涡度收支与潜热释放对西南低涡形成的作用

利用中尺度WRF模式对2008年6月30日—7月1日生成于川东南地区的一个西南低涡的发生发展过程进行了数值模拟研究。模拟结果显示低涡首先出现在850 h Pa上,几个小时后700h Pa上才有低涡生成,850 h Pa低涡的形成与西南低空急流有着密切的联系。通过ω方程的诊断分析表明,涡度的水平平流项和辐散项对850 h Pa低涡的形成起主要作用,而潜热释放对850 h Pa低涡的形成作用不大;潜热加热是700 h Pa气流不断辐合从而形成低涡的主要因子。干敏感性试验研究进一步证实了潜热释放对850 h Pa低涡的影响不明显,但是会导致700 h Pa上气旋性的切变加强辐合从而形成低涡。

气旋快速发展过程中潜热释放重要性的位涡反演诊断

本文分析了一次爆发性气旋过程中的位涡演变特征，揭示了凝结潜热释放对气旋人上工位涡柱形成所起的作用；通过数值求解位涡反演诊断方程定量诊断出气旋爆发性发展阶段，凝结潜热释放对低层降压和气旋式环流增强的重要影响。

爆发性气旋发展中斜压强迫与潜热释放作用的数值试验

本文利用一个六层原始方程模式对五例爆发性气旋的发展进行了数值试验，试验结果表明：斜压强迫是气旋爆发性发展的基本因子，而潜热释放的重要性则有较大差异。潜热释放的作用主要集中在两个方面：一是对低层的直接增暖，加强了上升运动；二是对局地斜压性的加强，促进了锋面、槽脊系统的发展，而这两者均有利于气旋的发展。

水汽和潜热释放对背风波影响的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS进行了理想场的数值模拟,分析研究了水汽和潜热释放对大气层结稳定度的影响以及其在背风波的发展和演变过程中的作用,研究发现,潜热释放对大气层结分布的影响要远大于水汽对大气层结分布的直接影响,如果没有潜热的释放,水汽对背风波的发展和演变的作用非常小,而潜热释放可以使湿层结稳定度急剧下降,迅速破坏原有的层结分布,使这个区域出现非拦截的强烈的垂直运动,波动的崩溃更加迅速和明显。但需要说明的是在试验中,将数值模式里控制潜热释放的参数设为:0、1/2、2的假定情况,则在实际的大气运动过程中是不可能存在的。

对流性暴雨形成前的三次潜热释放过程

波状低云区诱发的初始行星边界层内的中（小）尺度上升运动是浅薄和弱小的系统。要使浅薄系统向中、高空发展为深厚的暴雨对流运动，需要在大尺度有利环境支持下，经过二次潜热释放──①波状低云形成②孤立对流单体形成③强降水构造形成，才导致暴雨发生。二次潜热释放在云场上的表现十分清楚，是预报的重要指标和依据。

潜热和惯性不稳定与气旋爆发性发展关系的数值研究

利用PSU/NCAR MM5模式对1981年12月19日20时—21日20时一次太平洋西部气旋强烈爆发过程进行干过程和控制过程对比数值模拟试验,得出:潜热释放使对流层顶和等温面抬高,气流在高层上升冷却形成扰动槽,其适应过程使高层出现惯性不稳定。惯性不稳定总是伴随强惯性稳定区存在,两者产生的加速度场可形成高层辐合、辐散引起气旋加强以及降水加大,降水加强又使潜热进一步加大和扰动槽加强,从而导致惯性不稳定加剧。这种正反馈的过程有利于气旋的加深。

一次台风移出后MCC发展成因分析

应用FY-4A卫星云顶亮温(TBB)、自动站雨量资料和ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2020年第4号台风“黑格比”移出后在杭州湾生成MCC发展成因进行了分析。结果表明:(1)台风南侧的切变线辐合抬升作用以及南亚高压东部反气旋环流辐散抽吸作用,有利于中低空大气上升运动的增强,为MCC的发展增强提供良好的动力抬升条件;(2)低层台风北上后,其移动方向左后侧的冷空气南下,并与长三角地区的西南低空暖湿气流强烈交汇,斜压锋生增强,形成较强的上升运动;(3)受大陆高压东移影响,对流层中高层干冷空气东移,叠加在对流层中低空暖湿急流之上,形成了有利于MCC发生发展的大气位势不稳定层结;(4)切变线南端的西南低空急流不仅加强了低层大气的辐合和上升运动,更重要的是为MCC的发生发展提供丰富的水汽输送和汇聚;(5)水汽凝结潜热释放在MCC发展中起重要作用。水汽释放潜热加热大气,使上升运动增强,低层辐合进一步增强。低层水汽汇聚并不断向高空输送,补偿了高空凝结的水汽,潜热的不断释放,有利于MCC发展和维持。总之,台风中心移出后,台风南侧的切变线及其南侧的西南暖湿气流稳定地维持在MCC上空,为MCC的发展提供良好的动力和热力条件。

青藏高原东北侧冰雹微物理过程模拟研究

以青藏高原东北侧及毗邻地区诱发冰雹灾害的东移短小切变线天气过程为研究背景,采用中国科学院大气物理研究所三维冰雹云分档模式,用MM5V3中尺度气象模式提供冰雹云模拟研究所需的环境大气状况,模拟研究了冰雹形成和增长的微物理过程。结果表明:模式再现了当时冰雹、大风及暴雨的实况;中尺度水分和动力条件是冰雹形成和增长的重要因素,它们决定了冰雹云的强度和冰雹的大小;冰雹形成和增长过程中的微物理过程决定了冰雹云的消亡,冰雹在空中形成的潜热释放延长了降雹的时间;云中冰雹发生、增长的主要区域和云内上升气流配合良好,是防雹消雹的主要范围。

“7.20”华北特大暴雨过程中低涡发展演变机制研究

利用中国地面加密自动站观测资料、北京地区雷达探测资料、NCEP(1°×1°)FNL资料、ECMWF ERA Interim(0.125°×0.125°)逐日再分析资料等,对造成2016年7月19—20日华北极端暴雨中的低涡系统发展演变的结构特征和加强机制进行了研究。华北地区这次特大暴雨过程出现了3个阶段降水,其中与低涡系统强烈发展对应的第2阶段降水是本次华北暴雨过程的主要降水阶段。针对该低涡的分析表明:(1)850 hPa以西南低涡为中心的低压带中,在河南西北部新生低涡系统,并且其在向华北地区移动过程中显著加强,该低涡系统在空间结构上,从倾斜涡柱逐渐发展成近乎直立的、贯穿整个对流层的深厚低涡系统;(2)中低层低涡系统快速发展过程与高低空系统构成耦合作用有关:低层低涡系统显著加强之前,对流层上层(300—200 hPa)首先出现高空槽异常加深并向南发展,该高空槽发展的开始阶段与其本身冷暖平流造成的斜压发展过程对应;而后,随着高纬度平流层高位涡沿等熵面向南运动,造成华北地区对流层上层涡度增强,形成正位涡异常区;当这一正位涡异常区叠加在对流层中低层锋区上空时,造成对流层中低层气旋快速发展并向下伸展,诱发河南西北部的新生气旋;低涡系统的发展进一步强化了低空暖平流,促使低空气旋向东北方向发展"移动"(本质上是暖平流前端造成的气旋发展),这一动力学过程反过来使高层的涡度增强;这一正反馈过程形成的耦合环流不仅造成了整个涡度柱强度增强,而且垂直结构上逐渐由倾斜涡柱演变为近乎于直立的涡柱;(3)随着低涡系统增强,极大地加强了垂直上升运动并触发了对流,形成大范围的强降水,大量的凝结潜热释放,造成了低层低涡系统在强降水开始阶段的快速发展和增强;20日00时(世界时)以后,虽然对流活动显著减弱,但低涡系统的加深维持了大范围强降水过程的持续。强降水与低涡发展的正反馈过程是这次华北暴雨得以长时间维持的重要机制之一,这一过程形成的持续性潜热释放也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的重要原因。

水汽输送影响登陆热带气旋维持和降水的数值试验

Bilis (0 0 10 )是一个登陆后长久维持的热带气旋 ,其维持期间与一条西南风低空急流水汽通道长时间保持联结。用中尺度模式MM5V3对其维持过程进行模拟 ,并通过多个敏感性试验 ,研究不同方向水汽输送对热带气旋在陆上维持和降水的影响。结果表明 :外界持续的水汽输送有利于热带气旋气旋性环流在陆地上维持 ,减缓其登陆后的强度衰减。水汽输送通过影响热带气旋的热力结构来影响热带气旋强度 ,充沛的水汽供应有利于热带气旋暖心维持。外界水汽输送有助于热带气旋雨带中的强对流活动 ,使雨量加强。而对流活动过程中水汽凝结潜热释放是热带气旋获得能量继续维持的重要条件。结果还表明 ,南边界水汽输送对热带气旋维持和降水的影响最为明显 ,其次是东边界。来自北界和西界水汽的影响微弱。

登陆热带气旋研究的进展

随着大气探测技术的发展 ,登陆热带气旋研究已经成为热带气旋研究中一个新的领域。新的探测技术能初步揭示出热带气旋登陆过程中发生的多种改变。近年来 ,国内外科学家实施了一系列外场科学试验 (Fieldscientificexperi ments) ,对登陆热带气旋进行探测和研究 ,旨在提高预报的准确率。登陆热带气旋研究内容包括 :海岸和内陆山脉地形影响 ,结构和强度变化 ,登陆热带气旋的暴雨强度和分布 ,大风强度和分布 ,风暴潮强度和范围 ,登陆热带气旋在陆上的维持机制 ,陆地涡旋的路径和入海加强 ,边界层结构 ,陆面过程和能量交换 ,变性过程等。研究采用外场科学试验与数值模拟相结合的方法。模拟或预报模式中使用同化资料尤其是卫星同化资料来构造初值场 ,取得较好结果。登陆热带气旋的研究目前正在展开 ,并取得了一些重要结果。研究表明 ,潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源。这两种能量可分别从水汽输送和热带气旋与中纬度环流的相互作用中获得。另外 ,陆面饱和湿地或水面的潜热输送、热带气旋与中尺度涡旋或热带云团的合并以及高空流出气流强辐散也对其加强和维持有利。世界气象组织的热带气象研究计划 (TMRP)正在组织对这一领域的总结和下一步的研究计划。

一次地形作用产生的强降雨过程分析

20 0 2年 6月 2 4日夜间北京西南部地区的局地大暴雨是一次强地形雨 ,它是在对流层中低层有两层逆温以及边界层内中尺度低空急流与北京特定地形条件相互作用的情况下产生的。边界层内中尺度低空急流的发生、发展是低层偏东风与干、湿过程的“内边界效应”

2006年川渝地区高温干旱特征及其成因分析

2006年夏季，四川、重庆发生了50年一遇的高温大旱。利用中国730站中JII渝地区58个测站2006年1月1日～9月8日的逐日降水、日最高气温和NCEP再分析资料，探讨了这次高温干旱的特征及成因机理，重点分析了西太平洋副热带高压和大陆副热带高压的异常活动以及西风带与热带环流的特征。研究指出，东亚西风带扰动偏弱、偏北，青藏高原低涡活动减弱，使得川渝地区上空长时间受强大的副热带高压控制；2006年夏季副热带高压的加强和维持与菲律宾以东洋面及南海地区的对流加强、孟加拉湾地区降水异常增多导致的加热场异常密切相关。

两次高原低涡东移特征及发展机制动力诊断

应用NCEP再分析资料,进行物理量计算,并结合地面和探空气象资料以及卫星探测资料,从动力学角度分析2008年7月19—22日和2007年7月29日—8月1日两次高原低涡东移特征及演变机制,获得低涡东移发展或减弱的一些特征和机理认识。研究结果表明,低涡东移过程中,正涡度东传特征明显。低涡东移过高原后呈维持加强趋势,表现为低涡过高原前,深厚的正涡度层配合深厚的上升运动,以及对流层中低层较强的辐合;低涡过高原后,正涡度强度增加,对流层中低层的辐合、上升运动增大,对流层中高层的辐散增加。而低涡东移后呈减弱趋势,表现为正涡度强度、垂直上升速度较东移发展低涡要弱;低涡过高原后,正涡度强度减弱,整层的辐合上升运动减弱明显。低涡东移过高原,与低涡发展密切相关的正涡度带的维持、发展或减弱的动力机制主要受控于总涡源的发生、发展与减弱。辐合辐散流场维持发展,对总涡源有较大影响,对低涡维持发展有重要作用;地形的动力作用使其大地形后的背风坡更易低涡发展;涡区附近及以北盛行偏北气流有利于低涡发展;垂直涡度输送不利于对流层中低层低涡加强。分析还表明,冷空气触发大气不稳定能量释放,是低涡发展的重要机制;冷暖空气交汇导致辐合流场的维持和加强,是低涡得以维持和加强的重要因素。

2005年6月华南暴雨期间西太平洋副高西伸过程分析

利用NCEP/NCARⅡ逐日再分析资料以及我国实测的降水资料,对2005年6月华南暴雨期间西太平洋副高的西伸过程进行了分析。结果表明:副高的东西进退可能与暴雨过程存在某种联系。分析指出副高中心的下沉气流主要是由副高南北两侧雨带中凝结潜热释放效应所致的上升气流在高空下沉而产生的,副高中心垂直运动的出现有利于副高的加强。而副高南北两侧雨带不但可以加强副高,同时又会激发正涡度增长,限制副高在南北方向上的活动,此时西侧印度季风雨带则会在副高西侧激发反气旋性涡度发展,即可诱使副高西伸。因此,华南强降水和印度季风区降水的共同作用使得副高加强西伸。

热带对流热量与水汽收支的数值模拟研究

应用二维云分辨模式,数值研究了热带地区的对流活动,并诊断了热量和水汽的收支,发现在垂直温度平流和凝结潜热释放之间、垂直水汽平流和降水之间都维持着大体平衡,推断出质量加权平均温度及可降水分的局地变化分别由热量及水汽方程中的剩余项决定.机制研究表明,深对流与浅对流在热量及水汽循环中存在较大差异,深对流中水汽的凝结及潜热释放起着主导作用,而大尺度垂直平流的加湿和冷却在浅对流中发挥主导作用.最后讨论了对流触发后热量及水汽循环的调整机制.

梅雨锋上引发暴雨的低压动力学研究

对 1 998年“二度梅”结束前后长江中下游地区准静止锋上一次气旋发生发展过程进行了涡度收支的诊断分析。结果表明 :( 1 )风场 (尤其是辐散风场 )对该气旋发生发展有重要影响 ;( 2 )低层辐合场是直接决定气旋发生发展的动力因子 ,它导致低层正涡度制造 ,对气旋的发展起直接作用 ;( 3)涡度平流上正下负的配置和水汽凝结潜热释放 ,通过影响上升运动及低层辐合对地面气旋的发展起间接作用。在系列研究工作的基础上 ,提出了梅雨锋上第二类气旋 (低压 )

一次入海气旋快速发展的动力和热力学特征分析

利用扩展Zwack-Okossi方程(扩展Z-O方程)对2007年3月3-5日黄、渤海海上快速发展的温带气旋进行了诊断分析。结果表明,潜热释放和暖平流在气旋发展初期起主要作用,潜热释放是气旋接近爆发性发展的最主要强迫项,这与以往研究的主要受涡度平流强迫的中国沿海温带气旋不同,说明在中国近海快速发展的一部分温带气旋主要是由潜热释放项强迫的。绝对涡度平流在气旋发展后期才成为主要强迫项。进一步利用MM5模式模拟了潜热释放的作用以及其他一些影响气旋发展的因素,海表面热通量、水汽通量以及气旋路径上的地形对这次气旋的发展有积极贡献,但作用相对潜热释放较小。由于这种在中国近海接近爆发性发展的温带气旋容易造成风暴潮,因此利用动能方程对气旋发展中期的渤海大风进行了诊断分析。结果表明,动能水平平流是动能增加的主要作用项,但动能达到最大值后渤海海域的动能主要由有效位能转换和动量下传提供。

强对流风暴中同质冻结增温的直接探空观测

通过两个强对流风暴个例,利用探空资料辅以卫星反演方法,揭示了强对流风暴中同质冻结增温这一事实。探空观测到在强风暴中同质冻结潜热释放造成该层内的空气增温达5℃以上,风暴中强上升气流使云滴没有足够的时间长大,云水向雨水转化和云的晶化会被推到更高的高度,在到达同质冻结高度之前,异质核化过程没有太多的时间消耗大量云水,多数云滴被带到同质冻结高度以上时迅速冻结,造成潜热的集中释放,使周围的空气增温。NOAA卫星观测到的云顶的大量由同质冻结形成的小冰粒子以及过顶现象,进一步证实了同质冻结潜热增温。当探空仪靠近风暴、对流层顶又距同质冻结高度层较近时,同质冻结增温作用有可能被探空仪观测到。

变性台风LUPIT爆发性发展研究

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的FNL(Final Analyses)资料和WRF模式(Weather Research Forecast Model)对2009年0920号超强台风LUPIT变性后再次爆发性发展的现象进行了研究,详细分析了潜热加热在热带气旋变性为温带爆发性气旋过程中的作用。研究发现:潜热释放是气旋快速发展阶段的重要影响因素,潜热通过影响环流促使气旋的爆发性发展,较为深厚的对流系统使潜热释放的位置发生在对流层的中高层。热量释放之后,地面气旋上空高空槽前的西南气流向槽前高压脊内输送热量,造成高层等压面坡度增大,涡度平流随高度增加,涡度平流的增加又进一步促进了上升运动加强,有利于更多水汽凝结,释放潜热,使得气旋海平面中心气压快速降低。天气尺度低压系统与对流活动相伴随的潜热释放之间的相互促进的正反馈过程类似于热带气旋的CISK机制,这可能是热带气旋变性后爆发性发展的一种重要机制。