北京“7.21”特大暴雨环流形势极端性客观分析

2012年7月21日(简称“7.21”),北京发生了自1951年以来最强的暴雨事件。利用倾斜旋转T模态主成分分析法和美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料,探讨了北京“7.21”特大暴雨的大尺度环流形势的极端性。结果表明,北京“7.21”暴雨日所属的大尺度环流型在1951—2012年夏季出现的频率为10.9%,而在“7.21”同类环流型中暴雨出现的概率为4.51%。和同类暴雨日平均场相比,“7.21”暴雨日当天西太平洋副热带高压西伸更强,北京地区对流层低空急流更强,并伴随环境大气中极端充沛的可降水量和较大的风垂直切变。在“7.21”同类环流型下的621 d中,“7.21”暴雨日北京南侧的低空急流排在第54位,北京局地风垂直切变排在第209位,可降水量排在第8位,显示出其在低空急流和可降水量上的极端性。1951—2012年夏季,具有“7.21”暴雨日同类环流形势、且925 hPa低空急流和可降水量均达到或超过“7.21”暴雨日值的个例有3次,相当于每21年发生一次。     

利用雷达回波自动识别锋线的方法

运用Matlab软件对冷锋过境的多普勒雷达径向速度进行模拟,运用合成切变估算方法,采用多普勒雷达获取的速度基数据资料,探讨了自动识别锋线的判据,并以动态链接库的方式进行了多普勒雷达锋线自动识别模块的工程设计。对2002年5月13日湖南省入汛后首场大范围暴雨过程进行自动识别处理,对比模拟结果表明该模块对此次过程中的锋线有较好的识别能力。     

通辽市一次久旱转雨天气过程诊断分析

应用常规天气资料、卫星云图及多普勒雷达产品资料,针对2009年4月18日夜间至21日白天通辽地区出现的一次久旱转雨天气过程,通过动力诊断分析和物理量诊断方法阐述了此次过程的环流成因,利用多普勒雷达反射率因子、径向速度、风廓线及回波高度产品,揭示了这次过程天气系统的回波特征。结果表明:这次过程分别是由低层暖湿切变及短波槽不断分裂南下加强后,与地面倒槽配合形成的低涡影响造成的。     

大地形上空地转基流中波动的传播和稳定性

研究表明，地形北坡上空东风基本气流中的重力惯性波最易出现不稳定发展，地形坡度大于１‰的地形南坡上空强西风气流中重力惯性波和地形罗斯贝波都是不稳定的。只有在西风气流中重力惯性波才会出现明显的相对基本气流的东、西传播现象。     

西北太平洋夏季风的变化对台风生成的影响

研究了西北太平洋夏季风特征及其季风槽结构对台风生成的影响。当西北太平洋季风槽增强并向东扩展使季风加强时,西北太平洋的风速垂直切变、高低空辐散风、湿度和海温等都对台风的生成产生有利的影响,台风数明显比季风槽弱时多。而且对台风生成的位置也有很大的影响,即季风槽强时,台风的生成位置偏东,季风槽弱时台风的位置偏西。这表明西北太平洋夏季风主要是通过季风槽活动影响台风的生成。而夏季风的强弱对台风也有影响,在西北太平洋夏季风的活跃阶段,西北太平洋夏季风强时,台风生成的比较多,夏季风中断时台风生成的比较少。西北太平洋夏季风通过季风的季节内振荡对西北太平洋台风也有显著的影响。季节内振荡对台风生成的影响主要以30—60 d振荡为主。在这种低频振荡对流活动的湿位相时期台风生成个数明显多,干位相时期台风生成的少。而且低频振荡的西风位相也有利于台风生成,在东风位相时生成的台风少。另外,还研究了多台风期西北太平洋夏季的特征(群发性),发现在这些时期,存在强的季风槽,弱的垂直切变与充足的水汽供应。这表明西北太平洋台风时空的群发性与夏季风活动的异常密切相关。     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

维向切变流中的非线性对称不稳定

讨论了维向切变流中的非线性对称不稳定问题。中采用绝热无粘的非线性对称扰动方程组，利用多尺度摄动方法分析其不稳定波动的有限振幅特性。研究结果表明：不稳定波的有限振幅在强度上呈现出振荡趋势。无论是超临界切变情况，还是次临界切变情况，对称扰动振幅都随时间呈现出周期性的变化，振荡周期的大小不仅与基本场稳定度参数及波的特性有关，而且还与初始扰动的振幅及其增长率有关。     

暖式切变暴雨前期云场若干特征

暖式切变是江西汛期引起强降水、暴雨的中、低层天气系统之一,它比冷式切变、低槽等系统较难追踪,提前出现的时间短,带有快速、突发的特征.研究它的前24小时、前12小时云场及天气形势特征对做好预报服务具有重要作用.本文根据近年来积累的一些典型暖式切变暴雨云图,论述它前期云场若干特征及与天气形势对应关系.