β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 I.涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时,大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征。在大气层结比较稳定的情况下,如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流),此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播,甚至于快速向东传播。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次切变,可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式,涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的。涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变,亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致。涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关,它的能量是频散的,其在纬向x方向也存在群速度。在基本流场的风速存在二次切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定;而在基本流场的风速仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定。

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。

垂直向基流二次切变对梅雨锋中尺度低涡暴雨系统的影响

β中尺度低涡是引发长江中下游地区梅雨锋暴雨的主要中尺度天气系统之一,采用实况统计与数值模拟相结合的方法,对1999—2005年长江中下游地区梅雨期间23个低涡暴雨过程进行分析得出:暴雨一般都发生在中低层低涡南侧的西南急流里,急流的强度和位置直接影响降水落区和强度,低涡所激发的涡旋Rossby波在急流里传播时引发不稳定,产生强降水。根据基本流场风速二次切变理论,进一步研究表明:大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变,而这种情况正是涡旋Rossby波产生的物理根源。当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)>0,且高层200 hPa附近引导气流比较强时,低涡移向东北偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)<0,且中层急流比上下层略强,即U_(ZZ)绝对数值很小,低涡移向东南偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)<0,且中低层急流相对于高层急流很强的时候,低涡移向西南向;当垂直向基流在中层的急流很强,上下急流不明显时,低涡移向西或西偏北。因此,垂直向基流风速二次切变是影响梅雨锋中尺度低涡路径的关键因子,这一结论对于梅雨期间低涡暴雨落区预报有很好的指示意义。

热带低层弱涡旋中扰动的快速发展及其向中心传播的特征

台风发生的必要条件是热带低层具有气旋式扰动,从卫星云图和诊断分析看,许多低层涡旋中存在分立的云团或中尺度系统.这些涡旋能否发展成为台风,取决于其中的中尺度波动是否发展集合组成密闭云带.本文利用柱坐标下的两层动力模式,研究了低层弱涡旋中第二类条件不稳定机制驱动下的波动的发展和移动问题.结果表明:热带弱涡旋中的低层基本流垂直切变可以很大地加强波动的不稳定性;波动的相速度和群速度都指向涡旋中心,波动向中心传播,能量向中心频散.实例和数值研究也都表明,低层涡旋中的中尺度扰动会迅速发展并且向中心靠近,促使台风形成.

CISK,EVAPORATION-WIND FEEDBACK MECHANISM AND 30—60 DAY OSCILLATIONS IN THE TROPICAL ATMOSPHERE

A baroclinic semi-geostrophic model with evaporation-wind feedback mechanism(EWFM) and CISK is established,two non-dimensional parameters a and η are introduced to represent EWFM and CISK,respectively.Analytic solutions of the model system are obtained,dynamics analyses and the model atmosphere calculations further confirm that EWFM and CISK are very important physical processes in leading to the low-frequency oscillations in the tropics.