高层动力强迫对回流型华南暖区暴雨影响的个例研究

应用NCEP再分析资料,分析了2014年5月8—9日发生在华南的一次暖区暴雨过程,研究高层动力强迫对此次华南暖区暴雨的影响。此次暴雨过程发生在暖湿的西南气流中,无明显天气尺度锋面系统影响,属于华南暖区暴雨过程。根据中尺度对流系统(MCS)的生消发展特征,可以将其分为5月8日与9日两个阶段,第一阶段具有显著的回流型暖区暴雨的特征,主要研究该阶段。研究发现,高PV扰动沿对流层高层南亚高压东北侧的西北气流下滑东移,导致IPV正异常,其东侧的辐散气流显著发展,在高层辐散气流的抽吸作用下,上升运动首先从中上层发展起来。在过程发展前期,IPV正异常主要是由平流作用引起,且在其东侧诱发出南风异常,进而导致辐散气流发展。当降水发生后,潜热加热反馈作用使高层辐散气流进一步加强,此时,辐散增强是对流发展的结果。此外,低层浅薄偏东风是本次暖区暴雨发生的低层背景场,其与西南风气流汇合,提供有利的低层辐合条件。

黑龙江省一次强降水的动力强迫作用分析

利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料、FY-4卫星云图、新一代天气雷达、ECMWF细网格、GRAPES_MESO及NECP的1°×1°再分析资料,分析2019年8月6日08:00至8日08:00,黑龙江省中部和西南部的强降水过程动力机制,以及引发的降水性质和降水分布特征。结果表明:(1)强降水过程共分3个阶段2种性质:与冷涡相连的鞍形场的对流云降水;鞍形场和增强暖锋共同作用的混合云和对流云降水;台风“范斯高”残涡作用下,改变云系移动路径形成的对流云降水。(2)冷涡、副热带高压、台风的相互作用,是该过程产生的根本原因;副热带高压和台风外围暖湿气流配合冷涡冷空气,为强降水提供水汽和不稳定条件;狭窄的水汽输送通道造成了强降水的空间不连续性;低层辐合线为强降水提供触发条件;鞍形场的稳定结构、大小兴安岭南麓强迫抬升、台风系统阻挡延长强降水的持续时间。

大气热力强迫和动力强迫的调配及平均经圈环流的仿真模拟

通过研究平均经围环流（ＭＭＣ）及其所受的内外强迫作用的相互配置，指出对ＭＭＣ的热力和动力强迫满足确定的调配率。这一调配率受大气内在的斜压性、静力稳定度及绝对涡度制约。利用辐射加热和凝结加热参数化方案，结合欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）的分析资料，对１月份平均经围环流进行数值仿真模拟。结果表明，热带对流加热可以形成双层Ｈａｄｌｅｙ环流结构；涡动动量输送对双Ｈａｄｌｅｙ环流的形成也有一定影响。中高纬度的ＭＭＣ则主要由外动量强迫及大气的动量和热量输送特征决定。

动力强迫对台风次级环流的作用

本文导出无量纲的台风次级环流方程,然后用11年综合台风资料,计算了动力强迫的次级环流。通过计算,得到主要结论如下: (1)积云动量垂直混合和涡旋动量水平通量是主要的动力强迫因子。 (2)积云动量垂直混合在台风发展过程中可促进大尺度低空辐合,因而可加强由CISK机制所说明的正反馈过程。 (3)Ekman抽吸与积云动量垂直混合是相互促进、共同发展的,这是台风发展中的一个重要反馈过程。

晴空湍流（CAT）对大尺度和中尺度动力强迫过程的响应

该文利用中尺度客观分析资料，对θ坐标系下Ｒｉ数倾向方程中的非湍流变形强迫场进行了诊断分析，以揭示晴空湍流（ＣＡＴ）对大尺度和中尺度动力强迫过程的响应关系．计算结果表明：晴空湍流往往出现在对流层高层或高空急流附近．在层结稳定的高层大气薄层中，Ｒｉ数较小的空气微团遇有较强的非湍流变形强迫场时，由于动力强迫和Ｒｉ的耦合作用，往往导致晴空湍流的发生．

非绝热加热、湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长的一种机制

大气热力状态的非均匀分布及其与动力场的相互作用激发大气动力场发生变化,其事实已被许多数值模拟证实。散度作为度量大气运动辐散、辐合强度的物理量,其变化应受到大气热力状态分布及其与动力场相互作用的影响。然而,在传统的大气动力学理论框架中,并没有从理论上揭示大气热力场分布及其与动力场相互作用对散度场变化的影响。通过对热力学方程做变形处理,并与动力学方程结合,在替换平衡近似下(alternative balance),导出了显式包含非绝热加热分布与垂直风切变相互作用、斜压热动力耦合强迫影响的新型散度方程。利用该方程,重点分析了非绝热加热非均匀分布与垂直风切变相互作用对散度场变化的影响,从动力学理论上初步揭示了非绝热加热分布与垂直风切变相互作用激发大气散度场变化的物理机制。

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料，从新型散度方程出发，针对2007年7月16～20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程，通过计算新型散度方程中的各项，诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用，并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明：1）强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2）在强降水开始时期，正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合，正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著，是本次降水开始的启动机制。3）在降水发展维持时段，正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好，斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应，对强降水的发展维持起了至关重要的作用，是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4）正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义，有助于提高暴雨预报准确率。

阿留申低压低频变化及其相关的瞬变动力学过程分析

利用NCEP/NCAR 1979—2013年的再分析资料,研究了冬季阿留申低压低频变化的环流特征,探讨了阿留申低压低频变化形成和维持的相关天气尺度瞬变强迫机制。冬季阿留申低压的低频变化在850 h Pa环流场上表现为北太平洋海盆区一个异常气旋/异常反气旋在局地强弱变化的过程,即阿留申低压在低频尺度上先异常增强/减弱随后逐渐恢复正常态的演变过程;850 h Pa上大气温度低频变化表现为低频冷中心在西北太平洋建立并逐渐东移的过程。对天气尺度瞬变扰动活动及其强迫的异常进行分析表明,北太平洋海盆区上空的瞬变动力强迫在阿留申低压异常增强的时期为负异常,有利于阿留申低压低频变化异常空间型的形成和维持。由瞬变热力强迫异常引起的温度倾向异常场表现为北太平洋中部以40°N为界南正—北负的空间分布,其南部正异常在一定程度上抑制和削弱了低频冷中心向南的扩张。

暴雨激发和维持的正、斜压强迫机制的理论研究

针对暴雨天气的发生、发展都伴随着对流层中低层有很强的气流与水汽辐合持续的天气事实,摒弃传统研究中把散度方程局限于水平动力方程约束的观念,从湿斜压原始方程出发,导出了包含热、动力耦合强迫作用的散度演化方程,揭示了正压大气非平衡强迫和湿斜压大气热、动力耦合强迫在暴雨激发和维持中的重要作用,阐明了持续性暴雨过程中对流层中低层强烈的气流与水汽辐合长时间维持的动力机制。

大气瞬变强迫对冬季西太平洋遥相关型影响

用NCEP/NCAR1948—2005年逐月和逐日资料,分别从天气尺度瞬变热力异常强迫和瞬变动力异常强迫两方面的作用着手,就大气瞬变异常强迫对冬季西太平洋遥相关(WP)型形成的影响进行了初步分析。通过分析表明,在对流层低层,天气尺度瞬变热力异常强迫对冬季WP型的形成主要起削弱作用,而瞬变动力异常强迫对WP型的形成没有明显的加强或削弱作用;在对流层中高层,瞬变热力和动力异常强迫都有助于WP型的形成和维持,而且瞬变动力异常强迫对WP型的形成和维持作用还存在南北非对称性的特点,即瞬变动力异常强迫对WP型的南北偶极子型中北区异常的形成和维持作用显著,而对WP型中的南区异常的形成作用不明显。研究还表明,天气尺度瞬变异常强迫对WP型形成的作用时间是次月尺度的。

多模式热动力耦合诊断系统与暴雨预报

应用包含热动力耦合强迫的新型散度演化方程,研发了该方程的诊断计算方案和相应的软件系统,以多个数值预报模式产品为资料源,计算得到关于强降水激发、维持的热动力耦合诊断场,形成了一个多时效的诊断场序列,它包含了正压非平衡强迫和热动力耦合强迫对散度演化的作用,反映了暴雨激发和持续的数值特征,为探索暴雨激发维持机理和寻求暴雨预报指标提供了数据支持。多模式诊断场的综合分析是集合预报方法的一种实践,有利于提高预报准确率。我们对2009年的两次暴雨个例进行了诊断分析,结果表明:T213、T639模式的诊断场能够较为准确的预报出暴雨的开始和结束,有明显的预报指示意义。

四川盆地一次暴雨过程中西南低涡非对称结构特征及其成因分析

为深入认识诱发暴雨的西南低涡非对称结构特征,选取近10a来影响最大、由西南低涡缓慢移动造成的四川盆地2013年6月30日暴雨过程,基于WRF数值模拟等资料,采用跟随低涡中心移动的动态合成方法,结合涡度方程、散度方程诊断及风场分解,对西南低涡成熟阶段的非对称结构特征与成因进行分析,结果表明:(1)西南低涡在低空表现为旋转进入中心并逐渐减弱的辐合气流,高空为旋转的辐散气流。西南低涡的降雨、正涡度、低空辐合及垂直上升运动呈显著的非对称分布。低涡前侧正涡度和辐合上升运动显著,降雨强;低涡后侧正负涡度并存,辐合上升运动较弱,降雨弱。(2)西南低涡的非对称分布与低涡前侧的副热带高压作用有关。副热带高压维持,有利于向东南方向移动的西南低涡前侧位势高度梯度增加和低空急流增强,导致低涡前侧位势高度的拉普拉斯项和动能的拉普拉斯项呈负值演变,形成持续的低空负值非平衡动力强迫效应,促进低空辐合和垂直上升运动增长,以及强降雨发展,并通过低空辐合和垂直上升运动促进低涡前侧正涡度发展,形成西南低涡降雨、正涡度、低空辐合及垂直上升运动的非对称分布特征。

长江流域水汽收支与高原水汽输送分量“转换”特征

文中采用“箱体”模型边界的整层水汽输送特征描述长江流域梅雨带水汽收支总体效应 ,发现长江流域夏季降水与“箱体”模型整层水汽输送收支总量呈显著相关 ;青藏高原动力、热力强迫构成周边水汽输送特殊流型结构 ,大地形动力强迫导致高原周边水汽输送在高原南侧与东侧存在经向或纬向不同分量的水汽流型 ,且它们分别对长江流域梅雨带“箱体”模型水汽收支具有重要的影响。研究还发现高原南侧经向水汽输送与高原东侧纬向水汽输送分量之间呈显著相关特征 ,此研究揭示了长江流域洪涝过程上游高原周边关键区水汽输送不同分量间的“转换”特征 ,且此类水汽输送流型对夏季长江全流域各区域降水具有不同程度影响。上述高原周边水汽输送经向 纬向分量间的相互“转换”效应 ,是认识长江流域异常洪涝过程形成的关键环节之一。高原周边水汽输送分量相关结构及区域边界水汽收支问题将为长江流域洪涝预报提供科学依据。

青藏高原地面加热场日变化对亚洲季风区大气环流的影响

利用1982～1996年每天两次的NCEP再分析资料,研究青藏高原地面加热场的日变化对亚洲季风区环流的影响。结果表明:青藏高原地面加热场的日变化是引起亚洲季风区大气环流日变化的主要因子。青藏高原地区、阿拉伯海、孟加拉湾和菲律宾附近地区是四个主要的日变化显著区。青藏高原地区是垂直运动的负值日变中心,其它三个区域的日变化与青藏高原地区的日变化有反相关系。这种特征一年四季都存在,但各显著区域范围的大小、中心位置及环流日变化的强度随季节有不同程度的变化。青藏高原加热场日变化对我国东部地区环流的影响主要发生在夏季。

复杂地形情况下大气动态模型的弱解和吸引子的存在性

该文研究了一个适合应用于天气预报的大气模型,模型考虑到地形对大气的动力强迫作用,保留了大气气流的辐散效应.首先采用了适当的函数空间,引入了合理的算子表达形式,将复杂的大气动态方程组用一个简单的抽象的算子方程表示,由此给出了模型弱解的定义.然后利用Galerkin方法证明了弱解的存在性.通过构造大气动态方程组轨道吸引集证明相应的轨道吸引子的存在性.

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。

“6·30”川渝特大暴雨过程中西南低涡发展机制模拟分析

利用地面加密自动站、NCEP(1°×1°)再分析及WRF-ARW数值模拟资料,对造成2013年6月29日至7月1日川渝地区特大暴雨过程的西南低涡的演变特征及热动力机制进行了诊断分析。此次特大暴雨过程分为三个阶段,其中与西南低涡发展相关的第二阶段为主要降雨时段。结果表明:(1)西南低涡生成后,呈现增强-减弱-再次增强的波动性演变特征,在6月30日上午和夜间分别经历了两次显著的涡度发展过程,并在第二次发展过程中达到最强。(2)低空辐合是西南低涡最主要的涡源,由低空辐合导致的正涡度增加近乎贯穿于整个西南低涡的生命史。在西南低涡的第二次发展过程中,中层辐合和涡度的垂直输送显著增强,也是西南低涡的重要涡源。(3)负值非平衡动力强迫激发了低空辐合的增长,在非平衡动力强迫的各项中,位势高度的拉普拉斯项为非平衡动力强迫提供了主要的负贡献来源。(4)非绝热加热先于西南低涡而增强,两者间的正反馈作用可能是西南低涡波动性发展的重要机制。在关闭了微物理过程中的潜热和地面潜热及感热通量的敏感性试验中,西南低涡及降雨的模拟均有不同程度的减弱。

2016年6月23日江苏阜宁EF4级龙卷天气分析

2016年6月23日,江苏省盐城市阜宁县发生了历史罕见的EF4级龙卷,导致99人死亡,846人受伤,并有大量建筑物被损毁。文章利用观测资料对产生强龙卷的天气背景和中尺度特征进行了分析,发现:阜宁龙卷发生在我国东部龙卷最高发的地区和季节,产生龙卷的天气尺度背景为典型的梅雨期暴雨环流,产生龙卷的中尺度对流系统发生在地面暖锋南侧,这里也是高低空急流耦合的区域,与高空急流相伴的动力强迫特征明显,大气热力不稳定条件为中等偏强;产生阜宁龙卷的中尺度对流系统与美国大部分强龙卷相似,为块状的离散单体对流模态,且具有经典超级单体的钩状回波和强中气旋特征,并伴有龙卷涡旋特征(tornado vortex signature,TVS);龙卷位于钩状回波顶端,主要发生在中气旋底高高度低于1 km期间。

湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长和暴雨维持的一种机制

打破将散度演化分析局限于水平动力学框架内的传统认识思维,针对大气的斜压性与层结特征将对大气运动散度场演化产生显著影响的事实,从湿斜压原始方程出发,将大气的斜压热力作用通过热力学方程引入散度方程,在替换平衡近似(alternative balance)下,导出了显式包含湿非地转Q矢量与垂直风切变耦合强迫作用的新型散度方程.阐明了潮湿大气中非地转斜压强迫激发散度场演化的物理机制,为利用常规观测资料诊断散度场演化提供了一种有效的数学工具.通过对流层中低层气柱内总体辐合增长影响因子的分析,揭示了正压非平衡强迫、湿非地转Q矢量与垂直风切变耦合强迫激发辐合增长和暴雨维持的动力机制.进一步分析正、斜压强迫因子在暴雨过程不同阶段作用的差异性,提出了正压非平衡强迫是强降水天气过程启动机制,而湿斜压热动力耦合强迫是强降水天气维持动力机制的新观点.