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1、成信院李国平,新型大气旋转诊断量,1、位涡理论的新进展 湿位涡有2种定义。 （1） 或 诊断量：WPV， （湿位涡倾向） 其中，湿静力稳定度 和等压面绝对涡度 的乘积。对 于绝热、无摩擦的大气运动，WPV一个守恒量。 （2） 诊断量：湿空气的位涡（MPV=MPV1+MPV2）,成信院李国平,（早期）湿位涡WPV,(现在)湿位涡MPV：,MPV=WPV+斜压项 忽略垂直运动的水平变化，在绝热、无摩擦条件下，p坐标系中湿空气的位涡MPV守恒，即广义位涡定义中取 ， 。式中 是相当 位温。如果MPV0，大气为湿对称稳定；MPV0，大气为 若将MPV分解为正压项（干位涡？）和斜压项，则分别有,成信院李
2、国平,理解：,湿对称不稳定。,倾斜涡度发展（SVD）理论： 将类似e 倾斜为前提的垂直涡度发展定义为倾斜涡度发展（简称SVD）。数值模拟表明： 当e面非常陡立时，SVD发展可以十分急剧，比水平散度项引起的涡度发展大一个量级以上。因此， 垂直涡度增长的充分条件为： 。因此，在对流不稳定大气 中， ，只有MPV20，垂直涡度才能得到较大增长；在对流稳定大气中， ，只有MPV20，垂直涡度才能得到较大增长。也就是说垂直涡度的发展 可在对流不稳定大气中发生，也可以在对流稳定大气中发生，e面的陡立是倾斜涡度发展的重要条件。,成信院李国平,SVD理论是剧烈天气发展的一种重要机制。,更加全面地分析可知，在诱
3、发SVD的过程中，风垂直切变、稳定度和斜压性的影响不是孤立的，三者可结合成一个天气指示意义明显的综合热力参数 加以考虑。沿倾斜等熵面下滑的气块，当综合热力参数 减小时，其垂直涡度将发展。 逐渐形成的位涡动力学： （1）等熵位涡（IPV）思想：解释气旋生成，发展斜压不稳定理论 （2）位涡反演技术：由位涡和边界条件反演风场和质量场（利用位涡的可逆性） （3）分层位涡反演技术：分辩各种物理过程对系统发展的具体作用（贡献）,成信院李国平,2、拟能 （1）涡度拟能（涡度动能）： ，表征运动的旋转能力。 （2）涡度拟能方程： 意义：涡度拟能的变化由散度项、扭转项和外源项（包括摩擦项）引起。 （3）位涡拟能
4、： 与此涡度拟能类似，可根据准地转位涡（6）定义（准地转） ， 但其物理意义是什么？,成信院李国平,位涡拟能,3、螺旋度及其守恒 （1）螺旋度： 螺旋度（也称螺旋性）是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量，最早用来研究流体力学中的湍流问题，在等熵流体中具有守恒性质。其严格定义为 表示 的程度（平动+转动）。因此，可用H反映旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。 （2）螺旋度守恒：对等熵流体，H为守恒量。地转运动中，大气的螺旋度保持守 恒，即 。 气象中最初把螺旋度用于湍流尺度问题，后多用于分析,成信院李国平,涡管相互扭结,强雷暴、强风暴等,中小尺度系统的整体旋转发展和维持机制。,（3）
5、螺旋度的意义 对大尺度运动，呈准水平状态，水平速度分布不均匀所引起的涡度主要是垂直方向的，则 ，即气旋区域，有上升运动；反气旋区域，有下沉运动。 就全球而言， 表示系统可以是气旋性或反气旋性旋转，但螺旋度总是不等于零的。 （4）局地螺旋度 通常人们所说的螺旋度是局地螺旋度h，定义为 其中 为三维风速矢量， 为三维微分算子。若定义 为水平风速， 为垂直运动速度， 为涡度的垂直分量，,成信院李国平,则螺旋度可写为 螺旋度的优点：同时考虑涡度、散度和垂直速度 螺旋度的指示意义： 1）“水平”螺旋度：可判断有无风暴 2）“垂直”螺旋度：表征风暴维持与发展的程度,成信院李国平,z坐标系下的z-螺旋度计算
6、公式为 则当有上升运动(w 0)，0为正涡度时，螺旋度为正值；反之0为负涡度，螺旋度为负值。 思考问题： 1）z-螺旋度为何不宜称为垂直螺旋度？ 2）何时才能用p坐标系的z螺旋度形式：,成信院李国平,（5）相对螺旋度（天气系统螺旋度）,Woodall（1990）导出相对于风暴的局地螺旋度密度公式，考虑到研究强对流时，涡度的垂直分量较风垂直切变小一个量级以上，同时忽略垂直速度在水平方向的变化，可得到简化的相对螺旋度密度计算公式 其中usr 、vsr 分别为相对于风暴的风矢量在x，y方向的分量，即 式中 为风暴平移速度。Davies-Jones（1990）等在此基础上发展了一个可利用单站探空风资料
7、计算风暴相对螺旋度SRH（简称相对螺旋度）公式。风暴移速可取为地面、850、700、500、300和200hPa平均风速的75，方向定为V的方向右偏40（标记为40R75）。,成信院李国平,进一步定义 和 分别表示水平风速 的辐散分量和旋转分量， 、 分别为势函数和流函数，则螺旋度可以进一步写为,成信院李国平,螺旋度是涡旋在辐散风方向和旋转风方向以及垂直速度方向投影作用的共同结果。 对于强烈发生发展的中尺度系统，辐散风分量较大，垂直运动也很激烈。 螺旋度重点表现了涡旋在辐散风方向以及垂直运动方向的投影作用。 螺旋度值的正负情况反映了涡度和速度的配合程度。,成信院李国平,螺旋度的重要性在于它包含了辐散风效应，强调了垂直运动场，可以较好地反映涡旋、辐散以及垂直运动相互作用的典型中尺度系统的动力学特征。,4、其它新型天动诊断量 （1）动力涡度矢量： （2）湿涡度矢量： （3）对流涡度矢量： 形式借鉴位涡。其中广义位温（General Potential Temperature，GPT）,成信院李国平,（4）热成风动力涡度矢： （5）热成风螺旋度： （6）湿（热力）螺旋度: 适用于非均匀饱和湿空气，不同于干空气的 和饱和湿空气的 也可定义另一形式的湿螺旋度： 那么，z-湿螺旋度？ （7）？热成风动力螺旋度:,成信院李国平,成信院李国平,局地z-螺旋度,
