一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。

背景风场维持的中尺度受导重力波

提出了由上层大气背景风场所维持形成的中尺度重力波受导传播机制，通过一种新的全波解数值方法计算了这种受导波的色散关系和衰减距离与ＭｉｌｌｓｔｏｎｅＨｉｌｌ地区扰动的观测结果进行了比较。

背景风场对中尺度受导重力波的影响

采用重力波的大气分层全波解法，计算得出了强逆风场作用下以及无风条件下中尺度重力波受导波模的色散曲线和衰减距离曲线．结果表明，强逆风场可以使得各中尺度受导波模衰减距离明显变长，并导致不同尺度重力波的衰减距离出现峰值分布．通过分析美国ＭｉｌｌｓｔｏｎｅＨｉｌｌ台站和武汉电离层观象台的ＴＩＤ实测结果证实了这些风场支持的远距离传播波模的存在．

西风急流南侧中尺度重力波对降水落区影响的个例分析

利用WRF模式对2011年7月2—3日山东地区发生的一次强降水过程进行了模拟分析。影响这次降水的环流形势不同于典型的华北降水环流形势。副热带高压呈带状分布,控制着整个中国东南部区域,高压中心位于台湾海峡区域,脊线位于25°N附近。研究发现,在这次降水过程中由于在山东附近区域上空有很强的非地转风,地转适应的过程会激发中尺度重力波。重力波沿着高空急流南侧自西向东传播,波长在150km^200km之间。由于低层满足位势不稳定条件,200hPa上的波动对降水有激发作用,200hPa辐散中心是造成深厚对流的主要原因,是造成降水在时间和东西向分布不连续的原因之一。

大气中尺度重力波的监测与应用

随着人类社会活动的现代化进程加快,中尺度气象研究引起了气象工作者的日益高度重视。90年代将是中尺度气象学取得显著发展的10年。重力波是大气中一种重要的中尺度波动,众多研究表明,低空急流、温带气旋、线、锋面、晴空湍流和暴雨系统云雨带中的中尺度结构都和重力波的活动有关。

中尺度重力波指数与暴雨冰雹等强对流天气的关系

该文采用中尺度风场计算低频重力波指数,对暴雨、冰雹、大风等强对流天气进行了诊断分析和预测。结果表明:低频重力波指数Cし*与对流的暴发性发展相联系,对暴雨、冰雹、大风等强对流天气都有很好的预报意义;强对流天气一般发生在Cし*<-10的区域;Cし*的大小与预报时效相联系;中尺度风场比大尺度风场的重力波指数更能反映出重力波指数与强对流天气的关系。

台风内中尺度混合波的动力学特征

用模拟台风的高分辨率模式输出资料反演的雷达回波和扰动物理量进行诊断,揭示了台风内中尺度螺旋雨带及嵌在其中的深对流带的结构和传播特征;根据台风不同区域物理量特征尺度的差异,分析了眼壁区低层的超梯度流非平衡现象;在此基础上,用柱坐标下中尺度斜压模型的波动频散关系证明扰动具有混合涡旋Rossby-重力惯性波的性质,并指出切向基流的涡度梯度是混和型扰动的发展因子.

切变基流中β中尺度扰动的特征波动

利用Bussinesq方程 ,通过数值计算的方法 ,讨论了中尺度扰动的特征波动 ,发现 β中尺度波动 (一对重力惯性波和一支涡旋波 )的波谱特征与背景场有关 ,在基流存在垂直切变的情况下 ,三支波动都存在连续谱。随着风切变的增大 ,连续谱发生重叠。在连续谱的重叠谱区 ,谱函数也发生了变化 ,即扰动结构发生了变化 ,这一点与α中尺度扰动的特征波动不同。

2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究

运用多种观测数据,结合WRF模式分析了2013年3月19日发生在黔湘地区一次飑线形成期的中尺度特征。(1)此次飑线发生在高空500 hPa槽前的西南气流中,地面冷锋附近。环境风为西南向,且垂直于飑线长轴的分量小于沿着飑线长轴的分量。(2)飑线东、西两段存在显著差异:东段所在环境干燥,下沉对流有效位能DCAPE大,故雷暴大风强而短时强降水弱,对流单体初始于锋区及冷空气一侧,呈碎块状分布;西段环境湿润,短时强降水和冰雹集中,对流单体出现于地面锋区附近中尺度辐合线内,辐合线持久,其上辐合中心处不断有单体新生。(3)此次过程有重力波作用,且飑线西段重力波特征更明显。急流中的波动与中尺度辐合线相交,波动上升气流叠加辐合线上升运动,引起对流发生并迅猛发展,使得对流单体趋向于沿着波动等振幅面排列成带状,进而形成飑线。(4)旧单体南、北两侧均有新对流单体发生:北侧新单体高、低层重力波反相位叠加,对流受到抑制;南侧的新单体高、低层波动同相,上升气流加强,对流得以发展;新旧单体不断迭代更新,飑线整体向东南传播。

山东半岛一次强降雪过程的中尺度特征

利用非静力平衡模式MM5V3.6对2005年12月3日影响山东半岛的一次强降雪过程进行数值模拟,对其中中尺度重力波(MGW)的特征进行分析。并且通过非线性平衡方程(NBE)对高分辨率模式数据进行诊断分析,较详细地说明了非平衡流的出现而引起的地转适应过程以及地形强迫对重力波产生和发展的作用,和它们对强降雪过程的影响。研究表明:这次强降雪过程中的中尺度重力波波长约为100 km,相速约20 m/s;在有利的大尺度环流形势下,太行山的地形强迫与非平衡流是其产生的首要机制,而冬季海陆热力差异形成的海洋的热力作用也是造成区域性强降雪的一个重要原因。非线性平衡方程(NBE)对于非平衡流的诊断在确定波动产生区域方面有比较好的指示作用;通过对波动的结构以及维持机制的分析,这次过程中的中尺度重力波符合波导条件和W ave-CISK理论框架,波动能够从环境场中得到足够的能量从而维持相当长时间,从而造成这次罕见的连续性强降雪过程。

一次华北强对流风暴的中尺度特征分析

利用非静力平衡模式(MM5v3.5)对2001年8月23日影响华北地区的一次强对流风暴成功模拟的基础上,对其中的中尺度重力波系(MGWs)特征进行分析,并与美国中东部地区MGWs进行比较。结果表明:这次MGWs波长约为100～120km,相速约为21～28m·s-1,伴随对流风暴的发展维持时间超过6h。太行山地形强迫和对流是产生MGWs的重要机制,虽然大气层结并不经常具有波导机制,但在地形强迫、对流和切变气流提供波动能量情况下,低层MGWs仍可维持较长时间。太行山触发的华北MGWs与美国西部高原引发的中东部地区MGWs具有相似的地形作用特征。在对流初始发生和对流单体合并阶段,对流和MGWs构成一个类似正反馈机制的耦合系统,waveCISK机制可能发挥着重要作用;成熟阶段的对流风暴,由于中高层潜热释放和湿下沉气流加强,波动传播加快,引起MGWs和对流风暴分离并减弱。MGWs在触发新雷暴,并将其组织成带状对流系统过程中可发挥一定作用。上述现象较好地验证了MGWs的概念模型以及对流与重力波相互作用的理论。

一次梅雨锋暴雨过程的中尺度特征分析

利用中尺度非静力平衡模式WRF-V2．1对2007年7月7—8日江淮地区一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟，分析其中的中尺度重力波（MGW）特征，并运用拉格朗日Rossby数（Ro）来诊断非平衡流特征。研究表明：这次暴雨过程中的中尺度重力波波长约为56～75km，相速约12～19m·s^-1；在有利的大尺度环流形势下，地转调整机制是MGW产生的首要机制，Wave-CISK和地转调整为波动传播提供了充足的能量，使MGW在具有波导结构的大气中维持了相当长的时间；满足Ro指标的不平衡运动区与重力波活动区十分接近，它对波动产生的时间和区域方面有一定的指示作用。

中尺度地形对梅雨锋暴雨影响的个例研究

利用多种观测资料和NCEP再分析资料,分析了2007年7月9—10日皖南特大暴雨过程中尺度对流系统(MCSs)的活动特征及其引发暴雨的天气背景和环境场特征,探讨了大别山和皖南山区中尺度地形对MCSs活动和暴雨形成的影响,并通过高分辨率的数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,进一步研究了中尺度地形对MCSs活动及其降水的影响。结果表明,此次强降水过程形成的2个暴雨中心分别位于大别山东北侧和皖南山区北部,期间有4个MCSs活动,皖南特大暴雨是由2个准静止MCSs活动造成的。MCSs具有明显的日变化特征,在清晨出现日峰值,梅雨锋中低层辐合和高层辐散是MCSs形成和发展的主要原因之一。在梅雨锋东移南压的过程中,MCSs相对于中尺度地形的位置在不断地发生变化,地形上空盛行气流方向以及地形Fw数也在不断变化,地形通过不同的动力机制影响MCSs。高地形Fw数下,大别山主要通过山脉波影响下游的MCSs;低地形Fw数下,地形绕流和山脉波共同影响下游的MCSs活动。当MCSs移近皖南山区北坡时,地形有利于MCSs的形成和维持,其阻滞效应可减缓MCSs的移动,有利于皖南特大暴雨的形成。大别山和皖南山区中尺度地形对暴雨强度和分布有明显的影响,其构成的中尺度组合地形效应是皖南特大暴雨形成的重要原因。

一次中尺度急流激发的辽宁大暴雨观测分析

应用地面加密自动气象站、常规探空、卫星及多普勒雷达探测资料对2008年7月31日夜间发生在辽宁省的一次大暴雨过程中的急流特征进行了分析。分析结果显示,在超低空环流场中同时存在着大尺度偏南急流和中尺度西南急流。在中尺度西南急流左侧生成的西南—东北向的中-β尺度云团列直接引发了大暴雨。进一步分析表明,超低空中尺度西南急流与高空急流方向相近且风速相当,形成了二次切变型的空间垂直分布,在其左侧激发了涡旋Rossby重力波的不稳定发展,从而生成中-β尺度云团列。

山东04.28强飑线过程重力波结构的分析

利用卫星、雷达及山东省中尺度自动站网获取的多种观测资料分析了2006年4月28日主要发生在山东境内的一次飑线（squall line）过程。利用PSU／NCAR中尺度大气非静力模式MM5对这次飑线过程进行了数值模拟分析。分析结果表明，高空冷槽叠加在低空暖空气上，形成上冷下暖的大气热力层结，积累了大量的对流有效位能。由于太行山地形影响而产生的下坡风与地面低压槽前的西南暖湿气流相汇合，形成中尺度辐合线，触发了不稳定能量的释放，产生对流并由中尺度辐合线组成飑线。用小波分析的方法对数值模拟的结果进行连续小波变换，对变换后的结果进行分析表明：太行山的背风波是此次过程的激发机制之一，并且在这次过程中有明显的中尺度重力波结构，其主要波长约为50—100km，波包传播速度为14．28m／s，但50km波相速略大于100km波。

与水平风切变强度不均匀相联系的CISK惯性重力波

在虚拟高度坐标系中,用一个简单的线性模式初步研究了水平风切变强度不均匀分布对长江流域梅雨锋附近贯穿整个对流层的深厚惯性重力波发生发展的影响。结果表明:水平风切变强度不均匀对CISK惯性重力波不稳定有重要作用。在一般干的层结大气中,实际可能出现再强的水平风切变的影响也难以使惯性重力波变得不稳定;只有在积云对流潜热参与,原为弱稳定条件下,水平风切变强度不均匀能促使低空急流北侧不稳定扰动的发生发展。而水平风切变强度不均匀对不稳定贡献最大的区域是梅雨锋南侧的急流轴附近。

2007年3月3-5日辽宁省暴雪和大风天气的中尺度分析

使用中尺度数值模式WRFV2.2.1对辽宁省2007年3月3—5日的暴雪和大风天气过程进行了数值模拟,结合10min一次的地面自动观测站资料和数字化多普勒天气雷达探测资料,研究了中尺度重力波的结构及其环境场特征,探讨了波动的激发机制。对流层上层中尺度重力波生成在350—250hPa(约9—11km),周期为2—3h,水平波长30—40km,波动沿水平方向传播约9h。地面气压扰动振幅约为2hPa,周期为2—3h,波动由西南向东北方向传播,方向与地面风向相反。沿波的传播方向,地面观测的逐时降水量呈波动特征,周期约为2h。对流层上层中尺度重力波减弱后,雷达降水回波强度出现显著的波动特征。对流层上层中尺度重力波生成在朝向脊区传播的高空急流出口区下方,300hPa环境场具有显著的切变不稳定特征。波动生成在理查逊数小于0.25的地区,在中尺度重力波生成的高度上,暖平流强,风速低,风切变大。中尺度重力波生成地区出现显著的不平衡气流,拉格朗日罗斯贝数大于0.7,水平散度倾向出现明显的大值,其中-▽w·V/z的量级明显大于其他各项,表明对流层上层重力波的生成及发展与环境场的显著风切变有关。

一次梅雨锋暴雨过程中的重力波特征

利用中尺度数值模式WRF模拟了2007年7月7～9日江淮地区发生的一次梅雨锋暴雨过程,通过动力分析和Morlet小波分析方法研究了此次梅雨锋的重力波特征。结果表明：2种非平衡流诊断指标（Ro和ΔNBE）简易有效,梅雨锋暴雨过程中的中尺度重力波系统垂直结构十分清晰;强波动发生时段集中在7日20时至8日06时,30～80 min短周期重力波能量远高于长周期;重力波在低层表现强烈,中高层的短周期能密度中心出现更早;最强波动时段与强对流相对应,波动与对流形成耦合,动力与统计分析相互补充,效果较好。

中尺度电离层扰动的统计色散特性

利用 Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ Ｈｉｌｌ（２８８．５°Ｅ， ４２．６°Ｎ）地区的数字测高仪漂移模观测数据，统计分析了中尺度电离层行扰（ＴＩＤ）的色散特性．分析结果表明，该地区的ＴＩＤ在扰动频率－相速度平面的分布中存在若干明显的扰动出现率峰值．比较相应的理论研究结果发现，观测到的ＴＩＤ大都可以用不同的受导重力波传播模式加以解释；频率较高的ＴＩＤ可以用地面和热层底部维持的各阶完全制导模解释，频率相对较低的ＴＩＤ可以用传统理论给出的由热层底部陡峭的温度梯度维持的Ｌ１模和我们新近提出的由热层背景风场所维持的各阶导管模解释．