青藏高原低涡形成、发展和东移影响下游暴雨天气个例的位涡分析

2016年6月28日至7月1日在我国副热带地区发生了一次青藏高原低涡形成、发展及东传引发长江中下游地区暴雨天气的过程。本文利用MERRA2（Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications）再分析资料和TRMM（Tropical Rainfall Measurement Mission）降水资料对该过程进行位涡诊断分析。结果表明，夏季青藏高原地表加热具有强烈的日变化。高原地表加热由白天感热加热源到夜间辐射冷却源的转变直接影响高原上空非绝热加热率的垂直梯度，使高原近地层白天有位涡耗散，夜间有位涡制造，呈现明显的昼夜循环。当夜间的位涡制造异常强，以至不为白天的耗散所抵消时，通常位涡制造的昼夜循环被破坏，高原低涡形成，低涡周围随之出现降水。当低涡中心移动至高原东部时，中心附近伴随有强烈的降水，显著的凝结潜热加热使位涡中心增强，高原低涡进一步发展。随着低涡系统继续向东移出高原，长江中下游地区中高层出现位涡平流随高度增加的大尺度动力背景，上升运动发展，最终导致强降水发生。     

利用位涡趋势法诊断台风“莫拉克”(2009)的移动

位涡趋势(PVT)法可以计算非绝热加热等物理过程对台风移动的直接影响(非引导效应)。在成功模拟2009年第8号台风“莫拉克”移动路径和近地面最大风速的基础上,进一步考虑了台风不对称环流发展的影响,对原有的位涡趋势诊断法进行了改进,并首次将该方法应用于高分辨率数值模式模拟结果中,诊断不同物理过程对“莫拉克”移动的影响。分析表明,虽然非绝热加热等物理过程主要作用于维持台风“莫拉克”的垂直结构,但非绝热加热等物理过程引起的非引导效应也对“莫拉克”移动的短时振荡有重要作用。     

扰动位涡倾向方程在两类中尺度低压演变分析中的应用

为研究暴雨过程中尺度低压系统的演变, 推导出非守恒条件下的位涡方程并简化得出中尺度扰动位涡倾向方程, 以广西一次特大暴雨过程为例, 验证方程在分析中尺度系统发展演变中的有效性和可操作性, 并分析了暴雨过程中两类中低压的不同演变因子。结果表明: (1) 中尺度扰动位涡大值中心的演变对中尺度低压系统的发展演变具有较好的指示意义; (2) 推导出的包含非绝热加热作用项的中尺度扰动位涡倾向方程, 可用来揭示凝结加热潜热对中尺度低压系统发展演变的作用; (3) 利用中尺度扰动位涡倾向方程定量分析凝结加热的贡献, 是区分引发降水的中尺度系统和降水过程中凝结加热强迫出的中尺度系统的方法, 对研究凝结加热和不同类型中尺度系统之间的相互作用具有重要意义。     

蒙古温带气旋发展的位涡诊断研究

蒙古温带气旋发展的位涡诊断研究张培忠，丁一汇（内蒙古气象科研所）（中国气象科学研究院）张树芬，万举才（内蒙古自治区科委电子计算中心）１引言人们对温带气旋已有比较成熟的理论，丁一汇在《高等天气学》一书中介绍了气旋发生发展的三种类型，从温度平流、涡度平流...     

东北冷涡发展过程的位涡收支分析

从位涡收支的角度对一次东北冷涡发展过程进行了诊断分析,研究了位涡趋势方程中各趋势项对冷涡发展的贡献。结果表明,在对流层低层东北冷涡的发展过程中,非绝热加热率、水平平流位涡以及非平流的位涡趋势对低层位涡的增强做正贡献,有利于低层冷涡的发展,也充分说明了非绝热加热对低层冷涡的发展所起的重要作用;而垂直平流位涡刚好相反,对低层位涡的增强做负贡献,不利于低层冷涡的发展。从垂直结构看,水平平流位涡主要是在对流层低层和高层对位涡发展有正贡献;而垂直平流位涡是在中层促使位涡增强;非平流引起的位涡变化主要是在低层;由平流和非平流引起的总位涡趋势增大,促使冷涡加强发展。     

改进湿位涡倾向方程的分解和应用

对改进湿位涡倾向方程做了理论分析和讨论,并通过一次台风过程做了验证,所得主要结论有：该方程可分解为干、湿分量倾向方程。在无摩擦和干绝热情况下,改进湿位涡的干分量具有保守性,该方程即为Ertel位涡倾向方程。在某些中小尺度天气系统中,湿物质梯度项对改进湿位涡的个别变化会有较明显影响,故该倾向方程更适用于该天气系统的诊断分析。利用改进湿位涡分解得到的干、湿位涡倾向方程,可得到显含湿物质梯度项的升级虚位涡方程、升级湿位涡方程,而这使得位涡诊断更加精细。本文对各类位涡倾向方程中凝结加热的作用做了分析,发现Ertel位涡倾向方程存在高估凝结加热的情况,使用改进湿位涡倾向方程对其进行部分凝结潜热扣除,应该有较好的诊断效果。改进湿位涡倾向方程减去经典湿位涡倾向方程后的结果能够合理反映凝结加热的作用,故用于梅雨锋暴雨和热带气旋等以凝结加热为主的天气系会有更佳的诊断效果。     

准静止梅雨锋连续暴雨个例的位涡反演诊断

2006年6月5-8日,受准静止的梅雨锋系统影响,福建北部地区发生了连续4 d的暴雨天气,引发了严重的洪涝灾害.文中利用1°×1° NCEP再分析资料、位涡诊断和位涡反演的方法,详细分析了梅雨锋演变过程中主要天气系统的变化,位涡和位涡扰动(位涡异常)与梅雨锋及梅雨锋带上强降水之间的关系,并通过分离位涡扰动的方法探讨了与不同物理过程有关的位涡扰动在梅雨锋发生发展中的作用.结果发现对流层低层锋面南北两侧高压系统的稳定维持是准东西向梅雨锋形成和维持的主要原因.满足非线性平衡方程的平衡流很大程度上代表了实际气流,它的演变基本上反映了梅雨锋流场的演变.非平衡流形成了梅雨锋辐合带,它主要来自梅雨锋北侧的高压系统.与潜热释放有关的对流层中低层的正位涡扰动是梅雨锋发生发展中有主要影响的因子之一.边界层的位涡扰动一定程度上有利于梅雨锋的形成和维持.总体而言,下边界位温扰动并不利于梅雨锋的形成和维持,但它具有一定的日变化.高层位涡扰动对梅雨锋形成和维持的作用相对其他位涡扰动要弱的多,且不利于梅雨锋的形成和维持,但在梅雨锋后期南压阶段作用增强.对流层中低层与潜热释放无关的其他位涡扰动对梅雨锋的南压起到了一定作用.     

位涡理论及其应用

位涡是近代天气动力学的重要概念之一。本文主要对位涡理论的某些要点,包括位涡的概念、位涡的守恒性、位涡的分析、位涡思想、位涡反演、湿位涡及位涡理论的发展和应用等作一简要介绍。     

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。     

2008年6月20—21日一次β中尺度切变线、低涡降水机制研究

利用WRF中尺度数值模式,模拟2008年6月20-21日江淮一次β中尺度切变线、低涡降水过程。分析发现：低层大尺度的0．5×10 -6m2·S-1·K·kg-1的大值位涡为切变线暴雨提供了背景场,在其南部边缘,低层的切变辐合及云水形成的非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。低层的正位涡通过上升运动向上传递,导致了高层位涡正异常,高层位涡的正异常又可导致低层的气旋性涡度进一步加大并使降水加大;β中尺度低涡的生成与大别山地形关系不大,主要是由对流层高层正位涡异常引起,但是低涡的维持及降水与大别山的地形坡度密切相关,当地形平坦时,不利于低涡维持和降水加强,当具有大别山的地形坡度时,不论山脉的高低都有利于低涡维持和降水加强。     

东亚寒潮高压的位涡诊断研究

用位势涡度方程对1980年1月26—30日东亚寒潮高压的演变做了诊断研究，表明高压中心地区低层是低值位涡区，位涡值随高压增强（减弱）而变小（变大）；随着高压的发展加强，位涡最小值由对流层中层降到近地面层，随着高压的减弱，最小值中心又上升；对流层高层的位涡值随着地面高压的增强而加大，反映高空冷槽、地面高压同时在发展。位涡收支方程各项对高压发展、减弱有着不同的作用。作用最大的是地转风水平平流项和地转偏差风的散度项，其次是地转偏差风的平流项和辐射项，扭转项和热成风偏差项均甚小，可忽略不计。     

位涡在暴雨成因分析中的应用

应用位涡理论，对1991年江淮地区一次特大暴雨过程中位涡及其有关物理量的分布特征进行了分析。结果表明:强降水总是落在干位涡比较小的地方和湿位涡负中心暖气流一侧，它和相对湿位涡的关系更直接。湿位涡斜压部分可清楚地反映湿斜压性对对流不稳定系统所起的作用。大气在湿位涡值比较小的区域对锋生强迫有更强的响应。     

影响山东的台风暴雨天气的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论 ,对发生在山东境内由台风和台风减弱的低压引发的两场大暴雨过程进行诊断。结果表明 :这两场暴雨都产生在θe 陡立密集区附近 ,θe 陡立密集区附近易导致湿斜压涡度发展 ;对流层中低层MPV1 <0 ,850hPa上MPV2 >0 ,综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定的发展 ;对流层高层高值湿位涡下传 ,有利于位势不稳定能量的储存和释放 ,使降水增幅。     

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。     

包含冻结过程的广义位温及位涡特征分析

为了对比分析降水过程中不同表达形式热力学变量和位涡时空分布特点,本文针对2017年7月13～14日吉林省强降水过程,利用模式输出资料对常规位温（θ）、相当位温（θ_e）、包含凝结概率函数的广义位温（θ_Gao）、包含冻结概率函数的广义位温（θ_Wang）和同时涵盖凝结过程与冻结过程（θ_Gu）五种不同形式位温进行计算,并分析五种对应位涡[PV(θ)、PV(θ_e)、PV(θ_Gao)、PV(θ_Wang)、PV(θ_Gu)]与降水的关系。结果表明,引入冻结概率函数的广义位温（θ_Wang）和对应的广义湿位涡PV(θ_Wang)与强降水的对应性更好。θ_Wang与θ_Gao差异集中在降水区对流层中高层5～11 km,前者始终高于后者,最大差异达2.5 K,说明冻结概率函数的引入扩大了广义位温的适用范围,更适合描述降水区湿大气非均匀饱和热力状态。五种位涡的差异主要在降水区上空12 km以下,由θ_Gao和θ_Wang定义的位涡PV(θ_Gao)和PV(θ_Wang)的正负异常中心更为明显。相比于PV(θ_Gao)和PV(θ_Wang)异常值更大,差异可达±0.2 PVU,这主要是由于冻结概率函数的引入增大降水区上空广义位温,促使冻结区的湿位涡异常增强。     

2011年梅汛期一次暴雨过程的对流涡度矢量方程诊断分析

利用NCEP FNL资料、FY-2E云顶亮温、常规观测及加密自动站降水量等资料,以及高分辨率中尺度模式WRF V3.3的模拟结果,结合对流涡度矢量方程对2011年6月一次江淮梅雨锋暴雨过程进行了诊断分析。结果表明,模拟结果再现了该次暴雨过程的降水特征,该过程主要受地面低压及梅雨锋锋面系统的控制和影响,其中6月14-15日为所选暴雨个例最旺盛的阶段,且该时段伴随梅雨锋上中尺度对流系统的移动发展和梅雨锋锋生。对流涡度矢量及其垂直分量的倾向方程的诊断分析表明,对流涡度矢量垂直分量的局地变化主要受非绝热加热项的影响;而非绝热加热与次级环流和梅雨锋锋生的关系说明中尺度对流活动与梅雨锋锋生存在类CISK机制的反馈关系。因此,对流涡度矢量,特别是其垂直分量可以用来诊断和揭示伴随非绝热加热的中尺度对流系统与梅雨锋锋生之间的关系。     

台风外围偏东气流中的暴雨及其等熵位涡特征

0414号台风"云娜"在浙江登陆后迅速减弱为台风低压,48 h后台风低压北侧偏东气流区域出现了暴雨,当时暴雨区中低层850,700和500 hPa没有辐合系统,而且暴雨出现前较强冷空气影响该区域,已使这里的位势不稳定减小,因此动力抬升和位势不稳定条件均不利于暴雨的产生。为了探讨这种情况下暴雨形成的原因,应用常规报文和1°×1°的NCEP再分析资料,对此次暴雨产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明:中层台风低压倒槽的移速快于低层,在暴雨区形成了一支自下而上向西倾斜的上升气流,暴雨区上空恰好存在着对称不稳定,斜升气流引起了对称不稳定能量的释放,使倾斜对流发展,提供了产生暴雨所需的动力和不稳定条件。而台风外围较强的水汽输送为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。等熵位涡分析表明,大值位涡带与降水区有较好的对应关系。正位涡异常中心的出现对降水的发生发展具有指示意义。     

湿位涡诊断分析在河南台风远距离降水中的应用

应用湿位涡理论,分析了两个发生在河南的台风远距离降水个例,讨论了湿位涡与台风远距离降水形成的关系。结果表明：两个个例中,河南具有有利于强降水发生的湿位涡特征;异常暴雨的发展与湿位涡的变化有很好的对应关系：湿位涡的异常区域对应着最强的降水,对流层高层ζMPV1（湿位涡的垂直分量）正值区与低层ζMPV2负值区相互作用,即高层下滑的干冷空气与中低层由东南急流输送的高温高湿空气交汇,容易储存和释放湿对流不稳定能量,有利于强降水产生。湿位涡理论在河南台风远距离降水诊断中有很好的应用前景。