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東北冷渦暴雨(精) 版權信息
- ISBN：9787030724908
- 條形碼：9787030724908 ; 978-7-03-072490-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
東北冷渦暴雨(精) 內容簡介
本書對東北城市冷渦作了比較系統的研究，主要內容包括：東北冷渦的氣候學特征、天氣學特征、動力學特征和東北冷渦暴雨的形成機理、預測方法以及冷渦暴雨物理概念模型的建立，內容不僅涵蓋了冷渦天氣學和氣候學特征，還涉及到冷渦中小尺度云系結構和大尺度環流背景，方法上既注重觀測資料的診斷分析，也采用模式高分辨率的數值模擬其動力學特征；全書比較全面地對東北冷渦的季節氣候特征、年際變率、典型冷渦過程的結構演變特征、冷渦對流云帶垂直結構特征、冷渦暴雨動能收支、水汽原地和匯集機制、東北地形效應進行了深入的研究，同時利用切變風螺旋度與熱成風螺旋度、Q矢量散度及其旋度的垂直分量和有限區域風場分解方法嘗試對冷渦暴雨的動力學形成與預測方法進行了探討。其結果對今后東北冷渦的研究有著重要的指導參考價值，且對改進冷渦暴雨的預報和預測有重要的應用價值。
東北冷渦暴雨(精) 目錄
目錄
序一
序二
前言
第1章 東北冷渦的氣候學特征 1
1.1 我國東北地區及其周邊地區大尺度環流的一般特征 1
1.1.1 對流層低層環流 1
1.1.2 對流層高層環流 3
1.1.3 對流層中層環流 4
1.2 東北冷渦的季節氣候特征 5
1.2.1 東北冷渦的客觀識別方法 6
1.2.2 東北冷渦的季節氣候態 8
1.3 與冷渦相關聯的降水分布 14
1.3.1 與冷渦相關聯的季節降水分布 15
1.3.2 與不同區域冷渦相關聯的降水分布及環流型 17
1.4 東北冷渦的年際變率 22
1.4.1 東北冷渦發生頻數的演變趨勢 23
1.4.2 東北冷渦活動的年際變化對中國氣候的影響 25
1.4.3 與夏季東北冷渦活動年際變化相聯系的環流異常特征 26
參考文獻 33
第2章 東北冷渦的天氣學特征 36
2.1 東北冷渦的演變與結構特征 37
2.1.1 冷渦的生命史與分類 37
2.1.2 冷渦合成分析 38
2.1.3 兩類冷渦合成結構特征對比分析 39
2.2 典型冷渦過程的結構演變特征 51
2.2.1 個例簡介 51
2.2.2 冷渦的空間結構 52
2.2.3 冷渦發生發展的機制分析 65
2.3 東北冷渦環流及其動力學特征 67
2.3.1 持續性冷渦的形成和維持機理(以貝加爾湖型冷渦為例) 68
2.3.2 移動性冷渦形成和維持機制(以雅庫次克/鄂霍次克海型冷渦為例) 70
2.4 基于CloudSat衛星資料的冷渦對流云帶垂直結構特征分析 71
2.4.1 資料和方法介紹 72
2.4.2 不同時段冷渦對流云帶結構特征的對比分析 73
2.5 本章小結 79
參考文獻 79
第3章 東北冷渦暴雨形成發展的機理研究 82
3.1 東北冷渦降水過程的模擬與分析 82
3.1.1 環流背景 82
3.1.2 數值模擬 82
3.1.3 中尺度對流系統 88
3.2 東北冷渦暴雨過程中的渦度與動能收支及其轉換特征 99
3.2.1 局地渦度收支分析 100
3.2.2 渦散場動能分析 102
3.3 干侵入導致的不穩定機理分析 112
3.3.1 降水概況與天氣尺度環流特征 112
3.3.2 MCS發展與演變 113
3.3.3 干冷空氣侵入 115
3.3.4 強對流觸發機制 116
3.3.5 干冷侵入對東北冷渦強降水演變影響的數值模擬研究 117
3.3.6 干冷侵入三維空間結構 121
3.4 東北地區地形效應的數值分析 125
3.4.1 試驗設計 126
3.4.2 控制試驗模擬的低層輻合與降水 127
3.4.3 大興安嶺山脈的作用 129
3.4.4 小興安嶺山脈的作用 133
3.4.5 長白山山脈的作用 138
3.4.6 東北地形的作用 141
3.5 冷渦的*優擾動結構與演變及東北冷渦發展的一個非線性機理 146
3.5.1 CNOP方法介紹 148
3.5.2 模式介紹和天氣個例描述 149
3.5.3 LSV和CNOP的特征 149
3.5.4 CNOP與背景場特征的聯系 160
3.6 臺風與東北冷渦的相互作用 163
3.6.1 直接作用 163
3.6.2 間接作用 167
3.6.3 冷渦對臺風的影響 168
參考文獻 169
第4章 東北冷渦暴雨診斷分析與預測方法 174
4.1 切變風螺旋度和熱成風螺旋度 174
4.1.1 定義 175
4.1.2 個例分析 176
4.1.3 東北冷渦暴雨中切變風螺旋度和熱成風螺旋度的分布特征 181
4.2 Q矢量散度及其旋度的垂直分量 185
4.2.1 DQ和VQ的推導 185
4.2.2 個例分析 187
4.3 有限區域風場分解 191
4.3.1 無輻散風分量和無輻散風水汽通量 193
4.3.2 無旋轉風分量和無旋轉風水汽通量 195
4.3.3 東北冷渦中無旋轉風與無輻散風的動能轉換 198
參考文獻 201
第5章 冷渦暴雨物理概念模型的建立 204
5.1 冷渦的結構模型 205
5.2 冷渦概念模型 206
5.2.1 300hPa環流特征 206
5.2.2 850hPa環流特征 207
5.2.3 500hPa環流特征 208
5.2.4 2009 年6月19日冷渦發展階段暴雨概念模型 208
參考文獻 210
第6章 東北冷渦暴雨的未來研究方向與展望 211
6.1 當前東北冷渦暴雨的研究不足與局限性 211
6.2 未來需加強的研究與相關展望 212
參考文獻 213
序一
序二
前言
第1章 東北冷渦的氣候學特征 1
1.1 我國東北地區及其周邊地區大尺度環流的一般特征 1
1.1.1 對流層低層環流 1
1.1.2 對流層高層環流 3
1.1.3 對流層中層環流 4
1.2 東北冷渦的季節氣候特征 5
1.2.1 東北冷渦的客觀識別方法 6
1.2.2 東北冷渦的季節氣候態 8
1.3 與冷渦相關聯的降水分布 14
1.3.1 與冷渦相關聯的季節降水分布 15
1.3.2 與不同區域冷渦相關聯的降水分布及環流型 17
1.4 東北冷渦的年際變率 22
1.4.1 東北冷渦發生頻數的演變趨勢 23
1.4.2 東北冷渦活動的年際變化對中國氣候的影響 25
1.4.3 與夏季東北冷渦活動年際變化相聯系的環流異常特征 26
參考文獻 33
第2章 東北冷渦的天氣學特征 36
2.1 東北冷渦的演變與結構特征 37
2.1.1 冷渦的生命史與分類 37
2.1.2 冷渦合成分析 38
2.1.3 兩類冷渦合成結構特征對比分析 39
2.2 典型冷渦過程的結構演變特征 51
2.2.1 個例簡介 51
2.2.2 冷渦的空間結構 52
2.2.3 冷渦發生發展的機制分析 65
2.3 東北冷渦環流及其動力學特征 67
2.3.1 持續性冷渦的形成和維持機理(以貝加爾湖型冷渦為例) 68
2.3.2 移動性冷渦形成和維持機制(以雅庫次克/鄂霍次克海型冷渦為例) 70
2.4 基于CloudSat衛星資料的冷渦對流云帶垂直結構特征分析 71
2.4.1 資料和方法介紹 72
2.4.2 不同時段冷渦對流云帶結構特征的對比分析 73
2.5 本章小結 79
參考文獻 79
第3章 東北冷渦暴雨形成發展的機理研究 82
3.1 東北冷渦降水過程的模擬與分析 82
3.1.1 環流背景 82
3.1.2 數值模擬 82
3.1.3 中尺度對流系統 88
3.2 東北冷渦暴雨過程中的渦度與動能收支及其轉換特征 99
3.2.1 局地渦度收支分析 100
3.2.2 渦散場動能分析 102
3.3 干侵入導致的不穩定機理分析 112
3.3.1 降水概況與天氣尺度環流特征 112
3.3.2 MCS發展與演變 113
3.3.3 干冷空氣侵入 115
3.3.4 強對流觸發機制 116
3.3.5 干冷侵入對東北冷渦強降水演變影響的數值模擬研究 117
3.3.6 干冷侵入三維空間結構 121
3.4 東北地區地形效應的數值分析 125
3.4.1 試驗設計 126
3.4.2 控制試驗模擬的低層輻合與降水 127
3.4.3 大興安嶺山脈的作用 129
3.4.4 小興安嶺山脈的作用 133
3.4.5 長白山山脈的作用 138
3.4.6 東北地形的作用 141
3.5 冷渦的*優擾動結構與演變及東北冷渦發展的一個非線性機理 146
3.5.1 CNOP方法介紹 148
3.5.2 模式介紹和天氣個例描述 149
3.5.3 LSV和CNOP的特征 149
3.5.4 CNOP與背景場特征的聯系 160
3.6 臺風與東北冷渦的相互作用 163
3.6.1 直接作用 163
3.6.2 間接作用 167
3.6.3 冷渦對臺風的影響 168
參考文獻 169
第4章 東北冷渦暴雨診斷分析與預測方法 174
4.1 切變風螺旋度和熱成風螺旋度 174
4.1.1 定義 175
4.1.2 個例分析 176
4.1.3 東北冷渦暴雨中切變風螺旋度和熱成風螺旋度的分布特征 181
4.2 Q矢量散度及其旋度的垂直分量 185
4.2.1 DQ和VQ的推導 185
4.2.2 個例分析 187
4.3 有限區域風場分解 191
4.3.1 無輻散風分量和無輻散風水汽通量 193
4.3.2 無旋轉風分量和無旋轉風水汽通量 195
4.3.3 東北冷渦中無旋轉風與無輻散風的動能轉換 198
參考文獻 201
第5章 冷渦暴雨物理概念模型的建立 204
5.1 冷渦的結構模型 205
5.2 冷渦概念模型 206
5.2.1 300hPa環流特征 206
5.2.2 850hPa環流特征 207
5.2.3 500hPa環流特征 208
5.2.4 2009 年6月19日冷渦發展階段暴雨概念模型 208
參考文獻 210
第6章 東北冷渦暴雨的未來研究方向與展望 211
6.1 當前東北冷渦暴雨的研究不足與局限性 211
6.2 未來需加強的研究與相關展望 212
參考文獻 213
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東北冷渦暴雨(精) 節選
第1章 東北冷渦的氣候學特征 有關東北冷渦暴雨的問題，中國科學家很早就進行了研究，可查詢到的文獻可追溯到1950年楊紉章的《東北之氣候》。陶詩言（1980）在《中國之暴雨》一書中對中國的暴雨做了比較詳細的分析，書中闡述了在中國引起暴雨的天氣系統，特別指出東北低壓或冷渦系統對東北暴雨的影響，當有冷渦系統進入東北的時候，常給東北及華北北部帶來暴雨或者雷陣雨。近年來，雖然對東北冷渦暴雨進行了不少研究(王東海等，2007)，但大多為個例的結構特征和演變規律的分析，很少有對其氣候特征和年際變異的詳細研究；同時，在研究中高緯環流異常對東亞地區天氣氣候異常的影響時，往往僅把東北冷渦作為中高緯環流異常的一個天氣擾動異常信號，或間接地以低層溫度等變量來表征東北冷渦的活動，而對于東北冷渦系統自身的活動異常在東亞天氣氣候中的可能作用關注較少。本章分析討論了東北冷渦的季節氣候態特征，著重分析了與東北冷渦有關的降水分布的季節性和區域性特征及東北冷渦的年際變率特征，并分析了其持續性活動造成的氣候效應及其環流成因等。 1.1 我國東北地區及其周邊地區大尺度環流的一般特征 眾多學者的研究均指出，東北地區的強降水，特別是1998年夏季嫩江松花江流域的持續性強降水是與東北冷渦的頻繁活動緊密相關的（陳德坤等，1999；孫力等，2000；張慶云等，2001；張順利等，2001；Zhao and Sun，2007）。本節以1998年夏季東北地區持續性冷渦降水為例，分析了冷渦降水過程對應的大尺度環流形勢的主要特征，著重對對流層不同層次的系統和水汽輸送特征進行天氣動力學分析。 1.1.1 對流層低層環流 1998年，東北地區夏季經歷了三個階段的持續降水過程，其共同特征為對流層低層的西南氣流為中國東部地區輸送大量的暖濕空氣，為降水提供了必需的水汽條件（圖1.1）。在中高緯地區，對流層低層存在低壓系統，是深厚冷渦的低層信號，有利于水汽的輻合上升形成降水。此外，與低壓相配合的氣旋式風場東部的偏南支有利于氣流的向北輸送。**持續降水階段深厚低壓伴隨的切斷形勢更為顯著，有利于低壓槽后冷氣流的向南輸送。與**持續降水階段不同，后兩個持續降水階段的西南氣流往北的水汽輸送更為強盛，并與中緯度氣旋式風場東部的偏南輸送合為一體。 圖1.1 850hPa時間平均風矢量（箭頭）、位勢高度（實線，單位：gpm，即為位勢米）和大于70%的相對濕度（陰影）的水平分布 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日 進一步分析三個持續降水階段大氣柱的整層水汽通量及其散度的分布可以看出（圖1.2），對水汽源地而言，1998年夏季東亞地區強降水存在三個水汽來源通道：孟加拉灣、南海和西太平洋。此外，東亞地區的四個水汽通量輻合區與Lee等(2008)的四個梅雨降水帶大值區大致上是一一對應的；水汽通量輻合區的季節南北偏移與梅雨雨帶的南北推進也是一致的。相對而言，**持續降水階段的東北地區水汽輸送特征具有更多的“局地”特征。隨著東亞梅雨帶的向北推進，后兩個持續降水階段的水汽輸送與東亞夏季風水汽輸送有更緊密的關聯，水汽通量輻合顯著地加強。 圖1.2 大氣整層水汽通量［單位：g/(m s)］及散度［陰影，單位：g/(m s2)］水平分布 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日1.1.2對流層高層環流 從圖1.3可以看出，對流層高層的環流系統主要表現為高緯度的槽脊、西風急流和低緯度的南亞高壓。在**持續降水階段，中國東北西部高空存在閉合的切斷低壓，圖1.3200hPa時間平均的位勢高度（實線，單位：gpm）和20m/s以上的全風速（短虛線，單位：m/s） （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日 位勢高度等值線間隔為50gpm，風速等值線間隔為10m/s其中心位勢高度值為11850gpm。在第二、第三持續降水時段，東亞中高緯度地區都表現為“一槽一脊”的環流形勢，其中，槽軸線自中國東北的西部向貝加爾湖的西北傾斜。 在這三個持續降水階段中，低緯度南亞高壓的平均位置表現出明顯的變化，其主體（12550gpm等值線）向東可伸至中國東南沿海地區。其中，后兩個持續降水階段南亞高壓的位置比**階段更偏北、偏東，其東部邊緣在第三持續降水階段甚至可到達日本西部。 與南亞高壓相類似，高空西風急流的位置和強度在三個降水階段也各不相同。其中，**階段的西風急流強度*強、范圍*寬，其經向跨度可達15個緯度，*強風速可達40m/s。切斷低壓位于西風急流大風核的左前方，有利于對流云的發展。在第二持續降水階段，西風急流強度明顯減弱，中心平均*強風速為30m/s。相對于**、第二持續降水階段的西北—東南傾向，由于受到南亞高壓北抬的影響，第三持續降水階段的高空西風急流比較平直。 1.1.3 對流層中層環流 對流層中層的副熱帶高壓（簡稱副高）的位置變動及中高緯度的大尺度波動對東亞地區夏季的降水起很重要的作用［圖1.4(a)］。在**持續降水階段［圖1.4(b)］，副高的主體在西太平洋，其北緣在我國華南沿海地區。圖1.4500hPa時間平均的位勢高度（實線，單位：gpm）和氣溫（細虛線，單位：℃）位勢高度等值線間隔為30gpm，氣溫等值線間隔為2℃貝加爾湖以東為一深厚的東北冷渦，等高線和等溫線近乎重合，因此高緯的冷空氣便由槽后的西北氣流源源不斷地輸送至中低緯地區。冷渦前部配合以阻塞高壓脊，使得東北冷渦得以穩定維持。 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日 在第二持續降水階段，中緯度的西北—東南向深厚低槽（冷渦）明顯變弱，而低槽東部的高壓脊向西伸展至100°E，副高南撤并在南海北部地區出現一個閉合高壓中心［圖1.4(c)］。 在第三持續降水階段，低緯度的副高異常加強，北上、西伸并控制了我國南方大部分地區，長江流域處在伏旱階段［圖1.4(d)］。受副高的影響，中緯度大尺度環流較為平直，冷空氣向低緯地區的輸送大為減弱。在東北亞地區，典型的阻塞形勢的維持有利于中高緯度地區的冷暖空氣的徑向輸送。 1.2 東北冷渦的季節氣候特征 就冷渦的識別方法而言，基本都可歸納為三種：主觀方法、客觀方法及兩種方法的結合。其中，主觀方法主要是利用逐日觀測的天氣形勢圖、衛星云圖等，根據冷渦的某些顯著觀測特征，逐一時刻地人為識別與判斷，然后進行記錄。主觀方法有較強的直觀性，但費時費力、帶有很大的主觀性，更不利于研究其長期規律（Gimeno et al.，2007）。 基于冷渦的兩個不同角度的物理本質，客觀方法又可劃分為兩類：①從天氣學概念模型角度，冷渦表現為對流層中、高層深厚的冷性低壓渦旋中心；②冷渦表征為等熵面上的高位渦（PV）區。在比較了分別基于PV區和天氣概念模型的北半球冷渦氣候態后，Nieto等(2008)指出，兩種方法得到的結果具有相當高的一致性。為便于與Zhang等(2008)研究東亞地區的結果進行比較，本書采用了基于天氣概念模型的客觀方法。 盡管所采用的資料和識別方法各不相同，關于北半球冷渦氣候特征的研究都得出了如下共性的結論(胡開喜等，2011)。 （1） 北半球存在三個冷渦（或稱切斷低壓）發生頻次密集區：南歐和東大西洋沿岸、北太平洋東部、中國北部西伯利亞至西北太平洋沿岸（圖1.5）。 圖1.5 1958~1998年冷渦（或稱切斷低壓）發生總頻數空間分布（Nieto et al.，2005）（2） 夏季較冬季更有利于發生。 （3） 大部分僅能維持2~3天。 （4） 移動規律較為復雜。 1.2.1 東北冷渦的客觀識別方法 如上所述，采用不同資料和不同識別方法的北半球冷渦氣候學研究都發現，中國北部西伯利亞是北半球冷渦的*有利發生區之一。值得注意的是，在東北亞地區，冷渦往往也被稱為高層冷低壓、低渦等（Matsumoto et al.，1982；Sakamoto and Takahashi，2005）。朱乾根等（2000）也指出，在中國，*常見的切斷低壓就是東北冷渦。然而，關于中國北部西伯利亞的冷渦氣候學的研究中，多數關注發生頻數的時空分布，很少關注其他特征，如持續期、生成和衰減區、有利路徑。 在本節中，利用水平分辨率為2.5°×2.5°、時間分辨率為6h的NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)再分析資料（Kalnay et al.，1996；Kistler et al.，2001），采用客觀識別方法分析了東北冷渦的氣候特征(胡開喜等，2011)。鑒于北半球冷渦一般水平尺度為600~1200km （Kentarchos and Davies，1998），因而在水平分辨率為2.5°×2.5°的格點資料中，東北冷渦是能夠被識別的。此外，相對于更低時間分辨率，6h分辨率的數據在識別和追蹤熱帶地區以外的氣旋時往往更為客觀和有效（Blender and Schubert，2000）。 類似于鄭秀雅等(1992)的東北冷渦天氣學定義，這里將滿足以下兩個條件的天氣系統歸為一次冷渦事件:①在100°E~150°E、30°N~65°N區域內，500hPa等壓面上存在閉合低壓中心；②低壓系統同時有冷中心或明顯的冷槽相伴隨。值得注意的是，為了更加準確地識別、追蹤東北冷渦，相比于鄭秀雅等（1992）的定義，向四周略擴展了研究區域，并降低了冷渦持續期的閾值下限。 為在格點資料中具體地定量化以上冷渦定義，設計了三步算法(圖1.6)。 圖1.6 從格點資料中客觀識別和追蹤東北冷渦的示意圖 實線和實心點分別為500hPa位勢高度等值線和2.5°×2.5°水平分辨率格點；長虛線為t+dt(dt=6h)時刻的500hPa位勢高度等值線；點劃線箭頭為相鄰兩時刻冷渦的移動距離；A、B、C、D和D′代表滿足某些條件的格點，即
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