线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应 Ⅰ.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一,其简单明了,解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年,有研究(Chenetal.,2001)运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成,在相似加热强迫下,其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征,以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响:(1)当基本流为东风或为零时,定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构,波动振幅随东风的增大而减小;(2)当基本流为西风时,呈现向上的传播特征,振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3m/s),此时,波动振幅最强;基本流的平流作用具有非对称性,西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质:加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流;基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧,并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时,线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升,而不出现在地面上,与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中,洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释;另外,静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要,使热源的强迫作用放大。

1998年夏季西太副高活动与凝结潜热加热的关系

利用1998年南海季风试验逐日再分析资料,分析了1998年夏季梅雨期内凝结潜热加热对西太平洋副热带高压(下称西太副高)中短期活动的影响。结果表明,不同位置的凝结潜热加热对西太副高的作用是不同的:当西太副高西侧的降水在它的边缘发生时,释放的凝结潜热加热可能迫使西太副高东退,离它较远处的降水则可能诱使西太副高西伸;西太副高北侧降水释放的凝结潜热加热将阻止它北进;南侧降水则有推动西太副高北进的作用。当南北两侧的凝结潜热加热等强度时,它原地不动,但强度增强,达到一定强度时西伸;若某一侧加热强度减弱,西太副高则有向该侧移动的趋势。

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应 Ⅱ.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子,剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因,并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用。结果表明,在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下,高、低压中心位于热源北侧。结果还表明,当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时,低层气旋和反气旋中心位于地面上,当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时,低层气旋和反气旋中心抬升离开地面;进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后,反气旋中心继续抬升至中层,证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献。指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制,从而得到"潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上"的不切实际的解。

潜热加热纳近方法在地面降水资料同化中的应用

基于国家气象中心GRAPES_Meso高分辨率区域模式,针对中尺度数值预报模式中预报雨带形成滞后问题,研究了潜热加热纳近方法在地面降水资料同化中的应用,以期提高短时数值天气预报的水平。2013年6月20日—7月20日的初步试验结果表明:通过调整模式潜热加热廓线,可以改进初始场中温、湿、风等要素的合理分布,增加降水区的对流不稳定性;潜热加热纳近方法可以缩短模式的调整适应(spin-up)时间,改进短时降水预报的落区和强度,提高3 h,6 h,12 h的降水预报TS,ETS评分;与传统的冷潜热加热纳近的试验结果相比,改进的暖潜热加热纳近试验对降水落区和强度的预报更接近观测,但强降水中心范围略大。

西南低涡结构及潜热加热分析

本文通过对一次西南低涡暴雨过程进行诊断分析,讨论了西南低涡的结构及潜热加热对该低涡的影响。指出:在西南低涡发展过程中伴随着低层辐合、上升运动以及水汽通量辐合的加强,此时潜热加热的垂直分布有利于低涡发展;水汽辐合最强超前于西南低涡最强盛阶段。

西太平洋副高进退潜热加热场的诊断分析

通过对青藏高原、季风槽区和赤道辐合带区域的大尺度凝结潜热加热场的诊断分析，发现西太副高的西进东退与这些地区的潜热加热率有很好的正相关关系，并指出这次副高的进退主要受南亚季风环流系统的影响．

两种对流参数化方案下降水和潜热加热空间结构的模拟及其影响

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)新版大气环流模式SAMIL(Spectral Atmosphere Model of IAP LASG),分析比较了Manabe和Tiedtke两种对流方案对降水和潜热加热空间结构的模拟性能.结果表明,Tiedtke方案模拟的对流降水偏强,层状降水偏弱,致使层状降水占总降水比例低于观测.与此相比,Manabe方案较为合理地再现了沿赤道的层状降水中心,但其模拟的孟加拉湾降水中心向东向北伸展,在高原下游有虚假强降水出现.通过比较两种对流方案模拟的潜热加热空间结构,结果表明Tiedtke方案的模拟结果远较Manabe方案合理,表现为与观测一致的位于对流层中层的对流加热峰值,以及0℃层之上的层状加热与其下的冷却.而Manabe方案模拟的对流加热峰值所在高度较观测偏低,大致位于700 hPa.另外对于层状加热,Manabe方案模拟不出0℃层以下的冷却,而表现为整层加热.温度、比湿等要素的Taylor图表明:Tiedtke方案的模拟结果与ERA40,NCEP再分析资料的相关系数更高,尤其是对流层高层200 hPa温度的模拟.文中同时提出Tiedtke方案下层状降水模拟失真的可能原因是层状降水方案忽略了积云对流过程中卷出水凝物的影响,该猜想通过敏感性试验得到证实.

“03.7”江苏大暴雨凝结潜热的数值模拟

运用美国中尺度数值模式（MM5）对2003年7月4～5日江苏省中部的大暴雨过程进行了有无降水凝结潜热加热的数值模拟研究。模拟结果表明，凝结潜热释放能使高层负涡度和低层正涡度强烈发展，形成地面至500hPa深厚的正涡度柱；使高层辐散、低层辐合和垂直上升运动显著增大一个量级；能诱发低空中尺度涡旋发生发展；使降水量增幅一个量级。凝结潜热释放是暴雨发生和雨量增幅的一种重要物理机制。

一次桂北暴雨过程中低涡的发展维持机制

利用常规观测、卫星数据及ERA5再分析数据,从动力和热力角度对引发2020年5月24—25日广西北部暴雨过程的低涡发展维持机制进行诊断分析。结果表明:低涡在滇黔桂交界一带生成,随后逐渐发展东移,对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧。涡度方程诊断表明,低涡的发展维持主要受涡度平流项和水平散度项影响。水平风场对涡度的输送使局地涡度减小,水平风场的辐合效应使局地涡度增大。将原始风场分解为地转风和非地转风分量后发现,非地转风分量主导了局地涡度的变化,非地转风水平散度项正贡献最大,扭转项次之,两者是造成低涡发展维持的主要原因。在热力作用方面,低涡发展移动过程对流层中层附近的潜热加热正反馈有利于低层低涡的发展维持。

凝结潜热在高原涡东移发展不同阶段作用的初步研究

为探讨潜热加热对高原涡发展的作用并加深对水汽与高原涡垂直结构及发展变化关系的认识.应用NCEP（1°×1°）再分析资料,通过大气热源诊断计算,分析2005年5月1～4日和2005年6月23～28日两次高原涡的垂直结构及生命史特征.通过比湿、涡度、Q等诊断量的对比分析发现：高原涡在东移发展过程中,涡柱内水汽含量上升、涡度明显加强,水汽、涡度上传明显,两者在垂直方向的大值中心有较好的同步性.高原涡未下坡前,水汽通过凝结释放潜热的方式加热大气,高原涡暖中心结构明显.高原涡下坡过程中,其涡度和垂直速度均整层陡增,高原涡区域水汽含量下降,潜热加热作用减弱,暖中心结构消失.因此,大气中水汽的含量和垂直分布状况直接影响凝结潜热作用的发挥,凝结潜热对高原涡发展作用主要表现在高原涡下坡前和下坡后期,是高原涡下坡后是否继续东移发展的重要影响因素.

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向影响的个例研究

以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,本文基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。

一次西南低涡发生发展的涡度收支及潜热释放诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料、地面自动站降水资料,对2010年7月8～10日发生在重庆地区的大暴雨过程进行涡度收支及潜热释放诊断分析。结果表明：（1）再次发展的850 h Pa西南低涡中心与持续发展的700 h Pa低涡中心的耦合发展对此次暴雨过程的发生发展有重要作用;（2）在暴雨过程中,涡度的垂直输送项和水平辐合辐散项对850 h Pa低涡的再次发展及700 h Pa低涡的维持发展起主要作用;（3）降水与低涡基本同步发生,降水带来的潜热释放使得对流中心附近的上升运动不断加强,凝结潜热释放也随之增多,引起非绝热作用增强,导致局地位涡增加和低涡中心附近的正涡度逐渐加大,风场气旋性弯曲显著,低涡环流逐渐形成。

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向的影响

潜热释放的作用在温带气旋的研究中一直是研究的重点。江苏省气象台沈阳等以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700 hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。

初夏南亚高压中心经向位置年际变化的一个关键预测信号

基于欧洲中期天气预报中心的ERA-interim再分析资料,应用统计和动力诊断方法,分析了初夏南亚高压(SAH)中心位置年际变化规律及其与青藏高原东南部热源异常的联系.结果显示:初夏SAH中心位置具有显著的准6 a变化特征,但仅有其经向位置与初春青藏高原东南部(SETP)大气潜热活动存在显著的负相关关系;与偏强的初春SETP潜热活动相联系,异常的西风出现在青藏高原的南侧20°N附近,偏西风异常北侧的正涡度异常及其南侧的负涡度异常,加强了青藏高原附近的异常气旋以及印度次大陆半岛及印度洋上空的异常反气旋,这一异常环流形势可以从初春一直维持到初夏,不利于SAH向北移动,最终导致初夏SAH中心位置偏南;反之,初春SETP异常偏弱的潜热活动将以大致相反的物理过程,最终使得初夏SAH中心位置偏北.冬末春初的SETP潜热活动是预报初夏SAH中心经向位置年际变化的一个关键信号.

华南沿海2011年7月15-18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用

应用NCEP FNL再分析资料及位涡分离反演等方法,对华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中季风槽与中尺度对流系统的相互作用进行了研究.主要针对暴雨发生期间季风槽气旋性涡度向上发展的机理及其对季风槽维持发展和中尺度对流系统活动的影响进行分析。结果发现,季风槽的中尺度对流系统发展于弱斜压性环境中,大多在槽东西两端涡度中心区发展最强。南侧盛行的西南低空急流为对流反复发生提供了对流发展的"可维持性"条件,是对流得以组织发展成为中尺度对流系统的重要原因。涡度收支诊断表明,季风槽气旋性涡度生成主要由中尺度对流系统低层辐合引起。位涡分离反演结果证实,季风槽气旋性环流增强主要由与中尺度对流系统潜热加热相关的扰动位涡造成,并随着中尺度对流系统加热峰值高度升高而向上发展,是大尺度环流对中尺度对流系统潜热加热动力响应的结果。在季风槽东西两端,由于中尺度对流系统发展强烈且持续,具有更高的加热效率,引起的气旋性涡度向上发展最为明显。其结果可引起中尺度对流系统西南一侧向北非地转风发展,并在地转偏向力作用下增强西风,维持低空急流的发展,为对流反复发生提供条件。这些都说明季风槽大尺度环流与中尺度对流系统相互作用在中尺度对流系统和持续暴雨形成过程中有重要作用。

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。

2015年11月中国南方降水异常定量诊断

利用NCEP/FNL再分析资料和地面月降水量资料,应用局地经向环流诊断方程对2015年11月中国南方地区降水异常进行定量诊断,并结合对应天气形势分析了其形成原因。结果表明:1)潜热加热、平均纬向温度平流、平均西风动量经向输送是导致2015年11月中国南方地区持续性降水天气形成的主要物理因子;2)2015年11月来自热带海洋的水汽输送明显偏强,水汽在中国南方地区辐合抬升,其凝结潜热加热对经向环流上升支的正贡献较大;3)中国南方地区受孟加拉湾槽前的西南风和西太平洋副热带高压西北侧的西南风控制,以暖平流为主,是平均纬向温度平流对南方地区经向环流上升支起正贡献的主要原因;4)中国南方地区位于高空西风急流入口区反气旋切变一侧,受高层辐散抽吸影响,激发的上升运动是西风动量纬向平流对南方地区降水异常起正贡献的主要原因。

2010年6月江西一次持续性暴雨过程的定量诊断分析

利用常规气象站每6 h一次的降水资料和National Centers for Environmental Prediction(NCEP)Final operational analysis(FNL)资料,运用局地经向环流诊断方程对2010年6月17—20日江西的罕见持续性暴雨的两阶段降雨过程作了定量诊断分析,结果表明:潜热加热是造成两阶段暴雨最为重要的原因,且在第二阶段激发的上升运动明显强于第一阶段;经向温度平流、经向西风动量平流和边界条件对两阶段暴雨过程都有一定的正贡献;平均温度垂直输送和纬向西风动量平流在第一阶段为负贡献,在第二阶段转为正贡献。结合对应天气形势分析发现:500 h Pa青藏高原东南侧浅槽的生成、东移、加深,与减弱东南移的切断低涡合并形成东北西南走向的深厚低压槽(暴雨区位于槽前)是第二阶段潜热加热激发的上升运动较第一阶段强的主要原因;高空西风急流出口区(入口)反气旋切变侧的辐合下沉(辐散抽吸)是平均西风动量纬向平流在第一(二)阶段中为(负)正贡献的主要原因;平均温度由低层向高层(高层向低层)输送是造成平均温度垂直输送在第一(二)阶段中为负(正)贡献的主要原因;中低层暖平流激发的上升运动是平均温度平流在两阶段降雨过程中起正贡献的主要原因。

南海夏季风建立的数值模拟试验

利用中国科学院大气物理研究所全球谱模式(T42L9)对南海夏季风建立的过程进行了数值模拟试验.试验结果表明:通过青藏高原的动力作用和东南亚地区强大的潜热加热产生印度洋上跨赤道的偏南辐散风、高原南侧的偏西辐散风、高原东侧的偏北辐散风和西太平洋上的偏东辐散风,这4支散度流加强南海海域大尺度低空辐合,南海的雨季和西南季风爆发.

2018年5月江苏极端降水事件发生前副热带高压异常及原因分析

本文利用NCEP/NCAR提供的2.5°× 2.5°全球再分析数据,以2018年5月江苏两次极端降水事件发生前副高异常变化为研究对象,根据全型涡度方程定量计算了凝结潜热分布不均引起的涡源对副高迅速演变的诱发作用。研究发现,120°E处500 hPa 5月第1候副高脊线多年平均位置位于16°N附近,而2018年同期120°E的脊线则位于19°N附近,呈明显偏北的状态。2018年5月第1候东亚500 hPa位势高度距平场表现出南高北低的形态,有利于我国华东地区成为暖湿空气和干冷空气的交汇区,构成了江苏5月两次极端降水过程的有利环流背景。与对流层中层环流异常对应的是,同期115°~125°E之间850 hPa上8 g·kg ^-1 等比湿线位于28°N附近,较多年气候态偏北15°,强降水区内同期850 hPa比湿较往年偏多2~4 g·kg ^-1 ,相应距平百分率可达50%~75%。且110°~120°E之间θ se 的340 K等值线5月第1候多年气候态位于13°N以南,但2018年同期却偏北至25°N附近,暖湿气团北进有利于强降水的发生。副高西伸北抬前,副高主体西侧和北侧均有凝结潜热加热区存在,说明潜热加热与副高演变关系密切。垂直剖面表明600 hPa为凝结潜热加热中心,向上加热率随高度减小,因此500 hPa处潜热加热率垂直梯度为负,使得500 hPa成为负涡源所在。因凝结潜热分布不均产生的负涡源,1~2 d便可形成与副高自身十分接近的负涡度值,足以诱发副高突变,该时间尺度与副高真实演变时间相符。负涡源中与凝结潜热垂直分布不均相关的部分起主要作用,而与凝结潜热水平分布不均相关的部分同时期产生的负涡度最多仅为前者的1/3左右,对副高突然西伸的作用较小。与凝结潜热相关的负涡源作为引发西太平洋副高异变的可能原因,其与副高的关系仍需进一步研究。