青藏高原地表位涡密度强迫对2008年1月中国南方降水过程的影响Ⅰ:资料分析

位涡外部源汇是驱动大气环流的原动力。文中详细介绍了地表位涡制造和位涡密度强迫的联系,讨论了不同坐标系中位涡密度方程的特点及其在应用中应当注意的问题。还以2008年初南方低温雨雪冰冻灾害为例,探讨了青藏高原地表位涡密度强迫及东传对下游地区对流性天气发生的影响,拟由此揭示青藏高原位涡密度强迫激发中国东部激烈天气发生的一种新机制。伴随着青藏高原地表正位涡密度的东传,下游地区对流层中高层出现纬向正绝对涡度平流,气旋性环流增强,从而促使低空南风发展,为南方地区提供充沛的水汽条件。另外,南风的增强有利于低空经向负绝对涡度平流的加强,从而使南方地区高、低空形成绝对涡度平流随高度增大的大尺度环流背景,有利于上升运动的发展。上升运动的加强又促进低空南风气流的增强,使高、低空绝对涡度平流随高度增大的环流背景进一步增强,最终导致降水的产生。      

位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ω_ID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表...     

一次爆发性气旋引发东北地区暴雨成因分析

利用2016年5月2—4日NCEP的FNL 1°×1°再分析资料和GDAS的1°×1°再分析资料、地面观测资料,运用天气学分析、等熵位涡、物理量诊断和水汽来源追踪等方法,从大尺度环流背景、水汽源地和输送、动力和热力机制、等熵位涡等方面对2016年春季一次地面气旋爆发性发展导致的东北地区暴雨天气过程进行了分析。结果表明:位于40°N附近的黄淮气旋北上加强发展,2日14时至3日14时中心气压下降24 hPa,超过爆发性气旋的定义标准。500 hPa高空槽快速加强发展为闭合低涡,低空切变线加强发展为低空低涡,其东部形成明显的低空急流,为暴雨区提供水汽和热量,为东北地区典型的暖式切变降水。等熵位涡自320 K高层向305 K低层输送下传,并逐步向南向东移动,高空正位涡的下传促使地面气旋快速发展,上升运动加强,有利于暴雨的出现。比湿在6 g·kg^(-1)以上对东北地区春末夏初暴雨预报有一定的参考意义。水汽主要来源于东海、黄海及西北太平洋。暴雨区与850 hPa水汽通量散度的负值区、700 hPa垂直速度和850 hPa绝对涡度大值区较为一致,强降水区与850 hPa相当位温密集带和暖区锋生区相对应,降水位于能量锋区以及偏暖区一侧。     

平流层-对流层相互作用研究进展：等熵位涡理论的应用及青藏高原影响

系统介绍了近年来应用等熵位涡理论研究平流层-对流层动力相互作用所发现的一些新的事实和机理,包括平流层冬季极涡振荡过程中平流层、对流层环流异常的时空传播特征,以及等熵质量理论框架下的平流层-对流层动力耦合机理,还介绍了影响平流层环流年际尺度异常的因子及影响过程。回顾了夏季青藏高原的热力作用所激发的负位涡强迫源对东亚及全球大气环流的影响。并基于对夏季高原周边等熵位涡经向输送垂直分布的诊断进一步说明,夏季青藏高原的存在使高原东缘及东亚地区成为平流层和对流层物质交换的独特区域,探讨了夏季青藏高原影响平流层-对流层动力耦合的一种重要途径及其影响全球气候的重要意义。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

南疆西部干旱区两次极端暴雨过程对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料、ERA5分析场数据等资料,对南疆西部两次极端暴雨过程的环境条件和形成机理进行对比分析,以更深入理解南疆极端降水特征和产生机制。两次过程分别发生在春季和夏季,高层环流存在显著差异,南亚高压分别呈东部型和双体型,但配合中层的“阶梯槽”形势,均为极端降水提供了特殊有利的环流背景。低空700～850 hPa偏东急流是南疆西部极端降水发生的重要天气系统,其不但是暴雨发生地主要水汽通道,还与地形形成强烈辐合,是极端降水重要的触发和水汽集中机制。引入二阶湿位涡对两次暴雨过程的非均匀特征及可能产生机制进行了对比分析。结果表明,二阶湿位涡高值区与降水的发展演变呈现较高一致性,二阶湿位涡主分量包含对流稳定度与绝对涡度垂直梯度的耦合,体现极端降水大气的主要动热力结构特点:发生在2021年6月15～16日的夏季过程,极端降水区主要位于昆仑山沿线,与塔里木盆地南侧强烈的低层气旋性旋转有关,旋转促进水汽快速集中,垂直方向表现为中层负涡度叠加于正涡度之上,垂直涡度梯度显著,同时水汽抬升凝结,中层大气加湿加热,对流稳定度在垂直方向非均匀性增强,两种垂直梯度结构均有助于垂直运动增强,促进极端降水形成;发生在2020年4月17～24日的春季过程,降水主要位于南疆西部喇叭口地形区,“阶梯槽”形势造成的越山干冷气流和塔里木盆地的偏东暖湿气流辐合,形成中层正涡度带,激发上升运动,是极端降水的主要成因。     

西北地区东部一次连阴雨过程等熵位涡分析

应用等熵位涡原理,对2005年5月中旬西北地区东部的一次连阴雨过程进行了诊断分析。结果表明:影响这次连阴雨过程的大环流背景是乌拉尔山附近存在一高压脊,同时在巴尔喀什湖附近存在一不断加深的槽;这次连阴雨过程是由高原不断生成的低涡与北边分裂下来的冷空气所共同造成的;由于青藏高原大地形的作用,等熵面上高位涡沿高原北侧向下游输送;等熵位涡高值区与降水区有较好的对应关系,IPV正值区能够反应冷空气的移动,具有较好的预报指示意义。     

黄河气旋暴雨过程发展演变成因分析

2016年7月19-21日华北地区出现了一次影响范围广、累积雨量大、持续时间长、局地雨强大的极端强降水过程,强度仅次于1963年8月8-9日极端降水事件,河北多地及北京的降水总量和持续时间超过2012年"7·21"特大暴雨。本文利用地面自动气象站、气象卫星以及NCEP再分析等资料对导致此次特大暴雨的环流配置尤其是黄河气旋的发生发展等特征进行分析。结果发现,深厚的华北低涡、与低涡相联系的西风槽、副热带高压以及低涡诱发的黄河气旋是此次暴雨的直接影响系统。副高的阻挡使得气旋移动缓慢,且移动过程中两次呈现逆时针旋转路径。地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层正涡度平流之差较大的区域移动。同时,由于降水产生的凝结潜热释放和上升运动产生的正反馈作用,引导气旋向上升运动强的地方移动。强降水造成的潜热反馈对低层位涡增长起了重要的作用,有利于地面黄河气旋系统生成。同时,高空高位涡沿等熵面下传与低空系统耦合,并与地面气旋上空的暖平流成正反馈作用,进而导致地面黄河气旋迅速发展。卫星水汽图像水汽暗区的干带具有高位涡特征,将其与高层位涡场结合分析,有助于在水汽图像上对高空动力特征的发展演变进行判断,为温带...     

高原夏季风对中国夏季极端降水的影响研究

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料和571站逐日降水资料,探讨了高原夏季风对中国夏季极端降水的影响机制。结果表明:(1)高原夏季风强(弱),东北、黄河河套、华南和四川西部地区夏季极端降水偏少(多),长江流域、南疆、青藏高原东侧边缘地区夏季极端降水偏多(少)。(2)中国东部从北向南呈现出明显纬向带状的"-+-"遥相关型相关分布。(3)中高层环流系统特征、中低层风场特征、水汽输送特征和湿位涡特征是高原夏季风对夏季极端降水影响的物理机制。     

1980年夏季华北干旱时期东亚阻塞形势的位涡分析

本文用准地转位涡对1980年夏季（7月1日—9月10日）华北干旱时期东亚阻塞形势的平均特征及其维持机制进行了诊断分析。发现东亚阻塞高压是一个具有异常低位涡的深厚暖性反气旋系统。它的维持一方面与上游乌拉尔长波槽的涡旋强迫输送有关,另一方面,更为重要的与来自青藏高原上空的低位涡空气输送有关。准地转位涡的收支计算表明,涡动强迫作用与平均气流的平流作用基本上相平衡,因而涡动对位涡的输送是使阻塞区维持异常低的平均位涡,阻止阻塞高压向下游平流的重要机制。     

北半球阻塞高压的维持Ⅱ:瞬变扰动强迫和平均流位涡平流的形成

着重探讨大西洋阻高和东亚阻高个例中瞬变扰动位涡（涡度）输送强迫和太平洋阻高中平均流位涡平流的形成机理。结果表明，扰动在阻高西南部西风分流区因形变而产生的扰动拟能向更小尺度串级过程，并不是扰动位涡输送强迫形成的必要机理。扰－流相互作用在阻高西（北）部非分流气流中也十分显著。数值试验表明，这一相互作用也可能是扰动强迫作用形成的机理。而青藏高原和附近海陆对比的强迫作用则可能是太平洋阻高中平均流的位涡平流形成的重要因素。对比分析表明，阻高维持机制的地域性差别可能与其上游（如青藏高原地区、落基山脉）地形和热源强迫作用不同有关。     

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。     

1998年夏季两例青藏高原低涡结构特征的比较

利用1998年Micaps历史天气图、1998年第二次青藏高原科学试验资料和NCEP/NCAR 1°×1°分辨率的再分析资料,对该年夏季两例移出与未移出高原的低涡活动过程及特征进行了对比分析,结果表明,移出与未移出高原低涡的低涡结构特征差异显著:(1)移出高原低涡,低涡环流呈圆形,厚度有3000 m左右,降水区呈环状分布;未移出高原低涡,低涡环流呈椭圆形,厚度为1500 m左右,降水区在低涡的南、西南方。(2)移出高原低涡,低涡区内绝大部分为上升运动区,并且强度在加强、区域扩大;未移出低涡,涡区内上升运动在减弱,上升运动区在缩小。(3)移出高原低涡,涡区内斜压性强,比未移出的大近一倍。(4)移出高原低涡,涡区内500 hPa有高位涡沿东北方向向上输送位涡平流,未移出高原低涡的有次高位涡沿东南方向向下输送位涡平流。(5)移出高原低涡是下层‘正涡度、暖区’、上层‘负涡度、冷区’;未移出高原低涡是下层‘正涡度、冷区’、中层‘负涡度、弱暖区’、上层‘正涡度、冷区’。     

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。     

青藏高原东部边缘一次大暴雨发生机制研究

2007年8月25～26日青藏高原东部边缘发生1次成灾十分严重的大暴雨过程。利用NCEP(1°×1°)资料对暴雨的影响系统、水汽输送进行了分析,并用位涡理论对此次暴雨的发生机制进行了研究。结果表明:副热带高压边缘强盛的水汽输送,暴雨区上空强烈的水汽辐合是暴雨发生的重要原因,暴雨发生前的强烈不稳定为暴雨的发生提供了热力条件;此次暴雨过程中,西北冷低压槽在青海东部和甘肃中部影响较弱,它在气压场上表现不是很明显,仅在暴雨区附近形成弱风切变;而325K等熵面位涡对此次暴雨的发生系统具有明显的指示意义,高值位涡的冷空气沿着陡峭的等熵面下滑到底层,由于位涡守恒,从而促使低层垂直涡度急剧增大,从而导致了此次暴雨的发生。     

引发川东暴雨的“鞍”型大尺度环流背景及西南涡发展的诊断验证

本文在已有研究基础之上,利用2004年9月1～6日川东地区暴雨过程的观测资料,从大尺度环流、水汽输送和温度平流,并利用湿位涡的垂直和水平分量（Pm1和Pm2）以及相当位温诊断分析并验证川东暴雨发生的＂鞍＂型大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程,其结果表明如下：（1）在此次暴雨发生期间,仍存在显著＂鞍＂型大尺度环流配置;（2）在＂鞍＂型场大尺度环流背景下,强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地,而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部,受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带,同时,由于两支气流输送着大量的水汽,暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区;（3）在＂鞍＂型场作用下,盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气,而在高层有两股冷干空气侵入,从而导致了盆地内低涡系统强烈发展,由湿位涡的诊断表明了在暴雨发生期间,在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵,引起了垂直对流不稳定,即Pm1〈0,并向盆地东北部发展,从而使此区域气旋性涡度不断加强,即低涡强烈发展;并且,在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用,正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性,这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域;（4）＂鞍＂型场大尺度环流背景、孟加拉湾及南海水汽输送辐合、川北冷空气侵入,西南低涡发展是川东暴雨发生的共同特征。     

一次东移高原低涡的天气动力学诊断分析

利用地面和高空常规观测资料、NCEP 1°× 1°再分析资料以及时空分辨率较高的 TBB 资料,对造成我国长江流域强降水的一次高原低涡东移过程进行了天气学和动力学诊断分析.主要分析了低涡移动、降水分布及水汽输送、假相当位温和湿位涡等物理量.分析表明此次高原低涡随其东部低槽移出高原,降水主要发生在低涡的东半侧并在低涡移出高原后增强.当低涡与热带气旋合并时,产生强降水,造成了长江流域的汛情.卫星 TBB 图与降水时段和落区对应较好.水汽通量散度场的分布较好地反映了水汽的集散情况,其辐合区与降水区相对应,强辐合中心与强降水中心一致,且强降水中心位于 850 hPa θse 等值线密集区和 500 hPa 的高能区.低涡降水的发生发展与湿位涡的时空演变有很好的对应关系,湿位涡正负区的叠置是低涡暴雨发展的有利形势,强降雨区发生在对流层低层湿位涡正压项的正值区东北和东南侧零线附近,而湿位涡斜压项的负值区对暴雨的落区和移动有一定指示意义.     

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长(>48小时)的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长（〉48小时）的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

海南岛"0810"特大暴雨物理量诊断及多普勒特征分析

应用常规观测、海口多普勒回波及NCEP1×1°再分析等资料,对2008年10月12～15日海南特大暴雨成因进行诊断分析,并揭示了暴雨过程中的多普勒回波特征.结果表明:导致海南岛产生强降水的主要原因是热带低压移动缓慢和弱冷空气的低层入侵;当冷暖空气交绥,大气温湿结构发生突变,θse面陡立造成对流系统斜压发展,激发位势不稳定能量释放.正差动假相当位温平流意味着低层暖湿空气的平流大于高层,加强了层结对流不稳定发展;在斜压扰动作用下,对流层中层正差动涡度平流和低压东侧的暖平流破坏了海南岛的准地转平衡,动力强迫和热力强迫共同作用激发了次级环流,导致暴雨区上空的垂直运动的发展,促使暴雨增强.充沛的水汽输送及水汽的强烈辐合,为暴雨发生的有利水汽条件.多普勒径向速度揭示了暴雨区低层冷平流高层暖平流、风向风速的垂直切变大的垂直结构以及持续性的强烈辐合等等特征,回波停滞和"列车效应"使降水增幅,降水回波的性质差异,可造成强降水区域分布的不同.