涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅱ:广义倾斜涡度发展

从位涡-位温(PV-θ)以及拉格朗日观点,引入广义倾斜涡度发展的概念研究绝热条件下的垂直涡度发展。广义倾斜涡度发展是一个与涡度发展的坐标无关的概念框架,该框架包括倾斜涡度发展。倾斜涡度发展研究当大气处于稳定或不稳定层结情形,空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程垂直涡度激烈发展。因此,倾斜涡度发展是研究强烈天气过程的涡度发展非常强的情形。此外,广义倾斜涡度发展概念澄清了涡度发展和倾斜涡度发展的区别,涡度发展和倾斜涡度发展的判别标准表明,倾斜涡度发展的要求比涡度发展的要求严格很多。在空气质点沿着向上凸的陡峭等熵面下滑或沿着向下凹的陡峭等熵面上滑过程,当在稳定大气中静力稳定度(θ_z)迅速减小或在不稳定大气中静力稳定度(θ_z)迅速增大,即静力稳定度(θ_z)趋于0时,如果C_D<0,那么垂直涡度将急速发展。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬的一次青藏高原低涡过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑出青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。诊断表明,2008年7月22日00—06时(世界时)青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时低涡加强发展,PV_2变化对低涡加强发展有贡献,因为此时的水平涡度(η_s)变化和斜压度(θ_s)变化都对垂直涡度发展起正贡献。而且,22日06时,330 K等熵面的倾斜涡度发展判据满足,表明倾斜涡度发展并对垂直涡度发展起重要贡献。围绕着低涡中心较强的涡度发展和倾斜涡度发展信号表明,广义倾斜涡度发展概念框架可以作为诊断天气过程的一个有用工具。

水平涡度与夏季风环流变化

在斜压涡度发展理论的基础上,讨论了大尺度大气运动中水平涡度向垂直涡度转化的情况,并用以刻划夏季风变动。将p坐标中涡度方程的有关项在z坐标中分离出水平涡度向垂直涡度转化的主要项,经尺度分析得出,在对流层中、高层,这些转化项中的水平分量是大尺度大气斜压性涡度发展的主要因子。通过对1998年4—8月的GAME(GEWEXAsianMonsoonExperiment,全球能量和水分循环试验(GEWEX)的子试验:亚洲季风试验,简称GAME)再分析资料进行实际计算发现,转化项在东亚夏季风上升支的600hPa及以上层次对p坐标垂直涡度的局地变化贡献很大,不能忽略。同时发现水平涡度向垂直涡度的转化对南海季风爆发和江淮梅雨入梅及其发展过程均有指示性意义。南海季风爆发以后,在中国东南部地区,转化项的大小与夏季风的活跃和中断等活动吻合,转化项的变化反映了西太平洋副高在中国大陆的活动规律。

高塔涡度相关观测长三角农业区CO_(2)通量变化特征及影响因素

人类活动对景观尺度农业下垫面的CO_(2)收支有着不可忽视的影响,明确在人类活动影响下景观尺度农业区CO_(2)通量的变化特征及影响因素对增汇减排策略的制定具有重要的意义。使用高塔涡度相关法对长三角地区一处农业区CO_(2)通量开展连续观测以明确其源汇特征及影响因子。结果表明:该农业区CO_(2)通量在春夏秋季表现为白天吸收CO_(2),夜间排放CO_(2)的日变化动态,三个季节CO_(2)通量的变化范围分别为-0.15—0.14、-0.60—0.28、-0.21—0.19 mg m^(-2)s^(-1),冬季则表现为全天排放CO_(2),日变化范围为0—0.14 mg m^(-2)s^(-1)。每年的6—11月CO_(2)吸收明显,其余时间段以排放为主,吸收峰值和排放峰值分别出现在每年的8月和11月,多年均值分别为-0.14、0.08 mg m^(-2)s^(-1)。研究区2019—2021年表现为一个逐年上升的大气碳源,CO_(2)通量年总量均值为(142.73±99.01)gC m^(-2)a^(-1)。在半小时尺度上光量子通量密度(PPFD)、10 cm处土壤温度(Ts)以及饱和水汽压差是影响CO_(2)收支的关键环境要素,日尺度上PPFD、Ts是主要控制因子,月尺度上,Ts是最为重要的影响因素,同时降雨量以及归一化植被指数也影响着CO_(2)通量。经人为CO_(2)开源数据清单得到的通量塔15 km范围内人为CO_(2)排放量为(429.7±30.01)gC m^(-2)a^(-1),抵消了该农业区稻田、森林等自然生态系统的碳汇作用。

胶东地区玲珑双向变质核杂岩的均衡隆升:运动学涡度的指示

在胶东半岛西北部,围绕着玲珑岩基所发育的早白垩世伸展构造,属于独特的双向变质核杂岩。这一变质核杂岩的东、西边界上,分别发育了倾斜相背的招平与焦家伸展拆离剪切带。双向变质核杂岩的剥露是否也有均衡隆升的贡献,一直没有明确的认识。本次工作以采自这两条边界拆离剪切带不同部位的糜棱岩样品为分析对象,分别应用刚性残斑长短轴比值法(具体又分别使用了Wallis投图法和刚性颗粒网格法)和石英c轴组构与主应变比值法对同一样品进行了运动学涡度测量。对于招平拆离剪切带,应用刚性残斑长短轴比值法获得的涡度值为0.57~0.73,而应用石英c轴组构与主应变比值法获得的涡度值为0.80~0.93。对于焦家剪切带,应用刚性残斑长短轴比值法获得的涡度值为0.58~0.74,而应用石英c轴组构与主应变比值法获得的涡度值为0.79~0.93。对于剪切带的同一样品,这两种测量方法给出的结果明显不同。应用刚性残斑长短轴比值法数据所获得这两条剪切带的减薄率,也明显高于应用石英c轴组构与主应变比值法数据的计算结果。理论分析与实例表明,刚性残斑长短轴比值法所获得的涡度值代表了剪切带的早期变形,而石英c轴组构与主应变比值法所得结果指示了晚期变形。由此表明,玲珑双向变质核杂岩边界拆离剪切带演化中,伴随着纯剪组分的明显降低,指示了剪切带产状的变陡,为均衡隆升的结果。均衡隆升发生在核杂岩演化的晚阶段,是早白垩世郭家岭期同构造花岗闪长岩侵位的响应。本文结果指示,双向与不对称变质核杂岩具有相似的演化规律,都经历过晚阶段均衡隆升,对中—下地壳的剥露具有重要的贡献。

海洋背景涡度对台风康森引起的近惯性波的影响研究

近惯性波是海洋中普遍存在的一种内波,它在海洋中的传播和耗散受到背景涡度的影响。基于混合坐标海洋模型(hybrid coordinate ocean model,HYCOM)再分析数据,研究了海洋背景正、负涡度对台风康森在南海引起的近惯性波的不同影响。结果表明:负涡度能捕捉并促进近惯性能量向海洋深层的传播,可传播到1200 m以深;而正涡度则阻碍近惯性能量的下传,使其主要集中在海洋上层500 m以内。负涡度区域能维持较强的近惯性能量10 d以上,而正涡度区域内的近惯性能量维持时间在1周左右。负涡度区域内的近惯性波由第二和第三模态主导,而正涡度区域内的近惯性波由第一和第二模态主导,导致海洋内部(500~1000 m)负涡度区域内的近惯性波剪切比正涡度区域内的近惯性波剪切强1~2个量级。波射线模型模拟结果显示,近惯性波在负涡度区域边缘发生反射,进而被负涡度区域捕获;而正涡度区域内的近惯性波有加速远离源地的趋势。上述结果进一步说明,海洋背景负涡度能增强近惯性能量的垂向传播,而正涡度则促进了近惯性能量的水平传播。

基于涡度相关法的不同生态系统碳通量研究进展

农田生态系统是一个受到人类活动影响最大的系统,其碳源/汇评估一直是全球碳循环领域的研究热点;湿地是一种集水陆两大特性于一体的生态系统,其在维护生物多样性、减少温室效应、提供水资源、观光与旅游等方面起着举足轻重的作用;森林生态系统是全球碳循环的关键环节。本文综述了以涡度相关法为手段对各个生态系统碳通量的研究进展,为涡度相关法与各个生态系统碳通量研究提供参考。

一次温带气旋涡度场演变特征及气旋发生发展机制分析

气旋是涡旋运动,因此相对涡度(以下简称涡度)是确切表征气旋中心位置和强度的物理量,分析气旋发生发展过程就是分析涡度的变化机理。文中采用1000 hPa地转风涡度表征地面气旋,利用常规地面观测、6 h一次的NCEP 1°×1°再分析场等资料,对2014年6月一次具有螺旋式回转路径的北方温带气旋过程进行了诊断分析。利用Petterssen地面气旋发展公式,再结合300 hPa涡度平流、散度场与850 hPa热力场的配置关系,考察了对流层中低层温度平流、500 hPa涡度平流以及300 hPa涡度平流引起的辐散对地面气旋发展的贡献。结果表明:(1)这次气旋过程中500、300 hPa存在两个正涡度区及涡度中心的替换:即在地面气旋发生发展阶段,第一个涡度中心为主要的涡度中心;在气旋减弱阶段,第二个涡度中心成为主要的涡度中心。(2)地面和高空涡度中心均以逆时针螺旋式路径移动。在地面气旋初生和发展阶段,高低层涡度中心及正涡度区呈后倾结构;当高低层涡度中心及正涡度区几乎垂直重合时,地面气旋停止发展。(3)温度平流项在气旋初生阶段起主要作用;500 hPa涡度平流决定了地面气旋的发展。(4)当300 hPa正涡度平流引起的辐散区叠加在对流层低层850 hPa斜压锋区上时,地面气旋发展。

基于.NET的涡度与梯度数据传输系统建设

基于.NET平台开发的桌面应用程序,结合C#语言和Visual Studio 2019开发环境,共同设计和实现了面向茂名涡度与梯度数据传输系统,该系统通过利用“管道”式的数据传输完成数据源的整合而生成一个新文件;同时利用FTP技术实现文件上传,多种控件辅助完成文件上传服务器和监控上传状态,进而提高软件的实用性。

全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展

文中证明了不仅包括动力因子，而且包括热力因子、摩擦耗散及非绝热加热作用的和可用于三维空间的全型垂直涡度倾向方程。证明经典的、平面上的涡度方程只是它的特例。并且用该全型涡度方程严格证明了倾斜涡度发展（ＳＶＤ）理论。沿着倾斜等熵面下滑的气块，当热力参数ＣＤ减小时，其垂直涡度将发展。最后通过用θ坐标模式模拟一次西南低涡的形成，证明ＳＶＤ引起的涡度发展要比传统所考虑的辐合项的贡献大一个量级。

华东地区强对流降水过程湿斜压涡度的诊断分析

湿斜压涡度(Moist Baroclinic Vorticity,MBV)、湿热力斜压涡度(Moist Thermodynamic Baroclinic Vorticity,MTBV)及湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)是能够完整表征涡度三维信息的物理量,其中MBV代表切变风对湿比容的平流输送作用,MTBV反映了垂直气压梯度、对流稳定度、风垂直切变与湿比容水平梯度之间的耦合效应。本文利用这些物理量对2009年8月17日发生在华东地区的一次强对流降水过程进行了诊断分析。该过程是在高空急流、中层浅槽和低空切变线的密切配合下产生的,共经历了"团状结构—带状结构—团状结构"三个发展阶段。诊断结果表明,MPV、MBV和MTBV的异常值区与降水落区有较好的对应关系;随着强对流降水的发展演变,MPV、MBV和MTBV都产生了相应的变化,MPV、MBV和MTBV对降水和对流系统有追踪指示意义。相对而言,在反映降水强度变化方面,MBV和MTBV比MPV更具优势。

对流涡度矢量在暴雨诊断分析中的应用研究

位涡在诊断分析中是一个常用且有效的物理量,但在深对流系统中由于湿等熵面的倾斜变得较弱。因此,本文利用高守亭等(2004)提出的新矢量——对流涡度矢量(简称CVV)来研究深对流系统,并用对流涡度矢量诊断华北一次大范围的大到暴雨天气过程。结果表明,CVV垂直分量在中纬度对流性暴雨中有很好的指示性,它的高值区与云中水凝物和地面降水有较好的对应关系,暴雨区位于CVV垂直分量高值区附近及其北侧的梯度大值区内。CVV垂直分量是与云相联系的参数,暴雨区垂直积分和区域平均的CVV垂直分量和云中水凝物混合比的相关系数为0.92,与降水率的相关系数为0.71,比湿位涡与云中水凝物的相关系数高很多。CVV垂直分量反映了水平涡度和水平相当位温梯度的相互作用,可以把中纬度深对流系统中的中尺度动力过程和热力过程与云微物理过程密切联系起来,有助于理解环流和云相互作用促使对流发展的机制,可以很好地追踪暴雨系统的发展和演变。

广义涡度与位势涡度守恒定律及其应用

在文中推得了广义涡度守恒定律,并利用此定律在一般情况下求得了广义位势涡度定律。它放宽了最初Ertel的位势涡度定律的限制条件。并对涡度拟能、螺旋性守恒定律的物理意义作了讨论,这些定律能够描述大气运动的重要动力学性质。

鄂霍茨克海阻高发展过程的正斜压涡度和涡度拟能的演变特征

用正斜压分解法 ,对 1 998年发生在鄂霍茨克海的阻高进行涡度和涡度拟能分析 ,结果发现 :在阻高的不同阶段 ,正压涡度和正压涡度拟能远大于斜压涡度和斜压涡度拟能且在不同的阶段有着不同的演变过程 ;在阻塞的酝酿阶段正压和斜压涡度和涡度拟能不稳定增长 ,且向西南传播 ;在维持阶段 ,正压和斜压涡度和涡度拟能的增长达到最大值 ,阻塞形势建立并维持在阻塞区域内 ;在消亡阶段 ,正压涡度和涡度拟能与斜压涡度和涡度拟能则呈现出不稳定减少 ,向东南传播 ,阻塞崩溃 ,然后又增长。

对流涡度矢量和湿涡度矢量在暴雨诊断分析中的应用研究

利用对流涡度矢量(CVV,(ζa×θe)/ρ)和湿涡度矢量(MVV,(ζa×qv)/ρ)对华北地区一次大范围的大到暴雨天气过程进行了诊断研究。结果表明,CVV和MVV垂直分量与云和降水密切相关,暴雨区区域平均和垂直积分的CVV和MVV垂直分量与云中水凝物混合比的相关系数分别为0.92和0.95,与降水率的相关系数分别为0.71和0.47。云中水凝物分为液态水凝物和固态水凝物,虽然固态水凝物的含量相对较少,但它在云的变化中起着更重要的作用。滞后相关分析表明,降水率的峰值到来之前4—5 h云中水凝物含量最少,降水率的峰值到来之后1—2 h,云中水凝物含量最多。云中水凝物与降水率的滞后相关系数主要是由液态水凝物与降水率的滞后相关系数决定的,只有约1/4的滞后相关系数是由固态水凝物与降水率的滞后相关系数贡献的。CVV和MVV的垂直分量与云中水凝物具有非常好的相关性(同时及滞后),与降水率的相关也较好,可以代表云和对流系统的发展。CVV和MVV垂直分量的局地变化超前降水率3 h左右,可以作为降水发生的先兆,对降水的预报有潜在的意义。CVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数大于MVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数,因此在实际预报中可以利用CVV垂直分量的局地变化来估计未来降水的变化。

全型垂直涡度倾向方程的另一导出形式

地球大气运动同时满足牛顿第二定律与热力学第一定律,利用大气动力与热力方程对热力与动力变量的联系,直接将变形处理后的大气运动方程(涡度方程)与热力学方程结合起来,导出了显式包含热力与动力作用的全型垂直涡度倾向方程。

全型涡度方程和经典涡度方程比较

在简要回顾经典涡度方程和全型涡度方程推导的基础上 ,比较了两种涡度方程的异同。集中讨论全型涡度方程新的物理内涵 ,证明了与稳定度和斜压性变化 (锋生、锋消过程 )相联系的内部强迫以及与摩擦耗散和非绝热加热相联系的外部强迫所诱发的涡度发展的机制。最后 ,指出了全型涡度方程的天气和气候应用前景。

垂直涡度方程的比较分析

通过对经典垂直涡度方程、全型垂直涡度方程、新型垂直涡度方程之对比分析,发现由位涡方程出发导出的全型垂直涡度方程存在着不足:(1)在θz=θz=0的中性层结情况下,方程不适用;(2)在一般情况下,全型垂直涡度方程不能准确反映力管项-α×p作用对垂直涡度变化的影响;(3)全型垂直涡度方程高估了倾斜涡度强迫对垂直涡度发展的作用.

正、斜压涡度拟能相互作用所激发的乌拉尔山阻塞过程研究

正压涡度拟能的增强和减弱是乌拉尔山上空阻塞过程的重要特征,正压涡度拟能增强的主要机制是斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换,而斜压涡度拟能的来源则是阻塞区外斜压涡度拟能向阻塞区的净输送和阻塞区内斜压涡度拟能的净生成。正压涡度拟能减弱的主要机制是耗散机制和β效应。因此,阻塞过程是正、斜压涡度拟能相互作用的结果。

应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展

准确测定地表蒸发蒸腾量对于研究土壤-作物-大气系统内水循环及水资源优化管理等意义重大。测量蒸发蒸腾量的方法较多,但涡度相关法被公认为标准方法。本文简要回顾了涡度相关技术的发展历程与基本原理,概述了其优缺点,着重总结了耗水监测方面的重要成果,并从观测系统升级﹑方法改进及数据的空间拓展等方面探讨了今后的研究重点。

一次陇东大暴雨的锋生过程及倾斜涡度发展

利用探空、地面加密自动气象站、卫星云图、天气雷达和ECMWF(ERA-interim)0.25°×0.25°再分析资料,从大气环流、云图和雷达回波特征、锋生及倾斜涡度发展等方面对2013年6月20日发生在甘肃陇东地区的大暴雨天气进行了诊断分析。结果表明:高原东北侧低空切变线、副热带高压及冷空气相互作用下,干冷空气和暖湿空气在中低空交汇产生强锋生,使切变线上垂直涡度、辐合快速发展,触发不稳定能量释放产生强对流,导致大暴雨发生。暴雨出现在TBB<-52℃的强对流云带中,雨强随着冷空气的向南侵入和渗透,由北向南在陇东地区逐步增强,进入四川后开始减弱。雷达强回波区高度<5 km,在0℃层以下具有低质心、暖云高效降水回波的特征。降水回波为南北带状,自南向北移动,不断影响同一地区,具有明显的"列车效应"。锋生强度与切变线强度及暴雨强度的增强、维持和减弱变化基本一致。分析锋生函数表明,在暴雨增强阶段,散度项锋生和形变项锋生起主要作用,形变项锋生作用更显著,倾斜项锋生作用相对较小;在暴雨持续阶段,散度项锋生和形变项锋生作用旗鼓相当,倾斜项起锋消作用。通过全型垂直涡度方程建立垂直涡度变化与锋生的直接联系,从而诊断锋生对天气系统强度的作用。锋生使得湿等熵面倾斜,在锋区前侧产生显著的正垂直涡度变化,切变线得到快速发展。