河北省廊坊地区暴雨预报的地气学方法

利用1981 2011年发生在中国及周边地区4级以上地震资料和廊坊地区降水资料,首先分析了落在廊坊地区境内的地震"拍涡"和河北省境内4级以上地震引发的"震源涡"对廊坊地区降水的影响,然后进一步统计分析了由于地热涡产生和活动引起的地温场分布、变化与暴雨天气产生和落区分布关系,最后对2011年廊坊地区降水与暴雨个例进行了检验分析。结果表明,由4级以上地震引发的落在廊坊地区境内的地震"拍涡"及河北省境内4级以上地震相伴的"震源涡"可导致廊坊地区降水异常和偏多;一年中由于地震频发落在廊坊地区境内形成的多个地震"拍涡",其存在可以导致廊坊地区数月降水的异常和偏多。从地气学的角度分析,影响廊坊地区多雨和暴雨的主要地气系统是地震"拍涡"和"震源涡"。通过对2011年廊坊地区降水及暴雨个例的分析表明,掌握地下中强震活动信息,充分利用地热涡形成引起的地温场变化以及地热涡最强点("超能值")的分布,结合天气影响系统的诱发,对暴雨及其落区预报具有非常重要的预报参考价值。     

影响"05.06.25"长江流域暴雨的西南低涡特征

利用NCEP逐日再分析值资料,分析了影响2005年6月25日长江流域暴雨过程的西南低涡结构特征及其移动发展机制。结果表明:25日移出川东影响长江中游的西南低涡是一个显著不对称的斜压系统,其发展过程中始终伴随着强盛的西南低空急流;低涡移动过程中非地转平衡性很强,高层正涡度平流和低层暖平流的共同作用,是低涡移动过程中周围大气维持较大的非热成风涡度,从而造成低涡区域上空强上升运动的重要原因。     

唐乃亥水文站径流量与黄河源区拍涡的关系

为了揭示地下热活动对黄河上游径流变化的影响,并为径流的短期预报与水利调度、防洪抗旱等提供参考依据。利用2002 2011年唐乃亥水文站日平均径流量资料和东亚地震资料,定义了拍涡强度指数,分析了10年间黄河源区的拍涡和唐乃亥水文站日平均径流量的关系。结果表明,黄河源区拍涡出现的时间与唐乃亥水文站日平均径流量距平百分率≥50%的丰水期相对应,丰水期与拍涡出现的时间相差在一周以内,且丰水期平均径流量与拍涡强度指数呈正相关关系,这对黄河上游径流预报有重要的指示意义。     

2011年梅雨期长江中下游地区两次暴雨过程数值模拟对比分析

基于WRF数值预报模式,对2011年梅雨期6月9—10日和14—15日长江中下游地区两次暴雨过程（分别简称“6·10”过程和“6·14”过程）进行数值模拟,重点对比分析了暴雨期间西南涡的活动与高低空急流耦合配置之间的关系。结果表明：1） 西南涡的活动和高低空急流耦合配置与暴雨活动关系密切,是造成两次暴雨过程范围和强度差异的重要因素。2）“6·10”过程中,一个浅薄的西南涡系统受青藏高原浅槽东移北缩减弱影响,向东北方向移动,同时西南低空急流位置偏北,导致暴雨区位置偏北;“6·14”过程中,一个深厚的西南涡系统受高空浅槽东移发展加深影响,沿长江缓慢东移,伴随西南低空急流位置偏南,降水缓慢向东移动,导致暴雨区位置偏南。3） 两次过程的强降水中心均位于高低空急流耦合区,“6·10”过程中,在长江中下游地区形成的高低空急流耦合区范围偏小且强度偏弱,因此辐合上升运动偏弱,不利于形成大范围的强降水;“6·14”过程中,在长江下游地区形成大范围高低空急流耦合的环流形势,强烈的辐合上升运动配合充足的水汽供应,最终形成大范围强降水。     

中国夏季最大雨区落区预测方法讨论

利用1980-2011年地震资料及夏季降水资料,对1980-2011年夏季中国最大雨区与最强拍涡位置进行了分析。结果表明,最大雨区与最强拍涡的位置相差在4个经纬度以内者占75%,因此,最大雨区的落点是可以通过计算拍涡位置来预报的。最大雨区面积与拍涡强度成正相关关系,相关系数为0.33,通过了0.1显著性水平检验。拍涡强度受两次地震出现时间的影响,若两次地震发生的时间间隔较短,表明其振动位相相近,共振和拍的作用会较强烈,使拍涡变得较强;随着时间间隔的增长,共振作用会越弱,多雨区面积也会越小。     

淮河大水年的地热涡活动特征及预测途径探讨

通过对2003年地温场的演变形势分析,讨论了引发2003年汛期淮河大水的主要原因。指出：冬季淮河流域有地热涡活跃和缅甸北中部或我国西部中段有6．5级以上强震发生是淮河发生大水的两个必要条件。     

一次强沙尘暴过程的动量下传诊断分析

动量下传对沙尘暴的发生发展起着十分重要的作用.选取2002年3月18-22日发生在我国华北地区的一次强沙尘暴过程,利用中尺度气象模式MM5V3.7输出的高分辨率动力协调资料,应用位涡理论详细探讨了沙尘暴发生发展的动量下传过程.结果表明:①蒙古气旋是此次强沙尘暴的主要影响系统;大风与干燥低湿是风蚀起沙的前提条件.②沙尘暴过程中,位涡沿等熵面下滑是高、低层动量交换的重要环节,揭示了沙尘暴动量下传的物理机制.     

东移西南低涡空间结构的气候学特征

对1991～2004年夏季（6～8月）西南四川盆地的低涡活动进行统计分类,比较分析了移出型和停滞型两类西南低涡生成初期的合成环流场,总结出影响低涡东移的三维环流结构的气候学特征：东亚中纬度地区对流层中高层的冷空气入侵造成中高层气温偏低,位势高度降低,伴随冷偏差中心南侧20°N～30°N由对流层顶至850 hPa都出现偏强西风,最大的西风偏差位于长江下游地区上空200 hPa。一方面,高层风速差异的纬向梯度加强了长江中游地区的高空辐散,在西南低涡东部形成有利于降水和气旋性环流发展的动力抬升机制。另一方面,对流层低层的西风偏差在青藏高原南麓至我国东部长江以南形成一条异常的水汽输送带,加强了低涡南侧的偏西风水汽输送作用,为低涡东部的降水潜热反馈作用提供了充足的水汽。西南低涡在这样有利的环流形势和水汽条件下更容易移出盆地。     

高原低涡与西南涡结伴而行的不同活动形式个例的环境场和位涡分析

本文利用NCEP/NCAR-FNL再分析资料、历史天气图、青藏高原低涡切变线年鉴,通过分析1998~2015年持续高原涡影响西南涡结伴而行（简称两涡伴行）过程的活动形式,并对不同活动形式的个例进行了环境场与位涡分析,得出了不同活动形式两涡伴行的环境场特征,揭示了冷空气活动、200 hPa急流对不同活动形式的两涡伴行的影响原因。结果表明:（1）两涡伴行有三种活动形式,它们是高原涡诱发西南涡、高原涡与西南涡耦合以及同一天气系统下两涡,其中以高原涡诱发西南涡的活动形式占多数。（2）两涡伴行的500 hPa环境场主要是40°N以北东亚环流经向度不强,纬向气流主导,受500 hPa低槽、冷空气活动的影响;200 hPa环境场主要与200 hPa急流的强度、距急流核距离、在急流两侧的位置密切相关;不同活动形式的西南涡上空200 hPa、500 hPa环境场特征是有差别的。（3）受500 hPa低槽、冷空气影响的两涡伴行中的西南涡的生成是通过500 hPa高位涡空气伸入西南涡上空,造成西南涡上空斜压不稳定所至;在西南涡上空500 hPa斜压不稳定增强且具有较强的斜压不稳定时西南涡加强;200 hPa西南风急流影响高原涡诱发或耦合、加强西南涡是分别在高空高位涡下传影响到高原涡与西南涡上空、西南涡的情况下实现的,同一天气系统下,高空高位涡下传只影响高原涡,而未影响西南涡。     

一次西南涡暴雨的等熵位涡特征分析

应用常规资料和0.5°×0.5°的GFS再分析资料,对2010年7月19日发生在河北山东的一次西南涡暴雨过程产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明：西南涡、高、低空急流、地面低压是这次暴雨过程的主要影响系统;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有很好的示踪作用;等熵位涡中心两侧气流辐合,利于地面低压发展;高位涡下传,导致了大暴雨产生;等熵位涡大值区及移动方向与降水落区有很好的对应关系。     

The dynamics of barotropic vortex merging

The merging of multiple vortices is a fundamental process of the dynamics of Earth’s atmosphere and oceans. In this study, the interaction of like-signed vortices is analytically and numerically examined in a framework of two-dimensional inviscid barotropic flows. It is shown that barotropic vortex interaction turns out to be more intricate than simple merging scenarios often assumed in previous studies. Some particular configurations exist in which the vortex merging process is never complete despite strong interaction of like-signed vortices, regardless of the strengths or distances between the vortices. While the conditions for a complete vortex merging process introduced in this study appear to be too strict for most practical applications, this study suggests that careful criteria for vortex mergers should be properly defined when simulating the interaction of vortices, because the merging may not always result in a final enhanced circulation at the end of the interaction, as usually assumed in the literature.     

Typhoon Vortex Self-Organization in a Baroclinic Environment

Self-organization of typhoon vortex in a baroclinic environment is studied based on eight numerical experiments with the fifth-generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research （PSU/NCAR） Mesoscale Model （MM5）. The results show that, when there are only two 400-km-away mesoscale axisymmetric vortices with a radius of 500 km in the initial field, the two vortices move away from each other during co-rotating till the distance between them greater than a critical distance named co-rotating critical distance. Then, they stop co-rotating. The situation is changed when a small vortex with a radius of 80 kin is introduced in between the two vortices in the initial field, with the two initially separated vortices approaching each other during their co-rotation, and finally self-organizing into a typhoon-like vortex consisting of an inner core and spiral bands. This result supports both Zhou Xiuji＇s view in 1994 and the studies in the barotropic framework concerning the interactions between the same and different scales of vortices. Six other experiments are carried out to study the effects of the initial vortex parameters, including the initial position of the small-scale vortex, the distance and intensity of the initially axisymmetric binary mesoscale vortices. It is found that the distance between the initial axisymmetrie mesoscale vortices is the most important parameter that influences the self-organizing process of the final typhoon-like vortex. This conclusion is similar to that obtained from barotropical model experiments.     

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

A Climatological Investigation of the Activity of Summer Subtropical Vortices

By applying a new vortex detection method to the ECMWF 40-yr reanalysis (ERA40) data from 1985 to 2002, the climatology of summer vortices has been investigated in five subtropical regions, i.e., the northwestern Pacific, northeastern Pacific, northwestern Atlantic, northeastern Atlantic, and Australia-South Pacific, followed by validation with NCEP/NCAR reanalysis data. Results are as follows: (1) The spatial distributions of ERA40 vortex activities (VAC) were well consistent with those of NCEP/NCAR reanalysis (NRA) results in all regions, especially in northwestern Pacific. (2) Because of different model resolutions, both the number and intensity of vortices obtained from NRA were significantly weaker thanERA40's. (3) Vortices mainly cruised in coasts and the adjacent seas, from where to the land or the open sea vortex activities were gradually decreased. (4) There were two active centers in the northwestern Pacific:one was located in South China Sea and the other, as the largest center of the five regions, spread from the east side of the Philippines to Japan. (5) Over the northwestern Atlantic, most vortices occurred in Panama and its west-side offshore. (6) The spatial distributions of vortices were alike between the northeastern Pacific and northeastern Atlantic, both spreading from coasts to the west-side sea at 5°-20°N. (7) In the Anstralia-South Pacific, vortices were not as active as those in the other four regions, and mostly took place in the equator-side of near ocean areas. (8) Except the northwestern Pacific and northwestern Atlantic, the VAC interannual variations in the other three regions were different between ERA40 and NRA data. (9)In the northwestern Pacific and northwestern Atlantic, the VAC interannual variation could be separated to several distinct stages. (10) Since the mid 1980s, mean vortex intensity was getting increased in the northwestern Pacific, which was most significant in the subtropical areas on a global basis. In the western North Atlantic, there was a decreasing (increasing) trend of the mean vortex intensity before (after) the mid1990s.     

ASIA-PACIFIC WINTER LFO STRUCTURE AND LOWFREQUENCY VORTEX ACTIVITY FEATURES*

Based on the winter 1984/1985 ECMWF grid point data subjected to the 30-60 day band-pass filtering and composite analysis,a study is undertaken of the LFO(low-frequency oscillation) structure in the eastern Asian westerly jet entrance and exit regions and the Asia-Pacific low-frequency vortex activity characteristics.Results show that zonal wind oscillations on both sides of the jet core are in anti-phase,in close relation to the E-W displacement of the core.Ranging in NW-SE direction is a low-frequency vortex train(LFVT) emanating from Ural via central Asia to East Asia.A low-frequency vortex of Ural origin,when reaching around 50°N,80°E,is split into two parts,one travelling eastward and the other southward,and finally they arc connected cyclonically or anticyclonically at low latitudes,forming a vigorous low frequency cyclone or anticyclone in the eastern part of China mainland,completing a full cycle of the LFVT.Further,observed in the central Pacific are a meridional LFVT and a cyclone/anticyclone couplet looping in a counterclockwise sense,giving rise to the LFVT phase shift over this region.     

全球数值模式中的台风初始化Ⅱ: 业务应用

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

影响华南地区西南低涡及致洪低涡活动的统计研究

利用1996-2005年近10年的MICAPS和NCEP2．5°×2．5°再分析资料，对影响华南地区的西南低涡以及致洪低涡活动进行系统性的统计研究，给出影响低涡活动的频率、集中生成地、移动路径、生成和移动过程中的强度、影响时的生命史、平均环流场、降雨特点等气候特征，建立影响低涡致洪暴雨天气系统配置及其模式图，为华南地区低涡及其致洪暴雨预报提供依据。     

全球数值模式中的台风初始化Ⅰ:方案设计

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

夏季长江流域两类中尺度涡旋的统计与合成研究

利用2000~2013年夏季6 h一次、水平分辨率为0.5°(纬度)×0.5°(经度)的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料,对产生于四川盆地的西南涡和产生于大别山地区的大别山低涡进行了识别,统计出西南涡和大别山低涡的发生频数、初生时段、移动路径、三维结构等气候特征;在此基础上根据涡旋生成前的地面气压场和降水特征,对西南涡和大别山低涡分别进行了分类与合成研究,并细致对比了两类涡旋的异同点,主要结论如下:(1)西南涡在7月上旬最活跃,而大别山低涡则在6月上旬发生频数最高。凌晨时段是两类涡旋的高发期;西南涡日间的生成数目多于夜间,而大别山低涡则与之相反。(2)绝大多数西南涡和大别山低涡维持时间少于12 h;绝大多数西南涡维持准静止,而大别山低涡则主要向东北方向和偏东方向移动。(3)两类涡旋均为对流层中低层的低压系统,其中大别山低涡的垂直伸展层次较西南涡更低。相比于西南涡,由于水汽条件更优,大别山低涡所引发的降水更强,强降水的凝结潜热释放使得大别山低涡的平均生命史比西南涡更长。(4)产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡而言,对流层高层南亚高压的强度更强、辐散更显著;对流层中层与500 h Pa西风带短波槽的配置条件更好;对流层低层涡旋中心附近的辐合更显著、切变更强;并且对流层中低层的上升运动更强。这些都是有利于降水发生与维持的有利条件,而与降水凝结潜热密切相关的热力强迫使得产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡拥有更长的生命史长度,更大的水平半径和更大的涡旋生命史内降水量。     

涡群中双涡相互作用的研究

在涡旋自组织动力学的框架内，数值研究了涡群中双涡相互作用的问题，对比了弱环境流与涡群环境流两类条件下双涡作用的异同。指出：弱环境流条件下双涡合并的过程，在涡群环境条件下不再存在；同时，涡群环境流的引进可使涡强度显著增强。