“快流形”湿斜压Ertel-Rossby不变量的导出及其在台风中的应用

位涡因在绝热无摩擦大气中具有守恒性而被当作一个较好的示踪物广泛的应用．然而位涡本身,对于大尺度“慢流形”更为有效．因此,需要寻找另外的守恒的不变量来描述速度和气压场等快速变化的强天气过程,比如增长期和成熟的热带气旋．本文将湿大气中的焓和熵引入绝对运动方程来消除气压梯度项,并利用Weber变换和Ertel形式的连续方程,推导了湿大气中的斜压Ertel—Rossby不变量,并证明了其守恒性．推得的湿斜压Ertel-Rossby不变量的表达式除了包含传统的位涡项,它还包括气压梯度、位能和动能梯度项等能反映“快流形”特征的因子,以及干Ertel—Rossby不变量所没有的湿度因子,因此能更完善地描述湿过程中强天气现象快速变化的动力学特征．通过个例分析,与湿位涡和干大气中的Ertel-Rossby不变量相比,这个守恒的不变量对于台风这类真实湿大气中快速变化的强天气过程是一个较好的诊断分析工具,能表征几个共存台风组成的多台风系统的移动和强度变化．湿Ertel-Rossby不变量在真实湿大气中有较为广泛的应用前景．     

高空急流的维持对我国南方暴雪的影响

利用欧洲中期预报中心再分析数据（ERA- Interim）分析了2014年2月9日、2015年12月5日、2016年1月20日和2018年1月24日高空急流扰动动能对暴雪的影响。在暴雪发生的过程中,通常伴有高空急流的存在。高空急流一方面维持自身的存在,另一方面其引起的垂直运动有利于暴雪的发展。垂直运动的上升支有两个方面的作用,一个是将低层暖湿空气输送到高层,为暴雪提供源源不断的水汽,另一个是将急流中的扰动动能向下输送到低层冷暖气流交汇区域,该区域也是水平风切变较大的区域,为该区域提供扰动动能,进一步促进暴雪的发生和发展。     

台风“凤凰”登陆过程的高分辨率数值模拟及其降水的诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号台风 “凤凰” 的登陆过程开展了高分辨率数值模拟, 模拟采用3重嵌套, 最高分辨率3 km, 共积分120小时 (5天)。利用收集到的常规和非常规观测资料与模式模拟结果进行了细致的对比验证分析。结果指出, 模式较好地模拟再现了 “凤凰” 台风的发展演变以及登陆过程, 模拟的台风路径与观测路径较为一致, 同时模式也较好地把握住了整个模拟时段当中, “凤凰” 台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征, 模拟取得了初步成功。进一步, 利用高分辨率的模拟资料对此次台风登陆过程开展了散度垂直通量|Q|的诊断分析, 结果表明, 在整个研究时段内, |Q|的异常值区始终覆盖在地面雨区之上, 二者的空间分布和时间演变趋势比较相似, 并且在雨区内|Q|表现为强信号, 而在非雨区|Q|表现为弱信号。这表明散度垂直通量能够描述暴雨过程中低层大气辐合和高层大气辐散的垂直动力结构, 对强降水落区有较好的指示作用。     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

北极涡年代际变化及其与我国春季降水的关系

基于NCEP/NCAR的500hPa再分析高度场资料计算出多年北半球及各分区的极涡面积和强度,利用线性倾向估计、小波分析及二项式滑动平均分析极涡及我国春季降水的年代际变化特征,并采用奇异值分解讨论同期及前期极涡对我国春季降水的影响。各季节极涡面积及强度均存在显著的年代际变化,在20世纪70年代中期之前有上升趋势,而后出现下降的趋势;但极涡面积总体上有显著的线性变小趋势。在60年代中前期极涡位置偏向亚欧大陆,在90年代中后期极涡位置有偏向太平洋和大西洋一带趋势。我国160站平均春季降水量经历较明显的3次上升过程和4次下降过程;华南、西南地区春季降水趋势与长江流域、黄河流域呈现两种相反的分布型;在20世纪60年代中前期、90年代初及末期,长江流域、黄河流域春季降水量偏多,而在80年代末期、90年代中期及本世纪初,华南、西南地区出现偏多。在春季,若II区(150°E～120°W)极涡面积异常大,I区(60～150°E)、III区(120～30°W)极涡强度异常弱,长江、黄河之间中游地区的降水出现负距平,广东、福建沿海降水出现正距平。前期冬季极涡比夏、秋季极涡对我国春季降水的影响更明显,特别是前冬北美区、大西洋欧洲区极涡面积的影响。     

TERRAIN IMPACT ON THE PRECIPITATION OF LANDFALLING TYPHOON TALIM

The impact of terrains on the precipitation of landfalling typhoon Talim (2005) over mainland China is investigated using the fifth-generation Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model. The simulated precipitation of simulated typhoon (the control) matches the observations closely. To compare with the control simulation, four sensitivity simulations were carried out in which terrains of Wuyi Mountain, Lushan, Dabieshan, and both Lushan and Dabieshan are completely removed respectively, but other surface properties were retained. It is found that the complex terrains of Wuyi Mountain, Lushan and Dabieshan have a significant impact on the rainfall intensity and distribution of Talim. As the terrains are removed, the rainfall is decreased very greatly and the rainfall in inland area is decreased much more than that in the coastal area. Besides, the rainfall distribution near the Lushan and Dabieshan is spread much more westward compared with the control simulation. Further analysis shows that the Wuyi Mountain would increase both the lower level air convergence and the upper level air divergence for Talim that just made landfall and thus it would contribute to the convection and increase rainfall intensity. It can be concluded that the terrains of Wuyi Mountain, Lushan and Dabieshan have obvious impacts on the Talim rainfall, and their impacts are different in various landfalling periods. The present study is a useful attempt to explore the influence of orography on the TCs in mainland China.     

A modeling study of diurnal rainfall variations during the 21-day period of TOGA COARE

The surface rainfall processes and diurnal variations associated with tropical oceanic convection are examined by analyzing a surface rainfall equation and thermal budget based on hourly zonal-mean data from a series of two-dimensional cloud-resolving simulations. The model is integrated for 21 days with imposed large-scale vertical velocity, zonal wind, and horizontal advection obtained from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment (TOGA COARE) in the control experiment. Diurnal analysis shows that the infrared radiative cooling after sunset, as well as the advective cooling associated with imposed large-scale ascending motion, destabilize the atmosphere and release convective available potential energy to energize nocturnal convective development. Substantial local atmospheric drying is associated with the nocturnal rainfall peak in early morning, which is a result of the large condensation and deposition rates in the vapor budget. Sensitivity experiments show that diurnal variations of radiation and large-scale forcing can produce a nocturnal rainfall peak through infrared and advective cooling, respectively.     

Total deformation and its role in heavy precipitation events associated with deformation-dominant flow patterns

In this paper, it is elucidated that the total deformation （TD）, defined as the square root of the sum of squared stretching deformation and squared shearing deformation, is an invariant independent of the coordinate system used. An idealized flow field is then constructed to demonstrate the confluence effect of a non-divergent and irrotational deformation field on moisture transport. To explore the characteristics and role of TD, one heavy rainfall case that occurred in the middle and lower reaches of the Yangtze River （MRYR） over China, associated with a front with shear line, is analyzed using the Weather Research and Forecasting （WRF） model output data. It is found that right before the occurrence of precipitation, the effect of the confluence induced by deformation on moisture transport provides a favorable condition for precipitation. During the precipitation, both location and orientation of the zone of large TD coincide with the confluent shear line. The rainhands are nearly parallel with, and located lightly to the south of the zones of large TD and the confluent shear line. The TD in the lower troposphere increases in value as precipitation persists. When TD approaches its maximal value, the next 6-hour precipitation reaches its peak correspondingly. A tendency equation for TD is derived. The analysis of linear correlation and RMS difference between individual terms in the total deformation equation and the sum of the terms shows that the pressure gradient plays a major role in determining the local change of total deformation.     

平均流变化对波反馈的A-B混合方程理论及应用

从两层模式的基本方程出发,推导了描述平均流对波振幅反馈的A-B混合方程,并通过适当变换把混合方程转化为洛仑兹系统,用于研究平均流对边缘波扰动振幅增长的反馈机制,以及在中性廓线附近边缘波的稳定性问题。这是对研究波流相互作用的E-P通量理论的一个重要扩充。同时,作者还指出了A-B混合方程理论在研究大气中的波流相互作用及对流方面有相当应用前景。