Air–sea interaction over ocean fronts and eddies

Air–sea interaction at ocean fronts and eddies exhibits positive correlation between sea surface temperature (SST), wind speed, and heat fluxes out of the ocean, indicating that the ocean is forcing the atmosphere. This contrasts with larger scale climate modes where the negative correlations suggest that the atmosphere is driving the system. This paper examines the physical processes that lie behind the interaction of sharp SST gradients and the overlying marine atmospheric boundary layer and deeper atmosphere, using high resolution satellite data, field data and numerical models. The importance of different physical mechanisms of atmospheric response to SST gradients, such as the effect of surface stability variations on momentum transfer, pressure gradients, secondary circulations and cloud cover will be assessed. The atmospheric response is known to create small-scale wind stress curl and divergence anomalies, and a discussion of the feedback of these features onto the ocean will also be presented. These processes will be compared and contrasted for different regions such as the Equatorial Front in the Eastern Pacific, and oceanic fronts in mid-latitudes such as the Gulf Stream, Kuroshio, and Agulhas Return Current.     

利用位涡趋势法诊断台风“莫拉克”(2009)的移动

位涡趋势(PVT)法可以计算非绝热加热等物理过程对台风移动的直接影响(非引导效应)。在成功模拟2009年第8号台风“莫拉克”移动路径和近地面最大风速的基础上,进一步考虑了台风不对称环流发展的影响,对原有的位涡趋势诊断法进行了改进,并首次将该方法应用于高分辨率数值模式模拟结果中,诊断不同物理过程对“莫拉克”移动的影响。分析表明,虽然非绝热加热等物理过程主要作用于维持台风“莫拉克”的垂直结构,但非绝热加热等物理过程引起的非引导效应也对“莫拉克”移动的短时振荡有重要作用。     

2008年12月两次强寒潮过程的等熵位涡分析

利用2008年12月的NCAR/NCEP逐日6h再分析资料,对本月发生的两次强寒潮事件(分别简称为过程Ⅰ和过程Ⅱ)进行了等熵面位涡分析.结果表明:(1)两次寒潮过程的爆发时间均可用低层位涡扰动的时间曲线的转折点来确认;(2)两次过程中在寒潮爆发时,都存在明显的高位涡值向下传播特征,过程Ⅱ明显于过程Ⅰ;(3)等熵面分析可跟踪寒潮强冷空气活动,等熵面位涡演变反映了高、低层冷空气的分布及活动状况;等熵面位涡高值区代表冷空气范围,等位涡线密集区代表冷暖空气对峙.寒潮爆发时,等熵面上高层高位涡向下向南传播,导致高位涡强冷空气在垂直方向上拉伸,正涡度增强.     

能量位涡在雷雨大风天气诊断分析中的应用

从大气基本运动方程及大气总能量概念出发,提出将大气动力学与能量天气学相结合的物理量——干能量位涡与湿能量位涡,并确定其守恒性.通过分析发现,以静力温度表达的能量位涡数学计算更方便,物理意义更明确.以2007年湖北的一次典型雷雨大风天气为例,对雷雨大风天气用能量位涡进行诊断分析.结果表明:本文提出的干能量位涡与湿能量位涡可以较好地预示雷雨大风天气,高空干能量位涡的增强与向下发展使对流层中下层不稳定能量增大,有利于雷雨大风天气发生;低层湿能量位涡的不稳定能量高值区与斜压系统耦合时预示该区域将有雷雨大风发生.     

超强台风“韦帕”的暴雨机制及湿位涡分析

通过对0713号超强台风"韦帕"进行数值模拟,利用高分辨率模拟资料进行湿位涡分析,研究"韦帕"影响过程中暴雨的产生机制,发现中低层水平温位涡负值中心与强降水中心有较好的对应关系,且水平湿位涡绝对值与降水强度成正相关,低层对流稳定度减小导致气旋性涡度迅速增长、低空急流和暖湿气流的加强以及台风与西风槽结合产生湿斜压不稳定触发不稳定能量释放都对暴雨的产生起了巨大作用.     

位涡反演理论在台风领域中的应用研究进展

位涡作为一个综合反映流体动力学和热力学性质的物理量,受到气象学者的广泛关注,位涡反演理论逐渐成为台风研究的重要方法之一。在简要回顾近几十年来位涡反演理论研究进展的基础上,综述了位涡反演理论在台风领域中的应用进展情况,讨论了位涡反演理论应用时可能存在的问题,即位涡平均态求取、近地面摩擦作用以及位涡反演平衡条件等都可能影响反演效果,并对位涡反演理论的应用前景作了展望。     

A study on the nonlinear stability of fronts in the ocean on a sloping continental shelf

1.IntroductionArnol'd(1965,1969)variationalprincipleandapriorestimatemethodisessentiallyageneralizationofLyapunovstabilitymethodforfinite--dimensionaldynamicalsystemsininfinite--dimensionalones,andhestudiedthenonlinearstabilityof2--dimensionalincompressibleidealfluidmotionbyuseofthismethod,andestablishedtwotheoremswhichareArnol,d'sfirsttheoremandArnol'd'ssecondtheorem.Eversincethe1980's,manyscientistshavebeenworkingonthissubject,Holmetal.(1985);MclntyreandShepherd(1987);Zeng(1989);Muetal.(1…     

Potential vorticity analysis of quasi-biweekly rainfall events over the Yangtze Basin in summer 2014

2014年夏季长江流域(YRV)发生的多次阶段性强降水事件显著地受10-20天准双周振荡所调控.代表性振荡过程与合成分析表明,准双周湿位相主要取决于对流层高层南侵的高位势涡度(PV)与低纬度向西南平流的高PV导致南亚高压形态改变而产生的YRV高空辐散.高空向南的正PV平流与低层南风输送的负PV平流在YRV上空形成正的PV平流垂直梯度,激发出等熵面位移的上升运动分量;高空的高PV同时向中低层伸展,导致等熵面坡度增大从而增强气块沿等熵面上滑的上升运动分量,由此产生更强的非绝热有关的上升运动分量.干位相情况则相反.     

一次西南涡暴雨的等熵位涡特征分析

应用常规资料和0.5°×0.5°的GFS再分析资料,对2010年7月19日发生在河北山东的一次西南涡暴雨过程产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明：西南涡、高、低空急流、地面低压是这次暴雨过程的主要影响系统;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有很好的示踪作用;等熵位涡中心两侧气流辐合,利于地面低压发展;高位涡下传,导致了大暴雨产生;等熵位涡大值区及移动方向与降水落区有很好的对应关系。     

Simplification of potential vorcticity and mesoscale quasi-balanced dynamics model

The physical characteristics of mesoscale are analyzed, and results show that the unbalanced forced motion is the fundamental cause, which leads to the evolution of some important mesoscale weather systems. In this paper, an alternative asymptotic expansion method, which is quite differ-ent from the conventional Rossby-number expansion, is used to simplify the potential vorticity equation. And the quasi-balanced (QB) model based on nonlinear balance equation is derived. The QB model, which is in analogy with the quasi –geostrophic model, can describe the fundamen-tal characteristics of the mesoscale accurately and may be used as the basis of theoretical studies on the mesoscale atmospheric dynamics.     

A diagnostic study of moist potential vorticity generation in an extratropical cyclone

Moist potential voracity (MPV) and Its generation may be important in the development of mesoscale structures such as rainbands within cyclones. In an adiabatic and frictionless flow, MPV generation is possible if the flow is three-dimensional and the air is unsaturated. Moist potential vorticity can be generated through the combined effects of gradients in the potential temperature and moisture fields. The diagnosis of MPV generation in an extratropical cy-clone was performed with the ECMWF objectively analyzed fields for a system that developed during February 1992. It was found that at various stages during the development of the cyclone, negative MPV was generated: at the north end of the cold front; along the occluded front and the cold front; and in the region of the warm core. This pattern of negative MPV generation is in excellent agreement with the predictions of previous theoretical and numerical studies. After the cyclone ceased to deepen, the region of negative MPV generated in the cyclone was horizontally adverted in-to a saturated area. The area of negative MPV generated both along the occluded front in this case study and in the region of the bent-back warm front in a numerical simulation showed a mesoscale structure with a width of about 200-500 km. It was found that the intrusion of moist or dry air into baroclinic zones was important for MPV genera-tion. In addition, baroclinicity increase (adjacent to the area of condensation) in the regions of high moisture gra-dients led to significant MPV production.     

一次梅雨锋暴雨的数值模拟及位涡诊断

为了探讨暴雨与湿位涡场分布特征之间的关系,利用NCEP 1°×1°间隔6 h的再分析资料,通过计算湿位涡（MPV）的垂直分量(MPV1)和水平分量(MPV2),对华北一次暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明：此次暴雨发生在对流层低层等θ_se线密集带内,降水前对流层低层MPV1 < 0、MPV2 > 0,暴雨区存在对流不稳定和斜压不稳定;暴雨区位于对流层低层MPV1、MPV2正负过渡带的等值线密集带内,有利于水汽辐合和垂直涡度的加强;主要降水期间,850 hPa层MPV1起主导作用,MPV1负值增大、MPV2正值减小,降水后期,MPV1 > 0、MPV2几乎为0,大气层结接近对流稳定。低层湿位涡中心的时空分布与暴雨的发生和落区有很好的对应关系。

     

等熵位涡揭示的一次强寒潮过程中高层扰动特征

采用欧洲中心提供的ERA-Interim每日4次再分析资料,对2016年1月下旬的一次强寒潮事件进行等熵位涡分析。结果表明,此次强寒潮的爆发以动力对流层顶下降、高位涡下传为特征,位涡扰动的强度和时间曲线的转折点对寒潮的酝酿和爆发有指示意义。此次强寒潮过程的冷空气可追溯到欧亚北部的新地岛附近和亚洲东北部的对流层顶,两股具有高位涡的冷空气在贝加尔湖附近合并堆积,在转竖横槽的引导下向南爆发,形成强寒潮。伴随寒潮过程的酝酿和爆发,高位涡强冷空气向下、向南传播,并伴随急流向下伸展。高位涡柱对应强烈发展并下伸的正涡度柱,表明高位涡引起的垂直拉伸导致显著的旋转增强,对应涡后横槽的强烈加深。对流层顶呈现大振幅波动,来自高层的信号较低层出现得更早、更强,在动力对流层顶上的信号比500 hPa表现得更为清楚。     

强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析

2012年和2013年夏季有两个高原低涡向东北方向移出青藏高原,随后在西北地区引发暴雨天气,其中2013年的高原低涡移动路径更加偏东,其暴雨强度更强、落区偏东且范围更广。基于ERA-Interim再分析资料和台站降水资料,对比分析两次高原低涡移动过程中的大尺度环流以及低涡对强降水的影响,并结合湿位涡进行诊断分析。结果表明：500 hPa河套高压脊与200 hPa西风急流对高原低涡的移动存在显著影响,两者位置及强度的差异是造成两次高原低涡移出位置不同的主要原因。低涡高（低）层辐散（辐合）结构有利于垂直运动的发展,为暴雨提供了有利的动力条件。低涡的低层辐合有利于水汽向暴雨区输送。正压湿位涡诊断结果表明2013年低涡过程暴雨区有更强的不稳定条件;斜压湿位涡诊断表明2013年低涡过程有来自西太平洋的暖湿气流向暴雨中心输送。

     

Sensitivity of Cyclone Tracks to the Initial Moisture Distribution： A Moist Potential Vorticity Perspective

In this study, the characteristics of moist potential vorticity （MPV） in the vicinity of a surface cyclone center and their physical processes axe investigated. A prognostic equation of surface absolute vorticity is then used to examine the relationship between the cyclone tracks and negative MPV （NMPV） using numerical simulations of the life cycle of an extratropical cyclone. It is shown that the MPV approach developed herein, i.e., by tracing the peak NMPV, can be used to help trace surface cyclones during their development and mature stages. Sensitivity experiments are conducted to investigate the impact of different initial moisture fields on the effectiveness of the MPV approach. It is found that the lifetime of NMPV depends mainly on the initial moisture field, the magnitude of condensational heating, and the advection of NMPV. When NMPV moves into a saturated environment at or near a cyclone center, it can trace better the evolution of the surface cyclone due to the conservative property of MPV. It is also shown that the NMPV generation is closely associated with the coupling of large potential temperature and moisture gradients as a result of frontogenesis processes. Analyses indicate that condensation, confluence and tilting play important but different roles in determining the NMPV generation. NMPV is generated mainly through the changes in the strength of baroclinicity and in the direction of the moisture gradient due to moist and/or dry air mass intrusion into the baroclinic zone.     

临近寒潮相互影响关系及高层位涡的预报作用

利用ERA-Interm 1°×1°逐6 h再分析资料,对2017年1—2月发生的两次寒潮事件(简称过程A和过程B)的天气环流形势和位势涡度进行对比分析。结果表明:(1)过程A爆发后的冷空气促进过程B的形成;(2)等熵面上的位势涡度可用来追踪并判断寒潮的变化特征;(3)通过350~200 hPa处的位涡值特征可提前6 h预测寒潮开始爆发的时间和强度;(4)上游和下游系统对判断寒潮爆发的特征同样有着重要作用。     

华北一次强对流暴雨的湿位涡诊断分析

应用常规地面观测资料、区域加密站降水资料、NCEP再分析资料（水平分辨率1°×1°,间隔为6 h）,对2009年6月8日发生在华北的一次强对流暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明:湿位涡的分布对强对流暴雨的发生、落区有较强的指示性作用,MPV1“正负值区垂直叠加”的配置是强对流暴雨发生、发展的有利形势。暴雨出现在850 hPa上MPV、MPV1、MPV2正负值过渡带附近,是对流不稳定与斜压不稳定相结合的地区。θse的等值线接近垂直的地区有利于垂直涡度的增长,亦有利于强降水发生。     

湿位涡诊断在青藏高原东北侧暴雪预报中的应用个例

利用湿位涡理论,对2006年1月18-19日发生在青藏高原东北侧大范围暴雪天气进行了诊断分析,以探讨湿位涡诊断在青藏高原东北侧暴雪预报中的应用前景.个例分析表明:850 hPa和东风回流以及横切变耦合的正湿位涡高值区和500 hPa青藏高原东侧大槽前正湿位涡平流、300 hPa青藏高原东侧大槽前新生正湿位涡中心的叠加,形成有利于暴雪发生发展的湿位涡和湿位涡平流配置的三维空间结构;850 hPa等压面湿位涡正压项(ξMPV2)等值线密集区和等压面湿位涡斜压项(ξMPV1)<-2.0 PVU的中α尺度对流不稳定区形成的耦合区,对暴雪落区有指示意义.     

Q矢量和湿位涡在梅雨期区域性暴雨中的诊断分析

利用常规地面观测资料、区域自动站降水资料和NCEP再分析资料,根据Q矢量与湿位涡理论对2010年6月19-21日长江中下游暴雨过程进行诊断分析。结果表明：此次暴雨是由低层切变缓慢东移南压而造成;Q矢量绝对值大值区和Q矢量锋生函数大值区与强降水带相对应,值的变化也能反映出降水的增强与减弱,但Q矢量锋生函数中心与降水中心对应有时并不一致;Q矢量散度变化与雨带中心的加强减弱对应较好;强降水带处于正负值交界的等值线密集区,且其梯度的增大对应降水增强,梯度减小对应降水减弱。     

华北一次强对流暴雨的湿位涡诊断分析

应用常规地面观测资料、区域加密站降水资料、NCEP再分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间间隔为6 h）,对2009年6月8日发生在华北的一次强对流暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明：湿位涡的分布对强对流暴雨的发生、落区有较强的指示性作用,MPV1＂正负值区垂直叠加＂的配置是强对流暴雨发生、发展的有利形势。暴雨出现在850 hPa上MPV、MPV1、MPV2正负值过渡带附近,是对流不稳定与斜压不稳定相结合的地区。θse等值线接近垂直的地区有利于垂直涡度的增长,亦有利于强降水发生。