位温、等熵位涡与锋和对流层顶的分析方法

等熵位涡分析是位涡理论的分析基础。此文的目的是介绍等熵位涡分析所必需掌握的基本概念和方法。文中从位温和位涡、对流层和平流层、锋和对流层顶的基本性质出发,讨论了锋和对流层顶在剖面图、等压面图及等位温面（即等熵面）图上的特征。文中给出了各种分析实例图形,并通过分析和对比指出：平流层的高位涡是对流层顶以上位温随高度急剧增加位温垂直梯度特别大的结果;位温垂直梯度是决定位涡分布的主要因子;等熵位涡图主要反映极地气团的活动,同时也是与极地气团密切关联的锋、急流、对流层顶的综合反映。最后提出了等熵位涡分析中需要避免的一些错误认识,特别是不能将等位温面上的流线当成轨迹的错误,并由此得出平流层空气侵入对流层下部的错误推论。     

关于等熵位涡应用的一点认识

位涡、湿位涡及其守恒开启了(湿)位涡理论的较广泛应用,使(湿)位涡成为天气系统、天气现象演变的重要诊断物理量,能有效解释一些天气系统、天气现象的演变。为合理应用(湿)位涡及等熵位涡思维,简单分析了气象常用坐标中位涡、湿位涡表达式的限制性条件,强调此条件与(湿)等熵坐标成立的条件相同,指出z 坐标(湿)位涡与p、θ(θse)坐标(湿)位涡存在物理差异。在θ(θse)坐标中,气块的水平速度是相对水平面(地面)的移动速度,而非气块沿着等θ(θse)面的移动。在(湿)等熵位涡分析中,(湿)等熵位涡强度的变化,是平流、垂直输送以及非绝热过程的综合作用,不能简单归因为只由高层的(湿)等熵位涡异常向中低层传输、或中低纬的(湿)等熵位涡异常向高纬传送所造成。     

“等熵思维”到“等熵位涡思维”回顾与讨论

等熵位涡守恒与中纬度斜压扰动发展之间的诊断关系可用于对气旋发生发展的预报,并作为理解水汽图像的动力学场而在业务上使用。"等熵位涡思维"建立在等熵面分析的"等熵思维"基础上。本文首先依据基础的动力学理论,对等熵面上物理量场的动力学解释和业务应用作回顾和讨论,内容包括:等熵面随高度分布特征、等熵坐标中的垂直速度场、等熵面上水汽输送解释、等熵面上高空急流和锋区的特征等。其次,通过与等熵面物理量场分析和斜压二层模式准地转垂直运动方程的比较,着重回顾和讨论等熵位涡面上的物理量场和业务应用,内容包括:对流层顶定义及其温压湿分布特征、对流层顶等熵位涡面上急流和锋区的特征、对流层顶等熵位涡面上的垂直速度场、"等熵位涡思维"与气旋发展及位涡、水汽图像在改进数值预报模式中的作用等。     

2003年7月4～7日淮河流域特大暴雨等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对 2 0 0 3年江淮梅雨期 7月 4～ 7日淮河流域特大暴雨进行了天气动力诊断分析。发现 :等熵面上的西风急流将高位涡向下游输送 ,强西北气流穿越等压线形成强下沉气流 ,将高层和高纬的高等熵位涡向南输送 ,使得强降雨区维持高等熵位涡 ,是强雨带持续的重要原因。等熵位涡高值区与强暴雨有较好的对应关系 ,并具有预报指示意义     

一次西南涡暴雨的等熵位涡特征分析

应用常规资料和0.5°×0.5°的GFS再分析资料,对2010年7月19日发生在河北山东的一次西南涡暴雨过程产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明：西南涡、高、低空急流、地面低压是这次暴雨过程的主要影响系统;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有很好的示踪作用;等熵位涡中心两侧气流辐合,利于地面低压发展;高位涡下传,导致了大暴雨产生;等熵位涡大值区及移动方向与降水落区有很好的对应关系。     

对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制.结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征.暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论.     

2008年12月两次强寒潮过程的等熵位涡分析

利用2008年12月的NCAR/NCEP逐日6h再分析资料,对本月发生的两次强寒潮事件(分别简称为过程Ⅰ和过程Ⅱ)进行了等熵面位涡分析.结果表明:(1)两次寒潮过程的爆发时间均可用低层位涡扰动的时间曲线的转折点来确认;(2)两次过程中在寒潮爆发时,都存在明显的高位涡值向下传播特征,过程Ⅱ明显于过程Ⅰ;(3)等熵面分析可跟踪寒潮强冷空气活动,等熵面位涡演变反映了高、低层冷空气的分布及活动状况;等熵面位涡高值区代表冷空气范围,等位涡线密集区代表冷暖空气对峙.寒潮爆发时,等熵面上高层高位涡向下向南传播,导致高位涡强冷空气在垂直方向上拉伸,正涡度增强.     

2018年一次非典型梅雨锋暴雨过程诊断分析

利用常规地面气象观测资料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°网格点逐6 h再分析资料,对2018年6月20日浙江省一次暴雨过程的主要环流系统、等熵位涡、垂直螺旋度等进行了天气动力学诊断分析。结果表明：850 hPa低涡切变、对流层中层冷空气、200 hPa南亚高压、副热带高压是此次暴雨过程发生的主要影响系统;700 hPa上的正垂直螺旋度中心对暴雨的发生有良好的指示意义;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有较好的视踪作用,等熵位涡中心两侧气流辐合,有利于低压系统发展,高层等熵位涡与冷空气活动有较好的对应关系,等熵位涡大值区偏南侧的移动与强降水落区有较好的对应关系。     

9012号台风暴雨过程的位涡分析

通过９０１２号台风登陆前后等熵面位涡图和位涡剖面图的分析，研究了台风的位涡场结构以及它登陆后与中纬度天气系统相线作用过程中的演变特征，结果表明：台风的位涡结构为一深厚的高位涡“柱”对流层的高低中有一个高位涡中心；中层高位涡平流或正位涡平流随高度增加以及等熵面上的初变线可作为定性判断台风和外围暴雨落区的一个指标，中纬度系统对９０１２号台风的作用，主要在于冷空气进入台风环流的导致台风迅速减弱消亡，等熵     

浙北地区一次大暴雨过程的等熵位涡分析

利用NCAR/NCEP逐日再分析资料,对浙北地区2008年6月9—11日大暴雨过程进行等熵位涡分析。结果表明:等熵面上的位涡(IζP)演变反映了暴雨区的移动及西南急流的发展。暴雨区主要位于位涡高值中心的东南侧,对应西南气流发展最强处,而位涡中心降水却不明显。当高位涡中心区南压影响后,强降水结束。通过垂直剖面图可看到,等熵面上的西北急流将高层的高等熵位涡向东向下输送,当浙北地区处于正IζP平流控制下时,强降水发生,当其处于负IζP平流控制时,强降水结束。同时,逆向的Ferrel环流圈的形成,为30°N附近强降水的产生与维持提供了有利的条件。     

“海棠”台风(2005)暴雨过程数值模拟及位涡分析

采用WRF模式对2005年"海棠"台风登陆福建省前后24h内所造成的降水过程进行了数值模拟,在此基础上,利用模式输出结果,借助位涡理论分析位涡与台风低压流场及降水的关系,并结合对风场、相当位温、相对湿度等诊断量的分布特征分析,探讨了台风强降水的发展和维持机制。结果表明,310K等熵面上高位涡发展演变较好反映了台风低压系统路径移动以及强度变化的过程。暴雨中心主要出现在位涡大值区及其偏东北方向,且位涡气块回旋少动,与暴雨的发展维持密切相关。高位涡区主要位于等熵面坡度和梯度最大处,当等熵面上下贯通,对流层高层的高位涡沿等熵面下传,形成位涡柱时,有利于暴雨增幅。台风环流内水汽充足,上升运动强烈,也有助于此次台风降水强度持续强大。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

一次区域暴雪过程中的等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对2006年1月18～19日河南省大范围暴雪过程进行了天气动力诊断分析,结果发现低纬低层偏南气流沿熵面向北输送的高位涡与强降雪落区和时间有很好的对应关系,并具有预报指示意义;高纬高层的高位涡穿越等压线形成强下沉气流向南输送,低纬中低层西南暖湿气流引起的高等熵位涡沿等熵面爬升,两者在我省长时间交汇,是强降雪带持续的重要原因.     

一次区域暴雪过程中的等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对2006年1月18~19日河南省大范围暴雪过程进行了天气动力诊断分析,结果发现:低纬低层偏南气流沿熵面向北输送的高位涡与强降雪落区和时间有很好的对应关系,并具有预报指示意义;高纬高层的高位涡穿越等压线形成强下沉气流向南输送,低纬中低层西南暖湿气流引起的高等熵位涡沿等熵面爬升,两者在我省长时间交汇,是强降雪带持续的重要原因。     

等熵位涡在一次淮河流域大暴雨分析中的应用

利用NCEP/NCAR 1°×1°逐日再分析资料、常规气象观测资料,通过等熵位涡理论对淮河流域2009年9月24—25日的大暴雨过程进行分析。结果表明:淮河流域对流层低层的中尺度低涡的发生发展与此次暴雨密切相关;315 K等熵位涡高值中心的移动和强度变化很好地反映出中尺度低涡系统的发展变化情况,其移动方向与雨带走向一致,降水落区主要位于等熵位涡高值中心轴线移动方向右侧的强西南气流处,对应于345 K等熵面上干冷空气移动方向前部的暖湿区内;在暴雨发展强盛时期,淮河流域暴雨区上空从对流层高层至低层均存在明显的正等熵位涡平流,干冷空气的侵入使得低涡加强发展,辐合上升运动增强,有利于暴雨的增幅,这是引发此次暴雨过程重要的触发机制。     

北半球阻塞高压的维持Ⅰ:准地转和Ertel位涡分析

从北半球不同地区的４个阻塞高压个例，研究了阻塞高压维持机制及其地域性差异。对阻塞高压区域３００ｈＰａ时间平均准地转让涡低值区的维持机制的分析表明，该位涡低值区的维持机制存在显著的地域性差异。其中，在２个太平洋阻高个例中，时间平均流的位涡平流使低位涡向阻高西北部输送，从而有利于位涡低值区经向度的维持；时变扰动的位涡输送则有抵消平均流作用的倾向，从而对位涡低值区的维持起耗散作用。在大西洋和东亚阻高个例中，平均流的位涡平流使低位涡区向东移动，而时变扰动的位涡输送则有抵消平均流位涡平流的作用，从而有利于位涡低值区在原地稳定维持。以上主要是相对涡度输送的差异所致。等熵面Ｅｒｔｅｌ位涡分析表明，阻高区域３３０Ｋ时间平均等熵位涡低值区的维持机制与３００ｈＰａ时间平均准地转位涡低值区的维持机制十分相似，从而表明以上等压面准地转位涡分析可以近似用来代表等熵Ｅｒｔｅｌ位涡分析。     

1991年江淮梅雨期一个阻塞个例的Lagrange诊断分析

利用等熵面轨迹法,对1991年江淮梅雨期7月1日至7日的阻塞过程持续异常进行了诊断分析.等熵面位涡的分析表明,阻塞的维持与演变与等熵面上其高低压中心所对应的负正位涡中心的变化相一致.等熵面上等位涡线的轨迹积分表明,阻塞的形成、维持及衰减,对应着物质线裹卷的形成、维持(或加深)及不可逆形变和高低位涡的输送及积累的变化.同时发现,阻塞附近位涡系统的移动、演变和阻塞上游分流区位涡系统形变引起的瞬变涡度源的强迫作用,对阻塞的形成也有一定的作用.     

一次寒潮过程中冷堆增强的动力原因分析

利用ECMWF的0.75°×0.75°再分析资料对2016年2月14日的寒潮冷堆增强过程进行了分析,结果发现,寒潮冷堆增强过程中等熵面位涡守恒,315 K等熵面上寒潮冷堆表现为6 PVU的高位涡中心,垂直方向上寒潮冷堆区域高位涡下传到低层形成高位涡柱,冷堆的运动对应高位涡柱的运动.分析500 hPa寒潮冷堆变化发现,寒...     

强烈发展的中尺度涡旋影响下持续性暴雨的位涡诊断

利用高分辨率的模式输出资料,对2008年6月广西致洪暴雨及其中尺度低涡(简称广西涡)进行了等熵位涡(IPV)和湿位涡(MPV)的诊断分析。结果表明,低值等熵面上正IPV带的位置和强度可以反映暴雨的落区和强度,等熵面上的西风气流可分别将高纬度干冷和低纬度暖湿的高值IPV向广西涡处输送,使得广西涡维持高IPV。高值等熵面上南部的IPV存在下传现象,有利于其下游的广西涡IPV的增长,从而使得广西涡强烈发展、降水增强。利用MPV守恒原理的分析表明,持续性暴雨出现在高值等熵湿位涡前方的对流不稳定区中;暴雨区南北两侧对流层中高层的冷空气下沉时对流稳定性减小,对应的气旋性涡度增大;而暖湿气流沿着干冷空气爬升,它与具有强涡度的沿等熵面下滑的干冷空气发生强烈的辐合,使得涡度急剧增强,再加上地形的强迫抬升作用,形成强烈的垂直上升运动,导致涡旋强烈发展。等压面上的MPV及其分量分布显示,对流层中低层MPV负值带对雨带有指示作用,强降水时段对应着对流不稳定和条件性对称不稳定。     

风垂直切变和下滑倾斜涡度发展

本文根据绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特征，研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。由于传统的等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，本文进而发展了Z坐标及P坐标中的倾斜涡度发展理论。指出在梅雨锋南侧暖湿区的北端，以及梅雨锋北边界附近，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。还证明了倾斜涡度发展的必要条件和充分条件。指出在对流不稳定的饱和大气中，倾斜涡度发展必伴有低空急流存在。对1991年6月12～15日江淮流域暴雨过程的诊断表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量Pm1和Pm2的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层均十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。