一次东北冷涡过程的数值模拟与降水分析

本文利用WRF模式对2007年7月8日至12日的东北冷涡过程进行模拟。通过分析天气尺度背景场可知, 在对流层中高层出现干侵入过程, 干空气主要来源于我国内蒙古西部和东北冷涡的西北部, 随着东北冷涡一起呈涡旋状运动, 在对流层中层的干侵入更加明显; 东北冷涡的东部为水汽通量辐合区, 说明此处水汽丰沛, 该处的暖湿空气与干冷空气相汇, 有利于降水的生成。通过分析中尺度对流系统的地面和对流层中下层的风场结构可知, 中尺度对流系统易发生在东北冷涡东南侧和东北侧的气旋性曲率最大处, 此处的对流层低层易形成强辐合区, 而风场的水平辐合运动激发出垂直上升运动, 在对流不稳定区配合着强上升运动, 有利于对流系统发展而产生降水, 因此在低压系统东南侧及东北侧的 “气旋曲度” 区易形成降水。从对流涡度矢量的垂直分量可知, 在东北冷涡中的东南侧和东北侧, 对流涡度矢量的垂直分量对于中尺度系统的发生位置和降水区域有很好的指示作用。     

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。     

河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

LAPS分析场在一次强对流天气过程尺度分析中的应用

利用LAPS（local analysis and prediction system）同化系统融合多种观测资料,对2010年8月25日发生在上海的一次强对流天气过程进行中尺度分析。结果表明,这次强对流天气主要是由中、低空中尺度辐合系统直接触发形成的。强对流形成阶段,地面有分散辐合形成并逐渐加强,成为触发中尺度垂直环流的主要机制,垂直结构上出现低层辐合高层辐散的有利配置,风暴中心附近出现明显的上升气流区,中高层相对湿度显著增加。成熟阶段,强对流云体中心附近的对流层底层开始出现下沉气流,上升气流在其拖曳作用下明显倾斜。衰减阶段,下沉气流加强使中尺度环流动力结构和水汽供应受到破坏,垂直结构上转为底层辐散高层辐合。因此,与天气尺度分析相比,基于LAPS的中尺度分析能更深刻地揭示中小尺度系统的三维结构和时空演变特征。     

强垂直风切变环境下对流单体对飓风强度的影响

利用高分辨率模式输出资料,诊断分析强垂直风切变环境下飓风Bonnie(1998)中风暴相对螺旋度的分布特征,再现了Molinari等(2008)利用下投式探空仪获得的该飓风内部风暴相对螺旋度的离散观测结果。通过对比不同垂直风切变环境下,不同区域风暴的相对螺旋度、对流有效位能及风速的水平分布,揭示出与高值风暴相对螺旋度相联系的强对流单体的分布与环境垂直风切变的密切联系。基于风暴相对螺旋度和对流有效位能的配置分析,研究强环境垂直风切变时段,眼壁附近的深厚涡旋对流以及螺旋雨带中的小型对流单体的三维结构和演变特征。分析表明,环境垂直风切变较强时,在眼壁附近的顺切变区存在典型的深厚涡旋对流系统,这类深厚涡旋系统能够激发二级垂直环流,有利于旋转上升运动的维持,并在近眼心区域引发补偿性的干暖下沉气流,有助于飓风暖心的维持和加强;同时,螺旋雨带中也存在以涡度为特征的小型对流单体,这些对流单体随着平流不断移入飓风中心,使得飓风中心垂直涡度增加,最终导致飓风强度的增强。      

中国台风特大暴雨综述

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。

     

0308号强热带风暴天鹅路径和降水分析

详细分析了0308号热带气旋天鹅在南海中部加强为强热带风暴后云系的演变以及对路径和降水产生的影响，结果表明：强对流云团的“吸附”作用是天鹅登陆后路径南折的主要原因；垂直速度场对热带气旋路径短期偏折方向有较好的预报指示意义，热带气旋有向强上升运动区偏折的趋势；中尺度暴雨出现在强对流云团中小涡旋的螺旋云带上或云顶亮温的梯度密集区与地面风向辐合区重叠处。     

2009年“8·17”鲁南低涡暖式切变线极强降水分析

利用各种观测资料及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2009 年8 月17—18 日鲁南极强降水进行多尺度分析。结果表明: 强降水由500 hPa 西风槽、850 hPa 暖式切变线和地面倒槽共同影响产生。强降水发生前,中低层湿层深厚且有弱的水汽辐合,大气对流不稳定,并有较高对流不稳定能量。低层暖式切变线辐合、暖平流以及中高层正涡度平流、侧向辐合和倾斜涡度发展,使垂直涡度增大、上升运动发展;低层东南气流与高空槽配合产生次级环流,其上升支使上升运动增强,触发对流不稳定能量释放并产生强对流,造成强降水。强降水期间,中高层弱冷空气侵入使对流加强和降水强度加大。中尺度对流云团产生在地面低压倒槽东部和中尺度辐合线附近,地面加热和冷却不均匀导致低压倒槽中小尺度温度梯度加大,极端强降水中心出现在小尺度温度梯度区。强降水由长条形中尺度对流系统及其北端发展的圆形中尺度对流云团产生;中尺度对流系统(云团)自西向东缓慢移动,在回波强度图上表现为气旋性向北汇合的带状强回波。     

Buoyancy of convective-scale updrafts in the outer cores of sheared tropical cyclones

通常认为局地浮力与对流活动息息相关。本文统计分析了不同强度垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动的浮力特征。研究发现,弱至中等强度的垂直风切变环境下,顺切变象限的浮力大于逆切变象限的浮力,顺切变象限的总浮力随风切变的增大而减小。而在极端强度的风切变影响下,大部分总浮力为负值。热力浮力、动力浮力与上升运动垂直质量输送没有明显相关性,因此总浮力和垂直质量输送也无显著相关性。上述结果加深了我们对热带气旋外核区对流发生发展过程的物理认识。     

一次槽前干对流天气过程动力诊断分析

对2015年8月23日发生在陕西关中的一次槽前干对流天气进行了动力诊断分析,结果表明：本次强对流天气过程虽然发生在槽前,但垂直环境配置为中层相对干冷,低层相对暖湿,属于槽前干对流。850 hPa的切变线后反气旋环流中存在的中小尺度切变,为强对流天气提供了初始扰动并诱发了次级环流的形成,地面辐合线触发了强对流天气的发生;中层干侵入和强的垂直风切变增强了大气垂直不稳定程度;关中东部强对流天气落区主要出现在散度通量大值区的中心附近、水汽波作用密度垂直积分大值中心及其后部梯度最大的区域内。     

准平衡和非平衡流对台风百合（2001）内中尺度深厚湿对流的影响

利用台风百合(2001)的高分辨率模式资料, 应用PV－ω反演方法, 在分析台风准平衡和非平衡垂直环流基本特征的基础上, 诊断研究了热力和动力强迫对台风深厚湿对流结构的影响, 结果指出: 准平衡流能够描述台风中具有较长生命史过程的中尺度对流系统的环流结构, 中层大振幅垂直运动主要由准平衡ω方程中凝结潜热释放的热力强迫所决定; 台风低层由动力辐合强迫产生的弱对流, 对眼墙区深厚湿对流的形成起到触发作用; 而高层动力强迫产生的下沉运动则削弱了凝结潜热项的影响, 抑制了垂直运动向高层伸展。非平衡垂直环流结构上呈现的短波振荡和快时间尺度调整的时空分布特征表明, 它是与重力快波频散过程相联系的非定常环流。分析台风中深厚湿对流形成的物理模型可知, 准平衡动力强迫引起的低层弱对流达到一定振幅, 则会引起中层水汽相变引起的凝结潜热反馈, 使得准平衡和非平衡流叠加形成了眼墙区上升运动的大值中心, 加上非平衡垂直环流对动量和热量起到的补偿和调整作用, 构成了台风内中尺度深厚湿对流的组织化过程。     

The Roles of Barotropic Instability and the Beta Effect in the Eyewall Evolution of Tropical Cyclones

Diabatic heating by convection in the eyewall often produces an annular region of high potential vorticity(PV) around the relatively low PV eye in a strong tropical cyclone(TC). Such a PV ring is barotropically unstable and can encourage the exponential growth of PV waves. In this study, such instability and the subsequent nonlinear evolution of three TC-like vortices having PV rings with different degrees of hollowness on an f-plane are first examined using an unforced, inviscid shallow-water-e...     

Simulation of Extreme Updrafts in the Tropical Cyclone Eyewall

Strong vertical motion(>10 m s^-1) has profound implications for tropical cyclone(TC) structure changes and intensity. While extreme updrafts in the TC are occasionally observed in real TCs, the associated small-scale features remain unclear. Based on an analysis of the extreme eyewall updrafts in two numerical experiments conducted with the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting(WRF) model, in which the large-eddy simulation(LES) technique was used with t...     

Finescale Spiral Rainbands Modeled in a High-Resolution Simulation of Typhoon Rananim （2004）

Finescale spiral rainbands associated with Typhoon Rananim(2004)with the band length ranging from 10 to nearly 100 km and band width varying from 5 to 15 km are simulated using the Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model(MM5).The finescale rainbands have two types:one intersecting the eyewall and causing damaging wind streaks,and the other distributed azimuthally along the inner edge of the eyewall with a relatively short lifetime.The formation of the high-velocity wind streaks results from the interaction of the azimuthal flow with the banded vertical vorticity structure triggered by tilting of the horizontal vorticity.The vertical advection of azimuthal momentum also leads to acceleration of tangential flow at a relatively high altitude.The evolution and structures of the bands are also examined in this study. Further investigation suggests that the boundary inflection points are related tightly to the development of the finescale rainbands,consistent with previous findings using simple symmetric models.In particular,the presence of the level of inflow reversal in the boundary layer is a crucial factor controlling the formation of these bands.The near-surface wavy peaks of vertical vorticity always follow the inflection points in radial flow.The mesoscale vortices and associated convective updrafts in the eyewall are considered to strengthen the activity of finescale bands,and the updrafts can trigger the formation of the bands as they reside in the environment with inflow reversal in the boundary layer.     

海温及海浪对台风眼墙中尺度涡的影响

本文利用包括海气耦合、气浪耦合及浪流耦合的完全耦合系统,着重研究了2006年“格美”(Kaemi)台风眼墙内的中尺度涡结构。中尺度涡作为影响台风眼墙非对称结构的内部因子,与风垂直切变密切相关,其发展过程受台风下垫面海洋状况的影响。在顺切变右侧,垂直气流逐渐增强,在顺切变左侧达到最大后逐渐减弱。当不考虑海表温度的冷涌反馈作用时,海气间的热通量输送较大,由此引起眼墙内的中尺度对流加强,但集中爆发区仍然位于顺切变方向,不受热通量输送变化的影响。当不考虑海浪对海表粗糙度的影响时,在较小的海表粗糙度条件下,眼墙非对称性减弱,使得中尺度对流涡在切向方向上的分布较为均匀。     

Effect of Baroclinicity on Vortex Axisymmetrization.Part Ⅱ：Baroclinic Basic Vortex

The effect of baroclinicity on vortex axisymmetrization is examined within a two-layer dynamical model.Three basic state vortices are constructed with varying degrees of baroclinicity：（i） barotropic,（ii） weak baroclinic,and （iii） strong baroclinic.The linear and nonlinear evolution of wavenumber-2 baroclinic disturbances are examined in each of the three basic state vortices.The results show that the radial propagating speed of the vortex Rossby wave at the lower level is larger with the stronger baroclinicity,resulting in a faster linear axisymmetrization process in the stronger baroclinic vortex.It is found that the nonlinear axisymmetrization process takes the longest time in the strongest baroclinic vortex among the three different basic vortices due to the weaker kinetic energy transfer from asymmetric to symmetric circulations at the lower level.A major finding in this study is that the same initial asymmetric perturbation can have different effects on symmetric vortices depending on the initial vortex baroclinicity.In numerical weather prediction models,this implies that there exists a sensitivity of the subsequent structural and intensity change solely due to the specification of the initial vertical shear of the tropical cyclone vortex.     

大涡模式垂直分辨率在夹卷及示踪物垂直传输模拟结果分析中的作用

基于敦煌野外观测资料和大涡模式,研究了垂直方向不同尺度湍涡对夹卷及示踪物垂直传输的影响,明确了模式垂直分辨率在模拟结果分析中的作用。结果表明:垂直方向上小尺度湍涡对夹卷作用贡献更大,小尺度湍涡较多时夹卷层相对更暖,而夹卷层厚度、夹卷强度和风速变化受垂直方向湍涡尺度影响较小。当垂直分辨率为50 m时,越往夹卷层上部,上升气流和下沉气流分布较多且强度较大;分辨率为10、20和30 m时,夹卷层各高度垂直速度、位温和示踪物浓度分布较接近。另外,垂直方向湍涡尺度对示踪物垂直传输高度影响不大,而对示踪物的空间分布有一定作用。当大尺度湍涡较多且强度较强时,越有利于将高浓度的示踪物向上传输。综合考虑到模式采用较高分辨率模拟时产生的噪音及计算时间等问题,认为模式采用30 m的垂直分辨率,既能较好地模拟出夹卷层平均结构特征,又能模拟出夹卷层湍流的精细分布,是较为理想的选择。     

An Investigation into Effect of Randomly Distributed Small Scale Vortices on Vortex Self-Organization

Previous studies concerning the interaction of dual vortices have been made generally in the determin-istic framework. In this paper, by using an advection equation model, eight numerical experiments whose integration times are 30 h are performed in order to analyze the interaction of dual vortices and the vortex self-organization in a coexisting system of deterministic and stochastic components. The stochastic compo-nents are introduced into the model by the way that the Iwayama scheme is used to produce the randomly distributed small-scale vortices which are then added into the initial field. The different intensity of the small-scale vortices is described by parameter K being 0.0, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0, respectively. When there is no small-scale vortex (K=0.0), two initially separated meso-beta vortices rotate counterclockwise mutu-ally, and their quasi-final flow pattern is still two separated vortices; after initially incorporating small-scale vortices (K=0.8, 1.0), the two separated meso-beta vortices of initially same intensity gradually evolve into a major and a secondary vortex in time integration. The major vortex pulls the secondary one, which gradually evolves into the spiral band of the major vortex. The quasi-final flow pattern is a self-organized vortex with typhoon-like circulation, and the relative vorticity at its center increases with increasing in K value, suggesting that small-scale vortices feed the self-organized vortex with vorticity. This may be a pos-sible mechanism responsible for changes in the strength of the self-organized vortex. Results also show that the quasi-final pattern not only relates with the initial intensity of the small-scale vortices, but also with their initial distribution. In addition, three experiments are also performed in the case of various boundary conditions. Firstly, the periodic condition is used on the E-W boundary, but the fixed condition on the S-N boundary; secondly, the fixed condition is set on all the boundaries; and thirdly, the periodic condition is chosen on all the boundaries. Their quasi-final flow patterns in the three experiments are the same with each other, exhibiting a larger scale typhoon-like circulation. Based on these results mentioned above, authors think that the transition of vortex self-organization study from the deterministic system to the coexisting system of deterministic and stochastic components is worth exploring.     

Azimuthal Variations of the Convective-scale Structure in a Simulated Tropical Cyclone Principal Rainband

Previous numerical simulations have focused mainly on the mesoscale structure of the principal rainband in tropical cyclones with a relatively coarse model resolution. In this study, the principal rainband was simulated in a semi-idealized experiment at a horizontal grid spacing of 1/9 km and its convective-scale structure was examined by comparing the convective elements of the simulated principal rainband with previous observational studies. It is found that the convective scale structure of t...     

次千米至次百米高分辨率模拟的热带气旋眼墙低层极端上升运动特征分析

观测发现热带气旋(TC)眼墙附近低层(3 km以下)存在着强烈的上升运动,严重威胁低空观测飞机的安全,由于对实际TC观测的样本非常有限,目前对极端上升运动(大于10 m/s)的了解不多。通过三个水平分辨率自次千米(333 m)至次百米(37 m)大涡数值试验模拟眼墙附近低层上升运动的分布特征。结果表明,TC眼墙附近的最强上升运动主要分布在眼墙处最大风速半径(RMW)内侧,并且主要出现在台风眼墙强对流的一侧。对比不同试验发现,在大涡试验中,随着模式水平分辨率的提高,模式可以模拟出更强的上升运动,且极端上升运动最大频数的分布高度随着水平分辨率的提高而降低。研究表明,与现有观测结果比较,当大涡试验水平分辨率到达111 m时,可以模拟出与实际观测比较相似的极端上升运动空间分布和强度。