汉江流域盛夏暴雨与天气尺度瞬变波EP通量的可能联系

利用1980—2015年ERA-5全球再分析资料,对汉中地区典型暴雨发生前纬向风场变化及天气尺度瞬变波活动(Eliassen-Palm通量特征)进行分析。结果表明:瞬变波Eliassen-Palm(EP)通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标;暴雨发生前,33°N附近200 h Pa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,这种垂直分布模型是暴雨前期的有利形势,随着纬向风减速趋势加快,EP通量辐散区扩展并加强,有利于暴雨的发生;与8月相比,7月暴雨强度更强,暴雨范围更广,纬向风变化更明显,200 hPa的EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究,会影响对不同月份瞬变波活动及大气环流变化趋势的诊断,造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时,应按月份讨论。     

汉江流域暴雨的Eliassen-Palm通量特征及潜势预报

利用1980—2018年ERA-Interim全球再分析资料,对汉江上游汉中地区暴雨过程纬向风场及瞬变波活动Eliassen-Palm(下简称EP)通量特征进行诊断分析。结果表明:(1)尝试将瞬变波EP通量特征分析应用到汉江流域典型暴雨过程动力特征研究中,天气尺度瞬变波EP通量的辐散可以表征天气尺度扰动的强迫作用,根据热成风原理,角动量和热量的沉积耗散会进一步影响纬向环流的变化。大气中高层瞬变波活动特征可作为提前量反映汉江流域暴雨的发生。(2)暴雨发生前,30°N附近200 hPa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,EP通量辐散区扩展加强有利于暴雨的发生,这种大气波动的垂直分布特征及其变化对暴雨发生有指示意义。     

"5.24"华南中尺度暴雨系统结构的数值模拟分析

对华南暴雨试验期一次造成华南沿海特大暴雨的锋面过程进行了高分辨数值模拟，并从不同侧面分析了该中尺度系统的结构特征和成因。本文的模拟分析表明，此次中-β尺度暴雨云团系统发生在锋面中尺度切变线附近，水平尺度小于100km，是华南锋面暴雨的一种典型结构。系统发生在地面锋线区域，近地层有中尺度辐合扰动，高层200hPa附近有强的中尺度辐散，中间各层为准无辐散。200hPa以下各层有深厚的强上升运动，最强在中层，其中在700hPa附近有明显的补偿下沉运动。中-β度的强上升运动使云系发展至200hPa以上。系统有一定的暖心结构，有别于中纬系统，也有利于层结呈准中性。湿位涡分析表明系统发展的因子是：（1）切变线扰动附近层结呈近中性；（2）近地层能量锋特明显；（3）扰动附近中低层有强的风垂直切变。这三个因子的正效应相迭加，导致了本中-β尺度系统的发展。     

曲靖市2006年6月两次中-β尺度暴雨天气成因分析

2006年6月7-8日和6月22-23日,曲靖市发生了中-β尺度的暴雨天气。利用这两次过程的Micaps10×10格点资料和多普勒雷达资料对中-β尺度的暴雨天气系统形成机制以及雷达回波演变及特征分析。结果表明:500hPa中高纬度环流为稳定的两槽一脊,中低纬有天气系统影响时,如果有足够的水汽和足够强的上升、下沉运动,且正负速度强中心在一个高度,绝对数值相近,加上水汽通量散度不均匀分布,此时,极易发生中-β尺度强降水。同时研究发现“逆风区”是暴雨识别、暴雨落区预报的有用判据,在“逆风区”及其移动路径附近,往往会带来短时集中强降水。     

北半球30 hPa环流春季转变过程的诊断研究

利用1965—1986年30 hPa逐日高度、温度资料和月平均臭氧资料，对环流的春季转变过程进行了诊断研究。结果表明:50°N以北极冠地区高度场涡动方差E指数小于4×104（dagpm）2的初日可以作为30 hPa自然天气季节进入春节的近拟度量；冬末至早春环流在压、温和经、纬向风场方面均有显著变化；定常和瞬变涡旋动量、热量通量和通量辐散（合）的时-空变化特征明显；春季转变早、迟两类情况下极区平流层热源——臭氧在经向、纬向和垂直分布方面呈现异常。     

高空急流区内纬向基本气流加速与EP通量的关系

采用多时间尺度方法, 并假设纬向基本气流是正压的, 在不引入剩余环流的情况下, 推导出纬向基本气流局地变化与一种新形式Eliassen-Palm通量之间的关系, 这种Eliassen-Palm通量关系在形式上比较简单, 而且物理意义明确, 适合诊断分析高空急流区内纬向基本气流的加速与减速.理论分析表明, 正压纬向基本气流的局地变化由新形式Eliassen-Palm通量散度决定.作者利用该Eliassen-Palm通量关系对2002年12月一次寒潮过程中200 hPa等压面上纬向基本气流的发展演变进行了诊断分析.诊断结果表明, 在200 hPa纬向基本气流急流区内, 新形式Eliassen-Palm通量散度是影响纬向基本气流发展演变的重要因子, 并且纬向基本气流的加速与减速主要是由新形式Eliassen-Palm通量中扰动动量的经向输送造成的.     

一次暴雨过程预报的多模式NWP产品与物理参数的综合分析应用

对照常规天气图实况资料,检验几种常用NWP产品对2008年7月5日山东一次强降水过程的形势场预报和降水预报,并对其物理量场进行诊断分析.结果表明,暴雨落区与诸多物理量场的配置紧密相关;暴雨区出现在低层水汽辐合中心移动路径上,位于与水汽通量散度强辐合中心和强上升运动中心接近处;暴雨区移动方向与水汽通量大值中心、△θse(500-850)负值中心长轴方向一致,水汽通量散度低层辐合、高层辐散两者均满足时有利于强降水发生;200 hPa高空辐散的抽吸作用远比仅有低层辐合更有利于上升运动发展;地面强降水区出现在200 hPa强辐散中心所在处.     

瞬变波活动与江淮地区夏季旱涝的关系

利用1951-2000年中国160站逐月降水量资料划分了江淮地区夏季旱涝年。通过对旱涝年500hPa高度距平场的合成分析发现：多雨年鄂霍茨克海阻塞高压稳定维持，少雨年鄂霍茨克海附近的高压脊减弱。为了了解江淮地区旱涝年500hPa中高纬环流形势异常的原因，计算了Eliassen-Palm通量，结果表明多雨年瞬变波对平均气流的强迫作用使经、纬向风异常分布有利于鄂霍茨克海阻塞形势的维持，冷空气向南输送增强，江淮地区降水偏多；少雨年瞬变波对平均气流的强迫作用使鄂霍茨克海高压脊减弱，冷空气向南输送减弱，江淮地区降水偏少。     

一次暴雨过程的数值模拟分析

利用中尺度数值模式MM5模拟产品和CINRAD／SC多普勒天气雷达资料，对2005年9月20日一次鲁南地区大范围的切变线暴雨过程进行分析，表明，稳定的大尺度环流背景下的纬向切变线是产生暴雨的天气尺度系统，切变线上多个中小尺度气旋性涡旋使降水强度增大，造成局部特大暴雨；对流层中低层稳定维持的西南气流为强降水提供了水汽和不稳定能量，并造成大气层结对流性不稳定，也使降水得以持续；强降水区上空存在正涡度柱、散度柱、上升运动柱，涡度和上升运动柱中在高、低层各存在一个大值中心，散度场低空辐合高空辐散明显，当低层上升运动中心降低到850hPa以下和涡度、散度柱发生倾斜时，雨强则迅速减小。     

武汉市一次对流梅雨暴雨过程诊断分析

2016年7月5—6日武汉市发生对流梅雨暴雨,出现严重城市内涝。分析对流云团活动、天气系统与物理量演变,结果表明:(1)对流云团来自江汉平原东部,暴雨前期对流云团合并发生在2个β云团之间,中期2个β云团先后与1个α云团合并,后期对流云团无明显合并,虽有向西的指状对流云生成,武汉市强降雨还是开始减弱。(2)暴雨发生在200hPa南亚高压东伸脊北侧,500hPa副热带高压在江南加强西进过程中,500hPa纬向切变转为低槽东移,850hPa江汉平原低涡则是迴旋少动,高空偏北风急流左侧水汽辐散与偏南风低空急流前方水汽辐合耦合有利于启动强降雨。(3)武汉站200~850hPa,500~850hPa风垂直切变明显,400hPa干空气入侵,共同触发了强降雨。     

A Three-dimensional Wave Activity Flux of Inertia–Gravity Waves and Its Application to a Rainstorm Event

A three-dimensional transformed Eulerian-mean(3D TEM) equation under a non-hydrostatic and non-geostrophic assumption is deduced in this study. The vertical component of the 3D wave activity flux deduced here is the primary difference from previous studies, which is suitable to mesoscale systems. Using the 3D TEM equation, the energy propagation of the inertia–gravity waves and how the generation and dissipation of the inertia–gravity waves drive the mean flow can be examined. During the mature stage of a heavy precipitation event, the maximum of the Eliassen–Palm(EP) flux divergence is primarily concentrated at the height of 10–14 km, where the energy of the inertia–gravity waves propagates forward(eastward) and upward. Examining the contribution of each term of the 3D TEM equation shows that the EP flux divergence is the primary contributor to the mean flow tendency. The EP flux divergence decelerates the zonal wind above and below the high-level jet at the height of 10 km and 15 km, and accelerates the high-level jet at the height of 12–14 km. This structure enhances the vertical wind shear of the environment and promotes the development of the rainstorm.     

Changes in the Brewer-Dobson circulation for 1980–2009 revealed in MERRA reanalysis data

Changes in the Brewer-Dobson circulation (BDC) during the 30 years 1980–2009 are investigated using Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications (MERRA) reanalysis data. The mass streamfunction that is induced by wave forcings in the transformed Eulerian-mean (TEM) equation through the downward-control principle is used as a proxy for the BDC. The changes in the BDC are investigated using two aspects: the wave propagation conditions in the stratosphere and the wave activity in the upper troposphere. They are compared in the first (P1) and second (P2) 15-year periods. The resolved wave forcing, expressed by the Eliassen-Palm (EP) flux divergence (EPD), is significantly enhanced during the December-January-February (DJF) season in P2 in both the Northern Hemisphere (NH) high latitudes and the Southern Hemisphere (SH) mid- and high latitudes. The increased zonal mean zonal wind at high latitudes in the SH, caused by ozone depletion, leads to an upward shift of the Rossby-wave critical layer and this allows more transient planetary waves to propagate into the stratosphere. In the NH, the enhanced EPD in DJF leads to an increase in the frequency of Sudden Stratospheric Warming (SSW) events. The gravity wave drag (GWD) is smaller than the EPD and the change in it between the two time periods is insignificant. The residual term in the TEM equation is similar to the GWD in the two periods, but its change between the two periods is as large as the change in the EPD. Among the four components of the EP flux at 250 hPa, the meridional heat flux played a dominant role in the enhancement of the BDC in P2.     

1980—2000年北极平流层冬季十年际变化形势的逐月演变

采用1980—2000年的ERA-Interim再分析资料,计算北半球冬季各月(12月、1月、2月)行星波的Eliassen-Palm(EP)通量及其散度,并按冬季不同月份分析平流层整层温度和纬向风场的十年际变化特征与行星波活动变化的关系。结果表明,温度的十年际变化在高纬度中下平流层12月呈明显增温趋势,1月转为较弱的冷却趋势,2月为明显的冷却趋势。纬向风在中高纬平流层12月呈明显的减速变化,1月减速区与加速区相间分布但强度均较弱,而2月为明显的加速趋势。12月行星波沿低纬度波导向热带对流层顶的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播明显加强;1月沿两支波导的传播趋势未变但均较弱;而2月行星波沿低纬度波导的传播转为加强趋势,沿极地波导的传播转为减弱趋势。相应地,EP通量散度场的十年际变化形势沿两支波导在12月与2月相反,1月为过渡阶段。因此,北极平流层温度、纬向风、EP通量及其散度场的十年际变化在冬季内呈现一个从北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)的负极趋势向正极趋势逐月演变的过程。     

四川盆地一次西南涡作用下大暴雨过程的短时强降水分析

利用常规地面、高空观测资料、自动站资料、NCEP1°×1°再分析资料和新一代多普勒天气雷达观测资料,分析2015年8月16—18日四川盆地持续性大暴雨过程,给出了此次大暴雨过程不同阈值短时强降水的时空分布特征,研究此次大暴雨过程中造成短时强降水的成因。结果表明:螺旋度的变化对短时强降水有指示作用,螺旋度等值线密集(稀疏),短时强降水增强(减弱)。水汽收支方程中,水汽通量散度项为短时强降水的发生提供了主要的水汽来源。永川雷达反演的风场上具有明显的低空急流、低层辐合,以及局地气旋性涡旋的中小尺度环流特征。通过对比分析发生在2013年6月30日的相似大暴雨过程,发现两次过程的关键影响系统均是西南涡。"8·17"大暴雨过程低涡前部偏南暖湿急流及低涡后部东北冷流均显著,是斜压锋生类短时强降水";6·30"大暴雨过程低涡前侧偏南暖湿急流显著,暖平流建立的不稳定起了主导作用,是暖平流强迫类短时强降水。雷达特征显示"8·17"过程强反射率因子面积小,回波质心发展较高,有明显的辐合特征";6·30"过程强反射率因子面积大,回波质心发展低,并伴有中气旋活动。     

Rossby波列传播效应在梅汛期强降雨中期预报中的应用研究

根据1981-2010年30年梅汛期(6-7月)46个代表站的逐日实测降雨量和NCEP再分析资料,统计归纳出强降雨天气气候特征;通过对大量历史个例的总结,对影响江淮流域强降雨的500hPa主要环流特征和影响系统、850hPa风场等分布特征进行了综合分析,提出了强降雨的概念模型和中期预报着眼点。针对近30年来出现的10次长持续性强降雨天气过程,进行了Rossby波的下游效应分析,得出Rossby波列自西向东明显传播将有利于江淮流域出现持续性强降雨天气过程。Rossby波能量的下游效应可为中期预报提供新的思路。     

辽宁一次暴雨过程分析与暴雨落区预报失误原因探讨

从一次高空槽和华北气旋影响的暴雨、局部大暴雨落区预报出发,利用常规地面观测资料、加密自动站资料、高空探测资料和欧洲中心（ECMWF）数值预报产品资料,对2011年7月29-31日辽宁一次暴雨、局部大暴雨过程的天气形势和物理量场进行分析。结果表明：夏季暴雨预报不仅要考虑高层形势、副热带高压强度和位置大尺度环流形势的变化,也要考虑有利的大尺度环流背景下易产生的中小尺度天气系统,此次辽宁暴雨过程中在高空槽和华北气旋的发生发展过程中激发了中尺度气旋,中尺度气旋的强度和移动路径是预报此次暴雨、局部大暴雨落区的关键因素。     

一次梅雨期苏北大暴雨的时空结构及其非线性亚临界对称不稳定

利用WRF V2.2模式对2006年6月30日00时—7月1日12时（世界时）江苏宝应地区的大暴雨过程进行数值模拟,并利用从模拟结果提取出的环境风场和中尺度扰动风场对此次大暴雨过程的时空结构,尤其是风场的垂直切变和非线性亚临界对称稳定性进行分析,结果表明：整层大气平均风垂直切变矢量转为西南偏西风后其南风分量随时间增大到最大值,对暴雨的发生有提前5-4 h的指示意义,相应时刻绝对水平螺旋度亦达到极值;暴雨发生前3 h首次出现强烈的整层垂直上升气流,预示大暴雨发生;在暴雨发生前9 h,高层200 hPa涡度、散度两波呈π/2位相差,对应强烈地转不平衡重力波,随时间向下传播,至暴雨发生前3 h下传到800 hPa;中尺度扰动风场的加强与降水的加强关系密切,在暴雨发生前3 h,出现中尺度非线性亚临界对称不稳定,激发暴雨发生,并对大暴雨的发生有重要的指示意义。