基于WRF的高原低涡内波动特征及空心结构的初步研究

本文采用美国新一代非静力中尺度数值模式WRFV3．1．1版本对2006年8月14日的1次高原低涡过程进行了3重嵌套的数值模拟,分析模拟输出的高时空分辨率资料,发现涡度散度在各层次上均存在着正负值区域的相临交替分布,体现出一定的波动性,并随时间的变化而旋转,由此对高原低涡中的涡旋波的产生和发展进行详细分析,发现高原低涡中同时具有产生涡旋Rossby波与惯性重力波的条件,进一步粗略计算了涡旋波切向的移速介于涡旋Rossby波与惯性重力波的理论移速之间。由分析结果得出结论认为,在低涡中心区域,由于较高的涡度径向梯度,同时有较强的辐合辐散,波动表现出以涡旋Rossby波与惯性重力波混合的特性为主;低涡外围区域中涡度径向梯度大大减弱,失去了产生涡旋Rossby的条件,显现为惯性重力波的特性。同时高原低涡生命期相对较短,波动在圆周上的传播条件不均匀,这说明可能大多高原低涡螺旋形态的发展并不均匀或并不完整,较难形成如同海上热带气旋般比较均匀和完整的螺旋云带。另外,模拟也发现,在低涡成熟阶段,低涡呈现暖心结构,中心区域垂直运动较弱,表现为相对平静的眼区域。     

高原低涡中涡旋波动特征的初步分析

将青藏高原低涡(下称高原低涡)视为受加热强迫的边界层内涡旋,分别研究了直角坐标系正压模型和柱坐标系正压模型中高原低涡所含的波动,揭示了高原低涡中各类波动的频散关系及其基本特征,对比分析了两种模型下所得结果的异同,讨论了高原低涡中的波动与流场特征的联系。本研究认为高原低涡既含有涡旋Rossby波又含有惯性重力外波,这对于...     

台风螺旋雨带——涡旋Rossby波

台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象 ,是为大家所共识的不争事实。但是 ,对它的形成、维持的理论解释 ,虽有多种学说 ,一直以来人们都倾向于重力惯性波说。而重力惯性波说有一个致命的弱点 ,即波的相速理论值为 10 1m/s量级 ,它要比螺旋云雨带实测移速只有 10 0 m/s几乎大一个量级。于是从前几年开始 ,人们又回到 30多年前提出的涡旋 Rossby波说那里去寻找合适的解释。经典的Rossby波是 β =(df/dy)作用的大尺度波动 ,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋———Rossby波乃是 f平面 (β =0 )上的中尺度波动。那末 ,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动 ,何以均冠予Rossby波一词 ?本文试图从动力学等价原理上 ,对此作统一联系的说明。其结果是 :台风基本气流的涡度 ζ随径向 (r)变化的梯度d ζdr=1rr(r vλ) ,在动力学上等价于科氏参数 f随纬度变化的梯度即β=df/dy ;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下 ,作为波扰动的成波机理是等价的     

热带风暴中波动特征的研究进展和问题

在分析热带风暴眼壁和螺旋雨带中尺度波动特征最新研究的基础上，指出这些研究所忽略的问题，其中包括重力惯性波和涡旋Rossby波波解存在的前提条件和约束、理论分析与观测研究存在的差异等。提出一种基于准平衡动力条件下，热带风暴内中尺度扰动涡散运动共存时，区别于标准模混合的不可分的混合涡旋Rossby-重力惯性波，并讨论了位涡守恒条件下这一类不可分混合波的可能成波机制。利用高分辨率的模式大气资料，采用非对称波分量的分解方法分析了Bonnie飓风中的中尺度波动特征，结果表明，热带风暴中1波型扰动既具有涡旋波性质，但也存在散度扰动的变化，而2波型扰动则体现了明显的不可分混合波的特性。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用.在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现.由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征.在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用.一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称.     

一次“北涡南槽”型广西强降水过程的数值模拟与诊断分析

利用一次台风的模拟资料,对台风内部的中尺度波动进行诊断。通过分析中尺度波的结构发现,台风内的中尺度波动具有重力惯性波和涡旋Rossby波的混合特征。一方面,波动的扰动高压对应于负的涡度扰动和反气旋性环流,扰动低压对应于正的涡度扰动和气旋性环流,波动的最大振幅出现在最大风速半径附近。另一方面,波动展示了强烈的辐合辐散和非地转特性。并提出了台风多边形眼墙和中尺度波动之间的联系机制模型。     

台风"云娜"中的涡旋Rossby波研究

运用非静力平衡中尺度模式WRF(V2.03),对2004年14号台风“云娜”在登陆后产生强降水的过程进行了42h模拟,并对螺旋云雨带的涡度场结构进行了分析。分析结果表明,WRF能较好地模拟出台风在陆地上的移动路径,及其产生的台风暴雨的螺旋状分布。台风螺旋云雨带的形成与维持,可以用涡旋Rossby波理论来解释:可以通过改变局地相对涡度径向梯度分布,从而沿台风径向激发出“局地涡旋Rossby波”。     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

飓风中的涡旋罗斯贝波

文中从柱坐标系下的正压无辐散涡度方程出发,用WKBJ方法求解方程,发现在飓风中存在类似于行星罗斯贝波的涡旋罗斯贝波,这种波的形成主要是由于飓风中基态涡度垂直分量的径向梯度所决定。利用一次飓风过程的精确数值模拟所输出高分辨的资料,计算了飓风中径向涡度梯度的分布,指出这类波动主要存在于眼墙和眼心中。波动结构分析表明,波动能量具有径向频散,这有可能是飓风暖心结构的一种形成机制。最后用波射线法讨论了定常涡旋罗斯贝波的径向频散     

Dynamic and Numerical Study of Waves in the Tibetan Plateau Vortex简

In terms of its dynamics, The Tibetan Plateau Vortex （TPV） is assumed to be a vortex in the botmdary layer forced by diabatic heating and friction. In order to analyze the basic characteristics of waves in the vortex, the governing equations for the vortex were established in column coordinates with the balance of gradient wind. Based on this, the type of mixed waves and their dispersion characteristics were deduced by solving the linear model. Two numerical simulations with triple-nested domains--one idealized large-eddy simulation and one of a TPV that took place on 14 August 2006---were also carried out. The aim of the simulations was to validate the mixed wave deduced from the governing equations. The high-resolution model output data were analyzed and the results showed that the tangential flow field of the TPV in the form of center heating was cyclonic and convergent in the lower levels and anticyclonic and divergent in the upper levels. The simulations also showed that the vorticity of the vortex is uneven and might have shear flow along the radial direction. The changing vorticity causes the formation and spreading of vortex Rossby （VR） waves, and divergence will cause changes to the n~otion of the excitation and evolution of inertial gravity （IG） waves. Therefore, the vortex may contain what we call mixed ：inertial gravity-vortex Rossby （IG-VR） waves. It is suggested that some strongly developed TPVs should be studied in the future, because of their effects on weather in downstream areas.     

高原低涡移出高原的动力结构特征分析

利用ECMWF资料对2001年6月1~5日东移出高原的低涡个例的动力结构进行了诊断分析。结果表明:(1)低涡东移过程中,闭合等高线或者闭合气旋式环流的垂直厚度随时间呈加厚趋势;(2)高原低涡在东移过程中,垂直方向上几乎都是正涡度,500hPa上正涡度随时间呈增强趋势;(3)在高原上时涡区明显低层辐合、高层辐散;移出高原后表现为微弱的低层辐合、高层辐散,甚至低层辐散、中层辐合、高层辐散。(4)处于高原上时涡区整层都为上升运动,移出高原以后上升运动微弱,中低空经常为下沉运动。(5)低涡处于高原上时,涡区在边界层始终有水汽辐合,移出高原以后在低空只有微弱的水汽辐合甚至辐散。涡区外围东南侧的槽前脊后区存在低空急流,是水汽通量和水汽辐合的大值区。      

1979~2015年青藏高原低涡降水特征分析

为了研究青藏高原低涡降水长期特征,利用1979~2015年高原低涡数据集、依照高原低涡降水范围,匹配高原各站逐日降水信息,对高原低涡降水特征进行统计分析。结果表明,青藏高原低涡降水量呈上升趋势,大值中心位于西藏那曲地区,呈向东南凸出递减分布,并以夏季低涡降水为主,全年和夏季高原低涡降水量与总降水量均存在明显的正相关关系。安多站高原低涡降水呈下降趋势,但对年降水的平均贡献率高达三成;那曲站与托托河站高原低涡降水在总体上却呈上升趋势,递增率分别为0.2 mm/a和0.7 mm/a,其中那曲低涡频数与低涡降水强度的正相关系数达0.66,而托托河低涡降水占总降水的百分比却呈下降趋势。高原低涡日降水量等级主要以小雨为主,但中雨却是低涡降水量的主要贡献者。趋势分析发现高原低涡降水递增中心位于青海北部,递增率达到0.9 mm/a,次中心在西藏西南部雅鲁藏布江沿线地区;同时,高原低涡引发小雨降水基本呈全区一致增加趋势,中心位于西藏东北部和青海西南部地区;中雨降水上升趋势主要集中在西藏西南部、青海地区以及四川西部,其中青海南部存在较为明显上升中心区,下降趋势主要分布在西藏北部和东部。     

Impact of Dynamic and Thermal Forcing on the Intensity Evolution of the Vortices over the Tibetan Plateau in Boreal Summer

The Tibetan Plateau Vortex (TPV) is one of the main weather systems causing heavy rainfall over the Tibetan Plateau in boreal summer. Based on the second Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA-2) reanalysis datasets provided by the National Aeronautics and Space Administration (NASA), 8 cases of TPV over the Tibetan Plateau generated in June–August with a lifetime of 42 hours are composited and analyzed to reveal the impact of dynamic and thermal forcing on the intensity evolution of TPVs. The results are as follows. (1) The TPVs appear obviously at 500 hPa and the TPVs intensity (TPVI) shows an obvious diurnal variation with the strongest at 00LT and the weakest at 12LT (LT=UTC+6h). (2) A strong South Asia high at 200 hPa as well as a shrunken Western Pacific subtropical high at 500 hPa provide favorable conditions for the TPVI increasing. (3) The vorticity budget reveals that the divergence is indicative of the variation of TPVI. TPVI decreases when the convergence center at 500 hPa and the divergence center at 200 hPa lie in the east of the TPVs center and increases when both centers coincide with the TPVs center. (4) Potential vorticity (PV) increases with the enhancement of TPVI. The PV budget shows that the variation of TPVI is closely related to the diabatic heating over the Tibetan Plateau. The increased sensible heating and radiative heating in the boundary layer intensify the ascent and latent heating release. When the diabatic heating center rises to 400 hPa, it facilitates the development of TPVs.     

热力强迫的非线性奇异惯性重力内波与高原低涡的联系

利用相平面分析法,由非绝热大气运动方程组导出了与非线性惯性重力内波有关的KdV方程,然后用直接积分法得到两类有天气意义的孤立波解,重点分析了与青藏高原暖性低涡有联系的一类具有间断点的奇异孤立波解的特征,进而讨论了高原非绝热加热对高原低涡生成、移动及高原低涡暖心结构的作用。     

夏季高原大气热源的气候特征以及与高原低涡生成的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和基于此再分析资料的高原低涡统计数据集,采用线性趋势、Morlet小波、EOF分解、合成分析等方法,分析了1981～2010年夏季高原大气热源气候特征以及与高原低涡生成的联系。结果表明:夏季高原大气热源平均强度为105 W m-2,随时间有减弱趋势,具有明显的年代际变化,存在显著的准3年周期振荡。高原低涡高发年,高原大气热源强度明显高于气候态,主要表现为高原大气热源的水平分布差异。在低涡高发年,涡度平流的空间分布和大气经向垂直环流结构显示:高原沿东南向西北存在500 hPa正涡度平流带,为高原低涡生成提供了有利的涡度场。同时,高原大气热源异常的水平分布促使高原上空产生上升气流,有助于高原上形成低层辐合、气旋式环流,整层上升运动,高层辐散、反气旋式环流的三维流场,促进高原低涡在低层生成,此时高原主体低空为正涡度区。并且,大气热源在垂直方向的变化也影响低涡的生成。最后,根据本文结果和我们前期的相关研究,从热成风原理和高原大气热力适应理论两方面对高原大气热源与高原低涡生成频数的统计结果给出了机理解释。     

青藏高原及邻近地区低涡系统结构研究进展

青藏高原及邻近地区低涡系统(西南涡、高原涡)是造成我国暴雨等灾害性天气的主要系统之一,也是高原天气学的重点研究对象。过去十多年,关于西南涡、高原涡的研究已取得了大量有意义的成果。因此,本文重点针对高原低涡天气系统,总结了西南涡、高原涡的结构特征及其演变机制研究现状,评述了其取得的主要进展,指出了一些有待于深入研究的科学问题,在此基础上,展望了高原低涡天气系统未来的主要发展方向。     

夏季青藏高原低涡的切向流场及波动特征分析

从大气动力学原理出发,将高原低涡视为受热源强迫的边界层内涡旋,建立了柱坐标下满足梯度风平衡的低涡控制方程组,分析高原低涡切向流场的基本特征.在此基础上,通过求解线性化涡旋模式,得出高原低涡中各类波动的频散关系及其特征,同时定性讨论了热力作用对混合波动的影响以及混合波动与高原低涡流场特征的联系.使用中尺度数值模式WRF分...     

风暴-低涡影响下青藏高原一次强降水过程北大核心CSCD

利用联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)最佳路径资料、逐小时降水资料和ERA5再分析资料,研究2017年5月26—31日孟加拉湾风暴与高原低涡共同影响下青藏高原一次强降水过程,结果表明:风暴和南支槽共同作用下建立的孟加拉湾至青藏高原的水汽输送带为高原低涡-切变线区域的降水提供水汽。南支槽后冷气流在青藏高原南部陡坡下沉形成冷垫,孟加拉湾偏南暖湿气流首先沿冷垫向北抬升,爬上青藏高原后向北在高原切变线附近再次抬升,增加降水区地表至对流层高层大气中的可降水量。风暴偏南风暖湿气流与青藏高原北部干冷空气交汇产生锋生,大气湿斜压性显著增长,湿等熵线密集陡立导致垂直涡度剧烈发展,有利于高原低涡加强。风暴北上过程中其高层反气旋式出流加强青藏高原槽前西南风高空急流,辐散增强有利于低层切变线发展和高原低涡东移,产生大范围强降水。高原低涡切变线与风暴水汽输送的正反馈作用,为降水区提供持续视热源和视水汽汇,有利于青藏高原降水系统的维持和发展。