长时间强度维持台风内核区位涡的中尺度分布特征及诊断

本文分析长时间强度维持"菲特"台风不同发展阶段的位涡分布特征发现：台风内核区中尺度高值PV带及其变化与台风强度变化具有伴随关系,即高值PV区与内核区强对流不仅具有对应关系;而且其生命史与台风强盛维持期一致;此外在眼墙区附近位涡梯度最大.分析还指出：垂直剖面上的高值PV呈现由单极位涡态（台风发展加强期）向中空位涡态（台风强盛维持期）的转变,到台风快速衰减期,又形成PV量值较小的单极位涡态.位涡收支方程诊断表明：内核区域水平平流、垂直输送和凝结加热的初始增强和大值收支带不仅对台风内中尺度高值位涡分布及长时间强度维持具有重要影响,而且具有伴随关系.此外,位涡收支各项对位涡态的转变起着不同的作用,其中凝结加热在台风强盛期中空位涡塔的建立中作用明显,水平平流项则在眼墙区的位涡塔中上层有着正贡献,垂直输送在高值PV分布的再分配中起中介作用.     

三维对流云中粒子谱演变特征的数值模拟

利用对CCN、液滴、冰晶、雪粒和霰粒均进行分档处理的三维完全弹性对流云模式模拟了2000年6月29日发生在美国堪萨斯州的一次超级单体风暴过程中粒子谱形成演变特征．模拟结果表明：微物理过程分档方案可以较好的描述出对流单体中水凝物粒子谱的时空分布演变特征,从而可以较好的描述对流云中水凝物粒子的形成演变规律．模拟对流单体中霰粒形成增长机制有凝华和淞附机制两种,入流区上部及主上升气流上部霰粒增长以淞附增长为主,出流区上部的霰粒谱在对流单体发展及成熟阶段均以单峰型谱分布为主,霰粒主要依靠凝华作用增长,长大后以下落为主．初始时刻相对湿度的降低不利于入流区上方霰粒的形成及增长;初始时刻位温扰动的增加不利于出流区上方大霰粒的形成及增长．得出结论：可以通过在入流区上部和主上升气流上部影响霰粒的凝华增长和淞附增长抑制大霰粒或冰雹粒子的形成．对流单体不同部位霰粒增长机制不同,初始时刻不同的温湿扰动下霰粒产生增长机制,及其适宜的防雹催化部位及机理也不相同．     

热带气旋边界层关键结构研究进展

边界层的动热力结构在很大程度上决定了热带气旋(TC)的发生发展,首先,TC边界层是触发TC对流的源地,并作为海-陆-气能量交换的主要中介,提供TC发生发展的重要能源;其次,边界层是TC对流发展所需水汽的主要输送通道;第三,TC登陆时,陆地下垫面摩擦直接作用于边界层,加强辐合、对流和湍流输送.对这些特征的了解有利于从根本上掌握TC发展变化的规律,为提高登陆TC分析和预报水平奠定基础,具有重要的科学价值和实际意义.本文在前期TC边界层研究工作的基础上,从热力学和动力学的角度,介绍了近年来国际上关于TC边界层风场、湍流交换、卷涡、能量和水汽输送等关键结构特征研究的主要进展.阐述了边界层入流对于TC能量平衡、水汽输送的重要作用,揭示了边界层超梯度风现象存在的机制和成因,以及边界层卷涡与边界层动量输送和TC强度发展的关系.这些认识有助于加强TC边界层关键结构对TC发展作用的理论认识.在此基础上,指出了目前TC边界层研究中存在的核心难点问题,并建议将TC边界层研究与数值预报方法相结合:除了将边界层观测通过资料同化应用于TC数值模式初始化,还可研究优化与TC涡旋结构相关的边界层参数化方法,实现TC数值模式初始化与边界层物理过程的衔接,探索可切实改进TC预报的有效途径.     

双模态风垂直切变对台风结构和强度的作用分析

本文应用WRF(v 3.4)模式输出资料,揭示了风垂直切变(Vertical Wind Shear:VWS)在垂直方向上的波状变化特征,这种波状变化在台风不同发展时期又有不同形态,其中在持续强盛期呈双模态分布.应用VWS引起的次级垂直环流影响台风对流分布和强度变化的基本原理,用模式资料分析发现:对流层中层具有的VWS是整层VWS的主要部分,台风强度变化滞后VWS的形态突变6h左右;双模态波状变化的VWS产生的次级环流和台风垂直环流的配置不同使台风强对流带结构变得不对称及眼墙区对流强度在垂直分布上变得不均匀,随着持续强盛期涡旋运动的增强,强对流带分布又趋于对称.又根据VWS形成的垂直方向上涡度力分布不均匀引起台风内中尺度滚轴状对流带不稳定发展原理,分析表明:对流层中、低层的涡度力有利于对流不稳定增强,垂直速度的最大值与风垂直廓线的拐点在同一高度上,这与理论模型的结论一致.因此,VWS的波状变化分布特征不仅影响台风强对流带中尺度结构的改变,也对台风持续强盛具有重要作用;同时也是台风内滚轴状对流带不稳定的可能启动机制.     

“6·23”江苏阜宁EF4级龙卷超级单体风暴中尺度结构研究

2016年6月23日14—15时,江苏省阜宁县突遭"增强藤田"4级龙卷、强风、短时强降水和冰雹等强对流天气,致使99人罹难,800多人受伤,属极其罕见的极端天气事件.本文利用加密自动站数据、探空数据、单部雷达观测数据以及双多普勒雷达三维风场反演数据,研究了此次龙卷发生的天气背景、龙卷超级单体的三维结构及其演变特征.研究表明：（1）龙卷发生期间,阜宁处于地面暖湿舌内、地面有γ中尺度气旋和辐合线;环境大气抬升凝结高度很低、中低层有很强的水平风的垂直切变;这有利于龙卷的生成.（2）此次龙卷超级单体左移风暴的低层有钩状回波和入流缺口,有界弱回波区位于垂直剖面中低层、悬垂回波位于风暴前部高层.（3）龙卷发生前,风暴质心高度、最大反射率因子高度和风暴回波顶高度均持续增加,风暴垂直累积液态含水量激增;龙卷发生在上述参数的数值首次同时减小时.（4）双多普勒雷达反演的三维风场揭示,超级单体形成之前的对流风暴内部中低层已经有中尺度气旋形成,中尺度气旋伴随着超级单体的生成、发展和强化的各个阶段.中尺度气旋位于钩状回波顶端、其南端有反气旋,此涡旋偶对于中层动量下传、龙卷生成、发展、加强和触地具有重要作用.     

近40年来太湖汛情的变化与防洪对策

本文建立了一个大气,水耦合数值模型来研究琵琶湖的环流机制,模拟计算结果表明：１）在湖面上存在一个正的风涡度场以及白天的正散度场,晚上的负散度场,在温度分层的季节里,这一特殊的琵琶湖流流域大气边界层可以产生并维持北湖一稳定,强度较弱的气旋式环流。２）当考虑大气边界层的不均匀风场的影响时,湖中形成的环流比均匀风场驱动形成的环流比均匀风场驱动形成的环流更加稳定且维持时间更长．３）局地风场可以在湖中驱动形     

大西洋和西太平洋海域热带气旋海表面入流角和拖曳系数特征对比分析

本文利用大量全球定位下投式探空仪(dropsonde)资料,对15个大西洋飓风和11个西太平洋台风海域的入流角频数分布差异进行对比,探究在热带气旋不同强度和不同边界层平均风速下入流角的分布特征,分析了两个海域拖曳系数随入流角变化的趋势.结果表明,两海域在热带气旋背景下的入流角分布具有共同点:在强度更大的热带气旋里入流角的平均值更大,分布更集中,入流角在不同风速范围内均呈正态分布且差异较小;同时两海域的入流角特征也存在差异,大西洋飓风的平均入流角大于西太平洋台风,并且大西洋飓风的拖曳系数随着入流角增加而增大,而西太平洋台风的拖曳系数随入流角的增加先减小后增大.研究结果为探究热带气旋背景下入流角的作用和影响拖曳系数变化的因子提供了新的参考.     

非对称型强飓风中的准平衡流特征分析Ⅱ:波动结构

利用非对称波分量分解和小波分析的方法,对准平衡动力模型下非对称强飓风内中尺度波动的空间结构和时间序列特征进行分析.结果表明,平衡流场中1波扰动占主要地位且具有涡旋Rossby波的典型结构特征,准平衡流各波数下扰动的空间分布反映了中尺度波动的混合性质;模式大气和准平衡垂直运动的全局功率谱中,超过信度检验的强波动信号中不仅包含分别表征重力波和涡旋Rossby波的高频和低频波动信号,还存在表征具有物理性质不可分特性的混合涡旋Rossby-重力波的中频波动.混合波的出现建立了不同频段波动之间的能量交换通道,其信号的变化对飓风系统的强弱变化具有一定的指示作用.非平衡垂直运动的波动强信号则主要集中在高频和低频区域,反映了在飓风强度变化情况下,与高频重力波有关的快波调整过程所引起的垂直扰动的振荡和传播.强垂直风切变对飓风内中尺度波动的切向和径向传播具有重要影响,当环境垂直风切变很强时,准平衡1波扰动在径向和切向方向上均呈"驻波"形态,随着环境垂直风切变的减弱,1波扰动以混合波波速逆基本气流传播.     

天灾成因的外核对流说

本文提出,天灾(旱、涝、震等)的成因是外核强对流运动.与对流层大气运动进行类比可知,外核流体的运动亦可分为对流和平流两类,对流上升泡对壳幔层的顶托作用使地壳脆性层中应力积累酝酿地震.因顶托撤销,而使地内应力突降,是地震发生的直接原因.在外核垂直速度的水平切变最强处,往往是震中所在地.固体圈层的能量流主要是压缩和拉张两类,因压缩通过共振而在地表层形成的"拍涡"是涝灾的罪魁,因拉张而形成的大地冷涡则是严重干旱的祸首.     

位涡塔结构及演变对飓风Wilma(2005)强度变化的影响

本文利用高分辨率模式输出资料,对飓风Wilma(2005)不同发展阶段内位涡塔(Potential Vorticity Tower:PVT)的结构和演变进行诊断分析,并讨论位涡塔分布特征对飓风快速增强(Rapid Intensification:RI)过程的影响.研究结果表明,内核区域位涡的强度和结构变化主要取决于高层的暖心下传、中层的凝结潜热释放和低层的动力稳定性,而低层切向平均位涡的结构及其稳定性变化,对飓风快速增强的不同发展阶段具有很好的指示意义.飓风Wilma增强过程中,在高层增温、潜热释放和对流垂直混合作用下,PVT的结构出现单极位涡塔(Monopole PVT:MPVT)和中空位涡塔(Hollow PVT:HPVT)的相互转化,也造成了涡旋系统动力稳定性的变化.在实际个例中,重新定义位涡环的结构参数,即相对厚度和中空度,这两个参数能够表征系统的稳定性,将其在RI过程中的变化与飓风Wilma强度变化作相关性分析,表明结构参数能够表征PVT结构的不稳定性,且与飓风系统强度变化参数具有很好的相关性,结构参数与海平面气压变化率的相关性能够通过显著性检验.     

从二维地转风到三维涡旋运动

给出了大气三维涡旋运动基本态所满足的简洁的偏微分方程. 大气涡旋运动存在低压辐合上升和高压辐散下沉的基本状况，基本态的三维速度场可以用流函数和对流速度势分解，且具有螺旋结构. 当Reynolds数Re→∞时，涡旋运动就化为地转风，涡旋运动近似就化为地转风近似.     

Note concerning the eye of a hurricane

Summary The suggestion is made that in a developed hurricane the cylindrical vortex sheet surrounding the eye has a continuing source of vorticity in the surface friction layer in the environment farther from the center. The general convergence and upward motion is thought to provide the necessary tilting action.     

广东佛山EF3级龙卷超级单体风暴高分辨率数值模拟

本文对2015年10月4日发生于广东佛山地区台风"彩虹"登陆后螺旋云带中的一次强龙卷风过程进行高分辨率（148 m,48 m）数值模拟,结果产生了类龙卷涡旋（Tornado-Like Vortex,TLV）,最接近观测到的龙卷风,并对龙卷超级单体及产生龙卷的TLV系统的三维动热力精细化结构进行诊断分析.结果表明,此次龙卷产生于超级单体右侧边缘,钩状回波显著,伴有明显的中气旋活动.模拟的龙卷超级单体与之前观测研究和理想化建模的龙卷超级单体结构相类似,超级单体后部云墙之下低层水成物呈现狭窄的触地漏斗状结构,对应低层的TLV系统;TLV具有中心气流下沉和周围气流上升的动力结构,对应上宽下窄的强烈涡管.与之前的研究相比,本次台风螺旋云带中的超级单体中后部入流较弱,出流较强,其前部气流上升存在水合物聚集.相对螺旋度（Storm Relative Helicity,SRH）的分析表明,超级单体的发展伴随正负SRH的增大,龙卷发生在SRH正负高值区的交界处.     

加速度迁移项散度在涡旋系统动力识别上的初步应用

本文从原始三维运动方程出发,考虑了大气平流变化的特性,引入加速度迁移项散度,并将其应用于2008年"凤凰"台风和2003年梅雨期引起暴雨的东移低涡中进行分析,结果表明,加速度迁移项散度能较好地识别和示踪台风中心及台风外围云墙,同时也能很好地捕捉沿梅雨锋东移的低涡系统.因此,加速度迁移项散度在涡旋系统动力识别方面有很好的...     

Vertically sheared horizontal flow with mass sources: a canonical balanced model

Canonical balanced dynamic equations involving vertically sheared horizontal flow with heat or mass sources have emerged recently in systematic multi-scale modeling of the equatorial wave guide on a wide range of spatio-temporal scales. Here, a new self-contained derivation of these equations is developed briefly in a context for potential applications to the hurricane embryo. These canonical balanced equations are studied through a combination of exact solutions and simple numerics. The results below include elementary exact solutions given by velocity fields that are linear in the spatial coordinates combined with an exact nonlinear stability analysis for vertical vorticity amplification in such a preconditioned environment. Other elementary solutions studied here include the evolution of radial eddies, which represent “hot towers” in the hurricane embryo in a suitable radial preconditioned background environment.     

Case studies on mesoscale structures of heavy rainfall system in the Yangtze River generated by Meiyu front

The heavy rainfall generated by Meiyu front in the Yangtze River is popular topics in recent years. The heavy rainfall is formed in advantageous weather con-dition and interaction between different mesoscale processes. The previous studies included formation and maintenance of heavy rainfall, atmospheric circu-lation, relationship between the Meiyu frontal and mesoscale disturbance[1]. In recent years, the numer-ous studies and filed experiments are focus at the mesoscale structures of heavy…     

风垂直切变对中尺度地形对流降水影响的研究

针对长江中下游中尺度地形特点以及暴雨过程发生发展期间风垂直切变的主要观测特征,设计了一系列中尺度地形的三维理想数值试验,分析了干大气地形流和重力波特征,探讨了条件不稳定湿大气地形对流降水的模态分布,在此基础上研究了圆形、直线风垂直切变和切变厚度对中尺度地形对流降水强度和模态分布的影响.结果发现:在 F_r≈1的干大气条件下,气流遇到地形后分支、绕流和爬升现象同时存在,地形激发的重力波在水平和垂直方向上传播,其在迎风坡、背风坡、地形上游和下游的振幅不同,并组织出不同强度的垂直上升运动.在F_r > 1的条件不稳定湿大气下,地形对流降水主要存在三种模态,即迎风坡和背风坡准静止对流降水以及地形下游移动性对流降水,地形对流降水的形成与重力波在低层组织的上升运动密切相关.风垂直切变对地形对流降水的强度和模态分布有重要作用,其中圆形风垂直切变(风随高度旋转)不仅影响地形下游对流降水系统的移动方向,而且影响迎风坡和背风坡山脚处对流降水中心的分布和强度;直线风垂直切变(风随高度无旋转)主要影响地形对流降水的移动速度和强度.风随高度自下而上顺(逆)时针旋转,地形对流系统向下游传播时向右(左)偏移.风垂直切变主要通过影响地形重力波的结构和传播以及对流系统的形成、移动方向和速度,来影响地形对流降水的模态分布,其中对流层中低层的风垂直切变对地形对流降水强度和模态分布有重要影响.     

Internal airflow of a convective storm from dual-Doppler radar measurements

The dual-Doppler radar coplane method of scanning and data reduction has been used to determine the internal airflow and radar reflectivity structure of a convective storm. Cumulus convection growing in a moderately sheared wind environment resulted in a nonsteady, moderate intensity thunderstorm. Precipitation fallout and downward moving air are found downshear of an updraft inclined in the downshear direction. Rapid storm translation, vertical shear of the ambient wind, and slow subcloud ascent of inflow air act to establish this observed draft configuration. The absence of significant cold air outflow and its attendant gust front at the surface is attributed to (i) appreciable inflow of slow moving air into the downdraft at the middle layers and (ii) the fact that the potentially coldest air was located too low to contribute significantly to a deep downdraft circulation.