气流辐合对高原低涡切变的影响

利用欧洲中心ERA-interim再分析资料,通过计算Okubo-Weiss（OW）参数,对青藏高原上一次高原切变线诱发高原低涡生成的过程进行了诊断分析。结果表明:（1）OW负值带可以指示高原切变线的可能生成区;OW值趋于0时,切变线变得不稳定,强度逐渐减弱;OW正值区能够指示高原低涡的后续移动趋势以及发展情况,气流辐合区域与OW大正值区有很好的对应关系。（2）此次高原切变线气流活动以拉伸变形为主。切变线生成阶段,其附近气流作拉伸变形运动;切变线成熟阶段,气流拉伸变形运动达到最强;切变线减弱阶段,其气流拉伸变形运动减弱。（3）切变线的生成以及移动主要受总变形方程的局地变化项影响;低涡的生成位置以及后续移动路径与水平涡度方程的散度项有很好的对应关系。气流辐合在高原低涡形成的初期起主要作用,辐合强度的减弱会抑制高原低涡的东移及发展。      

高原横切变线与高原低涡关系的初步研究

基于大气运动方程组及散度方程,对高原横切变线上扰动稳定性问题以及切变线诱发高原低涡的动力学机制进行了理论分析并用欧洲中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料对其进行验证。得出高原横切变线是高原低涡产生的重要背景场,切变线以南的水汽输送与辐合对于低涡的诱发作用是大气处于不平衡状态而引起散度场调整的结果,辐合增强区有利于高原低涡生成,低涡中心对应非平衡正值中心,低涡外围为非平衡项负值区。非平衡项负值大值与水汽辐合带的重叠区对降水落区有较好的指示意义。当高原南部的西南风带向东或东北方向移动或当低涡下游出现非平衡项负值中心时,低涡亦同向移动。若高原出现气旋式环流并且环流中心与非平衡项正值中心对应时,有利于低涡生成;进一步,当低涡中心与非平衡项正值中心对应且正值中心数值不断增大时,低涡趋于发展加强。     

一次高原切变线过程的数值模拟与阶段性结构特征北大核心CSCD

利用非静力中尺度数值模式WRF并结合NCEP-FNL分析资料、常规气象观测资料、FY-2F卫星TBB数据以及CM ORPH降水资料,对2014年6月29日至7月1日的一次高原横切变线过程进行了数值模拟并分析了其演变过程中降水、热力、水汽和动力的结构特征。结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次高原切变线过程的降水量和落区。在高原切变线活动期间,不同阶段结构特征存在明显差异。切变线附近通常对应TBB<-20℃的云区;随着切变线的发展,TBB值降低,在云区内有多个TBB<-60℃的对流活动中心,对应主要降水期;在切变线减弱阶段,TBB值升高,降水趋于结束。高原切变线存在"南暖北冷"的热力结构,在切变线发展维持阶段呈现高层稳定、低层不稳定的垂直分布特征;高原切变线也是水汽的聚集带,水汽通量散度的转变对高原切变线的发展具有一定指示作用。在切变线初生阶段和维持、发展阶段,垂直方向上存在正涡度中心和辐合中心,呈现对流层低层正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构;气旋式切变有利于高原切变线上正涡度的维持;散度场上的低层辐合、高层辐散的结构特征有利于切变线上垂直上升运动的发展;高原切变线上的辐合带先于正涡度带开始减弱、消失是高原切变线减弱的一种特征信号。     

一次高原切变线过程的数值模拟与阶段性结构特征

利用非静力中尺度数值模式WRF并结合NCEP-FNL分析资料、常规气象观测资料、FY-2F卫星TBB数据以及CM ORPH降水资料,对2014年6月29日至7月1日的一次高原横切变线过程进行了数值模拟并分析了其演变过程中降水、热力、水汽和动力的结构特征。结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次高原切变线过程的降水量和落区。在高原切变线活动期间,不同阶段结构特征存在明显差异。切变线附近通常对应TBB-20℃的云区;随着切变线的发展,TBB值降低,在云区内有多个TBB-60℃的对流活动中心,对应主要降水期;在切变线减弱阶段,TBB值升高,降水趋于结束。高原切变线存在"南暖北冷"的热力结构,在切变线发展维持阶段呈现高层稳定、低层不稳定的垂直分布特征;高原切变线也是水汽的聚集带,水汽通量散度的转变对高原切变线的发展具有一定指示作用。在切变线初生阶段和维持、发展阶段,垂直方向上存在正涡度中心和辐合中心,呈现对流层低层正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构;气旋式切变有利于高原切变线上正涡度的维持;散度场上的低层辐合、高层辐散的结构特征有利于切变线上垂直上升运动的发展;高原切变线上的辐合带先于正涡度带开始减弱、消失是高原切变线减弱的一种特征信号。     

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。     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

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。     

三次高原切变线过程演变特征及其对降水的影响

为了揭示高原切变线的动、热力等特征,进一步认识高原切变线线演变机制,应用MICAPS资料、NCEP 1°×1°再分析资料和风云卫星红外亮温资料,选取出现在初夏(2008年5月19 22日)、盛夏(2007年7月1 3日)和夏末(2009年9月19 21日)的三次高原切变线个例,对夏季高原切变线不同时期、不同发展阶段的演变特征及其对降水影响进行了分析。结果表明:(1)当切变线两侧南北风速减弱,特别是北风风速减弱时,切变线过程趋于减弱。冷暖空气势力强弱影响切变线所处位置,初夏和盛夏切变线位置偏北,夏末切变线位置偏南。(2)切变线活动期间有正涡度、辐合上升运动与切变线配合。当切变线减弱消失,辐合带先于正涡度带减弱消失。切变线附近多正涡度中心和辐合中心,可能与低涡活动有关。盛夏和夏末切变线正涡度辐合中心东移特征明显,辐合上升区更为偏东且较强。(3)切变线附近通常有TBB-20℃的带状或块状区域,切变线维持发展阶段,TBB进一步降低,盛夏切变线和形成初期的夏末切变线多TBB低值中心,对流活动比较旺盛。(4)由于地形的阻挡和加热,高原东坡和南坡是大气不稳定能量聚集地。盛夏在切变线附近近地层聚集的高温、高湿能量明显。初夏切变线引发的降水以稳定性降水为主,降水量小,呈零散分布,盛夏和夏末切变线引发降水其对流不稳定降水特征明显,带来的降水更强、范围更广,呈带状分布在切变线附近。(5)500 hPa切变线也是水汽聚集带,切变线附近上空的水汽和不稳定能量聚集,正涡度东传和对流发展是切变线引发强降水的重要机制。     

高原低涡移出高原的观测事实分析

应用天气学、统计学原理,结合TRMM资料,分析了1998—2004年5—9月移出高原的低涡的活动特征。结果指出:6—8月是高原低涡移出高原影响中国东部天气的主要时段,它与高原低涡在高原上的活动特征及西南低涡移出高原特征均不同;移出高原的高原低涡的涡源主要在曲麻莱附近、德格附近,这与高原上产生低涡的涡源不同;移出高原的高原低涡的移动路径多数是随低槽的活动而向东、向东南移动,这与高原低涡在高原上多数是沿切变线移向东北不同,高原低涡移出高原后,不仅影响中国的范围广,还可能影响到朝鲜半岛、日本;高原低涡移出高原后涡的强度、性质会有变化,在高原以东活动时间长(≥36 h)的高原低涡,移出高原前多数为暖性低涡,移出高原后多数为斜压性低涡,低涡加强、多数可产生暴雨、大暴雨;高原低涡移出高原后移到海洋上,往往因下垫面不同而变化,出海后都有降水加强、多数位势高度下降的现象;移出高原后的高原低涡因东面海上热带气旋活动而少动,与其南面热带气旋活动相向而行,因季风低压少动而少动的现象。     

两类动力因子对四川盆地一次低涡暴雨的应用研究

利用常规观测资料、FY-2E卫星云顶黑体亮度温度(TBB)资料、欧洲中心0. 25°×0. 25°资料,选取质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、散度垂直通量、密度散度垂直通量、水汽散度通量等7个动力因子对2015年8月16-18日四川盆地一次暴雨过程进行诊断分析。结果表明:(1)此次降雨过程是由高原低涡、高原切变线、西南低涡等多个天气系统共同作用造成。(2)随着高原低值系统的东移、减弱,西南低涡的生成、发展,伴随的对流云团经历了连续生消的过程。(3)动力因子对此次暴雨过程的发展和演变有较好指示意义。动力因子大值区基本覆盖强降水区。西南低涡形成初期,动力因子大值区和高原切变线分布一致,降雨中心位于动力因子大值区和高原切变线右侧,与西南低涡中心对应。西南低涡强盛时期,动力因子大值中心、西南低涡中心、降雨中心趋于重合。降雨区上空存在质量散度辐合、气旋性涡度和水汽通量涡度的垂直向上输送及辐合上升运动。     

应用NASA MERRA再分析资料对一次高原切变线的诊断分析

利用2016年6月29—30日地面及高空常规观测资料、CMORPH融合降水资料以及时空分辨率较高的NASA MERRA 0.625°×0.5°逐3 h再分析资料,对一次高原切变线过程进行了天气动力学诊断分析。运用广义位温、广义湿位涡和涡生参数等诊断量对切变线系统的生成及其降水分布进行分析。结果显示:广义位温等值线梯度大值区与大气水汽的聚集区相对应。切变线降水的发生、发展与广义湿位涡的分布及演变有较好的对应关系,低层大气广义湿位涡的正异常大值对降水发生有一定关联。广义湿位涡正负异常值之间的零线可较好表征高原切变线的位置。广义湿位涡中心强度对切变线生成与发展有一定指示意义。涡生参数可作为高原切变线生成和加强的一个明显前兆信号。     

Diagnostic analysis of the evolution mechanism for a vortex over the Tibetan Plateau in June 2008

Based on the final analyses data (FNL) of the Global Forecasting System of the NCEP and the obser- vational radiosonde data, the evolution mechanism of an eastward-moving low-level vortex over the Tibetan Plateau in June 2008 was analyzed. The results show that the formation of the vortex was related to the convergence between the northwesterly over the central Tibetan Plateau from the westerly zone and the southerly from the Bay of Bengal at 500 hPa, and also to the divergence associated with the entrance re- gion of the upper westerly jet at 200 hPa. Their dynamic effects were favorable for ascending motion and forming the vortex over the Tibetan Plateau. Furthermore, the effect of the atmospheric heat source (Q1) is discussed based on a transformed potential vorticity (PV) tendency equation. By calculating the PV budgets, we showed that Q1 had a great inffuence on the intensity and moving direction of the vortex. In the developing stage of the vortex, the heating of the vertically integrated Q1 was centered to the east of the vortex center at 500 hPa, increasing PV tendency to the east of the vortex. As a result, the vortex strengthened and moved eastward through the vertically uneven distribution of Q1. In the decaying stage, the horizontally uneven heating of Q1 at 500 hPa weakened the vortex through causing the vortex tubes around the vortex to slant and redistributing the vertical vorticity field.     

一次华南强飑线过程的数值模拟及后方入流作用诊断

利用WRF中尺度模式对2014年3月30—31日发生在华南的一次强飑线过程进行数值模拟。本次飑线过程受高空槽和低涡切变线影响,水汽条件充足,低层垂直风切变较强。模拟结果表明:发展阶段,后方入流缺口开始出现,飑线逐渐呈弓形结构;成熟阶段,飑线后方入流逐渐下沉到地面并延伸至对流区前沿,冷池完全移入残留冷区并加强,配合九连山下坡过程,飑线得以加强。后方入流对本次飑线过程的发展和维持十分重要。后方入流受环境风及中层负压力扰动作用开始形成,随后受对流区后侧中低层涡旋对的影响迅速发展增强而进入发展阶段,反气旋式涡旋的北侧风场促进了后方入流的形成和发展;成熟阶段,气旋式涡旋的南侧风场使后方入流迅速增强。气旋式涡旋区域主要受涡管拉伸作用增长,反气旋式涡旋区主要受涡度倾斜增长作用。涡旋对垂直涡度主要是由低层水平涡度向上倾斜引起,而水平涡度则是由斜压作用产生。     

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

Dynamical and Thermal Problems in Vortex Development and Movement. Part I: A PV–Q View

Based on the Lagrangian change equation of vertical vorticity deduced from the equation of threedimensional Ertel potential vorticity(PV e),the development and movement of vortex are investigated from the view of potential vorticity and diabatic heating(PV-Q).It is demonstrated that the asymmetric distribution in the vortex of the non-uniform diabatic heating in both vertical and horizontal can lead to the vortex’s development and movement.The theoretical results are used to analyze the development and movement of a Tibetan Plateau(TP) vortex(TPV),which appeared over the TP,then slid down and moved eastward in late July 2008,resulting in heavy rainfall in Sichuan Province and along the middle and lower reaches of the Yangtze River.The relative contributions to the vertical vorticity development of the TPV are decomposed into three parts:the diabatic heating,the change in horizontal component of PV e(defined as PV 2),and the change in static stability θ z.The results show that in most cases,diabatic heating plays a leading role,followed by the change in PV 2,while the change of θ z usually has a negative impact in a stable atmosphere when the atmosphere becomes more stable,and has a positive contribution when the atmosphere approaches neutral stratification.The intensification of the TPV from 0600 to 1200 UTC 22 July 2008 is mainly due to the diabatic heating associated with the precipitation on the eastern side of the TPV when it uplifted on the up-slope of the northeastern edge of the Sichuan basin.The vertical gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation below(above) the maximum of diabatic heating;the positive PV e generation not only intensifies the low-level vortex but also enhances the vertical extent of the vortex as it uplifts.The change in PV e due to the horizontal gradient of diabatic heating depends on the vertical shear of horizontal wind that passes through the center of diabatic heating.The horizontal gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation on the right(left) side of the vertical shear of horizontal wind.The positive PV e generation on the right side of the vertical shear of horizontal wind not only intensifies the local vertical vorticity but also affects direction of movement of the TPV.These diagnostic results are in good agreement with the theoretic results developed from the PV-Q view.     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是:暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1<0同时MPV2≧0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是:在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。      

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。     

Two-dimensional asymmetric vortex merger: merger dynamics and critical merger distance

Two-dimensional asymmetric merger of two like-signed vorticity monopoles with different sizes and vorticities is examined by combining simplified analytical models and contour dynamics experiments. The model results can capture the key dynamics and hence allow the prediction of the critical merger distance in a number of the situations. The models ignore deformation of one of the two vortices, replacing it with a point vortex, and employ a corotating frame of reference with a rotation rate estimated by point vortices. Thus, the two vortex problem becomes two separate problems of a single vortex in a background shear flow. Vortex merger is found to happen when the vortex cannot resist the background shear flow. Vortex merger and merging processes depend on the centroid distance d, the circulation ratio, (q_i and r_i are the vorticity and radius, respectively) and initial conditions. In the lowest order, the background flow is approximated by a uniform shear field, and the behavior of an elliptical vortex can be described by the Kida (1981) equation supplemented with one describing the time evolution of the centroid distance. This model reveals that merger takes place because the natural rotation of an elliptical vortex is overcome by the background uniform shear flow; the ellipse inversely rotates and is drawn out by the background straining field. The vortex deformation in a background flow field induces an inward flow at the position of the other vortex; as a result, the centroid distance decreases and two vortices merge. The critical merger distance from this model agrees quite well with the results from contour dynamics experiments for two vortices. Inclusion of higher order non-uniform shear in the background flow extends the critical merger distance, which gives almost perfect estimates for the experiment. In the non-uniform shear flow, partial merger occurs, where the vortex sheds off a filament, but the remaining part of the vortex resumes its natural rotation.     

风暴-低涡影响下青藏高原一次强降水过程北大核心CSCD

利用联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)最佳路径资料、逐小时降水资料和ERA5再分析资料,研究2017年5月26—31日孟加拉湾风暴与高原低涡共同影响下青藏高原一次强降水过程,结果表明:风暴和南支槽共同作用下建立的孟加拉湾至青藏高原的水汽输送带为高原低涡-切变线区域的降水提供水汽。南支槽后冷气流在青藏高原南部陡坡下沉形成冷垫,孟加拉湾偏南暖湿气流首先沿冷垫向北抬升,爬上青藏高原后向北在高原切变线附近再次抬升,增加降水区地表至对流层高层大气中的可降水量。风暴偏南风暖湿气流与青藏高原北部干冷空气交汇产生锋生,大气湿斜压性显著增长,湿等熵线密集陡立导致垂直涡度剧烈发展,有利于高原低涡加强。风暴北上过程中其高层反气旋式出流加强青藏高原槽前西南风高空急流,辐散增强有利于低层切变线发展和高原低涡东移,产生大范围强降水。高原低涡切变线与风暴水汽输送的正反馈作用,为降水区提供持续视热源和视水汽汇,有利于青藏高原降水系统的维持和发展。