初夏南海台风的动能收支

用准拉格朗日坐标系下的总动能和扰动动能收支方程详细分析初夏南海台风发展至消亡阶段,主要结果有:(1)由积云对流作用产生的动能是台风能量的主要来源。当台风能量的内源产生的动能大于外源的消耗时,台风发展:反之则台风趋于消亡;(2)正压能转换的作用非常小,斜压能转换过程产生的能量起重要作用;(3)南海台风与环境场的相互作用明显,表现在向周围系统提供大量能量,这种过程主要由对流层中上层的相互作用来完成;(4)从能量平衡过程出发,可以认为CISK机制是南海台风发生发展的主要过程。     

登陆台风的能量学分析

本文对一个登陆我国的台风以及它与西风带相互作用的过程进行了能量学分析。计算了动能平衡和有效位能。结果表明:(1)台风在登陆后的减弱过程中,与环境大气的动能交换较小,可以把这个台风看作是一个动能的“准封闭系统”。(2)在登陆台风减弱过程的不同阶段,热力和动力作用很不相同。刚登陆时,伴随着大暴雨,积云对流群是台风的重要动能源。对流层上部穿越等压线的运动是台风减弱的重要原因。其中以正压过程为主。台风与西风带系统相互作用后的动能平衡与温带气旋类似。斜压过程的动能产生率增加,摩擦在台风衰减过程中起重要作用。(3)在台风附近有大量的有效位能释放。通过台风系统的边界有大量位能注入环境大气。而在台风倒槽里新生的气旋,则从环境大气中得到位能。这种过程可能是台风与周围环境相互作用的一种主要方式。     

台风区和外围暴雨区的旋转风,散度风动能收支

用完全的散度风（ＶＤ）和旋转风（ＶＲ）动能收支方程对８１１６台风和８４０７台风以及８１１６台风与其外围暴雨区的关系作了讨论，结果表明：台风区的有效位能通过散度风动能（ＫＤ）转换为旋转风动能（ＫＲ），台风向区域外部输出功能，在暴雨区上空通过涡度，散度场相互作用的转换机制由ＫＲ向ＫＤ转换，散度风加大触发对流发展产生暴雨，这可能是台风与其外围暴雨联系的一种能量过程。     

近海突然加强台风能量场的诊断分析

用欧洲中心格点资料计算分析了近海三类突然加强台风加强过程中的能量学过程。结果表明：（１）台风突然加强过程中，旋转风动能的增加主要在低层，位能增加主要在高层。台风突然加强主要是低层的旋转风动能增加所引起的，它远大于辐散风动能的增加。（２）环境场通过边界平流输入台风内部的能量只是其增量的３０％左右，内部的转换量比增量大一个量级。（３）三类台风内部能量的转换机理不同。（４）环境场对近海台风突然加强的作用     

“96.8”暴雨过程的尺度分离动能方程的诊断

用尺度分离的动能平衡方程,对1996年8月3～5日华北地区台风暴雨过程雨区内的动能制造和转换进行诊断。结果表明:动能在暴雨发展过程逐渐减小,动能转换项也是逐渐减小的。暴雨发生前,尺度相互作用制造项GKMS起最重要的作用,大尺度动能制造项次之,中尺度动能制造项消耗少量的动能;暴雨发生时,尺度相互作用和天气尺度运动仍制造动能,只是比发生前明显减少,中尺度运动由消耗动能转变为制造动能,动能转换主要来源于低层且数值明显减少;暴雨发生后,动能制造项数值仍为正,此时天气尺度动能制造最重要,但数值比前两阶段小,动能的转换主要出现于高层。可见,此次暴雨过程总动能的制造项一直为正,主要出现于高层,只是其制造量逐渐减小;动能转换是从低层向高层进行的,水平转换项起主要作用,是一种尺度减小的动能转换过程。     

登陆台风动能平衡和转换的诊断

对一次登陆台风及其外围暴雨和环境的动能平衡以及天气尺度动能与中尺度扰动动能的转换进行了诊断分析，指出摩擦消耗和动能的水平输出是台风的主要能汇。台风消亡期间，外围暴雨区动能增大，动能制造项Ｇｋ是暴雨区的主要能源。Ｇｋ的增大可能与天气尺度动能转换成中尺度扰动引起暴雨的发展相联系。     

台风区和外围暴雨区的旋转风、散度风动能收支

用完全的散度风(v_D)和旋转风(v_R)动能收支方程对8116台风和8407台风以及8116台风与其外围暴雨区的关系作了讨论。结果表明:台风区的有效位能通过散度风动能(K_D)转换为旋转风动能(K_R).台风向区域外部输出动能,在暴雨区上空通过涡度、散度场相互作用的转换机制由K_R向K_D转换,散度风加大触发对流发展产生暴雨,这可能是台风与其外围暴雨联系的一种能量过程。     

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。     

一次北方台风暴雨(9406)能量特征分析

从能量角度分析了9406号台风在我国北方造成大范围暴雨过程,定量讨论了台风变性过程中显热能、潜热能和动能的时空分布特征、北方暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量的变化、以及动能的补充来源.发现:(1)虽然潜热能比显热能小1个量级,但潜热能平流大于显热能平流.热带气旋在获得西风带斜压能量之前,其总能量的维持主要来自潜热能的贡献,潜热能的贡献约是显热能的两倍.(2)台风远距离降水的突然增幅是中低纬度系统相互作用的结果.来自热带气旋的显热能平流与西风带显热能平流非线性叠加,导致槽前显热能明显增加,西风带槽迅速加深,降水突然增幅.同时,暴雨区高空动能下传的突然增强对暴雨突然增幅有贡献,而该高空动能下传的增加与6小时之前台风环流区大量潜热能量释放相对应.(3)台风进入影响区之前,在整个对流层有潜热能、显热能和动能直接从台风区输入暴雨区;在台风进入影响区之后,只有低空显热能平流保持继续向暴雨区输送能量.(4)台风进入影响区之后,北方暴雨区动能的补充主要来自对流层上层动能的下传、斜压不稳定能量向动能的转化和北方暴雨区西边界动能的输入.5个类似台风的合成分析支持了以上主要结论.得出的暴雨增幅模型可对预报台风远距离降水有指示作用.     

双台风生消过程涡旋能量、水汽输送相互影响的三维物理图像

重点研究“莫拉克”台风发展并登陆台湾,以及“天鹅”台风消亡阶段两者相互作用的问题。通过诊断分析发现“莫拉克”与“天鹅”移动过程存在双台风涡旋互旋、吸引与合并现象。采用双台风中心连线的垂直剖面移动坐标分析法可揭示出双台风涡度、风场三维结构,演变过程中双台风的涡度、动能强度呈反向变化关系,在双台风生消过程中,动能、位涡场分布存在显著“连体”通道特征。并揭示出双台风涡旋各自生、消过程水汽、动能可能存在的相互影响及其涡旋结构变化的内在关联。对“天鹅”消亡、“莫拉克”引发暴雨过程,采用Flexpart-WRF耦合模式模拟“质点群”轨迹,模拟结果再现了双台风生消阶段“天鹅”台风水汽“粒子群”向“莫拉克”低层气旋式输入通道,且在“莫拉克”涡旋高层反气旋式卷出的三维立体动态图像。通过剔除“天鹅”台风涡旋数值模拟试验进一步印证了“天鹅”台风趋于消弱过程其水汽、动能输送为“莫拉克”台风发展与维持做出了一定贡献。基于以上合成分析、轨迹和数值模拟技术综合分析提出了能揭示“天鹅”消亡、“莫拉克”发展过程能量、水汽输送相互影响的三维物理图像。     

华东地区台风暴雨的诊断研究

本文利用一个空间滤波器将物理量分解为天气尺度和次天气尺度,以两个路径相似但环流形势不同的台风暴雨作为例子,对不同尺度的环流及其动能平衡进行诊断研究,结果表明:中、低纬环流系统能否进行相互作用是决定台风暴雨强度和范围的一个重要条件。在8209号台风过程中,这种相互作用是明显的,因而,8209号台风暴雨的强度和范围均显著大于8304号台风。同时,8209号台风暴雨的能量过程突出地反映在次天气尺度的动能场上,相反,在8304号台风过程中,以天气尺度的能量过程为主要的能量特征。本文还特别指出,不能简单地认为登陆台风是一个动能的“准封闭系统”,在8209号台风过程中,台风从中、低层向外输出的次天气尺度动能是造成台风环流之外暴雨的一个重要物理过程。     

登陆台风与其外围暴雨的相互作用

本文对8116号登陆台风及其环境和外围暴雨区分别作了动能平衡的诊断分析,结果表明,动能制造是三个区域动能平衡的主要能源,动能水平辐散和摩擦消耗则是主要能汇。在台风登陆减弱过程中,暴雨区的动能增加。台风区上层动能水平辐散呈显著的不对称型。台风右侧次天气尺度强风带起了向暴雨区输送动能使暴雨得到发展的作用。暴雨发生后,通过暴雨区北界向环境输送动能,于是,台风辐散的动能通过暴雨区最后输送给环境。这种动能传递过程可能是台风与环境大气相互作用引起台风衰减的机制之一。     

近海台风结构和能量平衡的对比研究

本文以8006和8309两个台风为例，分析了近海台风的结构，指出其重要特点是运动场和热力场的显著不对称和只有弱的暖心。本文还着重对它们在近海及登陆后的总动能和涡动动能收支及加热场情况，进行了对比诊断研究。指出近海台风的不对称结构中，隐含着消亡机制，这是由于不对称的暖区和上升区都偏离台风中心且不相一致，使台风区有效位能向动能转换的过程很弱甚至反向。另外，如台风登陆后继续维持热带系统特点，未能迅速将主要能源由潜热释放转变为斜压过程，也易迅速消亡。在加热场方面，登陆后迅速减弱的台风，最大加热强度较大，其所在层次也较高。     

一个孟加拉湾低压动能收支的研究

本文用1979年夏季风试验时期(MONEX)得到的专门观测资料计算了孟加拉湾地区一个季风低压的能量收支,得到(1)无辐散风动能制造项是低压的主要动能制造项。在整个低压生命期,平均无辐散风动能制造为7.40瓦/米2,辐散风动能制造为0.67瓦/米2。这表明正压能量制造过程的重要性;(2)对于扰动动能收支,斜压能量转换和正压能量转换都有重要作用。另外通过边界通量,低压总是从环境得到扰动动能的。      

东海近海台风发生发展的动能收支

用2.5×2.5经纬距热带网格资料,对东海近海台风(以8211号台风为例)的动能收支进行了分析研究。初步结果表明,台风是一个强大的动能源,其发生发展不同阶段的动能平衡有着较大的差异,平均环流和涡动过程在台风的发生发展各不同阶段的作用不同。我们发现的主要事实有二,(一)在台风发展过程中,其中层有明显的动能制造过剩;(二)动能制造量的变化与台风未来的强度变化有关,具有一定的预报指示意义。      

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

1710号台风"海棠"登陆后漳州市远距离暴雨的能量特征

从能量角度分析台风和暴雨区显热能、潜热能和动能的时空分布特征,定量讨论台风强度长时间维持和暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量加强的成因以及动能的补充途径。结果表明:(1)台风中心和暴雨区上空潜热能比显热能小一个量级,但潜热能平流明显大于显热能平流,潜热能对台风中心和暴雨区总能量增量的贡献大于显热能。(2)台风远距离暴雨发生时,暴雨区低层是一个深厚的潜热能大值区,凝结潜热释放有利于暴雨发生,低层是显热能和气温低值区,冷区的存在增加了暴雨区上空斜压不稳定,对暴雨具有增幅作用。(3)区域外能量的补充是"海棠"登陆后强度长时间维持的主要原因,西南风急流是显热能和潜热能补充台风的主要途径,潜热能增量远大于显热能增量。(4)"海棠"登陆后强度长时间维持导致西南急流加强,暴雨区低层显热能平流和潜热能平流也得到加强。暴雨区西边界纬向动能平流的加强、中高层动能的下传和斜压不稳定能量的转化使低层动能得到加强。低层动能加强、能量的积累和冷区的建立为台风远距离暴雨的发生提供能量、动力条件和不稳定条件。(5)台风远距离暴雨的发生具有前兆性,暴雨区低层出现正能量平流时间提前强降水发生时间约12 h。     

1323号强台风菲特登陆后迅速衰亡的原因分析

利用中国气象局上海台风研究所最佳路径资料和NECP-FNL 1°×1°格点资料,分析了1323号强台风菲特(Fitow)登陆过程中环境条件、水汽和动能收支及其结构变化特征,研究其登陆后迅速消亡的原因。结果表明,"菲特"的消亡过程涉及与中纬度高空槽及另一台风的相互作用。登陆前,"菲特"从中纬度高空槽的相互作用中获得斜压位能,并从与另一台风丹娜丝(Danas)之间的偏东风低空急流中获得水汽输送,同时,高、低空急流的有利配置及较小的环境风垂直切变为其维持和发展提供有利条件。"菲特"登陆后,一方面与台风丹娜丝之间的水汽通道断裂失去潜热能的供应,另一方面冷空气侵入到台风中心,台风动能转化为斜压位能,同时高、低空风场配置加大其环境风的垂直切变,台风失去其结构特征而迅速消亡。     

华北盛夏台风低压暴雨的能量分析

利用辐散风和旋转风动能平衡方程,分析了1996年8月3日至5日由浙江沿海登陆北上的台风与西风带系统相互作用产生的暴雨过程．计算并分析了暴雨增幅时台风低压扰动区域内平均的动能收支和转换特征,揭示了台风低压维持的机制及其与外围暴雨增幅之间的关系,得到的结论可供制作北上台风及其暴雨预报时参考。     

夏半年青藏高原及邻近地区重大天气过程的能量学特征分析

本文应用波数域能量方程,对夏半年青藏高原3次重大天气过程合成分析,得出了连续20天左右的正压能量学中期物理变化过程.其主要特征为:(1)过程前中纬度和中低纬度6波动能迅速增长、发展,紧接着8波脉冲,且其能量主要由平均动能转换、波与波相互作用和净边界通量输送等获得.(2)在过程期间6波仍再次担当主要角色,并逐渐向超长波反串,其来源除L_1(n)外,还来源于平均动能转换率M_1(n).值得指出的是,低纬度净边界通量项BL_1(n)向中纬度的输送是其不可缺少的重要来源.(3)波与波相互作用项L_1(n)随时随波数在中低纬度呈现顺串的演变过程,而在中纬度却呈现反串的演变过程.