一种大气湿不稳定能量预报指数

本文在分析θ_se值的垂直分布廓线的基础上,提出了一种能清楚地解释对流运动强弱的指数——湿不稳定能量指数Cm;并用广州、海口两地1979～1983年5月份10层的温度、露点等要素,作实际计算和分析,发现大气对流层中存在5种类型对流形势,并初步分析了不同的对流形势下的Cm值与降水的关系。

一次黄河气旋新生过程中湿斜压不稳定机制的数值模拟研究

作为温带气旋形成的主要机制,湿斜压不稳定在气旋动热力学研究中占据中心地位,其可进一步分为干斜压不稳定、湿不稳定、非绝热Rossby波和Type C气旋新生(对流层顶干侵入)四类。2016年7月18日黄河气旋快速生成后东移进入华北造成“7·20”特大暴雨,相比气旋成熟期,其初生阶段的动热力机制尚不清楚。本文利用ERA5再分析资料与WRF模式,对该气旋新生过程的湿斜压不稳定机制进行了数值模拟研究。模拟结果指出,对流层中低层呈非绝热Rossby波形态,即系统东移发展主要由垂直运动-非绝热效应的循环所推动,其中波动触发和传播所依赖的垂直运动更多由涡度平流提供;高层位涡汇与非地转风延缓了对流层顶干侵入位涡的东移,维持了高低层相位差,最终在干侵入前部发展出贯穿对流层的位涡柱。利用非线性片段位涡反演,分别从初始场中移除非平衡分量、对流层顶干侵入位涡、低层非绝热源位涡,设计了若干敏感性试验,结合广义垂直运动方程分析可得:本次过程斜压波必须在充足水汽条件下与非绝热过程耦合才能强烈发展,关闭潜热气旋新生将被抑制,干斜压不稳定无法解释本次过程;初始非平衡场的去除不影响本次斜压不稳定性质但将延后系统发展时间,受湿度条件和中尺度环流结构限制,低层非平衡风的活跃区域主要由干斜压动力学控制;该个例近地面位温梯度小,仅依赖低层初始位涡难以有效组织起非绝热Rossby波东传,同时有别于Type C气旋新生,高层位涡异常也不足以激发起强大的中低层非绝热加热。于本次黄河气旋新生而言,一方面要求初始低层位涡异常具有一定强度,以抵消高层干侵入前部伴随的冷却下沉对其的抑制;另一方面也需要高层位涡异常通过垂直渗透以涡度平流形式加强低层位涡东侧上升运动,在高低层初始相位差合适情况下,持续促使非绝热Rossby波东移发展,推动系统进入水汽条件更好的华北地区。干斜压不稳定、非绝热Rossby波和Type C气旋新生机制均不能独立解释本次事件,此次黄河气旋新生是在非绝热Rossby波和对流层顶干侵入混合作用下,初始时刻最优扰动增长形成的。

“96.1”高原暴雪过程湿对称不稳定的数值研究

利用一次较成功地模拟了“96 .1”青藏高原东北部暴雪过程的MM4中尺度模式输出资料 ,根据条件对称不稳定 (CSI)的非线性理论判据对这次暴雪过程进行了诊断 ,结果表明 ,CSI是“96 .1”暴雪发生和发展的一种动力机制。在诊断的基础上 ,用非线性对称不稳定和非纬向非平行基流对称不稳定模式对“96 .1”暴雪发生发展过程的动力学机制进行了数值试验 ,结果指出 :用两种方法进行数值模拟时 ,都会出现对称环流 ,不仅Ψ′场和w′场彼此协调 ,而且与观测分析的结果大体一致 ,进一步揭示了对称不稳定确实是这次暴雪发生发展的一个动力学机制 ,尽管非线性模拟中的上升支位置在移动过程中落后于切变线的位置。

广义非线性亚临界湿对称不稳定

从含摩擦耗散与凝结潜热的f平面Boussinesq近似下的非线性扰动方程组出发,得到了湿空气中的广义能量方程,推导出非线性亚临界湿对称不稳定的必要条件,并将不稳定判据与干空气情况相比较,首先解析地分析得到凝结加热反馈机制对亚临界对称不稳定的影响。其次针对中尺度大气层结不稳定和稳定的情况,分别计算出初始扰动振幅的临界值,结果表明,相对干空气而言,饱和湿空气情况下,当中尺度大气层结不稳定时,亚临界对称不稳定更容易发生,即使中尺度大气层结稳定,亚临界对称不稳定也容易发生。这一结果改进了干空气下的非线性亚临界对称不稳定理论。

一次纬向暴雨过程的湿对称不稳定与锋生分析

利用常规观测、加密自动站、NCEP/NCAR(1°×1°)再分析及WRF数值模拟资料,诊断分析了2016年6月27—28日重庆南部大暴雨天气的纬向雨带及湿对称不稳定特征,结果表明:(1)纬向雨带形成并发展于低空湿对称不稳定区,纬向雨带形成前,湿对称不稳定逐渐增强,纬向雨带形成后,湿对称不稳定缓慢释放,湿对称不稳定的持续释放促进了纬向雨带的持续发展。(2)纬向锋生效应的增强,引起低空湿位涡水平分量MPV2的负值增长,为湿对称不稳定的增强及维持提供了有利条件,可能是此次暴雨过程中纬向雨带生成及持续发展的重要机制。

一次台风倒槽暴雨过程中的锋生与湿对称不稳定分析

该文利用气象常规观测资料、卫星云图以及NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料,对1822号台风“山竹”给贵州带来的暴雨天气过程中的锋生与湿对称不稳定进行分析。结果发现:①台风“山竹”登陆减弱后,其北部倒槽影响贵州,同时受贵州东低西高的地形影响,倒槽系统出现斜压性,在倒槽附近出现锋生现象,其东侧出现湿对称不稳定的发展,造成贵州暴雨天气。②锋生区的东侧即湿对称不稳定区与中尺度雨带有较好的对应关系。③锋生与湿对称不稳定的发展与增强过程中,伴随着降雨的长时间维持,雨强变化不大,降水率大多为5~10 mm·h^(-1)。当锋生与湿对称不稳定减弱西移后,降雨天气减弱停止。④锋生现象与对称不稳定的形成具有一定的关系,两者均主要是由假相当位温的经向密集区(∂θ_(se)/∂x)发展起来的,对称不稳定区位于锋生区的东侧,即东南暖湿气流中,垂直结构上对称不稳定区位于锋生区的上部,与倾斜的上升运动区相对应。

2003年江淮梅雨暴雨与湿位涡的关系

统计了2003年发生在江淮地区的梅雨暴雨,根据暴雨中心对流稳定度及降雨性质将暴雨分为4种类型。分析湿位涡与梅雨暴雨中的惯性不稳定、对称不稳定、对流不稳定的关系发现:第1类暴雨往往与对称不稳定有关,第2类暴雨与对流不稳定有关,且这两类暴雨高层多具有强惯性不稳定,降水相对较大;第3、第4类暴雨是稳定性降雨,高层一般不具备惯性不稳定,雨量一般较小。高层的惯性不稳定对降水的加强作用明显。

关于业务上应用条件对称不稳定相关问题的讨论

条件对称不稳定(CSI)理论常常被用来作为倾斜对流的发展机制之一,在业务上常用来解释与锋面相联系的一条或多条中尺度雨带、雷达图像上观测到的带状雨带的成因等。条件对称不稳定的诊断包括CSI斜率判据、斜升对流有效位能(SCAPE)、湿对称不稳定(MSI)、相当位涡(EPV)等判据。业务预报人员存疑较多的问题是这些方法是否具有一致性并在业务上如何使用。针对上述问题,首先通过与业务预报人员较熟悉的条件不稳定类型作类比,来说明条件对称不稳定两种判据与条件不稳定两种判据的相似性。但在业务使用上,判别条件对称不稳定时多使用CSI斜率判据,即等动量面的坡度大于等位温面坡度而小于等湿球位温面坡度。由于条件对称不稳定通常出现在大气处于几乎饱和的情况下,此时的CSI斜率判据则演变为湿对称不稳定判据,即等动量面坡度小于等湿球位温面坡度。为判别相当位涡与湿对称不稳定判据是否具有一致性,文中的推导和实例分析均表明,二维相当位涡实际上是湿对称不稳定判据的另一种表现形式,但是湿对称不稳定判据需主观去比较等相当位温面与等动量面斜率大小,而二维相当位涡则可通过其是否小于0进行客观判断。需注意的是,在与推导条件对称不稳定斜率判据相同的二维坐标下,相当位涡与湿对称不稳定判据才具有一致性,将相当位涡扩展到常规坐标下使用三维相当位涡作为湿对称不稳定判据是不可取的。

低纬地区渐近线型锋生辐合线系统及其对暴雨的湿热动力作用研究

本文主要深入分析低纬度地区一类非台风、非热带气旋强降水的关键系统——渐近线型锋生辐合线,该系统在以往的气象教科书中未曾介绍过。该系统常与低纬度局地多年强降水中心相伴,是一类浅薄环流系统,主要发生在沿海地区,从海上向岸登陆。系统的辐合上升运动,伴随有显著的锋区和湿热动力不稳定,受季节性环流背景与下垫面地形相互结合的影响,对强降水落区具有明显指示。其中温度锋区造成热动力抬升,湿度锋与上层水汽输送带形成湿动力不稳定层结,垂直上升层与中层潜热中心配合,构成深厚的湿热动力不稳定,并与渐近线型辐合线轴左侧强降水区形成对应。对渐近线型锋生辐合线的客观追踪与系统坐标系建立,有助于对系统结构和要素分布特点的有效提取,以及对强降水中心的预判。WRF数值模式对比试验显示,非绝热加热可显示水汽输送及湿热作用,并增强降雨区的温度层结不稳定和对流性不稳定;并且非绝热加热在增强垂直上升运动层的强度与厚度时,还维持了低层低值系统强度。平流感热可增强锋区及其动力抬升,凝结潜热加热可影响渐近线型锋生辐合线的辐合位置和强度,进而影响系统的活跃程度。而中层潜热加热抑制平流感热冷却进入暖气团,维持降雨区的热力不稳定和降水雨强及雨量。这是此类渐近线型锋生辐合线系统的强降水湿热动力机制,地形动力机制另文讨论。

实际大气中对称不稳定的存在及特征──对称不稳定理论的应用现状分析

文章从多个方面分析了对称不稳定在实际大气中的存在和特征，总结了对称不稳定理论在锋面降水带、雪景、雷暴、飑线和爆发性气旋等领域中的应用现状．并且指出对称不稳定分析中的不确定性和以后的发展方向．

台风“美莎克”引发暴雨过程的湿位涡诊断分析

利用NCEP FNL 1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,对北上深入内陆,发生变性并直击吉林省引发暴雨天气的2009号台风“美莎克”的湿位涡(MPV)和假相当位温(θse)的垂直分布特征进行了分析,重点讨论了湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)的正负值变化特征。结果表明:“美莎克”沿引导气流北上与西风带系统发生相互作用,冷空气向东移动增强了大气的斜压性,斜压位能释放导致降水增幅。“美莎克”变性后再加强过程与高层正值MPV下传和热带气旋低压环流相互作用有关。925hPa等压面上MPV1负值区和MPV2正值区与暴雨区有较好的对应关系。暴雨区上空对流层低层存在MPV1为负值MPV2为正值的配置。MPV1负值和MPV2正值均增强,对应降水增幅;MPV1负值和MPV2正值均减弱,降水逐渐减弱。对流层低层的对流不稳定和对流层中层的湿对称不稳定共同存在是此次台风暴雨维持与发展的重要机制。

冷季黑龙江省温带气旋影响下中尺度降水带特征

基于2010-2021年黑龙江省9部C波段多普勒雷达观测和常规资料,结合欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-RangeWeather Forecasts,ECMWF)0.25°×0.25°的1 h间隔的ERA5再分析资料,统计分析了黑龙江省温带气旋暴雪过程中尺度降水带的类型和活动特征,基于典型个例对比分析了两种主要中尺度降水带的环境场异同。结果表明:(1)中尺度降水带主要分为单带状、多带状、短暂带状和非带状;中尺度降水带主要分布在黑龙江南部和东北部,位于地面气旋的西北和东北象限,距离气旋中心900 km范围内,且主要发生在气旋的锢囚阶段;运动方式主要是横向平移与混合。(2)不同类型中尺度降水带降水强度的差异可以很好地从物理量的垂直廓线上体现出来,单带状低层比湿最大,低层锋生最强,造成的降水最强;而非带状低层锋生弱于单带状,最强比湿在800hPa附近,降水范围大,强度弱于单带状。(3)个例分析表明,单带状和多带状中尺度降水带均位于850hPa强暖平流的北侧和地面气旋的东北象限、处于弱的湿对称稳定或湿对称不稳定环境中,中尺度降水带的走向与锋生区平行。不同之处为单带状的形成伴随着低层低涡和地面气旋的快速发展和移动,变形场导致强锋生,上升运动集中在小范围,而多带状低层低涡和地面气旋少动、强度变化不大,变形场较弱,锋生较为浅薄,但高空辐散和低层暖平流更强,造成的上升运动范围更大,出现多个上升运动中心,对应多个小带。

梅雨锋降水运动诊断分析与(大)暴雨形成——江淮梅雨锋暴雨的天气学成因个例分析

对T213 L31再分析模式大气,在等熵坐标系上对天气学大尺度凝结函数降水、水汽通量散度降水做了诊断计算;同时,对整层对流不稳定性降水和气块(团)湿不稳定降水做了理想设计与诊断计算。对2003年7月江淮梅雨锋暴雨的计算与分析表明:两种天气尺度波动的大尺度稳定性降水运动的降水量级较小,都不足以直接形成暴雨;而对流不稳定降水运动可以形成暴雨,却不足以形成大暴雨;只有气块不稳定降水运动,才是梅雨锋上大暴雨的自组织、正反馈的唯一降水机制。研究表明,该江淮梅雨锋暴雨虽然存在着明显的梅雨锋天气尺度降水系统,但充沛的水汽通量和异常高温高湿气团的维持,使得在梅雨锋上发生着的非等熵湿绝热运动及其对流不稳定降水和气块不稳定降水,是(大)暴雨发生的天气学成因。

2020年延边地区两次相似路径台风暴雨特征及成因分析

利用常规气象观测资料、NCEP FNL 1°×1°再分析资料,对以相似路径北上的2009号台风“美莎克”与2010号台风“海神”引发暴雨的成因进行了对比分析。结果表明:东高西低的经向环流有利于台风北上,台风登陆前后均在延边地区建立偏东风低空急流,水汽辐合较强;两次台风降水均呈现非对称性分布特征,强降水落区位于台风中心偏北侧;低层辐合、高层辐散的配置下,垂直螺旋度大值区位于低层辐合区内,螺旋上升运动增强,有利于台风暴雨的维持和加强;台风与冷空气发生相互作用,台风中心涡度垂直伸展高度降低、涡度强度明显减弱,“美莎克”中心涡度垂直分布由正压状态转变为斜压状态,“海神”中心涡度垂直分布始终呈现正压状态;“美莎克”在对流层中层存在湿对称不稳定,湿斜压项起主要贡献。

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude数(Fw),研究了北京2009年5月1日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2km、半宽10km的条件下,层流速度从2.5m/s逐步增加到25m/s时,对应的湿Fw数从0.19增加到1.81。当Fw≤1时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当Fw很小时,地形云不产生降水。当Fw>1时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。

一次台风远距离暴雨中的干侵入分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料，对2008年7月17-19日发生在山东地区的台风远距离暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。结果表明：降水期间有来自中高层的干冷空气的侵入，主要有两种表现形式：对流层顶附近向下的干空气侵入和对流层低层由西北向南的干空气侵入。干侵入存在于300-600hPa之间，高层略微落后于低层，不利于对流不稳定的发展。但干冷空气侵入使得等相当位温面倾斜，有利于条件性对称不稳定的发展。干侵入使原来不饱和湿空气出现饱和，有利于降水增幅，雨区始终位于500hPa干区前沿。高层正位涡扰动沿相当位温密集带向低层输送，500hPa位涡高值区与降水有较好的同位相关系，对降水的发展和移动有一定的指示意义。

川东北一次西北气流型强冰雹天气的成因分析

利用常规气象资料和NCEP/NCAR 1°×1°6 h再分析资料,从大气环流形势、物理量场等方面对2007年4月29日发生在川东北地区的一次强冰雹天气过程的成因进行了分析。结果表明:此次西北气流型冰雹天气是在低能量环境场条件下发生的;冰雹天气发生前12 h内降雹区的对流有效位能激增、午后下垫面强烈加热对大气不稳定性增强的作用显著;大气层结对流不稳定、湿对称不稳定、充足的水汽以及干线(露点锋)的存在为此过程提供了有利条件。

闽北一次初春强降水的成因分析

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、新一代天气雷达资料,对2012年3月6日-7日福建省北部地区暴雨成因进行诊断分析。结果表明:此次降水过程在高空西风槽南下带来的冷空气与西南暖湿气流交汇的背景下产生,暴雨区位于低空西南急流北侧、低层切变南侧、地面冷锋附近;强降水落区位于层结不稳定的湿区中,低层辐合、高层辐散有利于对流发展;干冷空气的侵入时高层高值位涡库向北向下伸展,促使中低层气旋涡度发展,从而导致强降水的发生;雷达回波分析表明,低层暖平流、高层冷平流、区域上空辐合形势都有利于对流性降水的产生。

干冷空气侵入在2005年12月山东半岛持续性降雪中的作用

利用常规资料和NCEP再分析资料分析了2005年12月山东半岛持续强降雪事件发生的环流背景及干冷空气活动特征,并运用湿位涡和锋生理论,研究了干冷空气在降雪事件中的作用。分析表明:低层湿度场的演变可以很好地反映山东半岛地区降雪的变化,但降雪事件与高层干冷空气紧密相连。对流层高层高位涡区与相对湿度小值区相对应,干空气主要来源于北侧(高纬度)对流层高层。高位涡区与低湿区都向下向南伸展,与低层MPV1<0的湿对称不稳定区对应。强降雪是低层饱和湿空气受地形强迫、锋生强迫的抬升作用及湿对称不稳定能量释放的共同作用造成的,而干冷空气的侵入是锋生和不稳定能量释放的触发机制。

2008年河南黄淮地区暴雨过程个例分析

利用常规气象资料和NCEP资料对2008年7月22日河南黄淮地区的暴雨过程进行了分析。结果表明:这次过程是在500 hPa槽前西南气流引导下,高低空急流耦合区内西南涡沿切变线移出,弱冷空气侵入暖倒槽触发不稳定能量释放造成的。垂直螺旋度计算结果显示:中低层正垂直螺旋度中心与降水落区有很好的对应关系,大暴雨中心位于正垂直螺旋度中心附近。湿位涡演变分析发现,这次过程有"干侵入"发生,暴雨区中低层对流不稳定和对称不稳定共存,有利于降水增幅。水汽条件分析表明:这次过程的水汽源地在孟加拉湾和南海,主要是低层和近地层的水汽辐合。