对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制.结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征.暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论.     

2003年淮河汛期一次中尺度强暴雨过程的诊断分析和数值模拟研究

2003年7月4—5日淮河流域发生了一次中尺度强暴雨过程,致使淮河洪水泛滥。这次暴雨过程由中尺度对流系统(MCS)以及因其发展而产生的低涡造成。通过对此次过程的诊断分析和新一代细网格WRF中尺度预报模式的数值模拟,研究了这次过程发生发展的机制。模拟结果较好地描述了本次暴雨及中尺度系统发生、发展的时空演变过程。分析结果表明:此次移动性暴雨过程的前期由不断向东移动发展的MCS造成,后期降水则由低涡切变线产生的中尺度低涡引起。同时,副热带高压明显偏西偏北,并维持较长时间,造成雨带一直维持在淮河流域。高层辐合中心的加强使低空急流不断增强,低空急流的增强进而引起低层辐合的加强,而低层辐合的加强以及上升运动的潜热释放导致低涡的发生,低涡形成及形成后移动缓慢,造成了淮河流域的大暴雨。高层中尺度辐散区的抽吸对低层中尺度涡旋的发生发展起到了促进和加强的作用。低层的中尺度辐合场和高层的中尺度辐散场的发展与耦合对中尺度系统的发展有很好的预示作用。低层中尺度辐合区的减弱预示着系统的衰减,西南偏西的中层相对干冷空气侵入并在梅雨锋前缘下沉促进了系统的衰减。     

一次长江中下游梅雨锋暴雨过程的诊断分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2C卫星云顶亮温(TBB)和中尺度模式WRF输出的15 km高分辨率资料,对2008年影响浙皖赣地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了诊断分析.结果表明,青藏高原东侧西风槽和副热带高压之间的相互作用、对流层中低层切变线的维持以及低涡东移、发展是暴雨发生的天气尺度背景.TBB数据显示,在切变线附近不断有中尺度对流云团生成并东移、发展.与暴雨区相对应,在低空西南急流左侧存在多个β中尺度强水汽通量辐合中心,高空西风急流人口区右侧排列着一系列的辐散中心,表明该地区存在较强的水汽辐合上升运动.对流层低层高温高湿、中高层冷空气侵入,导致大气层结处于极不稳定状态.湿位涡的分布与中心位置对暴雨落区及强度具有较好地指示意义.暴雨区附近对流层高、低层都存在较明显的位涡水平平流,导致位涡扰动不断地自上游向下游地区移动.锋区前暖区的对流层中低层存在强垂直位涡柱,引发气旋性环流的发展,从而促进了辐合上升运动.     

江西汛期一次大暴雨过程湿位涡演变特征

利用自动气象站逐小时雨量资料和NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,应用湿位涡理论,对2011年6月江西汛期一次大暴雨过程的湿位涡的演变特征进行分析,其中主要分析了正压项(MPV1)和斜压项(MPV2)正负值范围以及其值的大小变化与暴雨强度、落区的关系。结果表明,此次大暴雨过程前期,以对流层低层的对流不稳定能量的释放为主。对流层低层MPV1<0,中高层MPV1>0,并且中高层有正值MPV1向低层输送,这样的高低空配置有利于低层对流不稳定能量的释放。低层MPV1等值线密集带零值线附近对应强降水中心区。此次大暴雨过程中后期,对流层中高层负值MPV2的绝对值和正值MPV1同时增大,其大值区南压,对流层中高层湿斜压性明显增强,使垂直涡度明显增大,同时伴随着对流层低层对流不稳定能量的释放,降水强度明显加强。从整个暴雨过程来看,暴雨落区的移动方向与对流层中高层MPV1正值区和MPV2负值区的移动方向一致,中高层湿斜压性的增强对暴雨增幅起了关键作用。     

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。     

一次辽宁秋季暴雨天气的诊断分析

使用1.0°×1.0°NCEP再分析资料,对2006年10月21—22日深秋暴雨在天气形势分析的基础上,进行物理量诊断。结果表明:在有利的环境背景形势下,高位涡从对流层高层向低层伸展并形成湿位涡柱,引起气旋性环流与低涡环流叠加。对流层低层的湿斜压性增强,引起低层的锋区加强及垂直涡度发展,高空入侵干冷空气锲入底层,低层暖湿空气强迫抬升,使地面发展为气旋;高低空急流耦合产生上升气流,同时较强的补偿下沉运动激发上升运动加强,使次级环流加强,触发不稳定能量的释放;低空急流和超低空急流向辽宁输送暖湿空气及能量,对流层中低层形成湿柱并积聚高不稳定能量;中尺度气旋、高低空急流、湿位涡柱、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间和落区。     

强烈发展的中尺度涡旋影响下持续性暴雨的位涡诊断

利用高分辨率的模式输出资料,对2008年6月广西致洪暴雨及其中尺度低涡(简称广西涡)进行了等熵位涡(IPV)和湿位涡(MPV)的诊断分析。结果表明,低值等熵面上正IPV带的位置和强度可以反映暴雨的落区和强度,等熵面上的西风气流可分别将高纬度干冷和低纬度暖湿的高值IPV向广西涡处输送,使得广西涡维持高IPV。高值等熵面上南部的IPV存在下传现象,有利于其下游的广西涡IPV的增长,从而使得广西涡强烈发展、降水增强。利用MPV守恒原理的分析表明,持续性暴雨出现在高值等熵湿位涡前方的对流不稳定区中;暴雨区南北两侧对流层中高层的冷空气下沉时对流稳定性减小,对应的气旋性涡度增大;而暖湿气流沿着干冷空气爬升,它与具有强涡度的沿等熵面下滑的干冷空气发生强烈的辐合,使得涡度急剧增强,再加上地形的强迫抬升作用,形成强烈的垂直上升运动,导致涡旋强烈发展。等压面上的MPV及其分量分布显示,对流层中低层MPV负值带对雨带有指示作用,强降水时段对应着对流不稳定和条件性对称不稳定。     

江淮流域梅雨锋暴雨南北雨带干冷空气侵入作用的对比研究

对2007—2011年梅雨期江淮流域降水进行统计分析,确认此时段降水频次与降水量空间分布在淮河与长江中下游,形成两个分离的多降雨区。长江与淮河两分离雨带在盛行中尺度系统、空间结构、梅雨锋位置、水汽输送通道、暴雨落区、干冷气团入侵以及干冷动量南移等方面,均有各自特征。在主导高空环流下,更多低涡暴雨(77%)位于长江流域,更多辐合线暴雨(86%)发生在淮河流域,这些盛行的浅薄降水系统,造成梅雨暴雨雨强大、风速小的特征。长江流域低涡环流引导水汽输送来自南海与东海两地,因而暴雨范围更大,雨带更宽,而淮河流域辐合线主要水汽来源仅为南海。假相当位温表现的梅雨锋作为干冷空气的前缘,在淮河流域因辐合线结构垂直剖面陡峭,在长江流域因低涡环流,形成干冷和暖湿气团的层次叠加混合。在梅雨锋北侧,干冷空气从对流层中高层向下侵入,在淮河流域位置较长江流域偏高且狭窄。湿位涡垂直分布显示,暴雨区与湿位涡斜压项大于0的正涡度发展区对应。干冷动量中心的下传与湿位涡斜压项小于0对应,下传时向南移,其前缘对暴雨雨带位置有指示性;其南下速度,因纬度与密度差异,在淮河流域移速小于长江流域。     

2006年6月6—7日福建特大暴雨数值模拟和诊断分析

采用PSU／NCAR等共同研制的新一代细网格WRF（WeatherResearchandForecasting）中尺度数值模式,对2006年6月6-7日福建地区出现的一次特大暴雨过程进行了数值模拟,并利用模式输出的高分辨率动力协调资料进行了初步诊断分析。结果表明,中尺度低涡是本次暴雨过程的主要影响系统之一,低涡的时空演变特征与暴雨中心的移动和雨强的变化相一致。暴雨中心的强上升运动及低层辐合、高层辐散的配置有利于中尺度对流系统的发生发展,高低空急流耦合是此次强降雨爆发的重要机制。暴雨区域850hPaθse场呈现典型的“Ω”型,高湿能条件的维持,保证了强降雨过程的能量供给,是强降雨持续的重要条件。暴雨中心位于最大垂直速度中心附近,暴雨区两侧存在垂直的次级环流,对流层中低层负湿位涡区、高层正湿位涡区的配置有利于造成较强烈的中尺度上升运动。     

2007年3月3—5日强雨雪过程中的干冷空气活动及其作用

利用FY-2卫星资料、多普勒雷达资料、地面观测站常规资料及1°×1°NCEP/NCAR再分析资料,运用红外云图云顶亮温TBB、等熵位涡IPV、水汽通量、位温θ、相对湿度及风场等物理参量对北方晚冬一次强雨雪过程的水汽来源和干冷空气活动及其作用进行了分析。结果表明：江淮气旋为强雨雪的产生提供充沛的水汽,而干冷空气则在不同高度、不同路径活动,扮演着多种角色。对流层低层干冷空气作为“冷垫”锲入暖湿气流中,促进锋生和暖湿空气的抬升、凝结;对流层上层具有高位涡的干冷空气沿320 K等熵面（等位温面）自高纬冲下,给江淮气旋的加强、维持提供了动力和热力条件,同时等熵正位涡高值区（IPV≥10-6m2.s-1.K.kg-1）和相对湿度小于等于45%的干区与红外云图暗区（TBB≥-32℃）对应得非常吻合,这说明利用卫星资料来追踪高位涡轨迹的可行性。云头部次冷输送带干冷空气在2-3 km高度卷入、叠加在暖湿层上,有利于不稳定层结的形成和不稳定能量的释放,是造成渤海西岸局部大到暴雪天气的重要因素。     

“03.7”湘西北特大致洪暴雨的触发机制数值研究

利用常规、地面加密观测资料、GMS卫星云图和常德多普勒天气雷达资料, 结合MM5中尺度数值模式模拟结果对“ 03.7”湘西北特大致洪暴雨过程进行综合分析, 并探讨其可能的触发机制。研究表明: “03.7”湘西北特大暴雨与边界层内多个中尺度辐合扰动的移动和发展密切相关, 且伴随着中尺度雨团的强烈发展, 由此诱发的β-中尺度涡旋是此次特大暴雨过程的直接影响系统; 有组织的多单体风暴活动是张家界这一特大暴雨中心形成的主要原因; 等熵面上的位涡下滑和倾斜涡度的发展可能是导致β-中尺度气旋涡度急剧发展的重要因素; 低空急流扰动、对流层高层强辐散形成的抽吸作用以及湘西北特殊地形对此次暴雨过程有明显的触发和增幅作用。     

对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析

通过对９６０８号台风低压及其外围暴雨位和等熵面上物理量场的分析,揭示了台风低压北上诱发暴雨过程的位涡场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用,给出此次暴雨增幅过程的图像。分析表明：对流层低层中高纬度冷空气（高位涡）扩散南下在台风低压环流区附近的“侵入”作用是此次特大暴雨过程的最重要的原因之一;等熵面位涡的分析进一步说明了中高纬地区冷空气的活动状况;对流层高层或平流层低层位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放     

一次西南涡暴雨的等熵位涡特征分析

应用常规资料和0.5°×0.5°的GFS再分析资料,对2010年7月19日发生在河北山东的一次西南涡暴雨过程产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明：西南涡、高、低空急流、地面低压是这次暴雨过程的主要影响系统;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有很好的示踪作用;等熵位涡中心两侧气流辐合,利于地面低压发展;高位涡下传,导致了大暴雨产生;等熵位涡大值区及移动方向与降水落区有很好的对应关系。     

冷暖空气入侵对西南低涡发生发展影响研究

本文采用WRF模式模拟了2008年7月20~22日四川省一次由西南涡活动引发的大暴雨过程,并分析了对流层中层至中低层冷/暖空气入侵在西南涡发生发展过程中的作用,研究结果表明:冷/暖空气从北部入侵会改变对流层中、低层流场,当降低模式北边界温度,增强西北气流南下,致使四川省上空没有形成西南涡,取而代之为一深槽,同时雨区内上升运动减弱、低层辐合减弱,对流层中层温度增加、比湿略减小,雨区集中在深槽附近,雨区范围和强度都显著减弱且小于控制试验。增加模式北部温度引起北部东北气流向南输送,低值系统南移,增温促进了周围空气向降水中心辐合,增强了中低层大气的辐合上升运动,对流层中、中高层增温,雨带南压,雨区强度显著增强且大于控制试验。降低或增加模式西边界温度对流场、低涡强度和位置影响相对较小,降温使得低涡位置偏北、对流层风速增强与减弱区交替分布;增温使得低涡偏东、对流层中层至中低层风速减弱高层风速增强,二者对降水落区影响亦较小,对大暴雨中心强度有不同程度影响。      

一次江淮暴雨中中尺度低涡的数值模拟及分析

利用MM5模式对2003年7月4—5日一次江淮梅雨暴雨过程进行了数值模拟。分析表明：暴雨与江淮地区对流层中低层中尺度低涡的发生发展有密切关系。中尺度低涡与中尺度雨团相伴移动，低涡强度与雨强的演变近于一致；低涡中心的强上升运动及低层辐合、高层辐散的配置有利于中尺度对流系统的发生发展；低涡低层有不稳定能量的积聚。应用螺旋度理论分析指出，较大的螺旋度是对流层中低层低涡发生和发展的一种有利机制。     

浙江一次江淮气旋后部强对流暴雨过程诊断研究

利用地面降水观测、NCEP/NCAR FNL再分析、ECMWF模式预报场和FY-2H静止卫星TBB资料, 对2020年6月30日浙江省一次暴雨过程进行了综合分析。结果表明: (1) 200 hPa南亚高压强高空辐散、中纬度低槽东移、副热带高压带状稳定的阻塞形势、江淮气旋后部下摆冷空气与暖湿气流交汇形成的冷式切变等共同提供了有利的环境条件; (2)对流层中低层水汽通量向高空伸展、700 hPa正的垂直螺旋度中心都对暴雨落区有示踪作用, 高层正水汽通量散度强于低层负水汽通量散度, 垂直螺旋度和垂直速度中心几乎重合, 先低层强辐合后强垂直上升运动均为本次暴雨的发生提供了重要的水汽和动力条件; (3)暴雨发生在MPV、MPV1和MPV2为正负过渡的零值区, 为对流不稳定和斜压不稳定相结合区域, θ_se线密集区与地面近乎垂直, 湿位涡的高值中心位于θ_se梯度最大处, 高空湿位涡下传触发了位势不稳定能量的释放, 引起大范围的强对流暴雨; (4) 850 hPa冷切变线附近的降水云团, 是由多个块状对流云团合并加强形成完整的带状积雨云团, 而上游不断有新生对流云团生成东移补充消散的老单体, 触发阶段对流云后向传播, 扰动发展阶段对流云团合并过程, 形成对流云串的“列车效应”。      

广西西江流域致洪暴雨过程中尺度特征及机制分析

利用广西逐站逐小时降水量、1°×1°逐小时FY-2C的TBB资料和1°×1°逐6 h NCEP/NCAR再分析资料,应用空间25点平滑滤波方法,分析了2005年6月18~22日西江流域致洪暴雨过程的中尺度特征及其发生、发展的机制。结果表明:这次致洪暴雨过程的降水时空分布不均,具有明显的中尺度特征。雨团集中出现在TBB值的低值中心、低值中心北侧等值线密集的地方以及等值线曲率大的地方。镶嵌于大尺度西南气流中的中尺度涡旋系统在西江流域反复生成,导致对流云团不断生成和加强,是此次暴雨产生的直接原因。暴雨区上空中尺度经向垂直环流圈的存在对中尺度涡旋和对流云团的发生和发展具有促进作用。中低层弱的对流不稳定与强的水平风垂直切变和湿斜压性共存是此次暴雨产生和持续发展的重要机制。     

台风布拉万(1215)深入内陆所致的大暴雨成因分析

本文使用多种观测资料和NCEP再分析资料,对1215号台风布拉万北上深入内陆在黑龙江中部地区引发大暴雨过程进行追踪和诊断分析,探究此次大暴雨天气发生、发展的动力学、热力学和不稳定机制以及卫星云图特征。分析结果表明：大暴雨的发生是中低纬系统相互作用的结果,冷空气向东南方向移动增强了大气的斜压性,有利于斜压扰动的发展;对流层低层的对流不稳定和对流层中层的湿对称不稳定的共同存在,说明大气层结不稳定,为大暴雨的出现提供了有利的环境条件;对流层中低层形成了一个自下向上的正涡管,促使对流发展,散度场上表现为低层辐合、高层辐散的动力配置结构以及中尺度次级环流的出现均为暴雨的维持和加强提供了重要的动力机制;台风中心东侧的偏南和东南急流为大暴雨提供了充沛的水汽条件和热力条件。分析还表明地形对暴雨有增幅作用。     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是：暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1〈0同时MPV2≥0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是：在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。