空间非均匀加热对副热带高压形成和变异的影响──Ⅲ:凝结潜热加热与南亚高压及西太平洋副高

通过理论分析和数值模拟,研究了降水所致凝结潜热影响副热带高压带断裂的物理机制。基于全型垂直涡度方程的尺度分析指出,强的对流凝结加热的垂直梯度的变化,导致副热带地区对流层高层和中低层的高低压分布呈现出反位相。数值试验证实凝结潜热是决定东半球夏季副热带高压位置和强度的关键因素：东亚季风降雨所致凝结潜热加热使高层南亚高压位于加热中心西侧,中层西太平洋副热带高压位于加热中心东侧。通过定常波的传播,副热带地区的凝结潜热加热对中高纬天气的形成和维持有一定影响。     

热力适应、过流、频散和副高II.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气 动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

热力适应、过流、频散和副高Ⅱ．水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压中低空出现在低源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡强度迫源还通过能量散射，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

2003年7月西太平洋副热带高压变异及中国南方高温形成机理研究

运用全型垂直涡度倾向方程理论, 研究了空间非绝热加热在垂直方向的变化对2003年7月副高强度和位置变异的影响.结果表明: 副热带地区的非绝热加热对副高的强度和位置的变化有极其重要的影响.与气候平均状况相比较, 2003年7月副高北侧、西侧非绝热加热的垂直变化异常偏强, 而南侧、东侧较常年异常偏弱.这种异常的非绝热加热状况导致我国江南到副热带西太平洋地区呈现带状的异常反气旋性涡度制造, 使得7月副高偏强偏西.     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

“05. 6”华南强降水期间副热带高压活动与加热场的关系

采用NCEP/NCAR再分析逐日资料,根据全型垂直涡度倾向方程,研究2005年6月华南强降水期间西太平洋副热带高压(副高)位置变动特征及其与加热场的关系.结果表明,西太平洋副高位置变化和副热带地区的非绝热加热有密切关系.与气候平均状况相比,2005年6月副高北侧的加热区很强,而南侧赤道辐合带(ITCZ)没有相当强度的对流;伴随着副高北抬,其南侧均有明显的对流潜热加热向北伸展.副高西侧的加热基本上都大于副高纬带内的加热,副高的每一次西伸都伴随着西侧加热的显著增强,并且加热增强先于副高西伸.对流层中层,副高北侧非绝热加热率的垂直变化基本上都大于气候平均值,不利于副高北进;而南侧加热率的垂直变化均小于多年平均,有利于副高南侧反气旋性涡度异常增长,从而有利于副高南退.2005年6月下旬副高西伸之前,副高西侧非绝热加热率的垂直变化基本上都高于气候平均状况,有利于副高两侧反气旋涡度增加,从而诱使副高随后西伸;而东侧加热率的垂直变化大多数时间都低于气候平均状况,使得副高东侧气旋性涡度增加,有利于副高西伸,对流层低层也具有类似特点.因此在南北两侧加热和东西两侧加热的共同作用下,2005年6月副高位置较常年偏南偏西,从而有利于雨带在华南地区维持.     

孟加拉湾季风爆发对南海季风爆发的影响Ⅱ:数值试验

通过数值试验研究了孟加拉湾季风爆发期间该地区旺盛的对流凝结加热对南海季风爆发和副热带高压“撤出”南海的影响,结果证明在孟加拉湾地区引入模拟的对流凝结潜热使该地区出现了强烈的上升运动,引起了孟加拉湾季风的爆发。同时由于对凝结加热的非对称Rossby响应,在南海北部导致西风出现和增强及垂直上升运动。因低层水汽平流的共同作用下,在南海北部引起了对流的发展。而正是南海北部的凝结加热促使南海地区温度经向梯度逆转,使副热带高压脊面的倾斜从冬季型转为夏季型,即低层的副热带高压减弱南移。最后当对流在南海地区发展起来时,副热带高压移出南海地区。     

南海海气相互作用对热带气旋生成的影响——个例诊断

利用NCEP气候预报系统再分析资料（CFSR）和日本JRA-25再分析资料,对2010年西太平洋第5号热带风暴“蒲公英”的形成过程进行诊断,揭示南海海气相互作用对其初始涡旋生成的影响。分析表明,“蒲公英”的初始涡旋最早于8月20日00时出现在吕宋岛以东的对流层低层。西太平洋偏东风受到吕宋岛地形强迫可能是初始扰动形成的原因之一。在初始涡旋生成阶段,南海海域盛行较强的东南风,因风应力造成的Ekman输送导致南海中东部较暖海水流向吕宋岛附近,使得局地海温升高,自海洋向大气输送的感热通量增大。异常感热加热使其上空低层气压下降,近地层出现上升运动。但根据热力适应理论,感热加热随高度减小制造的低层负涡度不利于初始涡旋在异常感热加热区上空向高空进一步发展,可是在感热加热区东侧因涡度平流随高度增加,强迫出上升运动。该上升运动引起的凝结潜热释放,使得最大加热中心出现在对流层中层。于是,在对流层中低层非绝热加热随高度增加,制造正的相对涡度,使得初始涡旋在感热加热区的东侧生成,继而在对流层中低层增强。因此在初始涡旋增强阶段,凝结潜热加热及其对涡度的制造起主要作用。      

非绝热加热对冷锋锋生过程影响的比较研究

本文利用半地转模式研究了非绝热加热对冷锋锋生过程的影响。计算结果表明，非绝热加热包括大尺度凝结潜热、积云对流加热和感热都可以在加热区诱发出附加的锋生场。从而使加热区内的锋区强度得到明显加强；三种加热都能使上升速度增大，其中大尺度凝结潜热释放可在锋前出现一条宽约２００ｋｍ的强降水带．积云对流加热可使上升运动区范围缩小或在低层出现中尺度雨带，感热加热是产生中尺度雨带的一种可能机制。计算还表明，大尺度凝结潜热对锋生过程的影响最明显。它可以影响锋生过程中所有物理量。而积云对流加热和感热加热只对位温场和垂直速度场有明显影晌。但影响程度没有大尺度凝结潜热大。     

暴雨过程对副热带高压变动的影响

给出了长江中下游暴雨期间经圈环流观测事实, 指出在考虑垂直运动日变化之后, 可清晰地看到暴雨次级环流下沉支的存在。全型涡度方程对暴雨个例的计算发现, 非绝热加热中心西侧高空激发出负涡度, 东侧为正涡度;在低层则刚好相反。副高和南亚高压均会沿局地涡度变化的负中心方向移动。     

线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响

通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压"三角形偏心"结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其经向切变能改变气旋和反气旋中心的经向位置,使它移至0风速所在纬度附近;其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的"三角形偏心"结构。副热带高纬度的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬度的东风使其西移,形成东北—西南走向的"平行四边形"结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北—西南走向的"三角形偏心"结构。     

空间非均匀加热对副热带高压形成和变异的影响Ⅱ:陆面感热与东太平洋副高

在文献［４］尺度分析的基础上,通过对 Ｎ Ｃ Ｅ Ｐ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ 月平均资料的分析,并利用 Ｉ Ａ Ｐ／ Ｌ Ａ Ｓ Ｇ Ｇ Ｏ Ａ Ｌ Ｓ全球气候模式进行模拟和试验,研究了东太平洋北美地区副热带高压主体的形成及变化规律。基于全型垂直涡度方程的诊断分析指出,北美陆地的表面感热通量是决定该地区副热带高压中心位置及其季节变化的关键因素。数值模拟和敏感性试验进一步表明,夏半年陆面感热加热是导致１０００ ｈ Ｐａ 太平洋副热带高压及５００ ｈ Ｐａ 北美副热带高压形成和变化的最重要原因。     

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向的影响

潜热释放的作用在温带气旋的研究中一直是研究的重点。江苏省气象台沈阳等以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700 hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。     

孟加拉湾季风爆发对南海季风爆发的影响Ⅰ:个例分析

利用南海季风试验分析场和NCAR向外长波辐射通量(OLR)资料研究了1998年孟加拉湾季风和南海季风爆发期间副热带环流的大尺度和天气尺度特征,探讨了孟加拉湾季风爆发与南海季风爆发之间的物理联系及孟加拉湾季风气旋的对流凝结潜热释放对副热带高压“撤出”南海的影响。结果表明,1998年5月爆发的东亚季风展现出典型的从孟加拉湾地区东传发展到南海地区的过程。随着孟加拉湾季风爆发和对流活动增强、北移,南海北部出现了低层西风和对流活动,领先于副热带高压在南海地区减弱和撤退。结果还显示南海北部地区的对流凝结加热有助于该地区经向温度梯度的反转,在热成风关系的制约下南海上空副热带高压脊面的垂直倾斜由冬季型转向夏季型,季风爆发。     

用多层非线性平衡ω方程分析“91·7”梅雨锋暴雨

利用多层非线性平衡ω方程,诊断分析了1991年6月29日-7月12日梅雨锋暴雨的特点。结果表明:应用该方程计算出的垂直运动的空间分布与该段梅雨期雨带的位置对应得较好。在诸强迫项中,稳定性凝结加热对这一时段梅雨锋暴雨的贡献最大,而对流凝结加热的作用很小。另外,涡度水平平流的作用小于温度水平平流的作用,而涡度平流垂直变化的作用比较重要。     

“81.8”持续暴雨期中-α尺度低涡发展的涡度变率及其热源

1981年8月14日至22日(“81.8”)发生在陕、甘、川毗邻区的一次持续暴雨过程,与伴有切变线的低涡持续发展直接关联。涡度变率诊断揭示,涡度正变率中心初生于青藏高原东侧低空,其后出现了高、低空涡度正变率中心的迭加和耦合以及在垂直方向的贯通过程。涡度正变率中心的这种垂直结构及其演变,与切变线低涡生成和发展的正涡度中心垂直结构及其演变基本一致。在贡献于涡度变率的因子中,非线性相互作用涡度变率的相对数值最大;由于地形强迫的时间平均涡度变率只对切变线低涡的生成和维持是重要的;扰动涡度变率在切变线低涡强烈发展时才有值得注意的贡献。中尺度热量和水汽收支诊断揭示,视热源Q_1和水汽汇Q_2垂直积分的高值区同切变线低涡发展区及暴雨区大体一致;Q_1和Q_2的时空平均垂直廓线表明,Q_1的最大加热区间在570至400 hPa,而Q_2的最大区间在650至550 hPa;由于感热和潜热对流涡动通量辐合的加热,约等于凝结释放潜热量的一半。     

降水与副热带高压位置和强度变化的数值模拟

利用国家气象中心的T63业务数值模式,通过不同的对流潜热加热的敏感性试验,研宄降水对西太平洋反气旋中、短期运动的影响.结果表明,非绝热加热在垂直方向的不均匀将引起加热区附近风场的变化,从而影响到副热带高压位置和强度的改变.而副热带高压的变化又会反过来影响降水区位置的变化.由此证明,在中短期过程中,降水与副高之间存在着相互作用.     

台风“山竹”（1822）引发华南暴雨过程机制分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°的FNL再分析资料、CMORPH（CPC MORPHing technique）卫星-地面自动站融合降水数据以及FY-2G卫星反演的TBB（black-body temperature,云顶亮温）对1822号台风“山竹”在华南造成强降水过程进行了分析。结果表明：西北太平洋副热带高压和南亚高压的稳定维持有利于台风残涡持续影响华南地区;低层来自孟加拉湾的低空急流与西北太平洋副热带高压南侧偏东风汇合后建立起一条连接华南的水汽通道;在登陆台风影响下,大气视热源和视水汽汇主要来自于垂直运动释放的凝结潜热;湿位涡诊断分析表明强的水平风垂直切变导致低层大气斜压性增强,出现显著的对流不稳定。     

凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟

利用WRF模式对2009年7月29日的一次高原低涡个例进行数值模拟,研究了凝结潜热加热及其与对流活动的反馈在高原低涡发生发展过程中的作用及影响机制。通过模拟结果与实况资料的对比分析,发现WRF模式能够较好地模拟此次低涡的移动路径、中心强度和降水场分布。不考虑凝结潜热加热效应的敏感性试验结果中,模式模拟的低涡移动迟滞,降水量减少,并在移动至高原中部后迅速减弱消失。进一步分析高原低涡的结构发现,凝结潜热加热使得低涡中心附近的上升运动延伸至高层,并产生较强的对流活动,而更为深厚的上升运动又释放出较多的潜热,从而形成一种正反馈机制。位涡收支诊断分析表明,低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移,位涡垂直通量散度项与凝结潜热加热垂直梯度项引起的位涡变化趋势相反。在高原低涡的形成和发展阶段,由于凝结潜热加热与对流活动间的正反馈机制,潜热加热垂直梯度项引起的正位涡增强,凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用,有利于高原低涡的增强与东移;低涡进入成熟阶段后,凝结潜热的贡献减小,位涡水平通量散度项与位涡垂直通量散度项对位涡的变化起主要作用。     

山东半岛致灾大暴雨成因个例分析

对2006年7月27日山东半岛东部致灾暴雨的成因进行了分析,暴雨是由4个中β尺度的对流云团影响产生的.在华南沿海登陆的0605号热带低压"格美"的倒槽、高空西风槽和副热带高压相互作用,在热带低压的东部和副热带高压的西侧形成偏南风低空急流,建立起通向暴雨区的水汽通道.低层暖湿气流的输送,使得中低层大气高温高湿和对流性不稳定.在低空南风急流的左前方,辐合、正涡度和上升运动发展,正k螺旋度增强;高空槽前西南风急流的右后侧,辐散和负涡度发展,负k螺旋度猛烈发展,对低层产生抽吸作用,加强了低层的辐合上升运动,触发对流不稳定能量释放,中尺度对流云团发展,造成强降水.