一次西南低涡发生发展的涡度收支及潜热释放诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料、地面自动站降水资料,对2010年7月8~10日发生在重庆地区的大暴雨过程进行涡度收支及潜热释放诊断分析。结果表明:(1)再次发展的850 h Pa西南低涡中心与持续发展的700 h Pa低涡中心的耦合发展对此次暴雨过程的发生发展有重要作用;(2)在暴雨过程中,涡度的垂直输送项和水平辐合辐散项对850 h Pa低涡的再次发展及700 h Pa低涡的维持发展起主要作用;(3)降水与低涡基本同步发生,降水带来的潜热释放使得对流中心附近的上升运动不断加强,凝结潜热释放也随之增多,引起非绝热作用增强,导致局地位涡增加和低涡中心附近的正涡度逐渐加大,风场气旋性弯曲显著,低涡环流逐渐形成。     

凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟

利用WRF模式对2009年7月29日的一次高原低涡个例进行数值模拟,研究了凝结潜热加热及其与对流活动的反馈在高原低涡发生发展过程中的作用及影响机制。通过模拟结果与实况资料的对比分析,发现WRF模式能够较好地模拟此次低涡的移动路径、中心强度和降水场分布。不考虑凝结潜热加热效应的敏感性试验结果中,模式模拟的低涡移动迟滞,降水量减少,并在移动至高原中部后迅速减弱消失。进一步分析高原低涡的结构发现,凝结潜热加热使得低涡中心附近的上升运动延伸至高层,并产生较强的对流活动,而更为深厚的上升运动又释放出较多的潜热,从而形成一种正反馈机制。位涡收支诊断分析表明,低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移,位涡垂直通量散度项与凝结潜热加热垂直梯度项引起的位涡变化趋势相反。在高原低涡的形成和发展阶段,由于凝结潜热加热与对流活动间的正反馈机制,潜热加热垂直梯度项引起的正位涡增强,凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用,有利于高原低涡的增强与东移;低涡进入成熟阶段后,凝结潜热的贡献减小,位涡水平通量散度项与位涡垂直通量散度项对位涡的变化起主要作用。     

重庆2次西南涡暴雨过程的类比分析

基于AREM模式分别对2010年夏季发生在重庆的两次西南涡暴雨过程进行数值模拟,并利用模拟结果对暴雨过程的动力和热力场演变以及涡度收支变化进行分析。结果表明:1)西南涡造成的降水落区位于低涡中心附近,整个降水过程雨带分布与低涡移动路径相一致;2)整层水汽通量辐合极值出现时间超前于最大降水出现时间,降水增强阶段,整层水汽呈增长趋势,说明存在稳定的水汽输送;3)最强辐合出现时间略早于最大正涡度出现的时间,说明大气辐合能够促进涡度的发展,辐合中心比正涡度中心位置低;4)涡度辐合辐散项对低涡的发展加强起最主要的作用;涡度平流项和涡度辐合辐散项的作用集中体现在中低层大气中,而垂直对流项和扭转项的作用则在中高层更为明显;降水的强弱与涡度变率的大小及伸展高度相对应。     

辽宁地区一次暴雪过程低涡增强机制分析

利用常规气象观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2015年2月15—17日辽宁省东北部地区一次暴雪天气过程的低涡增强机制进行了分析。结果表明:辽宁地区此次暴雪过程中850 h Pa低涡增强最明显,绝对涡度平流项是高层正涡度变率的主要强迫项,散度项则是低层正涡度变率的主要强迫项;500 h Pa冷平流增强强迫高层正涡度变率发展,造成涡度在垂直方向上分布不均匀,差动涡度平流增大,垂直上升运动加强,低层辐合加强,使低层涡度增强,低层低涡系统发展,低层低涡系统发展使干冷的西北气流、东北气流和来自黄海北部的东南暖湿气流在辽宁中部地区汇合,降雪加强。     

四川盆地西部连续两次特大暴雨过程的西南涡特征分析

针对两次四川盆地西部特大暴雨过程中西南涡发展与演变特征,利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料和FY4A卫星云顶相当黑体温度资料进行诊断分析。结果表明：两次过程的西南涡均生成于低槽东移和副高西伸的有利环流背景下。过程一的西南涡在高能高湿的环境下生成和发展,低层的感热和潜热加热作用更为显著,正涡度随高度向西倾斜发展且高度达到400 hPa,涡度拉伸项和扭转项对西南涡的发展起主要作用。过程二的偏南气流更为强盛,对流层高层的辐散抽吸作用更强,热力条件弱于过程一,西南涡范围内为高湿状态,对流层高层强的感热和凝结潜热加热使得高层增温,从而增强西南涡的发展,其正涡度发展至对流层顶,正涡度柱随高度垂直延伸,动力作用强于过程一,涡度拉伸项、扭转项和垂直输送项对西南涡的发展起主要作用。     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

一次华南持续性暴雨的动力诊断分析和数值模拟

利用倾斜涡度发展（slantwise vorticity development,SVD）理论,对2008年6月中旬华南地区持续性暴雨进行了动力学机制的诊断分析,讨论了低空急流（10wleveljet,Lu）在低涡发展过程中起的作用,同时利用MM5数值模式对暴雨过程进行了验证并对模拟结果进行了进一步分析。结果表明,高原低涡的发展是前期广西地区降水的主要动力因素,由于湿等熵面相对地形倾斜,且气块沿等熵面有相对运动,同时满足热力学参数CM〈0的条件,使得SVD发生作用,导致低涡移出高原后得到进一步发展;而LLJ的增强改变了大气斜压性,是后期低涡继续东移发展,并造成广东地区持续性暴雨的重要原因。数值模拟控制试验结果很好地反映了这次低涡降水的发展过程。敏感性试验结果初步表明,LLJ改变了低层大气稳定度和风的垂直切变,即大气斜压性增强,从而促进了中尺度低涡的进一步发展。     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

"98.7"突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的涡源诊断

1998年7月20～23日(简称“98．7”)发生在武汉周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS及MβCS直接关联。利用MM5模拟提供的高空间分辨(20km)输出资料，对这次突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力学机制进行了诊断。涡度分析指出，高、低空正涡度中心在武汉周边地区上空的叠加和耦合是该低涡切变线持续发展的主要物理机制之一。总涡源的诊断揭示，在突发性暴雨强烈发生发展期，武汉周边地区上空从低层到高层有一近乎垂直的涡源高值区生成和维持，其垂直结构的发展演变与涡度场垂直结构的发展演变相一致。这一结果表明，大气总涡源对该中尺度低涡切变线的生成和发展起着决定性作用，也是该暴雨中尺度系统持续发展的重要动力学机制。对贡献于总涡源的诸分量计算表明，在650hPa以下，散度项对大气总涡源的正贡献最大，但在此层以上至200hPa之间，垂直涡度平流项的贡献要比散度项大，同时水平平流项也为正贡献；在整个对流层，扭转项对总涡源为负贡献，散度项只在450～250hPa之间为负贡献。在近地层，垂直涡度平流项和水平平流项基本对总涡源不作任何贡献。时间平均涡源和纯扰动涡源对低涡切变线的生成很重要；在强烈发展期，相互作用涡源作用最大，纯扰动涡源贡献次之；随着非线性相互作用涡源贡献的减小，低涡切变线东移减弱。在该期间时间平均涡源和纯扰动涡源仍为正贡献。     

一次双台风影响下暴雨过程的中尺度涡旋模拟分析

本文对上海地区一次双台风环境影响的暴雨过程进行数值模拟及分析,探讨了强降水过程中大气中低层的涡旋特征及发展机理。结果表明:(1)暴雨过程处于双台风、大陆高压的共同影响下,中低层伴随有较明显的中尺度低涡发展。(2)与涡旋相关的局地垂直涡度由低层开始发展,先期涡度发展集中于850 hPa以下,之后向大气中上层发展增强,涡旋尺度强度也随之发展,最终形成在对流层下半部具有闭合式气旋性环流的深厚涡旋。(3)影响局地涡度变化的水平平流项、垂直平流项、散度制造项和倾斜项对不同时间、不同高度的涡度作用各不相同,其中散度制造项是中低层涡度的主要来源,垂直平流项的输送作用对中上层的涡度发展有重要作用,倾斜项对涡旋发展移动也有部分贡献。(4)通过敏感性试验考察了对流潜热反馈的贡献,发现潜热释放过程通过加热改变大气温压场结构,从而维持并改变局地涡度倾向的中低层辐合及对流上升运动,对涡旋的发展和移动起了重要影响。     

一次引发暴雨的东北低涡的涡度和水汽收支分析

对2005年7月25～29日引发较大范围持续性暴雨的东北低涡的结构、涡度和水汽收支进行了分析研究,结果表明:1)东北低涡是一个较深厚的冷性涡旋.初期,气旋性涡度出现在对流层中层,然后向中低层及高层伸展.而低涡加强阶段,气旋性涡度在对流层高层增加得最快,并逐渐向中低层传播,诱发地面气旋的发展;由于高低空锋生的相互作用,在低涡南部形成了深厚的近乎垂直的低层略前倾的"弓形"锋区.2)对涡度收支的计算表明,水平涡度平流项和水平辐散项对低涡的发展、加强起到最主要的作用.但在不同阶段,这两项的作用和大小各不相同.3) 对流层高层位涡大值区在低涡东部向下传播,有利于低涡的发展加强,与低涡暴雨的落区位置较为接近.此外对卫星云顶亮度温度(TBB)的分析,发现低涡暴雨典型的涡旋云带中对流活动旺盛的地区与局地暴雨的位置对应.4) 低涡暴雨的水汽初期主要来自北部,随着低纬地区西南季风的增强,沿副高西侧从低纬到中高纬建立起一条较强的水汽输送带,东北地区水汽收支以南北向的辐合为主.5)将2005年和1998年夏季6～8月的东北低涡暴雨个例的天气形势配置进行逐月比较,发现持续的较大范围的低涡暴雨过程与亚洲中高纬的阻塞形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有密切的关系.     

一次东北移西南涡的结构特征分析

利用欧洲中心ERA5 逐小时再分析资料对一次东北移西南涡活动特征进行诊断分析,得到以下结论：本次西南涡是在稳定的“东高西低”环流形势下生成和发展,高原涡诱发西南涡生成,在高原气流的引导下向东北方向移动,西南涡在向东北移动的过程中和高原涡耦合促使西南涡进一步发展。西南涡东北移过程中均有低空急流配合。西南涡初生阶段较为浅薄,动力特征较弱;东移发展过程中动力作用增强,正涡度发展至对流层顶,正涡度柱内“低层辐合-高层辐散”的特征显著,高层辐散大于低层辐合,强的高空抽吸作用促使低层辐合增强。涡度平流项、垂直输送项和拉伸项对西南涡的发展起到主要作用。视热源和视水汽汇在低涡发展阶段,中低层暖湿空气的加热使空气增温,从而使地面减压,有利于西南涡的发展;中高层凝结潜热和感热加热,使得对流层高层增温,促使高层出流加强,进一步增强西南涡的发展。     

“6·30”川渝特大暴雨过程中西南低涡发展机制模拟分析

利用地面加密自动站、NCEP(1°×1°)再分析及WRF-ARW数值模拟资料,对造成2013年6月29日至7月1日川渝地区特大暴雨过程的西南低涡的演变特征及热动力机制进行了诊断分析。此次特大暴雨过程分为三个阶段,其中与西南低涡发展相关的第二阶段为主要降雨时段。结果表明:(1)西南低涡生成后,呈现增强-减弱-再次增强的波动性演变特征,在6月30日上午和夜间分别经历了两次显著的涡度发展过程,并在第二次发展过程中达到最强。(2)低空辐合是西南低涡最主要的涡源,由低空辐合导致的正涡度增加近乎贯穿于整个西南低涡的生命史。在西南低涡的第二次发展过程中,中层辐合和涡度的垂直输送显著增强,也是西南低涡的重要涡源。(3)负值非平衡动力强迫激发了低空辐合的增长,在非平衡动力强迫的各项中,位势高度的拉普拉斯项为非平衡动力强迫提供了主要的负贡献来源。(4)非绝热加热先于西南低涡而增强,两者间的正反馈作用可能是西南低涡波动性发展的重要机制。在关闭了微物理过程中的潜热和地面潜热及感热通量的敏感性试验中,西南低涡及降雨的模拟均有不同程度的减弱。     

一次浅薄低涡暴雨过程数值模拟及发展机制分析

运用WRF中尺度数值模式对2009年7月27日长江下游地区的一次6 h累计降水226 mm的暴雨过程进行数值模拟,利用模式输出资料,对引发此次暴雨过程的浅薄低涡移动演变和动力结构、温湿特征进行分析,探讨低涡发展东移机制。结果表明:低涡位于500 hPa西风槽前,仅出现在对流层低层,动力与温湿特征均表现其浅薄结构。低涡暴雨降水主要发生在低涡东侧暖式切变线附近。水汽来源于中国南海和东海两地,水汽辐合层深厚,达600 hPa。此次低涡具有较强的斜压结构特征。通过涡度方程分析,辐合辐散流场的维持和发展为正涡度变化率作出主要贡献,三维风场倾斜扭转项作用与正涡度变化存在重要正相关。地形的动力作用使得背风坡更有利于低涡绕山后加强。高低空急流耦合中心和水汽凝结潜热释放区均有利于引导低涡以及低涡暴雨加强东移。湿等熵面呈垂直陡立状,指示低涡已发展到成熟期。预示暴雨即将减弱。倾斜涡度发展条件C_d0的连续增强,指示斜压性、稳定度和垂直风切变的综合作用也是这次低涡保持发展加强的重要原因。     

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

东移低涡动力学的初步研究

用一个正压原始方程模式实施了六组试验，研究了东移低涡的动力学。结果表明：无论是切变基流与低涡的相互作用，还是涡块与低涡的相互作用，都可引起低涡强度在短暂时段内增强，但整个积分时段内低涡强度的演变仍呈下降趋势。切变基流、低涡和多个涡块的相互作用，可以改变下降的趋势。正相对涡度切变基流中低涡和涡块的合并，是东移低涡强度得以维持和发展的一个直接的原因。     

一次桂北暴雨过程中低涡的发展维持机制

利用常规观测、卫星数据及ERA5再分析数据,从动力和热力角度对引发2020年5月24-25日广西北部暴雨过程的低涡发展维持机制进行了诊断分析。结果表明：低涡在滇黔桂交界一带生成,随后逐渐发展东移,对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧。涡度方程诊断表明,低涡的发展维持主要受涡度平流项和水平散度项影响。水平风场对涡度的输送使得局地涡度减小,而水平风场的辐合效应使得局地涡度增大。将原始风场分解为地转风和非地转风分量后发现,非地转风分量主导了局地涡度的变化,非地转风水平散度项正贡献最大,扭转项次之,两者是造成低涡发展维持的主要原因。在热力作用方面,低涡发展移动过程中对流层中层附近的潜热加热正反馈也有利于低层低涡的发展维持。     

天山山区及邻近地区夏季降水的环境场特征与涡度平衡

本文对天山山区及其邻近地区夏季降水过程的环境场特征、水热收支和涡度平衡做了诊断分析。结果表明，降水发生前的环境场有利于降水系统的发展。Ｑ１，Ｑ２和涡度平衡在降水发生前与降水期有一定的差异，降水期水热收支中起主作用的是水平平流项潜热和热基本上被冷平流所平衡；水汽的水平输送为降水的主要水汽来源，垂直输送也起一定的作用，涡度平衡中主要是水平平流累积的正涡度与散度项制造的负涡度相平衡，与副热带锋区上急流相     

一次东移型西南低涡的数值模拟及位涡诊断

利用非静力中尺度模式WRF对2011年6月16-18日引发强降水的一次东移型西南低涡过程进行了数值模拟,结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次西南低涡所引起强降水的范围和移动。低涡首先在低层850 hPa形成,9 h之后在700 hPa出现闭合低涡,发展成熟。西南低涡的初生和成熟阶段在对流层低层都维持与正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构,并伴有上升运动;在成熟阶段,上升运动、正涡度柱和高位涡柱明显加强、发展至对流层高层(300 hPa)。低层水汽通量散度对降水带的强度和移动都具有较好的指示意义。位涡收支诊断分析表明,非绝热作用项的垂直结构与垂直通量散度项相反,潜热释放造成的非绝热作用项有利于低层位涡增长、抑制高层位涡增长,对西南低涡的生成、发展有重要作用。     

涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅱ:广义倾斜涡度发展

从位涡-位温（PV-θ）以及拉格朗日观点,引入广义倾斜涡度发展的概念研究绝热条件下的垂直涡度发展。广义倾斜涡度发展是一个与涡度发展的坐标无关的概念框架,该框架包括倾斜涡度发展。倾斜涡度发展研究当大气处于稳定或不稳定层结情形,空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程垂直涡度激烈发展。因此,倾斜涡度发展是研究强烈天气过程的涡度发展非常强的情形。此外,广义倾斜涡度发展概念澄清了涡度发展和倾斜涡度发展的区别,涡度发展和倾斜涡度发展的判别标准表明,倾斜涡度发展的要求比涡度发展的要求严格很多。在空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程,当在稳定大气中静力稳定度（θ_z）迅速减小或在不稳定大气中静力稳定度（θ_z）迅速增大,即静力稳定度（θ_z）趋于0时,如果C_D<0,那么垂直涡度将急速发展。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬的一次青藏高原低涡过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑出青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。诊断表明,2008年7月22日00—06时（世界时）青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时低涡加强发展,PV₂变化对低涡加强发展有贡献,因为此时的水平涡度（η_s）变化和斜压度（θ_s）变化都对垂直涡度发展起正贡献。而且,22日06时,330 K等熵面的倾斜涡度发展判据满足,表明倾斜涡度发展并对垂直涡度发展起重要贡献。围绕着低涡中心较强的涡度发展和倾斜涡度发展信号表明,广义倾斜涡度发展概念框架可以作为诊断天气过程的一个有用工具。