近年来中尺度涡动力学研究进展

围绕国内外近年来中尺度涡的动力学研究进展,聚焦中尺度对流涡的涡度方程和热量方程,对中尺度对流涡的动力学进展进行了梳理总结,指出环境风切变、垂直运动、平流的动力辐合、风场变形、热力场变化及地形等对中尺度涡的涡度发展均有作用。此外,中尺度涡动力学的研究进展,还体现在能量方程和中尺度垂直运动方程的推导和诊断方面。强对流系统中,垂直运动的变化与不稳定能量及对流层中层水平运动的风速有关。     

涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅱ:广义倾斜涡度发展

从位涡-位温（PV-θ）以及拉格朗日观点,引入广义倾斜涡度发展的概念研究绝热条件下的垂直涡度发展。广义倾斜涡度发展是一个与涡度发展的坐标无关的概念框架,该框架包括倾斜涡度发展。倾斜涡度发展研究当大气处于稳定或不稳定层结情形,空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程垂直涡度激烈发展。因此,倾斜涡度发展是研究强烈天气过程的涡度发展非常强的情形。此外,广义倾斜涡度发展概念澄清了涡度发展和倾斜涡度发展的区别,涡度发展和倾斜涡度发展的判别标准表明,倾斜涡度发展的要求比涡度发展的要求严格很多。在空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程,当在稳定大气中静力稳定度（θ_z）迅速减小或在不稳定大气中静力稳定度（θ_z）迅速增大,即静力稳定度（θ_z）趋于0时,如果C_D<0,那么垂直涡度将急速发展。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬的一次青藏高原低涡过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑出青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。诊断表明,2008年7月22日00—06时（世界时）青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时低涡加强发展,PV₂变化对低涡加强发展有贡献,因为此时的水平涡度（η_s）变化和斜压度（θ_s）变化都对垂直涡度发展起正贡献。而且,22日06时,330 K等熵面的倾斜涡度发展判据满足,表明倾斜涡度发展并对垂直涡度发展起重要贡献。围绕着低涡中心较强的涡度发展和倾斜涡度发展信号表明,广义倾斜涡度发展概念框架可以作为诊断天气过程的一个有用工具。     

青藏高原东部拉萨河下游地区大气湍流交换特征研究

地气之间物质和能量随湍流运动进行输送,涡度相关技术是研究地气交换过程和评估大气资源的重要手段,它对湍流特征和精确的通量观测研究具有重要的作用.本研究利用拉萨蔡公堂通量站的闭路涡度相关系统,观测了 2020年8-11月青藏高原东部拉萨河下游地区典型高寒草甸下垫面的通量特征,并分析了该区域生长季和非生长季不同大气稳定条件下...     

Hilbert方法在大气边界层湍流特征分析中的有效性

介绍一种新的建立在经验模态分解(EMD)方法基础上的非线性、非平稳数据分析技术一Hilbert分析技术,并首次将其应用于大气边界层(PBL)湍流数据的分析,初步探讨了其在PBL湍流研究中的有效性.通过对城市与森林冠层上湍流资料的能量分布特征和统计平稳度进行分析、比较,结果表明:Hilbert谱分析能有效地对PBL湍流信号进行分析.它的边缘谱分析能够有效地探测PBL湍流信号的能量分布特征,统计平稳度分析也能有效地给出PBL湍流信号平稳性的定量化测量,这些将有助于建立合适的数据质量控制方法,以及对现有空气质量与扩散模式中扩散参数的计算加以改进.文中个例分析中,城市和森林冠层上空的湍流有一定相似性,湍流混合都比较充分,但森林冠层上湍流信号的能量更多地集中在大尺度湍涡,且扰动风速的高频部分具有更强的间歇性.对于相近高度的湍流信号来说,多数情况下,森林冠层上相同尺度的湍涡表现得比城市冠层上更不稳定,但湍涡的含能量要更低.     

边界层抽吸引起的旋转减弱

本文在边界层顶垂直速度正比于地转涡度和地转风速,并与下垫面粗糙度有关的前提下,研究了边界层抽吸引起的涡度变化,在圆对称气压系统内得到了不同粗糙度情况下的涡度场和气压场的变化速率,修正了经典理论的结果。在湍流交换系数是地转风速及高度的函数的前提下,推导了地形存在时边界层顶垂直速度的公式,并用来讨论地形存在时的旋转减弱问题。     

"04.12"华北大到暴雪过程切变线的动力诊断

利用地面实测资料和MM5模式输出产品,对2004年12月20~22日发生在华北地区的大到暴雪天气过程的切变线进行了动力诊断分析,结果表明:此次暴雪过程与中尺度切变线的发展东移直接关联。涡度诊断表明:正涡度区的演变与切变线的发展、东移和北抬密切相关,正涡度区内“正涡度核”对预报强降雪的出现有先兆指示意义。涡度、散度垂直剖面图显示,涡度、散度场的空间配置极有利于暴雪切变线发展及暴雪形成与维持。湿相对位涡和涡度变率诊断揭示,涡度变率强度与中低空的条件对称不稳定密切相关;暴雪区上空从低层到高层存在的湿位涡负值中心是造成中低层涡度变率增大及暴雪增幅的重要原因之一;而涡度变率较涡度更能准确反映切变线发生发展的物理机制。     

贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3.6模式对2004年5月29~30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟,模拟结果与实况基本一致。在此基础上,用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析,以解释强降水发生的物理机制。结果表明,这次降水是由多种尺度系统相互作用,高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的;高层辐散区发展、低层辐合加强,形成"抽气机"效应,低层正涡度和高层负涡度加强,垂直涡度发展,激发出次级环流;对不稳定性的分析表明,降水开始为对流不稳定能量触发,降水加强后对流不稳定层次降低,对流不稳定能量减弱;中层锋区附近θe面陡立,有倾斜涡度发展,继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展,降水加强。     

Lagrange与Euler时间积分尺度之间关系的统计动力学物理模型

本文给出了平稳、均匀湍流中平衡涡度及非平衡涡度偏差的定义,建立了Euler及Lagra-nge湍流的随机动力微分方程,解出了各自相关函数。在各向同性及冻结湍流假设中使用Bla-ton公式按上述相关函数解出了Langrange时间尺度与Euler尺度比的表达式,其渐近值恰为全方向湍流度的倒数的1/2~(1/2)倍即0.71/i。     

巴湖低压稳定、东移的涡度、散度收支分析

本文对1982年7月15日—18日一次巴湖低压活动过程进行了涡度、散度收支分析。在巴湖低压活动的过程中,辐散项对低压区内涡度收支贡献较大;非地转涡度作用与地转涡度平流作用对散度收支贡献较大。巴湖低压的稳定和东移与新地岛低槽槽前的正涡度与辐合区变化有关。     

一次西南低涡东移引发长江中下游暴雨的诊断研究

利用常规观测资料和NECP再分析资料,对2013年6月6—7日西南低涡东移加强发展造成长江中下游大暴雨过程进行了诊断分析,重点探讨了西南低涡东移和发展维持的物理机制以及最强降水的变化特征。结果表明,沿着700 hPa高空切变线东移的西南低涡是造成此次长江中下游地区暴雨的直接影响系统,西南低涡沿着700 hPa切变线东移发展,深厚阶段正涡度柱伸展到400 hPa高度,自下而上呈近垂直结构。西南低涡附近低层辐合与高层辐散的大尺度环境条件、西南低涡与西南低空急流耦合发展动力结构、低空暖平流和高空槽前正涡度平流输送等条件是导致西南低涡东移到长江中下游后加强发展的主要因子。与西南低涡相伴随的强降雨区主要位于低涡南部3个纬距以内,该处的西南季风和副高西南侧东南气流两支水汽输送的汇合为暴雨发生提供了充沛的水汽和对流不稳定能量,而对流层中低层携带的冷空气侵入低层低涡的后部,不仅加强了低涡的斜压性,也促进了上冷下暖不稳定层结的产生和发展,为强降水的发生提供了不稳定对流触发条件。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

鄂霍茨克海阻高发展过程的正斜压涡度和涡度拟能的演变特征

用正斜压分解法,对1998年发生在鄂霍茨克海的阻高进行涡度和涡度拟能分析,结果发现在阻高的不同阶段,正压涡度和正压涡度拟能远大于斜压涡度和斜压涡度拟能且在不同的阶段有着不同的演变过程;在阻塞的酝酿阶段正压和斜压涡度和涡度拟能不稳定增长,且向西南传播;在维持阶段,正压和斜压涡度和涡度拟能的增长达到最大值,阻塞形势建立并维持在阻塞区域内;在消亡阶段,正压涡度和涡度拟能与斜压涡度和涡度拟能则呈现出不稳定减少,向东南传播,阻塞崩溃,然后又增长.     

水平切变线上涡层不稳定理论

文中打破了传统的 Kelvin- Helmholtz研究切变不稳定的观点 ,考虑了强涡度切变存在时切变线已构成了一个涡层 ,这时切变线的不稳定问题就变为涡层的不稳定问题。同时考虑由涡层所产生的诱导速度 ,从理论上得到了水平切变线上涡层不稳定必要条件的判据 ,即必须满足 (1 - Rv Rid) >0 ,且有 U(y,t) >U(A(t) )与之相配合。这表明环境场的配置制约着切变线上扰动的发展 ,这种中尺度扰动同环境场存在着相互作用。文中还用具体个例对如何计算不稳定必要条件做了解释和说明。     

倾斜涡度的发展与云南冬季强降水

应用倾斜涡度发展理论,对云南的一次冬季强降水天气进行诊断分析。结果表明：强降水发生在θｅ 陡立密集区内;倾斜涡度发展和条件性对称不稳定是形成强降水的重要因子;大气的弱位势稳定和强斜压性有利于云南冬季强降水的发生。     

"96.1"暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断Ⅰ: 涡度和涡度变率诊断

利用引入三相云显式降水方案后改进和发展的中尺度模式(MM4)模拟输出资料, 对"96.1"高原暴雪切变线发生、发展的结构进行了运动学和动力学诊断.涡度场演变指出, 高原上局地涡度中心和涡度带的生成和发展不仅与暴雪切变线的形成和发展密切相关, 而且有预测切变线生成的先兆意义; 涡度场、散度场、垂直速度场与相当位温场的剖面结构诊断表明, 运动场和热力场的相互配置与耦合关系极有利于暴雪切变线发展及暴雪形成与维持; 涡度变率诊断结果指出, 涡度正变率中心带初生于暴雪切变线附近, 其时空演变与切变线生成和发展相伴的正涡度中心带垂直结构及演变基本一致.在对涡度变率贡献的诸因子中, 非线性相互作用涡度变率的相对数值最大; 时间平均涡度变率的贡献次之; 与强波扰气流有关的扰动涡度变率贡献最小.在总涡度变率的诸强迫项中, 散度项贡献最大; 水平涡度平流项次之; 垂直涡度输送项和扭转项的贡献相反, 基本上互相抵消.     

对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制.结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征.暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论.     

北京7.21暴雨低涡演变的湿位涡分析

通过诊断再分析资料和数值模拟结果,从中层湿位涡守恒和低层湿位涡变化的角度分别对北京7.21暴雨过程中中尺度低涡的演变进行分析。结果表明,暴雨前期,对流层中高层高湿位涡的冷空气扩散南下,冷空气到达华北地区上空时,在有利等熵面的引导下从稳定层结向不稳定层结快速下滑,产生了剧烈的正涡度个别变化,使得低涡得到发展加强。另一方面,等熵面上冷暖空气的剧烈交汇在增强雨势的同时,也使得对流层低层至中层产生明显的涡度制造。在不考虑稳定度影响时,低层的非绝热过程引起的湿位涡制造与低涡发展有着很好的正相关,二者在位置上和量级上都有很好的对应。进一步分析表明,非绝热加热的水平不均匀分布是引起湿位涡变化的主要原因。     

鄂霍茨克海阻高发展过程的正斜压涡度和涡度拟能的演变特征

用正斜压分解法，对1998年发生在鄂霍茨克海的阻高进行涡度和涡度拟以分析，结果发现：在阻高的不同阶段，正压涡度和正压涡度拟能远大于斜压涡度和斜压涡度拟能且在不同的阶段有着不同的演变过程；在阻塞的酝酿阶段正压和斜压涡度和涡度拟能不稳定增长，且向西南传播；在维持阶段，正压和斜压涡度和涡度拟能的增长达到最大值，阻塞形势建立并维持在阻塞区域内；在消亡阶段，正压涡度和涡度拟能与斜压涡度拟能则呈现出不稳定减少，向东南传播，阻塞崩溃，然后又增长。     

贵州暴雨的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论，对2004年贵州的6次暴雨过程进行分析，讨论了湿位涡与贵州暴雨的关系，结果表明暴雨的发展与湿位涡的变化有很好的对应关系：0e面陡立且南侧暖湿气流活跃，易导致湿斜压涡度发展，密集区内暴雨容易发生。湿空气对流活动层仅能达到500～600hPa之间。对流层高层及平流层高位势涡度下传有利于位势不稳定能量的释放，从而造成强对流天气。对流层低层湿正压项负值区的移动反映了强对流过程位势不稳定能量的释放过程，湿斜压项的高值中心区与暴雨的落区相一致，为暴雨强度和落区的预报提供了一定的参考。