全球中尺度涡旋分裂合并现象的特征统计研究

中尺度涡旋分裂与合并过程等涡旋之间相互作用的研究是海洋学研究的热点。本文以Eddy Graph方法为基础,基于海表面高度异常数据,利用高效率并行计算方法,构建全球中尺度涡旋分裂与合并追踪数据集(Global Eddy Graphs, DOI:10.12237/casearth.63369940819aec34df2674d8)。基于此数据集,本文开展了对全球涡旋分裂合并统计特征的研究。研究表明,在涡旋的生命周期中,分裂与合并现象普遍存在。将分裂与合并纳入涡旋追踪过程,能够将几条简单线性的涡旋轨迹连接在一起,找出涡旋真正的起止点与生命周期,具体表现为起点聚集在大洋海盆东岸,终点聚集在大洋海盆西岸;长寿命涡旋占比与平均寿命均有提高。此外,本文还对涡旋分裂合并典型事件进行筛选与统计,对分裂合并过程中涡旋内部的海表面温度和海表面盐度进行归一化与复合平均,探究了涡旋分裂与合并现象对海表面温度与海表面盐度的影响。

一次华北极端降雪天气过程的中尺度涡旋特征

利用ERA5逐小时再分析数据和实况观测资料,对2020年2月13—14日华北极端雨雪天气过程中的中尺度涡旋进行特征分析,并采用相对涡度的环流积分变化方程对中尺度涡旋的发展机制进行诊断。结果表明:中尺度涡旋活动区域(简称涡旋区)的平均涡度垂直廓线呈“S”型分布,正负涡度极值分别位于800 hPa及400 hPa。涡旋区内800 hPa正涡度强度与上升运动大值区一致。900~700 hPa平均涡度强度与平原地区降水强度同相位变化,涡旋强度的峰值较降水强度峰值早约2 h,二者相关系数为0.76,说明低层涡度强度对降雪预报具有指示性。从涡旋发展的动力机制来看,涡旋区800 hPa以下正涡度主要源自水平风辐合;800~700 hPa上升运动与风随高度顺转对涡度的贡献更大。对比无中尺度涡旋的降雪过程(2019年2月14日),涡旋区内垂直方向涡度无“S”型结构,且中低层涡度较弱,北京降雪量明显偏小。涡旋区是否存在中尺度涡旋发展,对北京冬季降雪量级和极端性的预报有指示意义。

基于PredRNN++模型对南海中尺度涡旋的预测研究

基于26年的海表面高度异常、海表面风速异常、海表面温度异常资料,利用时空序列预测模型PredRNN++,本文预报1~28d时效的南海中尺度涡旋轨迹和南海西部偶极子活动。结果表明,PredRNN++模型能从整体上考虑整个南海区域时空演变特征和环境风场、温度场的作用,在短期(1~2周)、中期(3~4周)预报上具有良好的性能。该模型具备一定预报涡旋产生、消亡的能力,且能将涡旋轨迹4周预报误差控制在42.1km,对于生命时长小于100d的涡旋生命中期的位置、振幅预报误差小。此外模型在8—11月份的月平均、4天平均下的任意时间点和任意预报时效下均能较好地追踪到偶极子结构的演变、强度变化,偶极子涡旋相关属性预报误差最小且存在年际、类型差异,2017年涡旋1~4周振幅位置、预报、半径误差最小,分别为40~60km、3~5cm、20~40km,且气旋涡位置预报效果优于反气旋涡。

中尺度涡旋客观识别与三维追踪的新方法及其效果评估

中尺度涡旋是引发强降水等一系列气象灾害的重要天气系统之一,中尺度涡旋识别是对其进行研究的重要基础。目前,如何客观准确地识别中尺度涡旋并对其进行较全面的评估仍是一项充满挑战的任务。本文从我国中尺度涡旋的基本特征出发,提出了一种基于风场和相对涡度场的涡旋识别标准并发展了适用于高分辨率格点数据的中尺度涡旋客观识别算法。该算法能准确识别出中尺度气旋性环流并定位涡旋中心,较现有常规中尺度涡旋识别方法而言,具有误判率低、定位精度高等特点。本文将该客观识别算法应用于长江流域频发的3类中尺度涡旋(高原涡、西南涡、大别山涡)的识别中,结果表明对于不同时间段、不同分辨率的再分析资料(逐6小时的0.5°×0.5°NCEP CFSR再分析资料、逐小时的0.25°×0.25°ERA5再分析资料),本识别算法对3类中尺度涡旋均有较好的识别效果。本文基于1979~2020年共42年暖季(5~9月)大别山涡的数据集(共计36357时次)对新发展的中尺度涡旋客观识别算法进行了定量评估,结果表明本算法能够长期稳定地识别涡旋,42年的平均命中率为95.5%。此外,本文提出了涡旋连续性判定和三维追踪方案,较现有常规中尺度涡旋追踪方法具有显著优势。

2019年8月16日沈阳极端降水事件的低空γ中尺度涡旋观测特征和机理分析

2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋的强对流系统影响,发生了1951年有观测记录以来的最大小时降水(102 mm)。为了提高对此类涡旋所致强降水天气的认识和预报能力,综合利用多源观测和ERA5再分析资料,对此次过程中低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因和对强降水的影响机制开展研究。此次过程期间,500 hPa沈阳位于东北冷涡东南侧,850 hPa以下低空位于“利奇马”台风残涡西侧的偏北气流水汽输送带内,16日午后沈阳市区具有低层大气气温廓线接近干绝热递减率、较低抬升凝结高度和逐渐加强的风垂直切变等环境条件特征;风廓线雷达资料显示降水前0—6 km风矢量差最大达17 m/s,有利于较浅薄中尺度涡旋对发生。16时前后,沈阳市区内γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴,随后有对流风暴群移入沈阳,在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并风暴在初期产生强降水后,回波顶降低、降水强度减小,低空出现了生命期约30 min的γ中尺度涡旋对,更是出现罕见的具有辐合特征的反气旋式涡旋加强的现象,伴有低空涡旋的风暴再次加强并导致后期更强的降水。相比中国中气旋统计特征,本次低空浅薄涡旋生命期较短、尺度小、移速慢,产生了非常强的垂直涡度,但涡旋厚度小于中气旋。涡旋出现后所有5 min降水量超过10 mm的自动气象站均出现在中尺度涡旋对之间的区域,更是导致了自从1951年沈阳有观测记录以来的最大小时降水量。涡旋的旋转强度、伸展高度以及两个涡旋之间的距离表征了强降水的强度和范围。本次过程中的合并风暴具有暖云低质心回波特征,前期局地风暴降水使得近地面空气湿度升高、减弱了蒸发作用,使得后期降水具有更高效率,配合低空涡旋在近地面形成上升气流同时促进雨滴增长和碰并过程,进而增强雨强;强烈旋转的涡旋造成近地面强上升气流,有利于风暴再次发展,进而使得降水持续更长时间。低空反气旋式涡旋生成加强的原因是:冷涡风暴低空准线状的出流边界形成由北指向南的水平涡管,在降水初期下沉气流向下的扭曲作用下,近地面生成初始涡旋对;由于环境风切变矢量随高度逆时针旋转,更有利于反气旋式涡旋加强,合并后风暴内的强上升气流的拉伸作用也进一步加强了反气旋。最后给出了本次低空γ中尺度涡旋的形成机制和导致暴雨的物理模型。

广州“5·22”致灾特大暴雨的多源资料分析——从天气尺度背景到γ-中尺度涡旋

为提高对季风海岸极端降水成因机制的认识,利用分钟-公里级分辨率资料,采用双偏振雷达定量降水估计和定量识别中涡旋(MV)的方法,分析2020年5月21日夜间至22日清晨珠三角地区致灾特大暴雨的多尺度特征与机制。结果表明:该事件8 h累积降水最大397 mm,48站次录得>75 mm/h极端小时降雨(EXHP);在天气尺度低空切变线及其南侧强劲的暖湿西南气流影响下,强降水对流的入流空气的CAPE约3000 J/kg,CIN不超过10 J/kg,LCL约300 m,可降水量超过70 mm;降水产生的弱偏北气流和来自热带洋面的偏南气流对峙,形成准静止的中尺度锋区,其抬升作用使对流得以维持;6个低层MV与EXHP伴随,MV强度弱,主要出现在地面中尺度切变线附近,弱冷池的南缘、近地面辐合中心,大多数时刻MV跟逐6 min累积雨量的大值没有空间相关。

冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构，海洋中尺度涡旋的演变（时间上的生消和空间上的迁移）是南海环流季节调整的可能方式．文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实，采用一个改进了涡分辨（ｅｄｄｙ－ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ）普林斯顿海洋模式（ＰＯＭ），对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究，初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史．计算结果表明，在实际的气候冬季风应力驱动下，具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋．文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构．由此可以得知，在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段，上述动力学因子的重要性是相对的．不同的敏感性试验表明，斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子；边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素．

长江下游梅汛期中尺度涡旋特征分析

利用2006～2009年日本再分析资料对长江下游地区梅汛期间(5～7月)边界层内中尺度涡旋进行普查,并分类统计分析了边界层内中尺度涡旋与暴雨、低空急流的关系。研究结果表明:每年的5～7月该地区经常在对流层低层或(和)边界层内出现中尺度扰动涡旋,根据中尺度涡旋最初生成的高度不同,可划分为边界层中尺度涡旋、对流层低层中尺度涡旋和对流层低层—边界层中尺度涡旋三类。边界层中尺度涡旋中与暴雨有密切关系的中尺度涡旋称为边界层中尺度扰动涡旋(PMDV),根据涡旋前或后6小时累积雨量,可以进一步将其分成两类:第一类是暴雨的直接制造者中尺度对流系统(MCS)先于边界层中尺度扰动涡旋发生(MCS-PMDV);第二类是边界层中尺度涡旋产生后,激发了中尺度对流,造成了暴雨过程(PMDV-MCS)。PMDV-MCS类涡旋暴雨的特点是在对流层低层850hPa是一条切变线,其南侧有一支西南低空急流,边界层925hPa则是一个闭合的涡旋,暴雨区主要落在涡旋的东北面和东南面。

强烈发展的中尺度涡旋影响下持续性暴雨的位涡诊断

利用高分辨率的模式输出资料,对2008年6月广西致洪暴雨及其中尺度低涡(简称广西涡)进行了等熵位涡(IPV)和湿位涡(MPV)的诊断分析。结果表明,低值等熵面上正IPV带的位置和强度可以反映暴雨的落区和强度,等熵面上的西风气流可分别将高纬度干冷和低纬度暖湿的高值IPV向广西涡处输送,使得广西涡维持高IPV。高值等熵面上南部的IPV存在下传现象,有利于其下游的广西涡IPV的增长,从而使得广西涡强烈发展、降水增强。利用MPV守恒原理的分析表明,持续性暴雨出现在高值等熵湿位涡前方的对流不稳定区中;暴雨区南北两侧对流层中高层的冷空气下沉时对流稳定性减小,对应的气旋性涡度增大;而暖湿气流沿着干冷空气爬升,它与具有强涡度的沿等熵面下滑的干冷空气发生强烈的辐合,使得涡度急剧增强,再加上地形的强迫抬升作用,形成强烈的垂直上升运动,导致涡旋强烈发展。等压面上的MPV及其分量分布显示,对流层中低层MPV负值带对雨带有指示作用,强降水时段对应着对流不稳定和条件性对称不稳定。

梅雨锋致洪暴雨的β中尺度涡旋机理的分析

利用模式高分辨率资料 ,对 β中尺度涡旋系统发生和发展的机理进行探讨 ,发现在湿中性条件下 ,中尺度气旋得到强烈发展是与物理量的中尺度输送和集中及局地区域产生急剧陡峭的上升运动有关。用辐散风动能转换函数诊断分析了暴雨不同时期β中尺度涡旋系统发展的能量来源 ,得出能量转换与涡散场相互作用的物理图像。这种能量转换增强与涡散场发展相互促进的正反馈过程是系统发展增强的主要因素 ,同时使得强烈上升运动不致很快消失 ,是暴雨生命史维持 1 0

夏季长江流域两类中尺度涡旋的统计与合成研究

利用2000～2013年夏季6 h一次、水平分辨率为0.5°（纬度）×0.5°（经度）的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析资料,对产生于四川盆地的西南涡和产生于大别山地区的大别山低涡进行了识别,统计出西南涡和大别山低涡的发生频数、初生时段、移动路径、三维结构等气候特征;在此基础上根据涡旋生成前的地面气压场和降水特征,对西南涡和大别山低涡分别进行了分类与合成研究,并细致对比了两类涡旋的异同点,主要结论如下：（1）西南涡在7月上旬最活跃,而大别山低涡则在6月上旬发生频数最高。凌晨时段是两类涡旋的高发期;西南涡日间的生成数目多于夜间,而大别山低涡则与之相反。（2）绝大多数西南涡和大别山低涡维持时间少于12 h;绝大多数西南涡维持准静止,而大别山低涡则主要向东北方向和偏东方向移动。（3）两类涡旋均为对流层中低层的低压系统,其中大别山低涡的垂直伸展层次较西南涡更低。相比于西南涡,由于水汽条件更优,大别山低涡所引发的降水更强,强降水的凝结潜热释放使得大别山低涡的平均生命史比西南涡更长。（4）产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡而言,对流层高层南亚高压的强度更强、辐散更显著;对流层中层与500 h Pa西风带短波槽的配置条件更好;对流层低层涡旋中心附近的辐合更显著、切变更强;并且对流层中低层的上升运动更强。这些都是有利于降水发生与维持的有利条件,而与降水凝结潜热密切相关的热力强迫使得产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡拥有更长的生命史长度,更大的水平半径和更大的涡旋生命史内降水量。

冬季东中国海环流中的中尺度涡旋数值模拟

采用高精度的POM模式 ,考虑了海底地形、外来流、长江径流、海面风应力、海面热通量等多方面因素的影响 ,模拟了冬季东中国海环流结构。模拟结果显示 :在黄海东部很可能存在两个涡 ,中心分别在124°37′E ,37°N ,124°E ,35°30′N ;东海北部存在一个大型的气旋式涡旋 ,其中心位置在125.1°E ,30.5°N附近 ,该涡旋是由东北向的台湾暖流、西北向的黄海暖流及南下的沿岸流组成的封闭结构 ;日本九州以西黑潮入侵分支形成一涡旋 ,黑潮分支是形成此涡旋的直接动力因素 ,另外地形和冬季盛行的偏北风也对该涡旋的形成有一定正面影响。

2011年“7·31”东北冷涡外围中尺度涡旋暴雨分析

利用地面、高空、卫星、雷达等常规观测资料及NCEP再分析资料,对2011年7月31日黑龙江省西南部暴雨进行了成因分析。结果表明:该次暴雨是由东北冷涡外围中尺度涡旋自南向北移动,在黑龙江省再度发展加强,并维持较长时间造成的。水汽主要来自黄渤海、日本海海面,以及西北太平洋台风外围。暴雨落区出现在850 hPa风切变处,与地面中尺度涡旋紧密相连。从动力热力条件分析可见,高层涡先于低层涡,并诱使低层涡发展;高层辐散低层辐合耦合是暴雨产生的动力条件。从卫星云图可见,强降水落区位于向湿区伸出的干舌边缘干湿交界处,并且与TBB等值线的大梯度区重合。从雷达图可见,这种形势下的强降水是层积混合性降水。

对流层中层中尺度涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用--数值模拟及验证

西太平洋热带气旋（TC）的生成和季风槽及中尺度对流系统（MCS）的活动有密切关系,但以往这方面的实例数值模拟很少。为了进一步探讨由MCS对流强迫产生的对流层中层中尺度涡旋（MCV）在TC生成中的作用,作者利用非静力平衡的中尺度模式PSU/NCAR MM5对台风榴莲（2001）的生成过程进行了高分辨率（6km）数值模拟和比较验证。结果表明：模式成功地模拟出榴莲的生成地点,其与MCS的相对位置关系与以往的观测研究结果一致;模拟的TC移动路径、强度变化与最优观测报告比较接近,准确反映了TC未来登陆地点,以及中心气压缓慢下降和迅速下降两个阶段;对云系演变的模拟,成功模拟出了TC初生时的涡旋云系和季风槽中MCS云系的分离现象,以及在TC登陆前达到成熟阶段时出现的台风眼和螺旋云带。此外,模式还成功模拟出中层MCV,它的水平尺度约200 km,位于800-400 hPa之间,具有暖心结构等,均与已有观测结果相近。模式初始场中包含有充分的MCS信息,是模拟取得成功的关键因素之一。

致洪暴雨过程中尺度涡旋的涡散作用及准平衡流诊断分析

利用较高分辨率的观测资料与模拟结果进行分析表明,影响2008年6月中旬广西致洪暴雨的主要中尺度天气系统是准静止的中尺度涡旋,它是中纬度天气尺度西风带波动与低纬度暖湿气流带在地形效应下相互作用的结果,其生成、发展和移动对此次致洪暴雨过程的降水强度和持续有重要作用,该中尺度涡旋具有强涡散共存、涡散度达同量级并伴随有较长生命史组织化深厚湿对流的特征。分析了由低空急流中大风速中心的非地转效应以及地形效应所产生的重力波与中尺度涡旋相互作用激发出大振幅组织化的β中尺度深厚湿对流,根据准平衡动力学的理论,准平衡流适用于描述这种同时包含辐散风和旋转风效应的中尺度运动。因此,本文引进基于准平衡流分析的PV-_ω方法,将其应用于反演诊断分析暴雨中具有涡散共存特征的长生命史的组织化深厚湿对流。结果表明,准平衡流能真实反映涡散共存的大振幅垂直运动特征,暴雨区的垂直环流中有50%—70%归于准平衡流。因此,准平衡流可以描述广西致洪暴雨过程中具有较长生命史组织化过程的深厚湿对流系统,准平衡流场具有涡散运动共存的特征。

青岛─石岛近海反气旋中尺度涡旋存在证据及数值模拟

系统整理的历史实测海流和温盐资料显示出青岛─石岛近海水域全年都存在着中尺度反气旋式涡旋运动．利用二维数值模式，首次模拟出该涡旋的存在，并对这一涡旋的形成机制进行了探讨，数值模拟结果和实测吻合良好．数值计算表明：在冬季盛行风的作用下，山东半岛南岸出现减水，迫使北上的黄海暖流中的一部分向西北方向延伸，在到达山东半岛近海后向右转向，形成东北向沿岸流，这样，与绕过山东半岛大约沿40～50m等深线南下的黄海沿岸流作用，在青岛─石岛近海形成一个中尺度反气旋涡旋．夏季由于偏南风的作用，致使山东半岛南部近海浅水区域海水都向东北方向流动，与沿黄海冷水团锋面南下的黄海沿岸流相作用，由于流速切变也形成了上述涡旋．

南海中尺度涡旋对热带气旋的响应:个例研究

利用TOPEX/POSEIDON和Jason-1卫星高度计,SeaWiFS水色传感器和TMI微波成像仪等卫星遥感资料研究了南海中尺度涡旋对热带气旋"玲玲"(Lingling,0123)、"灿都"(Chanthu,0405)和"榴莲"(Durian,0621)的响应,得到以下研究结果:(1)位于热带气旋"玲玲"和"榴莲"移动路径右侧的冷涡在热带气旋经过后增强,表现在海面高度距平和海表温度的较大幅度下降,以及叶绿素a的爆发性升高;(2)位于"玲玲"移动路径左侧以及"灿都"路径上的暖涡在热带气旋经过后减弱,表现在海面高度距平和海表温度的下降,而叶绿素a变化不太明显;(3)当热带气旋"玲玲"和"灿都"经过暖涡时,热带气旋的强度迅速增大,这表明暖涡可能有助于热带气旋的加强.

“93.5”黑风暴期间中尺度涡旋发生发展的涡源诊断

１９９３年５月４日～６日（“９３．５”），在我国西北地区发生了一次极具破坏力的“黑风暴”．为了诊断这次黑风暴中尺度涡旋发生发展的涡源，使用了具有高分辨ＰＢＬ参数化的ＭＭ４对该例控制模拟的输出资料和涡源方程．诊断结果表明：“９３．５”黑风暴的发展与一个中尺度气旋性涡旋的发生和发展直接相关；总涡源的产生、发展及柱状垂直结构的形成和演变与黑风暴中尺度涡旋发展的涡度垂直结构和演变是一致的．该结果揭示，该中尺度涡旋急剧发展的动力机制主要受控于总涡源；对大气总涡源的区分结果指出，与强波扰气流有关的扰动涡源对总涡源的贡献最大；大、中尺度系统间非线性相互作用涡源的贡献次之；与地形强迫有关的时间平均涡源的贡献最小．

一次大暴雨过程中尺度涡旋系统特征分析

利用常规观测资料与加密自动站资料、卫星云图、多普勒雷达与微波辐射计资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2011年7月29—30日发生在天津及华北东部的大暴雨过程进行了分析。结果表明:在有利的环流背景下,迅速发展北上的低空中尺度涡旋是此次大暴雨的直接影响系统。高空槽前正涡度平流加强,造成低层减压、中尺度涡旋发展;涡旋中心向负变压梯度绝对值最大方向移动。分析中尺度涡旋垂直结构表明,开始时涡旋内斜升气流明显,随其发展,低层辐合明显加强、涡旋内转为一致的垂直上升运动,且最大辐合中心与正涡度中心相对应,均位于900 hPa以下。随低层东南气流加强,涡旋右前侧偏东入流显著加强,其不但为涡旋发展提供了有利的动力条件,也为暴雨发生和维持提供了充足的水汽。此次降水的强回波高度较低,钩状回波及中尺度气旋均在低层发展,造成强降水和短时大风,有别于典型钩状回波。水汽密度及液态水含量变化与降水对应非常好,强降水前15～30 min低层大气水汽密度和液态水含量会迅速增大,这可为强降水提前预报预警提供参考依据。

中尺度涡旋和台风涡旋相互作用的数值研究

用一个高分辨率的正压涡度方程模式 ,实施了 4组积分时间为 2 4h的试验 ,研究了台风环流区域内中尺度涡旋在不同初始径向位置条件下与台风涡旋的相互作用。结果表明 ,中尺度涡旋初始径向位置不同 。