急流加速产生的高空锋生和低空锋生

本文用数值模拟方法证实了曾庆存提出的一种锋生机制,即高空急流加速或高空动量输入通过地转适应过程造成高空锋生.我们采用二维非弹性数值模式模拟了五种急流加速分布产生的锋生过程:三个低空锋生,分别由中尺度地面、中尺度低空和次天气尺度低空急流加速产生;二个高空锋生,分别由高空次天气尺度和天气尺度急流加速产生.模拟的结果表明:(1)通过地转适应产生的位温梯度的大小依赖于急流的空间结构以及Rossby变形半径和急流扰动尺度的比值,比值越大,适应锋生越强.(2)在相同的尺度条件下急流加速产生的高空锋生比低空锋生更强.(3)地转适应过程将加速的高空急流动量向下层传输,使锋区变陡并向对流层中、下层延伸,这种对流层高低层的非地转耦合可能是低空急流形成的另一种机制.(4)在模拟的五个过程中急流振荡的主频率约是惯性频率的1.7倍.     

一次副热带高压边缘突发性暴雨的锋生及水汽特征分析

针对2010年7月31日夜间山西西南部一次业务模式出现较大预报偏差的西太平洋副热带高压(下称副高)边缘突发性暴雨天气过程,利用常规和降水加密观测资料、FY-2E卫星TBB数据以及中尺度模式WRF高分辨率数值模拟结果,诊断分析了暴雨的发生发展、锋生及锋生过程中的水汽演变特征。结果表明:此次突发性暴雨是由高空槽后干冷空气推动副高边缘暖湿气流所导致的一次锋生型强降水,β中尺度对流系统(meso-βcircular convective system,MβCCS)是造成暴雨的直接影响系统,低层β中尺度涡旋的形成和发展为MβCCS的维持提供了有利的水汽辐合条件,地面冷锋及其附近中尺度辐合线是对流触发因子。锋生诊断表明,低层辐合、中层辐散的垂直结构导致对流层低层水平锋生、中层水平锋消,而低层强烈的上升运动使得强不稳定层结高度升高,从而引起对流层中层强垂直锋生发展,垂直锋生与水平锋生同时产生,且垂直锋生较水平锋生大一个量级,中低层强锋生和次级环流圈的出现与强降水的发生时间和位置对应较好,比较而言,倾斜项对总锋生贡献最大,辐合项贡献最小。中低层锋生的加强有利于低层水汽的辐合抬升,锋生过程中深厚的水汽饱和层的出现以及水汽含量向高空的凸起,对局地强降水的预报有明显的指示意义。另外,高空冷空气的强度、移动路径以及MβCCS的发展对判断此类强降水的发生和暴雨落区具有重要作用。     

"99·6"梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5和四维资料同化逼进方法及双向三重嵌套网格技术,对1999年6月23～25日(简称"99·6")发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟.结果表明:模拟结果与观测结果的比较指出,高分辨数值模式MM5可以成功地模拟梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展;模拟结果显示,在α中尺度低涡切变线发展过程中,低层强的西南急流和东北气流增强了低层的辐合;而高空的西风急流和东风急流则增强了高空的辐散;正是由于这种从高空到低空环流的配置,才促进了α中尺度低涡不断发展;模拟低涡切变线不同部位的垂直环流和物理量场表明,"99·6"梅雨锋低涡切变线的结构非常复杂:在梅雨锋的发展期,暖锋附近的垂直上升运动最强,低涡中心次之,冷锋附近最弱.模拟结果也表明,由于下垫面特征的不同,中国和日本的梅雨锋暖锋附近环流结构有较大的区别;模拟结果显示,在α中尺度低涡发展过程中,不断有扰动在低涡前部发展,激发并分裂出一系列的β中尺度系统,β中尺度系统运动剧烈,但由于其低层辐合强于中空辐散,所以当它远离母体时会很快衰减.     

高空急流加速与中低层锋生函数

以1983年4月28日影响江淮地区的冷锋天气过程为例，讨论了高空急流加速与锋生函数之间的关系。计算结果表明了在这次冷锋天气过程的前期，高空急流加速对对流层中层锋生具有重要贡献。而在这次冷锋天气过程的后期，低层锋生可能是由斜压波从基流中获得发展的能量而诱使低层锋生。     

用10层准拉格朗日有限区域模式对高原东侧锋生过程的数值模拟

本文对一次引起夏季华北暴雨的锋生过程进行了研究。在诊断分析的基础上,我们采用十层准拉格朗日有限区域模式对此个例进行了48小时的模拟,并对模拟输出结果进行解释与再次诊断。表明:(1)夏季高原东侧有时两支气流交绥很清楚,温度对比明显,与梅雨锋的情况很不相同,这在夏末尤其如此。这种温度对比区虽比冬季弱,但是,与夏季天气系统的发展及降水是有关系的。(2)模拟结果与实际观测资料是很相似的,再现了两支气流形成切变线的三维结构、移动与演变,并模拟出了在对流层中存在着深厚的24小时变温区;模拟发现,一条东北-西南向的锋生     

对流层静力稳定度对高空锋生的影响

文中根据一个二维半地转模式用比容作为等熵垂直坐标，研究由汇全强迫产生的非粘滞、干燥和绝热流体中的高空锋生。初始条件是在地面有温度对比存在的情况下用一给定的连续解析位涡场来确定。由于地面与模式最低几层相交，下边界条件需做适当处理。文中讨论了中低对流层位涡水平变化在高空急流锋系统加强中所起的作用，与暖气团相关的冷气团的去稳作用有助于高空急流强度的增强。     

中纬度高空锋结构研究

锋是一个重要的天气系统,它在气象学上具有十分重要的意义,一直来,锋的研究方兴未艾。本文综述高空锋的结构模式,高空锋与晴空湍流的关系,以及与高空斜压波之间的关系。     

湿润大气中锋生的非流体静力模拟

1.引言在过去二十年间,大量观测已揭示出伴随锋面系统的带状降水结构.这些研究强调指出,千差万别的天气现象是发生在锋面系统内包含的不同时空尺度上.因此对降水带的理解和预报,是一项困难的工作.半地转理论(Hoskins和Bretherton,1972)是当今全面阐述锋生过程的最合适的基本构想.为改进对锋面的描述,通过显式模拟对流和大尺度气流,用非流体静力云模式(Redelsperger和Sommeria,1986)对由切变引起的锋生,进行二维高分辨率(5km)模拟.模式的     

梅雨锋生次级环流对暴雨的作用

本文采用了MM4中尺度数值模式对1991年7月5日08时至6日20时发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了模拟。在模拟较理想的基础上，利用模式输出的高分辨率的动力协调资料，就暴雨过程中锋生次级环流各强迫项对暴雨的作用进行了诊断研究。结果表明：锋生次级环流对暴雨形成具有重要的作用，但在暴雨过程不同时期各项的作用差异很大。     

近十年来中纬度锋和气旋理论研究综合评述

近十年来,对于中纬度的锋和气旋的产生机制、它们之间的相互联系、以及它们的发展和内部结构已有了大量的理论研究工作,取得了很多有意义的结果.出现这种情况的原因有二:第一是因为要想改进数值天气预报方法,就必须对气旋生成和锋生过程、云系和雨区的演变进行理论描述.第二是因为随着试验研究方法的发展,已取得了有关锋和气旋内部结构的一些新的资料,需要对这些新资料进行理论解释.此外,计算能力的提高以及微分方程组数值求解方法的发展也起了很大的作用,现将近十年来主要研究结果分成六个方面综述如下. 一、变形场中的锋生作用自J.皮叶克尼斯的研究工作开始,大尺度高空锋生理论已经发展成变形场中的锋生理论.在六十年代,锋生理论已不仅使用准地转近似,而且还考虑非地     

一次梅雨期暴雨与中层锋生、β中尺度小高压的关系

利用实况资料和中尺度WRF模式对2007年7月9—10日一次江淮梅雨期暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。结果表明,此次过程中,在雨带的北部有β中尺度小高压的维持及破坏过程。在小高压维持时,暴雨相对较小,被破坏时,降水加强,同时中层有明显的锋生过程。β中尺度高压产生与消失的原因与高空急流的非地转质量调整有关。小高压存在时有利于梅雨锋切变线的维持,但其南部的偏东气流,没有为暴雨提供较强的辐合场,且阻挡了北方的冷空气南下,因此不利于强降水的产生。当其减弱消失时,使得北方的动量直接指向暴雨区,有利于辐合上升运动的加强,从而强降水发展加强。最强锋生、降水以及有效位能出现在小高压被破坏后。利用锋生函数计算得出,暴雨时,中层的水平辐散项与变形项对锋生的影响明显。通过湿位涡的计算发现其对低层锋生和降水的预报有着一定的指示和预报意义。     

2013年宁波地区一次海风锋对雷暴过程影响分析及数值模拟

利用浙江省常规气象站观测资料、地面自动站加密资料、新一代多普勒天气雷达资料、NCEP GFS分析资料以及WRF中尺度模式,对2013年7月29日发生在宁波市地区的一个局地强雷暴天气过程进行了诊断分析和数值模拟。通过对天气环流和数值模拟结果的分析发现：本次强雷暴过程发生在较稳定的大气背景下,主要影响系统是中尺度辐合线海风锋;多普勒雷达出现弱窄带回波时,对应中尺度辐合线海风锋;海风锋向内陆推进时,对应站点温度降低、湿度增大。WRF模式能较好地模拟出此次雷暴过程以及宁波地区低层海风锋环流,高空回流随时间和空间的演变特征;海风锋的锋生造成的地转强迫促使次级环流加强,在东西风辐合线西侧有垂直上升运动出现;通过与敏感试验的对比可知,海陆热力差异是影响雷暴降水强度、海风锋水平垂直环流的重要因素。     

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。     

高空急流加速与低层锋生

本文从动力学上找到了低层锋生函数同急流区内纬向平均风加速的关系,指出高空急流加速有利于大气低层锋生,并从天气学的角度给出了高空急流加速同低层大气锋生的环流形态特征。即高空波的动量和热量通量在急流区的辐合,促使高空急流加速,并引起急流入口区上下层之间的质量调整,在急流轴高度以下出现一个反环流,反环流的上升支同其下原有的弱锋前的上滑爬升气流发生耦合,造成上滑气流加强,低层锋面坡度变陡,冷暖对比明显,引起大气低层锋生。     

一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析

基于观测资料和NCEP再分析资料,并结合中尺度数值模拟,对2012年1月14—15日我国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定(conditional symmetric instablility,CSI)进行诊断分析。结果表明,南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动,在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程,构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景;来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必须的水汽条件,异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。在降水过程中锋面附近有多条中尺度雨带活动,锋生函数分析表明,14日夜间广西境内锋生明显增强,在潜热释放的影响下CSI开始发展,相应的锋生次级环流也有所发展,锋前暖区中的上升运动随之增强,导致广西北部形成较强的中尺度降雨带。分析表明,锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程(Sawyer-Elissen方程)在不同稳定性条件下的解,锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。     

高空锋带结构和动力学研究的回顾与展望

本文在回顾国内外锋面研究历史的基础上,着重介绍一些当代高空锋带结构及动力学方面的研究成果。通过介绍,使得对高空锋及其气象意义有一个更加清楚的认识,并对之给予充分的重视。与此同时,本文也指出关于高空锋带未来的研究方向及展望。     

"03.7"江淮梅雨锋暴雨中尺度系统的数值模拟研究

应用非静力中尺度数值预报模式MM5,对2003年7月4～5日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了24h模拟,结果较好地再现了中β尺度暴雨系统的发展过程.进而利用时空分辨率较高的模式输出资料,对与这次暴雨过程相伴随的中β尺度系统的结构、生消变化状况及其可能的形成机制进行了研究.研究结果表明,梅雨带上强烈发展并东移的多个中β尺度对流系统,是造成这次江淮暴雨最直接的影响系统.在对流系统发展初期,锋生强迫下的次级环流加强了锋生区附近大气低层的风向风速辐合,它与对流活动有正反馈作用.对称不稳定可能是中β尺度系统发生发展的一种重要机制,在中β尺度系统发生的弱对流不稳定区,湿位涡的斜压项mpv2起了主导作用.     

江淮梅雨期不同类型暴雨过程锋生特征分析

利用ERA5再分析资料和江苏省自动站降水量资料,根据运动学锋生原理,分析了2020年江淮梅雨期锋生特征和两类不同性质暴雨锋生的差异,揭示了不同层次锋生与降水的对应关系。研究结果表明:1)2020年梅雨期锋生特征显著,强降水与中低层锋生有较好对应关系,其中形变项占主要贡献,散度项次之,倾斜项最弱。强降水时段总锋生、散度和形变锋生作用叠加。2)江苏地区自北向南锋生特征有差异,强度逐渐减弱,锋生发展高度逐渐降低。不同类型降水锋生特征不同,对流性降水锋生范围偏大、发展层次高、锋生中心偏强,总锋生和各分解项叠加作用显著,稳定性降水锋生特征反之。3)典型过程对流降水“6.28”和稳定性降水“7.11”对比表明:锋区位置相近,锋生作用均出现在江淮切变线附近,锋区、切变线和θ_se密集带三者对应较好。降水落区有差异,对流性降水过程中,由于干冷空气的显著南压,使得主要降水发生在锋面南侧暖区,与多个次锋生中心相对应;稳定性降水过程中冷暖空气势力相当,降水主要集中在主锋区附近,触发机制和降水性质不同导致降水分布差异。4)两次过程垂直锋区由低到高均有向北倾斜的特征,“6.28”过程锋区南侧有显著暖湿气流输送,锋区内为强烈上升运动,低层辐合高层辐散的环流场使得锋区维持。“7.11”过程垂直上升运动高度偏低,高空没有显著辐散场,对流性较弱。对两类降水垂直锋区的合成分析表明,对流性降水的低层锋生明显强于稳定性降水,由低层锋区造成的抬升触发作用对强降水形成更加有利,同时垂直风场的合成中上升运动也更加强烈。两类降水中,中低层散度和形变锋生由低到高均为先增大后减小,强降水主要由700 hPa以下锋生增强导致,中高层大气基本为锋消作用。     

4·18寒潮天气过程中的锋生分析

利用NCEP／NCAR再分析资料、常规观测资料对新疆2008年4月18日的强寒潮过程进行了诊断分析,指出此次天气过程强冷空气随高度后倾,在入侵新疆的过程中有两次明显的锋生过程,正是由于锋生的存在,使得天气表现复杂和剧烈。第一次锋生：中低层强冷空气先行入侵,在哈萨克丘陵附近形成锋生冷锋,在快速入侵新疆的过程中与干热的下垫面接近,导致北疆出现剧烈降温及不同程度的大风沙尘天气;第二次锋生：冷锋进入后在天山山脉北侧形成寒潮静止锋,由于高空后倾的干冷空气不断侵入,再次出现锋生过程,导致北疆沿天山及天山山区的持续降温及大一暴量的雨转雪过程。     

4?18寒潮天气过程中的锋生分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料对新疆2008年4月18日的强寒潮过程进行了诊断分析,指出此次天气过程强冷空气随高度后倾,在入侵新疆的过程中有两次明显的锋生,正是由于锋生的存在,使得天气表现复杂和剧烈。第一次锋生：中低层强冷空气先行入侵,在哈萨克丘陵附近形成锋生冷锋,在快速入侵新疆的过程中与干热的下垫面接近,导致北疆出现剧烈降温及不同程度的大风沙尘天气;第二次锋生：冷锋进入后在天山山脉北侧形成寒潮静止锋,由于高空后倾的干冷空气不断侵入,再次出现锋生过程,导致北疆沿天山及天山山区的持续降温及大-暴量的雨转雪过程。