基于西南涡加密探空资料同化的一次奇异路径耦合低涡大暴雨数值模拟研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,引入业务探空资料和西南涡加密探空资料,对一次四川盆地奇异路径低涡耦合大暴雨过程进行了数值试验,对比检验不同同化试验对本次过程降水和低涡移动路径的模拟能力,分析了加密探空资料同化对西南涡结构及其降水演变的影响。结果表明:在同化业务探空资料的基础上,引入西南涡加密探空资料能改善模式对本次降水和低涡移动路径的模拟,而仅同化业务探空资料对模拟结果的改善作用有限;引入西南涡加密探空资料,一方面能在初始风场上产生气旋式扰动,增加初始高原涡和西南涡的强度,另一方面通过调整初始四川盆地上空大气温、湿度结构,使模式在积分初期就能产生出实况量级的降水;西南涡加密探空资料的同化试验揭示了仅靠高层的高位涡不足以激发和维持700 hPa的西南涡,需要通过低层水平辐合引起正涡度增加并向上输送来增强700 hPa的气旋式环流,进而促进西南涡的移动和发展,而模拟初期降水的潜热释放也起重要作用,加深了对西南涡及其降水成因的认识。      

空间加密探空观测资料对西南低涡暴雨天气过程数值模拟的影响

本文基于AREM（Advanced Regional Eta Model）模式,结合中国气象局成都高原气象研究所西南低涡加密观测科学试验得到的探空观测第一手资料,通过对2012年7月3～4日四川区域性暴雨天气过程（20120703过程）进行数值模拟分析,结果表明:（1）降水雨带的分布主要取决于西南低涡移动路径,不同初值会使得低涡路径在磨合协调期产生强摆动,稳定后则在此基础上,随着环境流场继续移动发展。（2）引入4个加密探空站点资料会对整个大气物理量场造成一定影响,最大差值分布在这些站点附近,热力和动力物理量场最大偏差中心并不重合。时间演变直观地说明了初值对局地大气状态的影响时段有限,主要集中在前期,与模式自身调整期相重叠。（3）初始的大气状态必然会随着模式的磨合过程进行调整,不同初值在调整期能对中小尺度低涡系统的位置及强度产生影响,形成各自稳定的低涡系统初态。（4）低涡中心所对应的散度、涡度、垂直速度关系非常密切,但三者强度和发展高度的演变并非完全一致。     

东移西南低涡空间结构的气候学特征

对1991～2004年夏季（6～8月）西南四川盆地的低涡活动进行统计分类,比较分析了移出型和停滞型两类西南低涡生成初期的合成环流场,总结出影响低涡东移的三维环流结构的气候学特征：东亚中纬度地区对流层中高层的冷空气入侵造成中高层气温偏低,位势高度降低,伴随冷偏差中心南侧20°N～30°N由对流层顶至850 hPa都出现偏强西风,最大的西风偏差位于长江下游地区上空200 hPa。一方面,高层风速差异的纬向梯度加强了长江中游地区的高空辐散,在西南低涡东部形成有利于降水和气旋性环流发展的动力抬升机制。另一方面,对流层低层的西风偏差在青藏高原南麓至我国东部长江以南形成一条异常的水汽输送带,加强了低涡南侧的偏西风水汽输送作用,为低涡东部的降水潜热反馈作用提供了充足的水汽。西南低涡在这样有利的环流形势和水汽条件下更容易移出盆地。     

高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析

利用动力诊断方法,对2008年7月20~22日高原低涡与低层西南低涡相互作用引发西南低涡强烈发展和四川大面积特大暴雨天气发生机理进行了诊断分析。分析表明：高原涡与西南涡涡心之间的纬向距离在5个纬度的时候,两者上升气流都在500 hPa以下,当两者继续东移,在经向上耦合的时候,二者同时得到发展,西南涡中心的上升气流达到300 hPa,而高原涡中心的上升气流突破200 hPa;西南涡在低层出现初期,在一定程度上制约了高原涡的发展,随着两者在经向方向发生耦合,上下涡度平流不同造成垂直差动,将激发500 hPa以下的上升运动与气旋性涡度加强,使得500 hPa与700 hPa涡心正涡度值的增大近1倍。并且涡前的正涡度变率使得高原涡发展并东移,待垂直耦合后,高原涡与盆地涡相互强迫作用促使气流上升运动加强也是导致高原低涡与西南低涡共同发展的一种机制。     

川西西南涡加密探空资料分析及数值模拟试验

本文利用2010年夏,在名山、九龙、稻城三地进行的西南涡加密观测试验所取得的探空资料对川西地区的大气要素场的日变化特征进行分析,认为:3个测站的大气各个要素场的日变化特征明显,整层的风都具有日变化特征,边界层内风场的日变化更为规律一些,能观测到明显的夜间大风速带.温度和湿度场主要受下垫面影响,日变化特征只在边界层内体现.名山平均的边界层高度约为800hPa,九龙和稻城平均的边界层高度约为500hPa.3个测站相比而言,名山站的日变化幅度最小,而九龙站最为突出.将加密的探空资料引入AREM模式中,可以看到在有西南低涡存在的情况下,增加3个探空站资料后形成的初始场更有利于降水天气的产生.但主导整个模拟结果的因素还是模式系统本身,它对模拟结果产生效力主要在前24小时,其后的影响非常微弱.     

CMA-GFS模式对东北半球环流形势预报能力的检验评估

基于CMA全球模式（CMA-GFS）2019年10月至2020年12月逐日20:00（北京时）起报的数据,对东北半球高空气象要素预报进行检验评估,检验的要素包括500 hPa位势高度场和风场、 850 hPa温度场和700 hPa相对湿度场。结果表明：（1）从模式预报效果的时间变化来看,预报效果有明显的季节变化,500 hPa位势高度和850 hPa温度的预报场和分析场的相似度在夏季最低,700 hPa相对湿度场的相似度在冬季最低;随着预报时效的增加,各要素的误差幅度在夏季最小。（2）从模式预报效果的空间变化来看,500 hPa位势高度场在东北半球大部分地区预报场与分析场具有较高相似度,且中高纬地区相对低纬地区更相似,预报误差的幅度则在低纬地区相对较小高纬地区相对较大,且预报偏差以大范围负偏差为主。相比而言,模式对东亚地区的位势高度及其梯度具有更高预报技巧。850 hPa温度场预报相似度和误差幅度与500 hPa位势高度场分布相似,预报偏差则主要表现为中高纬地区温度预报整体偏低,中低纬地区偏高。在预报前期（24～48 h）, 20°N以北的中高纬地区温度预报场与分析场相似度较高,均方根...     

移出高原后长生命史高原低涡在不同移动路径下的大尺度环流特征及差异

利用NECP再分析资料及高空观测资料,对2000—2010年移出青藏高原后生命史长达3天或以上的高原低涡进行统计,并根据移动路径的不同将其分为东移、东北移和东南移三类,统计结果表明:在不同时间段,不同移动路径的长生命史高原低涡具有不同的活跃度,盛夏7月,东移个例远远多于东北移和东南移个例,东南移个例多于东北移个例;而在夏末8月,东南移个例则远多于东北移和东移个例。选取不同移动路径的个例,进行对流层中上层环流背景特征分析,指出其500hPa环流形势,温度平流及200hPa环流形势的共同特征和差异。分析结果表明:500hPa环流形势,副热带高压的位置、走向分布对长生命史高原低涡的移动路径有显著影响。东移、东北移、东南移三种路径,副热带高压依次减弱。印缅地区,东南移路径为季风低压,而东移和东北移路径则为季风槽或印缅槽,即东南移路径25°N以南具有相对较低的位势高度,有利于高原低涡的向南移动;200hPa环流,东移、东北移、东南移三种路径,南亚高压1252dagpm东伸脊点依次偏西。东移路径,南亚高压东伸脊点的明显偏东,使得高原低涡移出高原后受一致西风引导气流的影响,而对于东南移个例,相对北抬的南亚高压前及相对较深的110°E槽后的西北气流对高原低涡的东南移具有一定的引导作用。温度平流带随时间的走向与不同路径的移动方向有着较好的对应关系。移出高原后的长生命史高原低涡基本在平均冷平流带中移动,东南移的高原低涡个例具有相对较强的冷空气活动,使得高原低涡能够向相对较暖的南方移动。     

西南区域中尺度数值模式预报性能及其与天气过程关系初探

本文以探空站和自动站实测资料为检验参考,通过主客观检验GRAPES和WRF模式在西南地区的初始分析场和预报场,一定程度揭示出模式在西南地区的初值质量、动力框架性能和降水参数化效果。GRAPES在西南地区的位势高度、风速、风向初值质量都不同程度好于WRF,但进入预报阶段,GRAPES位势高度、温度均方根误差以比WRF更高的斜率随时效增长,GRAPES对西南地区的500 hPa高度场预报呈现系统性偏低,而WRF对西南地区高度预报的正误差概率比较高;分类天气过程检验表明,GRAPES对低涡、切变过程的初始分析质量好于WRF,但进入预报阶段,WRF对低槽、低涡和切变三类天气过程的低值系统预报正确率都高于GRAPES,这一定程度反映出WRF的模式性能好于GRAPES;分类天气过程降水预报检验表明,低涡过程降水预报难于低槽过程。GRAPES对低涡过程的降水预报能力较低,WRF预报能力最低的是切变过程。这与模式对分类天气过程中低值系统预报能力一致,这一定程度表明两个模式的降水参数化效果水平相当。     

春季西南低涡年际和年代际变化特征分析

利用1979-2013年春季一日四次的ERA-Interim再分析资料,使用趋势分析和合成分析等方法,对35年来春季(3-5月)西南低涡进行了统计分析。结果表明,1979-2013年春季西南低涡共出现262次,平均每年7.5次,其出现次数具有明显的下降趋势,并且具有显著的年际和年代际变化特征。年际时间尺度上,在春季西南低涡偏多年,影响西南低涡出现次数多寡的大气环流易在青藏高原(下称高原)南北部形成"北低南高"以及在贝加尔湖和日本海附近形成"东高西低"型的位势高度,而这样型态的位势高度分布,非常有利于高原南部的异常西风气流和高原东部的异常南风气流在高原东部四川盆地附近形成气旋性环流;在年代际时间尺度上,贝加尔湖附近位势高度出现正的年代际差值和乌拉尔山附近位势高度出现负的年代际差值,非常不利于北边的冷空气侵入我国四川附近,加之高原附近正的位势高度差值中心的存在,也不利于西南低涡出现次数的偏多,这两者是导致春季西南低涡在1989年发生年代际减少的重要原因。     

九龙站在西南低涡/晴朗天气背景下观测资料的对比分析

本文基于中国气象局成都高原气象研究所2017年西南涡加密观测资料,对比分析了西南低涡主要源地九龙站在西南低涡/晴朗这两种不同天气背景下,各个基本物理量的日变化特征及存在的差异,认为:西南涡天气背景下,边界层高度较低,而晴朗天气状况下,边界层大气湍流运动强烈,对流混合伸展高度非常惊人,能超过3000m。西南涡天气背景下,夜间大气较为暖湿,气压显著偏低,上层大气风速较大,便于动量下传。晴朗天气背景下,大气较为干燥,温度日较差偏大,大气压较高,白天湍流混合强。越靠近地面差异越显著,差值随高度的增加而逐渐减小。     

同化MWHS-2/FY-3C资料对一次西南涡暴雨数值模拟的影响研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,循环同化风云三号微波湿度计资料（MWHS-2）,对2019年6月4日四川西南涡暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明:WRF模式成功预报出本次暴雨天气过程,同化MWHS-2观测资料对模式初始场盆地中东部的相对湿度有明显调整,较控制试验对盆地降水的模拟结果更接近于实况,不仅改善了700hPa低涡模拟路径与实况路径的差距,也改善了模拟结果中850hPa西南涡在盆地东部打转的虚假活动路线。整个过程中水汽辐合区与强降水区有很好的对应关系,强降水主要出现在700hPa低涡东南侧偏南气流气旋性曲率最大值区与850hPa低涡切变南侧的重叠位置。      

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。      

秋季川东北一次西南低涡大暴雨分析

利用高空实况实时分析场、FY-2ETBB以及地面加密自动站实况资料,对2014年9月13~14日发生在四川盆地东北部的大暴雨过程进行了分析。结果表明:(1)川东北大暴雨天气过程形成的关键是较为深厚的西南低涡长时间稳定少动,大暴雨区位于北支西风急流南侧和南支东风显著风速带北侧辐散上升运动区的重叠区内,稳定的东高西低的环流形势是这次暴雨发生的大尺度环流特征,地面风向切变的形成对暴雨的产生具有一定的指示意义;(2)在长生命史、稳定的西南低涡内存在多个MCS对流云团的连续生消,MCS云团冷云中心都呈近圆形,移动缓慢,云团发展到成熟阶段,冷云中心TBB值低于-72℃,在减弱的冷云罩中有中小尺度雨团的生成、畸变、分裂的现象发生,在每个强降雨时段内又存在着两个或多个短时强降水峰值;(3)在此次降水过程中重庆沙坪坝站对于广安13日的强降水更具有指示意义,3个时次中沙坪坝站露点曲线和层结曲线之间形成低层暖湿,中高层干冷,有利于强对流天气发生的“喇叭口”形状。      

“6·30”川渝特大暴雨过程中西南低涡发展机制模拟分析

利用地面加密自动站、NCEP(1°×1°)再分析及WRF-ARW数值模拟资料,对造成2013年6月29日至7月1日川渝地区特大暴雨过程的西南低涡的演变特征及热动力机制进行了诊断分析。此次特大暴雨过程分为三个阶段,其中与西南低涡发展相关的第二阶段为主要降雨时段。结果表明:(1)西南低涡生成后,呈现增强-减弱-再次增强的波动性演变特征,在6月30日上午和夜间分别经历了两次显著的涡度发展过程,并在第二次发展过程中达到最强。(2)低空辐合是西南低涡最主要的涡源,由低空辐合导致的正涡度增加近乎贯穿于整个西南低涡的生命史。在西南低涡的第二次发展过程中,中层辐合和涡度的垂直输送显著增强,也是西南低涡的重要涡源。(3)负值非平衡动力强迫激发了低空辐合的增长,在非平衡动力强迫的各项中,位势高度的拉普拉斯项为非平衡动力强迫提供了主要的负贡献来源。(4)非绝热加热先于西南低涡而增强,两者间的正反馈作用可能是西南低涡波动性发展的重要机制。在关闭了微物理过程中的潜热和地面潜热及感热通量的敏感性试验中,西南低涡及降雨的模拟均有不同程度的减弱。     

名山站探空资料与风廓线雷达资料的对比分析

应用四川省名山站2015~2017年6月21日~7月31日每日四个时次的西南涡加密探空资料与风廓线雷达资料,对比分析了在对流层低层风探测上两种资料的差异。结果表明:名山站风廓线雷达资料有效探测高度约为4200m;风廓线雷达和探空测得的风场廓线形状总体接近,两者的风速偏差较小,仅在个别层次和时次偏差大,风速的偏差大小与风廓线风速大小存在正相关关系,除少数情况外风廓线雷达测得的风速均大于探空;两者风向差值随高度的变化规律与风速相反,在中高层较小,低层较大;除01:15时次的500m高度外,其余时次自低层到高层两者观测到的主风向均由偏东北风变为偏西南风,一致性较好;U风和V风散点分布主要沿对角线呈棒槌型,V风质量优于U风,19:15这一时次的风廓线雷达探测U风相对探空资料存在明显系统性正偏差;风廓线雷达探测高度受降水影响较大,在07:15和13:15时次有降水时其探测高度明显高于无降水时。      

川贵渝复杂地形下横槽诱发双涡贵州暴雨过程的数值模拟

青藏高原大地形作用下,西南复杂地形区暴雨天气预报是一个十分重要和困难的科学问题。应用西南区域数值预报业务模式,结合业务常规观测和非常规观测资料,分析了2014年7月15日至17日发生在四川、贵州和重庆复杂地形下的一次由横槽诱发双低涡的贵州暴雨过程,得到:西南区域模式对这次暴雨过程的数值模拟结果与再分析资料有较好的对应关系,尤其是重现了降雨的落区、强度以及盆地涡与贵州涡的发生、发展过程。在暴雨过程中,两低涡垂直发展深厚,上升运动均伸展至对流层顶。涡度收支方面,盆地涡的发展主要源于涡度方程的散度项,而贵州涡的发展除了受散度项的显著影响外,平流项也起着重要作用。由于川渝盆地—云贵高原交界处地形、云贵高原横断山脉延伸区局地地形的作用,区域大气气旋式旋转的加强发展诱发了盆地涡和贵州涡。热力结构上,盆地涡的发生、发展在冷、暖气流交汇辐合区域内,而贵州涡则生成在暖区中,其降雨及加强更多地受到动力过程的影响。川渝盆地—云贵高原特殊的北低南高地形使高纬度干冷气流与低纬度暖湿气流交汇,形成强的上升运动,引发了盆地涡发展及其暴雨天气。云贵高原贵州特殊的西高东低地形导致来自低层的暖湿气流只能沿横断山脉边缘绕流,进入贵州西部的偏南气流与来自盆地涡西侧的偏东北气流汇合作用形成贵州涡,引发贵州暴雨天气。因此,局地地形与环流的相互作用是贵州涡生成及其引发暴雨过程的重要原因。      

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

西南低涡Ekman层流场特征分析

本文利用大气边界模式，对1979年7月24－25日的一次西南低涡暴雨进行了Ekman层的流场分析。在理论计算的前提下，通过加入有限的实测风资料进行动力学调整，不仅在Ekman层中能较好地模拟出高层（850，700hPa）气旋环流特征，且发现西南低涡笔星边界层具有中尺度扰动的特征。在整个气旋环流中有局部的反气旋环流出现，这是850，700hPa 天气图上得不到的，且与边界层诊断分析相符合。