梅雨发生前对流层顶及平流层异常信号的分析

利用NCEP和欧洲中心的ERA-Interim再分析资料结合中国国家气候中心的20a梅雨观测资料,分析了梅雨发生前江淮地区对流层顶和位涡的异常以及北半球环状模指数的变化。研究表明,江淮地区在梅雨开始前3—5天会出现对流层顶的下降,且高度的经向变化比纬向变化更为明显。对流层顶的降低与北方冷空气的南下入侵、东亚季风的爆发以及急流轴北跳引起的频繁的对流层顶折卷过程有关。对流层顶的下降伴随着来自平流层的高位涡冷空气的入侵。而梅雨发生前江淮地区上空对应正位涡异常,这一异常的建立和维持与贝加尔湖、西西伯利亚、鄂霍次克海附近的正位涡异常有关;而梅雨发生前江淮地区平流层温度达到极大值,梅雨爆发后开始下降,纬向风则处于西风到东风的转换期。梅雨期的总降水量与对流层上部平流层下部的北半球环状模指数存在一致的正相关关系,而在梅雨发生前15—30天,这种相关性尤为显著。这一结果说明,在对流层顶附近的北半球环状模指数对梅雨期降水量的预测有较好的指示意义。     

青藏高原周边对流层顶的时空分布、热力成因及动力效应分析

利用多套、多种再分析资料的逐日气候平均场,通过对比分析,揭示了青藏高原周边区域对流层顶分布及其季节演变的独特特征,并分析了其热力成因以及气候学效应。结果表明,与同纬度的落矶山和太平洋地区相比,青藏高原及伊朗高原区域对流层顶高度的冬夏变化幅度更大。冬季副热带对流层顶断裂带（热带对流层顶与极地对流层顶之间高度剧烈变化的过渡带）位于青藏与伊朗两个高原上空,春季开始两个高原上空对流层顶抬升迅速,夏季最高可超过热带对流层顶的高度（超过100 hPa）,成为同纬度甚至全球对流层顶最高点。青藏与伊朗两个高原上空对流层顶的剧烈抬高,对应两个高原上空大气气柱比同纬度明显偏暖,同时伴随着青藏与伊朗两个高原上空位势涡度值的明显降低。因此,在青藏与伊朗两个高原区域,由春至夏等熵面强烈下凹,同时等位涡面剧烈抬升;夏季时等位涡面及对流层顶断裂带在青藏高原北部成近乎上下垂直分布,与南北倾斜分布的等位温面接近正交分布。这种特征与夏季同纬度其他地区相对平缓的对流层顶断裂带、等位涡面以及等熵面的经向分布形成强烈对比。进一步研究发现,青藏与伊朗两个高原上空由春至夏迅速发展的强大热源是引起上述对流层顶变化特征的主要原因。不同的是,青藏高原上空主要由发展强烈的对流凝结潜热所主导,而伊朗高原上空则主要由绝热下沉加热引起;此外,由春季至夏季,随着青藏高原地区对流层顶与等熵面剧烈相交分布的形成,南亚高压也逐步控制青藏高原上空,在南亚高压东缘盛行的偏北气流作用下,中高纬度平流层的高位涡空气得以在青藏高原东缘及东亚地区沿剧烈倾斜的等熵面被输送到较低纬度的对流层。与降水的季节演变对比可知,平流层高位涡输送的出现、加强和减弱与夏季降水的发展、加强与减弱成同步对应关系。从而证实了青藏高原影响夏季东亚地区形成独特气候格局的事实,说明在这种影响过程中,平流层-对流层动力相互作用过程不可忽视。      

广义湿位涡在江淮流域暴雨分析和预报中的应用

利用中尺度数值模式MM5, 以6 h间隔的NCEP/NCAR 1°×1°的格点资料为背景, 加入新一代天气雷达 (CINRAD－SA雷达) 1 h间隔的反演风廓线资料和12 h探空、 3 h常规地面观测进行四维同化模拟得到的输出资料, 检验非均匀饱和大气中的广义湿位涡在2003年江淮流域暴雨动力指示方面的分析和预报能力。理论分析表明: 广义湿位涡综合体现了大气的动力、 热力及水汽作用, 相对于常用的温度、 湿度等物理量来说, 在一定程度上包含了风场、 温度场和湿度场的相互作用, 对实际非均匀饱和大气的热力变化和水汽影响有较好的反映。对模拟结果的诊断发现, 广义湿位涡倾向值的正负及强弱变化对暴雨落区预报和单站降水变化趋势预报都有一定的指示意义。利用NCEP/NCAR 1°×1°格点资料和气象台站观测的实况降水资料, 对1999年长江流域梅雨和2007年淮河流域大洪水时期的广义湿位涡及其倾向变化与区域平均降水变化的对比分析进一步表明了在持续性暴雨发生时期, 在大气中低层(主要在500 hPa以下), 确实持续存在广义湿位涡和广义湿位涡倾向的异常, 这种异常能在一定程度上反映出对应时期的水汽分布和水汽集中特征, 与降水量的变化是一致的, 而850 hPa以下的广义湿位涡倾向在一定程度上也能反映出降水的增强或减弱趋势, 即: 广义湿位涡倾向为正 (负) 异常时, 未来降水量可能增加 (减小), 因此, 广义湿位涡倾向可以定性地给出暴雨是加强还是减弱的强度趋势预报。类似于涡度、 湿位涡等其他动力变量, 广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生发展的动力变量外, 还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点, 在暴雨分析中有一定的优势。     

非均匀饱和广义湿位涡在暴雨分析与预测中的应用

考虑实际大气非均匀饱和特性, 通过引入广义位温及广义湿位涡方程, 对华北暴雨和江淮梅雨锋暴雨的发生及落区进行了广义湿位涡异常的诊断分析, 表明暴雨形成时大气低层有广义湿位涡的异常出现。对广义湿位涡倾向的计算表明:它对暴雨的发生有一定指示作用, 因而可利用广义湿位涡的异常来识别暴雨的出现。     

位涡诊断在黄土高原强对流风暴预报中的应用

利用位涡理论,对2004年6月15~16日宁夏、内蒙、陕西、山西和河南出现大范围的强对流风暴和局地冰雹天气过程作了诊断分析。个例分析发现,干位涡空间结构表现为:从风暴区下游到风暴区形成随高度向西倾斜的大值正位涡柱,风暴区形成对流层高层大值正位涡中心和对流层中低层伴有位涡梯度增强的位涡等值线密集区的叠置。对流层低层干位涡场特征表现为,风暴区形成干位涡等值线密集区和风场切变的耦合。对流层低层湿位涡场特征表现为,风暴区形成湿位涡正压项小于0对流不稳定舌和湿斜压中心以及湿位涡斜压项等值线密集区的耦合。风暴发生前,对流层中层500hPa河套生成经向位涡等值线密集区,500hPa蒙古地区强偏北气流中同时出现正位涡扰动和指向河套的正位涡平流,对黄土高原大范围强对流风暴的发生有指示意义。     

湿位涡在陕西一次强对流天气中的应用分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、云顶亮温资料,对2006年6月24—25日陕西强对流天气过程分析,结果表明：高空低槽、中低层切变线是这次强对流天气的主要影响系统,中尺度对流云团是造成此次强对流天气的直接原因。强对流发生前,近地面存在逆温层。强对流发生发展与湿位涡的时空演变有很好的对应关系,对流层高低层湿位涡“正负区垂直叠加”的配置是强对流天气发展的有利形势。强对流天气发生在低层湿位涡正压项等值线密集的零线附近及湿斜压项的正值区。     

广义湿位涡理论及其应用研究

押重点介绍了诊断暴雨落区与强度的广义湿位涡理论研究方面的两个内容,一是由于暴雨系统中强降水引起的质量亏空导致的暴雨系统中质量强迫下的湿位涡异常理论,二是非均匀饱和大气中的广义湿位涡理论;对暴雨系统中质量强迫的物理意义和非均匀饱和大气中的广义位温引入的思路与意义作了详细说明,并对位涡理论作了细致推导。在此基础上,针对暴雨个例,利用质量强迫的湿位涡异常和非均匀饱和广义湿位涡异常诊断了暴雨落区,从理论和诊断上论证了利用这两种湿位涡异常判断暴雨落区的可行性。     

湿位涡分析在河北东北部暴雨预报中的应用

应用湿位涡理论,对2008年6月25日发生在河北省东北部的1次局地暴雨天气进行了诊断分析。结果表明,暴雨产生在θse线陡立密集区附近,θse线陡立密集区附近对流稳定度较小,有利于湿斜压涡度发展,MPVI“高层正值区低层负值区垂直迭加”的配置是暴雨发生、发展的有利形势,暴雨区位于850hPa上MPVI零线附近,湿位涡在850hPa上具有MPV1〈0,MPV2〉0的特征,在夏季可以作为河北省北部预报暴雨的一个有效辅助工具。     

湿位涡在"96.8"特大暴雨过程中的应用分析

1996年 8月 3～ 5日受减弱的 96 0 8号台风低压影响 ,河北省境内出现了自“6 3 8”以来的特大暴雨过程 (简称“96 8”特大暴雨 ) ,暴雨落区覆盖了太行山的东、西两侧。文中利用非静力中尺度模式MM5和常规观测资料运算结果 ,根据倾斜涡度发展理论 ,对台风减弱低压在北方产生强降水的“96 8”暴雨过程进行分析 ,发现湿位涡这一综合物理量对此类暴雨具有较好的指示意义 ,MPV1小于 0且MPV2大于 0的区域对应暴雨区。     

从涡度、位涡、到平流层干侵入——位涡问题的缘起、应用及其歧途

由于从等熵位涡分析引申出来的平流层干侵入（以下简称干侵入）概念造成了当前天气预报思路中一些混乱和违背天气学常识的看法,文中回顾了天气预报原理从着眼气压变化到着眼涡度变化的发展历史和位涡问题的缘起。进而根据位涡的定义、数学表达式、物理意义,并结合实例的计算结果指出,位涡的大小主要取决于位温的垂直梯度;等熵面上的位涡分布形势实质是对流层顶高度的分布,因此可以间接反映极地气团、锋、高空槽和高空急流的形势。轨迹计算和数值预报都证明,低空的高位涡异常是地面气旋强烈加深和潜热反馈的结果,而不是干侵入的结果。指出位涡的守恒性不能替代斜压扰动发展的动力学机理;干侵入的错误概念来源于对位涡守恒性的绝对化和简单的推断,并犯了流体力学原理上混淆流线和轨迹两个不同概念的错误。     

平流层-对流层相互作用的多尺度过程特征及其与天气气候关系——研究进展

在过去5年中,在国家自然科学基金委员会和中国科学院的项目支持下,针对以大气上下层相互作用中的多时空尺度过程特征及其与天气气候的关系为主要关注内容,开展了几个方面的研究。本文介绍其中的一些主要进展与结果,包括:(1)平流层臭氧的探测与分析研究;(2)平流层－对流层质量交换(STME)与对流层顶特征研究;(3)中层大气多尺度波动特征研究;(4)大气辐射传输和中层大气卫星临边遥感新方法研究。