大对流有效位能和条件不稳定下地形降水的三维理想数值研究

利用WRF(V3.01)中尺度数值模式,对具有大对流有效位能和条件不稳定层结下中小尺度地形对降水的影响进行了一系列三维理想数值试验,探讨了不同地形高度、尺度、形状(水平形态比)以及环境气流对降水模态和分布的影响.结果发现:在大对流有效位能(2875 J/kg)和条件不稳定(Nw≈0.01 s-1)下,地形重力波破碎触发...     

条件不稳定大气中二维小尺度双脊地形上空对流及降水特征

在条件不稳定大气条件下,二维小尺度双脊钟形地形上空对流触发、传播和降水分布特征主要决定于地形上游基流强度、双脊地形配置形式、地形高度及其山谷宽度。双脊地形在沿基流方向上有两种配置:高脊地形位于上游和低脊地形位于上游。对于高脊地形位于上游的双脊地形,上游高地形将起主导作用,山地上空对流及降水特征与单脊地形类似。对于低脊地形位于上游的双脊地形,上游低地形可明显地改变下游高地形的前方来流,同时,下游高地形也能够对上游低地形背风侧流动产生影响,从而导致出现地形上空复杂的对流传播、降水分布特征。对于低脊地形位于上游的双脊地形,其山谷宽度主要决定了双脊地形与单脊地形之间在对流、降水分布等的差异;当山谷宽度较小时,双脊地形可以近似为一个包络地形,此时地形上空的对流、降水特征与单脊地形类似;当山谷宽度较大时,双脊上空流动相互影响较小,此时双脊地形可以分成两个单脊地形;当山谷宽度在一定范围内,其上空的对流及其降水分布与单脊地形有明显差异。对于低脊地形位于上游、中等山谷宽度的双脊地形上空降水主要呈现4种类型:(1)山谷与低脊迎风坡降水;(2)高脊迎风坡降水;(3)低脊山峰与高脊迎风坡降水;(4)低脊背风侧、双脊山峰准静止降水。     

复杂山区上空垂直速度场和热力对流活动的理想数值模拟

利用英国气象局高分辨率的边界层数值模式BLASIUS,针对中国西北一个复杂山区进行了一系列的理想数值模拟,分析了在不同天气条件下山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响,同时讨论了与地形有关的对流触发机制.模式结果表明,复杂山区的垂直运动在稳定层结和风速较大的情况下较易预测,而在中性层结下,山区上空的垂直运动分布随机性强.在Froude数小于0.5的条件下,气流往往被山峰阻塞而在迎风坡造成地形强迫和辐合性抬升,从而易在迎风坡触发深对流活动;在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合而造成垂直运动.绕流的辐合是触发深对流活动的另一重要因子.在大风或Froude数较大的条件下,地形重力波容易在山地下游被激发.地形重力波与对流活动的相互影响在模式中清楚可见.在适当的条件下,重力波除了可以与对流活动相耦合从而使气团上升到更高的高度外,重力波的走向很可能会影响到深对流系统的传播路径.研究还发现稳定度对相邻两条对流线之间的距离长短也有影响.稳定度较小时,相邻两条对流线之间的平均宽度趋向变大而单个对流线的强度也相应变大.定量化的结论和理论升华值得进一步的数值模拟研究.     

从不稳定能量角度对条件不稳定相关问题的讨论

大多数深厚的局地对流是在条件不稳定的层结中发生的,这就有必要考虑较厚气层对由底部上升气块所可能产生的总影响。从能量角度讨论了条件不稳定问题中的不稳定能量和对流有效位能,并利用观测资料、结合实例分析了单站地面湿静力能与条件不稳定中不稳定能量的关系。主要结论如下:（1）从能量观点,对对流有效位能的两种定义进行了讨论,认为对流有效位能定义为正、负不稳定能量之差时,其与动能相联系的表达式中包含了低层抬升速度,可以更全面地用于强对流天气预报,尤其是中国南方暖季的强对流预报。（2）气块从底层上升时,无论经历的是干绝热还是湿绝热过程,湿静力能守恒,所以总能量的变化就是动能的变化,等于外界合力对气块做功的大小,不存在湿静力能向动能的转换。（3）从本质上来说,单站低层湿静力能的时序变化用于对流预报的意义在于预示着正、负不稳定能量的改变,从而影响不稳定能量的值。这可以弥补由于高空探测时间分辨率较粗,不能计算逐时正、负不稳定能量的不足。      

湿静力平衡温度及其在大气对流运动中的应用

提出了一个新的大气动力-热力学温湿参量——湿静力平衡温度（T_s）。它与密度温度（T_ρ）有密切关系。作为T_s的应用示例,简化了积云一维时变模式垂直运动方程;提出了“载水气块”和“非载水气块”统一的新的“对流有效位能”表达式。结合实例,计算了“载水气块”和“非载水气块”两种情况下的对流有效位能（分别记作CAPE_w和CAPE）以及对流抑制能量（分别记作CIN_w和CIN）等,“载水气块”与“非载水气块”两种情况的“对流有效位能”及“对流抑制能量”有较大差异。作为强对流天气分析预报的重要参数,目前计算对流有效位能和对流抑制能量的通用公式存在一定缺陷;在对“对流有效位能”的理解方面存在某些模糊认识和盲点。从新的观察角度对“对流有效位能”的概念做了详细分析并进一步阐明了其确切含义。新的方案同样可以方便地在T-lnp图上进行稳定度分析,并可根据新的公式对T-lnp的某些缺点进行修正。     

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981～2010年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定（CSI）与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南（4～6月）先北跳到江淮（5～7月）,再到华北（7～8月）的季节性进程,特别是7～8月强降水距平场具有“北多南少”分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞（4～6月）、然后移到江淮（5～7月）,最后到达华北（7～8月）。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925～600 hPa,而6～8月抬升到700～600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风（垂直风切变）作用对倾斜对流有效位能（SCAPE）的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项（CAPE）占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数（CMF index）可指示雨带强降水异常区。     

大地形上空地转基流中波动的传播和稳定性

研究表明,地形北坡上空东风基本气流中的重力惯性波最易出现不稳定发展,地形坡度大于１‰的地形南坡上空强西风气流中重力惯性波和地形罗斯贝波都是不稳定的。只有在西风气流中重力惯性波才会出现明显的相对基本气流的东、西传播现象。     

低层不稳定大气边界层中的地形阻力

采用两层大气模式,通过求解线性化大气动力学—热力学方程组,得到在上层稳定层结覆盖的不稳定大气边界层中,简单三维地形引起的地形波及其波动阻力的解析表达式。讨论了地形及大气条件对地形波及波动阻力的影响。结果表明:即使在大气低层为不稳定边界层时,三维地形引起的波动在大气动量平衡中仍可起明显作用。     

分层气流条件下地形降水的二维理想数值试验

利用WRF v3.5中尺度数值模式,在条件不稳定层结下,针对分层气流(基本气流风速和大气湿浮力频率呈二层均匀分布)过山时,地形对降水的影响进行了多组二维理想数值试验,以研究不同高度、尺度山脉和不同方向基本气流对降水形态和分布的影响。模拟结果表明,地形重力波触发对流是地形降水的主要机制之一,地形波的特征(波长、振幅)和传播均受到地形和基本气流的影响,其中,强基本气流流经高而陡峭的山脉时,更容易在其背风坡捕捉到重力波,地形降水呈现多种模态,反之亦然;当改变基本气流与山脉交角时,主要通过影响地形强迫抬升速度、基流对波动稳定性发展来进一步影响地形降水的强度和分布。     

川东北一次西北气流型强冰雹天气的成因分析

利用常规气象资料和NCEP／NCAR 1°×1° 6h再分析资料,从大气环流形势、物理量场等方面对2007年4月29日发生在川东北地区的一次强冰雹天气过程的成因进行了分析。结果表明：此次西北气流型冰雹天气是在低能量环境场条件下发生的;冰雹天气发生前12h内降雹区的对流有效位能激增、午后下垫面强烈加热对大气不稳定性增强的作用显著;大气层结对流不稳定、湿对称不稳定、充足的水汽以及干线（露点锋）的存在为此过程提供了有利条件。     

2003年4月江西一次强对流天气过程的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、TBB资料、探空资料及多普勒雷达资料等对2003年4月12日发生在江西以及福建北部的强对流天气过程进行了诊断分析。结果表明:此次强对流天气过程是在高空槽和低层低涡切变线的有利形势下产生的, 这种下层暖湿、上层干冷的对流不稳定层结非常有利于强对流天气的产生; 强对流天气发生发展伴有多个中尺度对流云团东移南压的演变过程; 多普勒雷达资料分析表明, 冰雹发生时可观测到79 dBz的反射率因子极值并伴有弓状回波; 对流有效位能积累、释放随时间的演变过程, 对于此次强对流天气过程有很好的指示意义; 强对流天气发生前高层的干冷空气倾斜状向下侵入到对流层中低层附近, 对此次强对流天气的发生发展起了非常重要的作用; 能量锋区及锋区上强的垂直涡柱为该次强对流天气过程提供了有利的热力和动力学条件。     

西北地区退耕还林对区域气候的影响

利用NCEP再分析资料对2009年3月20日夜至21日凌晨豫北强对流天气过程进行了分析,结果表明：①导致这次强对流天气发生的湿位涡场分布特征为,对流层低层MPV1〉0,同时MPV2〈0;强对流发生时,对流高层表现为MPV1〉0,同时MPV2〈0,即高低层均为异常的湿对流稳定区。②强对流的发生发展与湿位涡的时空演变有着很好的对应关系,对流层高低层湿位涡“正负区垂直叠加”的配置是强对流天气发展的有利形势。这次强对流天气发生在低层湿位涡正压项等值线密集的零线附近以及大于零的区域和湿位涡斜压项的负值区,同时高层为湿位涡正压项等值线密集正值区域和湿位涡斜压项的负值区。③中低层急流和地面东路冷空气入侵高温高湿不稳定区是形成这次强对流天气的主要原因,中尺度对流云团是造成此次强对流天气的直接影响系统,且强对流发生前,近地面存在逆温层。     

地形对热带大气超长尺度Rossby波动的影响

应用赤道β平面近似,建立一个简单的正压大气半地转浅水线性模式,在连续方程中引入地形的作用,讨论地形对热带大气超长尺度Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。结果分析表明,起伏不平的于形动力抬升作用导致热带大气超长尺度Ｒｏｓｓｂｙ波动不稳定并且影响波动的特性。     

北京地区两条线状对流相继下山发展的边界层条件对比研究

利用北京地区稠密的观测资料和变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)再分析资料,分析了2017年7月7日相继影响北京地区并造成短时强降水、大风、小冰雹等的两条线状对流活动。两条对流均生成于北京西北的河北张家口山区,且在山脚和平原地区继续发展,但其边界层条件是不同的,第二条对流带在第一条影响后的冷垫上发展。结果表明:平原及山脚一带较好的热力、动力条件,包括高温高湿的边界层环境、低层环境风场与对流带前侧冷池出流形成的辐合,为第一条对流带在下山过程中快速组织化发展形成飑线提供了有利条件。飑线发展强盛阶段,冷池的发展与环境低层垂直风切变达到平衡,冷池前沿自地面至1.5 km高度处形成强辐合区,上升运动呈近乎垂直的形态。第二条对流带在前一条飑线形成的冷垫上继续发展,形成暖季高架对流,虽然风暴上升运动呈倾斜状且强度有所减弱,但是强回波(≥45 dBz)面积未减。一方面,第二条对流带受前一条飑线能量方面的抑制;但另一方面,两条对流带在合适的距离下,低层流场形成辐合,尤其是在第二条对流带的冷池与前一条飑线形成的冷垫靠近叠加以后低层辐合进一步加强,第二条对流带回波继续北上。本例高架对流发展的能量来源主要为边界层以上层结不稳定的大气,可能伴随在第一条飑线过境后由偏南暖湿气流带来的边界层以上对流能量重建过程。所以,在强对流短时临近预报业务中,需要综合考虑热力、动力等多重因素,而VDRAS快速更新同化的再分析资料可以提供有效参考。     

冷涡背景下山东省“5·17”极端强对流天气环境条件分析

2020年5月17日,山东省出现大范围强对流天气(简称“5·17”强对流),冰雹范围之广为近10年之首。对流风暴高度组织化,区域性的超级单体群以及一条长度超过500 km的强飑线造成此次极端强对流天气。利用ERA5再分析、加密自动气象观测站、多普勒天气雷达等资料,剖析了此次极端强对流天气的环境条件。结果表明:冷涡位于最有利于山东出现强对流的关键区,大尺度天气系统强迫强,对流层中层异常强的冷空气南下影响前期异常增暖的山东地区,造成“5·17”极端强对流。天气系统的异常程度更能代表动热力强迫的强度,异常程度达到2σ以上有可能造成极端强对流天气。当冷涡南下过程中强度减弱,但异常程度增加时,其东南象限仍能产生极端强对流天气。强的深层垂直风切变有利于对流风暴组织化发展,飑线的长轴走向与0～6 km垂直风切变矢量方向相同,新单体发生、发展、合并的区域位于风矢量差大值中心前沿。低层暖湿平流源源不断地向山东输送暖湿空气,是CAPE重建的机制,是超级单体群和长飑线得以长时间维持的主要能量来源。     

一次冷涡背景下强对流不稳定条件的成因分析

利用常规观测资料及NCEP再分析资料,在分析环流背景、探空资料的基础上,通过选取不同的高度和温度,对比研究四种CAPE以及CAPE场与地面要素场的关系,对发生在辽宁沈阳的一次冷涡背景下的强对流天气进行不稳定条件成因分析.结果表明,水汽潜热是不稳定能量的主要组成部分,冷涡背景下低层暖湿平流、高层冷干平流有利于不稳定能量的累积,从而导致强对流天气的发生;对流温度CAPE可以反映午后发生强对流所必需的不稳定能量,对强对流天气预报具有一定指示意义.     

三维重力内波和对流云街的启动机制

在一个下部为弱不稳定层、上部为稳定层的二层模式中,求解线性化的大气动力—热力学方程组,表明一个孤立山丘所引发的重力内波,在向下游传播过程中与边界层中对流相互作用,形成大气低层的涡漩活动,其图象与观测到的对流云街结构相似。