“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 …

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、垂直速度场当位温场的剖面结构诊断表明,运动场的热力场的相互配置与耦合关系极有得暴雪切变线及暴雪形成与维持;涡度变率诊     

"96.1”暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断Ⅱ:散度和散度变率诊断

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”暴雪过程的散度及其变率进行诊断分析.结果表明,低空辐合、高空辐散的散度场结构及其演变与暴雪切变线的生成发展及暴雪落区相对应.散度方程计算结果表明,低层散度负变率带及其内中心的生成与发展先于切变线辐合区的形成,揭示了暴雪降水系统的生成与发展,并与未来时刻的降雪强度及落区有较好的对应关系.     

2009年2月辽宁一次暴雪过程动力条件诊断

应用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2009年2月12—13日辽宁暴雪过程的主要影响系统（850 hPa切变线）进行动力诊断并研究其演变特征。结果表明：辽宁中西部切变线东南侧、江淮气旋顶部暖锋附近对应强降雪中心;切变线与正涡度区相对应,正涡度带合并、发展并向偏东方向移动,影响切变线的加深发展和东移;850 hPa正涡度中心先于强降雪出现,具有一定预报意义;正涡度带及其中心的生成与发展的动力机制主要受总涡源的影响,涡度变率较涡度更能提前并准确地反映暴雪切变线生成、发展的物理过程;涡度垂直输送和绝对涡度的散度效应对于正变涡的贡献显著,而绝对涡度的散度效应是正涡度变率的主要强迫源;正变涡的减弱主要来自扭转项,抑制了系统的发展。     

"98.7"突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的涡源诊断

1998年7月20～23日(简称“98．7”)发生在武汉周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS及MβCS直接关联。利用MM5模拟提供的高空间分辨(20km)输出资料，对这次突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力学机制进行了诊断。涡度分析指出，高、低空正涡度中心在武汉周边地区上空的叠加和耦合是该低涡切变线持续发展的主要物理机制之一。总涡源的诊断揭示，在突发性暴雨强烈发生发展期，武汉周边地区上空从低层到高层有一近乎垂直的涡源高值区生成和维持，其垂直结构的发展演变与涡度场垂直结构的发展演变相一致。这一结果表明，大气总涡源对该中尺度低涡切变线的生成和发展起着决定性作用，也是该暴雨中尺度系统持续发展的重要动力学机制。对贡献于总涡源的诸分量计算表明，在650hPa以下，散度项对大气总涡源的正贡献最大，但在此层以上至200hPa之间，垂直涡度平流项的贡献要比散度项大，同时水平平流项也为正贡献；在整个对流层，扭转项对总涡源为负贡献，散度项只在450～250hPa之间为负贡献。在近地层，垂直涡度平流项和水平平流项基本对总涡源不作任何贡献。时间平均涡源和纯扰动涡源对低涡切变线的生成很重要；在强烈发展期，相互作用涡源作用最大，纯扰动涡源贡献次之；随着非线性相互作用涡源贡献的减小，低涡切变线东移减弱。在该期间时间平均涡源和纯扰动涡源仍为正贡献。     

"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。     

“81.8”持续暴雨期中-α尺度低涡发展的涡度变率及其热源

1981年8月14日至22日(“81.8”)发生在陕、甘、川毗邻区的一次持续暴雨过程,与伴有切变线的低涡持续发展直接关联。涡度变率诊断揭示,涡度正变率中心初生于青藏高原东侧低空,其后出现了高、低空涡度正变率中心的迭加和耦合以及在垂直方向的贯通过程。涡度正变率中心的这种垂直结构及其演变,与切变线低涡生成和发展的正涡度中心垂直结构及其演变基本一致。在贡献于涡度变率的因子中,非线性相互作用涡度变率的相对数值最大;由于地形强迫的时间平均涡度变率只对切变线低涡的生成和维持是重要的;扰动涡度变率在切变线低涡强烈发展时才有值得注意的贡献。中尺度热量和水汽收支诊断揭示,视热源Q_1和水汽汇Q_2垂直积分的高值区同切变线低涡发展区及暴雨区大体一致;Q_1和Q_2的时空平均垂直廓线表明,Q_1的最大加热区间在570至400 hPa,而Q_2的最大区间在650至550 hPa;由于感热和潜热对流涡动通量辐合的加热,约等于凝结释放潜热量的一半。     

“96.1”暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断：Ⅱ：散度和散度变率 …

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”暴雪过程的散度及其变率进行诊断分析。结果表明,低空辐合、高空辐散的散度场结构及其演变与暴雪切变线的生成发展及暴雪落区相对应。散度方程计算结果表明,低层散度负变率带及其内中心的生成与发展先于切变线辐合区的形成,揭示了暴雪降水系统的生成与发展,并与未来时刻的降雪强度及落区有较好的对应关系。     

"98.7"特大暴雨低涡的螺旋度和动能诊断分析

“98．7”特大暴雨过程与700hPa低涡切变线的强烈发展以及丰沛的水汽和强垂直运动密切相关。螺旋度的诊断结果揭示,与强暴雨区和切变线低涡相应的是一对符号相反而又紧邻的螺旋度带。它们的垂直结构是一对符号相反而又互伴的螺旋度柱;螺旋度及其诸分量的量级是相同的。这表明,垂直运动的水平切变和水平速度的垂直切变以及水平速度的水平切变对螺旋度有相同大小的员献,也意味着强垂直运动和低空急流对暴雨的发生和发展极其重要。动能的诊断结果显示。强动能区与暴雨区和低涡切变线有很好的对应关系,在中、低空的强动能中心也正是强降雨中心;动能最强的700hPa也是低涡切变线发展最强的层面。强动能及其强梯度区和强螺旋度区基本一致。表明强动能及其强梯度对螺旋度变率及其通量有重要贡献。     

一次高原低涡与高原切变线演变过程与机理分析

对一次东移高原低涡减弱、高原切变线生成并在有利的环流背景下东南移,进而引发川渝强降水的高原切变线生成机制以及演变过程进行了初步分析。首先引入描写热带气旋的Okubo-Weiss（OW）参数（V_OW）来定量表达低涡、切变气流中旋转和变形的相对大小,确定高原切变线的潜在生成区域和发展状况。得出在高原切变线生成阶段,500 hPa等压面上V_OW值由正转负,V_OW负值带可以很好地指示高原切变线的潜在生成区域。V_OW负值强度与高原切变线强度有很好的相关性。高原切变线上以V_OW负值中心为主,但也会存在正值中心,说明在切变线上也会有气旋性涡度。此个例高原切变线以伸缩变形为主,高原切变线沿变形场的拉伸轴分布。然后通过涡度方程和总变形方程进一步分析了高原低涡减弱、高原切变线生成的动力机制。高原低涡的减弱、消失主要受散度项的影响,时间演变分析表明系统由强气旋性涡度的高原低涡演变为强辐合性的高原切变线。总变形方程中的扭转项对高原切变线的生成贡献最大,其次为水平气压梯度项,散度项最小;当高原切变线上以拉伸变形为主时,不利于其上高原低涡的发展,切变线可能是影响低涡发展的背景流场。     

一次东北南部特大暴雪的动力机制分析

应用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了2007年3月3—4日东北南部特大暴雪的动力机制,结果表明:850 h Pa低涡切变线附近对应着强降雪中心,其辐合抬升作用最明显,是本次过程的主要影响系统和成功预报的关键;涡度变率更能准确反映出暴雪切变线生成、发展的物理机制,且对于强降雪中心的位置和强度变化具有一定的预报意义;在涡度变率的各影响项中,700~900 h Pa正涡度区的强辐合项是正涡度倾向的主要强迫源,低层涡度增加,在强上升运动的作用下向上输送,使系统发展,从动力机制上进一步说明本次过程中主要影响系统的作用;涡度变率中绝对涡度平流项与各层高空槽移动或强度变化有关,反映了暴雪过程中各高度影响系统的垂直结构变化;而扭转项在低层一直产生负贡献,说明上升运动在水平方向的不均匀形成负涡度倾向,不利于系统的发展。     

两次引发辽宁暴雪过程低涡的动力发展机制

应用NCEP FNL分析资料,从动力学角度对2015年初辽宁地区两次低涡暴雪过程(简称"2.16"和"2.25"过程)的形成机制进行分析。结果表明:两次过程共同特点是850 hPa附近有低涡生成或加强,低涡是暴雪引发的直接原因。两次过程促使低涡生成的正涡度变率增大原因存在差异,"2.16"、"2.25"过程中对正涡度变率贡献最大的强迫项分别是散度项和涡度垂直输送项。500 hPa低涡东移,冷平流使得涡底部高空槽加深,槽前正涡度平流加强,差动涡度平流增大使得上升运动发展,导致850 hPa高度附近辐合增强是"2.16"过程正涡度变率增长、低涡生成的动力机制。强烈上升运动,对低层正涡度垂直输送,则是"2.25"过程850 hPa附近低涡形成和加强的动力机制。     

高原低涡移出高原后持续活动的典型个例分析

利用1°×1°NCEP/NCAR再分析资料,选取500 hPa分别为西风槽、切变线和切变流场影响背景下、移出高原后维持48 h以上的3次典型高原低涡个例,分析了低涡维持期间500 hPa环境场、主要影响系统、涡度与温度平流、200 hPa形势场及垂直动力结构,并利用涡度方程对总涡源和各强迫项进行了诊断分析,结果表明:(1)西风槽影响时高原低涡移动路径受槽前西南气流引导,切变线影响时低涡沿切变线自西向东移动,切变流场影响时低涡移动主要受西太平洋副热带高压(下称西太副高)进退的影响,当西太副高出现明显西伸时,可导致低涡折向西退,3次个例均持续有正涡度平流和冷平流向涡区输送;(2)西风槽和切变线影响时南亚高压为东西带状分布,切变流场影响时南亚高压为北拱形;(3)高原低涡东移发展达到最强时,3次个例在200hPa均有低槽或低压叠加,从而形成深厚的正涡度柱;(4)500 hPa存在正涡度变率中心,低涡沿正涡度变率中心方向移动,高空槽和切变流场影响时正涡度变率主要来自水平输送项,切变线影响时主要来自辐合辐散项。     

MCC转为带状MCSs过程中水平涡度的变化与暴雨的关系

利用实况资料和WRF中尺度数值模式对2010年6月18—19日的一次MCC转带状MCSs的暴雨过程进行数值模拟与诊断分析。结果表明:850 hPa西南涡和切变线的形成与维持是影响此次暴雨产生的中尺度系统,前期MCC的形成到成熟以低涡降水为主,后期的圆形MCC转为带状MCSs主要为切变线降水。在雨区附近,u、v的垂直切变所形成的强水平涡度造成的旋转,对应垂直环流的上升支可触发暴雨产生,垂直方向上u、v不同的分布可形成不同的垂直环流。低涡与切变线附近的水平涡度有明显差异,这种差异导致暴雨形成的原因不同,低涡暴雨主要由v的垂直切变造成,切变线暴雨主要由u、v的垂直切变共同作用,本次过程中v的垂直切变构成了沿切变线的东西向雨带,u的垂直切变沿纬向的不均匀性引起的垂直运动与切变线上MCSs的生成、发展和多雨团的形成关系密切。低涡、切变线降水中心附近的正倾侧项（水平涡度向垂直正涡度转换）也有类似的差异,低涡的转换主要由?v/?p<0决定,切变线的转换主要由-?u/?p>0决定。水平涡度向垂直涡度的转换尺度较小,易在平均状态下被忽略。倾侧项主要有利于暴雨的加强,但对西南涡、切变线的发展贡献较小。      

辽宁地区一次暴雪过程低涡增强机制分析

利用常规气象观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2015年2月15—17日辽宁省东北部地区一次暴雪天气过程的低涡增强机制进行了分析。结果表明:辽宁地区此次暴雪过程中850 h Pa低涡增强最明显,绝对涡度平流项是高层正涡度变率的主要强迫项,散度项则是低层正涡度变率的主要强迫项;500 h Pa冷平流增强强迫高层正涡度变率发展,造成涡度在垂直方向上分布不均匀,差动涡度平流增大,垂直上升运动加强,低层辐合加强,使低层涡度增强,低层低涡系统发展,低层低涡系统发展使干冷的西北气流、东北气流和来自黄海北部的东南暖湿气流在辽宁中部地区汇合,降雪加强。     

两类动力因子对四川盆地一次低涡暴雨的应用研究

利用常规观测资料、FY-2E卫星云顶黑体亮度温度(TBB)资料、欧洲中心0. 25°×0. 25°资料,选取质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、散度垂直通量、密度散度垂直通量、水汽散度通量等7个动力因子对2015年8月16-18日四川盆地一次暴雨过程进行诊断分析。结果表明:(1)此次降雨过程是由高原低涡、高原切变线、西南低涡等多个天气系统共同作用造成。(2)随着高原低值系统的东移、减弱,西南低涡的生成、发展,伴随的对流云团经历了连续生消的过程。(3)动力因子对此次暴雨过程的发展和演变有较好指示意义。动力因子大值区基本覆盖强降水区。西南低涡形成初期,动力因子大值区和高原切变线分布一致,降雨中心位于动力因子大值区和高原切变线右侧,与西南低涡中心对应。西南低涡强盛时期,动力因子大值中心、西南低涡中心、降雨中心趋于重合。降雨区上空存在质量散度辐合、气旋性涡度和水汽通量涡度的垂直向上输送及辐合上升运动。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28-30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋式环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP／NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28—30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋武环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

高原横切变线与高原低涡关系的初步研究

基于大气运动方程组及散度方程,对高原横切变线上扰动稳定性问题以及切变线诱发高原低涡的动力学机制进行了理论分析并用欧洲中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料对其进行验证。得出高原横切变线是高原低涡产生的重要背景场,切变线以南的水汽输送与辐合对于低涡的诱发作用是大气处于不平衡状态而引起散度场调整的结果,辐合增强区有利于高原低涡生成,低涡中心对应非平衡正值中心,低涡外围为非平衡项负值区。非平衡项负值大值与水汽辐合带的重叠区对降水落区有较好的指示意义。当高原南部的西南风带向东或东北方向移动或当低涡下游出现非平衡项负值中心时,低涡亦同向移动。若高原出现气旋式环流并且环流中心与非平衡项正值中心对应时,有利于低涡生成;进一步,当低涡中心与非平衡项正值中心对应且正值中心数值不断增大时,低涡趋于发展加强。     

一次东移型西南低涡的数值模拟及位涡诊断

利用非静力中尺度模式WRF对2011年6月16-18日引发强降水的一次东移型西南低涡过程进行了数值模拟,结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次西南低涡所引起强降水的范围和移动。低涡首先在低层850 hPa形成,9 h之后在700 hPa出现闭合低涡,发展成熟。西南低涡的初生和成熟阶段在对流层低层都维持与正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构,并伴有上升运动;在成熟阶段,上升运动、正涡度柱和高位涡柱明显加强、发展至对流层高层(300 hPa)。低层水汽通量散度对降水带的强度和移动都具有较好的指示意义。位涡收支诊断分析表明,非绝热作用项的垂直结构与垂直通量散度项相反,潜热释放造成的非绝热作用项有利于低层位涡增长、抑制高层位涡增长,对西南低涡的生成、发展有重要作用。     

“98.7”暴雨β中尺度低涡生成发展结构演变:双向四重嵌套网格模拟

用非静力中尺度模式MM5.V3全物理湿过程和双向四重嵌套网格技术及四维资料同化分析张弛方法,对1998年7月20～22日(简称"98.7")鄂东武汉沿江地区特大暴雨进行了36 h数值模拟,结果大大改进了原二重和三重嵌套网格的模拟,特别是水平分辨率为2 km的嵌套子域D04能更正确地模拟出暴雨的落区及雨强中心,进而揭示了强暴雨β中尺度系统发生和发展的结构及演变. 其主要结果包括(1)β中尺度切变线在鄂东沿江低空强烈发展及辐合中心的出现与其β中尺度低涡的形成和发展直接关联.(2)β中尺度切变线强烈发展的垂直结构强辐合层和强辐散层复式迭置并与强上升运动耦合发展;强涡度层和强位涡度层与强辐合层互伴发展;低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存.(3)β中尺度低涡生成的垂直结构散度和上升运动均呈双支柱状发展;涡度和位涡度均呈单支柱状发展;高湿能柱呈双支耦合发展,水汽通道呈阶梯斜升状.(4)β中尺度低涡发展的垂直结构V字型散度柱和上升运动柱互耦发展;涡度和位涡度呈双支柱状;双支高湿能柱强烈发展,阶梯斜升水汽通道变宽增厚.至此低涡发展达最强,其结构具有典型性.模拟结果还指出,发展时空分辨率更高的多重嵌套网格模拟技术和应用四维资料同化方法,将有助于更细致的了解β中尺度强对流系统发生和发展的结构及其演变,并能进一步提高对暴雨落区及雨强的预报水平.