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Effects of Vertical Wind Shear on the Pre-Summer Heavy Rainfall Budget:A Cloud-Resolving Modeling Study

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2013年第1期6卷 44-51页

作者： SHEN Xin-Yong QING Tao HUANG Wen-Yan LI Xiao-Fan Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education Nanjing University of Information Science and Technology National Oceanic and Atmospheric Administration/National Environmental Satellite Dataand Information Service/Center for Satellite Applications and ResearchCamp SpringsMarylandUSA

This study investigates the effects of vertical wind shear on the torrential rainfall response to the large-scale forcing using a rainfall separation analysis of a pair of two-dimensional cloud-resolving model sensitivity experiments for a pre-summer heavy rainfall event over southern China from 3-8 June 2008 coupled with National Centers for Environmental Prediction(NCEP)/Global Data Assimilation System(GDAS) data.The rainfall partitioning analysis based on the surface rainfall budget indicates that the exclusion of vertical wind shear decreases the contribution to total rainfall from the largest contributor,which is the rainfall associated with local atmospheric drying,water vapor divergence,and hydrometeor loss/convergence,through the reduction of the rainfall area and reduced rainfall during the rainfall event.The removal of vertical wind shear increases the contribution to total rainfall from the rainfall associated with local atmospheric drying,water vapor convergence,and hydrometeor loss/convergence through the expansion of the rainfall area and enhanced rainfall.The elimination of vertical wind shear enhances heavy rainfall and expands its area,whereas it reduces moderate rainfall and its area.

关键词：垂直风切变夏季暴雨财政预算雨量分布水汽凝结建模计算强降雨

不同强度环境垂直风切变影响下热带气旋外核区冷池特征

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大气科学 2023年第5期47卷 1510-1524页

作者：程晶晶李青青陈锦鹏福建省灾害天气重点实验室福州350001 厦门市海峡气象开放重点实验室厦门361012 漳州市气象局福建363000 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室南京210044 中国气象科学院灾害天气国家重点实验室北京100081

本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析了不同强度的环境垂直风切变影响下热带气旋外核区近地面冷池特征。结果表明:外核区对流性和非对流性冷池在不同切变环境中表现出相似的特征。两类冷池均伴随局地位温、相当位温和水汽混合比的降... 详细信息

本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析了不同强度的环境垂直风切变影响下热带气旋外核区近地面冷池特征。结果表明:外核区对流性和非对流性冷池在不同切变环境中表现出相似的特征。两类冷池均伴随局地位温、相当位温和水汽混合比的降低和近地面高压扰动,冷池厚度通常低于400 m,平均强度4~6 m s^(−1),均远小于中尺度对流系统冷池,其中非对流性冷池的厚度和强度显著大于对流性冷池,表明外核区不同类型的冷池强度主要取决于冷池厚度。冷池内普遍存在下沉运动,对流性冷池中向下垂直质量输送约为非对流冷池的两倍。下沉运动导致冷池局地高压的主要原因为云下降水粒子的蒸发冷却和雨滴拖曳作用,对流云中的凝结潜热释放则不利于地面高压发展,其中对流性冷池中次云层蒸发冷却和降水拖曳作用较强,导致该类冷池地面增压也较大。不同强度的环境垂直风切变对不同类型冷池特征也有一定影响。弱切变环境中外核区冷池多表现为尺度较小且分布离散的对流性冷池,随切变增强,冷池总数目和对流性冷池数目减少,而尺度较大且多位于层云降水区域的非对流性冷池增多,同时厚度加深、强度增强。环境风切变增大还导致对流性和非对流性冷池造成的局地辐散出流均有所减弱但气旋式流速增强。

关键词：热带气旋垂直风切变对流尺度下沉运动冷池

垂直风切变影响下热带气旋眼的几何特征及眼壁倾斜研究

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垂直风切变影响下热带气旋眼的几何特征及眼壁倾斜研究

作者：朱晓彤南京信息工程大学

学位级别：硕士

通过分析地基雷达观测资料研究登陆华南地区前的处于季风环境切变的热带气旋眼的几何特征。结果表明,除强台风外,眼面积随热带气旋强度的增大而减小,眼的大小随高度的增大而增大且越往高层增大越快。垂直方向上眼大小的变化与热带气旋... 详细信息

通过分析地基雷达观测资料研究登陆华南地区前的处于季风环境切变的热带气旋眼的几何特征。结果表明,除强台风外,眼面积随热带气旋强度的增大而减小,眼的大小随高度的增大而增大且越往高层增大越快。垂直方向上眼大小的变化与热带气旋强度无关,与环境垂直风切变无关。眼大小的垂直变化与眼自身的大小无关。眼大小的垂直变化与强度之间也没有关系。眼的圆度值主要集中于0.5到0.7之间,且通常热带气旋越强眼越圆。利用TCM4高分辨率数值模拟结果,设计4组对比试验,分别是(1)无环境流(SH00),(2)加入5 m s-1东风切变(SH05),(3)加入10 m s-1东风切变(SH10),以及(4)加入15 ms-1东风切变(SH15),探究眼的几何特征。结果表明,随着切变增大圆度值越来越大。眼的椭圆特征与波数为2的涡旋罗斯贝波活动有关。眼面积随高度的增加而变大,且在低层比高层增大得缓慢。环境垂直风切变对眼的面积随高度变化的影响不明显。眼的收缩和气旋强度增强同时发生,但在强度达到最大前热带气旋的眼便不再继续收缩。眼壁的倾斜与强度的变化成正比。准双眼壁结构影响了数值试验中热带气旋强度的变化。眼壁倾斜的变化取决于高低层最大风半径(RMW)变化速度的差异,但由于不同试验模拟的热带气旋结构的差异,眼壁倾斜变化的特征存在不同。例如SH10试验模拟的热带气旋的第一阶段,高层RMW先收缩后振荡,低层RMW持续收缩,导致眼壁倾斜先保持不变而后增大;第二阶段高层RMW先振荡不变后扩张,最后快速收缩,低层RMW持续收缩且最后收缩较慢,导致眼壁倾斜先缓慢增大而后快速增大最后减小;第三阶段高层RMW先收缩后扩张,而低层RMW变化相反,使得眼壁倾斜先减小后增大。RMW的变化取决于RMW附近切向风倾向的径向梯度和切向风的径向廓线的曲率,进一步诊断发现多数情况中切向风倾向的径向梯度对RMW变化影响较大。绝对角动量收支诊断表明绝对涡度垂直输送在RMW内侧和外侧的不同贡献主要影响了切向风倾向的径向梯度。

关键词：热带气旋眼几何特征垂直风切变眼壁倾斜

垂直风切变对大西洋飓风波尼（1998）结构与强度的影响

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垂直风切变对大西洋飓风波尼（1998）结构与强度的影响

作者：沈阳南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文利用大西洋飓风波尼（1998）的MM5模式模拟资料（格点距4km）,对垂直风切变影响下波尼的结构和强度变化进行了分析,分析中取200hPa与850hPa间相同区域平均的水平风矢量的差作为垂直风切变矢量。结果表明,在较强垂直风切变影响下,波... 详细信息

本文利用大西洋飓风波尼（1998）的MM5模式模拟资料（格点距4km）,对垂直风切变影响下波尼的结构和强度变化进行了分析,分析中取200hPa与850hPa间相同区域平均的水平风矢量的差作为垂直风切变矢量。结果表明,在较强垂直风切变影响下,波尼的垂直速度、雷达回波反射率、水平风速、涡度、散度、径向速度分布等表现出了明显的1波非对称结构,眼壁附近及螺旋云带中主要的上升运动和下沉运动分别位于顺切变和逆切变一侧,雷达回波呈明显的“逗点”状,回波大值区始终位于顺切变左侧,与水平风速、涡度、散度大值区位置相同,减去波尼移速后的低层径向速度在逆切变一侧为流出,而在顺切变一侧为流入。当垂直风切变强度较弱时,以上物理量场的1波非对称结构消失,逐渐围绕眼区呈轴对称分布。因此,1波非对称结构强度与垂直风切变的强度成正比,且相对于切变矢量的位置基本不变;即使存在β效应的作用,在较弱垂直风切变的情况下,波尼仍然可以维持良好的轴对称状态,对于真实热带气旋而言,垂直风切变对其结构的影响更为深远。强垂直风切变阶段,逆切变一侧6-12km高度上,存在强烈的入流,深入至眼壁并围绕眼壁旋转下沉,一方面,下沉气流绝热增温,在波尼中层眼壁附近造成暖区,加强稳定度,抑制对流;另一方面,下沉运动产生低相当位温深入边界层并入侵波尼核心,与远离眼壁的低层通风路径相比,以上中层通风对波尼的破坏作用更甚,鉴于在分析时间段内,波尼所经海域平均海温变化不大,可以认为垂直风切变主导了波尼强度变化。对波尼中心气压突变现象的分析发现,该突变源于通风破坏作用的积累,当边界层中低相当位温侵入热带气旋中心的程度超过某一阈值时,气旋强度便会减弱,相当位温分布与热带气旋强度间存在联系,可以作为热带气旋强度预报的依据;热带气旋热力结构的改变对其强度影响更为直接有效。

关键词：热带气旋垂直风切变 1波非对称结构相当位温

环境垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度下沉运动特征研究

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环境垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度下沉运动特征研究

作者：程晶晶南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析不同环境垂直风切变环境中热带气旋外核区对流尺度下沉运动和近地面冷池的特征。不同切变环境中的对流尺度下沉运动表现出部分相同特征。与以往观测研究不同,在外核区识别出的四种不同对流尺度下... 详细信息

本文基于高分辨率数值模式模拟结果分析不同环境垂直风切变环境中热带气旋外核区对流尺度下沉运动和近地面冷池的特征。不同切变环境中的对流尺度下沉运动表现出部分相同特征。与以往观测研究不同,在外核区识别出的四种不同对流尺度下沉运动中,对流层顶下沉运动占比最大。随下沉运动顶高增加,上升运动外侧和上游的下沉运动比例增多。诊断表明低层下沉运动主要由降水拖曳和蒸发冷却导致,中高层下沉运动除了雨滴和霰雪粒子的拖曳作用,还受到上升运动低层环流在垂直速度水平梯度较大一侧产生的浮力扰动气压垂直梯度力（BPGA）的影响。虽然降水拖曳作用有限,但上升运动顶部周围由于冰相粒子升华冷却导致的负浮力（TB）以及向下BPGA场利于对流层顶下沉气流的发生。对流尺度下沉运动的产生机制在不同强度和不同高度切变试验中也存在明显差异。低层切变试验中冷池和低层风切变的相互作用导致上升气流发展更直立更强,不利于低层下沉运动产生,并且导致下沉气流与相应上升运动的距离更近。但是低层切变和弱切变试验中的活跃对流在高层产生更多冰相粒子升华冷却导致明显负TB存在,而涡旋尺度扰动气压的贡献掩盖了部分浮力上升运动产生的BPGA,因此弱切变和低层切变试验中对流层顶下沉运动的产生主要和负TB相关。而在强切变和高层切变试验中,对流较弱,负TB较小,对流层顶下沉运动主要由浮力上升气流在外侧产生的向下的BPGA所导致。由于上升运动中心正浮力空气产生的负BPGA场所在高度比上升运动顶部附近的负TB场更低,因此有利于强切变和高层切变试验中的对流层顶下沉运动的发生和向下发展。不同强度切变试验中外核区冷池可分为对流型冷池和非对流型冷池。对流型冷池范围较小,与强对流单体关系密切。随切变强度增大,冷池总数和对流冷池比例有所减少。非对流冷池的深度和强度都大于对流冷池,但对流冷池中位温扰动更大而水汽混合比和相当位温扰动更小,说明对流下沉运动造成的干空气下沉对近地面相当位温扰动的贡献比蒸发作用更大。地面扰动气压诊断表明,对流云中绝热加热不利于地面增压,而云下降水粒子的蒸发冷却和雨滴拖曳作用对冷池内高压扰动均为正贡献。对流冷池内活跃的对流导致该类冷池中的降水拖曳作用和次云层蒸发冷却作用都显著大于非对流冷池。

关键词：垂直风切变热带气旋外核区对流尺度下沉运动

飑线结构和强度对低层湿度和环境垂直风切变的敏感性研究

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大气科学学报 2022年第6期45卷 938-947页

作者：高彦青孙璐马旭林孟泽华程凯琪南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室江苏南京210044

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强... 详细信息

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。

关键词：飑线敏感性低层湿度垂直风切变

西北太平洋热带气旋环境垂直风切变的特征研究

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西北太平洋热带气旋环境垂直风切变的特征研究

作者：梁秀姬南京信息工程大学

学位级别：硕士

垂直风切变作为影响热带气旋强度变化的重要环境因子,其不同的大小、方向、深度和高度特征可能对热带气旋强度变化产生不同的影响。本文对1980-2018年西北太平洋热带气旋环境垂直风切变的大小、方向、深度以及高度等特征开展研究,并对... 详细信息

垂直风切变作为影响热带气旋强度变化的重要环境因子,其不同的大小、方向、深度和高度特征可能对热带气旋强度变化产生不同的影响。本文对1980-2018年西北太平洋热带气旋环境垂直风切变的大小、方向、深度以及高度等特征开展研究,并对上述切变特征与热带气旋强度变化的关系进行分析,以切变大小年际变化为着眼点,进一步揭示了影响西北太平洋切变大小年际变化的主要环流特征。西北太平洋热带气旋的环境垂直风切变以浅层切变为主,切变深度与热带气旋无维强度变化的相关分析表明,切变深度越大越不利于热带气旋增强。西北太平洋热带气旋环境垂直风切变的高层切变发生频数最大,且高层切变空间分布的季节变化可能与西风急流的季节移动有关,但切变高度与热带气旋无维强度变化之间无明显相关性。影响西北太平洋的热带气旋的环境垂直风切变方向以西风切变以及东风切变为主,不同切变方向之间影响热带气旋无维强度变化的差异相对较小,但不同切变方向环境对应的热带气旋周边高、低层天气系统(如高空西风槽、倒槽、低层季风槽等)很可能同时影响热带气旋无维强度变化,进而导致不同切变方向对热带气旋无维强度变化影响的差异。影响热带气旋活跃季的西北太平洋纬向风垂直风切变大小年际变化的前三个空间模态分别与El Ni(?)o、IOD和PNA有关。El Ni(?)o年,赤道太平洋中、东部暖海水激发大气罗斯贝波响应,西北太平洋受反气旋式切变控制。IOD正相位年,东印度洋较冷海表温度激发在对流层低层东传的冷性开尔文波,西北太平洋受反气旋式切变控制。第三空间模态表现为PNA影响的西北太平洋低纬地区的反气旋纬向风垂直风切变。而影响热带气旋非活跃季节的西北太平洋纬向风垂直风切变大小年际变化的前三个空间模态分别与La Ni(?)a、AMM和AO有关。La Ni(?)a年,赤道太平洋中、东部的异常冷海水激发大气罗斯贝波响应,西北太平洋区域存在气旋式切变。AMM正相位年,西北太平洋高层(低层)为显著的西风(东风),西北太平洋存在异常西风切变。AO正相位年,北太平洋对流层在冬季存在异常反气旋,因此西北太平洋低纬度以及中纬度分别受西风切变与东风切变影响。

关键词：垂直风切变热带气旋西北太平洋年际变化

强垂直风切变环境下对流单体对飓风强度的影响

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热带气象学报 2015年第2期31卷 202-212页

作者：辛辰王咏青钟玮南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室太平洋台风研究中心江苏南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 南京信息工程大学大气科学学院江苏南京210044 解放军理工大学气象海洋学院江苏南京211101

利用高分辨率模式输出资料,诊断分析强垂直风切变环境下飓风Bonnie(1998)中风暴相对螺旋度的分布特征,再现了Molinari等(2008)利用下投式探空仪获得的该飓风内部风暴相对螺旋度的离散观测结果。通过对比不同垂直风切变环境下,不同区域... 详细信息

利用高分辨率模式输出资料,诊断分析强垂直风切变环境下飓风Bonnie(1998)中风暴相对螺旋度的分布特征,再现了Molinari等(2008)利用下投式探空仪获得的该飓风内部风暴相对螺旋度的离散观测结果。通过对比不同垂直风切变环境下,不同区域风暴的相对螺旋度、对流有效位能及风速的水平分布,揭示出与高值风暴相对螺旋度相联系的强对流单体的分布与环境垂直风切变的密切联系。基于风暴相对螺旋度和对流有效位能的配置分析,研究强环境垂直风切变时段,眼壁附近的深厚涡旋对流以及螺旋雨带中的小型对流单体的三维结构和演变特征。分析表明,环境垂直风切变较强时,在眼壁附近的顺切变区存在典型的深厚涡旋对流系统,这类深厚涡旋系统能够激发二级垂直环流,有利于旋转上升运动的维持,并在近眼心区域引发补偿性的干暖下沉气流,有助于飓风暖心的维持和加强;同时,螺旋雨带中也存在以涡度为特征的小型对流单体,这些对流单体随着平流不断移入飓风中心,使得飓风中心垂直涡度增加,最终导致飓风强度的增强。

关键词：天气学飓风强度诊断分析涡旋对流单体垂直风切变风暴相对螺旋度

环境垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动特征

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环境垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动特征

作者：方俏娴南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文利用数值模式研究不同环境垂直风切变(简称风切变)影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动(简称上升运动)的特征。结果表明,在不同强度的风切变中,上升运动多产生于顺切变象限,随风切变增强,短生命期的和在顺切变左侧生成的比例增大... 详细信息

本文利用数值模式研究不同环境垂直风切变(简称风切变)影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动(简称上升运动)的特征。结果表明,在不同强度的风切变中,上升运动多产生于顺切变象限,随风切变增强,短生命期的和在顺切变左侧生成的比例增大。上升运动的顶高主要位于4-6km,其次为12-14km,表明大部分上升运动发展至对流层中层后停止发展,一部分可发展至对流层高层比如热塔。热塔的最大上升速度所在高度随风切变增大而降低,非热塔的这一高度基本位于3-4km。顺切变左侧上升运动主要径向向里移动,且径向向里移速随风切变增强而增大。对流活动指数(SCP和EHI)与垂直质量输送无明显相关性,说明常用于中纬度对流的对流活动指数不宜用于热带气旋外核区上升运动强度的预测。高层风切变和低层风切变环境中上升运动的多数特征与深层风切变的结果相似,但也存在某些不同。低层风切变中,顶高可达12-14km的上升运动个数较多,高层风切变的较少。低层风切变的最大上升速度和垂直质量输送较大;高层风切变的较小。低层风切变中热塔的最大上升速度所在高度较高,高层风切变的较低。低层风切变的对流活动指数较大,高层风切变的较小。上述特征表明较强的深对流倾向于在低层风切变环境中产生。本文还分析了外核区上升运动强度变化的影响机制。通过分析周围环境特征,发现周围其他上升运动通过两个方面影响上升运动的发展:一是周围其他新生的上升运动发展可增大低层相当位温(),提供有利的对流不稳定条件。二是周围其他上升运动发展成熟,伴随的下沉运动可能使得低层降低,对流不稳定减小。通过分析上升运动的动力过程,发现浮力气压扰动梯度力、热力浮力和水汽拖曳是上升运动强度变化的主要因素。水凝物相变过程的加热(冷却)作用使得热力浮力增大(减小),导致(抑制)向上的加速度;同时水凝物的增多(减少)也意味拖曳作用增大(减小);说明上升运动强度的变化主要是浮力气压扰动梯度力、热力浮力和水汽拖曳不平衡的结果。此外,上升运动的倾斜变化也会影响自身的发展。垂直动量方程的诊断结果表明,水汽拖曳重要影响上升运动的强度变化,这可能是对流活动指数不太适用于预测TC外核区上升运动强度的原因之一。

关键词：热带气旋外核区垂直风切变上升运动