An instantaneous 3-D analysis of turbulent flow in the wake of a hemisphere

Instantaneous three-dimensional velocity fields in the wake of a hemisphere located on an open channel bed are obtained by using multi-section flow visualization and a Mass-Consistent model. Instantaneous pictures of the organized structures are taken at a short time interval to investigate their behaviors at high Reynolds number. At high Reynolds number, the large vortex in the hemisphere wake is similar to the hairpin vortex observed at low Reynolds number. However, the long legs of the hairpin in the streamwise direction are not observed. A secondary hairpin vortex has been generated on the upstream side of the large hairpin vortex. Instantaneous spatial distributions of fluctuating velocity, vorticity production, etc. are presented and discussed.     

Wind tunnel wake measurements of heavier-than-air gas dispersion near a two-dimensional obstacle

The dispersion of a uniform two-dimensional flow of carbon dioxide gas in air over a square two-dimensional obstacle was studied experimentally in an atmospheric boundary-layer wind tunnel. The obstacle Reynolds number was about 6000 based upon the undisturbed velocity at the height of the obstacle, and the Froude number was about 1.75. Carbon dioxide was injected vertically upward from the surface at a rate of 10% of the freestream velocity. The injection surface area began one obstacle length upstream and extended upstream one and one-half obstacle lengths. A gas concentration measurement system for carbon dioxide and air mixtures was developed for use in an atmospheric wind tunnel. Centerline steady-state concentration profiles were measured for various locations downstream of the leading edge of the obstacle. The maximum concentrations of carbon dioxide occurred atop the obstacle in the thin recirculation zone above the obstacle. Immediately behind the obstacle within the larger downstream recirculation zone, concentration levels significantly decreased. Further downstream, the concentration levels continued to diminish.Experimental results were compared with the numerical solutions of Sutton et al. (1986). The experimental measurements of concentration were lower than the predicted results of the numerical solutions, which may be attributed to the higher value of the Froude number present in the experimental measurements.Associate Professor.     

东北冷涡下辽宁省短时强降水统计与合成分析

利用2000—2014年6—8月常规资料、FNL资料和辽宁省逐时降水资料,将东北冷涡分为北涡、中间涡和南涡,统计每类冷涡短时强降水特征,并进行动态合成分析。结果表明:短时强降水共755次,冷涡下227次,冷涡强降水多发生在1~3 h内。6月短时强降水主要由中间涡引起,7、8月中间涡与北涡共同影响,有一定周期变化;而南涡没有在辽宁产生强降水。北涡水汽输送充沛,中间涡水汽条件较差,切变辐合场与水汽输送的结合是有利于强降水的重要因子。降水基本处于斜压区内,冷涡中心降水处在斜压区北侧和高空急流左前方,高空槽前或槽后的降水处在斜压区南侧和急流中心右后方,降水区附近多有高空急流形成的次级环流配合。槽后降水区干侵入活动明显,冷涡中心降水主要通过高位涡诱发气旋性环流而触发上升运动。     

一次强风雹天气的干侵入作用及雷达回波特征分析

利用6小时NCEP 0.25°×0.25°再分析资料、常规观测资料和多普勒雷达资料等，对2018年6月13日发生在河南省北部地区的一次风雹天气过程进行诊断分析，结果表明：（1）此次强风雹天气发生在华北冷涡后部西北气流中，强天气发生前大气整层较为干燥，冷涡后部横槽南下，自上而下带来干冷空气，低层水汽辐合与午后地面高温共同作用，形成上干冷下暖湿的不稳定层结；（2）地面辐合线和弱冷锋是此次风雹天气的触发机制；（3）对流单体在干侵入的一侧首先发展加强，随后在地面辐合线附近不断产生小的对流单体，对流单体合并后进一步加强，逐渐形成弓形回波带,大风出现在回波带前侧地面辐合线附近，冰雹出现在中气旋左侧区域;（4）对流单体的移动方向与地面辐合线一致，地面辐合线稳定少动有利于对流系统的增强，地面辐合线断裂后对流系统迅速减弱消亡。这些结论为强风雹短临预报预警提供了参考依据。     

持续性冷涡暖锋暴雨成因及特征分析

利用常规观测资料、自动气象站降水量以及NCEP FNL再分析资料,对2019年8月6—8日一次持续性东北冷涡暴雨过程成因及特征进行诊断分析。结果表明:暖锋稳定维持在同一区域且不断锋生造成持续性暴雨。强降水出现在850 hPa锋区南侧,呈东西带状分布,暴雨与最大锋生区相对应。大气中层为弱对流不稳定,有利于强降水的维持。高层正位涡大值区向下层扩展,促使中低层涡度增加,在暖锋前形成正涡柱结构,在地面锋区上诱发出气旋性环流,有低压新生。锋区低层的强辐合区位于迎风坡,锋面辐合抬升和地形强迫抬升的共同作用,使低层强辐合区持续3 d维持在同一区域。冷涡东移减弱阶段,台风携带大量暖湿空气北上促使锋区北抬,强降水维持。冷涡新生和维持阶段,T_(850-500)≥25℃,K≥35℃,且有一定的对流有效位能,对暴雨的出现有较好的指示意义。暴雨区东边界的水汽输入最为关键,占到整个水汽输入总量的一半,尽管南边界的总水汽输入量不大,但集中出现在第一个暴雨日,是6日暴雨过程主要水汽贡献者。     

一次中尺度涡旋的成因分析

利用卫星云图、水汽图、常规天气图、物理量资料对2002年7月17日在华北地区上空出现的中尺度涡旋成因进行分析。分析表明：涡旋产生于斜压弱锋区中；涡旋的生成，是由多个对流单体组织起来的多尺度扰动相互作用的结果；该涡旋是一个浅薄的系统，仅在850hPa流场上有一个辐合点；涡旋的形成没有外来的水汽供应，因而强对流天气主要以大风、冰雹天气为主，在涡旋建立过程中，能量边形成边释放。     

东北低涡造成黑龙江暴雪天气过程分析

利用NECP再分析资料、卫星云图资料、新一代天气雷达资料及实况观测资料对2010年4月12-13日一次东北低涡产生的黑龙江省暴雪天气过程进行分析,详细讨论了此次暴雪的发生机制及天气特点。此次降雪过程由地面气旋北上引发,高空低涡前部东风暖平流和槽后冷平流相遇形成暖锋锋生,低涡东北部产生暴雪。低空急流对水汽的输送作用和低层较强的辐合上升运动为此次降雪过程提供增强机制。云系的发展、移动与降雪有较好的对应关系,较大降雪出现在逗点云系顶部。     

2003年江南干旱的成因分析

在对2003年夏季江南干旱进行客观评估的基础上,利用天气学方法对该年夏季江南干旱成因进行分析。结果表明,干旱同期北半球500hPa极涡偏于西半球,欧亚中高纬度大气环流呈两槽一脊型,东亚西风锋区位于40°N附近,西太平洋副热带高压长时间稳定控制江南地区。     

低纬高原两次冬季南支槽强降水的对比分析

利用常规高空观测资料,对发生在云南低纬高原2007年1月31日_2月1日和2008年1月26_27日的两次南支槽强降水过程进行对比分析。结果表明,两次南支槽降水的环流形势及影响系统均不同,前者为高原南支槽前西南暖湿气流与低层切变、冷锋共同影响,属典型的“槽潮”天气;后者无明显强冷空气配合,因中低层西南急流的建立并长时间维持,新生南支槽东移补充、西南涡及静止锋的共同影响造成。物理机制上,湿位涡的CSI机制分析表明,两次过程均属于对称不稳定降水;在2007年的强降水过程中,θac密集带在地面锋区附近形成,冷暖气流形成次级垂直环流国,导致强降水强降温并伴有大范围降雪的寒潮天气出现。后者无次级垂直环流圈形成,但有两个口。,密集带锋区长久维持,滇中以西持续的上升气流不断增强且深厚,滇中以东中低层形成有弱的气流辐合带,故强降水以液体降水为主,降温不明显;两次强降水过程均有锋生,前者锋生是由切变增强西移,低层冷高压促使冷锋增强,后者锋生为东移西南涡与稳定持续的强劲西南风低空急流触发而成。     

2010年1月鄂东一次暴雪过程中尺度分析

利用常规观测资料及NCEP／GFS再分析资料,对2010年1月5—6日发生在湖北东部的暴雪过程进行中尺度分析。结果表明：500hPa北支槽后干冷空气配合南支槽前西南暖湿气流形成的冷暖交汇以及850hPa低涡北抬发展是产生暴雪的主要天气背景;200hPa高空急流、700hPa西南急流、925hPa东北气流、850hPa气流汇合区、700hPa及850hPa露点锋、锋生次级环流、风向随高度强烈顺转的垂直风切变以及地面中尺度辐合区的有利空间配置,对暴雪预报具有重要指示意义。此外,在上述研究的基础上对此次暴雪过程的三维物理模型进行了总结。     

乌拉特中旗一次强沙尘暴天气成因分析

利用常规气象观测资料、亚欧天气分析图,对2010年3月19日的一次由蒙古冷涡强烈发展而引发的强沙尘暴天气过程,从天气学成因、动力机制等方面进行分析。表明,强冷空气的卷入使蒙古冷涡强烈发展,为沙尘暴的发生提供了动力条件;蒙古冷涡的垂直结构提供了动量下传机制,在地面冷锋后部形成大风区,为沙尘暴的形成提供了基本条件。通过对这次蒙古冷涡引发的强沙尘暴天气过程的分析,找出蒙古冷涡引发的沙尘暴天气过程的一些特点和预报着眼点。     

The influence of geometry on recirculation and CO2 transport over forested hills

Flow distortion over a forested hill is asymmetric, forming a recirculation region on the lee slope that increases the complexity in understanding atmosphere–biosphere interaction. To understand the complexity, we examine the effect of the geometry of forested hills on recirculation formation, structure, and related CO₂ transport by performing numerical simulations over double-forested hills. The ratio (0.8) of hill height (H) to half length (L) is a threshold value of flow patterns in the recirculation region: below 0.8, sporadic reversed flow occurs; at 0.8, one vortex is formed; and above 0.8, a pair of counter-rotating vortices is formed. The depth of recirculation increases with increasing H/L. The contribution of advection to the CO₂ budget is non-negligible and topographic-dependent. Vertical advection is opposite in sign to horizontal advection but cannot exactly offset in magnitude. Height-integrated advection shows significant variation in fluxes across hills. Gentle slopes can cause larger advection error. However, the relative importance of advection to CO₂ budget is slope-independent.     

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。     

鄂东一次大暴雨过程的成因分析

利用NCEP1°×1°再分析资料、卫星云图TBB资料和逐小时地面降水资料对2012年7月12~13日发生在湖北东部地区一次大暴雨过程进行了分析,结果表明:(1)在华北横槽转竖带动冷空气南下的过程中,中低层有中尺度低涡的发生发展,中尺度低涡的稳定维持与副高外围西南暖湿气流共同作用,导致了这次强降雨的发生。(2)鄂东强降水主要由两个中尺度暴雨云团影响,前一个暴雨云团为MCC,受副高外围西南气流向偏东方向移动,后一个暴雨云团受冷空气影响向东南方向移动。(3)低层露点锋与本次强降水天气过程的发生发展有较好的对应,锋区北侧偏北气流穿越露点锋,使得低层气旋式涡度增大、辐合加强。(4)本次过程干湿空气的相互作用形成能量锋区,锋区的维持和加强导致了强降水的发生。      

一次引发暴雨的东北低涡的涡度和水汽收支分析

对2005年7月25～29日引发较大范围持续性暴雨的东北低涡的结构、涡度和水汽收支进行了分析研究,结果表明:1)东北低涡是一个较深厚的冷性涡旋.初期,气旋性涡度出现在对流层中层,然后向中低层及高层伸展.而低涡加强阶段,气旋性涡度在对流层高层增加得最快,并逐渐向中低层传播,诱发地面气旋的发展;由于高低空锋生的相互作用,在低涡南部形成了深厚的近乎垂直的低层略前倾的"弓形"锋区.2)对涡度收支的计算表明,水平涡度平流项和水平辐散项对低涡的发展、加强起到最主要的作用.但在不同阶段,这两项的作用和大小各不相同.3) 对流层高层位涡大值区在低涡东部向下传播,有利于低涡的发展加强,与低涡暴雨的落区位置较为接近.此外对卫星云顶亮度温度(TBB)的分析,发现低涡暴雨典型的涡旋云带中对流活动旺盛的地区与局地暴雨的位置对应.4) 低涡暴雨的水汽初期主要来自北部,随着低纬地区西南季风的增强,沿副高西侧从低纬到中高纬建立起一条较强的水汽输送带,东北地区水汽收支以南北向的辐合为主.5)将2005年和1998年夏季6～8月的东北低涡暴雨个例的天气形势配置进行逐月比较,发现持续的较大范围的低涡暴雨过程与亚洲中高纬的阻塞形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有密切的关系.     

福建沿岸一次飑线过程发生发展机理分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR(1°×1°)的逐6h再分析资料结合ARW-WRF中尺度数值模式模拟结果对2018年6月20日发生在福建沿岸的一次飑线过程的发生发展机理进行了分析,结果表明:①本次飑线过程属于槽前型,对流层低层存在发展的低涡切变,切变南侧有冷空气南下,低空西南急流不明显,但有持续的暖湿气流输送至福建中北部地区,飑线生成于低涡南侧的沿岸附近。②飑线发展期间系统南侧低层风速不断增大且维持高的水汽输送和不稳定能量;前期对流的触发因子包括锋面对流系统的冷出流、地形的抬升以及海风锋造成的冷堆强迫抬升;后期冷出流边界与海风锋边界碰撞合并,加强了低层辐合促进了对流的发展,是飑线形成的主要原因。③飑线成熟时期地面存在中高压和尾流低压,高压后部为强烈的辐散区,风速较大;成熟时期内部存在两支气流,前向入流为低层暖湿气流在飑线前方流入并在对流云区被抬升,后向入流为中层干冷空气在飑线后方流入,在低层形成下沉运动,是地面大风形成的重要原因之一。     

梅雨锋结构特征及与锋上涡旋扰动关系的诊断分析

利用1999年6月下旬持续性梅雨锋降水过程的模拟结果以及野外实验的加密资料，对这次梅雨锋过程进行诊断分析， 发现梅雨锋主；要表现为中层锋面，强度比边界层锋强，低涡沿中层锋面南缘移动。中层锋强的演变对两类低涡（西南涡和局地涡）发展的影响程度不同。对于东移明显的西南涡，梅雨锋强度的加强比低涡提早6小时以上。而对于长江中游的局地涡，锋面最强与低涡最强出现的时间却比较接近。梅雨锋中层锋面发展最强的位置与低涡发展最强的位置在东西方向上基本重合，基本在同一经度上。因此，低涡暴雨扰动加强发展区的北侧正是前期持续锋生所在，并且锋生的位置在东西方向上基本不随时间发生位移。当低涡移经该地时，低涡强度最强， 随后低涡东移并且强度减弱，锋面大值带也减弱并随低涡向东传播。     

华北“7·19”暴雨中低涡系统演变及多尺度相互作用机制研究

为探究华北暴雨的维持及中尺度系统演变机制,利用NCEP/NCAR的GFS资料、地面自动站观测资料等,借助数值模拟、涡度收支分析和尺度分离等方法,对2016年7月19日前后一次华北暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。(1)本次极端降水过程与东移低槽切断形成的深厚低涡密切相关。低涡与副高脊线形成“东高西低”形势且雨区始终处于高层辐散低层辐合的动力配置下,有利于对流维持。涡旋与低空急流的配合使来自西南侧和东侧的水汽在华北辐合,并使雨区处于能量锋区,对流层中低层形成深厚逆温层,为暴雨维持提供水汽和能量保障。(2)低涡系统总体呈增强趋势,中心涡度最高达55×10-5 s-1以上。成熟阶段呈现贯穿对流层的直立正涡度柱,但涡度变化集中在500 hPa以下,中心维持在850 hPa附近。涡度增长主要受正涡度区与辐合中心重合产生的拉伸效应以及干侵入等因素的促进作用。(3)低层辐合中心由三种不同尺度系统叠加而成,其中中尺度系统对中心的强度和位置影响最大,而大中尺度风场间的辐合也使辐合区更大、强度更强。低层涡旋增长与风场辐合加强之间形成正反馈调节,有利于低涡和降水的维持。      

降雹与不降雹冷涡过程的对比分析

该文通过对１９９６年６月１３日山东大范围冷涡降雹过程与同年６月２０日不降雹冷涡的对比分析指出：降雹与不降雹冷涡，除了冷涡北侧的高空形势有明显差异外，主要表现在低层的风场、温度场和层结稳定度有显著区别。当高空冷涡进入华北上空时，若北侧有高压脊向东北方向伸展，沿脊前有东北气流侵入冷涡后部。同时，低层在４０°Ｎ附近有明显的东西向锋区配合锋生变形场逼近鲁西北一带的潜在不稳定区，该冷涡会造成山东大范围降雹。而当高空冷涡发展为较对称的深厚气旋时，处于冷涡南侧的山东地区则不会出现强对流天气。     

An experimental study of two-dimensional atmospheric gas dispersion near two objects

Two-dimensional gas dispersion in the atmosphere was investigated experimentally using an atmospheric boundary-layer wind tunnel. Argon gas, which is one and one half times heavier than air, was injected two-dimensionally and uniformly near two square objects at the rates of 3.55 and 4.93 m³/min per lateral meter from the bottom of the wind tunnel floor through a porous metal plate. The gas injection source was located at one object distance upstream of the first square object. Gas concentrations and velocities of the flow field were measured using an aspirating hot-film probe and a low velocity flow analyzer, respectively. The gas was dispersed no higher than approximately 2.0 object heights near the objects, and dispersed no higher than 3.5 object heights at the location of downwind distances of nine object lengths for the injection rates tested. The gas concentrations between the injection source and the first object were about 4 to 5 times higher than the gas concentrations of the other locations. The gas concentrations were 2 to 3% in the recirculation zone between the two objects, and were less than 2% behind the second object. The air-gas mixtures in the recirculation zone between the two objects and within the wake recirculation bubble behind the second object were well mixed and no gravitational settlement was detected in those regions. However, as the mixture moved down-stream, the gravitational settlement occurred beyond the wake recirculation bubble. This paper demonstrates that it is possible to model a two-dimensional heavy gas release in the atmosphere using wind-tunnel simulation with properly matched similitude parameters.