河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

海南2008年秋季持续性暴雨过程的物理机制分析

利用地面常规与加密自动站降水观测、卫星云图、NCEP FNL全球分析等资料对2008年10月12—14日海南持续暴雨天气过程进行诊断分析。分析表明:热带低压、冷空气以及副热带高压三者的相互作用,导致海南低空出现持续的东(东南)风急流,该急流在海南东部沿海形成的向岸风辐合及地形强迫抬升是MCS的重要触发机制,其暖湿输送作用是暴雨区不稳定能量得以循环建立的主要途径。南海东北风冷涌前沿强辐合、潜热加热以及高空强辐散有利于热带扰动的发展与维持。热带低压与冷空气相互作用导致大气斜压性增强,地转强迫作用与惯性振荡机制使得低压北侧东北风急流加强。东北与东南急流之间的形变与辐合导致持续锋生过程,锋生强迫产生的热力直接环流上升支与低空急流左前侧次级环流上升支是对流系统发展的主要动力触发机制,低空强潜热加热也有利于对流向更高层次发展。     

一次梅雨锋特大暴雨中尺度气旋和MCS的分析

利用自动气象站、多普勒雷达、FY4A、ECMWF模式、NCEP再分析资料,对2020年7月17—19日特大暴雨过程进行分析。结果表明：特大暴雨出现在安徽大别山附近和庐江两地,是中尺度气旋扰动环境下准静止的中尺度对流系统(MCS)以及MCS中准静止的涡旋状单体所产生。特大暴雨在高能量、强不稳定背景下,由中部和东部的中尺度气旋传播所致。中尺度气旋传播过程中单体不断新生、合并增强且移动缓慢,配合急流、辐合、干侵入、垂直环流等因素对组织化的MCS发展演变起到相当作用。低层切变线南侧到华南的西南急流,将水汽输送到安徽并在此有强烈辐合;高空、低空和超低空都存在急流,高低空急流耦合加剧MCS的强烈发展;地面辐合线是前期MCS的触发机制,伴随干冷空气的入侵,加大了大气的斜压性和MCS的对流不稳定;梅雨锋南北两侧都有垂直环流圈,即对流与高空急流之间通过对流加热在高空急流入口处产生热成风调整,维持梅雨锋的发展演变,强的上升下沉运动促进MCS的加强和降水的连续发生;大别山地形抬升和上游狭管效应是两地特大暴雨诱因。     

准平衡次天气尺度低空急流附近的地转偏差

本文讨论了在ε≡(1/(f_0T))～10~(-1/2)的情况下。次天气尺度非地转风场的性质和特点,指出,较强的非绝热热源导致的低层降压,其等变高线与等高线不相重合是造成低空急流中显著超地转特征的主要原因。加热场的铅直分布则导致低空急流下方的超热成风特征。也分析了除加热场外其它因素的作用。三个重要因素——潜热、动量平流和对流摩擦一致强迫在低空急流左侧形成强辐合。     

北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。     

一次台风移出后MCC发展成因分析

应用FY-4A卫星云顶亮温(TBB)、自动站雨量资料和ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2020年第4号台风“黑格比”移出后在杭州湾生成MCC发展成因进行了分析。结果表明：(1)台风南侧的切变线辐合抬升作用以及南亚高压东部反气旋环流辐散抽吸作用,有利于中低空大气上升运动的增强,为MCC的发展增强提供良好的动力抬升条件;(2)低层台风北上后,其移动方向左后侧的冷空气南下,并与长三角地区的西南低空暖湿气流强烈交汇,斜压锋生增强,形成较强的上升运动;（3）受大陆高压东移影响,对流层中高层干冷空气东移,叠加在对流层中低空暖湿急流之上,形成了有利于MCC发生发展的大气位势不稳定层结;(4)切变线南端的西南低空急流不仅加强了低层大气的辐合和上升运动,更重要的是为MCC的发生发展提供丰富的水汽输送和汇聚;(5)水汽凝结潜热释放在MCC发展中起重要作用。水汽释放潜热加热大气,使上升运动增强,低层辐合进一步增强。低层水汽汇聚并不断向高空输送,补偿了高空凝结的水汽,潜热的不断释放,有利于MCC发展和维持。总之,台风中心移出后,台风南侧的切变线及其南侧的西南暖湿气流稳定地维持在MCC上空,为M...     

东风急流影响下海南非热带气旋暴雨个例分析

利用常规天气资料、NCEP 0.5°×0.5°再分析资料、卫星云图和海南省自动站资料,对2007年10月12—14日海南岛秋季暴雨天气过程的主要影响系统、物理过程及形成机制进行了分析。结果表明:多股冷空气从中低层东移南下并在华南沿海堆积、变性,副高稳定加强西伸,850 hPa上在华南沿海地区与变性的大陆高压合并加强,热带地区赤道辐合带活跃,其共同作用促使低空东风急流形成、发展和加强;低空东风急流、弱冷空气南侵、西太平洋副热带高压南侧的东风波等为暴雨的发生提供了有利的条件;东风急流是此次暴雨所需水汽最大的提供者;θse面陡立造成对流系统斜压发展,激发位势不稳定能量释放,正差动假相当位温平流加强了层结对流不稳定发展,对流层中层正差动涡度平流破坏了海南岛的准地转平衡;动力强迫和热力强迫共同作用激发了次级环流,导致暴雨区上空垂直运动的发展,促使降水增强。     

海南岛"0810"特大暴雨物理量诊断及多普勒特征分析

应用常规观测、海口多普勒回波及NCEP1×1°再分析等资料,对2008年10月12～15日海南特大暴雨成因进行诊断分析,并揭示了暴雨过程中的多普勒回波特征.结果表明:导致海南岛产生强降水的主要原因是热带低压移动缓慢和弱冷空气的低层入侵;当冷暖空气交绥,大气温湿结构发生突变,θse面陡立造成对流系统斜压发展,激发位势不稳定能量释放.正差动假相当位温平流意味着低层暖湿空气的平流大于高层,加强了层结对流不稳定发展;在斜压扰动作用下,对流层中层正差动涡度平流和低压东侧的暖平流破坏了海南岛的准地转平衡,动力强迫和热力强迫共同作用激发了次级环流,导致暴雨区上空的垂直运动的发展,促使暴雨增强.充沛的水汽输送及水汽的强烈辐合,为暴雨发生的有利水汽条件.多普勒径向速度揭示了暴雨区低层冷平流高层暖平流、风向风速的垂直切变大的垂直结构以及持续性的强烈辐合等等特征,回波停滞和"列车效应"使降水增幅,降水回波的性质差异,可造成强降水区域分布的不同.     

低纬斜压两层模式大气半地转适应过程

利用斜压两层模式研究了赤道平面近似下的低纬热带大气适应过程。指出低纬斜压大气适应过程主要受重力惯性内波控制。通过重力惯性内波对初始非地转能量的频散，使纬向运动达到地转平衡，而经向维持非地转运动，正压模式下称为半地转平衡，斜压模式下称为半热成风平衡。通过对垂直运动方程的求解，可知，垂直运动只与重力惯性内波相联系，其产生与初始斜压位涡度无关，而只与初始时刻的垂直运动和垂直运动倾向有关，半地转适应使运动趋向水平运动。讨论了半热成风平衡的建立及其物理机制，指出由于重力惯性内波激发出垂直运动，与垂直运动相联系的水平辐合辐散调整流场和温度场之间的关系，使温压场最终达到半热成风平衡。通过对适应过程终态的分析，指出平均温度场和切变流场之间的适应方向决定于初始非半地转扰动的尺度与斜压Ｒｏｓｓｂｙ变形半径有关的特征尺度的比值，当比值大于１时，切变流场向平均温度场适应；当比值小于１时，平均温度场向切变流场适应     

吉林省重大暴雨过程评估方法研究

应用Barnes滤波原理,构建合适的带通滤波器,获取了中尺度信息,对2005年7月21～24日台风"海棠"登陆后与中纬度系统相互作用给河南省造成的暴雨过程进行了分析.结果表明:在台风外围大尺度气旋性环流中,中尺度低压、中尺度辐合线和辐合区是此次暴雨的直接影响系统;台风低压移近后,与西太平洋副高之间气压梯度加大,可以在副高西南侧形成东南风低空急流,东南急流的形成促使中尺度系统加强和发展;干冷空气自对流层中层向低层伸展,与低层的暖湿气流交汇,使对流和暴雨加强.     

北京地区一次强对流大暴雨的环境条件及动力触发机制分析

通过对1998年6月29日北京地区发生在天气尺度脊中的强对流大暴雨过程分析, 得出该过程是由中层的高压脊和低层的辐合系统、近地面的冷空气之间的相互作用形成了具有聚能机制的中低空经向环流圈, 维持了暴雨区中低空的上升运动, 形成了近地面的动力锋生, 使中低层的潜在不稳定加剧.而对流层高层短波扰动的正涡度平流通过非地转平衡过程, 引发中高层产生的上升运动, 触发了潜在不稳定的释放.该短波扰动与风场的波动不相匹配, 其位相传播特征与重力波相似.     

大气静力稳定度的铅直分布和不同风速铅直廓线对天气系统发展的影响

采用一个准地转三层模式,对于高低空不同层结及不同风速铅直廓线下的斜压不稳定性问题进行了分析和讨论。指出:(1)大气层结特征对斜压不稳定的影响不仅表现在对不稳定临界波长和临界风速切变的制约上,而且其铅直分布的不均一性决定了大气的各个层次对斜压不稳定的贡献大小;扰动的斜压发展主要取决于静力稳定度较小的那些层次内的热力、动力学条件,在这些层次内,扰动也最为明显。(2)高低空风速比中空为大的“高低空强风型”风速铅直分布最有利于扰动的不稳定发展,在这种风速铅直廓线下,不稳定波波谱较宽,不稳定波临界波长和最不稳定波波长也较短。     

2014年冬季阿图什2次灾害性大风对比分析

2014年11月下旬和12月上旬,南疆西部的克州地区出现了两次灾害性大风天气,12月8日克州阿图什的大风突破建站以来的历史极值。本文利用常规观测资料和NCEP 1°×1°的6小时再分析资料,对这两次大风天气成因进行了对比分析。结果表明：秋末冬初南北支高空急流震荡汇合时,汇合处易出现西北大风;高空斜压槽和强锋区、地面强冷高压及南疆西部热低压是发生此类大风天气的影响系统;高空中期环流形势、冷空气强度、动量下传决定了大风的类型与强度;温度平流、垂直运动的强度及配置与大风强度关系密切。     

“0812”关中盛夏突发性暴雨中尺度特征分析

基于WRF模式多普勒雷达同化预报、1 °×1 °的NCEP再分析资料、云图TBB和本地加密观测资料,对2014年8月12日关中地区突发性暴雨过程（“0812”暴雨）进行诊断分析。结果表明:同化C波段雷达资料能有效提升WRF对此次突发性暴雨的预报能力。受中高层北部冷空气侵入和低层冷式切变南压的影响,在“0812”暴雨期间,关中的北部和东部的地面切变辐合线附近先后出现了南北向和东西向的中β尺度重力波,波动持续约4 h、波长约60 km。当北部波动向南传播发展与东部波动合并之后,重力波快速消散,强降水结束。暴雨发生前,波动区的垂直上升速度、雨水含量中心强度和发展高度均迅速达到最大,陕北地区对流层中上部的正湿位涡显著向南下滑至关中上空,出现了有利于中尺度波动发展的湿位涡波列结构,暴雨中心近地层的正湿位涡和垂直梯度异常增大。200 hPa高空急流区南侧、关中西部垂直风切变显著增大及其东移南压为中尺度波动快速发展、传播提供了能量。500 hPa内蒙古中部天气尺度横槽发展东移、引导中低层偏北路冷空气南压,是突发性暴雨的直接影响系统。850 hPa的比湿突增为暴雨提供了热力、水汽条件。近地层显著东南风、不稳定扰动增大和地面切变线是暴雨的有利动力、触发条件;在地面切变线西端附近,3 h变压场出现显著中尺度波动特征。“0812”暴雨与典型盛夏暴雨差异明显:西太平洋副热带高压远离大陆、东南沿海无台风活动,关中低层出现西北路水汽输送,强降雨区周边700 hPa以上深厚位势稳定层结、近地层不稳定层结垂直叠置有利于重力波动发展传播,中尺度对流云团高度低,雷达强降水回波主要位于低层西北风和东北风之间的冷式切变区。      

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

一次梅雨锋暴雨的中尺度对流系统及低层风场影响分析

本文利用常规气象观测资料,地面自动站加密观测资料和FY-2D、FY-2E卫星云图以及NCEP 1°×1°的FNL分析资料、EC 0.25°×0.25°的细网格模式数据等,对2015年6月15—18日梅雨锋暴雨过程的中尺度对流系统(MCS)活动特征、对流层低层风场对MCS发展的影响以及梅雨锋暴雨的垂直环流特征等进行了研究,结果表明:天气尺度梅雨锋上叠加的MCS的产生及向下游移动,以及其在安徽中部到江苏南部正涡度带作用下的发展增强,造成了江苏南部的局地强降水。强降水与中尺度低空急流核的位置吻合较好。在垂直方向上,高空急流入口区右侧与低空急流核左前方叠加,高低空急流耦合作用明显。在降水过程中,对流层低层具有较强的垂直风切变,有利于垂直涡度的增强和MCS的发展。对流层低层的垂直风切变也有利于不同源地的水汽在梅雨锋区汇集。梅雨锋北侧的干冷空气在对流层低(中)层以东北(西北)路径向锋区移动。南侧的暖湿气流沿西南路径移动、抬升,接近锋区后质点在上升过程中逐渐转向东移,在高空急流的抽吸作用下,快速向东流出,近地面层空气存在跨锋面环流。梅雨锋系统垂直方向上的次级环流是高层风场强烈辐散以及空气运动过程中质量补充和循环的结果。     

山东省春秋季暴雨天气的环流特征和形成机制初探

对山东省春秋季暴雨的气候特征和影响系统进行了分析, 制作了春秋季暴雨的平均环流形势图。分析了2003年春秋季两次大范围暴雨的环流特征和影响系统及暴雨期间大气的热力特征和水汽输送特征, 应用k-螺旋度和倾斜涡度发展理论, 分析了暴雨的形成机制。结果表明:4月暴雨均受气旋影响, 10月暴雨以冷锋影响居多。2003年4月17—18日为气旋暴雨, 10月10—12日为切变线冷锋暴雨。两次暴雨前都有低空偏南风急流向暴雨区输送水汽, 大气强烈增温增湿, 对流不稳定度增大, 湿斜压性增强。强冷锋南下触发对流不稳定能量释放, 产生暴雨。暴雨期间低层正k-螺旋度猛烈发展。暴雨前期中低层MPV1 < 0且MPV2 > 0, 冷锋影响期间MPV1 > 0且MPV2 < 0, 都有利于倾斜涡度发展, 增强了上升运动。     

湿急流的结构及形成过程

利用比较稠密的无线电探空和气球测风观测网,通过对华北夏季一次暴雨过程的三维流场和湿度场的分析,揭示了湿急流的结构和形成过程。湿急流是指低层空气在湿不稳定大气的上升过程中,不断加速形成一支斜穿整个对流层的自下而上的急流。在湿急流附近,凝结饱和区的分布和发展过程,似乎表明水汽在急流形成过程中起了一种主动作用。湿急流在对流层顶附近和副热带急流合併,并使副热带急流的动能增加。这似乎启示,湿斜压过程可能是大气环流中的基本过程之一。     

Large-scale environmental conditions for thunderstorm development

The large-scale environmental conditions for thunderstorm development have been studied with 40 selected synoptic processes during 1972-1983. It is shown that the thunderstorms in eastern China can be divided into two types: pre-trough and post-trough. The convective instability before the pre-trough thunderstorms is established primarily by the dry and moist differential advection and that before the post-trough thunderstorms by the cold and warm differential advection. The subsynoptic scale circulation has direct effects on the establishment and release of instability. The pre-trough thunderstorms occur in the overlapping region of the ascending motion in the upper baroclinic waves and the ascending branch of the low-level jet strong wind core circulation and the post-trough thunderstorms occur in the lower convergent region below the ascending branch of the jet-front circulation. The effect of the lower dry and warm lids, the coupling of the low-and upper-level jets and the dry advection in the middle-level jet are the favorable factors for the severe storm formation.