扰动与基本带状环流非线性相互作用的实验研究

本文用转盘实验的方法,研究了均质正压流体运动中扰动与基本带状环流的非线性相互作用。着重考察了两类典型初始扰动场——即迭加在基流上的槽状扰动和多闭合涡旋中心扰动结构的演变过程。发现:非线性相互作用过程是以波动形式表现的。两类初始扰动场各自经历不同的演变过程,并趋向于不同的平衡态。槽状扰动结构有利于基流对扰动动能的吸收,流场最终趋向于轴对称带状环流状态,而且纬向波数越大,吸收过程越明显。多闭合涡心结构不利于基流对扰动动能的吸收。基流与扰动在动能随时间的变化上表现出准周期性振荡。实验结果与旋转适应过程理论有很好的一致性。     

陕西中西部地区一次暴雨过程的数值模拟研究

利用多种观测资料和NCEP再分析资料,分析了2011年7月28-29日发生在陕西中西部地区的一次中尺度系统暴雨过程,运用WRF模式模拟研究了此次暴雨过程的中尺度系统环流特征及其发生、发展的动力和热力特征。结果表明,此次暴雨过程与高空槽的发展演变密切相关,低空切变线是暴雨过程产生的中尺度系统。暴雨区存在弱低空辐合与强高空辐散,正相对涡度与垂直上升运动明显;暴雨发生前对流有效位能(CAPE)明显增大,未来3 h降水区域位于850 h Pa切变线和CAPE高值区附近,强垂直运动触发CAPE的释放,使其在12 h内减少量达2200 J·kg-1,是形成此次暴雨的重要因素。暴雨发生、发展过程中,非线性平衡方程残差大值区与未来1 h降水区相对应,与质量场和动量场之间的调整有密切关系,大气运动的不平衡通过散度场的变化调节,在中尺度区域激发出辐合、辐散的快速增长,从而激发出暴雨天气,非线性平衡方程残差值是表征激发暴雨天气的重要动力因子。     

重力波对青藏高原东侧一次暴雨过程的影响

采用WRF（weather research and forecasting）模式输出资料、NCEP/NCAR1°×1°再分析资料以及地面站降水资料,对2009年7月31日至8月1日四川省一次暴雨过程进行了分析。结果表明：水汽辐合区与降水区基本一致;散度场、水汽通量和水汽通量散度对降水具有较好的指示作用。在降水之前的6h中,降水中心上空的大气层结基本稳定,这种层结条件并不利于对流运动发生和发展;但是通过对散度场、非线性平衡方程和理查森数的分析,发现在暴雨开始前存在着中尺度重力波,它激发了对流运动的发展,而对流运动对暴雨的发展起到了主要作用。这说明,在整个暴雨过程中,只有同时考虑中尺度重力波与对流运动的相互作用,才能较完整地解释雨带的强度和特征得以发展和维持的原因。     

2007年8月登陆台风帕布、圣帕暴雨过程诊断分析

采用T213L31模式大气分析资料,诊断计算天气学中的凝结函数降水、水汽通量散度降水,并理想设计与诊断计算气层对流不稳定降水和层结不稳定降水,用于对2007年8月间西太平洋登陆台风帕布和圣帕降水运动进行诊断计算与分析。结果表明:热带扰动中凝结函数降水场呈弱态,但有较强水汽通量散度降水场,且水汽辐合降水运动组织对流不稳定降水和层结不稳定降水。在热带扰动发展与台风形成时,其低层风场水汽辐合与积云对流相互作用的过程,同时是气层对流不稳定能量与气块(团)湿不稳定能量的积聚过程,前者可带来暴雨,后者可带来大暴雨。相关天气学分析表明:台风暴雨是大尺度风场及中尺度水汽辐合降水运动组织起中、小尺度气层、气块(团)对流降水运动,对流性降水是由风场支配故变化较大、较快。     

一次高空槽与西南涡耦合造成的华北暴雨过程分析

2010年7月18-20日西南低涡东北上影响华北,造成了华北地区大范围大暴雨过程。本文利用NCEP/NCAR 1o×1o再分析场资料,分析了本次西南涡北上加强的原因和造成河北大暴雨的形成机制。结果表明：西南涡是这次华北暴雨的主要影响系统,暴雨的持续与西南涡和中纬度高空槽（低涡）的耦合过程密切相关;高、低空急流相互作用,有利于低层上升运动的发展和加强;高空湿位涡扰动下传,使得西南低涡发展加强;暴雨发生时,其上空正涡度中心和强散度中心相耦合,强的上升运动对低层水汽辐合抬升产生暴雨十分有利;中低层的高能高湿为低涡的发展和暴雨的维持提供了能量和水汽。     

1991 年江淮流域暴雨中不同尺度系统的相互作用

通过对1991年7月1～5日东亚地区网格点资料平滑滤波，将大气运动分解为大尺度背景场和中尺度扰动场。采用p坐标中湿大气动力学方程组，在两层模式中得到含有不同等压面、不同尺度系统非线性相互作用的方程组。经过简化，得到表征低层约700 hPa中尺度系统发展的物理量。低层系统的发展和衰减决定于该物理量的正负，也就是决定于200、500、700 hPa各等压面不同尺度的运动场、涡度场和温度场之间的相互作用。     

桑植县一次连续性暴雨成因分析

利用常规天气资料、物理龌场资料、云图资料及非常规高密度等资料,分析了2008年8月15～16日湖南省桑植县出现的一次连续性暴雨过程的水汽来源、扰动机制和强对流运动,解析了"深厚的水汽辐合和伸展到对流层顶的饱和水汽柱、对流层中涡度散度场的合理配置、经向次级环流叠加所形成的强对流运动"是这次连续性暴雨产生的有利条件.此外,还阐明了"向外长波辐射通量(OLR)"资料也对"强对流运动"具有明显的指示作用.     

一次暴雨过程中非线性亚临界对称不稳定的机制分析

对2005年7月5日20时-12日08时淮河流域、安徽中北部的降水过程诊断分析,并利用WRF模式对7月6日08时-7日20时安徽中部的暴雨过程进行数值模拟,结果表明:(1)2005年7月5日20时-12日08时降水过程可分为2大段,非线性亚临界对称不稳定可能是该时段强降水形成的重要机制;(2)u和v两分量扰动增强均超前于暴雨的增强,并对强暴雨的发生有指示作用;非地转作用达最强和冷暖空气达最强分别对强暴雨发生也有12或24 h的指示作用;(3)得到降水强度、高低空急流及其扰动风场这5者极大值的时空配置;(4)得到暴雨前期,高低层涡度场和散度场的时空配置特征.由以上4点及垂直上升气流的变化提出非线性亚临界对称不稳定激发强暴雨形成的新的物理机制.     

暴雨量经验计算公式

暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物,是中尺度天气现象。形成的原因很复杂,既涉及小扰动在大尺度环境中发生和增长的问题,又涉及到小扰动发展时对大尺度场的反馈问题,而这些问题都尚未解决。因此,目前暴雨预报准确率很低。为了探索暴雨量的预报,本文从产生暴雨三个条件入手,试验了一个区域暴雨量计算公式。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制Ⅱ.涡旋Rossby波的形成

使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源.结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p'和扰动涡度ζ'在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D'和扰动垂直速度w'在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ'与扰动散度D'在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同.局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能.最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程.采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论.     

青藏高原切变线对四川盆地西部突发性暴雨影响的数值试验

使用η模式对１９９５年８月２４日四川盆地西部一次突发性暴雨进行了数值模拟和无高原切变线、无西昌小高压的数值试验。由试验结果分析得出：（１）高原切变线活动可使四川盆地西部暴雨增强，而西昌小高压的存在则便四川盆地西部暴雨减弱；（２）高原切变线活动使暴雨增强的主要机制是暴雨区上空对流层低层流场辐合、上升运动、正涡度、水汽通量辐合和对流层中层流场辐合、水汽通量辐合等的加强；（３）对流层低层的动力、水汽条件     

青藏高压前部突发性局地强暴雨的初步研究

本文通过对一次500hPa青藏高压前部的突发性强暴雨天气的诊断分析，揭示了暴雨产生的环境场特征。利用带通滤波方法,分析了与暴雨天气密切相关的中尺度系统及发展机理，获得了一些对业务预报有指导意义的结果。     

台风“苏迪罗”螺旋雨带造成福州特大暴雨成因分析

受2015年第13号台风“苏迪罗”影响,福州出现特大暴雨。为研究台风登陆前局地强降水与地形的关系,针对福建长乐雷达的0 °仰角数据进行了风场反演,得到福州低空风场在强降雨发生时的结构及演变特征,综合利用NCEP 1 °×1 °再分析资料及福州三维地形数据,探索了福州地区持续性短时强降水的发生原因。结果表明:(1) “苏迪罗”影响期间正值南海季风爆发期,为台风提供了充沛的水汽;(2)强降雨发生时,福州地区存在正涡柱,配合强烈上升运动,为短时强降水的发生提供良好的动力条件;(3)雷达风场反演显示:当福州环境风场为东北气流,有一持久、稳定的分流区出现在福清北部,随着台风靠近,环境风逐渐由东北转为偏东风,分流区的位置也一直向内陆延伸,分流气流与台风环境气流形成了明显的辐合带,激发了螺旋雨带内中尺度对流云团的发生发展,造成短时强降水;(4)台风环境气流进入福州后出现的分流现象与福州的盆地地形有关。      

与2003年梅雨期西太副高东西向运动有关的热带上空东风带扰动的结构和演变特征

利用NCEP/NCAR 1 000～10 hPa 2.5 (×2.5 (的再分析资料,分析了与西太平洋副热带高压(简称西太副高)东西进退相关系的热带对流层上空东风带扰动(简称EV)的结构和演变特征.结果表明:西太副高与其南侧的东风带扰动存在同时西进的过程,当西太副高南、北两侧的东、西风带上的扰动在相向运动中抵达同一经度上时,西太副高出现异常东退.热带对流层上空东风带扰动为中高层天气系统,它从对流层中层伸展到50 hPa高度附近,在200 hPa上表现得最为明显,在热力场上表现出"上暖强下冷弱"的垂直分布特征;在西太副高东退时,东风带扰动东西侧的辐散效应和垂直运动的性质发生了显著变化,东风带扰动中心附近的垂直速度场出现从上升运动到向下下沉运动转化的过程.     

大范围暴雨过程涡旋场特征的滤波试验

本文着眼于大范围暴雨过程天气尺度系统的诊断研究。采用平滑滤波的方法分解行星尺度及天气尺度谱,计算了暴雨过程不同尺度谱的涡旋场、散度场分布及演变趋势,对天气尺度系统的分布特征、低空急流发展的动力因素进行了分析,且运用描述不同尺度谱的变形涡度方程,对天气尺度系统的移动、发展进行了诊断研究。本文的数值分析表明滤波方法有助于进一步揭示大气运动的多尺度特征,深入认识暴雨过程的动力机制。     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

华南前汛期暖区暴雨流场结构的特征

采用国家气象中心整编的１９５１－１９９０年中国１６０测站的月平均温度和月总降水量资料以及北半球５００ｈＰａ月平均高度场和海平面气压场资料，讨论近４０年来中国气候型转变与北半球大气环流特征的变化关系。     

华南前汛期一次大暴雨过程的扰动位涡反演与数值研究

利用NCEP 1°×1° 6h再分析资料、位涡反演和数值试验方法,分离与不同物理过程有关的扰动位涡进行反演诊断．在此基础上移除模式初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡反演的平衡场进行敏感性试验．对2006年5月21—22日一次热带扰动系统北上在广东珠江三角洲地区引发的大暴雨天气过程进行了探讨。结果发现：对流层中低层与潜热释放有关的正扰动位涡是影响热带扰动形成、维持及发展的主要因子之一;与潜热释放无关的扰动位涡对副热带高压的形成和维持有重要作用,影响热带扰动系统的移动路径;边界层内的扰动位涡有利于南海热带洋面北上气旋性扰动的发生、发展与维持;中高层扰动位涡对气旋性扰动系统的直接影响很小;下边界扰动位温不利于气旋性扰动系统的形成、维持与发展。数值敏感性试验表明,初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡在暴雨数值模拟中有重要作用,它们不同程度地影响热带扰动的强度、活动路径的模拟．并影响暴雨强度和落区;与非绝热物理过程有关的扰动位涡很大程度上影响暴雨强度,而与非绝热物理过程无关的扰动位涡很大程度上决定暴雨落区。     

COMPARISON OF THE EFFECTS OF ANOMALOUS CONVECTIVE ACTIVITIES IN THE TROPICAL WESTERN PACIFIC ON TWO PERSISTENT HEAVY RAIN EVENTS IN SOUTH CHINA

The different effects of anomalous convective activities in the tropical western Pacific on two persistent heavy rain events in South China in 2005 and 2006 have been compared in this study. The dataused consist of NOAA Outgoing Longwave Radiation (OLR) data, the NCEP-NCAR reanalysis and precipitation from meteorological stations in South China. Results show that the persistent heavy rain in 2005 was related to the 10-25-day westward propagation of convective activities in the tropical western Pacific from about 150 °E. The physical mechanism is interpreted as a Gill-type response of subtropical anticyclone westward extension during weak convective activities period over the Philippine Sea. Our researches also show that the persistent heavy rain in 2006 has longer period than that in 2005, and the subtropical anticyclone persists westward in the earlier summer which is possibly related to the lasting anomalous strong convective motion in the southern branch of Intertropical Convergence Zone (ITCZ) in the tropic western Pacific. The anomalous convective activities affect the local Hadley circulation over the western Pacific with anomalous ascending motion south of the equator and anomalous descend motion north of it, in favor of the westward extension of the subtropical anticyclone for a long time. Comparison between the two persistent heavy rain events indicates different physical effects of convective activities in the tropical western Pacific, though both effects are helpful to the subtropical anticyclone westward extension as a common character of large-scale circulation backgrounds for persistent heavy rain events in South China.     

影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征

利用合成方法对３次西南涡过程的流场，温湿场和涡度场等进行了分析。结果指出：沿切变线存在风场的中尺度扰动，低涡的尺度为２５０－３００ｋｍ，中低层有两支不同性质的气流流入低涡区，降水主要发生在低涡移动方向右侧的两象限。温湿场和铅直流场在低涡区呈现明显的不对称分布，低涡是一个显著的斜压系统。