Numerical simulation of Meiyu front and the diagnosis of moist vorticity vector

Moist vorticity vector is introduced to study the development and evolution of mesoscale convective vortex (MCV) in the Meiyu front precipitation with the Advanced Regional Predication System (ARPS). In this study, the heavy rainfall is simulated to investigate the genesis, development and dissipation of middle scale convective vortex, which occurred from 0000 UTC 3 July to 1200 UTC 5 July over the Jianghuai River valley. Moist vorticity vector (MVV) has zonal, radial and vertical components in its 3D spatial distribution. The simulation shows that the vertical component of moist vorticity vector well demonstrates the spatial distribution characteristics of middle scale convective vortex, especially in the process of Meiyu front precipitation. Diagnosis upon zonal, radial averaged and mass-integrated quantities of MVV shows that its vertical component and the surface precipitating ratio are in phase with a correlation coefficient of 0.68, indicating that the vertical component of MVV is closely associated with the Meiyu front precipitation. In addition, the tendency of the vertical component of MVV is mainly determined by the interaction between the vorticity and the zonal and radial gradient of condensational or depositional heating.     

Diagnostic analysis of the asymmetric structure of the simulated landfalling typhoon "Haitang"

The landfalling processes of Typhoon "Haitang" near Lianjiang of Fujian Province of China from 00 UTC 19 to 12 UTC 20 July 2005 were reproduced by using the nesting non-hydrostatic WRF model and data assimilation technology (Level II Doppler radar data of Changle of Fujian Province are assimilated to the simulation every one hour from 01 to 06 UTC 19 July 2005).The mesoscale structure and evolution of the typhoon before,during,and after its landfall were discussed.The simulation data show that the assimilation experiment with the high temporal-and-spatial-resolution radar radial velocity and reflectivity data can produce much better simulation of the typhoon track,intensity evolution and landfalling location than the control experiment without assimilating radar data.By using the assimilation experimental data,the mesoscale fine-mesh structure and evolution before and after typhoon landfall were analyzed.Because of the influence of sea-land thermodynamic difference,two asymmetric convective regions were located at ocean and land,respectively.To better understand and investigate the asymmetric-structure characteristics of the landfalling typhoon,several dynamical diagnostic tools,the helicity (H),the moist potential vorticity (MPV),the convective vorticity vector (CW),the moist vorticity vector (MVV),which are associated with the development of strong convections,are introduced.Further analysis illuminates that the distributions of these physical diagnostic parameters are totally asymmetric,and subsequently,the associated convections also show distinct asymmetry.     

基于EOF和REOF分析江淮梅雨量的时空分布

基于江淮梅雨区域50个气象台站1960-2002年的梅雨量资料,利用EOF、REOF展开方法,分析了江淮梅雨降水的空间分布及时间演变特征.EOF展开方法表明江淮梅雨前三个特征向量累积方差贡献比例为88.9%,其主要特征是三个特征向量场呈现纬向带状分布;第一特征向量场空间分布均为正值,说明江淮梅雨量的干湿变化具有一致性,但是各特征向量场之间的特点相差明显.REOF展开方法表明可以把江淮梅雨划分为6个典型的梅雨量场;后一个时间系数序列的变化幅度比前一个时间序列要小;主成分旋转后载荷要比旋转前分布均匀得多;第一时间系数的变化等同于各站平均梅雨量变化.     

1998年二度梅雨锋的演变及结构特征

应用气象常规资料对1998-07-21-24日暴雨时段的二度梅雨锋的演变和其不同阶段的水平、垂直结构进行了诊断分析,确认了二度梅雨锋结构的一些普遍特征,如在对流层低层表现为θe锋而不是温度的强烈对比;同时揭示了1998-07的二度梅雨锋结构不同于一般梅雨锋的典型特征:700 hPa以下的梅雨锋向南倾斜或近乎垂直,切变线位于梅雨锋南侧,梅雨锋具有相当正压性.结果还表明:1998年二度梅雨锋结构不同于温带锋面结构,而是更倾向于赤道辐合带的性质,并且在各个阶段其结构并不完全相同.     

中尺度冷涡切变暴雨多普勒雷达特征分析

利用天气形势场、物理量场、新一代雷达产品资料对2008年7月17日下午到夜里,豫北、鲁西、冀南地区出现的区域性暴雨天气进行多尺度诊断分析.分析结果显示:较弱的冷性低涡切变本身并不能造成强降水天气,当低涡东移遇副热带高压西北边缘较强暖湿气流时得到加强,在低涡东侧副热带高压边缘切变上产生暴雨天气.冷涡暴雨低层有明显的东北气流冷垫,加强了其动力上升运动,水汽输送依赖于对流层中层的西南气流,中层水汽辐合非常明显.在新一代雷达产品图上显示:较稳定的大范围中等强度回波能产生较强降水.中低层风场为暖平流加辐合,有利于暴雨的形成,中低层较大的垂直风场切变给对流云的形成提供动能,有利于暴雨的产生.     

Diagnostic analysis of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China with convective vorticity vector

By the vector product of absolute vorticity vectors and equivalent potential temperature gradients, a new vector, convective vorticity vector (CVV) is readdressed after Gao et al., and is applied to the study of the development and movement of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China by using high-resolution simulation data with PSU/NCAR MM5 briefly. The results show that the CVV, especially its vertical component which is closely related to interactions between vertical secondary circulations and horizontal equivalent potential temperature gradients, may be a good tracer and diagnostic tool in the study of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China. And the main physical processes responsible for the variations of the vertical component of the CVV are discussed briefly based on its tendency equation proposed in this article.     

一次特大暴雨中尺度系统结构特征和机理分析

为了研究“04.6”湖南特大暴雨过程的发生发展机理,在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM 5-V 3.6对本次过程进行了数值模拟。结果表明:高分辨中尺度模式MM 5可以较好地模拟中尺度低涡切变线的发生和发展。模拟结果显示,中尺度低涡发展过程中,不断有扰动在低涡前部发展,并激发出强烈的中尺度对流系统M CS(m esoscale convective system)。暴雨区上空具有同向双圈垂直环流结构特征,使中尺度对流系统更加组织化。根据湿位涡守恒和倾斜位涡发展理论分析了暴雨和M CS形成和发展的原因。对流不稳定和条件对称不稳定的建立以及对流有效位能的集中释放是此次特大暴雨产生和持续发展的重要条件。     

中国东部地区一个中尺度对流涡旋的涡度收支分析

中尺度对流涡旋(MCV),与其他中尺度涡旋不同,有着其独特的动力机制与发展途径.一旦MCV形成,极易产生灾害性天气过程.为了解我国的MCV,使用非静力中尺度模式天气预报和研究模式对中国东部2003年7月4至5日降水过程进行了高分辨率的双向三重嵌套的数值模拟.与观测资料比较,模拟结果较为准确地再现了当时的大气状况.采用了空间滤波的方法对模式结果进行了大尺度背景场与中尺度扰动场的尺度分离,对MCV的结构与移动进行分析,并追随MCV的活动对其的涡度收支情况进行诊断分析.分析表明,大尺度背景场与中尺度扰动场对MCV的作用有着明显的差异.MCV的移动由大尺度背景风场引导;其中辐合作用直接决定了MCV的形成与发展,大尺度水平运动对中尺度涡度的水平输送为水平平流项的主要部分.而由垂直风速的水平变化所导致的水平涡度的倾斜作用在此MCV形成与发展阶段作用并不明显.成熟时的MCV与成熟时的中尺度对流复合体类似有着3个明显的环流,在对流层高层与低层均为辐散反气旋性环流,对流层中层则为较为深厚的气旋性环流.     

1998年夏季江淮地区强暴雨过程的湿位涡诊断分析

为了研究梅雨期江淮流域暴雨发生发展的特征,利用HUBEX资料,根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论,分析了江淮地区2次强暴雨的发生发展的原因。结果表明：2次暴雨是在不同性质的层结状态下发生的,其湿位涡的分布有较大差异。在局地对流稳定条件下,暴雨区上空对流层中、低层Pm1＞0,Pm2＜0,并且（Pm1）的绝对值＞（Pm2）的绝对值,对流层中、低层的垂直风切变和大气的斜压性使垂直涡度显著发展,导致暴雨发生。在局地对流不稳定的条件下,暴雨区上空对流层中、低层Pm1＜0,Pm2＞0,也满足（Pm1）的绝对值＞（Pm2）的绝对值,暴雨过程是对流不稳定和斜压不稳定共同作用的结果。无论是对流稳定或不稳定的强降水过程,Pm1和Pm2均能反映出降水的触发机制和特征,对于暴雨的预报和诊断具有指导意义。     

黄石地区梅雨期一次持续暴雨过程的诊断与分析

利用降水实况数据和NCEP（1°×1°）再分析资料对黄石地区2010年7月11日暴雨过程分别从水汽、热力、动力条件着手进行了诊断分析。分析结果表明：本次梅雨期暴雨的水汽累积过程从10日开始,降水期间上空有水汽通量辐合中心存在,并有低空急流与水汽辐合中心配合;暴雨期间,湿层厚度一直延伸至600hPa：850、700、500hPa的假相当位温θse在鄂东南均超过了350K,且500hPa与850hPa的θse差值为正值,表明该次降水是一次稳定的暴雨过程;暴雨期间中低层形成了明显的θse能量锋区;湿位涡分析表明：湖北黄石处于高温高湿的对称不稳定区,不稳定能量大量释放,产生强烈的上升运动,造成暴雨。     

长江中下游梅雨期热量和水汽收支研究

分别计算热量和水汽收支方程,得出1991年长江中下游梅雨期(5月18日至7月13日)降水区内面积平均的视热源Q_1和视水汽汇Q_2高度时间剖面图,由该图的垂直分布特征,可以看出梅雨期可分为三个降水时段,每个时段加热的强度和垂直分布形式互不相同,其中第三时段明显呈现典型对流性降水性质。其次对收支方程垂直积分,得出105—122°E,24—40°N区域第三时段内Q_1和Q_2高度-时间积分的水平分布图,两者水平分布形式比较一致,且与实际降水量分布较为吻合,说明加热场主要由凝结加热过程所致,同时也证实上述Q_1和Q_2的计算结果是可靠的。     

中国东北冷涡背景下连续发生的中尺度对流系统的组织演变特征个例分析

使用雷达、地面加密观测、探空数据和ERA5再分析数据研究2009年7月22日0400—2400 UTC的21小时内东北冷涡后部在京津地区连续发生的4次中尺度对流系统的组织形态演变和中尺度环境特征。研究结果表明, 在东北冷涡后部稳定的西北气流背景下, 由于东北冷涡后部对流层中层西北气流中的浅槽、其在对流层低层发展的低槽和低涡以及对流层低层高压脊西北部的西南暖湿气流与冷池之间复杂的相互作用, 导致4次过程中强对流的组织形态各异。第一次过程受冷涡西侧一个浅槽锋生影响, 在河北北部形成西南?东北走向弱对流线, 对流线位于北京北部的对流发展较强, 移动迅速, 发展为超级单体和弓形回波, 其冷池出流和西南暖湿气流辐合形成西北?东南走向的后部增生型组织形态, 横贯京津地区。第二次过程是第一次过程位于北京南部的冷池出流触发, 形成超级单体, 之后受第一次过程冷池向西出流的影响, 产生西南?东北走向的后部增生型对流线。第三次过程发生在第一个浅槽造成对流层低层低涡发展的环境下, 低涡西侧的偏北风与低层高压脊北部的偏南风在冷池上面辐合, 造成多条平行的西北?东南走向的后部增生型对流线, 产生列车效应, 造成天津的强降水。第四次过程由冷涡西南部的又一个浅槽锋生和冷涡在天津北部调整出的切变线共同触发, 两个初始的西南?东北走向对流线合并形成一条西南?东北走向的线状对流, 最后南侧的对流发展为弓形回波。4次过程中出现的弓型回波部分还具有弓箭回波结构特征。     

青藏高原上空对流云特征的初步分析

利用常规地面观测资料、高空资料以及卫星云图资料,通过2010年7月与2011年7月的云图对青藏高原及周边地区对流云和中尺度对流系统的活动进行初步研究,分析了青藏高原上空对流云的特征.结果表明:①青藏高原上的对流过程是在特定的环流背景下受西风带500 hPa低槽、700 hPa切变线、850 hPa低涡以及地面图上中尺度低涡和地面静止锋的共同影响造成的;②对流云产生不仅与水汽条件有关,还与不稳定层结条件和抬升力条件即触发机制有关;③对流云的发生发展具有明显的日变化.     

基于自组织映射的梅雨期西太副高分型及降水特征研究

为了研究梅雨期西太副高的变化特征及其对梅雨降水的影响,本文利用1951-2016年西太副高监测指数,采用自组织映射（self-organizing map,SOM）方法对梅雨期西太副高进行聚类分析,得到9种SOM分型,并利用中国1km分辨率逐月降水量数据集和中国雨季历年信息表进行不同西太副高分型下梅雨降水的特征分析。结果表明,9种梅雨期西太副高分型对应着多种不同的梅雨降水特征：纬向上,当西太副高偏东时,梅雨区降水强度偏低,反之则强度偏高。经向上,在西太副高主体位于我国陆地的前提下,脊线指数高于25°N时,梅雨区大部被副热带高压控制,整体降水偏少且有小幅度南少北多态势;脊线指数偏低时,副高控制梅雨区南部边缘或更南地区,水汽输送导致降水整体偏多。本文得到了不同类型副高与梅雨降水特征的对应关系,也说明SOM方法能较好地对副热带高压等气象要素做出客观分型,并进行气候现象的相关性研究。     

2010—2012年河南省驻马店市短历时强降水的形成原因及物理模型的建立

针对驻马店2010—2012年出现的54次短历时强降水过程,研究了其时空分布特征、天气背景和环境条件,从形成机制上将其分为暖区对流系统和锋面对流系统两类,同时对短历时强降水的天气雷达产品如反射率因子、径向速度场、垂直积分液态含水量、风暴跟踪信息等特征进行了详细的分析,并以此建立短历时强降水的物理模型;对预报中的失误之处进行反查,整理出了此类天气的天气模型和预报思路,为以后准确预报短历时强降水天气提供科学借鉴.     

一次梅雨锋暴雨在不同物理过程下的模拟结果比较

本文研究对象为2005年7月江淮流域的一次梅雨锋暴雨,通过选择WIKF模式中五组不同的微物理方案和积云参数化方案,进行两重网格嵌套模拟。并对模拟结果进行诊断分析。通过比较得出如下结论：Betts—Miller-Janjic方案与Ferrier（new Eta）微物理方案的组合最能模拟出降水雨带的方向、位置和雨量,其次是New—Kain—Fritsch和Ferrier（new Eta）方案的组合,而且细网格的模拟效果更好;积云参数化方案的选择比微物理方案的选择对降水模拟的影响大;当微物理方案相同时,Betrs—Miller-janjic方案比New—Kain—Fritsch方案在细网格模拟下更准确反映梅雨锋暴雨的热力结构和垂直运动的特征,对暴雨的落区有一定指示作用。     

简单α效应的α-ω发电机解和活动区涡度的观测

本文介绍了一个基本的α-ω发电机的数值解,探讨了这种模型中极向场和环向场耦合形成的螺度表征量随太阳活动周的变化,与之前观测中所呈现的螺度参数随纬度和时间变化的特征相吻合.其后,使用太阳动力学天文台日震磁场成像仪的时距日震学方法获得的24太阳活动周的矢量速度场,计算了平均涡度随纬度和时间的变化,观测结果显示涡度在南北半球的符号有相反的特征,另外, 2010–2016平均涡度随纬度逐年的平均变化显示了在不同年份,轮廓线显然不完全重叠.这表示太阳上实际的流体涡旋运动可能存在更为复杂的与时间有关的过程.     

2012年7月4-5日河南省驻马店暴雨过程分析

利用MICAPS常规资料、NECP再分析资料、雷达回波资料,对2012年7月4-5日河南省驻马店暴雨过程进行诊断分析,资料表明：此次暴雨过程是受副热带高压边缘西南气流和中低层切变线的共同影响,高空槽后带来的冷空气与西南暖湿气流在淮河流域上空交汇,促使不稳定能量爆发,从而产生中小尺度强降水.在新一代天气雷达上,则表现为对流性降水回波,回波呈块状结构,强度大,中心强度为59 dBZ,对流高度12 km .从回波连续演变来看,整个回波云系随着低槽的东移南压,移速25 km/h .径向速度图上,最大负速度入流为-39 m/s,最大正速度出流为24 m/s,入流绝对值远大于出流绝对值,表明测站附近为气流辐合.垂直风廓线图上,最大风速高度6．7 km,最大风速风向198 deg,最大风速18．0 m/s,表明高层有西南气流加入,在4．6 km高度附近有一个明显的垂直切变线.     

湍流场中涡线单元的结构分析

与描述湍流速度场的流线管单元[Wang L. On properties of fluid turbulence along streamlines. J Fluid Mech,2010, 648:183–203]的思想类似,为了描述湍流涡矢量场的结构,我们提出了一种新的结构分析方法,即涡线单元,可以用单元尺度和极值点涡量差值来表征.涡线单元与常用的涡管结构的不同可以概括为:涡线单元结构可以定量描述,并且是全空间填充的.在理论上这两个条件是保证我们可以将涡线单元的结构分析与全流场统计规律联系起来的必要前提,帮助理解和重构湍流涡量场.根据直接数值模拟数据,我们研究了涡线单元的统计与结构特性,包括尺度与手性等.根据涡线单元结构可以定量表征精细的条件统计,例如发现涡相关的动力学参数(例如拟涡能耗散率和涡拉伸率)强烈依赖于基于涡线单元结构的条件统计.这样一种结构分析方法为深入研究湍流场提供了新的手段.     

Propagation of planetary-scale zonal mean wind anomalies and polar oscillations

Global atmospheric variables can be physically decomposed into four components:(1) the zonal time averaged climate symmetric component,(2) the time averaged climate asymmetric,(3) the zonal-mean transient symmetric anomaly,and (4) the transient asymmetric anomaly.This study analyzes the relationships between the intra-seasonal and inter-annual variability of planetary scale decomposed zonal and meridional winds in the tropopause,and oscillations such as those from the El Ni o-Southern Oscillation (ENSO),the Arctic Oscillation (AO) and the Antarctic Oscillation (AAO).The tropical inter-annual zonal mean wind anomalies in the tropopause are linked with the ENSO cycle and can propagate into the subtropics,mid-latitudes,and polar front regions via abnormal meridional vertical cells.Similarly,tropical intra-seasonal (40-60-d) zonal wind anomalies can reach the subtropics and mid-latitudes.The polar intra-seasonal zonal wind anomalies in the tropopause can propagate toward high-latitude areas.Thus,the AO and the AAO are the result of the interaction and propagation of these planetary scale zonal wind anomalies.