Downstream development of baroclinic waves in the midlatitude jet induced by extratropical transition: A case study

This study uses eddy kinetic energy analysis and a targeting method to investigate how an extratropical transition(ET)event induced downstream development(the modification of the midlatitude flow downstream of the ET system) in the midlatitude jet environment. The downstream development showed distinct characteristics of "coupling development" and being "boundary-trapped". Eddies(potential disturbances) first developed at the upper levels, and these triggered lower-level eddy development, with all eddies decaying away from the tropopause and the surface. Thereafter, a lower-level eddy caught up with the upper-level eddy ahead of it, and they coupled to form a cyclone extending through the whole troposphere. Vertical ageostrophic geopotential flux may be a crucial dynamic factor throughout the eddy's lower-level growth, boundary-trapping,and coupling development.Together with barotropic conversion, the ageostrophic geopotential fluxes that were transported from Hurricane Fabian(2003) to the midlatitudes by the outflow led to downstream ridge development in the upper-level jet. The strong downstream advection of eddy kinetic energy in the exit region of the jet streak triggered downstream trough development. The well-known ridge–trough couplet thus formed. The vertical ageostrophic fluxes that were transported downward from the developed upper-level systems converged near the surface and resulted in lower-level eddy growth. Baroclinic conversion was negligible near the boundaries, while it was the main source of eddy kinetic energy at mid-levels. In the upper-level jet, potential energy was converted to the mean kinetic energy of the jet, which in turn was converted to eddy kinetic energy through barotropic conversion.     

涡动非地转位势通量对风暴轴维持的影响

通过对涡动动能方程和涡动有效位能方程的诊断分析，结果发现，斜压性是导致风暴轴入口区天气尺度涡动发展的最主要原因，而涡动发展后则主要通过非地转位势通量向下游频散能量而衰减，并进一步成为激发下游新的涡动活动发展的主要能量来源。因此，涡动非地转位势通量所引起的"下游发展效应"对风暴轴在东端弱斜压区的维持具有十分重要的作用。     

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE INTENSIFYING AND WEAKENING LANDFALL TROPICAL CYCLONES DURING EXTRATROPICAL TRANSITION OVER CHINA

Based on the Tropical Cyclone(TC) Yearbooks data and JRA-25 reanalysis data from the Japan Meteorological Agency(JMA) during 1979-2008, dynamic composite analysis and computation of kinetic energy budget are used to study the intensifying and weakening TCs during Extratropical Transition over China. The TCI shows strong upper-level divergence, strengthened low-level convergence and significantly enhanced upward motion under the influence of strong upper-level troughs and high-level jets. The TCI is correspondingly intensified after Extratropical Transition(ET); TCW exhibits strong upper-level divergence, subdued low-level convergence and slightly enhanced upward motion under the influence of weak upper-level troughs and high-level jets. It then weakens after ET. The increase(decrease) of the generation of kinetic energy by divergence wind in TCI(TCW) at low level is one of the major reasons for TCI’s intensification(TCW’s weakening) after transformation. The generation of kinetic energy by divergence wind is closely related to the development of a low-level baroclinic frontal zone. The growth of the generation of kinetic energy by rotational wind in TCI at upper level is favorable for TCI’s maintenance, which is affected by strong upper-level troughs. The dissipation of the generation of kinetic energy by rotational wind in TCW at upper level is unfavorable for TCW’s maintenance, which is affected by weak upper-level troughs.     

动能EOF分析和β中尺度雨团中的能量转换

本文针对2008年上海8月25日暴雨过程,利用WRF中尺度数值模式对其较好模拟的结果,应用EOF分析方法对其做了动能偏差场的统计动力诊断。探讨了该暴雨过程中各种尺度天气系统,特别是β中尺度雨 团,其有效位能向动能的转化机制。所得主要结论有:对该暴雨过程,动能偏差场EOF分析的第一、二、三模态可分别称为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。在该暴雨落区附近,低层各模态动能偏差场水平梯度的绝对值均较大,系统演变也较剧烈,且尤以暴雨雨团模态为甚;这表明低层暴雨雨团模态该处风场具有强烈的非地转性,有着强辐合,运动是非平衡的,其性质为重力惯性波(含涡旋—重力惯性混合波)。在某等压面上,有效位能的时间变化与位势偏差的时间变化相同,而前者的水平梯度则与后者的空间梯度大致相同,这样讨论某层前者的变化就归结于讨论该层后者的变化。暴雨来临前在该暴雨落区附近,前三个模态都有有效位能向动能的 转化,其表现为动能的增长和有效位能的下降,且以暴雨雨团模态表现更突出。暴雨雨团模态的尺度为β中尺 度,这表明该尺度的系统在有效位能向动能转换中起着关键作用,且扮演着有效位能与涡旋场动能之间转换的中介角色。     

2008年初东亚高空急流变化的可能原因及其对我国南方低温雨雪冰冻灾害的影响

利用欧洲中期预报中心再分析数据和中国气象局提供的降水数据分析了2008年1月到2月初东亚急流对我国南方雨雪冰冻灾害的影响,并给出东亚急流变化可能的原因。东亚急流强度和位置的变化引起其入口区的垂直运动的变化,从而使得我国南方降雨的位置和强度发生改变。为了研究灾害发生期间东亚急流变化的原因,利用扰动动能方程分析了与东亚急流有关扰动动能以及方程各项的变化,结果表明：扰动动能的变化能够很好的表示东亚急流的变化;扰动位势平流对扰动动能的发展至关重要。东亚急流北部弱风区存在较小的扰动动能中心,位势通量矢量将这个中心的扰动动能输送到东亚急流的入口区并辐合,使得东亚急流增强。     

初夏华南两类季风槽的对比研究——1.诊断分析

本文采用多层非线性平衡模式及动能平衡和能量转换方程对华南两类季风槽进行了对比研究。研究表明,陆上类风的无辐散部分引起的垂直运动是基本的,而大尺度凝结加热和积云对流加热引起的垂直运动有很大的增幅作用,海上类垂直运动场主要靠弱积云对流维持。两类季风槽内辐散风的动能制造及次网格尺度效应都是主要的动能源,而无辐散风则引起负的动能产生。两类季风槽内都有一致的正斜压转换。      

ENERGY DISPERSION EFFECTS ON EXPLOSIVE DEVELOPMENT OF MARINE CYCLONES

A dominant role played by energy dispersion in the explosive development of extratropicalmarine cyclones over the Northwest Pacific has been revealed based on both the eddy energyequations and the energy flux vectors of nonlinear wave packet.At the initial and explosive time.the eddy energy from neighboring upstream systems beyond the radius of Rossby deformation isdispersed into the eddy energy center associated with the cyclone via ageostrophic geopotentialfluxes,and results in the rapid increase of eddy kinetic energy and the occurrence of explosivecyclogenesis.When the cyclone begins to decay,its corresponding eddy energy is exporteddownstream and hence triggers the growth of new perturbation downstream.Through generalizingthe energy flux vectors of quasigeostrophic wave packets to the nonlinear forms and making use ofthe relationship between the energy flux vectors and the total eddy energy,the approximationexpressions of the total group velocity and relative group velocity are derived,and then they areused to compute an explosive case.The normalized ageostrophic geopotential fluxes by dividing thevolume integral of ageostrophic geopotential fluxes by the integral of the total eddy energydetermine the relative group velocity at which the eddy energy is spreading out,and they can beused to evaluate the position of next new disturbance.The nonlinear advective fluxes influenceprimarily the phase speed and translation of the cyclones.The results in this paper facilitate toexpanding the mechanism research on explosive cyclones and have great significance for predictingthe explosive intensification and downstream disturbance growth.     

冬季北半球风暴轴能量演变的个例分析

利用观测资料,从扰动能量变化方程出发,通过分析能量的逐日演变过程,对风暴轴的各种内部因素在其维持中的作用进行了详细探讨。结果发现,涡动非地转位热能量所引起的“下游发展效应”是风暴轴得以在一常定区域维持的重要因素。     

东亚冬季风中非地转风的初步研究

本文对非地转风在东亚冬季冷空气活动过程中的作用及影响非地转风的主要因子等问题进行了初步研究，并讨论了非地转风在有限区动能收支中的作用。结果表明，非地转风是冷空气过程中地面偏北大风加强的主要原因之一，非地转风次级环流使东亚高空西风急流和Hadley环流得以加强，而高空西风急流具有次地转的特征。变高、惯性平流和摩擦作用是影响非地转风的主要因子。此外，位温局地变化，位温平流和非绝热作用对非地转风的形成亦有相当大的贡献，但该三项非地转风分量的向量和接近于零。非地转风在有限区动能的收支中也起着十分重要的作用。     

Identifying Global Monsoon Troughs and Global Atmospheric Centers of Action on a Pentad Scale

Using two datasets of global pentad grid precipitation and global 850 hPa geopotential height during 1979-2007, this study identified global monsoon troughs and global atmospheric centers of action (ACAs) on a pentad scale. The global monsoon troughs consist of planetary-scale monsoon troughs and peninsula-scale monsoon troughs. Forced by seasonal variations in solar radiation, the inter-tropical convergence zones (ITCZs) represent the planetary-scale monsoon troughs, which are active and shift over the tropical North Pacific, the tropical North Atlantic, and the tropical South Indian oceans. The peninsula-scale monsoon troughs are originated from regional land-sea topography and varied with contrasts in seasonal land-sea surface temperatures and precipitation. During the boreal summer, five peninsula-scale troughs and one planetary-scale trough are distributed in the Asia-Northwest Pacific (NWP) region. In total, 22 troughs, nine monsoon troughs, and 19 ACAs in the lower troposphere were identified. Relevant ACAs may be useful in constructing regional monsoon and circulation indices.     

非地转湿Q矢量分解在暴雨分析中的应用

利用非地转湿Q矢量对山东省春秋季两次罕见的暴雨天气进行了诊断分析。分析结果表明:暴雨期间都有较强的非地转湿Q矢量辐合,产生上升运动,形成暴雨。这一结果也表明凝结潜热加热对暴雨的产生有着重要的作用。本文进一步把非地转湿Q矢量分解为平行于等位温线和垂直于等位温线两部分。揭示在这两场暴雨过程中,虽然都有中尺度和大尺度辐合上升运动作用的叠加,但在春季暴雨的个例中,垂直于等位温线的非地转湿Q矢量的辐合与总的非地转湿Q矢量的辐合相接近,暴雨以中尺度上升运动为主。而在秋季暴雨的个例中,平行于等位温线的非地转湿Q矢量的辐合与总的非地转湿Q矢量的辐合在形状上相似,在强度上偏强,暴雨的上升运动以大尺度为主,中间夹杂着中小尺度的上升运动,降水以混合型为主。     

华北南部一次回流暴雪天气的诊断分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,对发生在华北南部的一次回流暴雪天气过程进行了动力、热力等诊断分析。结果表明：该回流暴雪天气属于华北回流中的两槽一脊型,导致这次强降雪的影响系统是高空急流、西来槽、低涡切变和低空急流,东北冷空气起到了触发作用。最大降水出现在南北风转换阶段,当东北风完全控制低层,降水结束。高空辐散和低层辐合相叠置及高空正涡度的下传,有强降水的产生,但上升运动中心较低。降雪前的增暖增湿与低层冷空气的楔入使华北南部位于θse能量锋区和水汽辐合区内,有利于强降雪的产生。回流天气的水汽主要来自于南方,低层东北冷空气也有间接输送水汽作用。     

低空急流形成发展的一种可能机制——重力波的惯性不稳定

当斜压大气在高空急流轴附近满足条件f(f-/y)＜0时,非地转运动激发出的重力惯性波将得到进一步的发展.此时,斜压大气的地转适应过程无法实现,非热成风和垂直环流之间将发生正反馈作用, 负的非热成风将激发并加强南部上升北部下沉的垂直环流,垂直上升流的加强将导致低层低压系统的发展和低层流场的辐合,使得低层低压系统南侧的气压梯度力增大,结果在辐合区南侧形成低空急流.此外,非热成风的分布对垂直环流和低空急流的形成发展也具有非常重要的作用.     

冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料,定义一个风暴轴经度指数,基于这个指数做合成分析,对冬季北大西洋风暴轴63 a(1948-2010年)的东西变化特征及其能量平衡差异进行了诊断。主要结论如下:(1)北大西洋风暴轴存在明显地东扩和西退。当风暴轴向东扩展时,天气尺度瞬变波可以向下游发展至乌拉尔山以东的亚洲上空;风暴轴西退时,天气尺度瞬变波活动范围向西收缩到15°W以西的大洋上空。(2)能量诊断表明,当风暴轴向东扩展时,涡动动能在高纬度的大西洋东部及西欧上空明显增强。在0°以西的区域,涡动动能的增强主要归因于能量斜压转换过程的增强;而在0°以东区域,涡动动能的增强可能与涡动非地转位势通量引起的"下游发展效应"增强有关。风暴轴向西收缩时,变化相反。     

北京地区一次强对流大暴雨的环境条件及动力触发机制分析

通过对1998年6月29日北京地区发生在天气尺度脊中的强对流大暴雨过程分析, 得出该过程是由中层的高压脊和低层的辐合系统、近地面的冷空气之间的相互作用形成了具有聚能机制的中低空经向环流圈, 维持了暴雨区中低空的上升运动, 形成了近地面的动力锋生, 使中低层的潜在不稳定加剧.而对流层高层短波扰动的正涡度平流通过非地转平衡过程, 引发中高层产生的上升运动, 触发了潜在不稳定的释放.该短波扰动与风场的波动不相匹配, 其位相传播特征与重力波相似.     

一次东移型高原切变线过程的扰动动能特征

利用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料,采用动能梯度的定义和扰动动能方程,对2014年8月25—27日初生于青海省东南部之后东移到四川省中部产生天气影响过程的高原切变线进行了能量诊断分析。结果表明:在高原切变线发生发展时,切变线的位置和强的地转偏差及动能梯度大值区相对应,动能梯度模值的水平、垂直分布和相应的散度分布一致,可以反映切变线的基本结构特征;引入动能梯度有助于从能量变化视角来理解高原切变线的发展演变。扰动动能大值区的分布和切变线的走向一致,在切变线发展初期,扰动动能明显增大。扰动动能平流项和正压转换项的值都比较小,不足以反映切变线演变过程中的能量变化,而斜压转换项和扰动位势平流项是扰动动能收支的主导项;在切变线成熟阶段,扰动有效位能向扰动动能的转换最大,斜压转换项是高原切变线发展过程中能量转换的重要途径,有利于切变线上的上升运动加强。扰动动能趋势项可以较好预示切变线的发展态势,扰动非地转位势通量及其散度对高原切变线的生消及移动具有较好的指示意义。     

山东半岛南部一次沿海强降雨成因分析

利用常规气象观测资料、区域自动站观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和雷达探测等资料,对2012年9月21日山东半岛南部沿海强降雨过程的成因进行了天气学诊断分析,结果表明:1强降雨是在500hPa第1个西风槽过后第2个西风槽逼近的过程中产生的,850hPa以下为偏南的向岸风,且风速随时间增大,形成偏南的超低空急流,持续地向沿海输送水汽和能量,造成水汽辐合、湿度增大、对流有效位能升高。产生强降雨的水汽和不稳定能量条件远小于内陆地区。2在向岸的超低空急流的左侧产生中小尺度的涡旋和辐合上升,海岸地形抬升作用使得上升运动加强,触发对流不稳定能量释放,造成强降水。3在雷达回波中,小尺度的对流单体沿海岸线向西南方向发展,后期在日照附近的沿海形成弓状回波,向东南海区移动。     

中国南海夏季风强、弱年多尺度相互作用能量学特征

中国南海夏季风为东亚季风的主要系统之一,其具有多重尺度特征,除季节平均环流场外,低频（季节内振荡）和高频（天气尺度）扰动也十分活跃,各尺度系统存在明显的年际变化。该研究使用ERA-Interim和NCEP/NCAR两套再分析资料,从季风平均动能（MKE）诊断的角度出发,探讨了1979-2010年中国南海夏季风环流年际变化的能量来源及其和扰动场的相互作用过程。结果表明:中国南海夏季风对流活跃年份,中国南海南部（12°N以南）及中南半岛一带为季风平均动能显著增强区,此与南亚季风区西风急流的增强并向东延伸有关;中国南海北部（12°N以北）及西太平洋为气旋性环流盘踞,季风槽加深。中国南海南部季风平均动能增强的能量源自于扰动动量通量与平均环流的相互作用,强季风年,平均环流失去较少的动能给扰动场（亦即平均环流保留较多的动能）。通过进一步探讨高频（<10 d）及低频（10-90 d）扰动场与平均环流不同分量的（散度、涡度、风垂直切变）相互作用过程,发现季风平均动能的增长主要来自于<10 d扰动与季风平均散度和涡度的相互作用。中国南海北部季风槽区季风平均动能的维持来自于大气热源和平均上升运动的相互作用,但同时有较多的季风平均动能向扰动动能转换,有利于扰动的成长。因此,强季风年,中国南海北部热带气旋生成数目增多,夏季北传的季节内振荡也增强,导致中国南部沿海及华南地区出现较多的灾害天气。      

冀南大到暴雪天气过程分析

利用NCEP1°×1°的6h再分析资料和常规气象观测资料,对2001年1月6日冀南大到暴雪天气过程进行了诊断分析,结果表明:冀南地区大到暴雪天气过程的主要影响系统是低层辐合切变线、高空槽、低空和超低空急流;降雪过程中前期为回流降雪,后期为西来槽降雪;冀南暴雪区处于偏南风急流左前方的辐合区内,低空、超低空急流为暴雪提供了源源不断的水汽条件;暴雪过程中存在较为深厚的上升运动,散度的垂直分布形成上下抽吸作用,中低层正涡度的发展尤其是正涡度平流的增强等均为强降雪提供了动力条件;非地转湿Q矢量散度场低层辐合明显,强辐合区与暴雪区有较好的对应关系;低层高能舌的演变可以大致判断强降水出现的时间和位置;由假相当位温垂直方向上的变化可知,冀南地区大到暴雪基本属于稳定性降雪过程。     

北上低涡引发辽宁历史罕见暴雪天气过程的分析

2007年3月3～5日, 辽宁大部分地区普降大到暴雪。本文对此次暴雪过程及其成因进行了初步分析, 通过对各种资料, 包括营口多普勒雷达资料的分析, 认为500 hPa南北支槽合并带来的强冷暖空气交汇及北上低涡的发展是产生暴雪天气的主要背景; 地面气旋北上带来的南来倒槽是产生暴雪的天气特征; 低空急流输送水汽和低层上升运动是增强降雪强度的有利条件, 这一分析结果对预报暴雪天气具有指示意义。