不同定义的湿位涡分析及在台风中的诊断

本文对不同定义的湿位涡做了理论分析,并利用1522号台风“彩虹”的数值模拟结果对各种湿位涡进行了诊断。主要结论有:经典湿位涡、广义湿位涡和改进湿位涡的差异主要是由不同定义的位温造成的,相当位温、广义位温和修改位温的构成均是在位温基础上添加一显含水汽的附加量;经典湿位涡、广义湿位涡和改进湿位涡的构成均能分为干、湿分量两部分,其干分量表达式相同,都与Ertel干位涡的定义一样,水物质相变潜热的影响隐含在位温中;不同定义湿位涡的本质差异表现在不同的湿分量上,湿分量的表达式中显含了水物质的作用。对台风的诊断分析发现,改进湿位涡分布与Ertel干位涡非常相似,呈现中空分布的位涡塔结构,大值区对应眼墙内侧,改进湿位涡湿分量与经典湿位涡的湿分量分布相似,只是湿分量的绝对值更小,这反映了改进湿位涡既能保持干位涡的分布特征,其分布和演变可反映台风的结构和演变,又能合理地体现水汽分布的影响,所以在台风诊断中有更广泛的应用前景。经典湿位涡在低层表现为负值,这与水汽梯度的分布关系很大,但与垂直速度、潜热加热大值区等都没有很好的匹配关系,用其分析台风结构和演变具有一定局限性;广义湿位涡其形式较复杂,仅在近饱和区域才能发挥其诊断优势。     

台风暴雨相当位涡诊断分析

位势涡度作为热力学与动力学相结合的物理量,能更有效地显示出暴雨系统的一些特点,国内外气象学者曾用位涡来分析诸如龙卷、冰雹等强对流天气,杨大升曾用位涡成功地研究过印度季风的爆发问题,并将位涡应用于我国的暴雨诊断分析上,但暴雨过程不可能是干绝热过程,将有大量的凝结潜热释放,而潜热释放对天气系统的发生发展起着重要的反馈作用,所以将位涡应用于暴雨诊断时还应考虑水汽凝结潜热的作用。为了弥补位涡的局限性,本文从Ertel广义位涡方程出发导出了相当位涡的     

“94·7"北京大暴雨的湿位势倾向诊断

利用湿位势倾向方程，对１９９４年７月１２－１３日的７００ｈＰａ位势高度场进行了诊断分析。结果表明，湿位势倾向方程中的差动潜热能平流项，对产生北京地区本次大暴雨天气的台风低压系统发展和移动，起到不可忽视的作用；而相对涡度平流项，在该次过程中作用不大。     

能量位涡在雷雨大风天气诊断分析中的应用

从大气基本运动方程及大气总能量概念出发,提出将大气动力学与能量天气学相结合的物理量——干能量位涡与湿能量位涡,并确定其守恒性.通过分析发现,以静力温度表达的能量位涡数学计算更方便,物理意义更明确.以2007年湖北的一次典型雷雨大风天气为例,对雷雨大风天气用能量位涡进行诊断分析.结果表明:本文提出的干能量位涡与湿能量位涡可以较好地预示雷雨大风天气,高空干能量位涡的增强与向下发展使对流层中下层不稳定能量增大,有利于雷雨大风天气发生;低层湿能量位涡的不稳定能量高值区与斜压系统耦合时预示该区域将有雷雨大风发生.     

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向的影响

潜热释放的作用在温带气旋的研究中一直是研究的重点。江苏省气象台沈阳等以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700 hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。     

位涡诊断在黄土高原强对流风暴预报中的应用

利用位涡理论,对2004年6月15~16日宁夏、内蒙、陕西、山西和河南出现大范围的强对流风暴和局地冰雹天气过程作了诊断分析。个例分析发现,干位涡空间结构表现为:从风暴区下游到风暴区形成随高度向西倾斜的大值正位涡柱,风暴区形成对流层高层大值正位涡中心和对流层中低层伴有位涡梯度增强的位涡等值线密集区的叠置。对流层低层干位涡场特征表现为,风暴区形成干位涡等值线密集区和风场切变的耦合。对流层低层湿位涡场特征表现为,风暴区形成湿位涡正压项小于0对流不稳定舌和湿斜压中心以及湿位涡斜压项等值线密集区的耦合。风暴发生前,对流层中层500hPa河套生成经向位涡等值线密集区,500hPa蒙古地区强偏北气流中同时出现正位涡扰动和指向河套的正位涡平流,对黄土高原大范围强对流风暴的发生有指示意义。     

湿位涡方程及其应用

本文在湿绝热、无摩擦条件下，推导了湿位涡方程及其近似表达式。然后通过尺度分析得到了大尺度条件下湿位涡守恒的性质，其形式与干位涡一样。由于考虑了水汽的作用，使用它较干位涡更为方便。最后，我们把湿位涡用于江南岭北3 月有无连阴雨的分析，其结果与预报员经验是一致的。     

凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟

利用WRF模式对2009年7月29日的一次高原低涡个例进行数值模拟,研究了凝结潜热加热及其与对流活动的反馈在高原低涡发生发展过程中的作用及影响机制。通过模拟结果与实况资料的对比分析,发现WRF模式能够较好地模拟此次低涡的移动路径、中心强度和降水场分布。不考虑凝结潜热加热效应的敏感性试验结果中,模式模拟的低涡移动迟滞,降水量减少,并在移动至高原中部后迅速减弱消失。进一步分析高原低涡的结构发现,凝结潜热加热使得低涡中心附近的上升运动延伸至高层,并产生较强的对流活动,而更为深厚的上升运动又释放出较多的潜热,从而形成一种正反馈机制。位涡收支诊断分析表明,低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移,位涡垂直通量散度项与凝结潜热加热垂直梯度项引起的位涡变化趋势相反。在高原低涡的形成和发展阶段,由于凝结潜热加热与对流活动间的正反馈机制,潜热加热垂直梯度项引起的正位涡增强,凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用,有利于高原低涡的增强与东移;低涡进入成熟阶段后,凝结潜热的贡献减小,位涡水平通量散度项与位涡垂直通量散度项对位涡的变化起主要作用。     

非均匀饱和广义湿位涡在暴雨分析与预测中的应用

考虑实际大气非均匀饱和特性, 通过引入广义位温及广义湿位涡方程, 对华北暴雨和江淮梅雨锋暴雨的发生及落区进行了广义湿位涡异常的诊断分析, 表明暴雨形成时大气低层有广义湿位涡的异常出现。对广义湿位涡倾向的计算表明:它对暴雨的发生有一定指示作用, 因而可利用广义湿位涡的异常来识别暴雨的出现。     

广义湿位涡与暴雨落区预报的诊断分析

探讨了广义湿位涡理论及其倾向方程在暴雨落区预报方面的可应用性,为非均匀饱和广义湿位涡理论的业务应用提供了新的思路。 资料诊断结果表明, 非均匀饱和大气中的广义湿位涡虽然不具有守恒性, 但由于其体现了实际大气的非均匀饱和特性,尤其是水汽梯度效应的引入,使得广义湿位涡的异常在对流层低层能比较清楚地反映出暴雨发生时期的高水汽集中的特性和机制,有效地反映出暴雨区以及暴雨落区的变化。      

一次爆发性气旋的发展与湿位涡关系的研究

通过对一次陆地爆发性气旋的数值模拟与湿位涡的诊断分析发现，气旋的爆发与湿位涡的平流关系密切，气旋的发展并不是在湿位涡中心位于气旋上空时才开始，而是当湿位涡中心位于气旋的后部，并在200hPa对下有明显的倒圆锥形下伸区时，才有利于气旋的发展。当湿位涡中心位于气旋上空时，气旋发展开始减慢。湿位涡局地变化的大小与水平方向位涡梯度的大小有关。湿斜压位涡负值区的上下贯通与气旋发展也有明显的关系。     

湿位涡、热力学参数CD与涡度、散度演化

从湿斜压原始方程出发,将热力学方程引入散度方程,导出了显示包含热力学参数CD影响的散度方程。在此基础上,结合湿位涡方程,分析了湿斜压大气中湿位涡水平分量MPV2及其热力学参数CD的动力学性质,揭示了由热力学参数CD表征的斜压动力过程激发对流层中低层涡、散场演变的动力机制,阐明了应用热力学参数CD诊断暴雨中尺度系统发生发展和预报暴雨的理论依据。     

相当湿位涡异常与梅雨锋暴雨分析

基于位涡异常与中尺度对流系统发展密切相关的分析事实,以及中尺度天气的发生发展的过程中水汽的重要作用,在引入水汽变化方程的基础上,导出了非均匀饱和大气中的相当湿位涡方程,进而分析了引起相当湿位涡异常的主要因子。依据相当湿位涡包含动力因子、热力因子和水汽因子的特点,利用相当湿位涡及增量对一次梅雨锋暴雨进行诊断和模拟分析,初步揭示了相当湿位涡及其增量对梅雨锋强降水的指示意义,相当湿位涡及其增量大值区对未来1～3小时的强降水具有较好的指示作用。针对梅雨锋暴雨,可以将梅雨湿度锋与相当湿位涡相结合作为强降水短时临近预报的一个指标。      

敦煌致洪暴雨的广义湿位涡分析

利用高空、地面定时观测资料、区域站降水资料、FY-2E红外云图和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月15-16日甘肃敦煌、阿克塞和肃北的一次历史罕见暴雨天气过程的影响系统、水汽条件、广义湿位涡及其倾向变化进行了分析.结果表明,这次暴雨是中高纬天气系统与低纬天气系统相互作用的结果.暴雨水汽来源于700 hPa新疆东部偏西气流输送和600 hPa附近河西走廊西部偏东气流输送.广义湿位涡正异常主要集中在850～750 hPa广义位温线密集区,这与实际大气水汽主要集中在低层是一致的,在一定程度上反映出暴雨期的水汽分布和水汽集中特征.800 hPa上广义湿位涡的正异常区基本与暴雨区一致,与湿位涡相比,广义湿位涡能更好地诊断出这次暴雨落区.广义湿位涡正异常大值区出现在绝对涡度异常大值区与大的相对湿度梯度相重叠的区域.单点广义湿位涡倾向异常值的负正、正负转换及峰值变化与降水开始、结束和雨强变化相一致.广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生、发展的动力变量外,还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点,在暴雨分析中有一定的优势.     

湿位涡诊断在青藏高原东北侧暴雪预报中的应用个例

利用湿位涡理论,对2006年1月18-19日发生在青藏高原东北侧大范围暴雪天气进行了诊断分析,以探讨湿位涡诊断在青藏高原东北侧暴雪预报中的应用前景.个例分析表明:850 hPa和东风回流以及横切变耦合的正湿位涡高值区和500 hPa青藏高原东侧大槽前正湿位涡平流、300 hPa青藏高原东侧大槽前新生正湿位涡中心的叠加,形成有利于暴雪发生发展的湿位涡和湿位涡平流配置的三维空间结构;850 hPa等压面湿位涡正压项(ξMPV2)等值线密集区和等压面湿位涡斜压项(ξMPV1)<-2.0 PVU的中α尺度对流不稳定区形成的耦合区,对暴雪落区有指示意义.     

Q矢量的改进与完善

在完全考虑非绝热加热项潜热作用的前提下，从原始方程出发，推导出改进后的湿Q矢量(以下记为Q^M)的表达式以及用其散度作强迫项的ω方程，并结合一次梅雨锋暴雨天气过程将改进前、后的湿Q矢量诊断能力进行比较，结果发现：(1)改进后的湿Q矢量对同时刻的地面降水的反映能力较原湿Q矢量(Q^*)有显著的提高。(2)在整个梅雨锋暴雨过程中，600hPa高度上的改进后的湿Q矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心的位置对同时刻的地面实际降水的强度及雨区位置都有非常好的指示作用。     

海上快速发展气旋的动力诊断分析

应用等熵位涡收支方程对发生于西北太平洋日本东海附近的爆发性气旋进行了位涡及位涡收支诊断分析.发现爆发性气旋不同于普通气旋发展机制, 主要是由于平流层底位涡异常对对流层扰动产生较集中凝结加热, 使上下系统耦合打通的结果.从位涡收支来看, 气旋爆发性发展伴随着对流层顶上空有强的涡度平流作用, 而对流层中层存在着较集中的大尺度凝结结构和对流天气系统.     

强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析

从动力上推导了热力、质量强迫下的湿位涡方程，阐明了在暴雨系统中引起的强降水会造成热力、质量强迫下的湿位涡异常。并用NCEP1°×1°的分析资料对1999年6月23日到6月26日引起长江流域暴雨的对流系统进行了湿位涡诊断分析，分析结果表明湿位涡异常高度主要出现在700~500 hPa之间，中心最大值可超过1.4 PVU。从动力和资料诊断两个方面均揭示出湿位涡异常区与强降水区有很好的对应关系。     

三次强对流天气过程的湿位涡分析

本文对发生于江苏苏北地区不同季节的三次强对天气过程,应用湿位涡这样一个表征大气动力、热力、水汽诸因素特征的综合物理量进行了分析,揭示了倾斜性涡度的发展是强对流天气发生发展的一种重要机制,表明该物理量在强对流天气分析中能很好地反映热力学和动力学成因,尤其是湿位涡的垂直通量、湿位涡通量的水平散度、位涡变化率对强对流天气有较大的作用。     

西北地区退耕还林对区域气候的影响

利用NCEP再分析资料对2009年3月20日夜至21日凌晨豫北强对流天气过程进行了分析,结果表明：①导致这次强对流天气发生的湿位涡场分布特征为,对流层低层MPV1〉0,同时MPV2〈0;强对流发生时,对流高层表现为MPV1〉0,同时MPV2〈0,即高低层均为异常的湿对流稳定区。②强对流的发生发展与湿位涡的时空演变有着很好的对应关系,对流层高低层湿位涡“正负区垂直叠加”的配置是强对流天气发展的有利形势。这次强对流天气发生在低层湿位涡正压项等值线密集的零线附近以及大于零的区域和湿位涡斜压项的负值区,同时高层为湿位涡正压项等值线密集正值区域和湿位涡斜压项的负值区。③中低层急流和地面东路冷空气入侵高温高湿不稳定区是形成这次强对流天气的主要原因,中尺度对流云团是造成此次强对流天气的直接影响系统,且强对流发生前,近地面存在逆温层。