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。     

地形追随垂直运动方程在南疆极端暴雨中的诊断分析

针对2021年6月15～17日发生在昆仑山脉北坡的南疆极端暴雨过程,本文综合考虑地形对暴雨发生、发展的作用后,利用地形追随坐标控制方程并采用Boussinesq近似推导建立了地形追随坐标的非静力平衡广义垂直运动方程。诊断结果表明,经向气压梯度力耦合经向散度项（项一）、垂直气压梯度力耦合纬向散度项（项二）和非绝热加热经向梯度项（项三）是激发暴雨垂直运动发展演变的三个主要强迫项。项一体现了偏北风逐渐增强,在昆仑山脉的阻挡下导致经向辐合增强,触发了垂直上升运动。经向气流辐合始终是对流活动最主要的强迫过程,其次为纬向气流辐合。在地形追随坐标形式下,经向和垂直气压梯度能够增强项一和项二。对流发展阶段,水汽辐合与非绝热加热过程增强了非绝热加热经向梯度,促进了垂直上升运动发展。在地形的影响下,对流层中高层西风过山气流波动特征明显。重力波活动导致的高层辐散进一步促进了山脉迎风坡对流活动。经向和纬向气流辐合、非绝热加热过程以及重力波活动等多个因素共同造成了此次南疆极端暴雨。     

积云对流中扰动压力效应的诊断分析

本文用简单的结构模式分析诊断了扰动压力对积云对流的效应.结果表明:由浮力项、平流项和拖曳力项触发引起的扰动气压垂直梯度力与各对应源项具有同等量级,但与其源项的作用力方向相反.扰动气压梯度力在云的中上部为负力,它抑制了云的生长发展;在云的下部为正力,它使云向上的加速度增大.扰动气压梯度力对深对流的影响要大于对浅对流的影响.在云下部的扰动低压中心位于云边缘附近.浅对流与深对流的量级分别达-0.1— -0.2hPa和-0.2— -0.4hPa.     

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。     

Investigating the initiation and propagation processes of convection in heavy precipitation over the western Sichuan Basin

青藏高原大地形和四川盆地西侧的陡峭地形过渡带,夏季暴雨频发,易带来泥石流等次生地质灾害。本文选定该地区2010年8月的一次暴雨过程,研究了伴随对流尺度降水的强对流的激发和传播。具体借助于垂直动量方程,并将扰动气压分离为动力和浮力分量,通过动力扰动气压梯度、浮力扰动气压梯度、以及浮力等几种强迫作用的不平衡,探索对流激发和传播的主导因子。经分析发现,在本次暴雨过程中,较之动力过程,热力作用对对流的激发和传播发挥着更为重要的作用,垂直运动及倾向指向未来雨区     

梅雨锋前线状中尺度对流系统成熟阶段的空气垂直运动分析

2007年7月8日清晨,中尺度对流系统(MCS)沿着梅雨锋南缘准东西向切变线形成和发展,造成了淮河流域特大暴雨。本文综合分析高分辨率的雷达回波和地面观测资料,较严格验证了1.1 km分辨率的数值模拟结果,进而研究了模拟的MCS成熟阶段的深对流(DC)和层云降水区域(RST)空气垂直运动(w)及其预报方程倾向项的分布。DC区域内以强空气上升运动为主,最强上升运动在对流层中层(~6 km),在低层(<1.5 km)空气上升和下沉运动并存;RST区域中高层弱上升、低层(4～5 km以下)弱下沉。w预报方程各项中,空气扰动密度浮力项(B1)、扰动气压梯度力项(PGA)和水凝物拖曳项(B2)起着主要作用。在DC区域,低层(1.5 km以下)B1项有助于高?se空气上升和低?se空气下沉,PGA有助于空气上升运动,即热力和动力作用共同影响着新的对流的形成;2～10 km高度,水物质的相变造成的热力作用支持着DC区域内强烈的上升运动;云顶附近B1为负、PGA为正,这可能是因为空气弱的上升运动导致绝热冷却和长波辐射的冷却作用。与DC区域相比,RST区域内各项的强度比较弱,在~5 km高度以下,雨滴蒸发冷却作用是导致空气下沉运动的最重要的因子;5～12 km高度,从DC区域卷出到RST区域的暖湿空气及凝华所释放的潜热是造成正的浮力作用(B1>0)的主要原因;云顶附近则与DC的情况类似。      

A Multilevel Perturbation Method-Hydrostatic Deduction and Its Applicability to Designing the Nonhydrostatic Model

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止.另外,因截断误差的量级和被离散项的量级成正比,在方程中VPGF的截断误差就是该方程中最大的垂直截断误差,可以表示该方程的总的垂直截断误差.故垂直气压梯度力扰动项的量级的减小还可以使该方程中最大的垂直截断误差减小,用多级扰动法可以使最大垂直截断误差控制在可容许的范围内,使垂直气压梯度力扰动项和重力扰动项计算准确,可以较好地描写对流活动.这样,最大垂直截断误差对倾向的影响就不致歪曲或掩盖垂直柯氏力项和曲率项对倾向的贡献.还可以证明:扰动平衡方程的解是静力扰动.多级扰动法实质上是多次利用扰动平衡方程的解,从低级扰动中扣除其所含和解大小相同的静力扰动部分,使高一级扰动项的量级减小,达到其与其他项量级接近,以减小方程中的最大量级差的一种方法.而且,n的变化不影响方程的性质.可以说,多级扰动法使大气基本态垂直廓线有较大的改善,使其与大气实际垂直廓线很接近,通过静力平衡,使基本模式大气不包含垂直声波.     

影响初夏江淮流域年代际极端干旱的欧洲关键区能量演变特征分析

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium?Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的全球再分析数据,使用局地多尺度能量涡度分析法(localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,MS?EVA)分析了初夏影响江淮流域极端干旱发生的欧洲关键区动能变率的时间特征及其动能收支。结果表明:初夏欧洲关键区高层动能有增长趋势时,我国江淮流域极易发生极端干旱事件。该处增长的动能主要来自天气尺度动能的传输,其次来自气压梯度力做功和动能的垂直输送;动能向有效位能的转换和季节平均尺度动能的传输是高层动能流失的原因。深入研究三项动能来源因子后发现:上层增加的动能一部分来自低层北大西洋东岸和欧洲大陆西南地区的动能东传,在欧洲辐合后向上输送,为高层传递能量;同时,由于关键区地面热强迫增强,使垂直风切变增大,大气斜压稳定度降低,气压梯度力做功项增大,使得高层动能得到补充。在此期间,由于地面加热,天气尺度传输项对高层动能的传输量也增多。关键区增加的净能量经西风环流在江淮地区辐合,有助于该地上空的脊增强,促进了极端干旱事件发生。该结果从能量转换角度探究了江淮流域干旱发生的部分成因,为干旱预估提供依据。     

三维非静力中—β尺度动力学预报模式的应用研究Ⅲ:关中地区边界层结构的数值模拟

本文利用已建立的三维非静力中－β尺度动力学预报模式［1］以1996—3—31和6—1为实例，模拟研究关中地区地形的动力和热力效应对边界层结构的影响。模拟结果表明：起伏地形对垂直流场及低层风场影响较大；迎风坡空气抬升，背风坡空气下沉；层结稳定时易形成背风波，层结不稳定时，在背风波和水平温度梯度（地表性状不同）的共同作用下，在地形边界处易形成局地环流；除迎风坡空气抬升和背风坡引起上升运动外，还有地形加热引起的上升运动，它们对于水汽、能量等的垂直输送起着重要作用。     

多级扰动法——静力扣除及其在非静力模式设计中的可应用性

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止....     

乌鲁木齐一次暴雪过程地形敏感性试验

以NCEP资料为初始场和侧边界条件,利用WRF模式对东、西天山地形对2015年12月9—12日大暴雪影响进行敏感性试验,从降水强度和分布等方面对比分析模拟结果,探讨地形在暴雪过程中的作用,对成因进行初步研究分析,结果表明:(1)此次强降雪发生是高空西南急流抽吸、低层风切变及风速辐合、偏北风与地形强迫抬升、地面冷锋移动缓慢等共同造成的。(2)此次暴雪天气过程,地形对强降雪的落区、强度影响很大,东、西天山高度与强降雪强度正相关,东、西天山高度降低、强降雪落区沿环流方向移动。(3)地形动力强迫整体上增强次级环流圈。近地面上升速度中心出现在迎风坡山脚至山腰区域,并向两侧递减,与此次大暴雪中心落区以及乌鲁木齐附近测站降雪量分布吻合,东、西天山地形高度降低50%,近地面上升速度中心值减少30%。地形强迫东、西天山峡谷近地面生成辐合中心和辐合线,辐合中心强度与地形高度正相关。(4)地形强迫抬升有加强水汽辐合汇聚的作用,东、西天山地形高度降低50%,水汽通量与水汽通量散度减少30%。     

Large-Eddy Simulation of Katabatic Flows

A large-eddy simulation model with rotated coordinates and an open boundary is used to simulate the characteristics of katabatic flows over simple terrain. Experiments examine the effects of cross winds on the development of the slope-flow boundary layer for a steep (20°) slope and the role of drainage winds in preventing turbulence collapse on a gentle slope (1°). For the steep flow cases, comparisons between model average boundary-layer velocity, temperature deficit, and turbulence kinetic energy budget terms and tower observations show reasonable agreement. Results for different cross slope winds show that as the cross slope winds increase, the slope flow deepens faster and behaves more like a weakly stratified, sheared boundary layer. Analysis of the momentum budget shows that near the surface the flow is maintained by a balance between downslope buoyancy forcing and vertical turbulence flux from surface drag. Above the downslope jet, the turbulence vertical momentum flux reverses sign and acceleration of the flow by buoyancy is controlled by horizontal advection of slower moving ambient air. The turbulence budget is dominated by a balance between shear production and eddy dissipation, however, buoyancy and pressure transport both are significant in reducing the strength of turbulence above the jet. Results from the gentle slope case show that even a slight terrain variation can lead to significant drainage winds. Comparison of the gentle slope case with a flat terrain simulation indicates that drainage winds can effectively prevent the formation of very stable boundary layers, at least near the top of sloping terrain.     

Barotropic processes associated with the development of the Mei-yu precipitation system

The barotropic processes associated with the development of a precipitation system are investigated through analysis of cloud-resolving model simulations of Mei-yu torrential rainfall events over eastern China in mid-June 2011. During the model integration period, there were three major heavy rainfall events: 9–12, 13–16 and 16–20 June. The kinetic energy is converted from perturbation to mean circulations in the first and second period, whereas it is converted from mean to perturbation circulations in the third period. Further analysis shows that kinetic energy conversion is determined by vertical transport of zonal momentum. Thus, the prognostic equation of vertical transport of zonal momentum is derived, in which its tendency is associated with dynamic, pressure gradient and buoyancy processes. The kinetic energy conversion from perturbation to mean circulations in the first period is mainly associated with the dynamic processes. The kinetic energy conversion from mean to perturbation circulations in the third period is generally related to the pressure gradient processes.     

冬奥会延庆赛区降雪与边界层东风的关系

受特殊地理环境影响,北京地区冬季降雪常与边界层东风相伴,边界层东风所引起的水汽输送和动力辐合效应对降雪发生发展有重要意义.不同于已有边界层东风对平原地区降雪影响的研究,本文结合2022年冬奥会北京延庆赛区的地形特征,对比相似天气背景下不同温湿特性、不同发展高度的边界层东风对降雪的作用机制,研究表明:(1)途经渤海湾的路...     

Revisiting the parcel method and CAPE

Although the parcel method and the convective available potential energy (CAPE) are widely used to predict the strength and height of convection, they ignore the pressure perturbation and fail to explain strong updrafts observed in tropical cyclones and hurricanes without CAPE, or deep, strong warm downdrafts in hurricane eye-walls, tropopause folds, or downslope winds leeward of mountains. Those phenomena can be explained by the Bernoulli equation that conserves the sum of kinetic energy, potential energy and enthalpy in an inviscid fluid. Our analytic and numerical results also show how, in a moist stable environment without CAPE, updrafts and clouds can develop against negative buoyancy. Deep warm downdrafts can also form in cloud-free regions or areas without significant evaporative cooling from precipitation.     

2009年秋季冀中南暴雪过程的地形作用分析

2009年11月10-11日,河北中南部地区出现了回流暴雪天气,强降雪中心位于太行山喇叭口地形南侧迎风坡处。本文使用MM5数值试验结果分析中小尺度地形对于降雪的影响。结果表明：在喇叭口地形作用下北侧为下坡风,南侧为迎风坡,出现上升运动;由于向东开口的喇叭口地形对于气流有汇聚作用,整个喇叭口地形上空到800 hPa为地形辐合产生的上升运动。垂直剖面显示低层地形产生的上升运动冲破逆温层（或与逆温层内波动的上升支叠加）,与700 hPa以上的西风带低槽系统引起的上升支叠加,加强了垂直上升运动,且东北风遇山后呈现出两支气流,一支在山前堆积下沉,一支在山前冷空气堆前上升,且山前冷空气下沉支逐步形成环流圈,说明冷空气在山前堆积,气流在冷空气堆以东上升。这可能是降雪中心在平原而不在山坡的主要原因。     

Meso-beta scale numerical simulations of terrain drag-induced along-stream circulations Part I: Midtropospheric frontogenesis

Summary The problem of along-stream ageostrophic frontogenesis is studied by employing a numerical model at meso-alpha and meso-beta scales in simulations of the downstream circulations over the Front Range of the Rocky Mountains. Three-dimensional real data simulations at these two scales of motion are used to diagnose the transition from semigeostrophic cross-stream frontogenesis accompanying a propagating baroclinic upper-level jet streak to midtropospheric along-stream ageostrophic frontogenesis. This along-stream ageostrophic frontogenesis results from the perturbation of the jet streak by the Rocky Mountain range. The case study represents an example of internal wave dynamics which are forced by the drag of the Rocky Mountains on a strong jet streak in the presence of a low-level inversion.The simulation results indicate that, unlike semi-geostrophic frontogenesis, a front (which is alligned perpendicular to the axis of the jet stream) may form when significant adiabatic heating occurs within a stratified shear flow over horizontal length scales shorter than the Rossby radius of deformation. The mechanism responsible for the frontogenesis is the growth of the divergent along-stream wind velocity component which becomes coupled to the front's along-stream pressure gradient force. This nonlinear interaction produces hydrostatic mesoscale frontogenesis as follows: 1) vertical wind shear in the along-stream plane strengthens resulting in the increasingly nonuniform vertical variation of horizontal temperature advection as the ageostrophic wind component grows in magnitude downstream of the meso-scale terrain-induced adiabatic heating, 2) increasing along-stream differential vertical motions (i.e., along-stream thermally indirect circulation with warm air sinking to the west and cold air rising to the east) tilt the vertical gradient of isentropes into the horizontal as the vertical temperature gradient increases due to the previous process in proximity to horizontal gradients in the along-stream component of the ageostrophic wind, 3) as tilting motions act to increase the along-stream horizontal temperature gradient, the along-stream confluence acts to nonuniformly increase the along-stream frontal temperature gradient which increases the along-stream pressure gradient force resulting in further accelerations, ageostrophy, and frontal steepening as part of a scale contraction process.The evolution of the aforementioned processes results in the three-dimensional hydrostatic frontogenesis accompanying the overturning of isentropic surfaces. These adjustments act to turn air parcels to the right of the southwesterly geostrophic wind vector at successively lower atmospheric levels as the scale contraction continues. This simulated along-stream front is verified from diagnostic analysis of the profiler-derived temperature and wind fields.With 17 Figures     

天山两麓一次极端暴雪天气多尺度配置特征及机制分析

利用自动站小时监测资料、常规与加密观测资料、NCEP/NCAR再分析资料（0.25°×0.25°）、FY-2G卫星相当黑体亮温（TBB）资料，分析2017年2月19日至20日天山两麓的极端暴雪天气过程。结果表明: （1）此次过程发生在500 hPa南欧脊衰退、乌拉尔低槽与中亚偏南低槽先结合、后分段东移进入的环流背景下，天山北麓暴雪高低空系统呈典型后倾结构，天山南麓暴雪形势为典型“东西夹攻”型。（2）影响天山北麓暴雪的低空西北急流和影响天山南麓暴雪的低空偏东急流均为冷湿气流，西北急流风速的增大比雪强的增强提早12h左右，偏东急流比降雪提前6h出现。（3）主要水汽通道在850～400 hPa，水汽通量进入新疆后，850～700 hPa偏西水汽输送强于600～400 hPa西南水汽输送，水汽辐合主要在850～700 hPa。（4）乌鲁木齐降雪前位势不稳定性加强，沙雅降雪前有明显对流不稳定，两暴雪中心均有地形强迫强化产生并维持的中尺度垂直上升支和次级环流圈，而沙雅系统性动力作用小于乌鲁木齐的。（6）中尺度云团是造成天山两麓暴雪产生的最直接的影响系统。