中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究

本文通过对一次长江中游中尺度低涡的分析发现,在这类斜压性低涡发展时,低涡西侧冷区对流顶明显下降,在低涡区发生折叠现象.与大位涡值相联系的平流层空气从该处下沉至对流层,对流顶下陷比对流活动区对流顶高度变化要早且明显.中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自辐散风动能,在对流层高层和低层这种正向转换最为清晰,而整个气柱中位能向辐散风动能转换,以支持它在涡旋发展过程中之消耗.但高层与低层的情况不同.在100hPa高空辐散风动能既支持了涡旋动能,又向总位能转换.分析表明,高层对流层流场在中尺度系统发展过程中是十分活跃的,必须引起足够的重视.     

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时（协调世界时,下同）一次青藏高原（简称高原）中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究（四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm）。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积（相当黑体亮度温度TBB≤?52°C）可以有效地指示西南低涡强度（涡度）的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。     

2013年7月2—4日东北冷涡暴雨天气分析

使用NCEP 1°×1°再分析资料和地面降水量资料,对2013年7月2—4日东北冷涡引发的黑龙江省暴雨天气进行了分析。结果表明：1）在东北冷涡影响期间,黑龙江省逐小时雨量大都小于10 mm,但持续时间长,累积雨量大,中西部地区出现大范围暴雨天气。2）东北冷涡发展期,强上升运动与下沉运动的耦合,为暴雨提供了很好动力条件。3）从黄海、日本海到黑龙江省的低空急流为暴雨提供了充足水汽和能量,强降雨区水汽通量达到8 g·s-1·cm-1·hPa-1,水汽辐合强于2×10-5g·s-1·cm-2·hPa-1,850 hPa的θse高于332 K。4）湿位涡变化显示,冷涡影响期间,降雨区上空有对流不稳定条件,有利于强降雨发生。正MPV1位涡舌从对流层高层下伸、东移与暴雨落区东移相吻合;东北冷涡发展期的大气斜压性强,降雨强。维持期、减弱期大气斜压性弱,降雨弱。对流层低层MPV2小于-0.2 PVU区域易出现强降雨。     

1979年7月热带地区的动能平衡

应用欧洲中期预报中心的FGGEⅢ-b个客观分析资料计算了1979年7月热带大气的动能平衡。热带环流系统的动能主要集中在定常涡旋部分。对流层下层,105°E和150°E为两半球间瞬变涡旋的通道。对流层上层,瞬变涡旋的通道和洋中槽相联系,位于150°E和30°W附近。 索马里急流是对流层下层制造动能的主要环流系统。对流层上层,南亚东风急流入口区制造动能,出口区破坏动能,其动能收支与中纬度西风急流相似。 非洲-阿拉伯海季风区和孟加拉湾—南海季风区的动能平衡很不相同。动能的垂直输送可能在季风环流中很重要。     

2016年6月赣北两次对流性暴雨过程对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°FNL资料和多普勒雷达、卫星TBB等资料,对2016年6月1—2日和18—19日江西省北部两次对流性暴雨过程进行对比分析。结果表明,高空冷涡、西太平洋副热带高压、中低层急流、高空槽等共同作用导致两次暴雨发生。中层有冷空气影响,低层深厚西南急流维持时,更利于降水的对流性特征维持。两次暴雨过程强降水由低质心较强回波的“列车效应”造成。强降水回波带有多单体风暴和强降水超级单体风暴特征时,强降水效率更高。两次过程水汽收支中水汽通量散度项由正转负,水汽垂直输送项由负转正,中低层水汽辐合将低层大量水汽向上输送至中高层,利于强降水的形成。差动涡度平流中心与上升运动中心吻合,其导致垂直动力强迫,促进扰动不稳定和垂直运动的发展。强上升运动区南北两侧垂直经向环流和反环流的形成,为强暴雨的发生维持提供了持续的强水汽水平输送和辐合抬升条件。     

东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系

应用地面自动站1 h雨量资料和NCEP再分析资料,以一次典型的东北冷涡过程(2005年7月8~14日)为例,根据冷涡环流特征,将冷涡过程划分为发展期、成熟期、减弱期3个阶段。发现冷涡发展阶段降水主要由其南部西风锋区湿斜压不稳定产生,属于大范围混合型降水;而其他阶段降水主要由对流不稳定产生,以局地对流性降水为主。冷涡的不同发展阶段均可对应不稳定能量区,但其分布有较大差异,对流层低层的暖湿输送及辐合是不稳定能量积累的关键。发展阶段不稳定能量区分布于离冷涡中心较远的东南部;成熟期位于接近冷涡中心东南部;减弱期位于冷涡减弱形成的低压槽中。不同发展阶段不稳定能量与对流降水有不同的对应关系,冷涡发展期对流有效位能与较大的水汽通量是影响降水落区的主要因素;成熟期对流降水基本发生在对流有效位能区和925 hPa湿区的重叠区域;减弱期对流降水不但与对流有效位能、低层相对湿度有关,而且还取决于对流层低层辐合线。     

梅雨锋次天气尺度涡旋旋转风和辐散风动能收支

本文选取１９９１年７月５日２０：００－６日２０：００梅雨锋上移动性次天气尺度涡旋引起的长江中下游特大暴雨为实例。采用准拉格朗日球坐标系的旋转风和辐散风动能方程，计算得到次天气尺度涡旋发展和成熟两个阶段对流层各层旋转风动能和辐散风动能的收支特征为：在对流层高层（１００－４００ｈＰａ）两个阶段的旋转风动能源汇相同，辐散风动能源汇有异，即水平动能通量项和“摩擦”项符号相反；在中层（４００－７００ｈＰａ）     

2017年1月上旬泰国南部暴雨反复发生机制的研究

基于0.25°×0.25°的CMORPH日降水量产品以及ECMWF 0.25°×0.25°的ERA5再分析数据,本文对2017年1月上旬泰国南部反复发生暴雨事件的机制进行了研究,这些暴雨事件造成了Ko Samui和Ko Phangan近三十多年来最强的洪水事件。结果表明,初生于中南半岛西南方,向东北方向移动的一个中尺度涡旋是泰国南部重复发生暴雨事件的直接原因。涡度收支分析表明,水平辐合项是这个中尺度涡旋维持的最有利因子,倾斜项是第二有利的因子,而水平和垂直输送则主要造成了涡旋三维空间范围内正涡度向外的净输出,这是不利于涡旋维持的。进一步的分析表明,倾斜项与垂直涡度输送项分别对涡旋的移动及涡旋周边对流层低层的涡度增长较为敏感,这两个作用项在涡旋维持的两个不同阶段内各自表现出了完全不同的作用。     

东北冷涡加强减弱过程的涡度收支和动能诊断

对东北冷涡加强和减弱阶段的涡度和动能的收支进行诊断分析。结果表明：无论在加强还是减弱阶段,冷涡区域范围整层的涡度变化均很明显;涡度平衡方程中,散度项、水平平流项及余项均是主要项,正涡度的增长和减弱对冷涡加强和减弱有重要贡献;动能收支方程中的各项也有明显差异,且在对流层中上层均有较强的能量交换过程。     

一次东北冷涡过程的数值模拟与降水分析

本文利用WRF模式对2007年7月8日至12日的东北冷涡过程进行模拟。通过分析天气尺度背景场可知, 在对流层中高层出现干侵入过程, 干空气主要来源于我国内蒙古西部和东北冷涡的西北部, 随着东北冷涡一起呈涡旋状运动, 在对流层中层的干侵入更加明显; 东北冷涡的东部为水汽通量辐合区, 说明此处水汽丰沛, 该处的暖湿空气与干冷空气相汇, 有利于降水的生成。通过分析中尺度对流系统的地面和对流层中下层的风场结构可知, 中尺度对流系统易发生在东北冷涡东南侧和东北侧的气旋性曲率最大处, 此处的对流层低层易形成强辐合区, 而风场的水平辐合运动激发出垂直上升运动, 在对流不稳定区配合着强上升运动, 有利于对流系统发展而产生降水, 因此在低压系统东南侧及东北侧的 “气旋曲度” 区易形成降水。从对流涡度矢量的垂直分量可知, 在东北冷涡中的东南侧和东北侧, 对流涡度矢量的垂直分量对于中尺度系统的发生位置和降水区域有很好的指示作用。     

A Numerical Study of the Evolution of a Mesoscale Convective Vortex on the Meiyu Front

The Advanced Research WRF（Weather Research and Forecasting） model is used to simulate the evolution of a mesoscale convective vortex（MCV） that formed on the Meiyu front and lasted for more than two days. The simulation is used to investigate the underlying reasons for the genesis, intensification, and vertical expansion of the MCV. This MCV is of a type of mid-level MCV that often develops in the stratiform regions of mesoscale convective systems. The vortex strengthened and reached its maximum intensity and vertical extent（from the surface to upper levels） when secondary organized convection developed within the mid-level circulation. The factors controling the evolution of the kinetic and thermal structure of the MCV are examined through an analysis of the budgets of vorticity, temperature, and energy. The evolution of the local Rossby radius of deformation reveals the interrelated nature of the MCV and its parent mesoscale convective system.     

TROPOZ II: Global distributions and budgets of methane and light hydrocarbons

One hundred atmospheric samples were collected aboard the French Caravelle research aircraft, during the TROPOZ II experiment (January 1991). Tropospheric meridional distributions versus height were then derived from 70° N to 60° S and between 0.25 km and 11 km for methane, acetylene, ethane and propane. Areas of significant emissions were identified over northern latitudes with, for acetylene, maximum mixing ratios in the north (1.896 ppbv) more than 70 times higher than in background southern latitudes (0.025 ppbv). The influence of emissions from biomass burning was also obvious in the tropical boundary layer. Significant dynamic phenomena led to high mixing ratio zones above 8 or 10 km even for the most reactive hydrocarbons.For the first time, simultaneous assessment of global tropospheric contents of several light hydrocarbons was carried out. Using TROPOZ II data (January 1991) and STRATOZ III data (June 1984) collected by Rudolph (1988) during similar aircraft flights in 1988, the following tropospheric loads (in Tg-compound) were estimated, in January 1991 and June 1984, respectively: 1.1 and 0.4 for acetylene, 5.0 and 3.9 for ethane, 3.6 and 1.4 for propane and 3545 for methane in January only. According to our results, 40 to 65% of acetylene and alkanes are oxidized in the tropics. In addition, by computing the annual tropospheric sink of acetylene and alkanes, an evaluation of their annual global fluxes was performed. The figures are, in Tg-compound y^-1 with an uncertainty of 80% to an order of magnitude, based on January and June data, respectively: 10 and 6.6 for acetylene, 16.3 and 17.6 for ethane and 52.3 and 26.5 for propane.     

敦煌地区荒漠戈壁地表热量和辐射平衡特征的研究

利用2000年5月25日～6月17日"敦煌试验"在戈壁的微气象观测资料,分析了极端干旱地区晴天、阴天和降水等天气条件下的地表辐射平衡、热量平衡和土壤温度等微气象特征的日变化规律.发现在不同天气条件微气象特征有很大变化.但观测期间的平均微气象特征与晴天比较接近,天气过程的影响不是很大,平均的总辐射、净辐射和感热通量与晴天的比值在白天基本大于0.8.观测期间的平均Bowen比全天大于1,在白天都在10以上,最大超过100.     

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。     

Large-eddy Simulation of Turbulent Flow across a Forest Edge. Part II: Momentum and Turbulent Kinetic Energy Budgets

Momentum and turbulent kinetic energy (TKE) budgets across a forest edge have been investigated using large-eddy simulation (LES). Edge effects are observed in the rapid variation of a number of budget terms across this vegetation transition. The enhanced drag force at the forest edge is largely balanced by the pressure gradient force and by streamwise advection of upstream momentum, while vertical turbulent diffusion is relatively insignificant. For variance and TKE budgets, the most important processes at the forest edge are production due to the convergence (or divergence) of the mean flow, streamwise advection, pressure diffusion and enhanced dissipation by canopy drag. Turbulent diffusion, pressure redistribution and vertical shear production, which are characteristic processes in homogeneous canopy flow, are less important at the forest transition. We demonstrate that, in the equilibrated canopy flow, a substantial amount of TKE produced in the streamwise direction by the vertical shear of the mean flow is redistributed in the vertical direction by pressure fluctuations. This redistribution process occurs in the upper canopy layers. Part of the TKE in the vertical velocity component is transferred by turbulent and pressure diffusion to the lower canopy levels, where pressure redistribution takes place again and feeds TKE back to the streamwise direction. In this TKE cycle, the primary source terms are vertical shear production for streamwise velocity variance and pressure redistribution for vertical velocity variance. The evolution of these primary source terms downwind of the forest edge largely controls the adjustment rates of velocity variances.     

Model Simulations of the Boundary-Layer Evolution over an Arid Andes Valley

The boundary layer of the Elqui valley in the arid north of Chile exhibits several interesting phenomena, such as a very shallow convective boundary layer (CBL) during the day. In the morning, warming is observed in and above the CBL, while the humidity decreases in the CBL. At midday, in and above the CBL of the valley, the temperature stagnates. In the afternoon in the CBL the temperature decreases and humidity increases, although the latent heat flux is very low. Because the characteristic features of the valley atmosphere are hard to interpret from observations alone, model simulations were applied. The simulations indicate that all components of the budget equations, i.e. the turbulent flux divergences, advection via the sea breeze, the upvalley and upslope wind systems, as well as subsidence, contribute to the evolution of the valley atmosphere.     

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.     

江苏旱作农田水分盈亏量之计算

本文利用江苏省１９８０－１９９２年土壤湿度资料，根据土壤水分平衡原理，运用运筹学中的优化技术，结合本省的自然条件和作物生长实际情况，计算出有效降水量，下层水补给量，建立了旱地农田水盈亏的计算模式。     

HUBEX试验期间不同地面的能量收支研究

利用淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)的外场观测资料,对不同天气条件下(雨期、干期,有云、无云)、不同下垫面下(水体、稻田、旱田、森林)的能量收支进行了研究.结果表明:(1)对于能量收支日变化,水面和稻田基本为单峰结构,而旱田和森林则为两峰或多峰结构,这可能与地表粗糙度有关;(2)从水面到稻田、旱田、森林,其感热通量的日平均值是从小到大,而潜热通量则相反,这可能反映了下垫面含水量和地表粗糙度的差异所造成的感热通量和潜热通量的差异;(3)不同天气状况其能量收支各有其特点.     

Mechanisms governing the evolution of a long-lived northwest vortex that caused a series of disasters in Northwest China

西北涡是我国西北地区一类发生频率较高的中尺度涡旋,其所引发灾害的强度与西南低涡,高原涡相当,但相关研究却远远少于前两种涡旋.为了深化对西北涡的认识,本文利用水汽与环流收支对一次长生命史西北涡(其在西北地区引发了一系列暴雨过程,导致了严重的输电线路故障与城市内涝)进行了研究,发现,东海与渤海是此西北涡引发暴雨的主要水汽来...