中尺度扰动不稳定的数值研究

利用一个二维Boussinesq流体的绝热无粘非静力数值模式,将中尺度不稳定问题作为一个初值问题进行数值研究.线性情况下数值试验的结果基本与采用特征值方法研究得到的结论一致.非线性情况的数值试验表明,其不稳定发生的范围可与线性情况不一致;非线性不稳定的增长率一般较线性不稳定的增长率要小;非线性作用会造成波型的陡凸,从而造成流函数正负环流的不对称和环流流线的密集;非线性情形下的流型有些与强对流系统的流型相像.     

台风莫拉克登陆期间的中尺度波动特征分析

利用波作用理论对台风莫拉克登陆期间的降水进行诊断分析。结果表明:波作用密度异常能在一定程度上指示暴雨雨区发展移动,其异常值的空间分布能够反映雨区上空动力场和热力场的典型垂直结构特征。台风内中尺度波动与暴雨落区宏观上具有一定联系。为了详细研究台风内部的波动特征,利用WRF(Weather Research and Forecasting model)模式模拟的高分辨率资料对台风登陆过程中波动特征进行分析,低波数波动的传播主导强对流的非对称分布,2波在登陆初期对对流分布起着关键作用,中尺度波动中同时存在涡旋罗斯贝波以及重力惯性波的特征,对登陆期间涡旋混合的现象有重要作用。     

2018年陕西商洛一次罕见强雹暴环境条件及雷达特征分析

利用商洛天气雷达资料和相关实况资料,对2018年5月15日午后商南地区一次强雹暴天气的环境条件和雷达回波结构演变特征进行了详细分析。结果表明：（１）雹暴发生在低层气旋暖区,中层有冷温槽发展东移,高层有急流的背景下,0 ℃层高度为43 km,-20 ℃层高度为75 km。地面中尺度辐合线触发的对流云团在不稳定层结和较强垂直风切变作用下发展为超级单体风暴。（２）强雹暴的低层反射率因子呈现出明显的钩状回波或倒“Ｖ”型入流缺口,并伴有三体散射长钉等特征。回波顶高度达11 km左右,最大VIL值达77 kg/m2。反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区、回波悬垂和回波墙。最大的回波强度出现在沿着回波墙的一个竖直的狭长区域,中心值达到65 dBz以上。相应的中低层径向速度图存在明显辐合区,有利于强上升气流发展。（３）此次强雹暴天气在西北东部较为罕见,前人总结的冰雹各项潜势预报指标具有一定局限性,垂直液态积分水含量密度（VIL密度）跃增能更好地提前指示大冰雹。因而可用VIL密度值明显跃增至55 g/m3提前24 min预警大冰雹,进一步补充和完善陕西极端突发强天气预警指标。     

河北唐山一次飑线过程的中尺度天气分析

利用常规观测资料、自动气象站资料及雷达资料,对2013年8月4日影响唐山的一次飑线过程进行了中尺度分析。结果表明:500 hPa高空槽是产生这次飑线的主要影响系统,地面中尺度辐合线是这次过程的触发机制;对流层中层干冷空气入侵与低层暖湿气流的辐合增强了大气层结的不稳定;低层辐合、高层辐散进一步加强了垂直运动的发展;中低层垂直风切变则有利于飑线的发展、加强和维持。雷达回波图上可识别出中低空的中尺度辐合线、弓形回波、逆风区等中小尺度结构特征,对于此类强对流性天气的预报具有实际指示意义。     

新疆百里风区强风中尺度特征分析

大尺度环流背景和天山山脉大地形共同作用形成新疆百里风区,其风力之大居全疆九大风区之首。为进一步研究百里风区强风中尺度特征及其与局地地形的关系,选取2018年5月6—8日百里风区强风天气过程,使用WRF模式进行中尺度模拟分析,形成以下结论：天山两侧气压梯度力驱动下冷空气翻越天山,经色皮山口狭管效应和过山波水跃下沉接力加速,在背风坡上空形成强风区,强风区接地形成百里风区地面大风;大风过程中,七角井盆地地形强迫引发有限振幅重力波,背风坡上空大风区之上的临界层吸收上层能量并向下传递,增大了大风区的风速,使得低空大风区的接地更加充分。低空大气稳定层结的强度与大风强度相对应。     

圆形涡旋中心非对称扰动的斜压不稳定研究

涡旋中的非对称扰动又是一种较为常见的流体运动现象,如不成熟飓风中出现的中尺度深厚对流云区（又称圆形抽气云CEC）,热带风暴发展时的不对称性以及环流中心往往位于浓密云区的边缘等,都是涡旋中存在不对称扰动的表现形式。然而对于涡旋中非对称扰动的稳定性问题的研究,目前还比较少。文中从柱坐标下的斜压模式出发,研究了热带气旋等一类涡旋中心的非对称扰动的不稳定问题,结果表明：（1）与平直的基本流相比,涡旋中更容易出现斜压不稳定,扰动更容易发展;（2）不稳定可以使涡旋中的能量由基本场向扰动场转换,涡旋变得不对称。扰动是一种重力内波,其传播速度远小于基本流角速度,有些甚至逆基本流缓慢倒转;（3）在通常的稳定度参数条件下,发展扰动主要集中在高层,从结构上看,扰动的倾斜度大。当稳定度参数很小时,扰动可扩展到整个对流层,倾斜度较小;（4）高层反气旋也可以激发出不稳定内波,这种扰动在低层表现明显。当稳定度参数较小时,扰动发展较快,并且也以很小的速度倒转。     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组,讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时,其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说,对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子,并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播;（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说,在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时,此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波）,涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0）,此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中,涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

热带风暴\"菲特\"(0114)特大暴雨的诊断研究

海南岛破历史记录的两场特大暴雨都是由穿过琼州海峡的台风所造成,热带风暴\"菲特\"(Fitow)就是其中的一个.由红外卫星云图、雷达和常规地面加密观测资料发现,当\"菲特\"穿越琼州海峡时,在其西南侧的海南岛五指山西北侧有一个中尺度对流小涡系统(MCS)生成.特大暴雨就出现在MCS所在地区.作者用PSU/NCAR的中尺度模式对这场暴雨和MCS作了模拟研究,发现当\"菲特\"穿越琼州海峡时,其外围流场和五指山山脉的辐合极有利于MCS的生成.诊断分析的结果表明,山脉地形生成的MCS,具有很强的上层辐散,中低空有大范围辐合和强的正涡度场.在暴雨加强时,正涡度向中层伸展,高层辐散明显加强.同时, 暴雨区出现较强的垂直运动.上升运动大值区出现在对流层上层,这可能和上层辐散加强有关.这场暴雨的水汽来自南海北部,经由\"菲特\"东侧的西南气流卷入涡旋之中, 产生较强的水汽辐合.这也是潜热供应的源.诊断分析的结果还表明, MCS所在大气中下层出现了较强的位势不稳定层结,这对这场暴雨提供了对流加强和水汽向上输送的热力条件.     

中尺度对称不稳定在远距离台风暴雨中的诊断应用

用中尺度对称不稳定“Ｓ”判据对９７１１号远距离台风暴雨过程进行了诊断分析,结果表明;台风远距离雨区存在明显的对称不稳定降水。低层Ｓ〈０的区域作对称不稳定区,与后期台风远距离不有比较好的对应,可以作为远距离台风暴雨落区的一个指标。     

斜压大气中尺度横波扰动的发展

为探索带状中尺度扰动发生发展的可能性及其对深厚对流云团的启动和组织作用。本文利用准动量无辐散二维模式讨论了斜压切变基流上中尺度横波扰动的发展问题。首先导出波能密度和波作用量,然后利用ＷＫＢ方法分析了波包的传播,建立波作用量方程,进而从波作用量方程出发,分别讨论了大气中各种层结下横波型扰动发展的物理背景条件。     

Application of the Energy-Casimir Method to the Study of Mesoscale Disturbance Stability

Taking into account the effect of moisture, we derive a three-dimensional pseudoenergy wave-activity relation for moist atmosphere from the primitive zonal momentum and total energy equations in Cartesian coordinates by using the energy-Casimir method. In the derivation, a Casimir function is introduced, which is a single-wlue function of virtual potential temperature. Since the pseudoenergy wave-activity relation is constructed in the ageostrophic and nonhydrostatic dynamical framework, it may be applicable to diagnosing the stability of mesoscale disturbance systems in a steady-stratified atmosphere. The theoretical analysis shows that the wave-activity relation takes a nonconservative form in which the pseudoenergy wave-activity density is composed of perturbation kinetic energy, available potential energy, and buoyant energy. The local change of pseudoenergy wave-activity density depends on the combined effects of zonal basic flow shear, Coriolis force work and wave-activity source or sink as well as wave-activity flux divergence. The diagnosis shows that horizontal distribution and temporal trend of pseudoenergy wave-activity density are similar to those of the observed 6-h accumulated surface rainfall. This suggests that the pseudoenergy wave-activity density is capable of representing the dynamical and thermodynamic features of mesoscale precipitable systems in the mid-lower troposphere, so it is closely related to the observed surface rainfall. The calculation of the terms in the wave-activity relation reveals that the wave-activity flux divergence shares a similar temporal trend with the local change of pseudoenergy wave-activity density and the observed surface rainfall. Although the terms of zonal basic flow shear and Coriolis force contribute to the local change of pseudoenergy wave-activity density, the contribution from the wave-activity flux divergence is much more significant.     

Analysis of Pseudomomentum Wave-Activity Density in a Heavy Rainfall Event in East China

Taking into account moisture in virtue of general potential temperature,the author derive a three-dimensional(3D) pseudomomentum wave-activity relation for the moist atmosphere from the primitive equations in Cartesian coordinates using the Momentum-Casimir method.Since the wave-activity relation is constructed in an ageostrophic and non-hydrostatic dynamical framework,it may be applicable to diagnosing the evolution and propagation of mesoscale systems leading to heavy rainfall.The theoretical analysis shows that,besides the local change of wave-activity flux divergence and source or sink,the wave-activity relation includes two additional forcing terms.The first is the zonal gradient of difference between general potential temperature and potential temperature perturbations,and the second is the covariance of the solenoid and gradient of water vapor,denoting the direct influence of moisture on wave-activity density.The wave-activity density was applied to a heavy precipitation event occurring in the Jianghuai region of China.The calculation showed that the wave-activity density was consistent with 6-h accumulated precipitation observations,in terms of both spatial distribution and temporal tendency.This suggested that the disturbance represented by wave-activity density was closely related to the heavy precipitation.Although the wave-activity flux divergence and the covariance of the solenoid and gradient of water vapor made the primary contribution to the local change of wave-activity density,the covariance was more remarkable.The zonal gradient of difference between general potential temperature and potential temperature perturbations made a weaker contribution to the waveactivity density.     

DIAGNOSIS OF WAVE ACTIVITY OVER RAINBAND OF LANDFALL TYPHOON

A generalized wave-activity density, which is defined as an absolute value of production ofthree-dimensional vorticity vector perturbation and gradient of general potential temperature perturbation,is introduced and its wave-activity law is derived in Cartesian coordinates. Constructed in an agoestrophicand nonhydrostatic dynamical framework, the generalized wave-activity law may be applicable to diagnosemesoscale weather systems leading to heavy rainfall. The generalized wave-activity density andwave-activity flux divergence were calculated with the objective analysis data to investigate the characterof wave activity over heavy-rainfall regions. The primary dynamical processes responsible for disturbanceassociated with heavy rainfall were also analyzed. It was shown that the generalized wave-activity densitywas closely correlated to the observed 6-h accumulative rainfall. This indicated that the wave activity ordisturbance was evident over the frontal and landfall-typhoon heavy-rainfall regions in middle and lowertroposphere. For the landfall-typhoon rainband, the portion of generalized wave-activity flux divergence,denoting the interaction between the basic-state cyclonic circulation of landfall typhoon and mesoscalewaves, was the primary dynamic process responsible for the evolution of generalized wave-activity density.     

2009年7月广西一次暴雨过程的数值模拟和诊断分析

运用WRF模式对2009年7月发生在广西地区的一次暴雨过程进行了数值模拟,并利用模拟结果进行诊断分析。结果表明,模式能够合理地再现此次暴雨天气过程。在对流层中低层,水汽通量散度的负高值区、假相当位温广义波作用量密度和z-螺旋度的正高值区,与强降水落区都存在较好的对应关系;水汽通量散度负值中心大小及负值区向上伸展的高度、假相当位温广义波作用量密度的高值中心值,与降水强度之间存在一定的相关性;z-螺旋度的强度变化对降水强度的增大和减弱也具有较好的指示意义。     

2009年7月广西一次暴雨过程的数值模拟和诊断分析

运用WRF模式对2009年7月发生在广西地区的一次暴雨过程进行了数值模拟,并利用模拟结果进行诊断分析.结果表明,模式能够合理地再现此次暴雨天气过程.在对流层中低层,水汽通量散度的负高值区、假相当位温广义波作用量密度和z-螺旋度的正高值区,与强降水落区都存在较好的对应关系;水汽通量散度负值中心大小及负值区向上伸展的高度、...     

1981~2018年青海夏季极端降水时空演变及成因分析

采用青海省41个国家地面气象站6~8月逐日降水资料和ERA-Interim0.5°×0.5°逐月再分析资料,分析了1981~2018年青海夏季极端降水的时空变化特征及天气学成因。结果表明：8月和夏季极端降水频次均呈显著增加趋势,75%以上站次的最大日降水量、极端降水阈值和极端降水频次均呈增加趋势;极端降水频次与海拔高度之间、最大日降水量与500hPa比湿、500hPa位势高度、近地面温度之间均存在显著的正相关;以极端降水高发年8月的大气环流场为例,200hPa高空急流扩展到70°~100°E,100hPa高度正距平超过3.2hPa,高层冷高压发展异常偏强,500hPa青藏高原温度和高度距平异常偏高,上游区域扰动能量辐合强度达−1×10⁻⁶m/s²,高发年水汽异常增强,比湿最大正距平超过0.4g/kg,上升运动异常扰动和正涡度异常扰动强度均明显偏强,其特征有利于极端降水的产生。     

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。     

淮河流域夏季旱涝急转的低频环流成因

利用1960 2007年4—8月逐日降水资料挑选了淮河流域各分区旱涝急转事件,分析了旱涝急转夏季,逐日降水的低频振荡特征。结果表明,旱涝急转夏季逐日降水30 60 d周期振荡明显加强,流域大部分地区30—60 d低频振荡的方差贡献与夏季降水量呈正相关,低频方差贡献大(小)对应夏季降水量多(少),并且,相关显著区域位于流域南部。欧亚中高纬度高度场、经向风场的低频位相在少雨、多雨期呈相反纬向分布是造成旱涝急转的环流成因。通过对典型年份分析,给出了低频分布型的形成过程。在少雨期,北半球中高纬度扰动场为4—5波列,从东北大西洋经欧洲和贝加尔湖至东亚太平洋沿岸为\"+、-、+、-\",与低频位相分布一致。在多雨期,副极地波导从欧洲北部沿急流流向亚洲高纬度地区,并在鄂霍次克海形成强盛的正扰动中心,有利于鄂霍次克海阻塞形势的形成与维持。当中纬度中亚为负扰动中心,印度季风偏弱时,由于下游效应在日本海形成负扰动,导致副热带高压位置偏南。在低纬度孟加拉湾到中国南海对流层高层为负扰动时,中国南海对流活动偏弱。少雨、多雨期的欧亚中高纬度纬向低频环流型实际上反映了副极地、副热带急流罗斯贝波导结构及其传播的异常。