对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制.结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征.暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论.     

关于等熵位涡应用的一点认识

位涡、湿位涡及其守恒开启了(湿)位涡理论的较广泛应用,使(湿)位涡成为天气系统、天气现象演变的重要诊断物理量,能有效解释一些天气系统、天气现象的演变。为合理应用(湿)位涡及等熵位涡思维,简单分析了气象常用坐标中位涡、湿位涡表达式的限制性条件,强调此条件与(湿)等熵坐标成立的条件相同,指出z 坐标(湿)位涡与p、θ(θse)坐标(湿)位涡存在物理差异。在θ(θse)坐标中,气块的水平速度是相对水平面(地面)的移动速度,而非气块沿着等θ(θse)面的移动。在(湿)等熵位涡分析中,(湿)等熵位涡强度的变化,是平流、垂直输送以及非绝热过程的综合作用,不能简单归因为只由高层的(湿)等熵位涡异常向中低层传输、或中低纬的(湿)等熵位涡异常向高纬传送所造成。     

等熵位涡理论及其在天气分析中的应用

概述了等熵位涡的基本性质,结合个例分析,讨论了等熵位涡分析中的几个基本问题。     

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。     

西北涡暴雨的湿位涡诊断分析

利用常规的探空和地面观测资料、NCEP格点资料以及中尺度MM5模式,对2000年7月4～5日发生在华北南部的一次西北涡大暴雨过程的湿位涡场特征进行了诊断和分析.结果表明,中尺度低涡暴雨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＂正负区叠加＂的配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正压项的正值区南侧零线附近,斜压项的最大负值区对暴雨的落区和移动有指示作用.     

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。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

滇中暴雨的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论,对１９９８年６月滇中地区罕见的６场暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：θｅ面陡立且南侧暖湿气流活跃,易导致湿斜压涡度发展,形成θｅ陡峭密集区,密集区内暴雨容易发生;湿空气对流活动层仅能达到５００ｈＰａ至６００ｈＰａ之间,若对流层低层ＭＰＶ１〈０,同时ＭＰＶ２〉０,易产生暴雨。     

一次西南涡暴雨的湿位涡诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料对2013年5月25~26日发生在我国中东部大范围的暴雨过程进行了湿位涡诊断分析,结果表明:(1)暴雨发生时低层湿位涡明显增加,湿位涡正压项自底层至高层呈现出“负-正”的分布特征,湿斜压项负值中心的演变反应出斜压性在强降水发生时所起的重要作用;(2)本次暴雨过程分两个阶段,第一阶段主要是因为强垂直风切变作用,使得降水具有强对流特征;第二阶段则是由于斜压性作用,降水分布广、持续时间长;(3)干冷空气沿着等熵面向下入侵到低层负位涡之上会导致对流不稳定度进一步加大,垂直运动发展使得低层水汽抬升,凝结潜热释放有利于中低层低涡的维持和发展。      

位涡及位涡反演

对位涡概念发展史进行了总结并给出位涡反演原理 ,讨论了不同近似模式的位涡表达式及其拉格朗日守恒形式 ;对位涡特性研究方面的新成果作了总结 ;考察大量应用实例并指出存在的不足 ;最后对应用前景作了展望     

“等熵思维”到“等熵位涡思维”回顾与讨论

等熵位涡守恒与中纬度斜压扰动发展之间的诊断关系可用于对气旋发生发展的预报,并作为理解水汽图像的动力学场而在业务上使用。"等熵位涡思维"建立在等熵面分析的"等熵思维"基础上。本文首先依据基础的动力学理论,对等熵面上物理量场的动力学解释和业务应用作回顾和讨论,内容包括:等熵面随高度分布特征、等熵坐标中的垂直速度场、等熵面上水汽输送解释、等熵面上高空急流和锋区的特征等。其次,通过与等熵面物理量场分析和斜压二层模式准地转垂直运动方程的比较,着重回顾和讨论等熵位涡面上的物理量场和业务应用,内容包括:对流层顶定义及其温压湿分布特征、对流层顶等熵位涡面上急流和锋区的特征、对流层顶等熵位涡面上的垂直速度场、"等熵位涡思维"与气旋发展及位涡、水汽图像在改进数值预报模式中的作用等。     

广义坐标系η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（z)、气压坐标（p）或等熵坐标（θ）时的具体表达式。结果表明,由此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致。并且得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

On the Significance and Use of the Generalized Moist Potential Vorticity Equation

In this paper,the continuity and thermodynamic equations including moisture forcings were derived.Using these two equations and the basic momentum equation of local Cartesian coordinates,the budget equation of generalized moist potential vorticity(GMPV) was derived.The GMPV equation is a good generalization of the Ertel potential vorticity(PV) and moist potential vorticity(MPV) equations.The GMPV equation is conserved under adiabatic,frictionless,barotropic,or saturated atmospheric conditions,and it is closely associated with the horizontal frontogenesis and stability of the real atmosphere.A real case study indicates that term diabatic heating could be a useful diagnostic tool for heavy rainfall events.     

A Review of Potential Vorticity and its Possible Application in the moist Atmospheric Flow

Potential vorticity (PV) has been served as a powerful and useful dynamic tracer for the understanding of the large-scale dynamics and synoptic variations in the atmosphere and oceans. Significant progress has been made on the application of PV. In recent decades there has been a substantial amount of work done on PV in a general moist atmosphere. In this paper PV and the generalized moist potential vorticity (GMPV) and their application in the tropical cyclones and mesoscale meteorological field are reviewed. The GMPV is derived for a real atmosphere (neither totally dry nor saturated) by introducing a generalized potential temperature instead of the potential temperature or equivalent potential temperature. Such a generalization can depict the moist effect on PV anomaly in the non-uniformly saturated atmosphere. A new convective vorticity vector (CVV) is introduced in connection with GMPV in order to diagnose the development of tropical deep convections.     

梅雨期高位涡源区及其传播过程

分析了气候平均意义下梅雨前期及期间东亚地区等熵位涡（isentropic potential vorticity,简称IPV）的源区和演变过程。结果表明:梅雨发生前,东亚地区对流层高层经向位涡梯度减弱,而后这里的IPV开始向南延伸出高值带,形成“舌区”。同期对流层低层,经向位涡梯度出现反向,与南边位涡梯度大值带形成经向偶极子型并伴随梅雨发生发展。梅雨期40°N,120°E附近对流层顶折叠处有明显的位涡输送和质量交换。用10~90 d带通滤波和超前相关追踪IPV异常源区和传播路径发现,345 K的IPV异常场和梅雨期前后降水异常的相关系数最大值出现在前者超前后者10 d左右,位置在贝加尔湖东侧,这里是影响梅雨期降水的位涡源区。其向南输送高位涡空气主要在梅雨发生前的6月10日左右,高位涡异常空气沿2 PVU等位涡面以东北—西南路径向南输送,在2 PVU面最陡峭处堆积,然后穿越物质面快速下沉侵入40°N以南,并在对流层呈扇状铺开。因而,贝加尔湖东侧可能是影响梅雨的主要冷空气源区,是梅雨降水中期预报的一个关键区。     

2003年7月4～7日淮河流域特大暴雨等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对 2 0 0 3年江淮梅雨期 7月 4～ 7日淮河流域特大暴雨进行了天气动力诊断分析。发现 :等熵面上的西风急流将高位涡向下游输送 ,强西北气流穿越等压线形成强下沉气流 ,将高层和高纬的高等熵位涡向南输送 ,使得强降雨区维持高等熵位涡 ,是强雨带持续的重要原因。等熵位涡高值区与强暴雨有较好的对应关系 ,并具有预报指示意义     

位温、等熵位涡与锋和对流层顶的分析方法

等熵位涡分析是位涡理论的分析基础。此文的目的是介绍等熵位涡分析所必需掌握的基本概念和方法。文中从位温和位涡、对流层和平流层、锋和对流层顶的基本性质出发,讨论了锋和对流层顶在剖面图、等压面图及等位温面（即等熵面）图上的特征。文中给出了各种分析实例图形,并通过分析和对比指出：平流层的高位涡是对流层顶以上位温随高度急剧增加位温垂直梯度特别大的结果;位温垂直梯度是决定位涡分布的主要因子;等熵位涡图主要反映极地气团的活动,同时也是与极地气团密切关联的锋、急流、对流层顶的综合反映。最后提出了等熵位涡分析中需要避免的一些错误认识,特别是不能将等位温面上的流线当成轨迹的错误,并由此得出平流层空气侵入对流层下部的错误推论。     

Re-Examination of the Potential Vorticity Metrics for Determining Extratropical Transition Onset and Completion Times Using High-Resolution Data

Based on a high-resolution dataset, this note re-examines the recently developed potential vorticity （PV） metrics for determining extratropical transition （ET） onset and completion times. The PV metrics use average 330-K isentropic potential vorticity （IPV） to determine the ET onset time, defined as the 330-K IPV minimum time. However, the suggested 330-K IPV threshold fails to determine the ET completion time using the 20-km resolution data, and this IPV method cannot resolve reintensifying and weakening tropical cyclone cases due to the absence of differentiation of lower-level IPV tendencies after ET onset between these two groups of cases.     

登陆台风等熵面位涡演变的数值模拟研究

选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.引入Ertel等熵面位涡收支方程,深入分析了登陆台风结构演变的过程中绝热与非绝热作用对对流层低层位涡局地变化的影响.研究表明:台风温妮深入内陆的过程中,对流层低层台风中心西北侧位涡增长,且大值中心不再与台风中心重合;由于摩擦和非绝热加热的存在,对流层低层位涡不守恒,其局地变化主要决定于位涡的水平平流(守恒项)、位涡的垂直平流、加热的垂直微分(非守恒项)的分布;台风温妮变性前后,对流层低层位涡的守恒性逐渐减弱,非守恒项尤其是加热的垂直微分对位涡的局地增长的正贡献不断增强直至占有主导地位.