诱发渤海风暴潮的黄河气旋动力学诊断和机制分析

利用数字化6.7μm卫星水汽图像、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,以及干侵入和位涡理论,对2007年3月3～5日诱发渤海罕见风暴潮过程的黄河气旋进行了天气动力学诊断和机制分析。结果表明,这次风暴潮是在欧亚中高纬度环流调整、高纬不稳定低槽东移发展及东亚大槽重建的过程中发生的,强烈发展的黄河气旋产生强偏北大风,导...     

“070304”渤海特大风暴潮的成因分析

对2007年3月4日发生在渤海的特大风暴潮天气过程，从大气环流形势、动力条件、天文条件、地形条件等方面进行了详细的分析。结果表明，长时间北高南低的地面气压场在渤海形成持久的偏东大风是造成风暴潮的重要因素；强烈的低层辐合高空辐散使地面气旋不断加强，气旋四周较强的气压梯度力是风暴潮的强迫动力之一；风应力增水作用与天文大潮相叠加直接加剧了风暴潮的强度。渤海特殊的地形特征有利于形成风暴潮天气，当地面风由东北转为西北后，渤海湾的潮位开始回落，渤海海峡的潮位继续升高，其最高潮位时间与潮位回落时间均滞后于渤海湾。     

一次莱州湾温带气旋风暴潮的成因分析

利用常规气象资料和自动站资料，分析了2007年3月4日产生在渤海西部莱州湾的温带气旋风暴潮的天气系统、风场结构特征以及诱发风暴潮的气象、天文因素。结果表明，东亚地区南北两槽的结合，冷空气与暖湿气流在山东半岛的交馁以及江淮气旋的北上是引发这次风暴潮的主要天气背景，而持续强烈的东北大风是风暴潮产生的强迫动力，再加上风应力的增水作用和天文大潮相叠加，导致了风暴潮的发生。     

温带气旋概念模式的最新进展

一、引言回顾温带气旋概念模式发展的历史,常引证挪威锋面气旋模式(Bjerknes 和 Sol-berg,1922)作为随后概念发展的起点。然而,Kutzbach(1979)的独特历史见解提醒我们,那些重要的结构上及动力上的概念化过程,是在前一世纪由欧洲及美国气象学家发展的。我们先介绍这些先驱探索者提出的模式个例,认识一下他们敏锐的洞察力和对我们气象学遗产宝库所作的贡献。接着,有选择地讨论了从挪威“Bergen”气象学派时代到现在为止几个气旋锋面模式的发展,其中包括从外场研究和数值模拟中得到的最新进展。     

一次秋季温带气旋的雨雪天气过程分析

2012年11月3-5日,受强冷空气和气旋发展的影响,华北地区出现了秋冬之交首场雨雪过程.此次雨雪天气过程具有降水强度大、雨雪范围广、初雪时间早、降水相态多变以及雨雪降温大风并存等特点.着重分析了过程的多尺度相互作用及其成因机理等,得到以下结果:(1)通过对北极涛动指数变化的分析发现,此次过程前期由于北极涛动指数负位相出现的时间较早,并且强度大,维持时间长,对应当年秋冬之交首场雨雪天气出现亦时间早、强度大.(2)此次过程前期华北地区西风带上游长波波数趋于减少,导致后期位于华北地区受其引导的相应低压系统稳定少动.(3)东亚-西太平洋地区建立的“Ω”形阻塞形势阻挡了其上游西风带槽的东移,特别是后期此阻塞高压南部迅速生成的低值系统与阻塞高压的高值中心构成了十分稳定的对偶之势,阻断了其上游西风带槽的东移,导致相应地面气旋系统长时间稳定维持在北京及其邻近地区,从而促使该地区出现了历史上罕见的强降水事件.(4)该过程涡度平流和温度平流对锋前上升运动的形成和气旋的发展演变有重要的影响,这次天气过程的气旋发展机制与经典的第二类温带气旋发生、发展机制不尽相同.(5)此次过程中水汽条件极为有利,特别是在气旋发展后期,来自海上的水汽源源不断流入移动缓慢的气旋区域,为该区域的罕见强降水创造了极为有利的水汽条件.(6)在整体大气稳定层结环境下,锋面前沿的水汽输送和抬升在低层形成了大气不稳定层结,有利于低层上升运动的触发,锋面加强引起的风垂直切变加强促进了大气不稳定层结之上的条件性对称不稳定区向上扩展,并与高层的条件性对称不稳定区连通,从而为低层触发的上升运动向高层发展提供了有利条件.     

海洋温带气旋发生发展的研究

本文综合地评述了近年来海洋温带气旋发生、发展的研究成果,讨论了海洋温带气旋爆发性发展的气候特征、天气形势、各种物理机制及数值模拟的结果,并进一步指出了有待解决的问题。     

对一次温带气旋引发的渤海风暴潮过程的数值模拟

利用三维非静力中尺度大气模式—MM5（Version 3.7）输出的黄渤海海面风场和气压场预报资料,用三维斜压陆架海模式—HAMSOM对2008年8月22日温带气旋造成的渤海风暴潮过程进行了模拟,得到逐时的渤海增水场、渤海风暴潮流场,与验潮站的观测数据进行比较。结果表明：在渤海西部已经转西北风的情况下,塘沽出现了121 cm的高增水,造成这种现象的原因很复杂,其中远距离的气旋作用产生的北黄海海域偏东大风导致北黄海水体大量涌入渤海应该是一个主要原因。这也是今后预报业务中必须特别关注的产生风暴潮的重要因素。数值模拟的塘沽测站的风暴潮增水极值及增水过程都和实测值符合较好,本次过程中数值预报能够很好地模拟出这种特殊的风暴潮。在离岸风的情况下产生风暴潮,这仅靠预报员凭经验主观分析判断是很难的,数值预报可以弥补预报员主观分析的不足。     

2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋成因分析

利用常规和加密气象观测、NCEP再分析、云图等资料,对2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋造成的极端天气的物理机制进行分析。结果表明：春季进入到渤海、黄海北部的气旋平均每月2.4个;气旋一般先进入黄海,进入黄海和经渤海进入黄海的温带气旋总计有84.5%进入黄海北部,且春季进入黄渤海的气旋73%会给大连地区带来大风或降水天气,影响大连东部沿海的几率远高于其他地区;产生较强灾害性天气的爆发性气旋多发生在春季,路径基本都是由西南向东北方向移动。爆发性气旋主要是因为温带气旋经过黄渤海后短时间快速降压,到大连陆地发生爆发性发展,这种温带气旋的发展一般从低层开始,具有较强的锋区和斜压性,爆发阶段位于正涡度平流最大的高空急流出口区,对应低空位于低空急流左前方辐合区。较强的冷、暖温度平流是造成极端降水和大风天气的主要因素,暴雨的形成主要是温带气旋带来的暖湿气流持续输送,并伴有较强上升运动促使的水汽垂直输送,整层水汽充沛;当低空急流发展和冷、暖空气交绥时,出现了在高湿、高温的湿斜压锋区上的强降水;而北路强冷空气与黄、渤海上爆发性发展的温带气旋形成极强气压梯度,是出现极端大风的主要原因。     

热带和温带气旋数值模拟结果的对比分析

本研究将气象学家Ｅｌｉａｓｓｅｎ关于经向环流和穿越锋区的次级环流的驱动理论推广应用于研究热带和温带气旋的经向环流的驱动过程。     

基于ConvLSTM机器学习的风暴潮漫滩预报研究

风暴潮是指由强烈的大气扰动所导致的海面异常升高现象,由热带气旋引起的风暴潮常对沿海地区造成巨大的社会经济、人类活动和生命财产危害。依靠数据驱动的强非线性映射能力的机器学习方法较传统数值模式预报在耗费研究资源和计算时间上更具优势。本文选取广东省珠江口为研究区域,基于卷积长短时记忆网络(Convolutional LSTM network, ConvLSTM)机器学习算法展开风暴潮漫滩预报研究,利用由再分析资料驱动的数值模式产品构建了历史台风漫滩数据集,用于机器学习模型训练、验证和测试。研究了两种预报方式,一种是基于海表面高度场的自回归预报,另一种是依赖预报风场和初始海表面高度场进行的预报;它们可以实现基于数据驱动的风暴潮漫滩预报,其中自回归预报模型表现更优。相较于传统动力学数值预报,基于数据驱动的ConvLSTM预报模型结构更为轻便,所需驱动数据更少,在缺少边界条件、地形、径流等信号时,在短临预报中仍能基本复现数值模式模拟的结果。     

干侵入在黄河气旋爆发性发展中的作用

中亚气旋是造成新疆暴雨、暴雪、大风和沙尘等灾害性天气的一种主要天气系统。为深入了解中亚气旋的结构特征和形成原因,以2017年8月11—12日一次典型北上路径中亚气旋活动过程为例,利用常规气象观测资料、卫星水汽图像与NCEP再分析资料,分析了该中亚气旋的活动特征及环流形势,揭示了其垂直热力和动力结构特征,重点根据准地转理论和位涡守恒原理讨论了其发生发展机制。结果表明: (1) 中亚气旋形成于500 hPa高空槽前、伴有850 hPa低涡和切变线影响以及高空辐散等有利环流背景之下。(2) 水汽图像显示中亚气旋从初生、发展到减弱阶段,对应云系经历了由斜压叶状转变为逗点状、再由逗点状演变为螺旋状的过程。(3) 地面气旋中心物理量垂直剖面显示,地面气旋初生时,其中心西侧有明显锋区并伴有正相对涡度柱,上升运动仅位于锋区以上;地面气旋发展时,锋区增强且变陡,锋区上下均存在强上升运动,气旋中心上空对流层低层正相对涡度值增大,其西侧对流层高层有正相对涡度高值区东移接近地面气旋中心;气旋减弱时,气旋西侧锋区减弱,其上空垂直上升运动也变弱,低层正相对涡度减小、整层正涡度区变陡。(4) 气旋活动过程中,700 hPa暖平流明显增强、高低空涡度平流差值增大以及高空辐散增强有利于气旋发生发展;另外,高空干空气的高值位涡区下沉及位涡梯度正值中心东移伴随地面气旋发展。

     

春季中国东部海域气旋急流在气旋发展中的作用研究

对2008—2014年中国东部海域春季海上发展气旋进行了统计与诊断分析。结果表明:1)这类气旋属于较浅薄的低值系统,垂直伸展高度多在600 h Pa以下,水平尺度多在1 500 km以内。伴随的强天气为大风、大浪与强降水,落区主要位于气旋东南部。2)气旋环流各层的大风急流区构成了气旋的东南部位,称为气旋急流。从高层到低层,气旋急流轴在垂直方向上呈逆时针旋转,形成气旋上大下小的漏斗形状。3)气旋急流左侧的气旋式切变有利于气旋中心强度的维持,上层气旋急流左侧对应下层气旋急流前部流速辐合区,有利于气旋式动力抽吸及在气旋东南部形成强的垂直上升运动区。各层气旋急流配置导致气旋的非对称结构,以及气旋要素的非对称分布。气旋急流向气旋中输入螺旋度以及充足的水汽,并在东南部强烈抬升,增强了凝结潜热释放,从热力和动力两方面促进气旋发展及强天气落区。4)春季下垫面温度分布(锋区)有利于气旋急流的增强,并通过西北部非绝热冷却和东南部非绝热加热,增强气旋斜压性。高空环境西风急流位于气旋右侧,形成了整层偏差风辐合,有效增强低层气旋急流。同时高空动量下传位于气旋西侧,首先增强气旋西北部的弱流部分(即气旋螺旋结构的下沉支),进而增强整个气旋的螺旋环流,促使气旋急流也从下层开始增强。     

北半球温带气旋活动和风暴路径的年代际变化

北太平洋风暴路径对全球气候有重要影响,研究北太平洋风暴路径区域降水结构有助于更好地理解风暴路径对全球大气的水汽和热量输送作用。本文利用全球测雨卫星(GPM)数据与欧洲中期天气预报中心(ECWMF)第五代再分析资料(ERA5),以2014年12月20—24日发生在北太平洋风暴路径区域的一次温带气旋过程为例,选取该气旋带来的3个降水片段,分析其降水结构和云参数结构特征。结果表明: 3个降水片段的环流背景场相似,其水汽分布存在南北差异,造成水汽通量散度分布不同,致使各片段降水强弱不一,降水均集中在气旋中心的东南侧;通过对比温带气旋中降水强度和水汽含量的关系发现,更多可降水量并不一定带来更大降水强度,但气柱中水汽含量决定降水强度的上限。3个降水片段的反射率因子垂直剖面上均存在明显的冰水转换层,但各片段冰水转换层分布存在差异。由双频测雨雷达(DPR)得到的3个降水片段的粒子谱可知,各片段有效粒子半径强度分布与反射率因子强度分布具有较好的一致性,而粒子数浓度则与其他两者并不一致,其中的机理仍有待研究。基于GPM与ERA5的融合数据能更好地推断出北太平洋风暴路径上降水事件前后的大气环流背景,以此解释其降水分布,可为缺乏地面观测数据区域的降水研究提供参考。

     

一个黄渤海海雾大气水平能见度算法

为了提高对黄渤海海雾天气海面大气水平能见度（以下简称“能见度”）的数值预报能力,利用黄渤海23个沿岸和岛屿测站2013—2017年雾天的地面观测数据,构建了基于湿度信息的能见度算法（A-F算法）,并将之应用于黄渤海海雾的能见度数值预报。结果表明,与常用的根据模式预报的云水含量诊断能见度的SW算法（Stoelinga and Warner,1999）相比,A-F算法表现更优,尤其可以诊断出被SW算法漏报的能见度为1～3 km的轻雾,说明A-F算法对黄渤海海雾天气能见度的数值预报具有一定应用价值。若将来加入浮标与船舶观测数据,可以进一步改进A-F算法能见度公式的具体形式;依据本文构建A-F算法的思路,可以发展适合其他海域的海雾天气能见度诊断公式。     

对“麦莎”路径及造成黄渤海域大风浪的数值模拟

2005年9号热带风暴“麦莎”8月8R凌晨开始影响大连,到10R过程完全结束,历时近两天,不仅造成了暴雨（局部大暴雨）天气,而且大连海区出现最大风力8-9级、阵风11级的大风。此时适逢天文大潮高峰期,渤海和黄海北部海域出现4m以上的浪高,形成了风暴潮。利用MM5模式和第三代浅水波浪数值预报SWAN模式,对“麦莎”的移动路径以及“麦莎”造成黄渤海域的强风场、强浪场进行模拟,结果与实况基本一致,并且通过模拟,对缺少资料的海面风场、浪高场有更全面的了解。     

渤海湾风暴潮天气系统及风场结构个例分析

利用常规资料、中尺度模式(MM5)模拟结果和自动站资料分析了2003年10月11日渤海湾风暴潮的天气系统及风场结构特征。分析表明，强冷空气从偏东路径南下与强盛的暖湿急流及地面倒槽的共同作用，形成持续强东北大风是引发渤海风暴潮的主要强迫动力，风应力海水向岸输送(增水)范围约100km持续时间10～12h，风应力增水作用与天文大潮相叠加直接导致风暴潮的发生。1985年以来渤海湾成灾风暴潮发生的几率明显增加。     

基于多灰度共生矩阵特征值的黄渤海白天海雾识别算法

本文基于多灰度共生矩阵特征值,即相关性、对比度、同质性和能量,进行联合海雾遥感判识,提出一种高准确率黄渤海白天海雾识别算法。采用第二代静止气象卫星FY-4A可见光、近红外和红外数据,将该算法应用于黄渤海区域白天海雾判识,并利用2019—2020年沿黄渤海气象站点能见度实测数据及CALIPSO卫星数据产品对本算法识别结果进行精度验证。结果表明：海雾识别平均检测率(POD)为92%,误报率(FAR)为27%,临近成功指数(CSI)为69%,可以实现对海雾的动态监测,为海上交通等领域提供较好的数据支持。