对流性强风暴系统的螺旋度动力学研究

利用风暴尺度的数值模式ＡＲＰＳ成功地模拟了１９７７年５月２０日在美国Ｏｋｌａｈｏｍａ州Ｄｅｌ Ｃｉｔｙ的一次强对流风暴过程。其模拟结果与实际的观测非常接近，模式积分 ４０分钟，初始对流单体发生了分裂，产生了新的对流单体。原有对流单体在原地维持成熟的结构，表现出较强的稳定性，而分裂出的新单体在移动过程中，逐渐向成熟位相发展，并且又分裂出新的单体。利用模拟结果，着重讨论了风暴发展过程中螺旋度和超螺旋度的空间结构和时间演变特征，以及在强风暴系统的对流发展过程中的动力学作用。初始环境场的螺旋性结构有利于风暴的发展。在风暴发展阶段，低螺旋度有利于大尺度向对流尺度的能量串级，而在风暴成熟阶段，高螺旋度则有利于对流单体的能量维持，从而形成长生命周期的对流系统。在风暴的发展过程中，风暴流场结构具有向Ｂｅｌｔｒａｍｉ流结构的调整趋势，螺旋度向高值发展。超螺旋度在流体粘性作用的影响下，可反映出螺旋度密度空间积分的时间变化趋势，负的超螺旋度可使螺旋度增加。在对流风暴发展阶段，超螺旋度为负值，对流单体的结构螺旋性增强、螺旋度的增大，在风暴到达成熟阶段后，超螺旋度转为正值。因此，超螺旋度可用来标志对流风暴系统的成熟程度。     

我国螺旋度的研究及应用

对自20世纪90年代以来至今国内关于螺旋度理论及应用研究工作进行了较系统地总结,将螺旋度归类为垂直螺旋度、水平螺旋度及完全螺旋度,同时又将垂直螺旋度划分为局地垂直螺旋度和积分垂直螺旋度,详细介绍并给出了每一类螺旋度的计算表达式以及其在天气诊断分析中的应用状况,对螺旋度的应用研究现状进行了简单地分析与讨论,最后展望了未来螺旋度研究与应用的发展方向。     

一次东风波及其诱生低涡发生发展的诊断和数值试验

利用NCEP 1x1再分析资料诊断2001年8月3~4日发生在浙南闽北的东风波及其诱生中尺度低涡的暴雨过程。根据螺旋度(Helicity)分析了过程中的暴雨演变以及雁荡山脉[1]诱生中尺度低涡发生发展的原因。同时,利用中尺度有限区域模式MM5V2对该东风波诱生中尺度低涡进行模拟。结果表明:螺旋度大值中心和锋区的强度和位置的演变较好反映了暴雨落区和中尺度低涡的诱生、移动。螺旋度的时空演变对暴雨发生有很好的预示意义,高、低层螺旋度的低层正值辐合与高层负值辐散的配置是引起降水的重要机制;螺旋度计算较中尺度模式诱生低涡的初生位置、路径预报准确率高,两者集成可以提高诱生低涡的预报准确率。     

Buoyancy-driven perturbations in a rapidly rotating,electrically conducting fluid: part II – dynamo action

The helicity, electromotive force and α-effect produced in a homogeneous, rapidly rotating, electrically conducting fluid by an isolated source of buoyancy at small Elsasser number are calculated, visualized and analyzed. Due to physical symmetries of the system, the integrals of helicity and electromotive force over all space are zero. However, each has a significant non-zero value when integrated over the cross section of the Taylor column. The local α-effect is found to be significantly anisotropic; it is strongest when the applied magnetic field is toroidal and the resulting EMF is parallel to the applied field.     

螺旋度在一次夏季强沙尘暴中的分析应用

在分析2005年7月16—17日甘肃省河西走廊区域性强沙尘暴发生的气候背景及环流特征的基础上,将Tudurf等1997年给出的相对地面螺旋度以及Davies Jonces等1990年给出的相对风暴螺旋度应用到对强沙尘暴的诊断分析当中。结果显示,利用温度平流与相对地面螺旋度之间的关系比较容易得出天气系统经过的区域螺旋度的值,但相对地面螺旋度的计算结果依赖于对天气系统的准确分析,尤其是水平温度梯度的判断;相对风暴螺旋度的强中心与发生沙尘暴的强中心有很好的对应关系。     

Magnetic Helicity in fast dynamos

The behaviour of magnetic helicity in kinematic dynamos at large magnetic Reynolds number is considered. Hughes, et al . [ Phys. Lett. A 223 , 167-172 (1996)] observe that the relative helicity tends to zero in the limit of large magnetic Reynolds number. This paper gives upper bounds on the helicity, by relating the helicity spectrum to the energy spectrum. These bounds are confirmed by numerical simulation and the distribution of helicity over scales is considered. Although it is found that the total helicity becomes small in the limit of high conductivity, there can remain significant, but cancelling, helicity at large and small scales of the field. This is illustrated by considering the evolution of helicity in the stretch-twist-fold dynamo picture.     

Modelling the Global Solar Corona II: Coronal Evolution and Filament Chirality Comparison

This paper considers the hemispheric pattern of solar filaments using newly developed simulations of the real photospheric and 3D coronal magnetic fields over a six-month period, on a global scale. The magnetic field direction in the simulation is compared directly with the chirality of observed filaments, at their observed locations. In our model the coronal field evolves through a continuous sequence of nonlinear force-free equilibria, in response to the changing photospheric boundary conditions and the emergence of new magnetic flux. In total 119 magnetic bipoles with properties matching observed active regions are inserted. These bipoles emerge twisted and inject magnetic helicity into the solar atmosphere. When we choose the sign of this active-region helicity to match that observed in each hemisphere, the model produces the correct chirality for up to 96% of filaments, including exceptions to the hemispheric pattern. If the emerging bipoles have zero helicity, or helicity of the opposite sign, then this percentage is much reduced. In addition, the simulation produces a higher proportion of filaments with the correct chirality after longer times. This indicates that a key element in the evolution of the coronal field is its long-term memory, and the build-up and transport of helicity from low to high latitudes over many months. It highlights the importance of continuous evolution of the coronal field, rather than independent extrapolations at different times. This has significant consequences for future modelling such as that related to the origin and development of coronal mass ejections.     

华南暖区一次暴雨中尺度系统的数值模拟

为深入了解华南暖区暴雨产生的机制, 首先利用观测资料和卫星云图对2005年5月9日华南暖区一次暴雨过程进行天气分析, 然后利用MM5V3.6数值模式对该次暴雨过程进行了模拟, 利用模拟的输出结果分析了中尺度系统的结构特征和成因。结果表明, 这次华南南部暖区的暴雨区出现在低空急流出口区左侧的辐合区与高空急流入口区右侧的辐散区相迭置的区域; 中尺度对流云团是暴雨的直接影响系统, 系统中心上空偏南气流强烈垂直上升与在系统以南对流层高层下沉的气流构成垂直闭合反环流, 低层气流风速辐合对暖区暴雨系统的形成和发展起决定性的作用。较大的螺旋度可能是暖区暴雨及其中尺度系统发生、 发展的一种重要机制, 可用来判断降水系统的形成和移动。     

2004年7月黄淮特大暴雨的天气动力学分析

利用NCEP 1°×1°的每6 h的再分析资料和计算的几个物理参数对2004年7月黄淮最强一次特大暴雨过程进行天气动力学诊断分析。结果表明:锋生函数的水平运动项对降雨锋形成作用最大,暴雨区上空对流层中下层和上层螺旋度呈“下正上负”的垂直结构,视热源Q1和视热汇Q2的局地变化项和平流变化项分布反位相,垂直输送项的作用引起Q1和Q2的异常,异常加热中心位于对流层中高层,是由对流降水产生的凝结潜热加热所致。锋生大值区、螺旋度正的大值区、Q1和Q2的强增温区与强降水区有很好的对应关系。     

2016年6月23日江苏阜宁龙卷的高分辨快速更新同化预报与分析1

基于3 km水平分辨率的第二代华东快速更新循环同化预报模式系统,对2016年6月23日江苏阜宁龙卷个例预报结果进行了分析,通过螺旋度的时间演变等讨论了龙卷母体—对流单体的发展过程,并对比了有无同化的预报结果。结果表明,快速更新循环同化系统在阜宁附近模拟出了类似龙卷母体的涡旋结构,同时伴随有剧烈的上升运动,模拟的发生时间与发展过程与实况基本吻合。但模拟的涡旋发生在江苏阜宁北侧,与观测相比偏差20多公里,且最大地面风速较实况小。进一步分析表明,该对流单体从中层上升运动开始,随着上升区向上和向下发展,首先在中高空出现剧烈的上升运动,z螺旋度增大,高层辐散加强,x螺旋度增大,随后中低空的垂直运动也增强,y螺旋度增大,低层辐合增强,最后随着高层辐散和垂直运动的减弱,低层涡旋减弱并消散。北京时间14:00没有进行观测资料同化预报结果中,在阜宁附近没有预报出类似的对流单体,表明逐小时循环同化对此次龙卷天气的模拟起着关键作用。