锋面波发展演变与气旋形成的数值研究

本文将锋面作为密度的零级不连续面，对锋面上扰动的非线性发展演变进行了数值研究，所用的锋面模型是f平面上的浅水、两层模型，差分格式具有位涡拟能守恒和动能守恒的性质。锋面波的发展与初始扰动尺度有关，天气尺度的扰动可以维持较长的发展时间，形成较大振幅的波动，其结构类似于具有锢囚锋结构的气旋，相反，较小尺度扰动不易形成锢囚锋结构。同时，锋面波的发展演变受Richardson数(Ri)的影响，Ri越小，锋面波发展的时间越长，波动振幅越大；Ri越大时，锋面波发展的时间越短，波动容易衰减。锋面波的发展类似于气旋的形成过     

对华北锢囚锋个例的数值模拟分析

运用非静力中尺度模式（ＭＭ５）对１９９８年１１月２０～２０日的华北锢囚锋形成过程进行数值模拟,结果表明：本次锢囚锋结构在空间尺度上小于典型温带气旋锢囚锋,降水落区与锢囚锋性质（暖性）有关,因此,潜热释放对锢囚锋的维持起一定的作用,去掉太行山后,锢囚锋形成的时间会偏早,地点偏西,强度偏弱,因此,太行山的存在对本次锢囚锋生成发展起至关重要的作用。     

一次典型梅雨锋锋面结构分析

1999年梅雨期在长江中下游维持着一条典型的梅雨锋 ,锋面和梅雨雨带呈东西走向 ,从中国的四川省一直延伸到日本。锋面两侧的温度及湿度对比明显 ,并且其上有数个中间尺度的低涡沿梅雨锋依次向东移动发展 ,在长江中下游造成严重的梅雨暴雨和洪涝。文中分析了 1999年这次典型梅雨锋的锋面结构。结果表明 ,从温度场看 ,由于梅雨区对流和降水的显著发展 ,梅雨锋的低层温度对比几近消失 ,其中上部仍具有典型的上宽下窄的锋面结构 ,锋面随高度向北倾斜。在低层经向温度场呈现复杂的暖 -冷 -暖的结构 ,即北部华北平原为地面感热加热造成的相对较暖的变性极地大陆气团 ,中间为冷空气南下和降水冷却造成的相对较冷的梅雨区 ,南部是相对较暖的热带海洋气团。在这种温度场下 ,由北部低层变性暖气团与梅雨区偏冷空气形成了明显的温度对比区 ,文中定义这个区域为梅雨赤道锋。因而 ,在低层东亚梅雨区的锋区结构由梅雨赤道锋和减弱的梅雨锋构成。在 6 0 0hPa以上前者消失 ,只有单一的极锋型的梅雨锋结构。在此分析的基础上文中给出了东亚梅雨期锋面结构模型图。另外还指出 ,从假相当位温场分析 ,主要表现出梅雨区的深厚对流。降雨引起了高θse带及其南北高θse梯度区 ,其北侧高θse梯度区大致相当于梅雨锋 ,而南侧高θs     

华南前汛期锋面垂直环流及其与中尺度对流系统的相互作用

对1998年华南暴雨试验加密观测期间(IOP)5月23日强降水个例的数值模拟结果分析指出,锋面对于中尺度对流系统而言除了提供对流运动的触发机制外,两者之间还可能存在复杂的相互作用。华南前汛期中伴随对流活动的冷锋具有独特的垂直环流结构。它主要表现为暖湿气流不是沿锋面上滑,而是在冷锋前沿的对流雨团中直接上升到高空,锋面上方上滑的暖空气完全被对流雨团北侧的补偿性下沉气流所代替;而在锋后以及锋前暖区内均有对流活动发生的情况下,低空流入锋区前沿和锋区上方雨团的空气不是来自锋前暖区,而是来自锋后。对对流系统内部雨团进行的三维轨迹追踪也揭示出锋面上空对流雨团内存在一部分来自锋后并穿越锋区的上升气流。这是因为锋面并不是真正意义上的物质面,它只是大气温、湿属性有显著差别的界面,因此存在穿越锋区的运动并不是完全不可能发生的。在华南前汛期中,锋区两侧温度对比比通常意义上的锋面要小,这也是可能发生穿越锋面运动的原因之一,表明中尺度对流系统由于具有与梅雨锋在跨锋方向相类似的尺度而有可能对梅雨锋的流场结构发生影响。     

对1979年2月21—23日河套锢囚锋的分析——与扈忠慈同志商榷

扈忠慈同志对《气象》1979年第9期《华北春季大雪和黄渤海强东风》一文中的锢囚锋提出异议,认为河套锢囚锋最初是在河西走廊生成,并以暖性锢囚方式东移到河套地区。本文对此持不同看法,提出展开讨论,以便共同提高对复杂锋面分析的认识。 一、河套锢囚锋的形成 这次锢囚过程是积聚在蒙古地区的冷空气分东西两路南下,在河套地区汇合而形成的。 1.西路冷空气     

一次β-中尺度暴风雪的成因及动力热力结构

利用多普勒雷达、地面加密自动站监测资料、常规观测资料、4DVAR雷达风场反演和中尺度数值模式WRF模拟结果,对华北东部一次β-中尺度暴风雪的成因和影响天气系统的热力、动力结构及演变进行了分析。结果表明,(1)造成暴风雪的天气系统是回流形势下的冷锋锢囚锋,其在形成过程、生命史、尺度范围等方面均与温带气旋锢囚锋不同。(2)暴风雪过程分为东路弱冷锋降雪、锢囚降雪、西路强冷锋降雪3个阶段。降雪回波顶高在3～4km,回波强度均在35dBz以下。降雪量集中在锢囚降雪阶段。(3)风廓线(VWP)下层东风层和上层西南风的厚度在降雪各阶段不同,东风急流和西南风急流的变化和配置与降雪量关系密切。锢囚降雪阶段,地面和低层水平风场具有β-中尺度气旋性环流,是造成降雪回波旋转且长时间维持的动力。"人"字状回波的形成是因为风向或风速辐合线的作用。(4)锢囚锋的垂直结构和锢囚过程表明,西路冷锋比东路冷锋陡峭且势力强大,暖湿气团被东西两侧冷锋夹挤、抬升;锢囚时,两侧锋面形成冷式锢囚;锢囚消失时,大风首先在900hPa高度附近出现,进而下传到地面。     

冷锋雨带中湿物理过程与非绝热锋生的相互作用

利用包含冰相微物理过程参数化方案的三维非静力中尺度／云模式（ARPS）模拟了与冷锋有关的冷锋雨带（NCFR）结构，着重分析了锋面云系发展演变的主要特征。模拟结果表明，锋面云系是由位于锋面前沿处的锋面次级环流的上升运动激发的；锋面强度与冷锋云（雨）带中的潜热释放之间的正反馈引起的持续非绝热锋生是锋面以及冷锋雨带得以长时间维持的主要物理机制。进一步分析表明，锋区两侧位温梯度的增加是与沿着冷锋表面的倾斜上升运动引起的云水及水汽的再分布密切相关的，即在冷气团中由云水蒸发发冷却形成冷池，而在暖气团中由水汽凝结以及雨滴冻结等形成暖池，这种冷／暖池在冷／暖气团上的叠加是引起非绝热锋生的关键。     

三维中-β尺度模式研究：一次气旋暖区锋生活动的中尺度结构的数值模拟试验

设计了一个中－β尺度数值模式，并用来试验模拟一次京津地区暖区锋生降水过程。其结果不仅给出了暖锋式锋面垂直环流（热力直接环流），而且还给出了叠加在其上的次级中尺度环流结构。这说明该模式具有研究中－β特征运动的能力。     

不同季节实际气流上斜压波的发展和锋生过程

利用三维半地转模式讨论了春夏秋冬四季基本气流上非线性斜压扰动的发展过程和锋面形成过程。计算结果表明，在四季基本气流上，斜压扰动的发展能产生冷暖锋，扰动的发展以冬季为最强，春季次之，秋季和夏季最弱，相应地，形成的锋也以冬季最强，春季次之，秋夏季最弱，与实际观测比较一致。     

气旋形成与扰动发展机理的数值试验

应用六层全隐式原始方程模式,对地面气旋形成与扰动发展的机制进行了数值试验. 首先,构造了接近实际的理想带状温压场和相应的扰动场.试验表明在带状环流上如果在低空加上一个类似锋区的扰动,便会有锋面气旋很快地发展起来,并逐渐趋于锢囚阶段,和实际大气的锋面气旋生命史很相似.但若扰动在对流层中层,则地面气旋形成过程较慢,强度也弱.如果初始扰动位于对流层高层,则地面形成的气旋在结构上和切断低压类似,不像锋面气旋.     

一次梅雨锋特大暴雨过程的数值模拟研究：不同尺度天气系统的影响作用

2003年7月4~5日在江淮地区沿梅雨锋有一系列中尺度对流系统相继生成和强烈发展,导致了江淮地区特大暴雨的形成。该研究利用中尺度数值模式MM5对这次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果的基础上重点分析了不同尺度天气系统相互作用对这次特大暴雨过程的影响作用。在这次特大暴雨过程中,位于梅雨锋北侧的东北—西南走向深厚、稳定的短波槽系统与槽前从西南移来的低涡系统相配合,加强了位于梅雨锋北侧的反气旋性扰动发展,从而导致梅雨锋北侧反气旋性涡旋的形成。该类反气旋性涡旋形成对江淮切变线的加强与维持起重要作用。中尺度对流系统的潜热释放首先导致梅雨锋低层切变线上的中尺度对流性涡旋(MCV)的形成,而中尺度对流性涡旋的形成进一步加强了切变线上的低层辐合,中尺度对流性涡旋消亡后,在切变线上形成低涡。梅雨锋附近主要存在4种不同垂直环流,它在降水的不同阶段具有不同的结构、配置与动力学作用。其中跨锋面、高层非地转两支垂直环流对锋区的对流扰动发展和暴雨形成最为重要,而降水发展可以调整锋区垂直环流的结构、配置,随降水的减弱,梅雨锋区的不同垂直环流系统又重新恢复到先前结构。梅雨锋上不同尺度、高度的天气系统之间的相互作用主要通过这些垂直环流系统调整实现。     

地形对地转适应和锋生的影响

作者的目的是分析地形对由于热力差异所引起的局地锋生现象和地转适应过程的影响．为此，分别用零位涡流和均匀位涡流来近似代替实际大气，并借助位涡、绝对动量、位温的守恒关系，就地形对适应锋生和适应过程中能量转换等问题进行了简单讨论。初始位温扰动的水平分布及其相对于地形的位置对适应锋生有重要影响。当初始热力扰动主要位于地形迎风坡山脚时，地形不利于锋面形成，这时要形成锋面不连续，初始位温梯度的水平变化必须非常显著；当初始热力扰动主要位于山顶附近时，地形促进流体运动的辐合，有利于锋面不连续的形成，这时即使初始位温梯度的水平变化不是很大，也可能会形成锋面；当初始热力扰动主要位于背风坡时，地形是否有利于锋面不连续的形成取决于流体的层结情况，如果流体的基本层结很弱，地形促进锋面不连续的形成，反之，地形不利于锋面不连续的形成，这种差异主要是由于在这两种情况下，地形引起的下沉增温效应的强弱是不同的。另外，地形对地转适应过程中动能和位能之间的能量转换率也有影响，与没有地形的情况相比，当初始热力差异显著区位于迎风坡时，能量转换率减小，当不平衡场位于背风坡时，能量转换率增加，原因是在迎风坡流体要克服重力作功，在背风坡重力对流体作正功。     

北京2009年“1101”暴雪的形成机制

利用多种新观测资料,对2009年11月1日北京出现的60年来降雪量最大的初雪过程的发生、发展特征进行分析,并探讨了暴雪形成机制。结果表明:此次初冬暴雪过程是在500 hPa东亚大槽斜压发展、低层锋区较强的背景下,由华北锢囚锋强迫所致。该锢囚锋是贝加尔湖南下冷空气在华北燕山和太行山地形影响下变为低层东西两股冷空气相向挤压的产物;伴随锢囚锋的形成,在北京西南37°~40°N之间形成狭窄水汽输送通道,为锢囚锋降水提供必需的水汽条件。锢囚锋区结构浅薄,主要存在于850 hPa层以下,为垂直东倾的冷式锢囚;东倾结构决定了降水落区,北京恰处于地面锢囚锋东侧的锢囚锋区中;而锢囚锋浅薄的垂直结构则决定了其强迫抬升运动并不深厚,故暴雪是降雪时间长、累积量大的结果。另外,北京雨转雪的发生是因降雪前近地面层气温下降较快接近冰点的缘故,降温主要源于雪前降雨在近地面层蒸发冷却的贡献;低层东路冷空气的平流作用则是降雪期间近地面气温维持较低的主因。     

贵州高原北侧锢囚锋上一次低涡形成过程

利用常规观测资料、地面加密自动站降水资料、多普勒天气雷达资料以及NCEP1°×1°再分析资料对2017年5月22—25日一次偏北路径冷空气影响下贵州高原北侧低涡的形成机制进行探讨。结果表明:(1)地形导致冷空气回流形成地形锢囚,锢囚锋上有低涡产生,位于地面至850 h Pa的大气低层,属于暖性浅薄中-β尺度系统;(2)低涡维持2 d,降水产生在低涡中心附近,雨强不大;(3)中高层波动强迫低层涡度发展而使低涡维持;当中高层转为西北气流时,涡度发展受抑制且冷空气侵入低涡而使其减弱消亡;(4)低涡形成过程可分为地形回流、锢囚发展和减弱消亡3个阶段,与西南低涡及锋面气旋在形成机制、降水落区和强度等方面存在明显差异。     

南岭准静止锋附近加热场特征及其对锋面维持的作用

利用锋面客观分析资料计算分析了南岭准静止锋锋面附近加热场的分布特征及非绝热加热锋生（以下简称加热锋生）对锋面维持和锋面移动的作用。结果表明:大尺度凝结加热主要分布在锋区附近，在经向剖面上呈带状分布，并反映锋面结构的中尺度特征。加热的锋生作用不仅对锋面形成和维持是重要的，而且对锋面的移动与准静止也有重要作用。分析还表明，凝结加热的锋生作用不利于南岭静止锋水平稳定层的维持。     

非绝热加热对锋面次级环流的影响

通过考虑非绝热加热项和摩擦项的原始方程组，取沿锋面方向地转近似，导出一个描写定常锋面次级环流的方程，研究对流加热（ＣＩＳＫ）对锋面次级环流的作用。结果表明；非绝热加热能加强锋生过程，加强锋面环流，使环流宽度变窄，陡度加大。从而从理论上对锋面过程的降水不均匀性给出解释。     

锋面结构的MM5数值模拟

利用美国PSU／NCAR具有嵌套功能的非静力中尺度大气模式MM5，对发生在2000年4月8-9日的一次强冷锋进行数值模拟。分析模拟结果发现，锋面结构的演变与适应锋生理论相一致，并且具有一种不连续结构。     

广西重大锋面暴雨天气过程的特征分析

对1970~2006年汛期(4~9月)发生在广西的重大锋面暴雨天气过程作一系统分析,得出汛期广西重大锋面暴雨过程的月际分布具有明显的"单峰型,"桂北锋面暴雨明显比桂南偏多。高空深槽型是锋面暴雨的主要类型,4~9月都有此型重大锋面暴雨的发生。     

几类区域性暴雨雷达回波模型

以2007-2008年湖北省暴雨过程为研究对象,按区域性暴雨过程的定义,通过分析地面雨量资料筛选出32次区域性暴雨过程.在对比分析多普勒天气雷达反射率因子回波形态、结构、暴雨落区以及主要影响天气系统的基础上,概括了湖北省区域性暴雨雷达回波模型.结果表明:典型区域性暴雨雷达回波形态有逗点状暴雨回波、涡旋状暴雨回波、涡带结合型暴雨回波和带状暴雨回波等4类,它们分别与锋面上中尺度气旋波扰动、川东低涡系统的发展、低涡发展与梅雨锋结合和气旋波上准静止锋面切变线的形成等紧密相关.     

"5.24"华南中尺度暴雨系统结构的数值模拟分析

对华南暴雨试验期一次造成华南沿海特大暴雨的锋面过程进行了高分辨数值模拟，并从不同侧面分析了该中尺度系统的结构特征和成因。本文的模拟分析表明，此次中-β尺度暴雨云团系统发生在锋面中尺度切变线附近，水平尺度小于100km，是华南锋面暴雨的一种典型结构。系统发生在地面锋线区域，近地层有中尺度辐合扰动，高层200hPa附近有强的中尺度辐散，中间各层为准无辐散。200hPa以下各层有深厚的强上升运动，最强在中层，其中在700hPa附近有明显的补偿下沉运动。中-β度的强上升运动使云系发展至200hPa以上。系统有一定的暖心结构，有别于中纬系统，也有利于层结呈准中性。湿位涡分析表明系统发展的因子是：（1）切变线扰动附近层结呈近中性；（2）近地层能量锋特明显；（3）扰动附近中低层有强的风垂直切变。这三个因子的正效应相迭加，导致了本中-β尺度系统的发展。