气旋爆发性发展过程的动力特征及能量学研究

本文对不同路径的爆发性气旋进行了动力特征及能量学研究。发现高空大值位涡空气的下伸是气旋爆发性发展的一个重要条件。初生气旋逐渐向强位涡区移近并形成上下位涡区相接的形势。使气旋迅速发展。高空急流与气旋发展有密切关系。发展中的气旋明显地向着急流左侧的辐散区移动。急流的突然加强及高空强风动量的不断下传，构成了下层的强风带及上下一致的急流结构。能量学研究指出在气旋发展前气旋内散度风动能向旋转风动能的转换突然增强。散度风动能在爆发气旋发展时有明显增长。     

爆发性气旋的合成诊断及形成机制研究

该文对发生在太平洋和大西洋的16个爆发性气旋作了合成分折, 对强弱爆发性气旋作了对比及诊断.研究发现, 基本场上存在不少明显的差异.分析得出, 强爆发性气旋的形成与高空急流的非纬向性以及反气旋性弯曲密切相关.非纬向高空急流为爆发性气旋提供了强的辐散、斜压性、斜压不稳定场.高层强爆发性气旋前部的反气旋曲率易造成重力惯性波在能量北传时发展, 促使气旋快速加深.暖平流及非绝热加热可使反气旋曲率加强.一般情况下, 当气旋西部位涡的大值区与北部位涡的大值区叠加下沉时, 有利于气旋爆发性发展.     

2010年4月27日莱州湾大风过程诊断分析

利用NCEP资料对2010年4月27日莱州湾大风过程进行了诊断分析。结果表明,气旋的爆发性发展导致气旋冷锋后部的锋生加强引发的变压梯度加大是造成此次莱州湾地区大风过程的直接原因。通过大尺度环境场分析,以及温度平流、涡度平流、高空急流、高层位涡异常的诊断分析,认为强的大气斜压性和其所伴随的冷、暖平流使高空槽发展;高低层涡度平流差异是地面气旋发展初期的主要因子;高空槽前急流轴向极一侧的非地转分量所引起的辐散有助于气旋发展;高层高值位涡下传激发了气旋性环流,造成地面气旋爆发性发展。     

引发黑龙江省暴雪爆发性气旋个例动力分析

利用气象站综合观测资料和NCEP FNL的1°×1°再分析资料,分析了2013年11月25日黑龙江省大暴雪的环流特征和气旋爆发性增长过程;在此基础上,对涡度平流、高低空急流的分布特征和垂直结构及湿位涡的正压项和斜压项对气旋爆发性增长的贡献进行了深入细致的研究,探索此次爆发性气旋发展的动力学机制.结果表明:此次黑龙江省暴雪过程地面气旋中心位于槽前最大正涡度平流区下方,正涡度平流使等压面降低,地面减压,气旋获得发展.地面气旋始终位于南支高空急流核左前方和北支高空急流核右后方,两支高空急流的动力作用均引起强辐散.高、低空急流耦合的区域,使高层强辐散和低层强辐合叠置,加强了气旋中心附近的上升运动,从而使气旋和降雪的强度得到加强.气旋在强斜压大气中获得爆发性增长,气旋的爆发与湿位涡的分布和演变关系密切,高层正湿位涡下传,使低层湿位涡增大,气旋获得发展;当高层ξmpv1线趋于准水平状态时,正湿位涡下传造成低层湿位涡发展结束,气旋发展停止并逐渐减弱.大气湿斜压性增加可引起垂直涡度的显著增加,促使气旋爆发性增长,垂直涡度的变化滞后于湿斜压性的变化.     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

爆发性与非爆发性海洋温带气旋

本文选取分别代表爆发性发展(1983年3月)和非爆发性发展(1982年3月)的两个海洋温带气旋个例,对它们进行了比较研究。结果表明,无论是在基本要素场,还是诊断出的物理量场,两者都表现出明显的差异。其中,涡度、位势涡度、扰动动能和总动能之间的差别更大。在爆发阶段,前3项的增加量爆发性气旋是非爆发性气旋的2—4倍,而总动能的增大值两者悬殊更大,比值为13.6:1。     

南海地区中层气旋的生成

本文对12个中层气旋生成时的环境场作综合分析,选出两个生成位置靠近平均位置的气旋,分4个时次进行涡度和热量的收支计算。结果表明,大尺度的涡度倾向是气旋生成的必要条件,尤其是散度项的贡献最为显著。在低纬地区地转参数(f)比中纬度小,散度项的贡献较大程度地取决于相对涡度(ξ)的大小。在对流层中下层,散度项值最大,气旋也首先在这里生成。气旋生成时涡管倾斜度很大,由于积云对流将低层的正涡度向上层输送,使涡管变垂直,促使气旋发展成熟。计算得到的小尺度涡度输送和实际降水量分布十分一致。积云对流释放出来的潜热可直接加热中层大气,但上层大气是靠补偿动力下沉增温的。      

2018年一次温带气旋入海爆发性增强时期的集合预报对比分析

基于实况观测资料、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Forecast, ECMWF)0.5°（纬度）×0.5°（经度）水平分辨率的再分析数据和集合预报数据,对2018年2月一次入海爆发性气旋在黄海南部的爆发性增强时期的动力和热力因子进行了对比分析。根据气旋路径、强度和海面风的检验结果挑选出两组集合成员——好成员组和坏成员组。通过组间对比分析得到如下主要 结论 1）在气旋入海之后爆发性增强时,500 hPa高空槽和850 hPa中低层低涡迅速加强,同时低层和高层的西南急流均明显加大,中高层系统快速增强,上述因子均为气旋出现爆发性发展提供有利条件。2）气旋入海之后上升运动快速增强,这加剧了低层辐合与高层辐散,有利于地面降压,促使地面气旋的爆发性发展。水汽在中低层辐合后随气流上升发生凝结并释放潜热,这加强了高层辐散、低层辐合以及上升运动,促使气旋进一步爆发性发展。与此同时,对流层顶的高值位涡下传增强,低层大气斜压性受气旋上空冷暖平流的增强而增大,导致垂直稳定度减小,地面气旋性涡度增强,也有利于气旋爆发性发展。最终此次气旋快速增强并达到中等爆发性气旋的强度。3）虽然集合预报两组成员的平均场均比分析场弱,但是好成员组抓住了气旋上空中高层天气系统的快速增强过程,以及垂直运动、温度平流、水汽条件、位涡等预报因子和物理量的快速增强过程,其预报效果在气旋强度和路径等方面均显著优于坏成员组。     

气旋快速发展的机制分析

本文主要分析爆发性气旋的形成机制。通过对一个爆发性气旋生成的个例分析表明,高空急流核的东传及高空强风动量的下传加强了低层强风带及气旋性涡度切变;涡度及位涡垂直分布显示,以对流层中高层的强涡度为背景,气旋在中低层得以爆发性发展,使得强盛期的气旋发展成为一个上下一致的垂直涡度柱;低空强风带的加强一方面由于高空急流的动力强迫作用,另一方面来源于低纬空气质点对强风动量的输送作用。另外,本文还利用拉格朗日方法进行空气质点的轨迹积分,以分析高空纬向气流及低层强风带的变化及输送作用。     

一次东海气旋爆发性发展数值模拟

在2006年6月1日发生在东海的爆发性气旋的天气学分析基础上,进行数值模拟,以进一步认识其爆发性发展的物理机制。结果表明:这次东海气旋的地面系统来自台湾岛附近的海上倒槽,在浙北沿海遇到高空比较深厚的低槽,大尺度高空槽通过槽前正涡度输送和槽前后冷暖平流对斜压不稳定的加强作用为气旋发展和维持提供有利的环境。同时,高空急流也通过其出口区的辐散和暖平流为气旋发展和维持提供有利的环境。中低层在舟山海域的强涡度平流的抬升作用产生降水,并通过水汽凝结引起潜热释放,进一步造成地面气旋系统的发展,此时气旋和降水形成正反馈机制。潜热释放被高空槽前斜压不稳定和急流出口区右侧辐散共同引起的上升运动激发后,对气旋的发展起着重要作用。     

ANALYSIS OF COMPOSITE DIAGNOSIS OF OCEANIC EXPLOSIVE CYCLONES*

Using the data of ECMWF (European Center for Medium-range Weather Forecasts) to undertake composite diagnoses of 16 explosive cyclones occurring at the Atlantic and the Pacific Oceans,it is found that there are a lot of obvious discrepancies on the basic fields between these strong and weak explosive cyclones.The major reasons why the explosive cyclones over the Atlantic are stronger than those over the Pacific Ocean are that the non-zonal upper jet and the low-level warm moist flow over the Atlantic are stronger.The non-zonal upper jet offers stronger divergence,baroclinicity and baroclinic instability fields for explosive cyclones.Anticyclonic curvature at the high level of strong explosive cyclones is easy to make the inertia-gravitational wave developing at the moment of northward transfer of energy and stimulate the cyclones deepening quickly.Warm advection and diabatic heating can cause the upper isobaric surface lifting,as a result,the anticyclone curvature of cyclones enlarges,and wave energy develops easily as well.The most powerful period of the development of explosive cyclones is just the time when the positive vorticity advection center is located over the low vortex.At the upper level,when the distribution of potential vorticity contours changes suddenly from rareness to denseness,and the large values of the potential vorticity both in the west and north sides of cyclones extend downwards together,then cyclones are easy to explosively develop.The formation of strong explosive cyclones is closely related with the non-zonality of upper jet and the anticyclonic curvature.     

ENERGY DISPERSION EFFECTS ON EXPLOSIVE DEVELOPMENT OF MARINE CYCLONES

A dominant role played by energy dispersion in the explosive development of extratropicalmarine cyclones over the Northwest Pacific has been revealed based on both the eddy energyequations and the energy flux vectors of nonlinear wave packet.At the initial and explosive time.the eddy energy from neighboring upstream systems beyond the radius of Rossby deformation isdispersed into the eddy energy center associated with the cyclone via ageostrophic geopotentialfluxes,and results in the rapid increase of eddy kinetic energy and the occurrence of explosivecyclogenesis.When the cyclone begins to decay,its corresponding eddy energy is exporteddownstream and hence triggers the growth of new perturbation downstream.Through generalizingthe energy flux vectors of quasigeostrophic wave packets to the nonlinear forms and making use ofthe relationship between the energy flux vectors and the total eddy energy,the approximationexpressions of the total group velocity and relative group velocity are derived,and then they areused to compute an explosive case.The normalized ageostrophic geopotential fluxes by dividing thevolume integral of ageostrophic geopotential fluxes by the integral of the total eddy energydetermine the relative group velocity at which the eddy energy is spreading out,and they can beused to evaluate the position of next new disturbance.The nonlinear advective fluxes influenceprimarily the phase speed and translation of the cyclones.The results in this paper facilitate toexpanding the mechanism research on explosive cyclones and have great significance for predictingthe explosive intensification and downstream disturbance growth.     

A DIAGNOSTIC STUDY OF AN EXPLOSIVELY DEEPENING OCEANIC CYCLONE OVER THE NORTHWEST PACIFIC

The vertical motions and secondary circulation of an explosively deepening oceanic cyclone,which oc-curred over the Northwest Pacific Ocean and was in conjunction with 200 hPa-level jet stream and hascentral pressure falls of 33.9 hPa/24h,have been computed from seven-level nonlinear balance model and Saw-yer-Eliassen-Shapiro equation for the transverse ageostrophic circulation.The vertical motions are partitionedinto contributions from large-scale latent heat release,effect of cumulus heating,thermal advection,differen-tial vorticity advection,etc.,while the secondary circulation stream function is partitioned into contributionsfrom geostrophic deformation,transfer of momentum and heat in the area of cumulus and diabatic heating.The principal results are the following.Large-scale latent heat release is very crucial to the explosive de-velopment of cyclones.If there is enough transfer of moisture,the positive feedback process between ascentof air and large-scale heating would work.The cumulus heating and the transfer of momentum and heatin the area of cumulus play an important role during the explosively deepening stage.Thermal advection isthe initial triggering condition for large-scale heating and the conditional instability for the convection ofcumulus.     

不同垂直加热率对爆发性气旋发展的影响

文章着眼于海洋温带气旋爆发性发展热力结构的影响效应问题。通过数值试验的结果表明，温带气旋发展状况对于垂直加热廓线分布具有突出的敏感性，若将垂直加热廓线“形变”，则可能导致海洋气旋的爆发性发展，并构成类似观测到的“气象炸弹”动力，热力结构，即“上干下湿”，“上冷下暖”的不稳定层结或“抽吸”结构，急流轴“断裂”形成的非地转偏差特征。从而揭示了垂直加热廓线特征在海洋气旋发展诸影响因子中的关键作用以及潜热释放分布与海洋气旋动力、热力结构形成的机理。     

LOCAL ENERGETICS ON EXPLOSIVE DEVELOPMENT OF EXTRATROPICAL MARINE CYCLONE

Local energetics on explosive development of extratropical marine cyclone was proposed and adiagnosis of the representative cases was performed from local balance,net volume integrationbudget and vertical distribution using the derived eddy kinetic energy equation and eddy availablepotential energy equation.The results revealed that three primary scenarios are responsible for therapid growth of eddy kinetic energy and explosive cyclogenesis,and that a primary explosivedevelopment mechanism is the enhanced baroclinic instability by eddy heat transport and eddydiabatic heating,and that the explosive eyclogenesis is essentially a product of the peculiarclimatological background bearing strong thermal difference in cold season and its conversionpotential.     

海洋温带气旋爆发性发展数值试验

利用 Ｐ Ｓ Ｕ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ Ｍ Ｍ ４ 对５ 个西北太平洋温带气旋的爆发性发展进行了一系列数值模拟和敏感性试验,并对重要的物理过程进行了分析和诊断。采用相同物理过程及边界条件的控制试验成功地模拟出了主要的爆发性气旋加深率,为海洋爆发性气旋的业务数值预报提供了可能。敏感性试验获得了湿物理过程、能量频散、 Ｓ Ｓ Ｔ 和海面能通量、日本岛地形及初、边值条件等影响气旋加深率的定量认识,分析表明水的微物理过程,特别是网格尺度的水汽凝结、未饱和层的云滴和雨滴蒸发,是气旋爆发性发展中最重要的物理过程;在高空 ２００～３００ｈ Ｐａ 层的云滴蒸发效应可能是形成相应层气旋中心非绝热冷却峰值的主要原因;由内在热力动力学过程所决定的潜热释放比对流参数化任意规定的加热分布更接近实际并能产生更好的模拟结果;没有能量频散效应时可减小模拟加深的 ３０％ ;海面能通量在初始时刻比在爆发性发展时更重要,不计初始时海面能通量将影响模拟加深约 ２５％ ,而不计爆发性发展时的海面能通量,这种影响不及前者的一半;爆发性发展时的海面能通量呈不均匀分布并能诱导反锋面热力环流在局部抑制气旋的加深;大气模式对海气边界层能通量交换的变化和海洋增暖产生了显著的热力学响     

海洋风暴形成的一种动力学机制

文中从观测统计学、瞬变涡动能量学和 MM5中尺度数值模拟角度 ,研究了海洋风暴 (爆发性气旋 )形成的气候特征及其可能的动力学机制 ,揭示了一幅爆发性发展的物理图像。结果表明 ,在冷季大气特别是日本以东洋面上大气特有的热力气候背景下 ,通过同海洋风暴过程相联系的涡动热通量 vθ的向极地输送 (- vθ· θm>0 ) ,将季节尺度的时间平均有效位能向瞬变涡旋时间尺度的涡动有效位能转换 ,是海洋风暴形成的主要动力机制。在该过程中转换来的具有最大贡献的涡动有效位能 ,连同具有次大贡献的积云加热制造的涡动有效位能(q3 )一起 ,通过暖异常区 (α >0 )暖湿空气上升运动 (-ω >0 )的斜压转换 (-ωα) ,促使涡动动能增长。同时 ,补充的涡动有效位能又加强了暖异常区的暖湿空气上升运动 ,进而产生积云对流活动及其潜热释放的正反馈过程 ,最终导致涡动动能急剧增长和海洋风暴的形成。海-气潜热输送的作用是在风暴形成初期提供后来积云尺度对流活动及潜热释放的水汽潜力。研究还表明 ,海洋风暴主要发生在冷季月份 1 3 0°E以东的中高纬洋面上 ,这种对特定季节和特定海域的依赖性是大气和海洋气候背景的动力 /热力共同作用的结果     

西北太平洋爆发性气旋的诊断分析

本文对一年中26个西北太平洋爆发性气旋形成的大尺度条件做了统计研究。结果表明:海洋上空大气层结的不稳定、高空急流出口区北侧的动力辐散,冬季副高位置偏北时其西侧的强暖平流以及中低层的强斜压区等都是气旋急剧发展的有利因素。 另外,本文利用完全的ω-方程和Sawyer-Eliassen次级环流方程对1983年1月6—9日发生在西北太平洋上的一次爆发性气旋做了诊断分析,得到:(1)大尺度加热是使气旋强烈发展的主要物理因子;积云对流加热也是重要的物理因子。(2)温度平流是使前两者起作用的先决因子,它对气旋的初期发展起了某种启动作用。     

西北太平洋温带气旋爆发性发展的热力-动力学分析

利用天气、位涡分析和导出的Lagrangian型广义Z－O发展方程的诊断分析,考查了两个西北太平洋温带气旋爆发件发展的主要强迫机制和热力一动力空;司结构。结果表明,热力强迫对爆发性气旋发展起主要控制作用,当反映大气斜乐性的Laplacian温度平流、积云对流和湍流加热为主的热力强迫共同作用使地转相对涡度急剧增长时,气旋便出现了爆发性发展,其中积二尺度的对流加热贡献更大。Laplacian绝热冷却、大气向海洋的感热输送和摩擦效应起阻滞发展的作用,也是控制气旋衰亡的主要过程。爆发性发展启动同子因例而异,涡度平流、Laplacian温度平流和Laplacian大尺度加热均可成为主要启动因子。垂直积分平均分布和垂直结构考查进一步佐证了诊断分析的结果,并揭示了气旋爆发性发展过程中一些重要的热力-动力学分布特征。