正压大气动能梯度与地转偏差的关系及其对暴雨的诊断

本文从正压大气原始方程组出发,分析了不同尺度天气系统中动能梯度与地转偏差之间的关系。结果表明:在天气尺度和α中尺度运动中,动能梯度的模与地转偏差的模大致成正比。对天气尺度该比例系数为地转参数,且与运动本身无关。对较小尺度天气系统,该比例系数与运动本身密切相关。在β中尺度运动中,动能梯度的模小于等于两项之和,两项中的第一项与地转偏差的模成比例,第二项则是地转偏差时间导数的模。在动能梯度的高值区,运动的非平衡性和暴发性强。本文还以上海"08.8.25"暴雨过程为例,对500 hPa上的动能梯度做了诊断,发现动能梯度大值区与强降水的分布有很好的对应关系,并与以上理论分析相一致,这对暴雨等灾害性天气预报具有应用价值。     

动能EOF分析和β中尺度雨团中的能量转换

本文针对2008年上海8月25日暴雨过程,利用WRF中尺度数值模式对其较好模拟的结果,应用EOF分析方法对其做了动能偏差场的统计动力诊断。探讨了该暴雨过程中各种尺度天气系统,特别是β中尺度雨 团,其有效位能向动能的转化机制。所得主要结论有:对该暴雨过程,动能偏差场EOF分析的第一、二、三模态可分别称为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。在该暴雨落区附近,低层各模态动能偏差场水平梯度的绝对值均较大,系统演变也较剧烈,且尤以暴雨雨团模态为甚;这表明低层暴雨雨团模态该处风场具有强烈的非地转性,有着强辐合,运动是非平衡的,其性质为重力惯性波(含涡旋—重力惯性混合波)。在某等压面上,有效位能的时间变化与位势偏差的时间变化相同,而前者的水平梯度则与后者的空间梯度大致相同,这样讨论某层前者的变化就归结于讨论该层后者的变化。暴雨来临前在该暴雨落区附近,前三个模态都有有效位能向动能的 转化,其表现为动能的增长和有效位能的下降,且以暴雨雨团模态表现更突出。暴雨雨团模态的尺度为β中尺 度,这表明该尺度的系统在有效位能向动能转换中起着关键作用,且扮演着有效位能与涡旋场动能之间转换的中介角色。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究I.理论分析

本文是讨论梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用问题的开始部分。为了分析梅雨锋暴雨过程中的多尺度能量相互作用,从z坐标系中的运动方程和热力学方程出发,把基本物理量分成大尺度背景场（>2000 km）、α中尺度（200~2000 km）和β中小尺度系统（< 200 km）分量,利用滞弹性近似,推导了大尺度背景场、α中尺度和β中小尺度系统三个尺度的动能方程和位能方程。能量方程中包含了各尺度动能之间的转换、位能之间的转换以及动能和位能之间的转换。动能方程主要包括各尺度动能之间转换项、动能输送项、水平气压梯度力做功项、垂直方向扰动气压梯度力做功项、浮力做功项、地转偏向力分量做功项以及摩擦力做功项。位能方程主要包括各尺度位能之间转换项、位能输送项、浮力做功项以及非绝热加热做功项。其中浮力做功项为位能和动能之间的能量转换项,是暴雨发生发展过程中比较关键的能量转换项。关于将能量方程用于梅雨锋暴雨过程中并且诊断能量相互作用影响暴雨发展和消亡过程的物理机制等问题,将在以后的研究中给出。     

登陆台风动能平衡和转换的诊断

对一次登陆台风及其外围暴雨和环境的动能平衡以及天气尺度动能与中尺度扰动动能的转换进行了诊断分析，指出摩擦消耗和动能的水平输出是台风的主要能汇。台风消亡期间，外围暴雨区动能增大，动能制造项Ｇｋ是暴雨区的主要能源。Ｇｋ的增大可能与天气尺度动能转换成中尺度扰动引起暴雨的发展相联系。     

EOF分析用于β中尺度暴雨系统的探索

本文将2008年上海“8.25”暴雨过程的WRF中尺度数值模式模拟结果作为实况资料集,应用EOF（Empirical Orthogonal Function）方法对该资料集进行诊断,以探讨将该方法应用于暴雨β中尺度系统的可行性。主要结论有:当数值模式输出足够稠密、精细的样本,能够较好反映实况时,利用EOF方法对天气尺度和α、β中尺度系统的天气过程进行诊断是可行的。对本文的暴雨过程,EOF分解位势偏差场的前三个模态分别反映了α中尺度中端、低端和β中尺度天气系统的演变特征,分别对应于波长和振荡频率不同的驻波波列。其可分别称之为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。各波列物理性质不同,分别属于准地转的Rossby波、准平衡的涡旋波和非平衡的重力惯性波。天气系统EOF分解的物理本质为:可将一个变形和移动的天气系统分解为若干个具有不同物理性质且时空尺度不同相互独立的模态（驻波波列）。这有助于明确和深化对天气系统的认识。EOF分解能够进行天气系统的尺度分离,且分离后得到的各种尺度的天气系统是独立和有特定物理意义的,这更体现了该尺度分离方法的优点。本文中当EOF分解后各波列（模态）在某地时空指数发生三波锁相,且该地的位势表现为低空为负、高空为正,同时低层位势急剧降低时,则有可能在此处发生暴雨。     

Q矢量和湿Q矢量在暴雨诊断中的应用比较

利用常规探空和地面实测资料，以发生在2001年7月26—27日山西省晋中市的一次区域性暴雨为例，对准地转Q矢量和非地转湿Q矢量在暴雨诊断中的应用进行了定量对比分析，结果表明：（1）Q矢量对暴雨的预报有一定的指示作用，降水前期700hPa诊断效果最好，但在暴雨的强度和落区上存在明显偏差。而湿Q矢量在各层对暴雨均表现出良好的诊断特性，其散度辐合区与暴雨区有较好的对应关系，其强锋生出现6小时后开始产生强降水，且暴雨区与强锋生中心基本吻合，700hPa表现尤为突出。（2）Q矢量锋生函数分布表现出典型的准地转特征，而湿Q矢量锋生函数分布则具有明显的中尺度特征，因此，Q矢量适宜于研究与天气尺度系统相关的大气运动，而湿Q矢量更适宜于研究天气尺度系统激发的次级环流。湿Q矢量较准地转Q矢量更能反映出暴雨的落区和暴雨的中尺度特性，在反映暴雨的强度上也更具优越性。     

“96.8”暴雨过程的尺度分离动能方程的诊断

用尺度分离的动能平衡方程,对1996年8月3～5日华北地区台风暴雨过程雨区内的动能制造和转换进行诊断。结果表明:动能在暴雨发展过程逐渐减小,动能转换项也是逐渐减小的。暴雨发生前,尺度相互作用制造项GKMS起最重要的作用,大尺度动能制造项次之,中尺度动能制造项消耗少量的动能;暴雨发生时,尺度相互作用和天气尺度运动仍制造动能,只是比发生前明显减少,中尺度运动由消耗动能转变为制造动能,动能转换主要来源于低层且数值明显减少;暴雨发生后,动能制造项数值仍为正,此时天气尺度动能制造最重要,但数值比前两阶段小,动能的转换主要出现于高层。可见,此次暴雨过程总动能的制造项一直为正,主要出现于高层,只是其制造量逐渐减小;动能转换是从低层向高层进行的,水平转换项起主要作用,是一种尺度减小的动能转换过程。     

一次东北冷涡背景下MCS过程多尺度能量相互作用研究

采用WRF模式对东北冷涡背景下MCS过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为3个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究MCS发展过程,多尺度系统能量相互转化,以及动能与降水的联系。研究表明:在此次过程中各尺度之间都有位能向动能的大量转化,为系统发展提供能量。在对流单体发展到M CS成形前,中低层天气尺度动能减少,天气尺度动能向β中小尺度动能转换,促进对流单体的发展;高层天气尺度动能增强,对应高空急流增强,促进对流系统发展;β中小尺度系统在中层对α中尺度系统有动能输送,促进MCS形成。在MCS形成和发展阶段,各尺度位能向α中尺度和β中小尺度动能转化达到最大。在MCS减弱阶段,天气尺度系统和α中尺度系统在中高层对β中小尺度系统有一定的抑制作用,使β中小尺度系统发展减弱。此次过程中β中小尺度系统是降水的直接成因,动能变化的正值中心对应大的降水中心。     

一次梅雨暴雨的动能谱特征分析及收支诊断

利用WRF模式和NCEP再分析资料,对一次梅雨暴雨个例进行了数值模拟,基于高分辨率的模拟结果计算了水平动能谱、涡旋动能谱及辐散动能谱,诊断了动能收支谱方程。结果表明:在暴雨发展阶段,各个高度上都有中尺度动能增长,其显著增加始于中尺度低端,这导致了在中尺度波段出现谱转折特征,但在不同高度转折尺度不同;对流层高层涡旋动能大于辐散动能,平流层低层反之;不同降水阶段、不同高度和不同尺度上动能的来源不同,对流层高层,中尺度动能倾向由非线性项和气压项贡献;平流层低层,气压项的作用更为明显。     

盛夏暴雨过程中尺度动能收支分析

利用尺度分离方法将大气运动分离成天气尺度和中尺度运动两部分，给出了中尺试动能平衡方程。在此基础上，对盛夏发生在我国北方的一次大暴雨过程进行了动能收支分析。分析表明：暴雨发生时中尺度动能明显增加，尤其是对流层中、下部最突出。对中尺度动能增加贡献最大的是除中尺度动能制造项外，垂直输送项的作用表现最明显，这显然是与中尺度辐合和上升运动加强有关。     

2007号台风“海高斯”的多尺度能量分布及转化特征分析

2020年第7号台风“海高斯”在广东省造成大风、暴雨灾害,细致研究其多尺度能量分布及转化特征有助于更好地认识和防御类似的台风灾害。运用WRF模式对台风“海高斯”进行了数值模拟,使用Barnes滤波方法将模拟结果分离为大尺度背景场(> 2 000 km)、α中尺度系统(200～2 000 km)、β中小尺度系统(<200 km)等三个尺度分量,分别计算三个尺度动能、有效位能的分布及变化。结果表明：(1)台风“海高斯”活跃期内,大尺度背景场动能先增加后稳定,α中尺度动能先增加后减少,β中小尺度动能变化不明显。动能的主要来源是有效位能的转化及气压梯度力做功,主要去向是水平输送及跨尺度转化。三种尺度动能主要分布于对流层低层。(2)大尺度背景场有效位能有两次先增加后减少的过程,α中尺度和β中小尺度有效位能先增加后减少。有效位能的主要来源是非绝热加热,主要去向是转化为动能和水平输送及跨尺度转化。三种尺度有效位能主要分布于对流层高层。(3)台风“海高斯”能量转化区域主要为距台风中心200 km以内台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、距台风中心200—700 km台风外围区域对流层上层、...     

2003-08-28致洪暴雨过程的数值模拟分析

利用较高分辨率的非静力中尺度数值模式MM 5和NECP资料,对2003-08-28西北东部致洪暴雨天气过程进行数值模拟,重点研究α、β中尺度系统的发生发展和演变过程,对影响暴雨的物理量诊断分析。结果表明:α中尺度低涡越山后迅速生成发展,在有利背景条件下生成多个β中尺度系统,不同尺度系统共同作用形成本次区域性暴雨。强降水主要出现在低涡系统的发展阶段。暴雨区南侧600 hPa附近存在干冷层,上部大气层结稳定,抑制垂直扩散,有利于水汽和能量沿着低空向雨区集中输送。暴雨区上空水汽和能量以垂直输送为主,同时伴有大量潜能释放。位涡、散度、垂直速度等物理量的空间分布,有利于强对流天气发生。     

0601号登陆台风及暴雨减弱消亡过程中的动能收支分析

利用高分辨率（10km）数值模拟的结果,以登陆华南并引发特大暴雨的0601号台风为例,对台风中田尺度动能收支平衡进行了诊断分析。结果表明,中-β尺度系统动能收支水平项（水平通量散度项和水平产生项）很小,垂直项（垂直通量散度项和垂直产生项）是动能收支方程的主要部分;动能垂直通量散度在对流层低层是动能的汇,在对流层中高层为动能的源;动能垂直产生项在对流层各层都是动能的汇;浮力产生项在300hPa以下是动能的源,在对流层高层是动能的汇;平均动能的局地变化项,在对流层各层均小于零,暴雨期间对流层动能支大于收,且动能变化在对流层中低层最明显。就整个对流层的垂直总量而言,浮力产生项是主要的动能源,而垂直产生项是主要的动能汇。较强冷空气首先从对流层中层入侵台风环流系统,抑制动能制造和传输,是中田尺度对流系统不能维持、发展的主要原因,也是台风系统及其暴雨不能长久维持的关键。     

一次强沙尘暴过程中尺度平均动能变率诊断

利用MM5中尺度气象模式嵌套数值模拟的输出结果,计算并分析了一次强沙尘暴天气过程的中尺度动能收支,揭示了沙尘暴过程中的起沙、扬沙和输送的能量来源以及随高度的分布和演变过程。结果表明：(1)沙尘暴天气期间中尺度能量过程活跃;(2)沙尘暴过程因消耗局地动能而启动和发展,能量来源在于高空的动能转化;(3)沙尘暴天气过程中,非地转运动造成的气流穿越等压线运动是沙尘暴能量平衡过程中次重要的能汇项;(4)水平通量散度项为沙尘暴天气过程中主要的中尺度能汇;(5)垂直通量散度项为沙尘暴天气过程中的能源项。随着系统的演变,能源中心从高层向中层转移,直至后期的高层出现能汇;(6)摩擦消耗和次网格尺度效应以及计算误差R在沙尘暴天气过程中总体表现为能源项。     

一次暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用

文章利用动能方程计算天气尺度与次天气尺度系统动能以及非线性动能的作用，以分析强降水系统中主要动力过程。结果表明:在暴雨系统中，存在着天气尺度和次天气尺度系统间的相互作用，次天气尺度运动增加天气尺度动能，使暴雨系统得以维持。     

次天气尺度及中尺度暴雨系统研究进展

回顾了75年来中国科学院大气物理研究所科研人员在次天气尺度及中尺度暴雨系统领域的研究工作,这些领域主要包括暴雨、中尺度低空急流、低涡、梅雨锋结构及梅雨锋生、对称不稳定和涡层不稳定以及暴雨等灾害天气的天气动力学及数值模拟研究等;总结了在次天气尺度及中尺度暴雨系统研究的不同时期所取得的成就以及这些成就在防止和减轻中尺度暴雨灾害方面所起到的重要作用.     

95.8暴雨过程中天气尺度和中尺度系统相互作用的数值模拟

本文依Ｂａｒｎｅｓ滤波原理，利用低通波场的连续性特征进行尺度分离，分析了暴雨过程中天气尺度系统和中尺度系统的作用，并用中尺度数值模式对该暴雨过程中天气尺度和中尺度系统的相互作用进行了数值模拟。     

“96.8”暴雨过程中不同尺度系统的相互作用

利用动能方程计算了天气尺度,次天气尺度的动能以及非线性相互作用的动能,分析了“９６．８”暴雨过程强降水时段的主要动力过程,结果表明：在暴雨系统中,存在着天气尺度和次天气尺度系统间的相互作用,天气尺度动能减小,次天气尺度动能增加,即对于次天气尺度系统而言,天气尺度系统是一个动能源,通过非线性相互作用,天气尺度系统把动能传递给次天气尺度系统,使暴雨系统得以发展。     

长江流域雨带形势下的一次低涡暴雨天气过程分析

对发生在嘉陵江到渠江流域的一次西南低涡暴雨天气过程的结构分析表明:本次过程属于长江流域季风雨芾形势下中～α尺度雨带中的中～β尺度雨团;与其对应的中小尺度初始扰动同次天气尺度低涡、切变线和急流核的形成有关;并利用中尺度扰动的对称不稳定理论诊断扰动波包的发展,指出了热成风偏差和对流不稳定局地变率在暴雨形成中的作用.     

一次东移型高原切变线过程的扰动动能特征

利用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料,采用动能梯度的定义和扰动动能方程,对2014年8月25—27日初生于青海省东南部之后东移到四川省中部产生天气影响过程的高原切变线进行了能量诊断分析。结果表明:在高原切变线发生发展时,切变线的位置和强的地转偏差及动能梯度大值区相对应,动能梯度模值的水平、垂直分布和相应的散度分布一致,可以反映切变线的基本结构特征;引入动能梯度有助于从能量变化视角来理解高原切变线的发展演变。扰动动能大值区的分布和切变线的走向一致,在切变线发展初期,扰动动能明显增大。扰动动能平流项和正压转换项的值都比较小,不足以反映切变线演变过程中的能量变化,而斜压转换项和扰动位势平流项是扰动动能收支的主导项;在切变线成熟阶段,扰动有效位能向扰动动能的转换最大,斜压转换项是高原切变线发展过程中能量转换的重要途径,有利于切变线上的上升运动加强。扰动动能趋势项可以较好预示切变线的发展态势,扰动非地转位势通量及其散度对高原切变线的生消及移动具有较好的指示意义。