三次暴雨过程水汽和上升运动的垂直结构比较

利用常规高空观测资料和NCEP/NCAR 6 h再分析资料等,着重从水汽和上升运动的垂直结构上对发生在渭河流域的三次致灾暴雨过程进行了比较分析。结果表明:三次暴雨过程具有相似的水汽通量散度场垂直结构,即低层辐合、中层或高层辐散,但低层辐合远大于其上层辐散,低层强水汽通量辐合不仅为暴雨区提供了充沛水汽,也导致并促使水汽在垂直方向上从低层向高层输送,从而增强大气垂直上升运动发展;600 hPa(或400 hPa)水汽辐合或辐散突然增强,预示降水强度将增大,其突然减弱,则标志着强降水趋于结束;三次暴雨过程中,强降水主要出现在整层上升运动形成前后和450 hPa附近垂直上升运动增强最快时段内。