变形场对我国中尺度低涡暴雨系统发展演变的作用研究

Under the typical synoptic background of heavy rainfall in China and based on the close correlation between deformation and vortex disturbance and rainband, this project investigates the impact of deformation field on the evolutions of mesoscale vortex, and the possible application of deformation into the diagnosis of heavy rainfall. First, a mathematical relation between deformation and vertical vorticity is built based on the frontogenesis function and complete vertical vorticity equation in moist atmosphere. With the mathematical relation, the impact of deformation on low vortex development in fronts and the corresponding mechanism are studied. Second, from the attitude of the interactions of vorticity, divergence and deformation, the vorticity energy, divergence energy and deformation energy are defined. The interaction terms of the three energys are derived from their tendency equations, which are used to study the impact of deformation on low vortex that is not related to fronts. Finally, a dynamic factor which contains deformation is proposed based on potential vorticity, with its capability on diagnosing and indicating heavy rainfall examined.

在我国典型暴雨天气形势背景下，针对变形场与涡旋扰动及雨带具有密切相关性的观测事实，研究变形场对我国中尺度低涡暴雨系统发展演变的作用，研究变形场在低涡暴雨诊断分析中的应用。首先基于变形锋生理论，从变形能够驱动大气湿斜压性增长的角度，利用包含变形强迫的锋生函数代替全型垂直涡度方程中的湿斜压变化项，建立变形与垂直涡度发展的关系，研究变形对锋面之上中尺度低涡的作用；从变形与涡度、散度相互作用的角度出发，定义涡度能、散度能和形变能，推导并整理三种“能量”的相互作用项，研究与锋面无关的中尺度低涡过程中变形与涡度、散度的相互作用特征及其对低涡发展演变的作用；在此基础上，借助位涡思想，将表征大气纯动力特征的变形与暴雨的其他典型动热力特征结合，发展包含变形的动力诊断量，并考察其诊断和指示暴雨的能力，从而将变形引入低涡暴雨的诊断研究中。

旋转、辐合辐散和变形是风场的三个基本特征，过去人们关注的主要是大气的旋转和辐合辐散特征以及与之相关的涡度和散度，但是对变形的研究比较少。我国暴雨和强对流发生的天气形势常常就是一个变形场，变形场对大暴雨的发生发展是十分重要的。目前，变形场的理论还有待完善，变形场中中尺度暴雨系统的发展机理研究也有待加强。围绕这一点，本项目主要开展了以下三项研究：（1）根据湿位涡方程，结合锋生函数，引入了变形效应,建立了湿大气中包含变形强迫的全型垂直涡度方程。应用该方程研究变形场中的低涡演变，得到了变形场驱动低涡发展的物理过程：在适当的动热力条件下，变形首先驱动锋生，引起相当位温梯度的增强，从而造成湿等熵面的倾斜，引起垂直涡度增长，低涡发展，这种驱动作用在低涡发展期最为显著。由此合理地解释了产生大暴雨的低涡系统在变形场中发生发展的机理。（2）针对与锋面无关的暴雨系统，从变形与涡度、散度相互作用的角度对变形场的作用做了进一步研究，理论方面，在涡度拟能概念的基础上引入散度拟能和变形拟能，为散度和变形的平方。拟能与能量相似，可以发生相互转化。进一步，推导了三个拟能方程，从拟能转化的角度量化变形与涡度、散度的相互作用。将该理论应用到暴雨低涡系统的研究中，发现，变形一方面可以直接向涡度转化，促进系统发展，另外可以向散度的转化，通过加强大气低层的辐合，使系统发展能够维持较长时间。变形场对暴雨系统的维持作用是这个研究的一个重要发现，系统的发展对暴雨固然是重要的，但系统的维持才是产生持续性大暴雨的主要因素。（3）为了使变形得到更好地应用，参考位涡的概念，将变形与垂直风切变、对流稳定度、斜压性结合，提出了位势变形，推导了倾向方程。位势变形具有明确物理意义，也是一种变形，表征了气流的拉伸和汇合，但较经典的变形的改进之处在于其中加入了热力因子的影响。位势变形在强对流降水过程有良好地应用，与降水的关系十分密切。