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。     

一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

不同类型华南暖区暴雨过程的环流特征

在对34年华南暖区暴雨的筛选和客观分类研究的基础上,继续深入研究不同类型暖区暴雨的环流特征与对流发生环境变量特征的异同。主要结果如下:大部分切变线型、低涡型和回流型暖区暴雨个例的环境场斜压性较强,其中回流型暖区暴雨在关键区斜压性最强,而南风型暖区暴雨个例的环境场斜压性相对较弱;所有类型暖区暴雨发生时对流层中高层的中纬度基本为平直西风气流控制,降水区主要位于西风带短波槽槽前,低层均有低空急流的影响。各类暖区暴雨的主要差异在于高层南亚高压、中层短波槽和副热带高压的位置和强度差异以及低层低空急流的位置、强度、风向和水汽输送条件的不同。切变线型暖区暴雨发生时0～3 km垂直风切变最强,低涡型暖区暴雨对流有效位能最大,两类南风型暖区暴雨的动力和热力强迫都较弱,对其发生发展机理需要开展更深入研究。     

基于局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)的北半球夏季西太平洋MJO动能分析

采用局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)和基于MS-EVA的局地正则传输与不稳定性理论对北半球夏季MJO的动能变化进行了诊断分析。结果表明:1)引起对流层上层和下层MJO动能变化的主要影响因素是有效位能转换和气压梯度力做功,其中有效位能转换在对流中心以北有明显的正的大值带,是MJO的主要动能源;气压梯度力做功则主要是将从有效位能转换而来的动能在空间重新分布。2)引起对流层中下层MJO动能变化的主要因素是动能跨尺度传输作用,其中大尺度向MJO尺度的跨尺度传输在对流中心附近表现为明显的正值,因此是该高度上MJO的动能源,并受5~15°N区域上空正压不稳定制约。3)MJO与天气尺度系统间的动能传输则主要表现为MJO的动能汇,其与MJO环流场分布以及MJO对天气尺度波动动量通量的平流输送有关。     

华东地区台风暴雨的诊断研究

本文利用一个空间滤波器将物理量分解为天气尺度和次天气尺度,以两个路径相似但环流形势不同的台风暴雨作为例子,对不同尺度的环流及其动能平衡进行诊断研究,结果表明:中、低纬环流系统能否进行相互作用是决定台风暴雨强度和范围的一个重要条件。在8209号台风过程中,这种相互作用是明显的,因而,8209号台风暴雨的强度和范围均显著大于8304号台风。同时,8209号台风暴雨的能量过程突出地反映在次天气尺度的动能场上,相反,在8304号台风过程中,以天气尺度的能量过程为主要的能量特征。本文还特别指出,不能简单地认为登陆台风是一个动能的“准封闭系统”,在8209号台风过程中,台风从中、低层向外输出的次天气尺度动能是造成台风环流之外暴雨的一个重要物理过程。     

黄土高原低值对流有效位能区中β尺度大暴雨综合分析

为了提高对黄土高原中β尺度暴雨的预报和预警能力,利用中国气象局气象资料综合处理MICAPS系统提供的资料及多普勒雷达资料,对2007年8月28日黄土高原在低值对流有效位能区发生的一次中β尺度暴雨天气过程进行了大尺度环境场和物理量的诊断分析以及三维流场结构分析。结果表明:这次黄土高原中β尺度大暴雨主要是由3次中β尺度强对流单体活动造成的;地面风速脉动、地面能量比高值舌配合上下游能量比大梯度区的生成,是中β尺度暴雨触发机制之一;对流层低层倾斜涡度的发展、纬向双次级环流圈的形成,为暴雨的发生、发展和维持提供了动力机制;列车效应是形成降水时间长、累积雨量大的重要因素;在多普勒雷达径向速度场上看到,暴雨区上游从对流层中层到对流层高层气旋性环流的发展和暴雨区对流层中高层西南急流的发展和稳定,也是形成暴雨的动力机制之一。     

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球.大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于“横槽转竖型”,其中200 hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件.(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱.(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持.寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持.     

华南沿海暖区暴雨系统研究进展

重点介绍了活跃在华南沿海暖区暴雨系统的研究和进展,主要系统为华南沿海暖区两类低层辐合线系统(偏南向低层辐合线与西南向低层辐合线系统),以及在华南登陆的中低层暴雨东风波系统。目前研究主要是背景环流下暴雨系统活动空间分区特点,系统分类与追踪、系统基本结构、动力热力及水汽条件特征,环境因子影响的数值模拟,暖区暴雨动力和热力机制数值模拟等方面。综合研究显示,客观判定方法有助于确定暖区暴雨系统,有助于跟踪系统发展过程。暖区暴雨系统的热力发展机制主要是中层潜热释放。环境影响因子包括暖海温和沿海山脉地形对暖区暴雨系统有增强以及位置引导作用。环境因子与系统配置将影响暴雨的位置、强度及持续时间。     

湖北梅雨期３次大暴雨过程诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 2.5°×2.5°再分析资料,选取1991年7月9日、1998年7月21日、2010年7月8日湖北省梅雨期的三次大暴雨过程,对影响三次暴雨天气背景以及暴雨发生所需的动力、水汽、热力条件进行诊断分析。试图总结这类区域性暴雨的预报着眼点。结果表明：三次过程的高、低空急流的位置,水汽输送路径有一定相似性;影响三次过程的中尺度系统为西南涡-切变线。850 hPa正涡度中心、水汽通量散度中心与暴雨落区有较好对应,反映了中低层风的辐合和垂直上升运动有利于降水的维持。三次过程暴雨区域700 hPa湿正压项和斜压项绝对值之和均在0.5～0.6 PVU之间,柱状的水汽饱和区均延伸至500 hPa以上;此类暴雨的预报着眼点为：西南涡-切变线以及低空急流的位置是暴雨落区预报的重点,低层的涡度、水汽通量散度、假相当位温高能舌,以及大气运动的垂直结构对暴雨落区预报有较好的参考价值。     

四川盆地一次春季暴雨的特征分析和数值模拟

利用地面自动站、高探空资料和NCEP再分析数据以及WRF模式,对发生在四川盆地的一次春季暴雨过程进行了基本特征分析和数值模拟研究。结果表明,暴雨发生在伴随高空急流波动的中低层短波槽和中小尺度系统十分活跃、低纬度环流系统稳定的形势背景下,暴雨存在多个落区,其影响系统和触发机制各不相同。暖区暴雨的触发系统初始扰动主要是与江南切变线活动有关的东风倒槽,对流不稳定区地形对加强的偏东气流强迫是盆地西部沿山暴雨形成的主要原因,南支高空急流与东南风低空急流的垂直耦合为暴雨系统的发生发展提供了有利条件, 暖平流引起的低层高能高湿和对流不稳定与弱垂直风切变是暴雨系统发生发展的主要环境条件。数值模拟表明,尽管WRF模式系统对暴雨发生的低层热力和水汽输送以及沿短波槽分布的短时强降水落区、强度模拟基本正确,但过度估计了锋面降水的强度,对无或弱斜压强迫的暖区暴雨造成漏报。主要原因是较大尺度锋面降水影响系统能够被模式所分辨,而对暖区暴雨不稳定能量触发系统初始扰动发展的模拟能力有限。      

广西锋面、暖区及高压后部暴雨个例对比研究

利用常规、非常规气象资料,及高时空分辨率T639、mm5、NCEP资料,深入分析了两次华南前汛期暴雨天气过程(2010年"4.29"暴雨和2011年"5.12"暴雨)。基于这两次过程,对锋面、锋前暖区及高压后部暴雨进行了大尺度环流背景和中尺度特征对比分析,进而探讨三者在天气形势、中尺度系统发生发展机制等方面的差异及原因,以提高对华南前汛期暴雨的认识。     

山东半岛两次秋季台风远距离大暴雨的特征分析

利用常规观测资料和NCEP/NCAR FNL资料对“狮子山”（1006）和“天兔”（1319）两个台风造成山东半岛秋季远距离大暴雨的特征进行了诊断分析。结果表明：1）造成两次大暴雨的天气形势和物理量特征有相似,也有差异。2）两个台风的生成源地、移动路径以及强度差别均很大,大暴雨发生在台风登陆后从广东移到广西的过程中,高空北支冷槽、台风倒槽和850 hPa切变线是造成山东半岛大暴雨的主要天气系统。3）台风东侧和副热带高压之间850 hPa偏强东南气流将东海、黄海的水汽源源不断输送到山东半岛并在此辐合;低层辐合、高层辐散和垂直上升运动均利于大暴雨的发生;大暴雨发生前大气处于不稳定大气层结;台风和中纬度系统相互作用形成两层或三层锋区的斜压性特殊结构及高空急流的增强是山东半岛秋季台风远距离大暴雨的重要特征。4）两次大暴雨过程中低空急流特征、锋区斜压性结构特征、不稳定大气层结特征存在较大差异。     

Charney's Model—the Renowned Prototype of Baroclinic Instability—Is Barotropically Unstable As Well

The Charney model is reexamined using a new mathematical tool, the multiscale window transform(MWT), and the MWT-based localized multiscale energetics analysis developed by Liang and Robinson to deal with realistic geophysical fluid flow processes. Traditionally, though this model has been taken as a prototype of baroclinic instability, it actually undergoes a mixed one. While baroclinic instability explains the bottom-trapped feature of the perturbation, the second extreme center in the perturbation field can only be explained by a new barotropic instability when the Charney–Green number γ 1, which takes place throughout the fluid column, and is maximized at a height where its baroclinic counterpart stops functioning.The giving way of the baroclinic instability to a barotropic one at this height corresponds well to the rectification of the tilting found on the maps of perturbation velocity and pressure. Also established in this study is the relative importance of barotropic instability to baroclinic instability in terms of γ. When γ 1, barotropic instability is negligible and hence the system can be viewed as purely baroclinic; when γ 1, however, barotropic and baroclinic instabilities are of the same order;in fact, barotropic instability can be even stronger. The implication of these results has been discussed in linking them to real atmospheric processes.     

西风槽与强热带风暴配置下动力正、斜压性对暴雨影响研究

用加密气象站降水资料、NCEP再分析资料以及WRF模式的精细化模拟产品资料,对2011年6月24日20时-25日20时,由强热带风暴“米雷”与西风槽结合造成的江淮区域暴雨过程进行分析和诊断.结果表明:西风槽温压场斜压性显著,强热带风暴温压场正压性显著,构成了有利于中小尺度系统和暴雨发生发展的环流背景.由强热带风暴携带而来的水汽,路程近、速度快,在暴雨区形成深厚的水汽层.暴雨区具有两个上下叠置的垂直上升运动中心,保持对水汽的深厚强抬升,维持暴雨环流系统的强度.暴雨区环境大气流场动力正、斜压分解显示,此次暴雨过程大气流场的斜压成分占显著的主导地位;暴雨开始阶段,正压动能向斜压动能的转换迅速增强,各分项和总项都达到最大值;其后的暴雨阶段,转换强度逐渐减弱,暴雨结束时各项都接近0值,甚至出现弱的斜压动能向正压动能的转换.     

北京地区一次强对流大暴雨的环境条件及动力触发机制分析

通过对1998年6月29日北京地区发生在天气尺度脊中的强对流大暴雨过程分析, 得出该过程是由中层的高压脊和低层的辐合系统、近地面的冷空气之间的相互作用形成了具有聚能机制的中低空经向环流圈, 维持了暴雨区中低空的上升运动, 形成了近地面的动力锋生, 使中低层的潜在不稳定加剧.而对流层高层短波扰动的正涡度平流通过非地转平衡过程, 引发中高层产生的上升运动, 触发了潜在不稳定的释放.该短波扰动与风场的波动不相匹配, 其位相传播特征与重力波相似.     

Forecast Error and Predictability for the Warm-sector and the Frontal Rainstorm in South China

In south China, warm-sector rainstorms are significantly different from the traditional frontal rainstorms due to complex mechanism, which brings great challenges to their forecast. In this study, based on ensemble forecasting, the high-resolution mesoscale numerical forecast model WRF was used to investigate the effect of initial errors on a warmsector rainstorm and a frontal rainstorm under the same circulation in south China, respectively. We analyzed the sensitivity of forecast errors to the...