2019年6月桂林三次强降水天气成因对比分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP再分析资料,对桂林2019年6月6-12日接连3次强降水天气过程的环流背景、影响系统与形成原因进行了对比分析。结果表明:(1)3次过程按影响系统分属暖区暴雨、低涡暴雨和锋面暴雨过程,均发生在高空急流右侧辐散、低空急流左侧辐合叠加区。(2)3次过程均受500 hPa短波槽和地面中尺度辐合线影响,但第1次过程中西南急流及地形等、第2次过程中低涡切变线、第3次过程中冷锋也起到重要作用。(3)3次过程的触发系统不同,第1次暖区暴雨过程迎风坡地形对其起触发作用,西南急流使得后向传播的对流云带维持;第2次低涡暴雨过程的触发系统为低层位于贵州一带的西南涡,西部冷空气侵入与西南急流加强是低涡对流云团维持较长时间的原因;第3次锋面暴雨的触发系统为冷锋,锋面配合锋前暖湿气流使对流云带加强。(4)第1次过程暖区暴雨MCS模态主要为线状后向扩建类,极端强降水出现在线对流中后端;第2次过程低涡暴雨MCS模态为涡旋类,极端强降水出现在涡旋中心附近;第3次过程锋面暴雨MCS模态由前期后部层云区线状对流转为层状云包裹对流系统,强降水发生在线对流弯曲或中心强回波处。     

两次不同类型暖区暴雨的对比分析

2014年5月8-12日,华南发生了连续暴雨天气过程,为了探究回流暖区暴雨和锋前暖区暴雨的成因,加深这两类不同类型暴雨的认识,利用NCEP/,NCAR的1°×1°再分析资料、多普勒天气雷达、风廓线仪、自动站资料等,分析了回流暴雨与锋前暖区暴雨的特征及主要物理差异。得出：（1）8日暴雨发生在变性高压脊后部,未受冷空气影响,属于回流型暖区暴雨过程,10-11日暴雨发生在锋面低槽中,属于锋前型暖区暴雨。（2）两种类型暴雨不仅降水的分布、中尺度云团活动、雷达特征等存在明显的差异,而且在天气形势、水汽输送、动力机制、中尺度环境条件以及与暴雨的触发机制存在着不同点,这些差异可能是造成两类暖区暴雨降水落区及量级差异的主要原因。     

经向切变线暴雨落区分析

应用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料,对有静止锋和无锋面的两类经向切变线的暴雨落区从地面形势、高低空系统配置及冷暖空气的相互作用等方面进行精细分析,补充完善低涡、切变线类天气系统暴雨落区位于低涡东南象限的一般概念模型,以满足精细化预报的需求.结果表明:有地面静止锋配合和无锋面的两类经向切变线,在空间结构上有显著差异.由于有静止锋配合的切变线系统具有锋面结构,锋面抬升作用显著,暴雨的第一落区位于地面倒槽顶端;其次,由于冷暖空气相互作用阶段不同,在地面中尺度气旋发展成熟阶段,由于干空气侵入暖湿输送带上空,在静止锋前暖区中,出现暴雨第二落区.在无锋面配合的经向切变线过程中,地面不存在南北风交替的锋面系统,除了低涡东南象限较强的水汽辐合造成的暴雨区,850 hPaθe高值区、高比湿舌和弱水汽辐合重合的区域,由于潜在对流不稳定造成另一个暴雨区,且不需低空急流存在.     

双雨带过程中的回流暖区暴雨个例对比研究

利用常规观测资料、NCEP 1 °×1 °FNL资料、自动站降水资料,对华南两次双雨带过程中的回流暖区暴雨个例进行了对比分析,结果表明:(1)与暖湿的南到西南气流相比,变性高压脊后部回流的东到东南气流具有一定干冷属性,边界层两支不同性质的气流汇合形成辐合渐近线和边界层锋区。回流暖区暴雨实际是先有回流、预先在东侧形成浅薄的冷池,后有高空槽加深东移、带来边界层西南风,与东南风辐合,形成低层辐合抬升条件,西南风暖平流使边界层锋区加强并缓慢东移,产生的暴雨。回流和高空槽均起到关键的作用;(2)回流暖区暴雨区域在边界层内具有弱对流性不稳定或湿中性层结、而在中低层具有明显对流性不稳定,其发生发展机制有别于锋前暖区暴雨和典型锋面暴雨;(3)边界层较大水平螺旋度与回流暖区暴雨有良好对应关系,对回流暖区暴雨预报有指示意义,是回流暖区暴雨区别于锋面暴雨的重要动力学特征;(4)回流暖区的水汽输送主要集中在850 hPa以下,以925 hPa最显著,北侧锋区的水汽输送主要集中在850~700 hPa;南北两支雨带低层的水汽输送通道可能存在部分重合,当南侧暖区雨带的对流发展起来后,部分水汽可能被南侧辐合系统截留,从而影响北侧的水汽输送强度。这可能是导致北雨带降雨强度不如南雨带的一个原因。      

夏季江南地区暖区暴雨的统计分析

本文首先给出江南地区暖区暴雨的定义,并按天气形势将其分为暖切变型、冷锋锋前型、副热带高压(以下简称副高)型和强西南急流型四类。然后利用2010—2016年5—9月常规和自动站逐时降水等非常规观测资料统计暖区暴雨的时空分布特征和降水性质等,并对暖区暴雨的形成原因进行初步分析。最后利用NCEP FNL全球分析资料,基于中尺度分析技术给出四类暖区暴雨的系统配置:(1)四类暖区暴雨均为分散性局地降水,降水多发生于山区、平原和湖泊交界处等不均匀下垫面附近。其中,暖切变型降水范围广、强度最大、极端性最明显且主要位于江南中西部;冷锋锋前型降水集中、强度较大且具有一定极端性,主要位于江南中部;副高型降水强度较弱,主要位于江南中东部;强西南急流主要位于江南西部。(2)暖切变型和强西南急流型以夜间降水为主,副高型降水集中在午后,冷锋锋前型降水日变化不明显。(3)暖区暴雨由稳定性和对流性降水共同组成且降水量越大,降水对流性越明显。(4)在低层高湿、不稳定能量积聚等有利背景下,暖切变型、冷锋型和副高型暖区降水多由边界层(地面)中尺度辐合线配合高低空急流耦合产生,强西南急流型一般形成于低空急流上的中尺度风速脉动及地面辐合线附近,且低空急流越强,暴雨强度越大。(5)暖切变型和冷锋型暖区暴雨的落区分别位于低层850hPa暖切变以南和地面锋前的显著湿区内,副高型和强西南急流型的暴雨落区分别位于副高内和强低空急流出口区左前侧的水汽充沛且大气层结不稳定区内。四类暖区暴雨常表现为长生命史的移动型中尺度雨团途经山区或河流湖泊等不均匀下垫面时,强度增大、移速减慢,形成暖区局地强降水。     

不同类型华南暖区暴雨过程的环流特征

在对34年华南暖区暴雨的筛选和客观分类研究的基础上,继续深入研究不同类型暖区暴雨的环流特征与对流发生环境变量特征的异同。主要结果如下:大部分切变线型、低涡型和回流型暖区暴雨个例的环境场斜压性较强,其中回流型暖区暴雨在关键区斜压性最强,而南风型暖区暴雨个例的环境场斜压性相对较弱;所有类型暖区暴雨发生时对流层中高层的中纬度基本为平直西风气流控制,降水区主要位于西风带短波槽槽前,低层均有低空急流的影响。各类暖区暴雨的主要差异在于高层南亚高压、中层短波槽和副热带高压的位置和强度差异以及低层低空急流的位置、强度、风向和水汽输送条件的不同。切变线型暖区暴雨发生时0～3 km垂直风切变最强,低涡型暖区暴雨对流有效位能最大,两类南风型暖区暴雨的动力和热力强迫都较弱,对其发生发展机理需要开展更深入研究。     

长江中下游地区暖区暴雨特征分析

利用2007到2013年5-9月间常规和非常规资料以及6 h一次的NCEP 1°×1°再分析资料,将长江中下游地区暖区暴雨按天气形势划分为冷锋前暖区暴雨、暖切变暖区暴雨以及副热带高压边缘暖区暴雨三种类型。统计表明暖区暴雨一般发生在距离切变线(锋线)100~300 km的暖区内。主要结论包括:(1)冷锋型降水强度偏弱且分布均匀,集中在5、6月;暖切变型发生次数最多且强度大,主要发生在6、7月长江中下游地区的偏南部;副热带高压边缘型发生次数最少但强度较大,发生在7、8月。暖区暴雨的发生次数及强度在大别山、皖南山区较为集中。(2)暖区暴雨中短时强降水贡献大。(3)冷锋背景下的暖区暴雨一般产生在锋前低压槽中,暴雨落区与高低空急流耦合有紧密联系;暖切变型以低层暖切变线为主要天气背景,地面常有弱静止锋,暖区对流活动与中尺度急流结构、地形强迫等因素存在较高的相关性;副热带高压边缘暖区暴雨与局地的水汽积累和对流不稳定条件的发展有密切关系。据此建立三类暖区暴雨的概念模型。     

青岛地区暖区暴雨特征研究分析

利用2011—2018年常规和非常规气象观测资料,统计分析青岛地区38个暖区暴雨日的基本特征。结果表明:(1)青岛地区暖区暴雨按发生的天气形势主要可分为暖切变型、冷锋型、副高边缘I型及产生连续性暴雨的副高边缘II型。(2)暖区暴雨主要发生在7—9月,其中7、8月发生次数较高。暴雨落区和青岛的地形关系密切,在南北山区形成两条暖区暴雨高发生带。(3)暖区暴雨的强对流特征明显,短时强降水的贡献随总雨量的增加而加大,且降水时段集中,主要降水产生在6 h以内。(4)冷锋型和暖切变型的天气形势均为北部西风槽配合偏南的副热带高压,低层有明显的西南暖湿气流输送水汽,其中冷锋型有明显冷空气南下在华北南部形成东北西南向冷锋,而暖切变型的中支槽前在渤海西部有低涡生成,前部暖切位于半岛北部地区。两类副高边缘型均为西低东高形势,青岛处于副高西侧,且副高边缘II型的副高位置更为偏北,东移的西风槽更加深厚,与副高形成东西对峙,易出现连续性暴雨。(5)各型暖区暴雨基本发生在低层高能舌的顶端及由于风速切变和地形抬升造成的水汽辐合区域。     

广东前汛期西风槽暴雨个例的强度及落区

利用实况观测资料和NCEP的1°×1°格点资料,分析了2005年5月7~10日广东暴雨过程。结果显示:这次暴雨过程主要是由500 hPa西风波动中先后两个小槽东移逼近,配合850 hPa西南风加强造成的。降水中心主要落在槽前正涡度区右侧、涡度梯度最大的区域;暴雨落区与西南风急流位置的对应关系和造成西南风加强的系统有关;在影响系统起作用的背景下,降水落区与垂直风速切变的最大中心重合,与垂直风向的顺时针切变密切相关;天气系统相联系的低层负螺旋度越深厚,降水量越大,雨势越强。     

山东一次暖区暴雨的环境场特征和触发机制

利用常规观测资料、区域自动站及NCEP再分析资料,对2018年5月15—16日山东暴雨过程的环境场特征和触发机制进行分析。结果表明:(1)该暴雨过程分为暖区暴雨和锋面暴雨2个时段,高空槽、暖切变线和地面辐合线是造成暖区暴雨的主要影响系统;(2)暖区暴雨开始前大气具有产生对流的不稳定环境条件;(3)850 hPa暖切变附近的暖区暴雨有明显的能量锋区,而发生在暖切变南侧暖区的暴雨锋区不明显;(4)暖区暴雨期间,暴雨区上空的垂直风切变均达到中等以上强度,垂直环境条件有利于暖区对流天气的发生、发展;(5)地面中尺度辐合线是暖区暴雨的触发机制,辐合线的位置和移动方向与雨带的落区和移动方向一致;(6)低空急流和超低空急流的加强和向下传播也会触发不稳定能量的释放。     

贵州西部两场典型暴雨个例对比分析

利用ECWMF数值预报产品资料、逐日客观分析资料、常规观测资料以及高密度区域气象自动站降水资料和物理量资料,对2011年6月中、下旬发生在贵州西部地区的两场暴雨天气过程进行对比分析。结果表明:①两场暴雨的发生,中低层均有西南低涡沿切变线东南移和强盛的西南暖湿气流,第1场有高原槽,第2场既有高原槽又有南支槽等天气条件的有效合理配置,以及较强的垂直上升运动和充足的水汽、能量条件,为暴雨产生提供充分的条件。②区域气象自动站降水资料显示,中小尺度天气系统演变对强降水落区有很好的指示意义。③WRF模式较准确地模拟出降水落区、强度以及700 hPa上西南涡沿切变线移动趋势,对类似暴雨短时临近预报具有重要的指示意义。     

地面倒槽暴雨的形成机制研究

应用常规观测资料、NCEP1°×1°再分析资料,分析山东不同天气类型的暴雨过程,发现在有冷暖空气相互作用的锋面过程中,地面倒槽顶部是首要的暴雨落区。地面倒槽暴雨的形成机制为：1）地面倒槽与850 hPa水汽辐合中心相吻合。2）地面倒槽的形成是低层暖平流作用的结果,地面倒槽的东南风一侧,为低层暖平流中心,暖平流导致暖锋前负变压明显,形成地面倒槽。3）地面倒槽为冷空气和暖湿气流交汇区,在其经向剖面上,可见整个对流层具有冷锋完整的热力、动力空间结构特征。后倾槽时,锋面抬升作用导致强上升运动出现在锋后,暴雨趋向于出现在倒槽后部东北气流中。前倾槽时,强上升运动区与向上凸起的θe舌状高值区吻合,潜在不稳定能量释放产生暴雨,暴雨区位于倒槽附近。     

四川盆地一次春季暴雨的特征分析和数值模拟

利用地面自动站、高探空资料和NCEP再分析数据以及WRF模式,对发生在四川盆地的一次春季暴雨过程进行了基本特征分析和数值模拟研究。结果表明,暴雨发生在伴随高空急流波动的中低层短波槽和中小尺度系统十分活跃、低纬度环流系统稳定的形势背景下,暴雨存在多个落区,其影响系统和触发机制各不相同。暖区暴雨的触发系统初始扰动主要是与江南切变线活动有关的东风倒槽,对流不稳定区地形对加强的偏东气流强迫是盆地西部沿山暴雨形成的主要原因,南支高空急流与东南风低空急流的垂直耦合为暴雨系统的发生发展提供了有利条件, 暖平流引起的低层高能高湿和对流不稳定与弱垂直风切变是暴雨系统发生发展的主要环境条件。数值模拟表明,尽管WRF模式系统对暴雨发生的低层热力和水汽输送以及沿短波槽分布的短时强降水落区、强度模拟基本正确,但过度估计了锋面降水的强度,对无或弱斜压强迫的暖区暴雨造成漏报。主要原因是较大尺度锋面降水影响系统能够被模式所分辨,而对暖区暴雨不稳定能量触发系统初始扰动发展的模拟能力有限。      

“15.7”广西超长持续性暴雨过程多尺度特征分析

利用多源气象资料,通过综合诊断分析方法,对2015年一次广西持续性暴雨过程进行多尺度特征分析。(1) 南亚高压经历了双体型构建,副热带长波槽有利于冷空气南下和高空急流的建立。El Ni?o状态下,副高强度偏强,位置偏西、偏南,有利于暖湿气流向广西输送。南亚高压过渡层与副高对峙,有利于冷暖空气在广西交汇。(2) 影响天气系统有高空槽、切变线、冷锋、低空急流、季风槽及低涡等多天气系统。降雨分为锋前暖区、锋面、高空槽加强、季风槽与低涡等四个阶段。(3) 中尺度特征为锋前暴雨发生在MCC云团形成到减弱期,雷达强回波呈弓型,对流性强;锋面暴雨发生在MCC减弱后云带,雷达强回波为弓型向直线型转换,对流性减弱;高空槽加强暴雨为直线型云系和雷达回波增强;季风槽与低涡暴雨为增强的涡旋型云系和雷达强回波。(4) 暴雨发生在总体地势为云贵高原下坡和地面喇叭口地形辐合的桂西北、海陆分布差异的沿海及山脉迎风坡的桂东南。可见,长时间持续性暴雨过程是一个多尺度和多天气系统相互作用的结果,暴雨发生在有利的大尺度环流背景和天气系统配置下的中小尺度系统频繁发生处,地形助推暴雨作用明显。深刻理解持续性暴雨发生的尺度特征可提高该类天气预报能力。      

低层锋生型暴雨特征合成分析

应用湖北省县级以上84个气象观测站点24 h降水资料,统计分析了2008—2011年5—8月低层锋生类型10场暴雨的雨量特征,对天气系统和各种物理量特征进行合成分析。结果发现:低层锋生型暴雨主要是由于低层锋生强迫触发不稳定能量的释放,同时形成跨锋面的次级正环流,其上升支与高层次级反环流的上升支在暴雨区上空叠加,形成深厚的上升运动区,触发位势不稳定能量的释放。在中层槽前正涡度平流、低层西南急流风速辐合以及锋面倾斜导致倾斜涡度发展等共同作用下,中尺度低涡发生发展。中尺度低涡中心区域和低涡移向的右前方动力水汽辐合最强烈,是暴雨发生的主要区域。     

华南暖区暴雨过程集合动力因子的诊断分析

选取2015—2017年4—6月发生在广东地区的20个暖区暴雨个例,利用GFS0.5°×0.5°预报场资料,分析了集合动力因子在华南暖区暴雨中的分布特征。研究结果表明:(1)在广东省的四类主要暖区暴雨中,锋前低槽暴雨中各集合动力因子和累积降水的相关性最高,其次是西南急流暴雨,而回流暴雨中的相关性最差。锋前低槽暴雨与回流暴雨有共同的相关性较好的集合动力因子,高空槽和副热带急流暴雨与西南急流暴雨也有共同的相关性较好的集合动力因子。(2)选取各类暖区暴雨中对降水表征最好的集合动力因子分别构建了3个量级的权重指数(量级分别为10~(-3)、10~(-1)和10~2),发现各量级的权重指数随着降水量级的增大而增大,说明权重指数对分析判断不同量级的降水具有很好的指示作用。(3)采用各量级权重指数的中位数作为判断降水等级的阈值,并利用3个量级的权重指数可以综合判断降水的强度等级,这为降水的量级预报提供了一个客观化指标。这些结果进一步提高了集合动力因子在华南暖区暴雨预报中的实际应用能力。     

2013年4月29—30日景德镇地区锋面暴雨过程分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°格点数据以及FY-2E相当黑体亮温（TBB）资料,对2013年4月29—30日景德镇地区锋面暴雨产生的原因进行了初步分析。结果表明,500 hPa槽前负变高大值区诱使低层低值系统发展,850 hPa低涡沿切变线快速东移,配合西南急流的发展北伸,为暴雨区水汽辐合抬升提供了有利条件。伴随着冷锋南下,近地面层冷平流的侵入使得暖湿空气抬升,对流不稳定性增加,上升运动加强,是造成此次强降水的触发机制。景德镇上空不断有对流单体经过、东移,是造成景德镇地区出现暴雨的直接原因,强降水大多出现在TBB低值附近或其梯度区。此次暴雨过程水汽主要来自超低空急流输送,925 hPa水汽通量散度与暴雨落区、强度对应关系较好。     

一次华南双雨带暴雨中的位涡演变与雨带间的相互作用

利用实况资料和WRF中尺度数值模式对2008年6月12日18时—14日00时的华南双雨带暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。结果表明:随着锋面的南压,在锋面的西南方向(广西沿海)生成一低涡,该低涡作为位涡源在中高层表现稳定,分别为锋面雨带(北雨带)与暖区雨带(南雨带)提供正位涡。南雨带对北雨带的作用主要体现在中层(112~114°E附近),南雨带中有位涡的大值向北输送,其输送过程导致两条雨带在该处相连,而在115°E以东的南雨带则无明显的输送过程。同时,北部高空槽中也有大值位涡向北雨带输送,以维持北雨带。研究还发现,本次过程中暖区暴雨与锋面暴雨雨带的结构差异明显,锋面雨带的结构与传统雨带的结构比较一致;有利于暖区暴雨降水的形势主要表现在中高层。RIP轨迹模式的结果也表明,质点在运动过程中位涡的输送源是位于广西沿海的低涡,可见该位涡源对双雨带形成有重要的作用。     

近40年夏季江苏引发暴雨的江淮气旋统计分析

使用Lu(2017)改进的温带气旋识别和追踪方法得出的江淮气旋资料,统计分析了近40年夏季江苏引发暴雨的江淮气旋概况、路径、形势特征和对应暴雨的主要落区。结果表明,夏季江淮气旋造成江苏暴雨的频次空间上在江淮之间最多,并向北和向南依次递减;时间上在6月最多,约占该月暴雨总次数的1/3。致暴江淮气旋暴雨落区与江淮气旋的路径有一定的对应关系,在淮北和江淮地区,暴雨在致暴江淮气旋过境地区均匀分布,但在苏南地区,暴雨主要集中在苏南的中西部。致暴江淮气旋天气形势可分为偏西气流型和低槽型两类,其中低槽型出现的次数约为偏西气流型的2倍。偏西气流型暴雨区位于500hPa南侧暖湿的西南气流与北侧西北气流的过渡带中,低槽型暴雨区位于槽前西南气流中。850hPa两种类型基本相似,都为闭合的低涡,且低涡位置相比于700hPa明显南移。江淮和苏南地区的暴雨落区大都位于700和850hPa低涡中心的南侧、700hPa急流的北部和850hPa急流的北侧。偏西气流型和低槽型造成的暴雨范围基本相当,但低槽型产生的暴雨量要大于偏西气流型。     

2013年6月7日浙江省中北部暴雨过程诊断分析

利用欧洲中期预报中心(ECMWF)ERA Interim全球再分析资料（0.75°×0.75°）对2013年6月7日发生在浙江省中北部的暴雨过程进行了相关诊断分析。结果表明：这次暴雨是在高空短波小槽东移加深,底层西南涡东移发展的形势下发生的,同时浙江中北部暴雨区位于高低空急流耦合带;暴雨发生前700 hPa以下蕴含有大量的不稳定能量,随着西南涡的靠近而触发不稳定能量释放;对大气变量物理分解的环境场分析发现此次区域性暴雨过程具有一定的背景环境支持,同时在瞬变扰动场的异常下而诱发了暴雨,暴雨落区位于850 hPa扰动暖切辐合线上。