位温、等熵位涡与锋和对流层顶的分析方法

等熵位涡分析是位涡理论的分析基础。此文的目的是介绍等熵位涡分析所必需掌握的基本概念和方法。文中从位温和位涡、对流层和平流层、锋和对流层顶的基本性质出发,讨论了锋和对流层顶在剖面图、等压面图及等位温面（即等熵面）图上的特征。文中给出了各种分析实例图形,并通过分析和对比指出：平流层的高位涡是对流层顶以上位温随高度急剧增加位温垂直梯度特别大的结果;位温垂直梯度是决定位涡分布的主要因子;等熵位涡图主要反映极地气团的活动,同时也是与极地气团密切关联的锋、急流、对流层顶的综合反映。最后提出了等熵位涡分析中需要避免的一些错误认识,特别是不能将等位温面上的流线当成轨迹的错误,并由此得出平流层空气侵入对流层下部的错误推论。     

引发北方沙尘暴天气快速发展气旋的数值模拟研究

使用非静力中尺度模式,对2000年4月5～7日引发北方沙尘暴大风天气的蒙古气旋快速发生发展过程做了48 h的预报试验,发现含全物理过程时,该模式基本可再现出大尺度背景场演变和蒙古气旋快速发展的过程;气旋发展前期冷暖空气相当活跃,有很强的斜压性,锋生函数辐散项对气旋的发展作用最大;对流层高层的位涡大值区在向下向东传递过程中,中低层出现气旋快速发展,气旋达最强盛时,对流层中形成一个上下贯通的垂直涡柱;对流层顶"下陷",高层位涡大值区(即高空冷涡低槽的发展)与低层锋区出现相互作用,这可能是导致斜压扰动发展及气旋初始生成的重要机制;潜热释放在本次气旋发生发展过程中作用不显著.这与梅雨锋上低压(扰动)等系统的情况有很大差别.     

"强降水和黄海气旋"中的干侵入分析

利用GOES-9卫星6.7μm的水汽图像资料、等熵气流、位涡(IPV,MPV1)、sθe等物理量,对2003年梅雨期的一次强降水过程进行了分析,以揭示干侵入在强降水和黄海气旋中的作用。分析结果表明:(1)水汽图像暗区动态对强降水、温带气旋发展有很好的预报指示意义。(2)叠加了相对湿度场的垂直气流的发展、变化特征能清楚地反映干侵入与强降水的关系,对短时预报有一定指示意义,干侵入对强降水起激发作用。中层以上的干区与水汽图像暗区十分吻合。(3)sθe=340K等熵面上的气流能较好地反映对流层中上部的干侵入特征,sθe=330K等熵面上的气流能较好地反映黄海气旋发展特征。沿等熵面高脊区的下滑急流与水汽图像暗区相当一致。IPV大值区的发展变化与气旋快速生成、发展关系较好,IPV分布能较好地反映干侵入特征。(4)等压面上的MPV1空间、时空剖面均能很好地描述干侵入的演变特征。当MPV1≥0.4 PVU的区域向下伸展时,在其以南约2个纬距处出现强降水。(5)对气旋附近的强降水,干侵入起逐渐加强作用;对远离气旋区域,MPV1大值区域与强降水突然出现几乎是同步的,说明MPV1所反映的干侵入特征对强降水的作用在气旋附近与远离气旋区有所不同。强降水出现在sθe陡峭和密集区中。     

等熵面和湿等熵面倾斜发展的诊断分析

利用等压坐标系中的热力学方程和水汽方程推导出可以诊断分析等熵面（等位温面）和湿等熵面（等相当位温面） 倾斜变化的倾角方程。等熵面倾角的局地变化由倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项共同决定,而影响湿等熵面倾角局地变化的强迫项除倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项之外,还包括垂直热量通量切变项。NCEP/NCAR实时分析资料的分析结果表明,大气斜压性、相对垂直涡度与等熵面和湿等熵面的倾角密切相关,它们的正高值区互相重叠;垂直风速切变项,特别是垂直速度的经向切变项是影响等熵面倾斜发展的主要强迫项,而纬向和经向风速的垂直切变项对湿等熵面倾角演变的贡献最大。     

梅雨期一次黄淮气旋发展的干侵入特征分析

利用水汽图像、等熵气流、θse等物理量，对2003年梅雨期的一次黄淮气旋发展过程进行了分析，试图揭示干侵入在黄淮气旋发展中的作用。分析结果表明：与干侵入相联系的水汽图像暗区的移动、发展变化与黄淮气旋的发展、加强、减弱对应关系较好。水汽图像暗区前部依气旋的发展加强、维持、减弱而主要出现在黄淮气旋西侧、南侧和东侧。分析垂直环流表明，干侵入来自对流层中上层，与水汽图像暗区有较好的对应关系，在气旋发展强盛期下沉气流区自西向东、自南向北推进。高空动量下传促使地面气旋发展，从而使中、低层大气变得非常干燥。335K等熵面上的流场特征、等熵面陡峭处与水汽图像暗区的对应关系较好。θse的垂直剖面能反映干侵入特征。等熵面在垂直方向的折叠可使对流层中下层出现潜在对流不稳定区。θse=335K位温舌能较好地反映天气系统的三维结构和干侵入特征。自高层向下传递、加强的位涡变化能反映干侵入的动力特征。     

一次爆发性气旋引发东北地区暴雨成因分析

利用2016年5月2—4日NCEP的FNL 1°×1°再分析资料和GDAS的1°×1°再分析资料、地面观测资料,运用天气学分析、等熵位涡、物理量诊断和水汽来源追踪等方法,从大尺度环流背景、水汽源地和输送、动力和热力机制、等熵位涡等方面对2016年春季一次地面气旋爆发性发展导致的东北地区暴雨天气过程进行了分析。结果表明:位于40°N附近的黄淮气旋北上加强发展,2日14时至3日14时中心气压下降24 hPa,超过爆发性气旋的定义标准。500 hPa高空槽快速加强发展为闭合低涡,低空切变线加强发展为低空低涡,其东部形成明显的低空急流,为暴雨区提供水汽和热量,为东北地区典型的暖式切变降水。等熵位涡自320 K高层向305 K低层输送下传,并逐步向南向东移动,高空正位涡的下传促使地面气旋快速发展,上升运动加强,有利于暴雨的出现。比湿在6 g·kg^(-1)以上对东北地区春末夏初暴雨预报有一定的参考意义。水汽主要来源于东海、黄海及西北太平洋。暴雨区与850 hPa水汽通量散度的负值区、700 hPa垂直速度和850 hPa绝对涡度大值区较为一致,强降水区与850 hPa相当位温密集带和暖区锋生区相对应,降水位于能量锋区以及偏暖区一侧。     

爆发性蒙古气旋若干统计特征

本文对1979－1998年10个冬半年爆发性蒙古气旋的时间分布、强度以及爆发性发展的天气学条件等进行统计分析。指出，爆发性蒙古气旋主要发生在季节交替之际，与锋区、高空急流、冷暖中心及强度和强偏南气流等因素密切相关。由T42资料，计算典型个例等熵位涡（IPV）。分析表明，对流层顶折叠和平流层高IPV值下传是该蒙古气候强烈发展的动力强迫源之一。高空急流对IPV值平流输送具有锋生作用，加剧蒙古西部山地大气斜压性，导致锋面尺度跌落。得出结论，该蒙古气旋是极锋上扰动强烈发展的结果。     

“低温雨雪冰冻”天气过程锋区特征分析

2008年年初低温雨雪冰冻期间(包括4次过程),冷暖气团长期对峙是"低温雨雪冰冻"天气持续的主要原因;准静止锋稳定、少动,锋面较平缓;等θse经向和垂直向梯度不断加强;冷暖气团形成的逆温很明显;主锋区前部上空存在多层锋区现象;锋区渐强,最强时在10个纬度内南北温差超过20℃;相对湿度≥90%的高湿度区的移动趋势、范围、垂直伸展高度均与4次过程吻合较好;锋生函数的分布与等θse密集区的分布一致,呈向北倾斜上升状,滇黔地区准静止锋区域内,多数时间段有锋生发生,华南地区上空静止少动的锋生中心,正是低温雨雪冰冻期间准静止锋长期稳定的原因之一;南北风交界线的移动趋势与低温雨雪冰冻过程趋势一致,4次过程都伴有偏南风低空急流;当副热带高空急流逐渐加强、水平风垂直切变加强并向下伸展时,低空急流加强;高位涡舌向下伸展,高纬度的高位涡舌与主锋区的中高层相对应,中纬度高位涡舌与副热带锋区对应;湿位涡斜压项PMV2量级较小,但其与,4次过程的对应关系非常好;锋区上界和下界等熵面上的气流能较好地反映准静止锋区上、下界特征;约290 K等熵面上(锋区下界以下)在贵州均为偏东气流,这是贵州及江南大部分地区长时间维持低层冷气团的主要原因.     

一次辽宁秋季暴雨天气的诊断分析

使用1.0°×1.0°NCEP再分析资料,对2006年10月21—22日深秋暴雨在天气形势分析的基础上,进行物理量诊断。结果表明:在有利的环境背景形势下,高位涡从对流层高层向低层伸展并形成湿位涡柱,引起气旋性环流与低涡环流叠加。对流层低层的湿斜压性增强,引起低层的锋区加强及垂直涡度发展,高空入侵干冷空气锲入底层,低层暖湿空气强迫抬升,使地面发展为气旋;高低空急流耦合产生上升气流,同时较强的补偿下沉运动激发上升运动加强,使次级环流加强,触发不稳定能量的释放;低空急流和超低空急流向辽宁输送暖湿空气及能量,对流层中低层形成湿柱并积聚高不稳定能量;中尺度气旋、高低空急流、湿位涡柱、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间和落区。     

暴雨中尺度气旋发展的等熵面位涡分析

利用中尺度模式ＭＭ４对１９９１年７月５～６日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。用模式输 出资料，根据湿位涡理论分析了这次暴雨过程中对流层低层的中尺度低涡及地面气旋发生发 展的原因。结果表明，在有利的等熵面形态下，具有较高湿位涡值的高层冷空气沿等熵面快 速向南下降的过程中绝对涡度增加，导致了气旋性涡旋的发展加强。     

梅雨期高位涡源区及其传播过程

分析了气候平均意义下梅雨前期及期间东亚地区等熵位涡（isentropic potential vorticity,简称IPV）的源区和演变过程。结果表明:梅雨发生前,东亚地区对流层高层经向位涡梯度减弱,而后这里的IPV开始向南延伸出高值带,形成“舌区”。同期对流层低层,经向位涡梯度出现反向,与南边位涡梯度大值带形成经向偶极子型并伴随梅雨发生发展。梅雨期40°N,120°E附近对流层顶折叠处有明显的位涡输送和质量交换。用10~90 d带通滤波和超前相关追踪IPV异常源区和传播路径发现,345 K的IPV异常场和梅雨期前后降水异常的相关系数最大值出现在前者超前后者10 d左右,位置在贝加尔湖东侧,这里是影响梅雨期降水的位涡源区。其向南输送高位涡空气主要在梅雨发生前的6月10日左右,高位涡异常空气沿2 PVU等位涡面以东北—西南路径向南输送,在2 PVU面最陡峭处堆积,然后穿越物质面快速下沉侵入40°N以南,并在对流层呈扇状铺开。因而,贝加尔湖东侧可能是影响梅雨的主要冷空气源区,是梅雨降水中期预报的一个关键区。     

Isentropic Analysis of Regional Cold Events over Northern China

From the perspective of cold air mass(CAM) analysis, we examine the characteristics and mechanisms of regional cold events(RCEs) over northwestern and northeastern China in the past 58 years(1958/59-2015/16). The RCEs in northwestern(northeastern) China are shown to have an average duration of 6.8(4.7) days with a moderate(sharp)temperature drop. We quantitatively estimate the RCE-related CAM, for the first time, using an isentropic analysis method.Before an RCE in northwestern China, CAM is acc...     

一次寒潮降温过程的等熵位涡和热力学分析

通过等熵位涡和热力学能量方程的各项诊断对2018年1月上旬我国东部一次寒潮天气过程进行分析,重点给出垂直运动在寒潮降温中的作用。结果表明：此次寒潮天气过程主要受蒙古国南部的横槽转竖影响,巴尔喀什湖东部和西伯利亚地区及其北部为引起这次寒潮的主要冷空气源地。欧亚大陆北部和极区对流层高层和平流层低层的高位涡强冷空气沿着等熵面向南向下平流,引导强冷空气侵袭我国东部。等熵位涡大值区的东侧对应上升运动区,有利于降水的产生。寒潮期间风场平流引起的850 hPa强降温区主要位于东南沿海地区,降温幅度最高可达6×10^-4 K·s^-1,而东北地区在整个寒潮期间冷平流强度较弱,最大降温幅度仅约为1×10^-4 K·s^-1。通过计算东南沿海和东北地区区域平均风场平流和垂直运动引起850 hPa温度变化,得出寒潮期间两地的温度总降幅约为1×10^-4 K·s^-1。东南沿海地区的寒潮主要由风场的冷平流引起,而东北地区则是由冷平流和垂直上升运动的共同作用引起。垂直方向上,东北地区冷空气能影响的高度要远高于东南沿海地区。     

2003年7月4～7日淮河流域特大暴雨等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对 2 0 0 3年江淮梅雨期 7月 4～ 7日淮河流域特大暴雨进行了天气动力诊断分析。发现 :等熵面上的西风急流将高位涡向下游输送 ,强西北气流穿越等压线形成强下沉气流 ,将高层和高纬的高等熵位涡向南输送 ,使得强降雨区维持高等熵位涡 ,是强雨带持续的重要原因。等熵位涡高值区与强暴雨有较好的对应关系 ,并具有预报指示意义     

登陆台风等熵面位涡演变的数值模拟研究

选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.引入Ertel等熵面位涡收支方程,深入分析了登陆台风结构演变的过程中绝热与非绝热作用对对流层低层位涡局地变化的影响.研究表明:台风温妮深入内陆的过程中,对流层低层台风中心西北侧位涡增长,且大值中心不再与台风中心重合;由于摩擦和非绝热加热的存在,对流层低层位涡不守恒,其局地变化主要决定于位涡的水平平流(守恒项)、位涡的垂直平流、加热的垂直微分(非守恒项)的分布;台风温妮变性前后,对流层低层位涡的守恒性逐渐减弱,非守恒项尤其是加热的垂直微分对位涡的局地增长的正贡献不断增强直至占有主导地位.     

西北地区东部一次连阴雨过程等熵位涡分析

应用等熵位涡原理,对2005年5月中旬西北地区东部的一次连阴雨过程进行了诊断分析。结果表明:影响这次连阴雨过程的大环流背景是乌拉尔山附近存在一高压脊,同时在巴尔喀什湖附近存在一不断加深的槽;这次连阴雨过程是由高原不断生成的低涡与北边分裂下来的冷空气所共同造成的;由于青藏高原大地形的作用,等熵面上高位涡沿高原北侧向下游输送;等熵位涡高值区与降水区有较好的对应关系,IPV正值区能够反应冷空气的移动,具有较好的预报指示意义。     

Analysis of Isentropic Potential Vorticity for a Strong Cold Wave During 2004/2005 Winter

Using the NCAR/NCEP daily reanalysis data from 1 December 2004 to 28 February 2005, the isentropic potential vorticity （IPV） analysis of a strong cold wave from 22 December 2004 to 1 January 2005 was made. It is found that the strong cold air of the cold wave originated from the lower stratosphere and upper troposphere of the high latitude in the Eurasian continent and the Arctic area. Before the outbreak of the cold wave, the strong cold air of high PV propagated down to the south of Lake Baikal, and was cut off by a low PV air of low latitude origin, forming a dipole-type circulation pattern with the low PV center （blocking high） in the northern Eurasian continent and the high PV one （low vortex） in the southern part. Along with decaying of the low PV center, the high PV center （strong cold air） moved towards the southeast along the northern flank of the Tibetan Plateau. When it arrived in East China, the air column of high PV rapidly stretched downward, leading to increase in its cyclonic vorticity, which made the East Asian major trough to deepen rapidly, and finally induced the outbreak of the cold wave. Further analysis indicates that in the southward and downward propagation process of the high PV center, the air flow west and north of the high PV center on isentropic surface subsided along the isentropic surface, resulting in rapid development of Siberian high, finally leading to the southward outbreak of the strong cold wave.     

An Isentropic Mass Circulation View on the Extreme Cold Events in the 2020/21 Winter

Three extreme cold events successively occurred across East Asia and North America in the 2020/21 winter.This study investigates the underlying mechanisms of these record-breaking persistent cold events from the isentropic mass circulation(IMC)perspective.Results show that the midlatitude cold surface temperature anomalies always co-occurred with the high-latitude warm anomalies,and this was closely related to the strengthening of the low-level equatorward cold air branch of the IMC,particularly along the climatological cold air routes over East Asia and North America.Specifically,the two cold surges over East Asia in early winter were results of intensification of cold air transport there,influenced by the Arctic sea ice loss in autumn.The weakened cold air transport over North America associated with warmer northeastern Pacific sea surface temperatures(SSTs)explained the concurrent anomalous warmth there.This enhanced a wavenumber-1 pattern and upward wave propagation,inducing a simultaneous and long-lasting stronger poleward warm air branch(WB)of the IMC in the stratosphere and hence a displacement-type Stratospheric Sudden Warming(SSW)event on 4 January.The WB-induced increase in the air mass transported into the polar stratosphere was followed by intensification of the equatorward cold branch,hence promoting the occurrence of two extreme cold events respectively over East Asia in the beginning of January and over North America in February.Results do not yield a robust direct linkage from La Ni?a to the SSW event,IMC changes,and cold events,though the extratropical warm SSTs are found to contribute to the February cold surge in North America.