高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析

利用动力诊断方法,对2008年7月20~22日高原低涡与低层西南低涡相互作用引发西南低涡强烈发展和四川大面积特大暴雨天气发生机理进行了诊断分析。分析表明：高原涡与西南涡涡心之间的纬向距离在5个纬度的时候,两者上升气流都在500 hPa以下,当两者继续东移,在经向上耦合的时候,二者同时得到发展,西南涡中心的上升气流达到300 hPa,而高原涡中心的上升气流突破200 hPa;西南涡在低层出现初期,在一定程度上制约了高原涡的发展,随着两者在经向方向发生耦合,上下涡度平流不同造成垂直差动,将激发500 hPa以下的上升运动与气旋性涡度加强,使得500 hPa与700 hPa涡心正涡度值的增大近1倍。并且涡前的正涡度变率使得高原涡发展并东移,待垂直耦合后,高原涡与盆地涡相互强迫作用促使气流上升运动加强也是导致高原低涡与西南低涡共同发展的一种机制。     

西南低涡东移对华南暴雨增幅的动力机制分析

对1996年6月13-14日华南大暴雨发生过程的天气形势和物理量场进行分析，并从中尺度能量方面探讨了西南低涡对华南暴雨增幅的动力机制。结果表明：暴雨的发生与西南低涡及850hPa孟湾地区的水汽通量有着密切的联系；而500hPa较强的负螺旋度有利于低层低涡的发展加强;暴雨发生前，华南上空维持一支反气旋性的西南急流，当西南涡东南移时，造成本地重力惯性波能量增加，从而对华南暴雨有正贡献，即对暴雨有一定的增幅作用。     

西南低涡东移对华南暴雨增幅的动力机制分析

对1996年6月13~14日华南大暴雨发生过程的天气形势和物理量场进行分析,并从中尺度能量方面探讨了西南低涡对华南暴雨增幅的动力机制。结果表明:暴雨的发生与西南低涡及850hPa孟湾地区的水汽通量有着密切的联系;而500hPa较强的负螺旋度有利于低层低涡的发展加强;暴雨发生前,华南上空维持一支反气旋性的西南急流,当西南涡东南移时,造成本地重力惯性波能量增加,从而对华南暴雨有正贡献,即对暴雨有一定的增幅作用。     

一次浅薄低涡暴雨过程数值模拟及发展机制分析

运用WRF中尺度数值模式对2009年7月27日长江下游地区的一次6 h累计降水226 mm的暴雨过程进行数值模拟,利用模式输出资料,对引发此次暴雨过程的浅薄低涡移动演变和动力结构、温湿特征进行分析,探讨低涡发展东移机制。结果表明:低涡位于500 hPa西风槽前,仅出现在对流层低层,动力与温湿特征均表现其浅薄结构。低涡暴雨降水主要发生在低涡东侧暖式切变线附近。水汽来源于中国南海和东海两地,水汽辐合层深厚,达600 hPa。此次低涡具有较强的斜压结构特征。通过涡度方程分析,辐合辐散流场的维持和发展为正涡度变化率作出主要贡献,三维风场倾斜扭转项作用与正涡度变化存在重要正相关。地形的动力作用使得背风坡更有利于低涡绕山后加强。高低空急流耦合中心和水汽凝结潜热释放区均有利于引导低涡以及低涡暴雨加强东移。湿等熵面呈垂直陡立状,指示低涡已发展到成熟期。预示暴雨即将减弱。倾斜涡度发展条件C_d0的连续增强,指示斜压性、稳定度和垂直风切变的综合作用也是这次低涡保持发展加强的重要原因。     

引发四川盆地西南地区暴雨的高原涡特征分析

为进一步认识高原涡对盆地西南地区暴雨过程的影响,总结该区域暴雨预报经验,本文利用2001～2011年高原涡切变线年鉴、MICAPS实况天气图、盆地西南地区气象站日降雨量资料以及NCEP再分析资料,对引起盆地西南地区暴雨过程的高原涡特征进行总结分析,得到结论:1)引发盆地西南地区产生暴雨量级以上降雨的高原涡过程多发生在每年7月;高原涡东移将对盆地西南地区产生明显降雨;48小时后大部分高原涡减弱消失,少数继续东移或东南移;2)引发盆地西南地区产生暴雨的高原涡通常是暖性高原涡,高原涡东移48小时后有明显的冷平流入侵转变成斜压性低涡;这一类高原涡常常与高原切变、西南低涡、副高、低空急流以及南亚高压等影响系统相配合,共同作用产生一次暴雨过程;3)引发的盆地西南地区暴雨的高原涡过程的温湿场特征为:500hPa高原东部到盆地上空的大气高温高湿的特征明显,700hPa和850hPa盆地高温高湿,同时垂直上升运动旺盛且随高度向北倾斜。      

高原涡和西南涡影响的两次四川暴雨过程的对比分析

为了进一步研究高原涡、西南涡对西南地区暴雨的影响,本文用中国气象局自动站与CMORPH降水数据融合的逐时降水资料、国家卫星气象中心的逐时FY-2E卫星的云顶亮温（TBB）资料、欧洲气象资料中心（ERA-interim）的再分析资料,通过天气学诊断分析方法以及拉格朗日轨迹模式HYSPLITv4.9,对发生在四川盆地的有高原涡东移影响西南涡发展引发暴雨的两次过程进行对比分析,发现:（1）两次暴雨过程的降水强度和分布有明显区别,并且TBB活动特征显示在过程一中有MCC（Mesoscale Convective Complex）的产生和发展,过程二则没有。（2）对于过程一,500 hPa上,高原涡逐渐减弱为高原槽并伸展到四川盆地上空,850 hPa上,在鞍型场附近有MCC的产生和发展,200 hPa上,高原涡在南亚高压北部偏西风急流下方的强辐散区内,位于南亚高压东南侧急流区下方稳定少动,偏东风急流北部有辐散中心,有利于西南涡的加强。对于过程二,500 hPa高原涡东移在四川盆地上空与西南涡耦合,形成一个稳定且深厚的系统,这也是过程二的暴雨强度比过程一强的最主要原因。200 hPa上,四川盆地始终位于南亚高压东侧的西北气流中,“抽吸作用”明显。（3）在过程一中,位涡逐渐东传且位涡增加的地方对应强降水区与MCC发展区,反映了暴雨和位涡的发展基本一致。在过程二中,中层位涡高值区从高原上东移并下传至盆地上空,两涡耦合使得上下层打通,位涡值比耦合之前单独的两涡强度更强。 MCC产生的必要条件是中层大气要有强正涡度、强辐合和强上升运动,在未产生MCC前,过程一与过程二在盆地上空的动力条件甚至是相反的;从热力条件看,过程一中有明显的干冷空气入侵,增强不稳定条件,有利于MCC的产生并引发强降水;另一方面,本文也应证了二阶位涡的水平分布与暴雨落区有较好的对应关系。（4）通过拉格朗日方法的水汽轨迹追踪模式和聚类分析方法分析可得两次暴雨过程的水汽输送源地和通道也有明显区别,过程一主要有两条水汽通道,通道一来自阿拉伯海和孟加拉湾洋面的底层,通道二来自四川南部750 m以下高度;而过程二的主要水汽输送通道有三条,通道一来自西方地中海、黑海和里海上空1500～2500 m高度附近,通道二来自阿拉伯海和印度洋的底层,通道三的水汽从孟加拉湾低层绕过云贵高原直接输送到四川盆地。     

“10.7”安庆特大暴雨及中尺度低涡结构的数值模拟与分析

采用常规气象观测、地面加密降水资料、FY-2E卫星逐时T_BB资料以及WRFV3.3高分辨率模式输出资料,对2010年7月12—13日安庆罕见特大暴雨过程的中尺度对流系统的发生发展、结构特征及形成原因进行了综合分析。WRFV3.3中尺度非静力模式很好地模拟了此次切变线暴雨的雨带走向、几个暴雨中心的位置和强度,以及中尺度对流系统的整个发展过程。分析结果表明:此次特大暴雨是在高层200 hPa强大的南亚高压稳定少动,中层500 hPa的短波槽的生成、转向和发展与副高的维持,低层的700 hPa和850 hPa中尺度低涡、切变线以及地面梅雨锋扰动的共同作用下造成的;700 hPa低涡、切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统是这次特大暴雨的直接制造者。细网格模拟结果揭示,安庆特大暴雨与850 hPa上的β中尺度对流系统(MβCS)的生成和强烈发展直接相关。该MβCS具有明显的动力—热力结构特征,显示:强上升运动与饱和气柱的耦合,强散度柱与强涡柱的耦合发展,强上升运动与位势不稳定的耦合发展,湿静力不稳定与湿对称不稳定共存。     

引发川东暴雨的西南低涡演变特征个例分析

利用NCEP格点再分析资料、观测资料和MM5模式的高分辨率输出资料,对2004年9月4～6日发生在四川盆地东部地区的大暴雨过程进行了诊断分析和数值模拟,重点分析引发这次大暴雨的西南低涡的结构和演变特征及其在暴雨发生发展过程中的作用。对低层850 hPa、700 hPa 候平均水汽通量和各时刻整层水汽通量的分析表明,此次西南低涡暴雨的水汽主要来自于南海,水汽沿西太平洋副热带高压的西南侧经青藏高原东部流入四川盆地。在西南低涡的发展过程中,“桑达”台风向西北移动, 阻断了西太平洋副热带高压的东退并切断副高,被切断的高压部分滞留在西南低涡东侧,导致低涡不能顺利东移。数值模拟研究发现,在西南低涡的发展过程中,中层400～500 hPa 附近一直伴有涡旋的存在,且此涡旋的发展演变过程与低层涡旋明显不同;中层涡旋的发展不像低层涡旋那样呈现单边持续地增长或衰减的特征,而是呈现明显的增长－衰减－再增长的演变特征,其最大值增长时段和低层涡旋也并不一致。 分析表明这个中层涡旋实际上是中层大气里一个中尺度闭合低压造成的,这个闭合低压是由高空槽加深发展而来的。数值模拟输出结果还显示,发生在西南低涡东侧切变线里的对流垂直运动是由高空槽里的闭合低压激发出来的。     

对流涡度矢量垂直分量在西南涡暴雨中的应用

将对流涡度矢量 (CVV) 应用于浅薄系统西南低涡引发的暴雨中,特别是将对流涡度矢量垂直分量 (C_z) 应用在2010年7月16—18日由西南涡引发的一次暴雨过程诊断中。研究了CVV垂直积分的各个分量与6 h累积降水量的关系,尤其是CVV垂直分量在西南涡暴雨过程中的指示意义。诊断结果表明:CVV垂直分量与西南涡引发的暴雨有一定对应关系,强降水发生时段与C_z垂直积分峰值出现的时间对应一致;在对流层低层850 hPa水平分布上,暴雨区位于CVV垂直分量的正值中心附近,偏向其梯度较大处;沿暴雨中心的CVV垂直分量,当对流层低层至高层呈现一致的正值时,暴雨强度会明显加强。     

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时（协调世界时,下同）一次青藏高原（简称高原）中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究（四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm）。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积（相当黑体亮度温度TBB≤?52°C）可以有效地指示西南低涡强度（涡度）的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。     

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。     

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。     

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.     

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。