位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ωID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表PVC的变化必须相互补充,因此跨赤道面上的位涡环流的变化可以成为监测近地表气候变化的窗口。近赤道的海气相互作用能够直接造成沿赤道垂直面上的纬向风垂直切变的变化,激发跨赤道位涡环流异常,从而通过大气内部PVC的变化和青藏高原的调控影响北半球近地表的气候变化。结果表明位涡环流分析为建立热带和热带外大气环流变化的联系开辟了新的蹊径,有着广阔的应用前景。

江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

大尺度物理过程影响"菲特"台风强度变化的位涡反演诊断

本文在分析长时间强度维持"菲特"台风总扰动位涡的水平和垂直分布特征基础上,基于分片位涡反演方法反演分析大尺度环境场在垂直方向上代表不同物理意义的各层对台风长时间强度维持的影响,进而深化我们对此类台风动力学问题的认识,也为台风强度的业务预报提供参考,主要结论如下:(1)整层位涡扰动反演得出的平衡物理量场的强弱及中心位置可以准确地反映"菲特"台风的强度变化及其移动,其中中层的台风平均总位涡扰动与台风强度具有较好的伴随关系.(2)在低层,对流层潜热释放导致的位涡扰动对台风长时间强度维持起着决定性的贡献、对流层干空气对应的位涡扰动其次,且他们反演的高度场和涡度场均与台风强度具有较好的伴随关系.而对流层不饱和湿空气导致的位涡扰动和高层位涡扰动对扰动高度场为负贡献,且对流层不饱和湿空气导致的位涡扰动与台风强度具有反向伴随关系;其中高层位涡扰动在700 hPa以上的负涡度贡献在一定程度削弱了对流层中层的正涡度贡献.(3)在中层,对流层潜热释放导致的位涡扰动对台风发展和强盛维持阶段的贡献达65.2%,边界层位涡扰动由发展加强期的0.2%增加到强盛维持期的8.3%.对流层干空气对应的位涡扰动的贡献率随着对流层潜热释放导致的位涡扰动和边界层位涡扰动平均扰动负位势高度的增强而减少,在强盛维持期占比26.5%左右.在快速衰减期,由于台风登陆减弱,导致了各物理过程正贡献率的再分布.此外,各物理过程相对涡度最高值带均比强盛维持期提前了12 h,可作为长时间强度维持台风增强和减弱预报的参考指标之一.

2021年7月20—22日豫北地区暴雨过程中尺度低涡和垂直运动发展的位涡动力学诊断

2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解方法,对河南“21.7”特大暴雨事件中豫北地区暴雨过程中中尺度低涡及垂直运动发展的热动力学机制进行了诊断分析。结果表明:豫北地区强降水凝结潜热引起的大气非绝热加热,因其垂直分布在低空随高度上升而制造位涡,使得低层大气位涡增强,表明中尺度低涡发展;另外,加深的中尺度低涡又使得等熵面进一步下凹、倾斜坡度增大,从而增强大尺度东南暖湿气流向豫北地区的辐合与抬升,特别是沿等熵面上滑的上升运动分量和与凝结潜热有关的上升运动分量,导致降水进一步加强。由此,中尺度低涡、垂直运动和强降水发展之间形成一定的正反馈,在豫北造成持续性暴雨过程。

2020年夏季一次暴雨事件伴随干侵入的位涡及垂直运动诊断分析

2020年夏季我国长江流域频繁的暴雨事件与中、高纬度高位势涡度(简称位涡)南侵过程有关。基于观测和ERA5再分析资料,本文利用位涡诊断、垂直速度分解以及后向轨迹追踪模拟的方法对7月上旬一次暴雨过程进行了动力学归因研究。结果表明:中、高纬度高位涡的侵入往往伴随干侵入的发生,高位涡南侵与高层槽、脊系统振幅增大及其辐合/辐散过程对位涡的平流有关。动力上,高位涡侵入和低空位涡增强会导致等熵面的倾斜发展,反映在等熵面位移造成的垂直速度分量变化上;高空偏北风沿等熵面的下滑导致下沉垂直运动分量发展,进而形成干侵入过程;相反,偏南风沿等熵面的上升运动会向高层持续输送水汽,水汽抬升凝结导致与非绝热加热相关的垂直速度分量发展,进一步导致抬升运动加强,触发对流起始。对流发生后,强降水引起对流层中、低层的潜热释放,因其垂直分布在低空随高度增加而制造位涡,增强的低涡通过影响等熵面结构和垂直运动促进降水进一步增强,位涡、强降水以及与三个垂直速度分量之间的正反馈机制是长江流域暴雨维持和发展的重要原因。

一次华南暖区暴雨及锋面暴雨等熵位涡对比分析

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)每天间隔6 h、分辨率为0.125°×0.125°的ERA-Interim再分析资料,应用等熵位涡对华南一次双雨带过程进行分析,重点对比在相同的大尺度环境场下暖区暴雨和锋面暴雨的差异。结果显示,暖区暴雨发生时高层辐散起到主要作用,锋面暴雨的发生受高层辐散和低层辐合共同影响;暖区暴雨的辐合辐散强度小及垂直速度明显慢;通过等熵位涡分析,高层高位涡中心和强降水中心对应关系较好,正位涡中心东北部的北风形成风场的辐散区促使抽吸作用加强,最终导致对流发展。锋面暴雨在对流层中层存在等熵位涡的大值中心,中层冷空气下沉引起锋面暴雨的发展维持,而暖区暴雨发生过程中受冷空气影响较小。

关于等熵位涡应用的一点认识

位涡、湿位涡及其守恒开启了(湿)位涡理论的较广泛应用,使(湿)位涡成为天气系统、天气现象演变的重要诊断物理量,能有效解释一些天气系统、天气现象的演变。为合理应用(湿)位涡及等熵位涡思维,简单分析了气象常用坐标中位涡、湿位涡表达式的限制性条件,强调此条件与(湿)等熵坐标成立的条件相同,指出z坐标(湿)位涡与p、θ(θ_(se))坐标(湿)位涡存在物理差异。在θ(θ_(se))坐标中,气块的水平速度是相对水平面(地面)的移动速度,而非气块沿着等θ(θ_(se))面的移动。在(湿)等熵位涡分析中,(湿)等熵位涡强度的变化,是平流、垂直输送以及非绝热过程的综合作用,不能简单归因为只由高层的(湿)等熵位涡异常向中低层传输、或中低纬的(湿)等熵位涡异常向高纬传送所造成。

2021年7月河南极端暴雨事件的位涡诊断和精细化预报

2021年7月17~22日,河南省发生一次大范围极端暴雨事件。本文利用ERA5再分析资料,基于湿位涡和倾斜涡度发展理论对此次暴雨过程进行诊断分析,并考察高分辨率全球模式天机系统及欧洲中期天气预报中心业务预报系统对此次降水过程的预报能力。结果表明此次事件是中高—低纬系统相互作用、协同影响的结果。18~19日,来自中高纬度的高湿位涡沿倾斜的湿等熵面自对流层中高层向下入侵,降温和相对湿度增加,导致河南省西北部高涡度带的形成及对流层低层倾斜湿等熵面在河南省北部建立。20日受低纬台风的影响南风增强,沿倾斜湿等熵面的上滑运动增强,导致相对涡度迅猛发展,强降水发生。天机系统对此次强降水过程的预报能力较欧洲中期天气预报中心的业务预报系统好,能为业务部门提前发布预警信号提供科学支撑。湿位涡和倾斜涡度发展理论是暴雨的诊断及预报的有力理论基础,在再分析资料及模式预报数据中与降水强度、降水落区及雨带的移动均有很好的对应。

贺兰山东麓两次暴雨过程湿位涡特征分析

选用宁夏贺兰山东麓512个自动气象观测站逐小时降水量数据和ERA5再分析资料及常规气象探测资料,对比分析该地区2018年7月22日特大暴雨和2020年8月11日大暴雨过程的湿位涡特征,探讨两次暴雨发生发展机制。结果表明:两次暴雨过程均发生在“东高西低”的环流形势下,西太平洋副热带高压西侧的偏南气流、高低空急流配置以及台风为暴雨过程提供了有利的水汽和动力条件;暴雨发生前3~6 h,对流层低层700~850 hPa存在湿位涡正压项(MPV1)负值中心和湿位涡斜压项(MPV2)正负中心过渡的等值线密集带,其移动发展及持续时间同暴雨发生发展有较好的对应,对暴雨预报有一定指示作用。对流层低层MPV1负值区和MPV2正值区相叠加的位置是强降水易发区,且MPV1、MPV2强度越强、持续时间越长,降水越强,当MPV1和MPV2趋于零时,大气层结稳定,降水过程逐渐结束。

一次爆发性气旋的发展与湿位涡关系的研究

通过对一次陆地爆发性气旋的数值模拟与湿位涡的诊断分析发现 ,气旋的爆发与湿位涡的平流关系密切 ,气旋的发展并不是在湿位涡中心位于气旋上空时才开始 ,而是当湿位涡中心位于气旋的后部 ,并在 2 0 0 h Pa以下有明显的倒圆锥形下伸区时 ,才有利于气旋的发展。当湿位涡中心位于气旋上空时 ,气旋发展开始减慢。湿位涡局地变化的大小与水平方向位涡梯度的大小有关。湿斜压位涡负值区的上下贯通与气旋发展也有明显的关系。

位涡理论及其应用

位涡是近代天气动力学的重要概念之一。本文主要对位涡理论的某些要点,包括位涡的概念、位涡的守恒性、位涡的分析、位涡思想、位涡反演、湿位涡及位涡理论的发展和应用等作一简要介绍。

两次北上相似路径台风导致的暴雨湿位涡诊断分析

利用2012年8月28—29日和2019年9月7—8日水平分辨率为0.25°×0.25°的ERA5再分析资料、地面观测资料和中国气象局热带气旋最佳移动路径数据,对两次北上相似移动路径的台风“布拉万”和“玲玲”导致东北地区暴雨天气过程的湿位涡进行诊断分析。结果表明:台风导致的强降水与假相当位温的密集带对应较好,降水主要位于假相当位温密集带偏暖一侧,锋区越强,降水量越大。两个台风过程均在降水前期存在对流不稳定层结,为台风降水提供初始能量积累。初始时刻出现湿对称不稳定,是台风中心西北侧暴雨出现的主要因素。降水增强时刻,大气对流不稳定再次参与,说明低层对流不稳定提供了降水快速增强的主要能量。低层湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)的绝对值均出现先增大后减小再增大的趋势,强降水主要分布在两个极值中间过渡时段。两次北上台风引起的吉林省中部暴雨带均与低层850 hPa的MPV2负值区和MPV1的正值区有较好的对应关系。

改进湿位涡倾向方程的分解和应用

对改进湿位涡倾向方程做了理论分析和讨论,并通过一次台风过程做了验证,所得主要结论有:该方程可分解为干、湿分量倾向方程。在无摩擦和干绝热情况下,改进湿位涡的干分量具有保守性,该方程即为Ertel位涡倾向方程。在某些中小尺度天气系统中,湿物质梯度项对改进湿位涡的个别变化会有较明显影响,故该倾向方程更适用于该天气系统的诊断分析。利用改进湿位涡分解得到的干、湿位涡倾向方程,可得到显含湿物质梯度项的升级虚位涡方程、升级湿位涡方程,而这使得位涡诊断更加精细。本文对各类位涡倾向方程中凝结加热的作用做了分析,发现Ertel位涡倾向方程存在高估凝结加热的情况,使用改进湿位涡倾向方程对其进行部分凝结潜热扣除,应该有较好的诊断效果。改进湿位涡倾向方程减去经典湿位涡倾向方程后的结果能够合理反映凝结加热的作用,故用于梅雨锋暴雨和热带气旋等以凝结加热为主的天气系会有更佳的诊断效果。

位涡分析在新疆暴雨预报中的应用

根据位涡理论, 选取2004年7月18～20日的一次由中亚低涡造成的盛夏暴雨过程做个例分析, 对位涡与新疆地区降水和暴雨的关系进行了初步研究.结果表明: 对流层高层干位涡能较好地反映冷暖空气的活动及天气系统的演变特征, 位涡场比温度场、高度场能更清楚地示踪冷空气,这为研究冷空气的活动,特别是冷空气在触发暴雨中的作用提供了新的思路; 对流层低层湿位涡与降水的强弱有良好的对应关系, 当θe线陡立时, 易导致倾斜涡度发展,出现降水; 当湿位涡MPV<0时, 在θe线陡峭密集区内易出现暴雨.

多层海洋背景下的位涡均一化理论研究

位涡均一化理论是现代温跃层理论的基石,是引起层化而又弱耗散的大洋次表层产生运动的重要途径之一。本文通过对位涡均一化理论的基本构造方程扩充求解,将构造理论扩充到四层大洋模式、n层大洋模式中。结果表明,在四层大洋模式中,第二层及第三层都会出现位涡均一化的区域,并且其位涡恒定值相等,皆向沿流涡北边界处的值均一化,第三层位涡均一化区域的面积小于第二层位涡均一化区域的面积。在n层模式中,除表层和底层外的n-2层皆有位涡值均一的区域,所有发生位涡均一化的层均一化区域内的位涡恒定值皆等于流涡北边界处的位涡值,且随着深度的增加,发生位涡均一化的区域面积逐渐减小,均一化区域圆心发生极向运动。整个位涡均一化区域呈现出南缓北陡,东西对称的碗状结构。

临近寒潮相互影响关系及高层位涡的预报作用

利用ERA-Interm 1°×1°逐6 h再分析资料,对2017年1—2月发生的两次寒潮事件(简称过程A和过程B)的天气环流形势和位势涡度进行对比分析。结果表明:(1)过程A爆发后的冷空气促进过程B的形成;(2)等熵面上的位势涡度可用来追踪并判断寒潮的变化特征;(3)通过350~200 hPa处的位涡值特征可提前6 h预测寒潮开始爆发的时间和强度;(4)上游和下游系统对判断寒潮爆发的特征同样有着重要作用。

湿位涡及其不可渗透性在江淮流域一次暴雨过程中的应用

为了对暴雨天气进行更准确地分析和提前预报,结合常规观测资料、NCEP1°×1°再分析资料,利用湿位涡正压项（MPV1）、斜压项（MPV2）及其不可渗透性原理,分析了2011年6月13日～15日发生在中国长江流域的一次暴雨过程.研究结果表明：暴雨区邻近850hPa上MPV1的零线,即正值与负值的过渡区,这对暴雨落区有指示作用.且湿位涡在850hPa上满足MPV1＜0同时MPV2＞0的条件,这种配置有利于强降水的产生,因此可作为预报暴雨的一个有效辅助工具.在850hPa上,湿位涡高值区与地面降水落区对应良好,根据湿位涡不可渗透性原理,若将MPV异常高值区与等θe线结合起来,能在长江流域的暴雨预报中起到良好的指示作用.

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。

对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制。结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征。暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论。

“98．5”华南前汛期暴雨的湿位涡异常诊断:质量和热力强迫的数值分析

利用MM5输出的高分辨率资料对“98．5”华南暴雨的湿位涡进行了诊断分析,分析了质量强迫和热力强迫引起的湿位涡异常。结果揭示：降水区位于负湿位涡的下方,负湿位涡的趋势走向与降水区的一致。造成本次暴雨的成因中包括湿对称不稳定和对流不稳定两种机制,湿位涡MPV(moist potential vorticity)的分量MPV2对MPV起主要作用,其中主要是MPV2v的贡献。质量强迫和热力强迫共同作用引起湿位涡异常变化,它们的作用大小相当,在研究暴雨时,不可忽略因降水造成的质量强迫。