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Revisit to frozen-in property of vorticity

Chinese Physics B 2017年第8期26卷 595-602页

作者：杨帅左群杰高守亭 Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms(LACS) Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029China Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province(PAEKL) Chengdu University of Information TechnologyChengdu 610225China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

Considering some simple topological properties of vorticity vector, the frozen-in property of vorticity herein is revis- ited. A vortex line, as is analogous to velocity vector along a streamline, is defined as such a coincident material （curve） line that connects many material fluid elements, on which the local vorticity vector for each fluid element is also tangent to the vortex line. The vortex line evolves in the same manner as the material line that it is initially associated with. The vortex line and the material line are both oriented to the same directions, and evolve with the proportional magnitude, just like being ＇frozen＇ or ＇glued＇ to the material elements of the fluid under the barotropic assumption. To relax the limits of incompressible and barotropic atmosphere, the frozen-in property is further derived and proved in the baroclinic case. Then two effective usages are given as examples. One is the derivation of potential vorticity conservation from the frozen-in property in both barotropic and baroclinic atmospheres, as a theory application, and the other is used to illuminate the vorticity generation and growth in ideal cases and real severe weather process, e.g., in squall line, tornado, and other se- vere convection weather with vortex. There is no necessity to derive vorticity equation, and this method is very intuitive to explain vorticity development qualitatively, especially for fast analysis for forecasters. Certainly, by investigating the evolution of vortex line, it is possible to locate the associated line element vector and its development on the basis of the frozen-in property of vorticity. Because it is simple and visualized, it manifests broad application prospects.

关键词： vortex frozen-in property material line element baroclinic fluid

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气候系统模式对南亚高压气候特征的模拟比较研究

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高原气象 2018年第2期37卷 455-468页

作者：董敏吴统文左群杰高守亭国家气候中心北京100081 大气物理研究所北京100029 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

应用国家气候中心气候模式(BCC_CSM1.1)CMIP5和AMIP试验结果对模式模拟南亚高压的能力进行了评估。结果表明,BCC_CSM1.1模式对作为北半球高层大气环流活动中心的南亚高压有较好的模拟能力。它能够模拟出南亚高压的气候平均状态、季节变... 详细信息

应用国家气候中心气候模式(BCC_CSM1.1)CMIP5和AMIP试验结果对模式模拟南亚高压的能力进行了评估。结果表明,BCC_CSM1.1模式对作为北半球高层大气环流活动中心的南亚高压有较好的模拟能力。它能够模拟出南亚高压的气候平均状态、季节变化,对南亚高压脊线的位置、高压中心的位置及其季节变化也有较好的模拟。模式存在的主要问题是高度场和南亚高压强度的模拟结果较观测明显偏弱;模拟的脊线位置在冬半年要比观测略偏南;模拟的南亚高压中心在某些月份与观测有出入,例如,5月南亚高压中心的模拟较观测偏西,夏季南亚高压的双中心的位置与实际也略有差异;模拟的南亚高压强度偏低与多种因素有关。比较耦合模式与单独大气模式模拟的南亚高压强度发现,在给定观测海温的条件下,模拟的误差减小13%~15%。因此可以认为耦合模式的误差大部分来自大气分量。海洋模拟的改进虽然对总体的模拟结果有所改进但贡献不大;比较T106和T42两种分辨率的模式对南亚高压进行模拟结果发现,分辨率的提高明显减小了南亚高压及全球100 h Pa位势高度场的模拟误差。为验证地形强迫对模拟结果的影响,进行了改变青藏高原地形高度的试验,结果表明青藏高原地形高度对南亚高压的强度有明显的影响,高原高度升高将会促使南亚高压及更大范围的高层位势高度场增强。因此,正确给定高原地形这一模式的下边界条件,对模拟结果的改进有重要作用。

关键词：南亚高压模拟评估

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2008年初东亚高空急流变化的可能原因及其对我国南方低温雨雪冰冻灾害的影响

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气候与环境研究 2017年第4期22卷 381-391页

作者：左群杰高守亭孙效功中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

利用欧洲中期预报中心再分析数据和中国气象局提供的降水数据分析了2008年1月到2月初东亚急流对我国南方雨雪冰冻灾害的影响,并给出东亚急流变化可能的原因。东亚急流强度和位置的变化引起其入口区的垂直运动的变化,从而使得我国南方降... 详细信息

利用欧洲中期预报中心再分析数据和中国气象局提供的降水数据分析了2008年1月到2月初东亚急流对我国南方雨雪冰冻灾害的影响,并给出东亚急流变化可能的原因。东亚急流强度和位置的变化引起其入口区的垂直运动的变化,从而使得我国南方降雨的位置和强度发生改变。为了研究灾害发生期间东亚急流变化的原因,利用扰动动能方程分析了与东亚急流有关扰动动能以及方程各项的变化,结果表明:扰动动能的变化能够很好的表示东亚急流的变化;扰动位势平流对扰动动能的发展至关重要。东亚急流北部弱风区存在较小的扰动动能中心,位势通量矢量将这个中心的扰动动能输送到东亚急流的入口区并辐合,使得东亚急流增强。

关键词：雨雪冰冻灾害垂直运动扰动动能扰动位势通量

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2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

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气候与环境研究 2013年第4期18卷 483-490页

作者：左群杰高守亭吕达仁中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室北京100029 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能(Km)先转换成相互作用动能(Ki)然后再转化成扰动动能(Ke)。相互作用动能流是顺急流方向的。... 详细信息

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能(Km)先转换成相互作用动能(Ki)然后再转化成扰动动能(Ke)。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能(Ae)的产生主要由平均有效位能(Am)间接提供,其中相互作用有效位能(Ai)流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12:00(协调世界时)主要来源于两个地区:一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。

关键词：扰动有效位能扰动动能相互作用能量流南方雪灾能量转化

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青藏高原上空一次重力波过程的识别与天气影响分析

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气象学报 2018年第6期76卷 904-919页

作者：李驰钦左群杰高守亭鲁蓉中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

应用再分析资料、多套卫星反演资料和WRF中尺度数值模拟资料,识别了2005年1月10日青藏高原上空一次重力波过程,以及重力波对青藏高原西部降雪的影响。结果表明,此次重力波位于急流出口区的左方,以西南—东北走向覆盖青藏高原大部分地区... 详细信息

应用再分析资料、多套卫星反演资料和WRF中尺度数值模拟资料,识别了2005年1月10日青藏高原上空一次重力波过程,以及重力波对青藏高原西部降雪的影响。结果表明,此次重力波位于急流出口区的左方,以西南—东北走向覆盖青藏高原大部分地区。大尺度的冷暖平流相间分布和不断增强的非平衡流为重力波的形成提供了有利背景场。小波交叉谱分析显示垂直涡度与水平散度在对流层中层满足重力波的极化性质,在青藏高原西部的上升支对应有降雪过程发生。WRF可以较好地再现这一过程,并且能够模拟出再分析资料中无法分辨的中尺度重力波。数值模拟表明,青藏高原近地面强烈非绝热加热使得低层大气静力不稳定,在近地面暖区触发对流后引起高层凝结释放潜热,低层融化冷却,有利于激发重力波,并在其上升支产生固态凝结物,随后到来的冷气团提供了有利的水汽输送条件,大范围的弱抬升运动取代了原间隔进入降雪区的强对流上升支,使得固态凝结物得以落至地面,最终在青藏高原西部形成本次降雪过程。

关键词：重力波 WRF模式青藏高原冬季降雪对流

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高空急流的维持对我国南方暴雪的影响

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气候与环境研究 2022年第6期27卷 679-687页

作者：左群杰张万诚高守亭中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 云南省气象科学研究所昆明650034 中国科学院大学北京100049

利用欧洲中期预报中心再分析数据(ERA-Interim)分析了2014年2月9日、2015年12月5日、2016年1月20日和2018年1月24日高空急流扰动动能对暴雪的影响。在暴雪发生的过程中,通常伴有高空急流的存在。高空急流一方面维持自身的存在,另一方面... 详细信息

利用欧洲中期预报中心再分析数据(ERA-Interim)分析了2014年2月9日、2015年12月5日、2016年1月20日和2018年1月24日高空急流扰动动能对暴雪的影响。在暴雪发生的过程中,通常伴有高空急流的存在。高空急流一方面维持自身的存在,另一方面其引起的垂直运动有利于暴雪的发展。垂直运动的上升支有两个方面的作用,一个是将低层暖湿空气输送到高层,为暴雪提供源源不断的水汽,另一个是将急流中的扰动动能向下输送到低层冷暖气流交汇区域,该区域也是水平风切变较大的区域,为该区域提供扰动动能,进一步促进暴雪的发生和发展。

关键词：高空急流扰动动能扰动位势通量

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青藏高原大地形高度变化对东亚地区定常扰动能源转换的影响

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气候与环境研究 2020年第4期25卷 345-352页

作者：左群杰张万诚高守亭中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 云南省气象科学研究所昆明650034 中国科学院大学北京100049

利用CAM3(Community Atmosphere Model version 3)模式和ERA-Interim再分析数据研究了对流层中青藏高原大地形对东亚地区定常扰动能量源的影响。在冬季对流层中东亚地区的定常扰动的能量源地主要有两个,分别是高原北部的东亚地区和高原... 详细信息

利用CAM3(Community Atmosphere Model version 3)模式和ERA-Interim再分析数据研究了对流层中青藏高原大地形对东亚地区定常扰动能量源的影响。在冬季对流层中东亚地区的定常扰动的能量源地主要有两个,分别是高原北部的东亚地区和高原下游的西太平洋地区。高原高度增加时,对流层整层东亚地区斜压发展随高原高度增高而减弱,西太平洋地区斜压发展增强。定常扰动的正压发展与斜压发展的位置相似,但是明显的要比定常扰动的斜压发展弱。随着高原高度升高,在对流层中高原北部的东亚地区正压发展先减弱后增强,而在高原下游的西太平洋地区随高原高度增高正压发展一直增强。在冬季对流层中定常扰动的总能量发展与定常扰动的斜压发展一致,这样的发展趋势说明了冬季东亚地区和西太平洋地区定常扰动在对流层中的能量发展主要是斜压性引起的。

关键词：高原大地形定常扰动能量热量和动量通量

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The Propagation of Wave Packets and Its Relationship with the Subtropical Jet over Southern China in January 2008

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Advances in Atmospheric Sciences 2013年第1期30卷 67-76页

作者：左群杰高守亭吕达仁 Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of Sciences University of Chinese Academy of Sciences Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of Sciences State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological Sciences

The propagation of wave packets and its relationship with the subtropical jet was investigated for the period 26 29 January 2008 over southern China using ECMWF Interim re-analysis data. Wave packets propagated from the north to the south side of an upper front with eastward development along the upper front during this period. Due to the eastward development of propagation, the acceleration of geostrophic westerly winds shifted eastward along the front. There were two primary sources of the propagation of wave packets at around 30°N. The first was the temperature inversion layer below 500 hPa, and the second was baroclinic zones located along the polarward flank of the subtropical jet in the middle and upper troposphere. Most wave packets propagated horizontally from the baroclinic zones and then converged on the zero meridional gradients of zonal winds.

关键词： propagation of wave packets wave-mean flow interaction subtropical jet geopotential anomalies snowstorms

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The Mesoscale Balance and Imbalance and the Corresponding Potential Vorticity Inversion from the View of Helicity

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Journal of Meteorological Research 2016年第4期30卷 559-571页

作者：高守亭周菲凡左群杰 Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of Sciences

The static balance and the geostrophic balance are the common balances in *** the synoptic systems and most of the mesoscale systems satisfy the above two ***,due to the strong convection and non-geostrophic feature,many mesoscale systems usually present as static imbalance,and the quasi-geostrophic approximation is no longer *** paper tried to find out a kind of balance that exists for mesoscale convective *** do this,the concrete mathematics definitions for balance and imbalance equations were ***,it is proposed that the new balance equation should include the divergence,vorticity,and vertical motion simultaneously,and the helicity equation was a good choice for the ***,the mesoscale balance and imbalance equations were constructed,as well as a new balance model that was based on the helicity,horizontal divergence,vertical vorticity,continuity,and thermal dynamic equations under same ***,the corresponding potential vorticity（PV）inversion technique was *** was pointed out that by using the PV conservation and the potential temperature conservation,the flows of the mesoscale balance model can be deduced,and their comparison with the real fields would give the degree of the imbalance.

关键词： helicity mesoscale balance mesoscale imbalance PV inversion

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Kinetic and Available Potential Energy Transport during the Stratospheric Sudden Warming in January 2009

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Advances in Atmospheric Sciences 2012年第6期29卷 1343-1359页

作者：左群杰高守亭吕达仁 Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academic of Sciences Graduate University of Chinese Academic of Sciences Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academic of Sciences State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological Sciences

The local features of transient kinetic energy and available potential energy were investigated using ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts） Interim Reanalysis data for the stratospheric sudden warming （SSW） event of January 2009. The Western Europe high plays important roles in the propagation of the energy from North America to Eurasian. When the Western Europe high appeared and shifted eastward, energy conversions increased and energy propagated from North America to Eurasian as a form of interaction energy flow. The baroclinic conversion between transient-eddy kinetic energy （Ke） and transient-eddy available potential energy （Ae） and the horizontal advection of geopotential height were approximately one order of magnitude less than Ke and Ae generation terms. So, these terms were less important to this SSW event.

关键词： energy flow energy conversion kinetic energy APE stratospheric sudden warming

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