初夏东北移高原低涡活动特征

高原低涡是青藏高原(简称高原)的主要降水系统,其移出高原后,往往会在高原下游地区造成大到暴雨甚至大暴雨.低涡移出高原后的移动方向主要有东移、东北移等.本文基于1979—2018年高原低涡数据库,选取初夏(6月)东北移低涡为研究对象,依据其移出位置,将其分为偏西型低涡(简称Ⅰ类低涡)和偏东型低涡(简称Ⅱ类低涡),对两类东...     

青藏高原及邻近地区低涡系统结构研究进展

青藏高原及邻近地区低涡系统(西南涡、高原涡)是造成我国暴雨等灾害性天气的主要系统之一,也是高原天气学的重点研究对象。过去十多年,关于西南涡、高原涡的研究已取得了大量有意义的成果。因此,本文重点针对高原低涡天气系统,总结了西南涡、高原涡的结构特征及其演变机制研究现状,评述了其取得的主要进展,指出了一些有待于深入研究的科学问题,在此基础上,展望了高原低涡天气系统未来的主要发展方向。     

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’。     

一次青藏高原夏季低涡的数值模拟研究

本文利用美国NCAR中尺度模式MM4对1979年6月29－30日一次500hPa高原低涡的生成发展过程进行了数值试验模拟研究。通过对绝热、非绝热、有无地表感热潜热及降低地形等六个对比试验，分析指出：（1）模式对500hPa高原涡中心位置预报与实况吻合，中心平均强度实况接近，平均玫水亦接近（略偏少），落区略有偏差，故可认为对低涡的预报基本合理。（2）低涡主要由非绝热过程引起（22．6，10^－5s^－1），而动力过程是很次要的（6．0）；在非绝热过程中潜热的贡献（8．0）远比由积云对流及湍流所引起的地表感热通量（14．6）小；地表热通量的贡献主要为地表感热通量（13．4），而地表蒸发作用很小（1．2），这与文献[6]的诊断分析结论一致。（3）由半地形高度隆起至全地形时，动力作用对低涡强度的贡献由2．0增至6．0，非绝热过程的贡献由7．2增到22．6。可见模式中真实地处理地形高度是很重要的。本文虽只作了一例，但结论（2）与大量低涡诊断分析的统计结果一致。     

青藏高原低涡东移的数值试验

本文利用钱永甫的五层有地形的原始方程模式,模拟了一次高原低涡的东移过程。发现非绝热因子(辐射、积云对流、大尺度凝结潜热)只影响高原低涡的强度,其中辐射加热对高原低涡强度影响最大。当高原低涡西部有冷槽配合或高原北部45—55°N有高压脊存在时,有利于高原低涡东移。     

盛夏青藏高原低涡发展东移的动能收支过程

本文计算了5次发展东移和原地生消的青藏高原低涡的动能收支。分析表明,由于环境场对低涡的作用不同,使得高原低涡或发展东移,或原地生消。在此基础上提出了高原低涡发展东移的动能收支过程。这种分析对天气预报和数值模式是有益的。     

近十年高原低涡与中亚低涡研究进展

高原低涡是青藏高原地区特有的天气系统,作为青藏高原地区夏季的主要降水系统,其发生发展和移动对高原周边及其下游广大地区的天气气候具有重要的影响。而中亚低涡是引起青藏高原西北新疆暴雨、短时强降水、冰雹、持续低温等灾害性天气的重要系统之一,同时也显著影响其周边甚至我国东部和南部地区的天气气候。高原低涡和中亚低涡是位于不同纬度、范围,主要在500 hPa等压面活动的低涡系统,与青藏高原及其周边地区密切联系,且都位于我国西部上游,其对下游广大地区的天气气候影响深远。目前,在高原低涡和中亚低涡基本定义、活动特征和天气影响等多方面都已取得了大量成果,但对于两低涡之间的可能关系及其影响却鲜有涉及。本文在回顾已有研究成果的基础上,总结了近10年关于高原低涡与中亚低涡研究的主要进展并指出了存在的问题,强调了开展高原低涡与中亚低涡两者关系的分析研究是未来的重要方向之一。     

夏季青藏高原低涡的能量场分析

本文采用视热源方程,视水汽汇方程,扰动能量方程和涡度方程对1979年6月的三次低涡进行了分析和研究,得到了以下结论：在低涡生成和发展过程中,积云和乱流引起的总热量的垂直涡旋输送很大。当大气处于条件不稳定时,γs＜γ＜γα,积云和乱流的这种输送结果,使得低涡的正涡度增长上升到较高层次;另外,积云和乱流对总热量的垂直涡旋输送使得低涡内扰动有效位能增加,然后向扰动动能转换,使低涡得以生成和发展。     

青藏高原低涡研究的回顾与展望

青藏高原低涡是青藏高原地区特有的产物,是夏季高原上的主要降水系统,而东移出高原的低涡,又往往引发青藏高原下游地区一次大范围的灾害性天气过程。全面回顾了20世纪70年代后期以来,青藏高原气象学研究领域中有关高原低涡的研究进展,按天气学、动力学和数值模拟3方面对有关研究进行了分类,简要总结了各类研究涉及的重要问题及主要成果。在此基础上分析了存在的主要问题,展望了今后高原低涡研究的重要方向和基本趋势。     

基于NCEP资料的近30年夏季青藏高原低涡的气候特征

基于NCEP/NCAR再分析资料并通过人工识别与天气图对比,本文对1981～2010年夏季高原低涡的气候特征进行了统计分析,对比研究了高原低涡高发年和低发年的大气环流场和低频分量场的特征,主要结果有:（1）近30年来夏季高原低涡平均每年生成32个,低涡发生频数呈现较明显的增多趋势,并具有较强的年际变化特征,低涡频数在2000年和2005年出现显著突变,在2000年由增多趋势转为减少趋势,在2005年又转为增多趋势,同时低涡频数具有显著的准5年、准9年和准15年周期振荡,6月生成的高原低涡呈减少趋势,而7月和8月生成的高原低涡均呈现增多趋势;（2）夏季高原低涡生成源地主要集中在西藏双湖、那曲和青海扎仁克吾一带,其中高原中部涡占50.8%,西部涡占27.0%,东部涡占22.2%,6月、7月和8月生成的高原低涡分别占夏季低涡总数的44.7%、29.9%和25.4%,高原低涡生成时绝大多数为暖性涡,占总数的90.7%。近30年来平均每年夏季有1.3个高影响高原低涡移出高原并在下游大范围地区产生强降水天气;移出的高原低涡以东移为主,占移出高原低涡的56.4%,而东北移和东南移的分别占移出高原低涡的20.1%和20.5%;（3）高原低涡高发年,低层的大气环流场和低频大气环流分量场均表现出较强的水平辐合及偏南气流,高层的青藏高压在高原主体范围内较气候态偏强;高原低涡低发年的情况则与之相反,伊朗高原上空的气旋、青藏高原低槽和高原南侧反气旋的配置对高原低涡的发生具有重要作用。     

夏季高原大气热源的气候特征以及与高原低涡生成的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和基于此再分析资料的高原低涡统计数据集,采用线性趋势、Morlet小波、EOF分解、合成分析等方法,分析了1981～2010年夏季高原大气热源气候特征以及与高原低涡生成的联系。结果表明:夏季高原大气热源平均强度为105 W m-2,随时间有减弱趋势,具有明显的年代际变化,存在显著的准3年周期振荡。高原低涡高发年,高原大气热源强度明显高于气候态,主要表现为高原大气热源的水平分布差异。在低涡高发年,涡度平流的空间分布和大气经向垂直环流结构显示:高原沿东南向西北存在500 hPa正涡度平流带,为高原低涡生成提供了有利的涡度场。同时,高原大气热源异常的水平分布促使高原上空产生上升气流,有助于高原上形成低层辐合、气旋式环流,整层上升运动,高层辐散、反气旋式环流的三维流场,促进高原低涡在低层生成,此时高原主体低空为正涡度区。并且,大气热源在垂直方向的变化也影响低涡的生成。最后,根据本文结果和我们前期的相关研究,从热成风原理和高原大气热力适应理论两方面对高原大气热源与高原低涡生成频数的统计结果给出了机理解释。     

青藏高原夏季地面热源的气候特征及其对高原低涡生成的影响

根据NCEP/DOE再分析资料的地面感热通量和潜热通量以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,研究了近30年来青藏高原夏季地面热源和高原低涡生成频数的气候学特征,分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因.得到如下认知:夏季高原地面感热通量的气候均值为58 W m-2,近30年地面感热总体呈微弱的减小趋势.其中在1980年代初期和21世纪前10年的大部分时段,地面感热呈增大趋势,而中间时段呈波动式下降.地面感热具有准3年为主的周期振荡,1996年前后是其开始减弱的突变点.高原夏季地面潜热通量的气候均值为62 W m-2,近30年呈波动状变化并伴有增大趋势.地面潜热的周期振荡以准4年为主,地面潜热增大的突变始于2004年前后.夏季高原地面热源的气候均值为120 W m-2,其中地面感热与地面潜热对地面热源的贡献在夏季大致相当.地面热源总体呈幅度不大的减弱趋势,其中1980年代到1990年代末偏强,21世纪前6年明显偏弱,随后又转为偏强.地面热源亦呈准3年为主的周期振荡并在1997年前后发生由强转弱的突变.根据MICAPS天气图资料的识别和统计,近30来夏季高原低涡的生成频数整体呈现一定程度的线性减少趋势,低涡高发期主要集中在1980年代到1990年代中后期.低涡生成频数有准7年为主的周期振荡现象,自1990年代中期开始的低涡生成频数的减少态势在1998年前后发生了突变.夏季高原低涡生成频数与同期高原地面感热呈高度正相关,与地面潜热呈一定程度的负相关,但与同期地面热源仍呈较显著的正相关.因此,在气候尺度上,高原地面热源偏强特别是地面感热偏强的时期,对应高原低涡的多发期.本研究从气候统计的时间相关性角度揭示了高原地面加热作用对催生高原低涡乃至高原对流活动的重要性.     

基于WRF的高原低涡内波动特征及空心结构的初步研究

本文采用美国新一代非静力中尺度数值模式WRFV3.1.1版本对2006年8月14日的1次高原低涡过程进行了3重嵌套的数值模拟,分析模拟输出的高时空分辨率资料,发现涡度散度在各层次上均存在着正负值区域的相临交替分布,体现出一定的波动性,并随时间的变化而旋转,由此对高原低涡中的涡旋波的产生和发展进行详细分析,发现高原低涡中同时具有产生涡旋Rossby波与惯性重力波的条件,进一步粗略计算了涡旋波切向的移速介于涡旋Rossby波与惯性重力波的理论移速之间。由分析结果得出结论认为,在低涡中心区域,由于较高的涡度径向梯度,同时有较强的辐合辐散,波动表现出以涡旋Rossby波与惯性重力波混合的特性为主;低涡外围区域中涡度径向梯度大大减弱,失去了产生涡旋Rossby的条件,显现为惯性重力波的特性。同时高原低涡生命期相对较短,波动在圆周上的传播条件不均匀,这说明可能大多高原低涡螺旋形态的发展并不均匀或并不完整,较难形成如同海上热带气旋般比较均匀和完整的螺旋云带。另外,模拟也发现,在低涡成熟阶段,低涡呈现暖心结构,中心区域垂直运动较弱,表现为相对平静的眼区域。     

1998年夏季青藏高原上东移MCS环境场特征的聚类分析

在对夏季青藏高原上中尺度对流系统(MCS)进行自动追踪的基础上,利用环境物理量场数值格点预报资料(HLAFS),运用空间聚类中的CLARANS法对东移出高原的MCS环境场进行了挖掘和分析,获得了在青藏高原地区大气低层MCS热力场(温度场、湿度场和水汽通量散度场)和动力场(涡度场、散度场和垂直速度场)的空间分布特征,从而揭示了有利于MCS形成、发展和东移出高原的动力和热力学条件。MCS环境场中的散度场、垂直速度场以及水汽通量散度场空间分布特征的变化是MCS发展、演变的重要影响因素,这为夏季青藏高原上MCS发生、发展的动力及热力学机制的研究,以及高原上MCS移动路径的预测提供了一种全新而有效的方法。     

夏季青藏高原地面热源和高原低涡生成频数的日变化

通过1981—2010年NCEP/NCAR再分析资料,分析出夏季青藏高原地面热源具有强烈的日变化,白天高原是强热源,夜间高原地面转变为弱热汇,日较差可达420 W·m~(-2),呈由西向东递减分布。其中地面感热和潜热加热的日变化均十分明显,日较差分别可达300 W·m~(-2)和200 W·m~(-2);感热加热的日变幅由西北向东南递减,而潜热加热由南向北递减。同时,利用人工识别的高原低涡数据集初步分析了夏季高原低涡生成频数的日变化,发现夜间生成的高原低涡频数略高于白天,其中00 UTC的低涡源地主要在西藏那曲和林芝(工布江达),12 UTC低涡源地主要在西藏那曲和青海玉树。     

基于WRF的高原低涡内波动特征及空心结构的初步研究

本文采用美国新一代非静力中尺度数值模式WRFV3．1．1版本对2006年8月14日的1次高原低涡过程进行了3重嵌套的数值模拟,分析模拟输出的高时空分辨率资料,发现涡度散度在各层次上均存在着正负值区域的相临交替分布,体现出一定的波动性,并随时间的变化而旋转,由此对高原低涡中的涡旋波的产生和发展进行详细分析,发现高原低涡中同时具有产生涡旋Rossby波与惯性重力波的条件,进一步粗略计算了涡旋波切向的移速介于涡旋Rossby波与惯性重力波的理论移速之间。由分析结果得出结论认为,在低涡中心区域,由于较高的涡度径向梯度,同时有较强的辐合辐散,波动表现出以涡旋Rossby波与惯性重力波混合的特性为主;低涡外围区域中涡度径向梯度大大减弱,失去了产生涡旋Rossby的条件,显现为惯性重力波的特性。同时高原低涡生命期相对较短,波动在圆周上的传播条件不均匀,这说明可能大多高原低涡螺旋形态的发展并不均匀或并不完整,较难形成如同海上热带气旋般比较均匀和完整的螺旋云带。另外,模拟也发现,在低涡成熟阶段,低涡呈现暖心结构,中心区域垂直运动较弱,表现为相对平静的眼区域。     

Dynamic and Numerical Study of Waves in the Tibetan Plateau Vortex简

In terms of its dynamics, The Tibetan Plateau Vortex （TPV） is assumed to be a vortex in the botmdary layer forced by diabatic heating and friction. In order to analyze the basic characteristics of waves in the vortex, the governing equations for the vortex were established in column coordinates with the balance of gradient wind. Based on this, the type of mixed waves and their dispersion characteristics were deduced by solving the linear model. Two numerical simulations with triple-nested domains--one idealized large-eddy simulation and one of a TPV that took place on 14 August 2006---were also carried out. The aim of the simulations was to validate the mixed wave deduced from the governing equations. The high-resolution model output data were analyzed and the results showed that the tangential flow field of the TPV in the form of center heating was cyclonic and convergent in the lower levels and anticyclonic and divergent in the upper levels. The simulations also showed that the vorticity of the vortex is uneven and might have shear flow along the radial direction. The changing vorticity causes the formation and spreading of vortex Rossby （VR） waves, and divergence will cause changes to the n~otion of the excitation and evolution of inertial gravity （IG） waves. Therefore, the vortex may contain what we call mixed ：inertial gravity-vortex Rossby （IG-VR） waves. It is suggested that some strongly developed TPVs should be studied in the future, because of their effects on weather in downstream areas.     

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

1979~2015年青藏高原低涡降水特征分析

为了研究青藏高原低涡降水长期特征,利用1979~2015年高原低涡数据集、依照高原低涡降水范围,匹配高原各站逐日降水信息,对高原低涡降水特征进行统计分析。结果表明,青藏高原低涡降水量呈上升趋势,大值中心位于西藏那曲地区,呈向东南凸出递减分布,并以夏季低涡降水为主,全年和夏季高原低涡降水量与总降水量均存在明显的正相关关系。安多站高原低涡降水呈下降趋势,但对年降水的平均贡献率高达三成;那曲站与托托河站高原低涡降水在总体上却呈上升趋势,递增率分别为0.2 mm/a和0.7 mm/a,其中那曲低涡频数与低涡降水强度的正相关系数达0.66,而托托河低涡降水占总降水的百分比却呈下降趋势。高原低涡日降水量等级主要以小雨为主,但中雨却是低涡降水量的主要贡献者。趋势分析发现高原低涡降水递增中心位于青海北部,递增率达到0.9 mm/a,次中心在西藏西南部雅鲁藏布江沿线地区;同时,高原低涡引发小雨降水基本呈全区一致增加趋势,中心位于西藏东北部和青海西南部地区;中雨降水上升趋势主要集中在西藏西南部、青海地区以及四川西部,其中青海南部存在较为明显上升中心区,下降趋势主要分布在西藏北部和东部。