基于准平衡流分析的致洪暴雨过程中尺度涡旋机理研究

观测研究表明，伴随有较长生命史、大振幅组织化深厚湿对流的中尺度涡旋是影响致洪暴雨发生和维持的重要中尺度天气系统，这类中尺度涡旋具有强涡散运动共存并达到同量级的特征。本项目在探索致洪暴雨过程中尺度运动平衡、准平衡和非平衡态动力学特征的基础上，建立能够描述同时包含辐散风和旋转风效应的较长时间维持的三维准平衡模式，分析准平衡条件下具有较长生命史过程的大振幅中尺度垂直环流的形成原因；研究致洪暴雨过程中尺度涡旋及伴随的组织化深厚湿对流系统发生发展的热力和动力学机理，分析致洪暴雨过程不同生命史阶段平衡、准平衡和非平衡流的物理属性及对中尺度涡旋和深厚湿对流维持和发展的贡献；利用准平衡动力框架，诊断外源强迫影响下，中尺度涡旋系统内水汽、动量和热量的非均匀分布和非线性集中对深厚湿对流系统组织化过程的作用，建立致洪暴雨过程中尺度涡旋及伴随的深厚湿对流系统组织化的概念模型。

观测研究表明，致洪暴雨的产生与伴随有较长生命史、大振幅组织化深厚湿对流的中尺度涡旋系统的发生发展密切相关，因此准确描述中尺度涡旋系统的结构特征和演变规律，研究其发生发展的动力学机理是揭示致洪暴雨过程物理本质的主要科学问题。本项目利用理论研究与诊断分析相结合的方法，对中尺度涡旋系统的准平衡动力学机理和致洪暴雨过程的准平衡流场演变规律进行研究，揭示了致洪暴雨过程中尺度涡旋的动力学特征，探索了准平衡垂直环流发生发展机理，得到了外源和内部过程影响下中尺度涡旋发展维持的物理图像。. 针对中尺度涡旋系统的准平衡动力学机理研究，项目组在深入理解中尺度运动特征的基础上，建立了针对致洪暴雨过程准平衡动力模型，比较完整地描述了伴随有较长生命史过程深厚湿对流系统的中尺度涡旋系统的三维动力学特征；从波动动力学角度，讨论了基于准平衡动力模型的中尺度波动结构和传播对中尺度涡旋系统强度变化的影响，分析了外源强迫（垂直风切变）对波动传播以及涡旋系统结构变化的作用；进一步探索了旋转大气中涡旋Rossby波的稳定性条件及其在涡旋系统中应用，揭示了涡旋系统中扰动强烈发展从而导致降水增幅的动力学原因。. 在机理研究的基础上，利用高分辨率模式资料，发展了适用于诊断暴雨过程中具有涡散共存特征的准平衡诊断方法，区分了暴雨过程中平衡、准平衡和非平衡流场的物理属性，重点研究了准平衡流各强迫因子对垂直环流组织化的贡献，提出了准平衡中尺度涡旋系统内垂直环流发生发展的物理概念模型；利用分片位涡技术，分析了由不同尺度天气系统引起的位涡异常的相互作用，及其对准平衡中尺度涡旋移动和发展的影响；采用等熵位涡诊断和追踪技术，分析了等熵位涡输送对准平衡中尺度涡旋持续性发展和暴雨增幅的指示作用。. 通过项目研究，揭示了准平衡动力学框架下具有涡散运动共存特征的中尺度涡旋以及其中深厚湿对流系统强烈发展的原因，加深了对准平衡中尺度涡旋形成和传播机理的认识，为暴雨强度和落区预报提供了新的思路。