台风“摩羯”与“温比亚”环流中龙卷小尺度涡旋特征及可预警性分析

利用多普勒天气雷达探测资料,结合常规气象观测资料和天气实况及灾情调查,对2018年8月14日台风“摩羯”（1814）和8月19日台风“温比亚”（1818）产生龙卷的环境物理量及龙卷风暴强度结构特征进行了分析,对诱发龙卷和未诱发龙卷的小尺度气旋性涡旋特征进行了对比。结果表明：两次台风减弱低压东北象限是龙卷发生的关键区,低层高湿,强的低层垂直风切变和大的相对风暴螺旋度是关键物理量;龙卷出现时都伴有ΔV＞20.0 m·s-1的小尺度气旋性涡旋,且基本出现在2.0 km高度以下,但并不是所有这种低层小尺度气旋性涡旋都能诱发龙卷;以ΔV＞20.0 m·s-1为阈值,龙卷识别具有较高的命中率,识别准确率为31.8%,空报率为67.4%,漏报率为6.7%;约35.7%的龙卷没有识别时间提前量,半数龙卷几乎没有预警时间提前量。     

秋行夏令:2021年10月初北方致灾性持续暴雨及水汽极端性分析

2021年10月3—6日,我国北方地区经历了历史罕见的持续性极端强降水过程,暴雨中心稳定维持在陕西中部、山西、京津冀、辽宁等地南部和山东北部,给上述地区造成了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。基于台站观测降水、NCEP/NCAR和ERA5再分析资料诊断了本次降水过程的极端性。结果表明,本次暴雨过程无论是降水强度、持续时长还是经向水汽输送均表现出典型北方夏季暴雨和大气环流配置特征。上述五省二市区域平均的过程累计雨量强度远远超过秋季其他暴雨个例,即使在夏季也位列第二。本次过程的极端性与强降水中心稳定在上述地区密切相关。上述五省二市区域平均降水连续4日均超过15 mm,这在秋季历史上从未出现过。除过程的极端性强外,9月山西等地降水异常偏多对10月初秋涝也起到了叠加作用。本次秋涝对应的大气环流呈现出典型的北方夏季主雨季环流型,表现为西太平洋副热带高压（副高）偏西偏北,副高西侧的经向水汽输送异常强盛,同时10月4—6日北方地区发生一次强冷空气过程,冷暖气流交汇在上述地区。水汽收支计算表明,本次过程的经向水汽输送强度为秋季历史之最,甚至超过了盛夏时期北方大部分暴雨过程水汽输送强度。上述分析结果表明,即使在仲秋时节亦可产生有利于北方极端持续暴雨的环流形势和水汽输送,并导致秋涝发生。     

岬湾海岸中人工岛建设对岬角涡旋及海湾地形冲淤的影响——以海南岛铺前湾为例

岬湾海岸中一般在岬角的右侧与左侧（面向大海方向）分别发育顺时针与逆时针涡流。这些涡流的存在对泥沙输运、海底地形演变、污染物扩散等都具有重要影响。而在海洋中岛屿的存在将产生局部的岛后尾流。如岛屿与岬角距离较近,岛后尾流可能与岬角涡旋相互作用,反之则相互影响较小。本文以海南岛铺前湾为例,研究在岬湾海岸中湾口处的人工岛建设对湾内涡旋的影响,并进一步分析人工岛建设对整个海湾海底冲淤变化的效应。本项研究主要采用COAWST模型进行研究。结果表明,大潮期在海湾内发育大范围的顺时针涡旋,小潮期涡旋发育不明显,以东向余流为主。人工岛建设并未影响整个海湾的涡旋结构,但人工岛分隔了湾内顺时针涡旋,且在周围产生局部的逆时针与顺时针涡旋。海底冲淤变化的基本格局为湾内以淤积为主,人工岛建设加强了这种趋势,但在人工岛与岸线之间的狭窄通道内,海底出现冲刷。本项研究对岬湾海岸的科学开发管理具有一定意义。     

长条状粗颗粒在垂直管路中最小输送速度试验研究

随着陆地金属资源的日益枯竭,深海矿产资源已经成为各国的重要战略目标。在深海采矿过程中,海底锰结核的形状除了圆球状,还有长条状等,颗粒形状对固液两相流管道输送特性具有很大影响。基于固液两相流垂直管道提升输送试验系统,探究不同工况下长条状颗粒在垂直上升流中最小输送速度的变化规律及特性,并得到了长条状群体颗粒最小输送速度计算公式。结果表明:长条状颗粒在垂直管道中上升过程中,颗粒中心轴与输送方向趋向于垂直,使颗粒在管道截面的投影面积最大化;长条状单颗粒的最小输送速度随着颗粒长径比增大而减小;在不同长径比工况下,随着管段颗粒平均浓度减小,长条状群体颗粒的最小输送速度均增大,且随着长径比增大,群最小输送速度减小。     

闪电产生氮氧化物(LNOX)及其输送过程的模式计算

利用三维强风暴动力电耦合模式,模拟分析了一次雷暴过程中放电活动特征及平流和湍流对LNOX的输送特征。结果表明,在中部负电荷区域的上边缘,对应上升气流区外围、水平流场中心部位的区域,因为放电传输距离较长,所以强放电区主要落在这些部位,且向上传输。在负电荷中心区也有少数放电点,但传输距离较短。闪电产生的氮氧化物逸出闪道后,被云中平流和湍流输送,最后在弱流场区域内形成LNOX浓度中心,峰值达9×10-9。LNOX的输送主要以平流为主,但在云底层及雷暴消散阶段,湍流输送也起重要作用。在雷暴云消亡期,LNOX的峰值为2.7×10-9,比晴天值大1个量级。     

2020年JRA55、ERA5大气驱动场和潮汐对黑潮热输送能力影响的数值模拟研究

利用妈祖·海流海洋数值模式（MaCOM）构建了一个水平分辨率为1/48°的西太平洋数值模拟系统,使用该系统开展了3个数值模拟敏感性试验,分析了有无潮汐、更换大气驱动场对黑潮流系上7个关键断面热输送数值模拟能力的影响。分析结果表明潮汐对于黑潮热输运的影响力约是更换大气强迫场的两倍。台风对所经过的黑潮断面热输运能力有显著的影响,但仅局限于中心附近海域和台风经过期间,未发现类似近惯性振荡波在时空上的延续。在高纬和浅海区域,体积输运的演变规律和热输运之间存在一定差异,热输运的季节变化略平缓。MaCOM模拟的黑潮主流热输运年均值与季节变化趋势和再分析数据以及前人的研究基本一致。     

1961—2016年中国西北地区陆地水分收支的年代际变化特征

利用观测气象数据集（CN05.1）、地表水文数据集（VIC-CN05.1）以及大气再分析数据（JRA55）分析了我国西北地区1961-2016年暖季（5-9月）陆地水分收支的长期和年代际变化特征。通过对陆地水分收支（Land Water Availability,LWA）时间序列作Mann-Kendall突变检验,将1961-2016年划分为3个时段进行进一步分析（P1：1961-1978年;P2：1979-2008年;P3：2009-2016年）。主要结论如下：在1961-2016年间西北地区LWA呈上升趋势,区域平均的LWA时间序列具有明显的年代际特征。三个时段的LWA距平百分率分别为-5.45%、-0.46%和13.99%,总体表现为"减少-不变-增加"的特征,尤其是近些年地表水资源增加明显。三个时段的LWA距平百分率空间分布差异显著,尤其在新疆中部、甘肃东部和陕西。西北地区总体上水汽通量输送和垂直速度与降水年代际变化特征基本一致,且区域特征明显。西北地区蒸发受降水、向下长波辐射通量和风速变化影响显著。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

热带外太平洋通过海洋过程对热带太平洋的影响

利用MOM2海洋环流模式分别研究了年际和年代际尺度上热带外太平洋通过海洋过程对热带太平洋的影响.利用1945~1993年COADS资料的表面通量强迫海洋模式,积分46 a作为模式控制试验.取热带外太平洋海表面强迫为气候值做敏感性试验.将控制试验结果减去敏感性结果就可以得到热带外太平洋通过海洋过程对热带太平洋的影响.结果表明,年际尺度上,主要是海洋波动过程起作用,但总的海洋过程的影响较小.年代际尺度上,主要是副热带环流输送起作用,其中包括平均环流输送的温度异常以及异常环流输送的平均温度,并且后者贡献相对较大.年际和年代际尺度上,热带太平洋的温度异常主要发生在密度跃层附近.研究发现热带外南太平洋对热带和热带外太平洋之间的水量交换有影响,而热带外北太平洋的影响较弱.     

Properties and stability of a meso-scale line-form disturbance

By using the 3D dynamic equations for small- and meso-scale disturbances, an investigation is performed on the heterotropic instability (including symmetric instability and traversal-type instability) of a zonal line-like disturbance moving at any angle with respect to basic flow, arriving at the following results: (1) with linear shear available, the heterotropic instability of the disturbance will occur only when flow shearing happens in the direction of the line-like disturbance movement or in the direction perpendicular to the disturbance movement, with the heterotropic instability showing the instability of the internal inertial gravity wave; (2) in the presence of second-order non-linear shear, the disturbance of the heterotropic instability includes internal inertial gravity and vortex Rossby waves. For the zonal line-form disturbance under study, the vortex Rossby wave has its source in the second-order shear of meridional basic wind speed in the flow and propagates unidirectionally with respect to the meridional basic flow. As a mesoscale heterotropic instable disturbance, the vortex Rossby wave has its origin from the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance and is independent of the condition in the direction parallel to the flow; (3) for general zonal line-like disturbances, if the second-order shear happens in the meridional wind speed, i.e., the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance, then the heterotropic instability of the disturbance is likely to be the instability of a mixed Rossby–internal inertial gravity wave; (4) the symmetric instability is actually the instability of the internal inertial gravity wave. The second-order shear in the flow represents an instable factor for a symmetric-type disturbance; (5) the instability of a traversal-type disturbance is the instability of the internal inertial gravity wave when the basic flow is constant or only linearly sheared. With a second or nonlinear vertical shear of the basic flow taken into account, the instability of a traversal-type disturbance may be the instability of a mixed vortex Rossby – gravity wave.