强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

新动力因子在登陆台风与降水移动中的诊断研究

引入新动力因子位温平流项与广义位温耦合水平通量参数(the Potential Temperature Coupling Flux Parameter,简称PTCF)的定义,即位温平流项与广义位温的雅可比行列式,对登陆台风"韦帕"(Wipha)及其雨带的移动进行了诊断分析,发现台风中心会向新动力因子绝对值(|G|)的垂直平均值最大值处移动;|G|垂直平均值大值区的移动和变化早于台风中心的移动,对台风登陆与登陆后的移动路径有一定指示作用。为便于推导新动力因子的演变方程,还利用ARPS模式的资料同化模块对NCEP每6 h一次的全球最终分析资料(FNL)与MICAPS系统下全球地面资料和探空资料进行四维同化,插值到等高坐标系下,计算并分析了PTCF的平流项与4个阻力项分别影响台风及其降水移动的相对重要性。     

云凝结核数浓度对华东地区一次飑线过程发展的影响

利用WRF模式对2016年5月2日华东地区的一次飑线过程进行数值模拟,通过开展5组不同初始云凝结核数浓度的数值试验,讨论了污染对飑线发展的影响,并用Q矢量散度进行分析,结果表明:轻度污染下飑线线状结构最完整,强对流组织形式最紧密,而污染过重或过轻均导致飑线强对流组织分散甚至断裂;轻、中度污染对飑线降水有增强作用,而污染程度过重或过轻均对降水有限制作用;从清洁大气加深到轻度污染,强回波区宽度增大,强回波的高度升高,回波强度增强,随着污染继续加深,强回波区宽度减小,强回波的高度降低,回波强度减弱;轻度污染时,垂直速度、涡度和散度的强度较强;飑前低压在轻度污染时强度最强,雷暴高压、尾流低压和冷池则是随着污染加深而逐步减弱,但重度污染时,雷暴高压、尾流低压和冷池又增强;随着污染加深,对流云区不稳定性先增强后减弱,轻度污染下不稳定性最强;除了雪粒子外,其他水凝物粒子混合比含量均在轻度污染下达到最大值,而雪粒子混合比含量的最大值是在重度污染下出现的;推导了非地转非静力平衡的Q矢量散度方程,理论分析和计算结果均表明Q矢量辐合区对应上升运动,辐散区对应下沉运动。在较清洁和轻度污染的情况下,Q矢量散度高值区最强。     

波流相互作用与波动传播模态

波和流是大气中两种最基本的运动形式,两者之间的相互作用可以导致千变万化的天气现象。波流相互作用理论是大气动力学的基本理论之一,该理论的研究具有重要的理论价值和科学意义。波流相互作用的研究主要包括两方面:一方面是可以描述基本气流对波强迫作用的“波作用”（守恒）方程的研究,另一方面是可以描述波对基本气流反馈作用的E-P通量以及波形变、传播等理论的研究。波流相互作用的研究不仅在理论上已取得重要进展,例如, E-P通量的提出,剩余环流的引进,广义E-P通量的出现,三维E-P通量的建立,波作用守恒方程、波动突变、波流稳定性结构、波形变及其大圆路径、低频波遥相关等理论的发展,而且在实际应用上也取得丰硕成果,如科学地解释了赤道平流层东西风准两年振荡、极地平流层爆发性增温、瞬变波对阻高的维持和高空急流加速以及大气低频波遥相关等,特别是为预测行星波的传播,研究风暴轴和诊断分析实际大气中波能集中区和发散区提供了理论基础和科学方法。作者从小振幅和有限振幅扰动两方面回顾了国内外波流相互作用和低频波传播理论的研究进展,重点介绍了大尺度环流系统波流相互作用和波动传播模态的最新研究成果,提出了不同动力、热力背景下多尺度波流相互作用机理及其理论模型,建立了非线性大气动力学突变及其稳定性结构等理论。相对来说,热源强迫和地形强迫引起的波流相互作用中稳定性问题的研究一直比较薄弱,特别是关于大气水分循环过程和青藏高原等复杂大地形影响下不同尺度系统波流相互作用的研究,这也是未来波流相互作用研究的一个重要内容。     

基于波作用方程的南疆西部干旱区暴雨的组织化机理研究

本文采用位涡波作用密度和波作用方程,对一次南疆西部干旱区暴雨的组织化过程和机制进行了诊断研究,对影响暴雨对流系统组织化的关键物理过程进行了分析和讨论。位涡波作用密度耦合了多种影响对流云体演变的大气动热力扰动,能够良好描述对流系统的组织化过程。以此为基础,描述位涡波作用密度变化的波作用方程能够用来研究驱动对流系统组织化发展的物理因素。研究发现,波作用方程诊断得到的多个物理过程与扰动斜压性、扰动风切变和扰动涡度的发展演变有关,表明它们对对流组织化有重要作用,多条东西向的对流线发展为东北—西南向的带状对流系统过程中,包含强对流的维持和南北尺度的增大。对流线在东北向弱对流的发展增强与基本态气流对强对流区的热力输送引起扰动斜压性增强有关。影响对流线中部强对流的维持和南北向发展的关键过程包括:上升、下沉气流引起的热力输送导致对流线内扰动斜压性增强,扰动西风与扰动东风形成气旋性环流引起经向切变环流增强,及扰动经向风将扰动纬向风切变向对流中心区输送引起纬向切变增强、垂直环流增强。该研究表明,对流系统的组织化是大气多种动热力扰动演变和配合的结果,通过波作用演变方程能够比较清晰体现其中的关键过程,且波作用方程为波作用密度倾向,未来可探讨其对对流系统组织化的预报意义。     

2021年河南“7.20”极端暴雨动、热力和水汽特征观测分析

利用MICAPS观测降水数据、欧洲气象中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年7月20日河南极端暴雨进行综合分析。结果表明,此次暴雨受200 hPa两槽一脊、大陆高压、副热带高压（副高）西伸北抬和台风“烟花”西移、“查帕卡”台风倒槽等多尺度天气系统共同影响,黄淮气旋的西南气流与副高和“烟花”之间的东南气流稳定控制河南地区,边界层急流供应充沛水汽,在太行山和嵩山迎风坡辐合抬升,致使河南暴雨长时间维持,产生极端降水量。西南气流穿过从广东和广西延伸到河南的高湿带,副高和“烟花”引导东南气流经过从东海洋面延伸到河南的相对较弱湿区,这两条水汽输送带在太行山和嵩山地形阻挡下汇合在河南北部,为暴雨供应水汽。丰富的可降水量、水汽过饱和、深厚暖云层以及降水系统较强的水汽消耗率为郑州高降水效率提供有利条件。郑州低层大气经历多次从强层结不稳定到弱层结不稳定的转化,边界层急流引起的垂直风切变和气流辐合对层结稳定度变化有重要影响。黄淮气旋内部中尺度涡旋对河南暴雨发生发展至关重要,不但提供西南气流,还产生较强的位势高度纬向平流,增强边界层急流。嵩山与太行山余脉构成喇叭口地形,边界层急流在嵩山北侧和东侧爬坡,促使山前水汽堆积,激发和加强暴雨。中尺度云团合并小尺度云团,发展成结构密实的孤立云团,稳定少动,对暴雨有重要影响。降水区上空广义湿位涡异常,由于广义湿位涡能够刻画中尺度系统的垂直风切变、涡度以及大气湿斜压性和层结不稳定等动力和热力因素垂直结构特点,所以对中尺度系统和降水落区有一定指示意义。     

华东地区一次飑线过程的数值模拟与诊断分析

本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)同化多部多普勒雷达观测资料和常规地面探空观测资料,对2009年8月17日发生在我国华东地区的一次飑线过程进行高分辨率数值模拟;利用模拟输出资料,分析该飑线过程的动力和热力特征和对流线单体后向新生的环境条件。研究结果表明:(1)在飑线系统初生阶段,从飑线后部(北方)的团状对流系统的低层MCV(mesoscale convective vortex)中南下的冷空气与西南暖湿气流相遇激发强对流,促进飑线发展;随着飑线系统的发展和南移,团状强对流系统的低层MCV的气旋性环流对飑线的影响逐渐减弱,而飑线本身产生的低层冷池向外辐散的冷空气与环境场西南暖湿气流辐合成为飑线持续发展的主要动力。(2)本次飑线系统属于典型的后向新生型飑线,由4条处于不同发展阶段的对流线合并而成,对流线上对流单体的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果,既需要一定的对流抑制能量促进对流有效位能的累积,也需要一定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡管向垂直涡度的转化。     

华东地区强对流降水过程湿斜压涡度的诊断分析

湿斜压涡度(Moist Baroclinic Vorticity,MBV)、湿热力斜压涡度(Moist Thermodynamic Baroclinic Vorticity,MTBV)及湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)是能够完整表征涡度三维信息的物理量,其中MBV代表切变风对湿比容的平流输送作用,MTBV反映了垂直气压梯度、对流稳定度、风垂直切变与湿比容水平梯度之间的耦合效应。本文利用这些物理量对2009年8月17日发生在华东地区的一次强对流降水过程进行了诊断分析。该过程是在高空急流、中层浅槽和低空切变线的密切配合下产生的,共经历了"团状结构—带状结构—团状结构"三个发展阶段。诊断结果表明,MPV、MBV和MTBV的异常值区与降水落区有较好的对应关系;随着强对流降水的发展演变,MPV、MBV和MTBV都产生了相应的变化,MPV、MBV和MTBV对降水和对流系统有追踪指示意义。相对而言,在反映降水强度变化方面,MBV和MTBV比MPV更具优势。     

“碧利斯”暴雨增幅高分辨率数值模拟及诊断分析

利用中尺度非静力数值模式ARPS (Advanced Regional Prediction System),对2006年第4号强热带风暴“碧利斯”的登陆过程,尤其是登陆后的暴雨增幅过程开展了高分辨率数值模拟,并利用观测资料对模拟结果进行了验证,进一步基于该高分辨率模拟资料对该暴雨增幅过程开展了诊断分析.结果表明,ARPS模式较好地模拟再现了“碧利斯”的登陆过程以及登陆后在广东、江西、湖南三省交界处引发的暴雨增幅过程;散度垂直通量和湿位涡的大值区与暴雨增幅地区均有良好的对应关系,对强降水落区有较好指示意义,其中散度垂直通量的对应关系更好.湿位涡不仅很好地反映了与暴雨增幅相关的湿位涡分布,同时也很好地反映了“碧利斯”环流本身所对应的湿位涡分布特征.     

TRMM卫星的闪电观测资料在中尺度数值模式中的Nudging同化应用研究

在以往研究的基础上,本文提出一种利用TRMM卫星闪电观测资料改善中尺度数值模式水物质初始场的Nudging同化技术,这是把物理初始化方法与Nudging同化方法相结合的一种技术.根据TRMM卫星闪电观测水平分布,对水汽和云凝结物进行Nudging同化,对积云对流参数化方案进行调整,改变模式初始水汽和云凝结物场的含量,以...