Application of the Energy-Casimir Method to the Study of Mesoscale Disturbance Stability

Taking into account the effect of moisture, we derive a three-dimensional pseudoenergy wave-activity relation for moist atmosphere from the primitive zonal momentum and total energy equations in Cartesian coordinates by using the energy-Casimir method. In the derivation, a Casimir function is introduced, which is a single-wlue function of virtual potential temperature. Since the pseudoenergy wave-activity relation is constructed in the ageostrophic and nonhydrostatic dynamical framework, it may be applicable to diagnosing the stability of mesoscale disturbance systems in a steady-stratified atmosphere. The theoretical analysis shows that the wave-activity relation takes a nonconservative form in which the pseudoenergy wave-activity density is composed of perturbation kinetic energy, available potential energy, and buoyant energy. The local change of pseudoenergy wave-activity density depends on the combined effects of zonal basic flow shear, Coriolis force work and wave-activity source or sink as well as wave-activity flux divergence. The diagnosis shows that horizontal distribution and temporal trend of pseudoenergy wave-activity density are similar to those of the observed 6-h accumulated surface rainfall. This suggests that the pseudoenergy wave-activity density is capable of representing the dynamical and thermodynamic features of mesoscale precipitable systems in the mid-lower troposphere, so it is closely related to the observed surface rainfall. The calculation of the terms in the wave-activity relation reveals that the wave-activity flux divergence shares a similar temporal trend with the local change of pseudoenergy wave-activity density and the observed surface rainfall. Although the terms of zonal basic flow shear and Coriolis force contribute to the local change of pseudoenergy wave-activity density, the contribution from the wave-activity flux divergence is much more significant.     

DIAGNOSIS OF WAVE ACTIVITY OVER RAINBAND OF LANDFALL TYPHOON

A generalized wave-activity density, which is defined as an absolute value of production of three-dimensional vorticity vector perturbation and gradient of general potential temperature perturbation, is introduced and its wave-activity law is derived in Cartesian coordinates. Constructed in an agoestrophic and nonhydrostatic dynamical framework, the generalized wave-activity law may be applicable to diagnose mesoscale weather systems leading to heavy rainfall. The generalized wave-activity density and wave-activity flux divergence were calculated with the objective analysis data to investigate the character of wave activity over heavy-rainfall regions. The primary dynamical processes responsible for disturbance associated with heavy rainfall were also analyzed. It was shown that the generalized wave-activity density was closely correlated to the observed 6-h accumulative rainfall. This indicated that the wave activity or disturbance was evident over the frontal and landfall-typhoon heavy-rainfall regions in middle and lower troposphere. For the landfall-typhoon rainband, the portion of generalized wave-activity flux divergence, denoting the interaction between the basic-state cyclonic circulation of landfall typhoon and mesoscale waves, was the primary dynamic process responsible for the evolution of generalized wave-activity density.     

Energy-Casimir方法在中尺度扰动稳定性研究中的应用

考虑湿空气中的水汽效应,引进Casimir函数(它是虚位温的单值函数),在x方向动量方程和总能量方程的基础上,采用Energy-Casimir方法建立了三维非地转平衡和非静力平衡的拟能量波作用方程,由于该方程建立在非地转平衡和非静力平衡的动力框架下,因此可用于讨论层结稳定大气内中尺度扰动系统的发展演变.理论分析表明,拟能量波作用方程具有非守恒形式,其中的拟能量波作用密度主要由扰动动能、有效化能和浮力能三部分组成;拟能量波作用密度局地变化除了受拟能量波作用通量散度影响之外,纬向基本气流切变、科氏力作功以及山非绝热加热和水汽相变所构成的波作用源汇项对其也都有贡献.诊断分析结果表明,对流层中低层的拟能量波作用密度与观测的6 h累积地面降水在水平空间分布和时间演变趋势上比较接近,说明拟能量波作用密度能够较好地抓住强降水区上空对流层中低层动力场和热力场的扰动特征,并在一定程度上可以有效地表征降水系统的发展演变,因而与地面降水量存在紧密联系.波作用方程各项的计算分析表明,波作用通量散度与拟能量波作用密度局地变化的倾向以及强降水区的变化比较一致,并且在强度上强于纬向基本气流切变项和科氏力作功项,因此波作用通量散度对拟能量波作用密度的局地变化具有重要贡献.     

2009年7月广西一次暴雨过程的数值模拟和诊断分析

运用WRF模式对2009年7月发生在广西地区的一次暴雨过程进行了数值模拟,并利用模拟结果进行诊断分析.结果表明,模式能够合理地再现此次暴雨天气过程.在对流层中低层,水汽通量散度的负高值区、假相当位温广义波作用量密度和z-螺旋度的正高值区,与强降水落区都存在较好的对应关系;水汽通量散度负值中心大小及负值区向上伸展的高度、...     

2009年7月广西一次暴雨过程的数值模拟和诊断分析

运用WRF模式对2009年7月发生在广西地区的一次暴雨过程进行了数值模拟,并利用模拟结果进行诊断分析。结果表明,模式能够合理地再现此次暴雨天气过程。在对流层中低层,水汽通量散度的负高值区、假相当位温广义波作用量密度和z-螺旋度的正高值区,与强降水落区都存在较好的对应关系;水汽通量散度负值中心大小及负值区向上伸展的高度、假相当位温广义波作用量密度的高值中心值,与降水强度之间存在一定的相关性;z-螺旋度的强度变化对降水强度的增大和减弱也具有较好的指示意义。     

集合动力因子暴雨预报方法研究

介绍了广义位温、湿热力平流参数、热力螺旋度、热力散度垂直通量、广义湿位涡、力管涡度、热力力管涡度、二级位涡、对流涡度矢量和波作用密度等宏观物理量的定义及其物理意义。个例分析表明,这些动力因子与降水系统发展演变密切相关,对地面观测降水有一定的指示作用。这主要是因为：（1）这些因子能够描述降水系统的动、热力垂直结构等共性特征;f2）这些因子大部分包含广义位温,而广义位温又与凝结潜热和相对湿度有关,因而这些因子也能描述降水系统的水汽场结构特点。以这些动力因子为基础建立了集合动力因子预报方法,该方法首先建立以GFS预报场资料为基础的单动力因子降水预报方程,然后根据其与观测降水的相关性,定义权重函数,对多个动力因子的降水预报进行权重平均,最后得到集合动力因子的降水预报。该预报方法可以充分发挥多个动力因子的优势,比较全面地反映暴雨过程的共性特征。长时间序列的统计检验表明,集合动力因子的降水预报评分略高于全球预报系统（GFS）模式自身的降水预报评分,表现在降水落区预报方面,集合动力因子的预报效果略优于GFS模式的自身预报,然而,在降水强度预报方面,集合动力因子和GFS模式都略有过度预报。集合动力因子预报方法计算量小,容易移植,可以提供降水预报产品,为预报员做暴雨预报提供支持。     

PV-based wave-activity density and its application to tracing heavy precipitation

This paper is focused on the tracking of heavy precipitation by detecting strong wave activities in precipitating atmosphere. Based on the generalized moist potential vorticity (GMPV), a new wave-activity density and its wave-activity relation are first derived. The wave-activity density, which is the second-order portion of GMPV and quadratic in disturbance, is then applied to a heavy-rainfall event in North China. It is shown that the wave-activity density contains the vertical shear of wind perturbation, vertical vorticity perturbation and the spatial gradients of latent heating function perturbation associated with the moisture condensation. Due to these important characteristics of precipitating atmosphere, the wave-activity density shows strong anomalies over the precipitation region. The total GMPV and its basic-state and first-order components are also analyzed as comparisons. The result shows that the basic-state GMPV is not capable of diagnosing precipitation, while the total GMPV and the first-order GMPV, although present strong anomalies, are not capable of distinguishing precipitation and non-precipitation areas. This is likely due to the basic state information contained in GMPV and its basic-state and first-order components, which has no direct relation to the precipitation. The spatial distribution of wave-activity density further verifies its capability on detecting and tracing heavy precipitation. Moreover, the statistical result reveals the wave-activity density has a high correlation coefficient with the observational rainfall in a long time series and passes through the significance test.     

一次西南涡特大暴雨的中尺度诊断分析

采用LAPS中尺度分析模式大气资料,对2008年7月一次西南涡暴雨过程进行天气学降水运动的中尺度诊断计算与分析。诊断计算包括：可降水量、层结不稳定能量、对流可降水量、水汽权重平均风速、水汽通量散度、云水、云冰总量及其通量散度和垂直速度与凝结函数降水率等。结果表明：“西南涡-切变线”系统的暴雨发生在暖湿气团与变性冷气团之间的中尺度风场辐合上升运动区,中尺度雨团发生在层结不稳定的暖湿气团一侧。计算的中尺度垂直运动与凝结函数降水率场,降水率为暴雨到特大暴雨。计算的水汽通量辐合降水率与凝结函数降水率不会完全重合,且水汽通量辐合既可致中尺度“雨”,又可成大尺度“云”,并且云水、云冰通量辐合/辐散,可解释为它们的“正”/“负”碰并增长,而碰并增长产生水凝物增量（降水率）也促成大暴雨。因此,在凝结函数降水率场中产生的中、小尺度对流雨团,加上水汽与云水、云冰通量辐合及其碰并增长,并且借助层结不稳定能量释放和可能产生的强迫“次级环流”及水汽与云水、云冰输送,是这次“西南涡-切变线”系统造成襄樊特大暴雨的天气学成因。     

强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

四川盆地一次强降水过程水汽特征

利用WRF模式、地基GPS资料以及常规气象观测资料,结合模式输出资料的高空间分辨率(10km)和GPS大气可降水量(GPS-PWV)资料的高时间分辨率(30min)的优点,对2008年7月20—22日四川盆地一次暴雨过程的水汽变化特征及各物理量与大气可降水量的关系进行综合分析。结果表明:此次降雨过程是由高原涡和西南涡共同作用引起,WRF模式能够较好地模拟出降雨落区和强度。GPS-PWV反映的大气可降水量增减趋势与WRF模拟的较为一致。水汽密度垂直分布反映了大气可降水量分布,水汽密度随高度增加而递减,降雨初期,水汽密度随高度减小迅速,降雨强盛时期,水汽密度随高度减小的速度减慢。水汽辐合使得水汽密度和大气可降水量增大,风的散度项与水汽通量散度的变化一致,而水汽平流项对水汽辐合贡献较小,水汽的辐合主要由风场辐合造成。     

集合动力因子对登陆台风“莫拉克”(0908)暴雨 落区的诊断与预报研究

“莫拉克”是2009年登陆我国热带气旋中影响范围最广、造成损失最大的台风.“莫拉克”带来的强降水导致台湾南部发生50年来最严重的水灾,福建、浙江等省的部分站点过程雨量超过50年一遇.因此,在台风暴雨(强降水)预报中,能否准确把握其落区就显得尤为重要.本文首先利用中尺度非静力数值模式WRF对台风“莫拉克”进行高分辨率数值模拟(三层嵌套,最高分辨率为2 km).模式较好地再现了台风中心的移动路径、强度;模拟的降水分布区域与实况也较为相符.利用再分析资料及模拟的高分辨率资料对暴雨成因进行诊断分析,表明造成此次强降水过程的水汽主要由西南季风输送,并且垂直运动旺盛,贯穿整个对流层.根据集合动力因子预报方法,运用广义湿位温、对流涡度矢量垂直分量及水汽散度通量对暴雨落区进行了诊断和预报,发现广义湿位温等值线的“漏斗状”区域与暴雨落区对应关系显著;基于NCEP-GFS每日四次的预报场资料,利用对流涡度矢量和水汽散度通量做出的降水落区预报表明,二者对降水落区均有一定的指示意义.强降水主要位于对流层中低层对流涡度矢量垂直积分量的梯度大值区附近,其时间演变与观测降水的演变具有相当高的一致性;水汽通量散度抓住了垂直运动和水汽散度这两个引发暴雨的关键因子,对降水的发生范围和强降水极值中心的判断更为准确.这三个动力因子都可以为“莫拉克”台风暴雨(强降水)落区提供信号,对台风暴雨落区具有一定的诊断和预报意义.     

Temperature and Humidity Regime Changes on the Black Sea Coast in 1982-2014

Specific features of climate change in the Black Sea and on its northeastern coast for the period of 1982-2014 are investigated based on weather station data, ERA-Interim reanalysis, and satellite data on sea surface temperature. The main trends in air temperature and precipitation are revealed from weather station data and are compared with reanalysis data. The spatial peculiarities of variations in air temperature, integrated water vapor, moisture flux divergence, CAPE, and vertical velocity are analyzed. It is shown that air temperature variations on the coast highly correlate with sea surface temperature. In general, surface air temperature in the region has risen, especially in summer. Despite the increase in integrated water vapor and CAPE, no statistically significant increase was revealed for the mean amount of precipitation, for its intensity and maximum values. This fact might be associated with the moisture flux divergence increase in the region due to the intensification of large-scale downdrafts.     

两类El Niňo事件次年夏季长江-黄河流域降水低频特征及低频水汽输送途径差异

利用1961年1月—2014年12月Hadley气候预测研究中心的全球海表温度(SST)资料,NECP/NCAR逐日风场、比湿等再分析资料,国家气象信息中心提供的中国753站逐日降水、160站逐月降水资料,对比分析了东部(EP)型和中部(CP)型两类El Niňo事件次年夏季长江-黄河流域降水(简记为EP型和CP型降水)低频特征,以及与之相关的低频水汽输送差异。结果表明,1)平均而言,EP型降水主要有10～20 d(最显著)以及20～30 d(次显著)低频周期;CP型降水主要有10～20 d的低频显著周期。与之相关的纬、经向水汽通量最显著低频周期也为10～20 d。2)影响EP、CP型低频降水共同的低频水汽环流系统主要有:菲律宾群岛附近的异常反气旋式水汽环流和渤海湾附近(日本东南侧)的异常气旋式(反气旋式)水汽环流。另外,影响EP(CP)型低频降水的还有来自巴尔喀什湖东北部异常气旋式水汽环流(孟加拉湾、苏门答腊岛以西的异常气旋式水汽环流对和贝加尔湖西、东两侧的异常气旋式、反气旋式环流)。3)EP型降水暖湿水汽主要源自南海,冷湿水汽主要源自西北太平洋,冷空气来自巴尔喀什湖东北部和贝加尔湖西北侧。CP型降水暖湿水汽少量来自阿拉伯海和印度洋,大量来自热带西太平洋,冷空气主要来自贝加尔湖西北侧。     

台风“利奇马”期间苏州大暴雨物理量诊断和微物理特征分析

采用日本气象厅的最佳台风路径及强度资料、NCEP/NCAR逐6 h细网格再分析数据,分析了"利奇马"暴雨影响相关的云水含量、假相当位温、水汽通量散度、Q矢量、湿位涡等物理量;通过苏州雨滴谱资料,分析降雨强度、雨滴数密度、雨滴平均直径、雨滴含水量、雷达反射率因子、雨滴谱宽等微物理量特征。结果表明降水落区位于环境垂直风切变顺切的左侧。暴雨期间能量和水汽条件较好,低层Q矢量梯度使辐合上升增强,且其非对称性对暴雨落区有指示意义,湿位涡的发展也有利于暴雨的加强;另外,微物理分析表明冷云降水机制使降水效率大幅提高,雨滴谱能较好地反映台风降水特征,强降水主要由层状云中嵌入的对流降水引起。强降水时段雨滴谱的相关微物理量等都呈现较大值。     

“7.21” 暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21～22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS（Equitable Threat Score）评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

“07.08”陕西关中短历时强暴雨水汽条件分析

利用T213资料和地面逐时加密观测资料,对2007年8月8-9日陕西关中短历时强暴雨过程的水汽条件进行了详细的分析。结果表明,关中短历时强暴雨水汽来源于关中周围的高湿区,暴雨期间暴雨区上空水汽浅薄,地面至低层风向快速变化使暴雨区地面到低空湿度经历了减小—突然增加—快速减小的过程,水汽的聚集是通过偏东气流输送实现的,东西向水汽辐合是暴雨区水汽辐合的主要贡献者,北边界水汽的输入、输出和东边界水汽输入的突然增大、减小对暴雨的发生、发展及其结束有一定的指示意义;暴雨中心位于水汽通量大值中心及其下风向的水汽通量辐合中心之间;暴雨区可降水量的大小主要取决于水平水汽通量辐合的大小,水平水汽通量辐合的大小关键在于水平风场形成的辐合大小,而强降水的发生、加强、减弱及消亡与水汽的局地变化和水汽平流的变化关系更加紧密;近地层充足的水汽供应和水汽垂直输送形成的反环流圈使暴雨区水汽、能量迅速增加和抬升,建立了不稳定大气并触发能量释放,强降水开始;反之,形成暴雨的水汽条件不复存在,强降水结束。     

相似路径台风“摩羯”（1814）和“温比亚”（1818）影响南通降水差异成因分析

为探讨相似路径台风“摩羯”（1814）和“温比亚”（1818）影响南通降水的差异原因,从天气形势、物理量场等方面进行分析,利用水汽通量、假相当位温、湿位涡、垂直螺旋度等物理量对降水进行诊断,得到以下主要结论：1）两台风移动路径主要受副热带高压和冷空气的影响,副热带高压边缘气流为主要引导气流。两台风均有追随200 hPa辐散中心移动的趋势。2）较强冷空气的侵入、鞍形场中的缓慢移动、强正涡度和强盛上升运动、强水汽输送且低空长时间水汽辐合、大气斜压性增强和风垂直切变增大均是台风“温比亚”造成南通更强降水的原因。3）水汽通量辐合增强,低层正涡度中心、强上升运动,低层假相当位温大值区叠加上空假相当位温梯度带,垂直螺旋度增大与正值发展高度均与台风强降水有明显对应。     

夏季区域西风指数对中国西北地区水汽场特征影响的对比分析

利用1970—1997年NCEP／NCAR冉分析月平均资料,设计了区域西风指数。通过分析西北地区夏季的水汽输送通量散度,发现该地区水汽平流引起的水汽输送通量散度项年际变化极小,而风场辐合(辐散)引起的水汽输送通量散度项年际变化却很大,在西北地区区域西风指数较强年份风场辐合比区域西风指数较弱年份强。由此可知．两风年际变化对西北地区的风场辐合(辐散)的影响是我国西北地区水汽场年际变化的主要原因。中国西北地区;区域西风指数;水汽输送通量散度;降水     

江西2012年5月12日大暴雨过程水汽输送分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规气象观测资料和WRF中尺度数值模式,对2012年5月12日江西出现的大暴雨天气水汽输送的过程进行分析。结果表明,从大尺度分析,此次暴雨过程的水汽输送特征并不典型,比湿、水汽通量、水汽通量散度、整层水汽输送等均不能满足江西出现暴雨时应该达到的水汽条件;但模拟的中小尺度水汽指数能够满足江西发生暴雨的水汽条件。此次暴雨过程的水汽主要来自南海地区。暴雨出现的区域与整层水汽大值区的水平梯度最大处相吻合。当整层水汽输送值较小时,水汽输送主要集中在中低层,但当整层水汽输送值较大时,水汽输送的高度高度超过500 hPa高度层,仅分析500 hPa高度层以下的水汽输送对暴雨预报会造成一定的误差。     

青藏高原东南侧一次大范围暴雨天气过程的诊断分析

本文利用常规观测、天气图、数值预报产品、卫星云图等资料,对2007年5月15~16日发生在青藏高原东南侧的川西高原南部一次大范围暴雨天气过程进行了诊断综合分析。分析结果表明:青藏高压与副热带高压之间的切变是此次过程的直接影响系统,高空冷平流入侵是触发机制,副热带高压的稳定是强降雨天气长时间维持的主要因素,孟加拉湾风暴为这次过程的水汽输送起到了关键性作用。对数值预报产品可预报性检验结果表明:T213数值预报产品中的垂直速度、散度、水汽通量以及水汽通量散度对实际预报有较好的指示意义。