高原天气研究若干进展——基于中国气象局成都高原气象研究所相关研究

主要回顾了近5年成都高原所围绕高原天气研究中的高原天气系统(包括高原涡、西南涡、高原切变线)活动,特别是东移出高原后的高原低涡活动,低涡暴雨机理以及西南涡加密观测资料在天气预报与分析中的应用等方面的研究成果,在此基础上指出研究存在的不足,如多尺度天气系统相互作用研究不多,高原天气系统的发展维持机理、加密观测资料的应用等还有待深入,以此推动高原天气研究向深入开展。     

青藏高原及邻近地区低涡系统结构研究进展

青藏高原及邻近地区低涡系统(西南涡、高原涡)是造成我国暴雨等灾害性天气的主要系统之一,也是高原天气学的重点研究对象。过去十多年,关于西南涡、高原涡的研究已取得了大量有意义的成果。因此,本文重点针对高原低涡天气系统,总结了西南涡、高原涡的结构特征及其演变机制研究现状,评述了其取得的主要进展,指出了一些有待于深入研究的科学问题,在此基础上,展望了高原低涡天气系统未来的主要发展方向。     

高原低涡研究和TRMM卫星资料应用的相关进展

高原天气系统对青藏高原及其下游地区的降水有重要影响。高原低涡是活动于高原主体的重要天气系统之一。TRMM卫星的应用为研究高原天气系统提供了新方法。本文回顾了部分关于高原低涡和TRMM卫星资料应用的研究成果,包括高原低涡的定性认识、结构及其和背风坡浅薄天气系统的相互作用,TRMM卫星的基本资料、其在非高原地区和高原地区的应用。      

青藏高原天气动力学研究的新进展

在主导中国青藏高原、西南地区的极端天气、气候事件,以及东移引发中国东部夏季降水的天气系统中,高原天气系统扮演着十分重要的角色,其中以高原低涡、高原切变线和西南低涡为代表的高原低值天气系统(简称低值系统)最为常见。重点回顾了近10年以来高原低值系统天气动力学研究领域的若干新进展,着力梳理了高原低涡动力学、高原切变线动力学、西南低涡的中尺度动力诊断研究、高原低涡与西南低涡耦合作用的动力分析、高原切变线与高原低涡关系的动力学解析、低频振荡对高原低涡的调制作用等高原天气动力学研究领域的前沿科学问题,并基于最新研究成果和相关理论方法、技术手段的发展趋势,展望并提出该领域有发展潜力的一些研究方向,希冀对目前处于弱势的高原天气动力学研究的促进以及新的学科生长点、新概念、新理论的形成能有参考价值和启发意义。     

高原横切变线与高原低涡关系的初步研究

基于大气运动方程组及散度方程,对高原横切变线上扰动稳定性问题以及切变线诱发高原低涡的动力学机制进行了理论分析并用欧洲中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料对其进行验证。得出高原横切变线是高原低涡产生的重要背景场,切变线以南的水汽输送与辐合对于低涡的诱发作用是大气处于不平衡状态而引起散度场调整的结果,辐合增强区有利于高原低涡生成,低涡中心对应非平衡正值中心,低涡外围为非平衡项负值区。非平衡项负值大值与水汽辐合带的重叠区对降水落区有较好的指示意义。当高原南部的西南风带向东或东北方向移动或当低涡下游出现非平衡项负值中心时,低涡亦同向移动。若高原出现气旋式环流并且环流中心与非平衡项正值中心对应时,有利于低涡生成;进一步,当低涡中心与非平衡项正值中心对应且正值中心数值不断增大时,低涡趋于发展加强。     

基于多源资料的高原低涡源地研究

高原低涡是活跃于青藏高原近地面层的中尺度天气系统,是高原最重要的降水天气系统,少部分的低涡移出高原后在下游地区常带来灾害性的强降水天气。“青藏高原低涡切变线年鉴”（简称年鉴）是高原低涡研究的主要参考资料之一,但受到高原西部地区探空观测站点分布不足的影响,年鉴难以监测发源于高原西部的低涡。为了进一步提高对高原低涡源地的科学认识,本研究首先分析了影响高原低涡发生发展的环流在高原东西部地区的差异,结果表明高原西部地区的环流背景更有利于高原低涡形成。再利用2005～2019年暖季（5～9月）风云-2地球静止卫星观测的云迹风和黑体亮温资料对年鉴低涡进行重分析,表明年鉴中大部分的高原低涡可以溯源至高原西部地区。最后分析了在高原西部的3个新探空站（狮泉河、改则和申扎）建立前后年鉴中高原低涡源地的差异,发现增加的探空资料使位于高原西部的低涡源地大幅度增加。综合多源资料的结果,我们认为大多数高原低涡起源于高原西部,年鉴的结论可能源于高原西部的探空站不足的影响。本研究确认了再分析资料在高原低涡研究中的可用性和有效性,强调了卫星观测资料在高原天气系统研究中的重要性和进一步增强高原地区气象观测的迫切性。     

青藏高原低涡移出高原的大尺度条件

利用NCEP再分析资料,计算分析了各类高原涡东移出与未移出高原的对流层中、上层多种合成物理量场。研究指出,高原低涡移出高原是受西风带天气系统与副热带天气系统的相互作用及对流层中层与上层的天气系统相互作用造成的。研究揭示了低涡东移出高原的大尺度条件及物理图像,还揭示了各类高原涡东移出高原的大尺度条件的主要差异。为预报高原涡移出高原的暴雨、洪涝提供了科学依据。     

高原低涡、切变线暴雨研究新进展

在引发中国东部夏季降水的天气系统中,高原低值系统扮演着十分重要的角色,其中高原低涡与高原切变线对强降水的协同作用是高原天气影响的一种常见样式,预报员将其称为低涡切变暴雨。本文回顾了高原低涡、切变线及其暴雨的研究历史和当前研究所取得的最新成果,重点探讨了人工智能应用、诊断计算、动力理论以及数值模式等多方法研究高原切变线与高原低涡的关系、相互作用过程以及诱发暴雨机理等科学问题,并基于低涡、切变线暴雨的最新研究成果和相关理论方法、技术手段的发展应用趋势,提出这一研究领域值得关注的一些新方向。由于目前对这两类几何形状迥异但物理属性相近的高原低值天气系统关系的认知仍存较大分歧,两者相互作用进而引发高影响天气过程的物理机理尚不十分清楚,高原低涡、切变线气候学统计结果的差异还相当明显。因此,对这一研究领域的深入探索与交叉拓展,不仅对推动青藏高原天气、气候影响的理论发展有重要科学意义,对高原及下游灾害性天气、气候业务能力的提升亦有较大应用推广价值。     

“7·22”长江中游暴雨中尺度系统的数值模拟与分析

利用中尺度暴雨模式较成功地模拟了2002年7月22～23日发生在长江中游的暴雨中尺度天气系统，结合地面加密和常规观测资料对暴雨中尺度天气系统进行了较为详细的分析。结果表明：(1)大别山西侧的暴雨由中α尺度切变线上中β尺度低涡造成，湘鄂交界地带的暴雨由切变线上气旋性扰动造成。(2)高空槽前的正涡度平流为暴雨中尺度系统形成提供了启动机制：在正涡度平流的作用下，对流层中低层降压产生变压风辐合造成上升运动，低层暖湿气流抬升促使对流不稳定能量爆发形成局地对流产生暴雨。     

青藏高原热源与天气系统影响灾害性天气的研究进展

青藏高原热源与天气系统对我国灾害性天气的影响一直是高原气象学的重点和难点。本文从高原热源与天气系统影响灾害性天气关键区与强信号、高原涡与西南涡基本结构和演变特征及其东移机制、高原热源与天气系统关系及其对暴雨天气影响、基于高原影响的灾害性天气分析诊断预报技术等4个方面,综述了其近10年内的最新进展;并针对高原地-气过程影响、天气系统分布演变特征、高原影响灾害性天气机理和高原气象观测试验布局等研究指出了存在的主要问题;最后,围绕高原气象综合观测系统、高原天气变化理论和高原天气预报技术展望了青藏高原影响灾害性天气未来的主要发展趋势。      

青藏高原东部重力波过程与西南涡活动的统计关系

本文利用2012～2015年西南涡加密观测大气科学实验的剑阁、金川、九龙和名山四站探空资料,统计分析了6～7月西南涡活动期间对流层中、高层（6～12 km）的重力波过程,结果表明:青藏高原东部川西高原南部的九龙站与其余三站不同,重力波源主要来自对流层上层,波能传播方向向上,剑阁、金川和名山三站重力的波源主要来自对流层下层,波能传播方向向下。重力波过程在不同类型的西南涡活动中有明显差异,在移出型西南涡活动初期,重力波水平传播方向主要为东北向,其上传概率远大于下传概率,波动的动能和潜能较大且变化剧烈;而对应源地型西南涡,初期主要呈西北—东南向传播且重力波上传与下传概率相当,动能和潜能较小且变化相对平缓同时本次研究表明,重力波水平传播方向对西南涡的移动方向也有一定指示作用。按照发生时刻本文将重力波分为日发型重力波和夜发型重力波,在夜发型西南涡初期,重力波活动夜发（北京时20:00～08:00）的概率较大,这表明重力波的夜发性与西南涡的夜发性可能存在一定关联。     

An observation of hot air downwelling over Pantelleria Island in the Strait of Sicily

During a period of strong SW winds, a local anomalous hot air mass was observed at sea level on the lee side of Pantelleria Island in the Strait of Sicily. The hot air, some 10 °C above ambient, was produced by downward transport or mixing from an intense inversion layer occurring above 500 m. This rapidly moving layer, associated with a flow from the Libyan Desert, was apparently perturbed by the 836-m high volcanic cone of the island. Laboratory models suggest that such an interaction could produce phenomena, i.e., vortex shedding and lee waves, all of which would mix or advect the upper warm air downward. This, together with the adiabatic heating effect, would produce the hot air phenomena.     

一次闽南暖区暴雨的多尺度动力过程

作为气象研究中的一个难点问题,暖区暴雨的动力学一直为学界所关注。基于多尺度子空间变换(MWT)以及基于MWT的局地多尺度能量学分析和正则传输理论,对2018年5月7日的一次闽南暖区暴雨进行研究以了解其多尺度动力过程。首先将原始物理量场重建到三个尺度子空间:背景流子空间、天气尺度子空间和暴雨子空间。重构场上可以很好地看出背景环流尺度的高低空急流,以及暴雨尺度上的垂直环流。以往的研究普遍认为暖区暴雨的动力过程具有弱斜压性这一特征,而就此次事件而言,正压失稳和斜压失稳都起着很关键的作用,暴雨主要落区内既发生了正压失稳,也发生了斜压失稳。研究表明,对流层不同高度上的动力学存在差异,低层主要表现为正压失稳,天气尺度子空间与背景流子空间向暴雨子空间传输的动能相当; 中层主要是混合失稳,除正压失稳外,斜压正则传输也将有效位能从背景流子空间传输到了暴雨子空间,再通过浮力转换将有效位能转为动能,从而维持暴雨在中层的动力过程; 高层则与低层相似,但只存在背景流子空间向暴雨子空间的能量传输。      

热力强迫的非线性奇异惯性重力内波与高原低涡的联系

利用相平面分析法,由非绝热大气运动方程组导出了与非线性惯性重力内波有关的KdV方程,然后用直接积分法得到两类有天气意义的孤立波解,重点分析了与青藏高原暖性低涡有联系的一类具有间断点的奇异孤立波解的特征,进而讨论了高原非绝热加热对高原低涡生成、移动及高原低涡暖心结构的作用。     

A NUMERICAL STUDY ON FORMATION OF THE NEGATIVE VORTICITY REGION OVER THE NORTHEAST SIDE OF THE QINGHAI-XIZANG PLATEAU*

In order to investigate the formation of the negative vorticity region over the northeast side of the Qinghai Xizang (Tibetan) Plateau,four sets of numerical experiments have been performed in this paper with a quasigeostrophic barotropical model considering large-scale topography,diabatic heating and dissipation.The diabatic heating in the model contains a constant forcing and timevarying forcing.The time-varying characters are determined by the continuous evolution of the sensible heat flux at Damxung Station (30°29'N,91°06'E) from 31 May to 4 June 1998.Results suggest that there are three types of processes significantly contributing to the formation of the negative vorticity region over the northeast side of the Qinghai Xizang Plateau,and they are the advection of the anticyclonic vortex at the upstream by the basic flow,the energy dispersion of the cyclonic vortex over the south side of the Plateau,and the strengthening of anticyclonic systems produced by the thermal forcing of the Plateau.     

青藏高原对其东北侧干旱形成的数值试验

应用再分析资料，指出高原边界层内存在北高南低偶极子型涡旋对的独特气候现象。根据当雄站1998年5月31日至6月4日感热通量的连续观测资料，确定了高原热力作用的时变特征，分别用不同的理想高原初始涡度场加定常热源强迫和时变热源强迫代入正压准地转涡度模式，研究了高原东北侧干旱的形成。认为有三种过程在起着重要作用，它们是：基流对上游反气旋涡旋的平流输送、南侧气旋涡旋的能量频散以及高原热力强迫引起的频散生成高值系统的增强。     

风暴-低涡影响下青藏高原一次强降水过程北大核心CSCD

利用联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)最佳路径资料、逐小时降水资料和ERA5再分析资料,研究2017年5月26—31日孟加拉湾风暴与高原低涡共同影响下青藏高原一次强降水过程,结果表明:风暴和南支槽共同作用下建立的孟加拉湾至青藏高原的水汽输送带为高原低涡-切变线区域的降水提供水汽。南支槽后冷气流在青藏高原南部陡坡下沉形成冷垫,孟加拉湾偏南暖湿气流首先沿冷垫向北抬升,爬上青藏高原后向北在高原切变线附近再次抬升,增加降水区地表至对流层高层大气中的可降水量。风暴偏南风暖湿气流与青藏高原北部干冷空气交汇产生锋生,大气湿斜压性显著增长,湿等熵线密集陡立导致垂直涡度剧烈发展,有利于高原低涡加强。风暴北上过程中其高层反气旋式出流加强青藏高原槽前西南风高空急流,辐散增强有利于低层切变线发展和高原低涡东移,产生大范围强降水。高原低涡切变线与风暴水汽输送的正反馈作用,为降水区提供持续视热源和视水汽汇,有利于青藏高原降水系统的维持和发展。     

Air–sea interaction and formation of the Asian summer monsoon onset vortex over the Bay of Bengal

In spring over the southern Bay of Bengal (BOB), a vortex commonly develops, followed by the Asian summer monsoon onset. An analysis of relevant data and a case study reveals that the BOB monsoon onset vortex is formed as a consequence of air–sea interaction over BOB, which is modulated by Tibetan Plateau forcing and the land–sea thermal contrast over the South Asian area during the spring season. Tibetan Plateau forcing in spring generates a prevailing cold northwesterly over India in the lower troposphere. Strong surface sensible heating is then released, forming a prominent surface cyclone with a strong southwesterly along the coastal ocean in northwestern BOB. This southwesterly induces a local offshore current and upwelling, resulting in cold sea surface temperatures (SSTs). The southwesterly, together with the near-equatorial westerly, also results in a surface anticyclone with descending air over most of BOB and a cyclone with ascending air over the southern part of BOB. In the eastern part of central BOB, where sky is clear, surface wind is weak, and ocean mixed layer is shallow, intense solar radiation and low energy loss due to weak surface latent and sensible heat fluxes act onto a thin ocean layer, resulting in the development of a unique BOB warm pool in spring. Near the surface, water vapor is transferred from northern BOB and other regions to southeastern BOB, where surface sensible heating is relatively high. The atmospheric available potential energy is generated and converted to kinetic energy, thereby resulting in vortex formation. The vortex then intensifies and moves northward, where SST is higher and surface sensible heating is stronger. Meanwhile, the zonal-mean kinetic energy is converted to eddy kinetic energy in the area east of the vortex, and the vortex turns eastward. Eventually, southwesterly sweeps over eastern BOB and merges with the subtropical westerly, leading to the onset of the Asian summer monsoon.     

Boundary-Layer Similarity Under an Axisymmetric,Gradient Wind Vortex

We present similarity solutions for the mean boundary-layer profiles under an axisymmetric vortex that is in gradient wind balance; the similarity model includes the nonlinear momentum advection and curvature terms. These solutions are a generalization of the Ekman layer mean flow, which is the canonical boundary-layer basic state under a uniform, geostrophically-balanced flow. Near-surface properties such as inflow angle, surface wind factor, diffusive transport of kinetic energy into the surface layer and dissipational heating are calculated and shown to be sensitive to the choice of turbulence parameterization.     

引发强降水的一次东移高原云团的能量演变特征研究

利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料,根据时间尺度分解的局地能量诊断方法,本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时,下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团,得到了以下主要结论。本次事件中,高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前,其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响,随着云团移出高原,高原涡消亡,而高原短波槽则随时间发展加强,成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征,自西向东引发了一系列的降水,移出高原后,其对流重心显著降低,降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段）,背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量,这是此阶段扰动流动能维持的主要方式;云团移出高原过程中（第二阶段）,降水凝结潜热明显增强,由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下,扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源;云团移出高原后（第三阶段）,背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强,但是不同于第一阶段的直接影响方式,该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能,然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外,本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈）,但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。