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。

98.7暴雨中尺度系统发展的视涡源涡度变率诊断分析

利用 MM5输出的高分辨率资料和视涡源与总涡源诊断方程对“98.7”特大暴雨的涡度场、视涡源、总涡源进行了诊断分析 .结果揭示 :此次暴雨的发生和发展与其视涡源、总涡源的生成和发展直接相关 .正视涡源柱和总涡源柱的存在及强烈发展是强暴雨中尺度系统发生发展的主要动力机制 ,这种机制有利于突发性特大暴雨发生 .暴雨的落区基本处于视涡源、总涡源中心位置的下方 .因而 。

“98.7”突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的涡源诊断

1998年 7月 2 0～ 2 3日 (简称“98.7”)发生在武汉周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS及MβCS直接关联。利用MM5模拟提供的高空间分辨 (2 0km)输出资料 ,对这次突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力学机制进行了诊断。涡度分析指出 ,高、低空正涡度中心在武汉周边地区上空的叠加和耦合是该低涡切变线持续发展的主要物理机制之一。总涡源的诊断揭示 ,在突发性暴雨强烈发生发展期 ,武汉周边地区上空从低层到高层有一近乎垂直的涡源高值区生成和维持 ,其垂直结构的发展演变与涡度场垂直结构的发展演变相一致。这一结果表明 ,大气总涡源对该中尺度低涡切变线的生成和发展起着决定性作用 ,也是该暴雨中尺度系统持续发展的重要动力学机制。对贡献于总涡源的诸分量计算表明 ,在 6 5 0hPa以下 ,散度项对大气总涡源的正贡献最大 ,但在此层以上至 2 0 0hPa之间 ,垂直涡度平流项的贡献要比散度项大 ,同时水平平流项也为正贡献 ;在整个对流层 ,扭转项对总涡源为负贡献 ,散度项只在 4 5 0～ 2 5 0hPa之间为负贡献。在近地层 ,垂直涡度平流项和水平平流项基本对总涡源不作任何贡献。时间平均涡源和纯扰动涡源对低涡切变线的生成很重要 ;在强烈发展期 ,相互作用涡源作用最大 。

“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．

梅雨期高位涡源区及其传播过程

分析了气候平均意义下梅雨前期及期间东亚地区等熵位涡(isentropic potential vorticity,简称IPV)的源区和演变过程。结果表明:梅雨发生前,东亚地区对流层高层经向位涡梯度减弱,而后这里的IPV开始向南延伸出高值带,形成"舌区"。同期对流层低层,经向位涡梯度出现反向,与南边位涡梯度大值带形成经向偶极子型并伴随梅雨发生发展。梅雨期40°N,120°E附近对流层顶折叠处有明显的位涡输送和质量交换。用10～90d带通滤波和超前相关追踪IPV异常源区和传播路径发现,345K的IPV异常场和梅雨期前后降水异常的相关系数最大值出现在前者超前后者10d左右,位置在贝加尔湖东侧,这里是影响梅雨期降水的位涡源区。其向南输送高位涡空气主要在梅雨发生前的6月10日左右,高位涡异常空气沿2PVU等位涡面以东北—西南路径向南输送,在2PVU面最陡峭处堆积,然后穿越物质面快速下沉侵入40°N以南,并在对流层呈扇状铺开。因而,贝加尔湖东侧可能是影响梅雨的主要冷空气源区,是梅雨降水中期预报的一个关键区。

移出与未移出青藏高原的高原低涡涡源区域的地面加热特征分析

利用1998—2016年NCEP/DOE逐日的日平均地面感热通量和地面潜热通量、MICAPS历史天气图资料、青藏高原低涡切变线年鉴,对高原低涡涡源区与高原地面加热特征进行统计分析,对比研究了移出青藏高原的高原涡(移出涡)、未移出青藏高原的高原涡(未移出涡)的涡源与高原地面加热的季节变化特征,及移出涡、未移出涡涡源区的地面加热特征及高原地面加热与低涡生成的相关性。结果表明,高原涡、未移出涡、移出涡的涡源分布季节变化特征相似,由冬到春到夏,初生区域逐渐扩大,由夏到秋到冬正好相反,不同的是移出涡涡源区明显比高原涡、未移出涡小,初生中心位置的季节变化也不同;高原地面感热、地面潜热、地面热源分布的季节变化特征相似,由冬到春到夏经历了明显增强的过程,由夏到秋到冬经历了减弱的过程,不同的是热源的快速增强、减弱程度及其发生季节差异大,地面潜热由春到夏增强特别明显,这与移出涡生成个数的明显增加相一致;未移出涡、移出涡春、夏、秋季主要涡源区所处的地面热源值域不同,移出涡夏季的值比未移出涡高,移出涡生成对高原区域地面热源依赖要比未移出涡强一些;夏季移出涡、未移出涡的涡源区都处在与高原地面热源正相关区内,它们与地面潜热的显著正相关区比高原地面感热的大,尤其是移出涡,高原地面潜热在高原涡生成中有重要作用,对移出涡生成影响更大。

不同涡源西南涡的若干统计特征分析

利用2012～2016年Micaps天气图资料和《西南低涡年鉴》,对西南低涡及不同涡源西南涡的变化特征、活动期和移动特征以及对降水的影响等进行了统计分析。结果表明:(1)西南低涡平均每年生成95次,但各年差异大。其中,九龙涡最多,盆地涡次之,小金涡最少。西南低涡多发时段在春季与夏初,其中,九龙涡多发时段在春季与夏季,盆地涡多发时段在冬季与春初,小金涡多发时段在冬末与春季。(2)西南低涡活动主要在4～7月,小金涡最长生命史可达168h,在7月;九龙涡最长生命史156h,在5月;盆地涡最长生命史144h,在4月。西南低涡大多数在生成后24h内消失。在12月的西南低涡生命史最短,绝大部分在24h内。(3)西南低涡有三分之一能移出涡源区。其中,九龙涡移出的个数最多,盆地涡其次,小金涡移出的个数最少,但移出几率最高。3～6月是西南低涡移出的主要时段。其中,九龙涡主要移出时段在4～7月;盆地涡主要移出时段在1～5月;小金涡主要移出时段在2～5月。(4)西南低涡主要移动路径是东北、东、东南。其中,九龙涡以东北移为主;盆地涡以东北移、东移为主;小金涡以东移、东南移为主。(5)除冬季、春初外,不同涡源西南涡不论活动时间长短,都会造成降水,九龙涡造成的降水一般比盆地涡大。西南涡造成的很强降水多出现在6～7月。

2012-2017年不同涡源西南低涡多发的影响因素分析

利用NCEP/FNL 1°×1°再分析资料、地面观测资料、高空探测资料和西南低涡年鉴,通过分析2012—2017年不同涡源西南低涡的活动情况,对九龙涡、盆地涡、小金涡生成时间最多月份的各低涡生成前与生成时的风场、其它物理特性合成场进行合成分析与对比分析,得出了环境风场、冷暖空气与锋生作用对九龙涡、盆地涡与小金涡生成的影响。结果表明:(1)3—6月是西南涡生成与移出涡源的多发时段,西南涡中以九龙涡为主,盆地涡次之,小金涡易移出涡源。(2)九龙涡、小金涡的生成与偏南气流流入各自涡区的开口地形有关,但小金涡流入的气流比九龙涡强,盆地涡生成与切变线有关。(3)九龙涡、小金涡的生成还受高原背风坡地面加热与西南气流影响,与暖平流区内有正的非热成风涡度有关,但九龙涡所处的暖平流区范围比小金涡的大,强度远不如小金涡,盆地涡的生成与涡区内有斜压性增强有关。(4)九龙涡、小金涡、盆地涡的生成与各自涡区内锋生强度增强有关,但各自影响锋生作用的因素不同,小金涡的生成主要受非绝热变化过程影响的锋生作用,九龙涡的生成受非绝热变化过程影响为主,以及水平、垂直运动共同影响的锋生作用,盆地涡的生成受垂直运动影响为主,以及非绝热变化过程共同影响的锋生作用。

西南涡涡源研究的有关新进展

西南涡及其天气影响是高原气象学的一个主要方向,而西南涡的涡源则是其基本的科学问题。由于地形与环流的相互作用是西南涡涡源形成的重要机制,一直是研究关注的重点。本文回顾了近10年来西南涡涡源研究的新进展,尤其是认识到:由于地形与环流的多尺度影响,西南涡的生成涡源具有多尺度分布特征,且不同涡源西南涡的结构、演变、成因和影响都具有明显差异;西南涡的不同涡源存在相互联系,九龙、小金等上游涡源对盆地等下游涡源具有显著的影响;西南涡的"上游涡源效应"、复杂地形下的大气重力波、降水引起的大气内部过程、东亚季风环流的异常影响等也是西南涡涡源的形成机制之一,大气外源强迫作用和大气内部变化过程都对西南涡涡源具有突出的作用。并且,进一步强调了西南涡涡源的研究还面临精细观测与基础数据较薄弱、涡源及演变的多尺度结构不清楚、不同涡源的形成原因认识不深入、不同涡源低涡的演变及其影响研究不系统等主要问题。最后指出,高分辨率观测试验、内部结构与异常特征、演变过程及形成机制、区域气候响应影响等是西南涡涡源问题未来的研究重点,对西南涡系统及其影响的预测理论和关键技术发展有着重要的意义。

定常辐散场产生的涡源和定常波能量传播

根据ＥＣＭＷＦ１９８０～１９８８年的全球资料，确定了南北两半球对流层上层定常的辐散风所形成的定常涡源的位置、定常波能量传播路径及它们的位置关系，讨论了涡源的形成机制。由此揭示了热带西太平洋积云对流加热、风暴路径上的潜热释放、欧亚大陆冷源及青藏高原热力和动力作用等主要外源在冬夏南北半球定常波形成中的作用。

青藏高原切变线暴雪中尺度分析及其涡源研究

利用天气图和T63资料分析 1 996年 1月中旬青海牧区降雪过程 ,指出这场暴雪是由于北支冷空气和南支暖湿气流结合形成具有中 α尺度结构的高原切变线引发的暴雪过程 ,其主要触发信号是切变线高层正变涡。诊断表明 ,对高层正变涡起主要贡献的是平流项和扭转项 ,此两项正贡献都与背景场上青藏高原南北两支西风急流适当配置相互作用有关。

我国西部冬季扰动源涡与东部夏季雨带分布

我国西部 (85°10 5°E)冬季“扰动源涡”的位置对夏季东部雨带的配置具有支配作用。当西部“源涡”位于 35°N以北时 ,东部雨带多出现在黄河流域及其以北 (Ⅰ类雨型 ) ;源涡位于 32°35°N之间时 ,夏季雨带多出现在淮河流域 (Ⅱ类雨型 ) ;当源涡位于 32°N以南时 ,雨带多出现在长江流域或江南 (Ⅲ类雨型 )。

北半球对流层上层遥相关型的涡度源、能量源与能量传播

基于ＥＣＭＷＦ１９８０～１９８８年的全球资料，研究了北半球对流层上层两个主要遥相关型（大西洋／欧亚型与太平洋／北美型）的涡度源、能量源及能量传播路径．结果表明，这两个遥相关型的涡度源和能量源分别主要位于北大西洋和北太平洋地区．遥相关型在北大西洋和北太平洋通过正压能量转换从气候平均流中吸收能量，然后从这两个地区将能量向外传播，以维持其水平遥相关结构．

潇河源涡大坝设计洪峰值计算研究

由于潇河源涡大坝以上流域下垫面发生较大变化,观测期间内产汇流状况改变明显,年径流量和年最大洪峰递减下降趋势显著,同时上游松塔水电站下闸蓄水也对源涡大坝处的设计洪峰值产生较大影响。鉴于设计洪峰值计算对于合理确定工程的规模及投资有至关重要的作用,为此,按照水文资料观测期间内一致性原则重新估算修正潇河源涡大坝处的设计洪峰值,为合理确定工程规模及投资提供技术支撑。

潇河源涡大坝坝址处设计洪峰值计算研究

鉴于潇河源涡大坝以上流域下垫面发生较大变化,使得观测期间内产汇流状况发生明显改变,年径流量和年最大洪峰递减下降趋势十分显著,同时上游松塔水电站下闸蓄水也对源涡大坝处的设计洪峰值产生较大影响,设计洪峰值计算对于合理确定工程的规模及投资有至关重要的作用。为此必须按照水文资料观测期间内一致性原则重新估算修正潇河源涡大坝处的设计洪峰值,修正估算设计洪峰值的思路与方法对类似流域计算设计洪峰值可提供借鉴参考。

榆次市源涡泉区地下水回灌可行性研究

详细分析了榆次市源涡原区水资源现状。

青藏高原大气低频振荡的源、汇特征分析

使用 1 998年美国 NCAR再分析的逐日资料 ,研究了 1 998年夏季青藏高原大气低频振荡的源、汇特征。青藏高原对于纬向风的低频波来说 ,有时是低频振荡的源区 ,有时是汇区。通过计算低频涡度的通量散度 ,进一步研究了低频涡源、涡汇特征。青藏高原在不同时间和不同部位 ,低频涡源、涡汇具有不同的分布特征 ,传播特征也不尽相同 ,青藏高原上空 1 0 0 h Pa低频涡源。

冬半年青藏高原及其附近地区低涡的气候统计特征

夏半年青藏高原低涡的分析研究已做了许多工作[1,2,3]。本文利用拉萨气象台绘制的高空及区域地而天气图,普查了1980至1984年5年内每年的1—4月、10一12月。

深水自主水下航行器附体安装结构参数优化及涡流噪声分析

深水自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)是主要依靠声学设备实现导航、定位以及任务操作的机电装备。声通信调制解调器是保证深水AUV正常水下作业的唯一数据通路,其周围的涡流噪声对其信号精度有着不容忽视的影响。以降低涡流噪声对声通信传感器信号干扰为目的,研究声通信传感器的安装结构设计。依据AUV上声通信传感器的安装结构抽象出几何模型,即圆柱凸体–孔腔组合结构,采用LES-Lighthill等效声源混合法对该结构的流场、声场进行模拟仿真,探讨组合结构涡流流动机制及辐射噪声特征。分析影响组合结构涡流噪声的因素,以降低涡流噪声为目的,利用正交试验的方法优化圆柱凸体–孔腔组合结构参数。结果表明,在较低速度范围内,水下航行器速度对组合结构水动噪声的影响不如组合结构参数对水动噪声的作用显著,安装结构参数对涡流噪声的影响顺序为高深比>直径比>深径比。研究成果为水下航行器声学传感器的合理安装及提高信号精度提供了理论指导。

“98.5”华南前汛期暴雨中尺度系统发生发展的动力、热量和水汽收支诊断

为进一步了解华南暴雨的形成机理,利用MM5模式输出的高时空分辨率资料,对“98.5”华南暴雨的总涡源、视热源和视水汽汇进行了诊断分析。诊断结果表明:总涡源场与涡度场对应一致,高值中心位于降水上空,正的总涡源柱中心预示了涡度柱将继续发展;在组成总涡源各项中水平绝对涡度平流项和扭转项是负贡献,垂直涡度平流项和散度项为正贡献;降水区与视水汽汇和视热源高值区对应一致,视水汽汇和视热源有峰值相伴,说明凝结潜热给系统提供了发展的能量;地面涡动通量和各层的次网格尺度涡动使高层冷却,低层加热,有利于降水系统中对流发展;在组成视热源和视水汽汇各项中均为垂直项起主要作用,充分说明了在暴雨发生过程中强上升运动具有重要作用;强烈的垂直上升运动将水汽带到了高层,云水场的发展与视水汽汇有着一致性,在视水汽汇达到极值时,除冰晶外,云水场各物理量中心高度达到极值,部分物理量的强度也达到最大。