The Instability of the Vortex Sheet along the Shear Line

The traditional Kelvin-Helmholtz notion of studying the shear instability is not suitable for the case associated with shear line with the strong wind shear in the vortex sheet. Since then, the shear instability becomes theinstability of the vortex sheet. If the velocity is induced by the vortex sheet, the inequalities (1? R r + Ri d)> 0 and U(v,t)> U(A(t)) become the criterion of the vortex sheet instability. This criterion indicates that 1) the disposition of environment field restrains the disturbance developing along the shear line. 2) There exist multi—scale interactions in the unstable process of the shear line. The calculation of the necessary condition for the instability is also presented in this paper. Key words Shear line - Induced velocity - Instability of the vortex sheet This work was supported by the project on the study of the formative mechanism and predictive theory of the significant climate and weather disaster in China under Grant G 1998040907 and by the key project on the Dynamic Study of Severe Mesoscale Covective Systems sponsored by the National Natural Science Foundation of China under Grant No.49735180.

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素,通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应,但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性,基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型,以NREL 5MW风力机为研究对象,在额定风速条件下,研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上,对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明:风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大,同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小,并加快速度亏损恢复,降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果,使得尾流抬升,作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著,而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。

浙江连续两次暖区飑线发展机制分析

2022年4月25日连续两次飑线影响浙江且造成大范围风灾,研究连续飑线的发生发展对此类灾害性天气预报有重要参考价值。应用ERA5再分析资料、地面自动气象站实况数据、云顶亮温资料和多普勒雷达数据,分析连续飑线发展过程及机制。结果表明:连续两次飑线(按照飑线发生先后顺序分别称“飑线1”和“飑线2”)是在高层急流辐散区内、中层槽前、低层低涡南侧和西南急流轴顶端的暖区中发展起来的。飑线1为中β尺度飑线,初生阶段受高层干侵入和近地面弱冷锋触发,底部出流与杭州湾东南风强入流造成的中尺度辐合线和低层垂直风切变促使其移动过程中逐渐增强;飑线2初生到成熟阶段从中β尺度升至中α尺度,其初生与上游对流系统移入有关,受高层干侵入、低层垂直风切变、飑线1后部弱冷锋辐合线和上游回波并入影响,成熟阶段出现升尺度增长现象,当垂直风切变减小,且飑线2北段入海移速加快后,飑线2出现断裂。

呼伦贝尔市2次强降水过程对比分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料,对呼伦贝尔市2022年7月4-9日和7月12-15日2次降水过程进行了对比分析,从大气环流背景和动力条件等方面探究了2次降水过程成因异同。结果表明:2次降水均呈现出降水持续时间长、范围广、强度大、局地性强的特点,其中4-9日过程影响系统为高空冷涡配合中低层低涡切变线,且系统较为垂直,地面为配合冷暖锋的地面气旋;而12-15日为高空冷槽影响,且中低层的低涡切变和中高层的冷槽有一定距离,即冷暖空气交汇面大,地面受气旋顶部倒槽影响。

高空冷涡强迫下连续降雹的环境场特征及成因诊断分析

分析和探讨了2017年7月22—26日呼伦贝尔地区冰雹天气过程的特点、环流形势及要素场特征及形成机理。结果表明:欧亚中高纬度为两槽一脊、副热带高压位置与常年相比偏北偏西偏强。500 hPa上,冷涡的维持和发展南压是此次强降雹天气的主要影响系统。500~850hPa高度场和风场上都有封闭的低涡。500hPa冷槽叠加在850hPa弱暖脊上,地面对应有低压倒槽,地面辐合线为中尺度天气系统的触发条件,是此次产生连续降雹的原因。冰雹发生期间:整个环境场上干下湿,低层700 hPa存在≥18.0 m/s的偏南风急流,且中低层有很强的风垂直切变,风矢差达到20.0 m/s,850~500 hPa温度差大,平均达到25.0℃以上,0℃层高度较低。此次连续降雹形成于中层850~500hPa对流不稳定环境中。

一次东北冷涡暴雨的成因分析

利用常规观测资料、MICAPS资料、NCEP/NCAR1°×1°逐6 h再分析资料,从热力动力条件、层结条件等方面,对2022年6月4—5日内蒙古东南部地区的一次东北冷涡暴雨过程进行诊断分析,得出产生暴雨的天气尺度和中尺度系统特征。结果表明:此次暴雨是由东北冷涡前部暖湿切变造成的,鄂霍次克海阻塞高压阻挡,使冷涡移动缓慢,冷涡系统影响时间长、降水量增大。暖湿空气在切变处强烈辐合,与高低空急流耦合产生的次级环流上升支重合,地面中尺度切变线为暴雨云团的发展与维持提供了有利条件。低层强辐合区与高层强辐散区重合,为暴雨产生提供了动力条件;低空偏南急流为暴雨提供了充沛的水汽条件,同时低层增温增湿使大气层结不稳定。

“987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟

１９９８年７月２０～２３日（简称“９８７”），发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的。该过程与 ５００ ｈＰａ短波槽和 ７００ ｈＰａ低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相关。对该过程采用非静力ＭＭ５的二重网格双向嵌套进行了全物理过程的数值模拟，其中，可分辨尺度降水采用Ｒｅｉｓｎｅｒ混合相微物理显式方案，次网格尺度降水采用Ｇｒｅｌｌ积云参数化方案。双向嵌套的细网格模拟结果揭示，武汉周边地区的特大暴雨与 ７００ ｈＰａ上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联。该低涡具有明显的动力－热力结构特征：特强上升运动与饱和气柱互耦，超强散度柱与强涡柱耦合发展，湿静力不稳定与湿对称不稳定共存，深对流湿气柱内云团发展的微物理场结构比较典型。细网格域内前 ３６ ｈ的降水分布和雨强与观测的大体相应，扩展域细网格的降水模拟明显改进了原细网格的模拟，特别是雨带。这一结果还表明，对持续时间较长的大暴雨，大尺度过程对中尺度系统的影响是重要的。

一次江淮切变线暴雨过程的数值模拟与诊断分析

采用非静力中尺度模式WRFV3.3对2010年7月12-13日一次江淮切变线暴雨过程进行数值模拟,分析了暴雨形成的大尺度环流条件、中尺度气旋演变,并对涡旋与变形场的相互作用指数VDI与降水之间的关系进行了探讨。结果表明:本次暴雨过程为典型的切变线降水过程,是在高层200 hPa强大的南亚高压稳定少动,中层500hPa短波槽生成东移、西太平洋副热带高压维持的背景下,由低层700 hPa和850 hPa切变线上中尺度低涡以及地面梅雨锋扰动的共同作用造成的。WRFV3.3较好地模拟了本次暴雨过程的雨带和暴雨中心。中尺度气旋发生于长江中下游呈东北-西南走向的切变线上,暴雨发生于700 hPa切变线南侧、低空急流轴的左侧,急流轴上的大风速中心与1 h雨强有较好的对应关系。中尺度涡旋与大风速中心之间存在着明显的相关性,风速增强,涡旋增强。VDI指数对降水中心和强度有较好的指示性,有助于在实际预报业务中对降水中心和强度做出正确判断。

2008年6月20—21日一次β中尺度切变线、低涡降水机制研究

利用WRF中尺度数值模式,模拟2008年6月20—21日江淮一次β中尺度切变线、低涡降水过程。分析发现:低层大尺度的0.5×10-6m2.s-1.K.kg-1的大值位涡为切变线暴雨提供了背景场,在其南部边缘,低层的切变辐合及云水形成的非绝热加热,导致了正位涡的增长,使低层正涡度加大引起降水加强。低层的正位涡通过上升运动向上传递,导致了高层位涡正异常,高层位涡的正异常又可导致低层的气旋性涡度进一步加大并使降水加大;β中尺度低涡的生成与大别山地形关系不大,主要是由对流层高层正位涡异常引起,但是低涡的维持及降水与大别山的地形坡度密切相关,当地形平坦时,不利于低涡维持和降水加强,当具有大别山的地形坡度时,不论山脉的高低都有利于低涡维持和降水加强。

2003年7月3日梅雨锋切变线上的β-中尺度暴雨云团分析

利用多种气象卫星遥感资料及加工产品,对2003年7月3日产生在皖北的暴雨过程进行了中尺度分析。分析表明:在切变线云带上有11个β-中尺度对流云团发展,水平范围约100 km,生命史约5 h;其背景场是整个对流云区内具有高湿、正涡度和上升运动的特征,它们促使切变线内高湿斜压不稳定能量释放,促使β-中尺度云团发展,产生很强的降水,云团的水凝物廓线上部的可降水冰和云冰含量很高,最大值达0.8 g/kg,最大高度达18 km,云顶亮温低于-80℃。

20世纪90年代华北大暴雨过程特征的分析研究

首先对1960～1999年的华北夏季暴雨过程进行了统计分析,之后,又进一步对1990～1999年造成夏季特大暴雨过程的天气形势进行了分型研究.结果表明,从20世纪60年代到90年代夏季每10年发生的暴雨和大暴雨次数基本相当,40年中山西和河北的北部暴雨发生次数在20次以上,沿海地区暴雨发生次数为60～100次.1990～1999年的6～8月华北地区发生大暴雨共39天,大体可分为5型:1型为台风与低槽(低涡)远距离相互作用;2型为低涡(登陆台风)与西风槽相互作用;3型为登陆台风北上受高压阻挡停滞;4型为低涡暴雨;5型为暖切变暴雨.其中,台风和低涡是主要影响系统.最后,对北京夏季的暴雨过程也进行了统计和分型研究.40年中有7年未发生暴雨,而最多的年份发生了5次,存在很明显的年变化.研究表明,尽管北京暴雨具有华北暴雨的共同特征,但也有北京地区的特点,如以暴雨频次而言,最多的是低涡暴雨,其次是台风与低槽(低涡)相互作用型.另外,低槽冷锋暴雨也是一类值得关注的系统.

甘肃陇南两次不同强度暴雨天气的中尺度特征分析

利用常规观测资料、自动站地面加密观测资料、卫星云图和NCEP 1°×1°再分析资料,分析了2009年7月16-17日发生在甘肃陇南连续两次不同强降水天气过程的中尺度系统——武都涡、中尺度切变线的发生、发展过程,探讨了两次不同强降水天气过程的云图特征和水汽、热力及动力等物理量场差异,提出了这一类暴雨、大暴雨天气过程的预报着眼点和思路。

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂,但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距,存在模式误差。在以往的研究中,模式误差往往被忽略,在集合卡尔曼滤波同化系统中,如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差,研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加,而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。

2000年7月西南涡暴雨过程的分析和数值模拟

对2000年7月1～8日西南涡暴雨过程进行了大尺度分析,并利用中尺度暴雨模式MRM1对这次过程进行了数值模拟,结果表明,这次西南涡暴雨过程分为两个阶段,分别对应着两次冷空气南下。暖切变线的南北摆动是发生大暴雨的一个重要原因,而西南急流核的向北传播导致雨区向北传播。模式成功地模拟出了中-α尺度的低涡、切变线,沿暖切变线的强烈倾斜上升气流、中尺度正涡度以及水汽通量散度辐合柱状结构,这些对暴雨的发生提供了动力和水汽条件;而沿低空急流轴的狭长暖湿舌,其北部的干冷区构成的南北向能量锋区,以及较强的中低空不稳定层结是这次暴雨持续发生的重要条件。

2000—2007年夏季青藏高原低涡切变线观测事实分析

利用2000—2007年共计8年的逐日08:00和20:00 500 hPa高空资料,结合地面降水资料和TRMM资料,对高原低涡切变线进行了普查分析,获得了对高原低涡切变线活动的一些新的认识。(1)在青藏高原上,切变线活动比低涡活动更活跃。(2)21世纪初的8年间,低涡、切变线出现个数最多的在6月,最少的在9月。2002年和2006年分别是高原低值系统相对活跃和相对不活跃的年份。2006年川渝持续的高温干旱可能与高原低值系统活动不活跃有关。(3)低涡、切变线生成的源地分析表明,高原低涡、切变线主要出现在海拔高度较高和地形坡度陡峭的地区,高原加热和陡峭地形的动力作用可能是低涡、切变线形成的原因之一。(4)高原低涡、切变线不易移出高原。低涡移出,主要是伴随低涡切变线过程东移。(5)低涡、切变线经常相伴或相继出现,对高原及高原以东天气产生重要影响。

高原低涡移出高原后持续活动的典型个例分析

利用1°×1°NCEP/NCAR再分析资料,选取500 hPa分别为西风槽、切变线和切变流场影响背景下、移出高原后维持48 h以上的3次典型高原低涡个例,分析了低涡维持期间500 hPa环境场、主要影响系统、涡度与温度平流、200 hPa形势场及垂直动力结构,并利用涡度方程对总涡源和各强迫项进行了诊断分析,结果表明:(1)西风槽影响时高原低涡移动路径受槽前西南气流引导,切变线影响时低涡沿切变线自西向东移动,切变流场影响时低涡移动主要受西太平洋副热带高压(下称西太副高)进退的影响,当西太副高出现明显西伸时,可导致低涡折向西退,3次个例均持续有正涡度平流和冷平流向涡区输送;(2)西风槽和切变线影响时南亚高压为东西带状分布,切变流场影响时南亚高压为北拱形;(3)高原低涡东移发展达到最强时,3次个例在200hPa均有低槽或低压叠加,从而形成深厚的正涡度柱;(4)500 hPa存在正涡度变率中心,低涡沿正涡度变率中心方向移动,高空槽和切变流场影响时正涡度变率主要来自水平输送项,切变线影响时主要来自辐合辐散项。

影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征

利用合成方法对３次西南涡过程的流场、温湿场和涡度场等结构进行了分析。结果指出：沿切变线存在风场的中尺度扰动，低涡的尺度为２５０—３００ｋｍ。中低层有两支不同性质的气流流入低涡区，降水主要发生在低涡移动方向右侧的两象限。温湿场和铅直流场在低涡区呈现明显的不对称分布。

梅雨锋中尺度切变线雨带的动力结构分析

利用密集的地面观测网资料以及中尺度数值预报模式输出产品 ,分析了 1 991年 7月 8～ 9日江淮地区梅雨锋中尺度切变线雨带的中尺度动力结构。发现沿切变线走向有一条中尺度涡管 ,位于对流层中低层 ,高度呈波状起伏。波峰处有较强经向环流 ,强降水位于波峰附近的经向垂直环流之下。降水强度与涡管强度密切相关 ,涡管增强时降水增强。涡管强度与中低空的条件性对称不稳定有关。

“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 。

2009年2月辽宁一次暴雪过程动力条件诊断

应用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2009年2月12—13日辽宁暴雪过程的主要影响系统(850 hPa切变线)进行动力诊断并研究其演变特征。结果表明:辽宁中西部切变线东南侧、江淮气旋顶部暖锋附近对应强降雪中心;切变线与正涡度区相对应,正涡度带合并、发展并向偏东方向移动,影响切变线的加深发展和东移;850 hPa正涡度中心先于强降雪出现,具有一定预报意义;正涡度带及其中心的生成与发展的动力机制主要受总涡源的影响,涡度变率较涡度更能提前并准确地反映暴雪切变线生成、发展的物理过程;涡度垂直输送和绝对涡度的散度效应对于正变涡的贡献显著,而绝对涡度的散度效应是正涡度变率的主要强迫源;正变涡的减弱主要来自扭转项,抑制了系统的发展。