“海棠”台风（2005）结构对其降水影响的Q矢量分解研究

摘要： 基于WRF模式对2005年台风“海棠”登陆降水过程的成功模拟, 本文初步尝试利用修改后的非地转干Q矢量(QN矢量)PG分解, 定量揭示台风结构对台风降水和台风雨强差异形成的影响。结果表明： （1）在台风登陆过程的不同阶段, 对台风降水起主要贡献的台风结构因子是不同的。在台风登陆过程前12 h期间, 对降水贡献最为显著的为QNshdv, 其次是QNalst和QNcrst, 而QNcurv的贡献最小; 在后12 h期间, 对降水贡献最为显著的为QNcrst, 其次是QNcurv, QNshdv的贡献列第三, 而QNalst的贡献最小。（2）各台风结构因子QNalst、 QNcurv、 QNshdv及QNcrst对台风降水发生的贡献都存在明显的时、 空变化。（3）在台风登陆降水过程中, 对每个时刻暴雨雨强形成有贡献的台风结构因子是不同的。相对来讲, QNcurv对暴雨、 大暴雨及特大暴雨之间雨强差异形成的贡献最为显著, QNalst与QNcrst的贡献情况较为接近, 而QNshdv的贡献则相对最小。通过QN矢量PG分解, 可以定量揭示出登陆台风结构对台风降水的影响, 这也是总的QN矢量（即QN矢量）难以揭示的潜在物理机制。     

改进的湿Q矢量分析方法及梅雨锋暴雨形成机制

利用实测暴雨资料,结合改进的MM4(MMM4)模式模拟输出的加密资料,分别利用改进的湿Q矢量(记为Q*)及改进的湿Q矢量分解(Partitioning),诊断分析了1991年7月5日20:00~6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程。结果表明,600hPaQ*矢量散度辐合区对同时刻地面降水的强度、落区及不均匀性有很好的指示作用。在整个梅雨锋暴雨过程中,Q*矢量散度辐散、辐合在垂直方向上是相间分布的,它所激发的次级环流可能是诱发梅雨锋暴雨产生的重要因素。进一步研究表明,改进的湿Q矢量分解比“总”Q*矢量更具有诊断意义,可将梅雨锋暴雨的垂直运动场进行有意义的尺度分离,更有利于梅雨锋暴雨的潜在物理机制的评估。在梅雨锋暴雨的不同阶段,对于垂直运动场而言,不同尺度的Q*矢量散度辐合场的强迫作用不同,有主、次之分。基于上述诊断分析结果,本文进而提出梅雨锋暴雨形成的可能物理机制,并给出其概念模式:由于初始大气中大尺度的水汽及垂直运动场的空间分布不均匀,从而造成了大尺度Q*矢量散度辐合,激发出次级环流,进而引发了中尺度Q*矢量散度辐合场的产生,最终产生次级环流,直接导致梅雨锋暴雨的发生。     

Q矢量的改进与完善

在完全考虑非绝热加热项潜热作用的前提下，从原始方程出发，推导出改进后的湿Q矢量(以下记为Q^M)的表达式以及用其散度作强迫项的ω方程，并结合一次梅雨锋暴雨天气过程将改进前、后的湿Q矢量诊断能力进行比较，结果发现：(1)改进后的湿Q矢量对同时刻的地面降水的反映能力较原湿Q矢量(Q^*)有显著的提高。(2)在整个梅雨锋暴雨过程中，600hPa高度上的改进后的湿Q矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心的位置对同时刻的地面实际降水的强度及雨区位置都有非常好的指示作用。     

湿Q矢量散度场与ω场的比较

结合1991年7月5日20时至6日20时一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程实况资料，系统、细致地比较分析了实时分析的湿Q矢量散度场与同时次改进后的MM4（MMM4）模式实时分析输出场之间的差异。结果表明：在整个梅雨锋暴雨过程中，湿Q矢量散度辐合场与同时刻地面雨区之间的对应关系较ω场优越；700hPa湿Q矢量散度辐合区对同时刻地面降水场有指示作用，尤其在梅雨的发展阶段及强盛时期，它对实际降水的落区及强度指示作用更为明显：MMM4模式中关于垂直速度计算的方法方案有待进一步改进。     

非地转湿Q矢量的改进及其应用

在完全考虑非绝热加热项作用的前提下,从原始方程出发,推导出改进后的非地转湿Q矢量(Qq),以及用其散度作强迫项的ω方程,将其应用于一次梅雨锋暴雨诊断分析,结果表明:改进后的非地转湿Q矢量对同时刻地面降水的反映能力较岳彩军改进的湿Q矢量(QM)、原非地转湿Q矢量(Q*)、非地转Q矢量(Q#)有显著的提高;在整个梅雨锋暴雨过程中,500 hPa高度上的Qq矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心位置对同时刻的降水强度及雨区位置有非常好的指示作用;Qq矢量的垂直分布揭示了次级环流的方向和强弱,暴雨位于次级环流的上升支附近.     

应用湿Q矢量诊断梅雨锋暴雨

利用湿Q矢量，结合改进的MM4（MMM4）模式模拟输的加密资料，细致地诊断分析了1991－07－05T20－06T20一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程，结果表明：湿Q矢量散度辐合场随高度向倾斜；在梅雨锋暴雨发展，衰亡阶段，湿Q矢量散度散，合场在垂直方向上主要呈现出了相间分布的特点；从湿Q矢量散度辐合场这个角度探讨了梅雨锋暴雨的内在机理，并给出了梅雨锋暴雨具体预后的新思路。     

定量分析几种Q矢量

结合1991年7月5日20:00～6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程，从台站实际业务工作需要考虑，细致、具体地比较分析了850 hPa、700 hPa及500 hPa 3个层次的准地转 Q 矢量散度场、半地转 Q 矢量散度场、非地转 Q 矢量散度场及湿 Q 矢量散度场与相应时刻地面降水场对应关系的差异，同时还针对每一种 Q 矢量，将其在850 hPa、700 hPa及500 hPa 3个层次的散度场对同时刻降水场的反映能力进行了比较。在定量比较的基础上，得到了对4种 Q 矢量诊断特性的具体认识:（1）在整个梅雨锋暴雨过程中，3个层次的半地转 Q 矢量散度场及准地转 Q 矢量散度场对雨区的反映能力较小，而非地转 Q 矢量的散度场和湿 Q 矢量的散度场对雨区的反映能力明显较前二者大，尤其是湿 Q 矢量散度场在每个层次的诊断能力基本都大于相应层次的其它 Q 矢量的散度场。（2）对于每一种 Q 矢量而言，基本都是在700 hPa的散度场与雨区的对应关系好于各自在850 hPa和500 hPa的散度场，尤其是700 hPa湿 Q 矢量散度辐合场对同时刻梅雨锋暴雨的强度及落区都有很好的指示作用。最后，基于理论的角度对各 Q 矢量的诊断特性进行了较为深入地探讨和比较分析，明确地指出了4种 Q 矢量存在理论前提上的差异。     

完全Q矢量的引入及其诊断分析

参照准地转Q矢量推导，考虑天气系统发展的主要热力强迫因子－非绝热加热作用，引出考虑非绝热效应的完全Q矢量的概念，并应用于实例分析。结果表明，完全Q矢量能较清楚地揭示暴雨天气系统的演变；考虑了湿过程的完全Q矢量在暴雨的诊断过程中显示了更大的优越性；定性而言，完全Q矢量散度的辐合中心或辐合线、散度场和锋生函数场有助于确定暴雨的落区，暴雨区正好落在低层完全Q矢量散度场辐合中心和锋生函数场正值中心之间；定量而言，低层完全Q矢量散度场辐合中心和锋生函数场正值中心大小对暴雨强度有显著的指示作用。因而在暴雨的诊断和预报过程中完全Q矢量散度和锋生函数是两个重要的参数。     

几种Q矢量的比较

利用 1 991 - 0 7- 0 5T2 0— 0 6T2 0一次江淮梅雨锋暴雨过程实况资料 ,结合地面降水分布 ,从定性 (矢量场 ,即 Q)、定量 (散度场 ,即 2 · Q)的角度细致、具体地比较分析了准地转 Q矢量、半地转 Q矢量、非地转 Q矢量及湿 Q矢量的诊断特性。结果表明 :半地转 Q矢量诊断能力优越于准地转 Q矢量。非地转 Q矢量、湿 Q矢量诊断能力明显优越于准地转 Q矢量、半地转 Q矢量。准地转 Q矢量诊断能力最差 ;从定性的角度分析 ,非地转 Q矢量与湿 Q矢量诊断能力相差不大。但进一步定量分析发现 ,在整个梅雨锋暴雨过程中 ,湿 Q矢量的诊断能力大于其他 Q矢量 ;70 0 h Pa高度上各 Q矢量的矢量、散度辐合区较其在 850 h Pa和 50 0 h Pa上对降水反映更好 ,尤其是70 0 h Pa湿 Q矢量散度辐合区与降水区有非常好的对应关系。     

各非地转Q矢量之间的定量比较

结合"海棠"台风在2005年7月19日08:00~20日08:00再次登陆福建省24 h期间所造成的降水过程,在WRF模式成功地模拟了此次降水过程的基础上,利用模式模拟输出结果,通过计算900~600 hPaQ矢量散度的气柱平均值、Q矢量散度强迫产生的降水场,定量比较分析了非地转干Q矢量、非地转湿Q矢量及改进的湿Q矢量的诊断能力差异,结果表明:(1)非地转干Q矢量、非地转湿Q矢量及改进的湿Q矢量散度辐合场,对同期模拟雨区都具有一定指示作用,同时,非地转湿Q矢量和改进的湿Q矢量的散度辐合强度都较非地转干Q矢量散度辐合强度强,且改进的湿Q矢量散度辐合强度强于非地转湿Q矢量散度辐合强度,尤其是在主雨区表现的更为明显。相对来讲,改进的湿Q矢量散度辐合场对雨区的反映能力最强。(2)非地转湿Q矢量散度与改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水范围几乎相同,且明显较非地转干Q矢量散度强迫产生的雨区范围大,相对来讲,与同期模拟降水场的雨区更接近。改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水强度最强,非地转湿Q矢量散度强迫次之,非地转干Q矢量散度强迫产生的降水强度最弱。三种Q矢量散度强迫产生的降水强度都明显弱于同期模式模拟的降水强度,相对来讲,改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水强度更接近于模拟的降水强度。(3)三种Q矢量散度场以及强迫产生的降水场之间的差异,充分表明此次台风降水过程中伴有大量的大尺度稳定水汽凝结潜热和对流水汽凝结潜热释放,考虑了水汽凝结潜热加热作用的非地转湿Q矢量与改进的湿Q矢量,对降水反映能力均较非地转干Q矢量有所改进,尤其是后者。     

一次连续暴雨的非地转湿Q矢量分解分析

利用实测暴雨资料,运用改进的非地转湿Q矢量对青藏高原东侧2005年7月18日至19日的一次连续暴雨天气进行了诊断分析。分析结果表明：700 hPa Q矢量散度场不仅将暴雨区反映出来了,而且散度辐合中心与降水中心对应。进一步把改进的非地转湿Q矢量分解为平行于等位温线和垂直于等位温线两部分,分析表明：准地转的大尺度系统与非地转非绝热的中小尺度系统在不同高度起着不同程度的作用,二者相叠加,形成暴雨。在第一阶段的暴雨中,大尺度的上升运动强迫作用在700 hPa占主要作用,而中小尺度系统在较低层次和中层起主要作用,促使强对流的发展和深对流的形成,对暴雨落区的反映也更准确。在第二阶段的暴雨中,垂直上升运动以中尺度非绝热强迫为主,随着对流不稳定能量的大量释放,中小尺度系统作用快速减弱,降水趋于减弱。     

Q Vector Analysis of Torrential Rainfall from Meiyu Front Cyclone： A Case Study

Following similar derivation of quasi-geostrophic Q vector （Q^C）, a new Q vector （Q^N） is constructed in this study. Their difference is that the geostrophic wind in quasi-geostrophic Q vector is replaced by the wind in Q^N vector. The diagnostic analysis of Q^N vector is compared with that of Q^G vector in the case study of a typical Meiyu front cyclone （MYFC） occurred over Changjiang-Huaihe regions during 5-6 July 1991. The results show that the Q^N vector has more diagnostic advantages than Q^G vector does. Convergence of Q^N vector at 700 hPa is found to be a good indicator to mimic the horizontal distribution of precipitation. Q^N vector is further partitioned into four components： Q^Nalst （along-stream stretching）,Q^Ncurv （curvature）,Q^Nshdv （shear advection）, and Q^Ncrst （cross-stream stretching） in a natural coordinate system with isohypse （PG partitioning）. The application of Q^N PG partitioning in the MYFC torrential rain indicates that PG partitioning of Q can identify dominant physical processes. The horizontal distribution of 2V·Q^Nalst is similar to that of 2V·Q^N and mainly accounts for 2V·Q^N during the entire period of Meiyu. The effects of Q^Ncurv on rainfall enhancement fade from the mature stage to decay stage. Qshdv enhances precipitation significantly as the MYFC develops, and the effect weakens rapidly when the MYFC decays during its eastward propagation. Q^Ncrst shows little impacts on rainfall during the onset and mature phases whereas it displays significant role during the decay phase.Q^N alst and Q^Nshdv and Q^Ncrst show cancellation only during the decay period.     

应用湿Q矢量分解理论诊断分析“05．7”梅雨锋暴雨

利用Q矢量分解理论对发生于2005年7月的一次江淮梅雨锋暴雨过程进行诊断分析,并对比分析了原非地转湿Q矢量（Q^＊）和改进后的非地转湿Q矢量（Q^M）的诊断能力。结果显示：对流凝结潜热的释放对此次梅雨暴雨中尺度系统的形成和维持起到非常重要的作用;将Q^M分解为平行和垂直于等位温线两个方向后,发现在暴雨强盛阶段,低层大气是以大尺度辐合为主,中高层相反,且南北方向有次级环流出现,表明次天气尺度的持续性水汽汇集和正反馈机制是此次梅雨锋暴雨的关键因子．     

湿Q矢量表达式及其应用

考虑了大气中凝结潜热作用,提出湿Ｑ矢量概念并推导出非地转的湿Ｑ矢量表达式以及用湿Ｑ矢量散度作强迫项的ｗ方程。利用常规气象资料作实例分析,结果表明在低纬度地区湿Ｑ矢量分析优于准地转Ｑ矢量分析。     

Q矢量旋度：一个与暴雨相关的新诊断量

As a powerful tool to diagnose vertical motion, frontogenesis, and secondary circulation, the Q vector and its divergence are widely used. However, little attention has been given to the curl of Q vector. In this paper, a new set of analyses combining the divergence of the Q vector (DQ) with the vertical component of the curl of the Q vector (VQ) is applied to a Northeastern cold vortex rainfall case. From the derivation, it was found that the expressions of the Q vectors and their divergences in saturated moist flow (DQm) differ from those of dry and unsaturated moist atmosphere (DQ), while the VQs of various background flows are exactly the same, which largely simplified the analyses. This case study showed that, compared with the DQ, not only can the DQm diagnose precipitation more effectively, but the VQ may also be indicative of precipitation (especially for heavy rainfall and strong convection) because of its direct, close relationship with ageostrophic motion. Thus, the VQ may be computed and analyzed with ease, and may serve as a useful tool for analyses of precipitation and strong convective systems. Citation: Yang, S., and D. H. Wang, 2008: The curl of Q vector: a new diagnostic parameter associated with heavy rainfall, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 1, 36-39     

Comparison of nonlinear local Lyapunov vectors with bred vectors,random perturbations and ensemble transform Kalman filter strategies in a barotropic model

The breeding method has been widely used to generate ensemble perturbations in ensemble forecasting due to its simple concept and low computational cost. This method produces the fastest growing perturbation modes to catch the growing components in analysis errors. However, the bred vectors(BVs) are evolved on the same dynamical flow, which may increase the dependence of perturbations. In contrast, the nonlinear local Lyapunov vector(NLLV) scheme generates flow-dependent perturbations as in the breeding method, but regularly conducts the Gram–Schmidt reorthonormalization processes on the perturbations. The resulting NLLVs span the fast-growing perturbation subspace efficiently, and thus may grasp more components in analysis errors than the BVs.In this paper, the NLLVs are employed to generate initial ensemble perturbations in a barotropic quasi-geostrophic model.The performances of the ensemble forecasts of the NLLV method are systematically compared to those of the random perturbation(RP) technique, and the BV method, as well as its improved version—the ensemble transform Kalman filter(ETKF)method. The results demonstrate that the RP technique has the worst performance in ensemble forecasts, which indicates the importance of a flow-dependent initialization scheme. The ensemble perturbation subspaces of the NLLV and ETKF methods are preliminarily shown to catch similar components of analysis errors, which exceed that of the BVs. However, the NLLV scheme demonstrates slightly higher ensemble forecast skill than the ETKF scheme. In addition, the NLLV scheme involves a significantly simpler algorithm and less computation time than the ETKF method, and both demonstrate better ensemble forecast skill than the BV scheme.     

基于气候资源向量的相对气候生产潜力模型研究

从气候状态向量的观点出发,借助于旋转主分量分析方法,计算各站气候资源向量.在此基础上,将光照、热量、水分等气候环境条件综合为气候资源向量并分别与某种作物的标准生长模式曲线线型建立差异(作物生态适宜度)比较关系,提出一种新的农业气候生产潜力模型.由此得到相对光合生产潜力、相对光热生产潜力和相对气候生产潜力,从而改进了原有...