垂直气流的气球探测方法(上)

大气的垂直气流是风云变幻的重要动力因子之一,垂直气流是由于热力场不均匀性造成空气浮升或下沉;水平流场使大气堆聚或空缺以及沿山坡的强迫抬升和冷暖气团界面的影响等造成的空气在垂直方向的运动。湿空气垂直运动最直接的产物就是变化多端的云雾。     

急流

急流一般是指出现在对流层上部或平流层下部的一支风速较大、范围较窄的气流。它的宽度约几百公里,厚度约几公里,长度可伸延几千公里。 究竟风速多大才算急流?世界气象组织的定义是,最大风速达到30米/秒或以上,垂直方向的风速切变达5—10米/秒/公里,水平方向的风速切变5米/秒/100公里才算急流。 急流带中风速最大区域的连线称为急流轴。在天气图上常用急流轴来表示急流带。沿急流轴上的风速并不是均一的,一段大些,另一段小些。急流带中蕴     

热带气旋低层水平流场的平面动力系统分析

利用中国气象局上海台风研究所整理的热带气旋最佳路径资料,热带气旋云图、气象雷达回波图资料,ECMWF ERA-Interim再分析风场资料;并用大气运动方程和天气学原理分析得到热带气旋低层水平流场结构,根据流场建立平面非线性自治动力系统。结果表明,TC在成熟阶段或发展很强时期,由两组二维驻定微分方程组解确定水平流场,TC眼区以内气流沿顺时针方向流动,TC眼区以外气流沿逆时针方向流动。TC眼区内外相反方向风场之间为风向切变圆环,圆环上不断有气旋形成,并存在低空急流,是狂风暴雨出现区域。结论与合成雷达回波观测结果一致。      

切变基流中赤道Kelvin波及纬向对称扰动的稳定性

本文使用赤道β平面下的热带大气Boussinesq近似方程组,分析了纬向切变基流中的赤道Kelvin波以及纬向对称扰动的稳定性。研究结果表明,在纬向基本气流只具有y方向水平切变的情况之下,基本气流在y方向的切变并不能导致Kelvin波发生不稳定,只能导致不同的纬度上对应于Kelvin波传播的相速度有所不同。扰动位势和扰动风速等物理量在y方向的分布特征与基本气流无关。在只考虑垂直切变基流时,要存在稳定的相对于平均基流向东传播的Kelvin波必须要满足Richardson数Ri>2的条件。基本气流在垂直方向的切变也不能导致Kel-vin波发生不稳定,只能导致Kelvin波的相速度发生Doppler频移效应。扰动位势以及扰动速度在y方向的分布特征与基本气流在垂直方向的切变有关。当风的垂直切变大于零时,对流层低层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快;而当风的垂直切变小于零时,对流层高层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快。对于沿纬圈方向的对称天气系统,只要风的垂直切变较大,满足Ri<1时,低纬重力惯性内波一定会发生不稳定。而当基本气流的垂直切变较小(Ri>1)时,本文则给出了该扰动发生不稳定的判据条件。只要风的水平切变足够大,大于某一临界值(该临界值与垂直波数m,β因子,静力稳定度N2以及Richardson数Ri有关),在赤道y—z平面上的重力惯性内波也会发生不稳定,从而引起这种沿x轴对称扰动的激发产生与发展。     

一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。     

对流运动中水平旋转气流动力作用的数值分析

用轴对称动力方程组研究对流运动中水平旋转气流的作用,结果表明,有水平旋转气流存在时,将使对流运动中下部的上升气流明显加强,上部减弱,使调整后的垂直气流结构强度增加,强中心高度变低,对流厚度变薄.这有利于解释超级单体的稳定持续发展和对流强度大而云层并不厚的观测事实. 通过对气压场调整的分析,可以认为水平旋转气流对垂直运动的作用是通过气压场的变更而实现的.     

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析.结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3-7 min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0.阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度.此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性.     

垂直切变气流中热带波动的结构

认识热带波动的垂直结构对于揭露热带大气运动在上、下层间联系的本质以及天气预报实践都有重要意义。由于低纬地区风、压场的地转风关系不再适用,同时,水平温度场比较均匀,因而,大气上、下层间的联系不再象中、高纬度地区那样可以简单地用热成风关系来描述;又由于大气上、下层的基本气流往往有不同的方向,基本气流垂直切变的作用不容忽视.可以预料,热带大气波动的垂直结构是有其独特性的。本文利用伽辽金方法.导出一个求解切变气流中热带波动的一般性解法,并通过数值计算结果的分析,讨论垂直切变气流中热带波动的垂直结构特征.在本文中,我们将集中讨论热带对流层的Rossby波.      

考虑空气对流运动的阵风风速计算

众所周知,在同样的气压梯度下暖半年地面风速值特别是阵风风速值白天大于夜间(有时大1—2倍)。风速的这种增大现象和空气的垂直对流运动有关。从实质上说,空气的上升和下降运动就是由空气输送总速度的垂直分量或是由风的垂直分量引起的。强对流中,风速上升分量可超过10米/秒。     

2003年夏季梅雨期一次强气旋发展的位涡诊断分析

通过位涡诊断和回推轨迹分析, 对2003年夏季梅雨期间一次强江淮气旋的发展过程进行了研究。结果表明: 气旋发展初期, 非绝热加热在气旋的低层发展中起了主要作用, 随后由于高层水平平流的增强, 通过垂直平流使高低层大值位涡耦合在一起, 从而使气旋迅速发展。从中、 高、 低层对位涡柱形成所起的作用来看, 低层主要是非绝热加热, 中层是垂直平流, 而高层主要是水平平流; 从构成气旋的气流来说, 在气旋迅速发展阶段, 低层主要以西南暖湿气流为主, 高层 (500 hPa以上) 主要以沿急流轴下降的高层干冷气流和对流层底层流向气旋东北部并迅速上升的暖湿气流为主。高低层冷暖空气的相互作用主要发生在600 hPa及以上层次, 因凝结加热引起的垂直运动通过垂直平流可能在冷暖气流相互作用和上下大位涡的垂直耦合中发挥了重要作用。     

三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析

利用济南和烟台多普勒天气雷达资料,结合环境物理量和天气实况,对发生在山东境内的3次非超级单体龙卷风暴进行了分析。结果表明,三次龙卷过程发生在利于雷暴产生的环境形势下。低层湿度大,低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件。三次龙卷都发生在风暴单体发展阶段,风暴顶高和强中心高度在1个体扫时间内迅速增高。上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。风暴单体的迅速发展,需要强的上升气流配合,上升气流将水平方向的旋转切变抬升为垂直方向,在复杂地形作用下可产生局部小尺度涡旋运动,诱发小尺度范围的强切变,从而导致龙卷发生。     

三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析北大核心CSCD

利用济南和烟台多普勒天气雷达资料,结合环境物理量和天气实况,对发生在山东境内的3次非超级单体龙卷风暴进行了分析。结果表明,三次龙卷过程发生在利于雷暴产生的环境形势下。低层湿度大,低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件。三次龙卷都发生在风暴单体发展阶段,风暴顶高和强中心高度在1个体扫时间内迅速增高。上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。风暴单体的迅速发展,需要强的上升气流配合,上升气流将水平方向的旋转切变抬升为垂直方向,在复杂地形作用下可产生局部小尺度涡旋运动,诱发小尺度范围的强切变,从而导致龙卷发生。     

2008年1月末九江雨凇转大雪天气过程成因分析

对2008年1月25—29日九江市一次雨凇转大到暴雪天气过程的大气垂直结构进行了分析。结果表明,在雨凇和降雪区域中层有暖层,低层有冷层,且存在对称不稳定层结。垂直风切变明显,有利于对称不稳定能量积累和上升气流的形成。高、低空急流辐散、辐合相互垂直,引发的较强上升运动是雨雪天气得以维持的重要条件。东西风向切变使冷、暖气流在雨雪区域上空交汇,形成水平气旋性辐合,产生垂直运动,且与垂直风切变相互作用,促动上、下层动量传递,使高、低空急流维持。雨凇转大到暴雪时,暖层气温降低,垂直风切变向上增强,对称不稳定能量增大,风向切变辐合加大,上升气流和水汽输送加大。     

台风云娜（2004）的高分辨率数值模拟研究:眼壁小尺度对流运动

通过对2004年云娜台风高分辨率模拟结果的分析,发现在环境垂直风切变不是单一方向情况下,中尺度涡旋只在对流层低层的眼壁区域形成.这些涡旋中有的伴随气旋环流是闭合的,有的则为非闭合;并且有的伴随着小尺度对流上升运动,而有的则没有.进一步分析发现当环境入流与涡旋的出流相遇产生辐合时,或者入流受涡旋本身阻挡产生辐合时,小尺度对流上升运动随即发生.中尺度涡旋伴随着对流上升活动在眼壁中沿气旋方向移动,表现出涡旋Rossby波特征,当移动至垂直风切变矢量下风向时对流加强,加强的上升气流通过拉伸涡管使得相麻的涡旋环流也加强,通常对流在移向垂直风切变矢量上风向时逐渐减弱.反观在眼壁区域的对流层中上层,没有明显的中尺度涡旋活动,强对流活动主要集中在眼壁东南侧,并且强上升运动也呈现小尺度特征.眼壁区域中速度大于1 m/s的上升运动仪占14%,大于2 m/s的则小于7%,但速度超过1 m/s的向上的质量通量约占整个上升运动的30%,表明尽管这些小尺度强对流运动所占空间比例较小,却在眼壁质量输送中起着重要作用.另外,这些强上升运动核表现出正的浮力特征,大值浮力分布与上升运动核位置一致的特征也进一步说明眼壁中大量的垂直质量通量输送与只占很小范围的小尺度上升运动有关.     

上海世博园上空边界层风垂直变化观测研究

利用平矩阵风廓线雷达于2007年7月17日至9月28日对上海世博园规划区上空的风垂直分布进行了观测.通过分析该地上空三维风场的日变化,发现夜间以偏西气流为主,白天风速较小,以偏东气流为主,表明该地区以海陆风为主导的环流特征是这一地区的局地环流日变化的基本特征.逐日变化分析表明,在8月2日以前主要以偏西北气流为主,之后基本是以东南气流为主,并且垂直运动特征以上升气流为主,强烈的垂直运动与偏西气流相关密切,同时偏北气流往往带来较强的上升运动.日夜平均廓线分析表明,夜间风速较大,并且夜间风速的垂直变化与白天相比也有很大不同,白天270 m以下风速随高度基本不变,而夜间从近地面向上风速随高度逐渐增大,低层<90 m的范围内白天风速大于夜间风速.城市冠层以上风向的日夜变化不明显,多为偏北气流控制.城郊风廓线的对比表明受城市下垫面粗糙度的影响,城市风速明显比郊区减小.城市和郊区的水平风速变化在城市冠层以上比较接近,相关系数达到了87%.     

垂直气流的气球探测方法(下)

前文关于垂直气流的气球探测方法中介绍了平衡气球法和计算法。但是这种方法在实际应用中往往遇到障碍。因为在风暴中由于降水、结冰等因素,原来晴空中浮力与阻力平衡的简单关系难以确立,因而计算困难。这种条件下的垂直方向运动方程可写成:     

河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

昭通机场一次西南大风天气过程的诊断分析

利用机场自动气象观测站数据、常规观测资料和NCEP再分析资料,对昭通机场2019年3月19日一次极端西南大风天气过程进行分析。结果表明:此次大风天气过程中,地面为易产生高压后部偏南大风的典型“东高西低”气压形势,且昭通机场位于高空槽前西南气流控制下,机场上空的西南急流为大风提供了方向引导和加速近地面大气运动的强大动力,具备了产生西南大风的基本环流背景。物理量场的分析表明,高层深厚的辐合运动,使垂直方向出现了强迫下沉气流,整层的冷平流进一步加强了下沉运动,高层动量下传,加速近地面气流运动,形成大风。      

C波段多普勒雷达对重力波探测与分析

2005年4月19日19-22时,哈尔滨雷达站观测到重力波结构,本文主要利用新一代多普勒天气雷达速度场资料对本次过程的重力波结构进行分析。在本次重力波发生发展过程中,径向速度在水平方向上表现为正负速度交替分布的特征;垂直速度在水平方向上平均高度1100m以下是上升、下沉气流交替分布,垂直方向上的气流有时是与垂直方向成一定角度的;重力波波长约为5km,相速约为10m／s,周期约为8min,最大振幅约为1．3km,波动最多有8个位相。重力波的波相传播方向与波能传播方向相同,且与环境风场的方向相同。影响本次重力波发生发展的动力因子主要有700hPa的低空急流、地面到高空强烈的垂直风切变以及锋面。另外重力波对层状云降水有一定的促进作用。