“98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断

1998年7月20~23日 (“98.7”) 发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程, 不仅与700 hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关, 而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。利用非静力模式MM5.V2.12成功模拟提供的高分辨输出资料对这次特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支进行了诊断。结果发现:当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q₁和视水汽汇Q₂出现, 而强的Q₁与Q₂和强降水区基本是对应的; Q₁随高度增高而增大, 最大加热位面基本上都在486.1 hPa (σ=0.54) 附近; 在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生、发展的一种重要热力机制; 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气; 在暴雨初期, Q₂的双峰结构与低空层积云及中空积云对流凝结变干有关; Q₂的中空峰值大体与Q₁的峰值相应, Q₂的深厚变干层与Q₁的深厚加热层非常一致。 诊断结果表明, 用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q₁和Q₂进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q₁和Q₂的诊断, 可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线提供可靠的物理依据。     

物理协调大气变分客观分析模型及其在青藏高原的应用II:那曲试验区云—降水、热量和水汽的变化特征

本文利用约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型,通过融合地面、探空、卫星等多源观测资料和ERA-Interim再分析资料,建立了青藏高原那曲试验区5年（2013～2017年）长时间序列的热力、动力相协调的大气分析数据集,并以此分析那曲试验区大气的基本环境特征与云—降水演变和大气动力、热力的垂直结构。分析表明:（1）试验区350 hPa以上风速的季节变化非常明显,风速在冬季11月至次年2月达到最大（＞50 m s?1）,盛夏7～8月风速的垂直变化最弱,温度的垂直变化最强,大气高湿区在夏秋雨季位于350～550 hPa,在冬春干季升至300～400 hPa。（2）试验区6～7月上旬降水最多;春、秋、冬三季,300～400 hPa高度层作为大气上升运动和下沉运动的交界处,是云量的集中区;夏季,增多的水汽和增强的大气上升运动导致高云和总云量明显增多,中、低云减少。（3）夏季的地表潜热通量与大气总的潜热释放最强,大气净辐射冷却最弱,高原地区较强的地面感热导致试验区500 hPa以下的近地面全年存在暖平流,500 hPa以上则由于强烈的西风和辐射冷却存在冷平流。此外,试验区整层大气全年以干平流为主,但在夏季出现了较弱的湿平流。（4）视热源Q₁具有明显的垂直分层特征:全年500 hPa以下大气表现为冷源,300～500 hPa和100～150 hPa表现为热源,150～300 hPa则在冬春干季表现为冷源,在夏秋雨季表现为热源,不同高度层的冷、热源的形成原因不同,其中夏季由于增强的上升运动、感热垂直输送和水汽凝结潜热以及高云的形成,因此几乎整层大气表现为热源。     

青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云系结构及相联加热机制的对比分析

应用7年(2006年5月18日—2013年5月18日)的CloudSat卫星观测资料,对比分析了青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云发生频率的特征,并利用欧洲中心再分析资料,计算了三个地区的视热源、视水汽汇Q₁、Q₂,分析探讨了三个地区与云发生频率相联系的加热机制。结果表明:青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云的发生频率分别为35%、22%、27%,其中:青藏高原和东亚季风区的低云频率最大,中云次之;西北太平洋地区的高云和低云的频率大,分别为19%和16%。具体云型来看,青藏高原多高层云、雨层云;东亚季风区多高层云和卷云,夏季深对流云频率增大明显;西北太平洋地区多卷云、深对流云和高层云。三个地区视水汽汇Q₂的垂直分布特征及季节变化与云发生频率对应较好,青藏高原的低云(雨层云)、中云(高层云)形成过程中,凝结释放潜热,加热大气;东亚季风区低云(深对流云)、中云(高层云)对加热大气贡献大;西北太平洋地区大气的主要加热机制是深对流云形成过程中凝结释放潜热以及湿静能涡旋垂直输送。      

河南“21.7”极端暴雨过程天气尺度系统发展维持机制分析

利用实况资料和ERA5再分析资料对“21.7”河南极端暴雨过程的锋生作用、大气非绝热加热和水汽净收支进行了深入分析,揭示此次过程天气尺度系统发展维持机制。结果表明：本次极端暴雨过程中,河南位于西北太平洋副热带高压(副高)和大陆高压之间的鞍型场中,低层辐合高层辐散的配置有利于500 hPa低压系统的发展和维持;锋生作用主要发生在对流层低层且与θ _se密集区有较好的对应关系,水平散度项和水平变形项起主导作用,两者的贡献基本相当;视热源?Q ₁?和视水汽汇?Q ₂?水平分布与强降雨落区较为吻合,二者的垂直分布有明显差异,Q₁最强加热作用在对流层中高层,而Q₂垂直分布较为均匀但强度明显小于Q₁,Q₁中位温垂直输送项起主导作用,而Q₂中比湿水平平流项发挥着主导作用,这表明本次河南极端暴雨中,区域性强凝结潜热的释放对降水有正反馈作用。伴随来自台风烟花(2106)北侧偏东气流的不断加强西进,强风速切变及地形抬升引发异常强盛的边...     

"03.7"江苏大暴雨凝结潜热的数值模拟

运用美国中尺度数值模式(MM5)对2003年7月4~5日江苏省中部的大暴雨过程进行了有无降水凝结潜热加热的数值模拟研究。模拟结果表明,凝结潜热释放能使高层负涡度和低层正涡度强烈发展,形成地面至500 hPa深厚的正涡度柱;使高层辐散、低层辐合和垂直上升运动显著增大一个量级;能诱发低空中尺度涡旋发生发展;使降水量增幅一个量级。凝结潜热释放是暴雨发生和雨量增幅的一种重要物理机制。     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其可能机制

本文基于多套卫星观测数据和ERA-Interim再分析资料,分析了由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其原因。结果表明,北半球副热带大陆东部以对流凝结潜热为主的夏季型大气热源首先于4月初在我国南方地区建立,该过程与江南雨季的形成发展联系紧密。2~3月,江南地区的大气热源以感热加热为主,这时降水以大尺度层云降水为主;而在4月初之后,江南地区降水以对流性降水为主,相应地对流凝结潜热成为大气热源的主要成分。动力和热力诊断分析说明,青藏高原南部热力状况的季节变化是导致4月初江南地区降水性质和大气热源首先发生季节转换的重要原因。2~3月,随着太阳辐射逐渐增强,青藏高原地面感热随之加强,此时对流层中部的纬向西风令江南地区的对流层中部暖平流加强,引起上升运动并加强局地大尺度层云降水,令土壤湿度加大,为随后局地对流性降水的快速发展提供了有利条件。之后,青藏高原地面感热在4~5月期间继续加强,这时高原南坡的"感热气泵"令其四周的低空水汽向北辐合,从而加强了江南地区的低空南风,使大量水汽自南海-西太平洋向北输送,令江南地区的对流性降水快速发展,地面感热迅速减小,对流凝结潜热进而成为江南地区大气热源的主要成分。     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

黄土高原一次副高外围暴雨的对流环境及触发条件分析

利用常规气象观测资料、EC-interim逐6 h 0.5°×0.5°再分析资料、卫星云图和雷达资料,对2017年7月25—26日陕北大暴雨过程成因进行了综合诊断分析,结果表明:河套地区西风东移与副高外围暖湿气流在陕西交汇,为暴雨提供了有利的环流形势;陕北暴雨区有两支水汽输送带,700 hPa上西南风急流水汽输送以及850 hPa上偏东风急流水汽输送,为暴雨提供了充沛的水汽和能量;700 hPa上榆林东部水汽辐合抬升,加之850 hPa偏东风在东部河谷辐合爬升,造成榆林东部地区的大暴雨天气;对流条件分析发现,暴雨发生前陕北地区中低层湿度较好,850 hPa比湿达到15～17 g/kg,大气不稳定度强,850 hPa和500 hPa的温差达到28℃,假相当位温相差18℃,CAPE值达到了2 354 J/kg,充沛的水汽、能量条件为对流提供了十分有利的条件;河套东北侧弱干冷空气与西南暖湿气流在陕北形成假相当位温密集带,大气湿斜压性增强,锋生触发陕北地区不稳定能量释放,形成强降水;不稳定分析表明,在降水前期及初期,大气对流不稳定度高,随着降水的产生,对流不稳定能量释放,强降水凝结潜热对中层大气的加热作用,又使得大气斜压不稳定增强,中层大气锋生造成的垂直运动使得陕北地区的强降水持续,造成大暴雨天气。     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

中国东南沿海冬季渐近线型锋生辐合线及其强降水的发展机制

基于中国东南沿海冬季强降水的统计分析,采用EOF、REOF、North检验等方法对2011—2016年冬季(12、1、2月)欧洲中期天气预报中心降水资料进行分类,选取位于内陆的第1、第4 REOF模态,对该两模态的降水样本进行合成分析,合成的降水中心与东南沿海福建的多年统计暴雨中心吻合。与强降水相配合,1 000 hPa上有自北向南的渐近线型辐合气流,并伴有锋区,从而形成天气尺度渐近线型锋生辐合线,强降水位于辐合轴线左侧气旋式风切变处。这是一类以前未曾受到关注和讨论的东南沿海地区冬季暴雨系统。利用客观判定方法和建立系统坐标系,以确认并诊断该系统的结构。在冷干少雨、低层盛行偏北风的冬季,此类系统兼有锋区热力抬升与辐合气流动力抬升,在雨区形成旺盛的上升运动;同时,通过辐合线正交风分量将邻近的海面水汽汇集到降水区,与中高层副高边缘偏南气流相向而行,构成较为深厚的交汇式水汽输送层;通过非绝热加热,形成深厚的热力对流不稳定,并通过干区向湿气团下楔入,形成下干上湿的湿动力不稳定,以及假相当位温随高度增加而递减,形成上暖湿、下冷干的对流不稳定层。因此,该系统对冬季强降水的发生发展及落区具有重要影响。通过WRF模式的模拟结果探讨环境热力机制的影响,结果显示,凝结潜热加热可影响辐合线的辐合位置和强度、锋生区的位置及强度,进而影响系统的活跃程度。中层潜热加热抑制平流感热冷却进入暖气团,维持降雨区的热力不稳定和降水强度。渐近线型锋生辐合线有利于东南沿海冬季大范围降水出现暴雨,其中凝结潜热释放具有重要贡献。     

Some characteristics of cumulus convection over the Tibetan Plateau

The diagnostic model of the cumulus convection proposed by Yanai et al. (1973) was applied to the atmosphere over the Tibetan Plateau, and used to estimate the vertical mass flux, entrainment and detrainment, excess temperature and moisture, liquid water content, and condensation and precipitation rates of highland cloud clusters. The re-sults illustrated that in clouds over the Tibetan Plateau, the water vapor condensation rate, liquid water content, and efficiency of the rain generation process are less than those in the tropics (represented by the Marshall Islands region). Therefore, the condensational latent heat released over the Tibetan Plateau, overall, is much smaller than that in the tropics. The water vapor and liquid water detrainment from shallow nonprecipitating cumulus clouds, and their entrainment into deep cumulus clouds, serve as a growing mechanism for the deep precipitating cumulus towers over the Tibetan Plateau. It should be noted that there is a stronger detrainment of liquid water from cumulus clouds and a stronger re-evaporation rate in environment. The process of the condensation-detrainment-re-evaporation-entrainment is repeatedly in progress. It would play an important role in maintaining of cumulus convection on the condition that the supply of moisture is not plentiful over the Tibetan Plateau.The analyses also showed that the cloud mass flux Mc over the Tibetan Plateau is less, and the large-scale av-erage upward motion is much less than those over the Marshall Islands. Stronger compensating downward motion in the cloud environment over the Tibetan Plateau, responsible for the area’s strong environmental heating rate was re-vealed, and would link to the stability of the South Asian High in summer.     

2012年夏季四川东部一次大暴雨过程分析

本文使用常规观测资料、四川省自动站降水资料、0.1°×0.1°的FY－2E云顶亮温资料和1°×1°的NCEP再分析格点资料对2012年7月20～23日四川东部强降水过程的主要影响系统、水汽源地、动力、热力条件等进行诊断分析,结果表明:(1)本次暴雨过程中伴有500hPa高空槽东移至四川并向南加深发展,槽后冷空气与槽前暖湿气流在四川汇合,低层有低涡发展,配以高低空急流耦合的有利形势;(2)暴雨前期水汽主要来源于孟加拉湾,随着南海台风西进,其外围偏东气流向西输送增强,西南暖湿气流北上受到抑制,使得雨带南压;(3)降水以对流性降水为主,暴雨期间水汽凝结潜热在对流层中低层起主要作用,强上升运动将低层的潜热加热向上输送,形成高空的热源中心,强降水期间大气的加热是与大气的垂直上升运动密切相关的;在本次暴雨过程垂直输送项是视热源Q1和视水汽汇Q2的主要贡献者,尤其是在强降水阶段;(4)在低涡在发展阶段,低层正涡度局地变化项首先得到发展,在低涡减弱阶段,正涡度局地变化项的峰值中心由低层向中低层抬升;(5)中尺度对流系统与小时降水分布一致,MCS的发展是触发降水的重要因素之一。      

暴雨中尺度环境场特征及积云对流的反馈作用

本文利用一套具有中尺度分辨率的观测资料,对发生在1983年6月下旬的一次长江流域梅雨暴雨过程进行了诊断研究,并比较了该过程的对流降水活跃期和非活跃期的中尺度环境场特征。结果表明,两个时期的动量场存在明显差异,而水热场差异不大,Q₁和Q₂以及涡度收支也存在明显差异。在降水活跃期（暴雨集中期）,积云对流对能量和涡度的垂直输送有着重要作用;在水热收支中,起主要作用的是垂直输送项,潜热加热基本上为抬升冷却所平衡,水汽的垂直输送是积云对流的主要水汽源;在涡度收支中,低层散度项和扭转项制造正涡度,并通过积云对流向上输送,无论在低层或高层积累的正涡度都被平流非线性过程所耗损。      

The variation of the heat sources in East China in the early summer of 1984 and their effects on the large-scale circulation in East Asia

The distributions and daily variations of the apparent heat source (Q1) and the apparent moisture sink (Q2) in East China in the early summer of 1984 have been estimated with the budget calculation method. It has been found that during this time period, there occurred three significant episodes of strong heating that corresponded to the three events of heavy rainfalls prior to, during and post to the onset of mei-yu (plum rains). The peaks of Q1 were generally found at 200 hPa, with the heating rate of 6°－10°C/day observed, while the peaks of Q2 were located at about 700 hPa, with their magnitudes being 12o-20°C/day. The vertical distribution of Q1 and Q2 indicates the importance of eddy vertical flux. In other words, the convective activity plays a very important role in the processes of precipitation in East Asia in the early summer. This result is different from the finding obtained by Luo and Yanai (1984) in their calculation of the case of 1979. They pointed out that in the early summer of 1979 the continuous precipitation dominated the region of East China.Among the three terms of Q1 and Q2, the maximum contribution was made from the adiabatic term, which was caused by strong ascending motion. The adiabatic cooling produced by this term may compensate for the heating created by the condensation process.In addition, it has been revealed that the three significant heating processes were closely related to the seasonal transition from spring to summer in East China. One major synoptic event associated with it showed up in the sudden jump of the upper tropospheric, subtropical jet-stream from 30°N to 40°N. So did the plane-tary frontal zone in East China.     

Modulation of Tropical Cyclone Activity Over the Northwestern Pacific Through the Quasi-Biweekly Oscillation

The quasi-biweekly oscillation (QBWO) is the second most dominant intraseasonal mode for circulation over the Northwestern Pacific (WNP) during boreal summer. In this study, we investigated how the QBWO modulates tropical cyclone (TC) activities over the WNP from dynamic and thermodynamic perspectives. The propagation of the QBWO can be divided into four phases through empirical orthogonal function analysis of the vorticity at 850 hPa, which was proven to be effective in extracting the QBWO signal. TC generation and landings are significantly enhanced during the active period (phases 1 and 2) relative to the inactive period (phases 3 and 4). Composite analyses show the QBWO could significantly modulate TC activity as it propagates northwestward by changing the atmospheric circulation at both high and low levels. Cumulus convection provides an important link between TCs and the QBWO. The major component of the atmosphere heat source is found to be the latent heat release of convection. The condensation latent heat centers, vertical circulation, and water vapor flux divergence cooperate well during different phases of the QBWO. The vertical profile of the condensation latent heat indicates upper-level heating (cooling) during the active (inactive) phases of the QBWO. Thus, the northwestward propagation of the QBWO can modulate TC activity by affecting the configuration of atmospheric heating over the WNP.     

1991年江淮特大暴雨的降水性质与对流活动

从计算大尺度热源和分析ＴＢＢ资料两个方面，阐述了１９９１年江淮梅雨期间降水性质与对流活动的季节性演变特征。结果表明：梅雨期间江淮上空３个强上升运动时段分别形成了３场暴雨，由暴雨释放的热量使江淮大气出现了３个时段的强加热；３场暴雨的降水性质呈显著的季节性演变，由第１场暴雨以锋面性降水为主发展到第３场暴雨异常强的对流性降水。文中详细分析了热源和水汽汇的时空分布特征，并从大气运动场和热力结构讨论了盛夏强对流降水期间积云对流以涡动形式对热量和水汽的强铅直输送作用。江淮地区ＴＢＢ值能很好地反映降水状况，雨期一致地对应于ＴＢＢ低于２５０Ｋ的时段。梅雨中后期东亚地区对流活动季节性地增强，带状对流区（特别是ＴＢＢ高负距平区）与雨带位置相符。对流带位置及对流活动强弱与西南暖湿气流活动密切相关，它很好地表征了东亚地区的低空急流（给积云输送热带对流大气）。梅雨期间对流带主要出现在江淮流域，但可在东亚范围内飘移，它落在江淮与否则决定了江淮暴雨的维持与中断     

引入考虑凝结作用的连续性方程与积云对流参数化方案修正

文章研究了在热带海洋面上的水蒸发，发现水蒸发进入大气层将改变地面气压场，且蒸发潜热分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能)，蒸发内潜热立即成为大气热能的一部分，而蒸发外潜热直接对大气层作功，使得大气位能增加；研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对于环境气压场与位势高度场的直接影响。用郭晓岚积云对流参数化方案(已考虑凝结内潜热对大气的加热作用)，加入了考虑因大尺度凝结降水和积云对流参数化凝结降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化，后者应是凝结外潜热过程作用的结果。在上述研究过程中，必须引入考虑凝结作用的连续性方程，且最终可以改变有积云对流凝结降水发生的数值预报模式动力框架。