由台风低压倒槽引发的山东暴雨过程研究

2004年8月26-28日发生在山东省的大到暴雨过程主要是由"艾莉"台风减弱的低压和西风带冷空气远距离相互作用造成的,台风倒槽的发展与低空东南气流的加强及台风低压外围热量和动量的向北输送密切相关.采用双向三重嵌套网格非静力模式MM5对这一过程进行了数值模拟,研究了台风倒槽的中尺度结构特征,并通过涡度收支探讨了台风倒槽及中尺度低涡发生发展的物理过程.结果表明,强降水是在台风倒槽顶部强风中心与弱风中心之间的强辐合作用下触发的,台风倒槽的增强和中尺度低涡的形成是低空急流及其动力作用的结果,降水的非绝热加热也起着重要作用.涡度方程的收支诊断表明,对流层低层的散度项、对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者,在同一等压面上散度项和水平平流项的作用是相反的.对流层中层铅直输送项的贡献为正,扭转项为负贡献,涡度变化的总趋势是它们相互作用的净结果.等压面上相对涡度的变化趋势并不是均匀的,中尺度低涡的东南象限相对涡度局地变化较强,这是强降水发生在此的重要原因.低层正涡度的增加是由水平辐合引起的,而高层正涡度的增加是涡度由低层向高层垂直输送的结果.因此台风倒槽的发展和中尺度低涡的形成主要是由于低层的涡度制造,另一方面来自中低层涡度的垂直输送.     

A budget analysis of a long-lived tropical mesoscale vortex over Hainan in October 2010

The vorticity, eddy kinetic energy, and helicity budgets were calculated to study the variations of a long-lived tropical mesoscale vortex that occurred over Hainan during the period 05?C09 October 2010. The main results are as follows: the vortex was mainly located at middle to lower levels of the troposphere, and among different levels, the dominant factors responsible for the variations of the vortex were different. Intense convergence at the lower troposphere dominated the formation and longevity of the vortex. The vertical transport of positive vorticity which was closely related to the convective activities was conducive to the formation and maintenance of the vortex. The barotropic energy conversion was favorable for the formation of the vortex, while the baroclinic energy conversion accelerated its attenuation. Background circulations were favorable for the longevity of the vortex, and interactions with other synoptic systems were important to its variations. The variation of helicity was closely related to the vortex, and the maintenance of positive helicity was another favorable factor for the longevity of the vortex.     

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

梅雨期西太平洋副热带高压异常东退与东风带扰动关系的合成诊断分析

利用NCEP/NCAR日平均再分析资料,对梅雨期热带对流层上空东风带扰动影响西太平洋副热带高压短期东退的过程进行了合成诊断分析.结果表明:梅雨期西太平洋副热带高压(简称西太副高)的短期东退与低纬热带地区上宅东风带扰动存在着密切的联系,本文给出了在西太副高异常东退前后东风带扰动的结构及其演变特征,揭示了东风带扰动所对应的...     

台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

A case study on the role of water vapor from Southwest China in downstream heavy rainfall

Based on the observation data analysis and numerical simulation, the development of an eastwardmoving vortex generated in Southwest China during the period 25 27 June 2003 is studied. The water vapor budget analysis indicates that water vapor in the lower troposphere over Southwest China is transported downstream to the Yangtze and Huaihe River valleys by the southwesterly winds south of the vortex center. A potential vortieity （PV） budget analysis reveals that a positive feedback between latent heat release and low-level positive vortieity plays a vital role in the sudden development and eastward movement of the vortex. Numerical simulations are consistent with these results.     

影响东北的两个罕见气旋发展机制对比

2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋（简称C304和C502）在江淮流域生成后,以相似路径影响东北地区,但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料,通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析,结果表明:C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用,高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场,地面气旋中心上空垂直上升运动增强,对流层低层斜压性明显,气旋性涡度增加主要在对流层下层,低空斜压强迫是主要发展机制;C502低空温度平流弱,斜压性不明显,高空正涡度平流促使高空闭合环流发展,对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通,垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧,高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下,对流层低层为气旋式环流背景。     

A Study on a Heavy Rainfall Event Triggered by an Inverted Typhoon Trough in Shandong Province

A heavy rainfall event that occurred in Shandong Province in 26 28 August 2004 was caused mainly by Typhoon Acre and cold air activities related to a westerly trough. The event was triggered by an inverted typhoon trough, which was closely associated with the intensification of the low-level southeasterly flow and the northward transport of heat and momentum in the periphery of the typhoon low. A numerical simulation of this event is performed using the nonhydrostatic mesoscale model MM5 with two-way interactive and triply-nested grids, and the structure of the inverted typhoon trough is studied. Furthermore, the formation and development mechanism of the inverted typhoon trough and a mesoscale vortex are discussed through a vorticity budget analysis. The results show that the heavy rainfall was induced by the strong convergence between the strong and weak winds within the inverted typhoon trough. Dynamic effects of the low-level jet and the diabatic heating of precipitation played an important role in the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex. The vorticity budget analysis suggests that the divergence term in the low troposphere, the horizontal advection term, and the convection term in the middle troposphere were main contributors to positive vorticity. Nonetheless, at the same pressure level, the effect of the divergence term and that of the adveetion term were opposite to each other. In the middle troposphere, the vertical transport term made a positive contribution while the tilting term made a negative contribution, and the total vorticity tendency was the net result of their counteractions. It is found that the change tendency of the relative vorticity was not uniform horizontally. A strong positive vorticity tendency occurred in the southeast of the mesoscale vortex, which is why the heavy rainfall was concentrated there. The increase of positive vorticity in the low （upper） troposphere was caused by horizontal convergence （upward transport of vorticity from the lower troposphere）. Therefore, the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex were mainly attributed to the vorticity generated in the low troposphere, and also the vertical transport of vorticity from the low and middle troposphere.     

高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析

利用动力诊断方法,对2008年7月20~22日高原低涡与低层西南低涡相互作用引发西南低涡强烈发展和四川大面积特大暴雨天气发生机理进行了诊断分析。分析表明：高原涡与西南涡涡心之间的纬向距离在5个纬度的时候,两者上升气流都在500 hPa以下,当两者继续东移,在经向上耦合的时候,二者同时得到发展,西南涡中心的上升气流达到300 hPa,而高原涡中心的上升气流突破200 hPa;西南涡在低层出现初期,在一定程度上制约了高原涡的发展,随着两者在经向方向发生耦合,上下涡度平流不同造成垂直差动,将激发500 hPa以下的上升运动与气旋性涡度加强,使得500 hPa与700 hPa涡心正涡度值的增大近1倍。并且涡前的正涡度变率使得高原涡发展并东移,待垂直耦合后,高原涡与盆地涡相互强迫作用促使气流上升运动加强也是导致高原低涡与西南低涡共同发展的一种机制。     

东北冷涡下一次飑线和MCV的形成与水平涡度的关系

利用WRF中尺度数值模式,NCEP/NCAR分析资料,多普勒雷达观测资料等,对2016年7月25日一次东北冷涡下的飑线过程进行数值模拟,研究了飑线形成和维持与水平涡度的关系及飑线过程中中尺度对流涡旋(MCV)的形成机制,分析发现,高低层水平涡度逆时针旋转对本次飑线的形成和维持有很好的指示意义。(1)飑线发生前,高层渤海湾西侧出现水平涡度的逆时针旋转中心,并有较强的辐散配合,低层水平涡度为逆时针弯曲,为飑线产生提供了有利的上升运动条件。随后高层多个对流单体的水平涡度气旋式涡旋合并形成较大范围的气旋式涡旋结构,触发低层的上升运动,同时低层对流区前部形成一致的气旋式弯曲使得对流单体组织成带状结构,形成飑线。(2)飑线成熟时期高层水平涡度表现为统一大范围气旋式涡旋结构,低层则呈现典型的S型弯曲结构,水平涡度x方向的分量沿对流带从南至北表现为正负正,y方向的分量始终为正,并由对流带的中心向两侧减小,显示出水平涡度矢量旋转的方向对飑线影响的重要性。(3)由垂直涡度方程的分析得出,在飑线发展中期,MCV形成前,雷达反射率回波在500 hPa左右表现出明显的旋转,此时主要与500 hPa以上强的正涡度水平平流项及中层倾侧项和水平散度项有关,之后,在这几项的作用下使得中层风场产生气旋式旋转,形成MCV。      

一次西南低涡东移引发长江中下游暴雨的诊断研究

利用常规观测资料和NECP再分析资料,对2013年6月6—7日西南低涡东移加强发展造成长江中下游大暴雨过程进行了诊断分析,重点探讨了西南低涡东移和发展维持的物理机制以及最强降水的变化特征。结果表明,沿着700 hPa高空切变线东移的西南低涡是造成此次长江中下游地区暴雨的直接影响系统,西南低涡沿着700 hPa切变线东移发展,深厚阶段正涡度柱伸展到400 hPa高度,自下而上呈近垂直结构。西南低涡附近低层辐合与高层辐散的大尺度环境条件、西南低涡与西南低空急流耦合发展动力结构、低空暖平流和高空槽前正涡度平流输送等条件是导致西南低涡东移到长江中下游后加强发展的主要因子。与西南低涡相伴随的强降雨区主要位于低涡南部3个纬距以内,该处的西南季风和副高西南侧东南气流两支水汽输送的汇合为暴雨发生提供了充沛的水汽和对流不稳定能量,而对流层中低层携带的冷空气侵入低层低涡的后部,不仅加强了低涡的斜压性,也促进了上冷下暖不稳定层结的产生和发展,为强降水的发生提供了不稳定对流触发条件。     

On the vorticity and energy budgets of the cold vortex in Northeast China: a case study

This study examines the vorticity budgets, turbulent extended exergy and kinetic energy evolution equations to investigate the major dynamical and energy conversion processes contributing to the initiation and intensification of the cold vortex over Northeast China that occurred during June 19–22, 2009. The results show that the cyclonic vorticity was initiated in the lower troposphere due to the intense convergence of horizontal winds. The growth of cyclonic vorticity in the middle troposphere is mainly due to the vertical transportation of the vorticity, yet the increase of cyclonic vorticity in the upper troposphere primarily results from the horizontal advection of vorticity. Of special interest in this study is the evaluation of the role of thermal advections in the baroclinic development of the cold vortex. The results indicate that the rising of the air over relatively warm areas and the sinking of the air in relatively cold regions are favorable for releasing turbulent extended exergy $ \left( {e_{\text{t}} } \right) $ , which is later converted to turbulent kinetic energy $ \left( {k_{\text{t}} } \right) $ , and this process occurs during the initiation and intensification of the cold vortex. In addition, barotropic energy conversion is another important process that contributes to the growth of k _t, and it strengthens gradually after the initiation of the cold vortex. Other than frictional consumption, the flux of k _t in the vertical direction also depletes some of k _t. The fluxes of e _t, baroclinic energy conversions and diabatic generations are favorable factors for the growth of e _t, whereas it decreases with time as a result of a large amount of e _t that is released. Most of the energy conversion processes, including the baroclinic and the barotropic energy transformations and the energy conversions from e _t to k _t, as well as the fluxes of e _t, are stronger in the lower troposphere than the other areas during the formation of the cold vortex. This accounts for the initiation of the cyclonic vorticity in the lower troposphere. Finally, the fact that the turbulent extended exergy releases primarily in the middle troposphere through the vertical thermal circulation is consistent with our understanding based on the vorticity budget analyses.     

中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究

本文通过对一次长江中游中尺度低涡的分析发现,在这类斜压性低涡发展时,低涡西侧冷区对流顶明显下降,在低涡区发生折叠现象.与大位涡值相联系的平流层空气从该处下沉至对流层,对流顶下陷比对流活动区对流顶高度变化要早且明显.中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自辐散风动能,在对流层高层和低层这种正向转换最为清晰,而整个气柱中位能向辐散风动能转换,以支持它在涡旋发展过程中之消耗.但高层与低层的情况不同.在100hPa高空辐散风动能既支持了涡旋动能,又向总位能转换.分析表明,高层对流层流场在中尺度系统发展过程中是十分活跃的,必须引起足够的重视.     

一次桂北暴雨过程中低涡的发展维持机制

利用常规观测、卫星数据及ERA5再分析数据,从动力和热力角度对引发2020年5月24-25日广西北部暴雨过程的低涡发展维持机制进行了诊断分析。结果表明：低涡在滇黔桂交界一带生成,随后逐渐发展东移,对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧。涡度方程诊断表明,低涡的发展维持主要受涡度平流项和水平散度项影响。水平风场对涡度的输送使得局地涡度减小,而水平风场的辐合效应使得局地涡度增大。将原始风场分解为地转风和非地转风分量后发现,非地转风分量主导了局地涡度的变化,非地转风水平散度项正贡献最大,扭转项次之,两者是造成低涡发展维持的主要原因。在热力作用方面,低涡发展移动过程中对流层中层附近的潜热加热正反馈也有利于低层低涡的发展维持。     

一次引发暴雨的东北低涡的涡度和水汽收支分析

对2005年7月25～29日引发较大范围持续性暴雨的东北低涡的结构、涡度和水汽收支进行了分析研究,结果表明:1)东北低涡是一个较深厚的冷性涡旋.初期,气旋性涡度出现在对流层中层,然后向中低层及高层伸展.而低涡加强阶段,气旋性涡度在对流层高层增加得最快,并逐渐向中低层传播,诱发地面气旋的发展;由于高低空锋生的相互作用,在低涡南部形成了深厚的近乎垂直的低层略前倾的"弓形"锋区.2)对涡度收支的计算表明,水平涡度平流项和水平辐散项对低涡的发展、加强起到最主要的作用.但在不同阶段,这两项的作用和大小各不相同.3) 对流层高层位涡大值区在低涡东部向下传播,有利于低涡的发展加强,与低涡暴雨的落区位置较为接近.此外对卫星云顶亮度温度(TBB)的分析,发现低涡暴雨典型的涡旋云带中对流活动旺盛的地区与局地暴雨的位置对应.4) 低涡暴雨的水汽初期主要来自北部,随着低纬地区西南季风的增强,沿副高西侧从低纬到中高纬建立起一条较强的水汽输送带,东北地区水汽收支以南北向的辐合为主.5)将2005年和1998年夏季6～8月的东北低涡暴雨个例的天气形势配置进行逐月比较,发现持续的较大范围的低涡暴雨过程与亚洲中高纬的阻塞形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有密切的关系.     

一次广西暴雨过程的数值模拟及低涡系统分析

应用WRF中尺度数值模式对2008年6月12日广西地区的一次大暴雨过程进行了模拟,利用模式输出资料,对引发这次大暴雨的西南低涡的演变情况及其物理场特征进行了分析。结果表明,低涡暴雨的发生具有明显的不均匀性,暴雨主要出现在低涡东侧暖区切变线附近;暴雨过程中充沛的水汽主要来源于孟加拉湾和中国南海,水汽的辐合不仅是涡旋区降水的必要条件,还是低涡发展加强的一个有利因素;强降水与强上升运动及正涡度区有很好的对应关系,低涡低层有强不稳定能量积聚也是造成此次大暴雨的重要原因之一。     

一次东移高原低涡影响四川暴雨的数值模拟分析

应用自动站雨量资料、常规观测资料和国家气象中心T213分析场资料,采用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2008年7月20日高原低涡东移引发的四川盆地暴雨过程。通过分析模式输出资料,结果得出高原涡东移影响四川盆地暴雨的一种物理触发机制:高原涡正涡度的东移促使四川盆地正涡度发展,正涡度的发展使得大气旋转上升加强,对流层高层强烈辐散,低层辐合,对流发展形成降水,大气凝结释放潜热加热大气,使得高层等压面升高,负涡度发展,低层降压,正涡度发展,这样就形成了一个正反馈的循环机制,从而导致了四川盆地强降水。      

Vorticity budget investigation of a simulated long-lived mesoscale vortex in South China

A vorticity budget investigation is performed using the output data from a numerical simulation of a typical MCV (mesoscale convectively generated votex) case in South China. Results suggest that the divergence caused by convection in the low troposphere is the main producer of positive vorticity, while vertical vorticity transferred by the tilting term from the horizontal vorticity compensates the upward output of cyclonic vorticity. Scale analyses of the vorticity equation suggest that the advection of planetary vorticity can be neglected owing to the low latitude, which is different from the larger scale systems in high latitude areas. In addition, the distribution of relative vorticity tendency on pressure level is not uniform. A vortex will move along the vector from the negative to the positive vorticity tendency region. The mechanism of the phenomenon-that nearly all of the convectively ascending region is located southward/southeastward of the vortex center-is also discussed. Convergence with regard to latent heat release would be in favor of the spin-up of meso-vortex, however, the horizontal vorticity caused by windshear is tilted by vertical motion due to convection. Consequently, the negative and positive vorticity tendencies are located symmetrically about the convective center, which suggests that the vortex southward movement is dynamically driven by convection.     

对流涡度矢量垂直分量在西南涡暴雨中的应用

将对流涡度矢量 (CVV) 应用于浅薄系统西南低涡引发的暴雨中,特别是将对流涡度矢量垂直分量 (C_z) 应用在2010年7月16—18日由西南涡引发的一次暴雨过程诊断中。研究了CVV垂直积分的各个分量与6 h累积降水量的关系,尤其是CVV垂直分量在西南涡暴雨过程中的指示意义。诊断结果表明:CVV垂直分量与西南涡引发的暴雨有一定对应关系,强降水发生时段与C_z垂直积分峰值出现的时间对应一致;在对流层低层850 hPa水平分布上,暴雨区位于CVV垂直分量的正值中心附近,偏向其梯度较大处;沿暴雨中心的CVV垂直分量,当对流层低层至高层呈现一致的正值时,暴雨强度会明显加强。     

2017年1月上旬泰国南部暴雨反复发生机制的研究

基于0.25°×0.25°的CMORPH日降水量产品以及ECMWF 0.25°×0.25°的ERA5再分析数据,本文对2017年1月上旬泰国南部反复发生暴雨事件的机制进行了研究,这些暴雨事件造成了Ko Samui和Ko Phangan近三十多年来最强的洪水事件。结果表明,初生于中南半岛西南方,向东北方向移动的一个中尺度涡旋是泰国南部重复发生暴雨事件的直接原因。涡度收支分析表明,水平辐合项是这个中尺度涡旋维持的最有利因子,倾斜项是第二有利的因子,而水平和垂直输送则主要造成了涡旋三维空间范围内正涡度向外的净输出,这是不利于涡旋维持的。进一步的分析表明,倾斜项与垂直涡度输送项分别对涡旋的移动及涡旋周边对流层低层的涡度增长较为敏感,这两个作用项在涡旋维持的两个不同阶段内各自表现出了完全不同的作用。