长生命期飑线的环境条件：涡度与动量

1.引言经典的飑线模型把飑线看成为与风切变垂直,排列成带状的由对流性上升和下沉气流形成的系统(Ludlam,1963).一般地理解,飑线的演变结果取决于上升气流的倾斜方向.压向垂直风切变的倾斜(逆切变倾斜)上升气流,把降水倾泻到下沉气流区,由于蒸发增强了地表冷空气堆;另一方面,顺切变倾斜的上升气流把雨水直接注入低层流入气     

重庆市不同天气背景下边界层高度和风场对PM_(10)浓度影响数值模拟研究

该文选取重庆市典型污染天气个例,利用WRF模式开展大气边界层数值模拟,分析了边界层高度(PBLH)和风场对PM_(10)浓度的影响。结果表明:夜间由于大气边界层比较稳定,PBLH对PM_(10)浓度的影响不大;白天,在有雾或阴天背景下,PBLH升高后2~3 h PM_(10)浓度才明显下降,而在晴天PBLH升高后1~2 h PM_(10)浓度就会明显下降;边界层风场的变化会直接影响PM_(10)浓度的变化,夜间重庆主城区主要受下沉气流影响,污染物向上的垂直扩散弱;当上午出现下沉气流时,PM_(10)向上的垂直扩散弱,PM_(10)浓度增加速度快;相反当出现上升气流时,PM_(10)向上的垂直扩散作用强,PM_(10)浓度增加速度慢,尤其是在高空风速大时,强烈的抽吸作用使大气垂直扩散能力得到显著增强,能较好地抑制地表PM_(10)浓度的增长趋势;下午由于太阳辐射强,边界层湍流强度增加,大气边界层垂直扩散能力强,因而PM_(10)浓度呈现明显下降趋势。     

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。     

垂直切变气流中热带波动的结构

认识热带波动的垂直结构对于揭露热带大气运动在上、下层间联系的本质以及天气预报实践都有重要意义。由于低纬地区风、压场的地转风关系不再适用,同时,水平温度场比较均匀,因而,大气上、下层间的联系不再象中、高纬度地区那样可以简单地用热成风关系来描述;又由于大气上、下层的基本气流往往有不同的方向,基本气流垂直切变的作用不容忽视.可以预料,热带大气波动的垂直结构是有其独特性的。本文利用伽辽金方法.导出一个求解切变气流中热带波动的一般性解法,并通过数值计算结果的分析,讨论垂直切变气流中热带波动的垂直结构特征.在本文中,我们将集中讨论热带对流层的Rossby波.      

一次飑线过程多普勒雷达资料分析

利用济南CINRAD/SA多普勒雷达产品,针对2006年7月5日飑线天气过程,分析回波发展演变、流场结构,讨论外流边界、强下沉气流与大风的关系,分析组合反射率因子、垂直液态含水量、中气旋产品特征.结果发现,飑线过境时风速出现两个极大值,一个出现在外流边界影响时段,另一个发生在强回波下沉气流影响时段;在横槽南下过程中,飑线后部强入流不断补充,前侧暖湿气流沿着后部入流爬升,不断产生新的单体,使得风暴得以维持发展;在垂直流场结构上表现为前侧暖湿气流倾斜上升,然后主体部分向后倾斜,后部有冷空气注入,形成下沉气流,下沉气流在地面附近辐散,与前侧入流形成低层阵风锋,是造成地面破坏性大风的主要因素.在水平流场结构上表现为低层存在气流辐合上升运动,中层有气旋性旋转气流,风暴高层为辐散气流.飑线消散阶段后期中层出现MARC,带来大风天气,而同时伴有冰雹天气的风灾产生在飑线达到最强至开始减弱的时段.当回波强度≥50dBz,且垂直液态含水量≥35kg·m-2,当有中气旋时,有利于产生冰雹和大风天气;外流边界的出现,反映了强对流回波后部下沉气流较强,是灾害性大风的前兆.     

长江中游一次暴雨中尺度天气系统的观测分析

利用多种加密观测资料，详细分析了长江中游一次暴雨中尺度天气系统的观测特征。结果发现：(1)暴雨由各种尺度的天气系统相互作用造成，直接造成这场暴雨的是中α尺度切变线上活动的多个并不深厚的中β尺度对流系统，该对流系统在发生发展过程中一直伴有明显的中尺度雨团活动。(2)这次中β尺度对流系统活动可能的物理图像为：在切变线东北方和西南方各有一支气流在切变线上辐合抬升并汇入对流系统中，在暖平流的作用下，气流在倾斜的θse锋前上升(或沿锋区爬升)并随高度发生顺转，到7km高度以上开始以西南气流发散，在离对流区400～500km处下沉，并在θse锋区附近构成中尺度垂直环流圈，对流云团发生在该垂直环流的上升支一侧。     

地形对2011年9月华西致灾暴雨强迫作用的数值模拟研究

运用GRAPES_Meso模式对2011年9月16-18日发生在陕西、四川的连续特大致洪暴雨过程进行数值模拟.通过对比3套敏感性试验结果,揭示了气流与地形相互作用对本次致灾暴雨的影响,结果如下:(1)16-18日在台风和蒙古高压共同影响下,850 hPa在黄、渤海形成偏东水汽通道,使大量水汽经华北平原输送至华西地区,气流被秦岭分割为南北两支,北支在秦岭北侧受到迎风坡阻挡,形成强迫抬升和水汽辐合中心;南支暖湿气流从东部灌入汉中平原,受到“喇叭口”地形挤压而辐合上升.(2)平原与高大山脉的交错相间地形导致条带状正负垂直运动带产生,在垂直方向上形成强烈的抽吸作用,加之该地区16-18日丰沛的水汽交汇,从而引发大范围强降水.(3)海拔高度与地表起伏度均对降雨有较大影响,在同样海拔情况下,地表起伏度越大,就越容易产生暴雨.     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。     

位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ω_ID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表...     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

2010年5月29—30日山东省强对流天气过程分析

文章利用常规气象观测资料、雷达产品和卫星云图等对2010年5月29—30日在山东省发生的强对流天气过程进行分析。结果表明:(1)此次强对流天气主要是受冷涡横槽影响。(2)高空西北气流、低空西南气流、高层干冷、低层暖湿和略有前倾槽的结构是此次强对流天气产生的必要条件。(3)沙氏指数、垂直风切变、850h Pa与500h Pa之间温度差和垂直速度等物理量指标能较好地反映此次强对流天气的发生和移动方向。(4)从雷达回波、云图中可以看出,在横槽的前部经常有小的对流云团生成。(5)前期的温度较高、地形以及城市的热效应也是此次强对流天气发生的原因之一。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

不同地形资料对西南涡降水过程的数值模拟研究

本文仅改变模式下垫面的地形资料,对西南地区降水过程进行模拟试验,通过模拟结果的分析对比,我们认为1)不同地形资料(或是对地形资料进行平滑处理),在地形突变处的差异最为显著。2)地形细微的变化最直接影响的是降水位置,其次是降水强度。3)地形变化之后,短波辐射受到的影响最为直接,感热通量和潜热通量是此消彼长。4)盆地有降水过程时,低层一般盛行东南风,且会在盆地内部产生气旋性弯曲,气流在迎风坡存在明显的辐合,而背风坡则存在明显的辐散。5)地形梯度同样影响对流的发生发展,在地形陡峭处更容易产生强烈的上升运动,地形梯度越缓,气流的爬升能力也越强。总之,地形的微小变化已经可以对降水的落区和强度产生显著的影响。      

宝鸡地区西北气流型降水预报方法

宝鸡位于青藏高原东侧,在脊前西北气流控制下,大多是晴好天气,但是往往会出现一些阵性或非阵性降水,特别是多为局地性降水,甚至还可以出现大雨.这里介绍一个西北气流型降水预报方法.一、选择因子1.西北气流的标准.a)500hpa(H平凉—H格尔木)+(H银川—H敦煌)<0;b)500hpa吉迈(56046)站为北风或南风(但风速<6m/s).同时满足以上两条标准的定为一次西北气流样本.     

陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2008年夏季的观测资料,分析了陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制,计算了地表和5 cm深处土壤热通量板之间的热储存,并对地表能量不平衡特征重新进行了计算和评价。当把土壤热储存作为地表能量收支的一部分考虑后,不平衡差额绝对值平均降低了23 W.m-2,能量不闭合度平均减小了0.104,利用最小二乘法(OLS)进行线性回归得到的平均不闭合度减小了0.085。从白天和晚上的能量不闭合度频率分布也能够看出,土壤热储存对地表能量收支平衡有很大改善。但即使考虑了土壤热储存项,地表能量不闭合仍然很明显。除了土壤热储存,边界层大气不同形式的输送能力作为对地气能量通量交换过程中的重要因素,对能量不平衡也会产生深远影响。结果显示,地表能量不闭合度分别与垂直速度w、水平风速u和对流速度尺度w*有较密切的关系。涡动相关法通量计算中常通过坐标旋转强迫垂直速度变为零,然而非零的垂直速度和垂直平流是真实存在的,忽略垂直平流热量输送是产生地表能量不平衡的重要原因。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

一次西向特大暴雨天气过程的高空气流结构分析

利用常规资料对产生“97.8.13”西向特大暴雨过程的天气系统和气流结构进行分析。分析表明高空有三支不同性质的气流直接对暴雨的发生、发展产生作用。西南气流直接对暴雨的发生、发展产生作用。西南气流的急流轴,垂直方向位置偏低,急流狭窄。700hPa偏东气流和西南气流在交汇处形成强烈的能量锋区,成为暴雨发生发展的触发机制。     

模拟的超级单体雷暴旋转和辐散分量的动能收支

一、引言实际发展中的强风暴,尤其是产生陆龙卷的强风暴的一般特点是,准定常旋转环流相对平均气流是倾斜的.Lilly(1982,1983)提出,旋转的发展首先是扩大风暴范围,进而使风暴结构稳定.在他1986年的文章里,他用线性分析方法指出了三维浮力对流元对平均气流垂直切变有反应,即增加绕垂直轴的旋转,从平均气流中获得旋转动能.通过进     

1974年12月2日华北大雪的初步分析

本文讨论1974年12月2日一次寒潮过程华北锢囚锋大雪的例子。应用样条(Seline)函数插值法进行了10层等θ_e面及等熵面分析。对该系统对流层锋区三度空间气流结构的分析发现,锢囚锋上空气流主要有低、中、高三层:低层和高层为斜爬升气流,中间一层为倾斜度很大的、冷的偏东北风急流。还发现在锢囚点上空,有冷空气从对流层中高层沿等θ_e面漏斗状“洞穴”作下沉运动。这种复杂的气流结构与锢囚锋在华北的发展与维持及大雪的中尺度分布等有密切联系。