梅雨锋上三类暴雨特征的数值模拟比较研究

中国暴雨的地域性、时间性特征明显,尤其是暴雨多发区--长江流域,沿江不同地段暴雨成因各异.为综合研究长江不同地域暴雨特征和形成规律,利用我国新一代暴雨数值模式AREM对梅雨锋东端(116°E以东)初生气旋类暴雨、β中尺度深对流类暴雨和梅雨锋西端"北槽南涡"类暴雨的典型个例进行了数值模拟.通过诊断分析和比较研究,初步揭示了三类暴雨在结构和形成机制等方面的主要差异.结果表明:(1)梅雨锋上生成并发展的α中尺度气旋是造成梅雨锋东端初生气旋类暴雨的系统.强盛时,系统的垂直上升运动伸展不高,正涡度柱、辐合层以及最大加热和增湿均位于中低层.(2)β中尺度深对流类暴雨发生时梅雨锋区的南北温差很小.在低空辐合风场作用下,强位势不稳定能量的释放导致了β中尺度深对流系统的发生与发展.强盛时,系统的正涡度柱和上升运动柱贯穿对流层,深厚的辐合层达到了中层,最大加热出现在中高层.(3)"北槽南涡"类暴雨是在青藏高原大地形作用下高低空系统有利配置的结果."北槽南涡"的天气系统配置有利于低层辐合的加强和位势不稳定能量的释放,使低层涡旋向中高层强烈发展.强盛时,系统的正涡度柱贯穿对流层,积云对流发展强烈,最强上升运动和最大加热层都位于中层.     

爆发性气旋的锋生位涡反演诊断

本文采用基于埃特尔位涡反演诊断和锋生函数诊断的锋生位涡反演诊断方法,对一次发生在西太平洋地区的爆发性气旋过程进行了诊断分析和机制研究。本文主要从锋生演变的角度,定量诊断了与对流层顶折迭现象相联系的高层位涡扰动,由凝结潜热释放造成的中层位涡扰动,与低层锋区扰动相联系的低层位涡扰动以及以低层水平辐合辐散为主要成份的非平衡风场在气旋发生发展的不同阶段所起的作用和影响,并对以上各物理过程相互作用,造成气旋爆发性发展的机制进行了分析讨论。     

梅雨锋上气旋发展的反演诊断

本文采用位涡反演诊断模式,对梅雨锋上气旋的发生,发展机制进行分析研究,利用扰动位涡,反演出气旋发生,发展阶段的扰动位热场,扰动流函数,结果表明,梅雨锋气旋发展阶段,500hPa以上的高层槽脊系统对中低层气旋的发展没有直接贡献,850hPa以下的低层系统（低层锋区）,能够反演出气旋及其周围系统的发展,但强度较弱,气旋区,中层位涡扰动与总位涡扰动所反演的结果的基本一致,即中层系统对梅雨锋气旋的发展起到主要作用,气旋发生阶段,850hPa 以下的低层系统对中低层气旋的加强起主要作用。     

一次梅雨锋结构及锋区强度对锋面结构影响的数值模拟

利用中尺度模式MM5对1999年6月下旬发生在长江中下游地区的一次锋上西南低涡发展的梅雨锋暴雨过程进行了研究。通过敏感性试验, 探讨了低涡对锋强、 锋生的敏感性, 锋生、 锋消与低涡发展演变的时间空间上的联系等问题\.结果表明, 低涡对中层锋面强度的变化敏感, 中层锋强发生改变会导致整层涡度发生同位相的变化。中层系统对梅雨锋气旋的发展起主要作用, 中层锋面对低涡发展的影响比边界层锋更关键。中层锋面强度改变会激发出中低层的垂直次级环流, 低层的辐合上升运动发生改变, 最终影响到低涡强度的发展。敏感性试验证明, 锋面强度变化对低涡发展造成的影响有超前性, 中层锋面先发生变化, 6 h左右以后低涡强度发生改变。锋区强度和低涡强度发生变化的地理位置基本在同一经度上, 锋强变化的位置在涡强变化位置的北面。     

一次持续性梅雨锋暴雨的中尺度对流系统特征分析

利用常规气象观测资料、地面自动站加密观测资料和FY2G卫星云图资料以及NECP 1°×1°FNL再分析资料等,对2016年6月30日—7月5日安徽省安庆地区梅雨锋暴雨过程中的中尺度对流系统(MCS)活动特征、MCS发展的环境场特征以及低层风场对MCS发展影响进行了分析。结果表明:梅雨锋上有多个MCS先后(或同时)生成、发展并沿正涡度带向下游移动并发展增强,成"列车效应"经过安庆地区并带来持续强降水。强降水落区发生在中尺度低空急流核的左侧,辐合区和上升运动区位于涡度中心东侧,导致MCS持续的向东发展移动并增强。对流层低层西南风急流为MCS发展增强提供了动力条件,并带来大量水汽在梅雨锋区汇集辐合。湖北至安徽上空850～500 hPa的湿度锋为强降水提供了有利的不稳定条件。     

2002年中国暴雨试验期间一次低涡切变上发生发展的中尺度对流系统研究

采用常规观测和"973"中国暴雨试验资料,对2002年6月22～23日一次由中尺度对流系统(MCS)发展而产生的低涡,以及伴随其发生发展的对流系统进行了分析和模拟研究.结果表明:MCSA东移到河南西部时,由于对流层中层正涡度中心的强迫和潜热释放产生了气旋,低层的暖平流可能是低涡东移发展的原因之一.模拟结果显示低涡东部的对流系统发生在气旋东部的暖切变上,西部对流系统发生在冷切变附近.在低涡的南部偏南风与偏北风之间形成辐合线,辐合线上有低层偏东风与高层偏西风的垂直切变,对流沿辐合线由西南向东北方向移动形成对流带.对流系统发展强盛时除了低层的强辐合外,高层较深厚的强辐散是其维持的重要原因,当系统倾斜时表明开始减弱.试验加密资料分析也表明:降雨发生前有明显的增湿过程,而降雨开始后,整层可降雨量迅速减少;对流系统南侧强的西南低空急流向对流区输送了大量水汽;气旋东移后,西北风(冷空气)的侵入使降雨结束.     

11月初北黄海一次海龙卷风暴的中尺度特征分析

利用多普勒天气雷达资料及反演风场和常规观测资料,对2014年11月2日发生在北黄海（山东半岛北部海上）一次罕见海龙卷风暴的中尺度特征进行了分析。结果表明：冷空气、暖湿海面热力边界、山东半岛北部近海岸西北风与偏西风的辐合线是海龙卷风暴发生的天气背景。海龙卷风暴发生时雷达回波PPI最大分贝反射率因子为60 dBZ,高度为2.0 km,最高风暴顶为4.5 km,最大垂直累积液态水含量VIL为21 kg·m-2。利用雷达反演风场进行中尺度特征分析,结果表明：在海龙卷风暴发生发展过程中,低层风辐合对应4.0 km高度上是风辐散,海上有较强的偏南暖湿气流输送到雷暴区。中尺度动力特征：最大正涡度和散度辐合在1.0 km以下,低层正涡度和散度辐合、高层散度辐散是雷暴发生初期动力特征;低层没有正涡度和散度辐合、高层为正涡度和散度辐合是雷暴开始发展的动力特征;低层和高层为大的正涡度和散度辐合是雷暴成熟阶段的动力特征。高空冷空气叠加上低空强的偏南气流,造成局地涡度加大和低层辐合加强,使低层暖湿气流倾斜上升。海龙卷与辐合区的冷空气和暖湿气流有关。     

一次低空急流加强下的暴雨过程成因分析

基于地面、高空常规气象观测资料及风廓线雷达资料和WRF模式资料,分析江西一次低空急流加强下暴雨过程的环境场及成因。结果表明:(1)暴雨发生在副热带高压(简称"副高")北抬、西南急流加强的天气背景下,此次暴雨是副高、西风带短波槽、中尺度辐合系统、低层切变、季风等多系统作用的结果。(2)低层增湿、增暖和对流层中层冷平流的侵入以及异常的各项热力不稳定指数,使江西北部成为高能、高湿、高不稳定区,并在江西东北部形成中尺度假相当位温θ_(se)能量锋区和露点锋区,而锋生正是此次暴雨过程原因之一。(3)低空急流加强一方面带来了充沛水汽,另一方面,中尺度辐合系统沿着急流发展形成中尺度能量、温度锋区,而对流性降水释放的凝结潜热反馈又促使中尺度对流系统进一步加强,利于强降水发生。1.5～3 km 16 m·s~(-1)以上急流可提前1～3 h指示西南风下风方向地区有强降水。(4)500 hPa正涡度平流的发展使得对流层中层气旋性涡度增加,导致正涡度柱发展,并与涡度柱北侧下沉运动构成次级环流。同时高位涡中心向下发展,有利于低层气旋性涡度加强、锋生加剧,促进上升运动,有利于暴雨维持。     

一次春季江淮气旋形成发展特征及暴雨诊断分析

利用NCEP/NCAR的再分析资料,对2013年5月25-27日一次江淮气旋的形成发展及其引发的暴雨过程进行了诊断分析。结果表明:高空明显的正涡度平流、低层暖平流以及与辐合辐散区相对应的垂直运动是导致气旋发展的重要物理因子。气旋发展过程和湿位涡正压项及斜压项有很好的对应关系,气旋的增强阶段伴随对流层低层mpv_1的增大及mpv_2值的减小;高层湿位涡下传;使近地面大气斜压性增强,从而在低层诱生出气旋性环流。气旋的形成发展过程与对流层正涡度柱的形成相对应,与湿位涡的空间结构及其演变有密切的联系。气旋引发的暴雨位于气旋移动路径的左前方(东北象限),该区域低层强辐合中心和正涡度中心的耦合,加剧水汽和能量的辐合,为暴雨维持提供了条件。     

一次温带气旋特殊移动路径及其结构和成因分析

为了更全面地了解温带气旋的结构和形成原因,利用常规高空、地面观测、NCEP的1°×1°再分析资料和FY-2E水汽图像等资料,分析了2014年6月6 10日发生在华北及东北温带气旋的强度和移动路径、环流背景及结构和成因等。结果表明:(1)在发展阶段,地面气旋中心气压变化不大,但以逆时针旋转的路径移动;当地面气旋中心与高层低涡中心在同一垂直轴线上时,气旋停止发展。(2)以异常路径移动的气旋发生在500 h Pa大尺度环流多次调整的背景下。当气旋上游贝加尔湖至我国新疆南部的高压脊发展时,气旋初生;当气旋下游日本岛东部至鄂霍次克海高压脊发展时,气旋发展。(3)当正相对涡度随高度向西倾斜、气旋中心上空对流层低层正相对涡度首先加大、且其西侧的冷锋锋区增强、随后气旋中心上空整层正相对涡度增大时,地面气旋处于发展过程中;当高低层正相对涡度垂直重合、且对流层低层冷锋锋区减弱,则气旋停止发展。(4)对流层上层具有高值位涡的干空气逐渐进入地面气旋中心上空的湿区时,高位涡所携带的高空正涡度平流辐散作用使得低层辐合加强、绝对涡度增大,引起地面气压下降。(5)气旋中心上空的对流层中层暖平流和高层较大的正涡度平流使得垂直上升速度增强,气旋逐步发展;地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层微差涡度平流较大的区域移动。     

影响东北的两个罕见气旋发展机制对比

2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋（简称C304和C502）在江淮流域生成后,以相似路径影响东北地区,但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料,通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析,结果表明:C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用,高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场,地面气旋中心上空垂直上升运动增强,对流层低层斜压性明显,气旋性涡度增加主要在对流层下层,低空斜压强迫是主要发展机制;C502低空温度平流弱,斜压性不明显,高空正涡度平流促使高空闭合环流发展,对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通,垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧,高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下,对流层低层为气旋式环流背景。     

A study of formation and development of one kind of cyclone on the mei-yu (Baiu) front

The paper presents one diagnosis of baroclinity and the coupling of jets during the developing process of a cyclone that occurred on the mei-yu (Baiu) front around the end of the second stage of the mei-yu (Baiu)in 1998. Results have shown that: (1) The advantageous changes of upper-level large-scale circulation caused the appearance and maintenance of the coupling between the upper-level jet (ULJ) and lower-level jet (LLJ) over the cyclone‘s area. The coupling of jets in this case possesses some different characteristics from previous cases. Moreover, the coupling between the ULJ and LLJ caused the intensification of both lower-level convergence and upper-level divergence, which was favorable for the development of this cyclone. (2) From the analysis of the voricity budget, the role of lower-level convergence in the development of the cyclone was emphasized. Divergent wind in the lower troposphere was a direct contributor to the development of the cyclone. (3) During the development of the cyclone, cold air and warm air were_active over the cyclone‘s domain. Although this cyclone occurred at the mei-yu (Baiu) front, its development assumed baroclinity to a certain extent, which was just the main difference between this kind of cyclone and the first kind of low which is usually barotropic (or quasi-barotropic). (4) In recent years, studies on mei-yu front lows have paid more attention to the lower troposphere. In this paper, the analysis of the energy budget further supports this point: the certain effect of baroclinity forcing in the upper troposphere on mei-yu front lows cannot be ignored.     

沈阳桃仙机场春季冷锋型雷暴与冷锋型大风合成对比分析

以1996～2005年逐年沈阳桃仙国际机场春季雷暴的天气演变过程相似资料为依据,采用合成方法,选取4个典型冷锋雷暴个例进行分析。结果表明:蒙古气旋前部的暖平流、大范围正涡度区和正涡度平流导致了我国沈阳地区不稳定层结的建立和加强;高空辐散和低空辐合为雷暴天气的发生和加强创造了动力抬升条件;高空具有高湿位势涡度值的干冷空气叠加在低层扰动上,有利于不稳定层结的加强和降水发生。与相似形势下只产生春季大风而未产生雷暴的4次大风个例天气过程的合成对比分析,结果显示:冷锋的伸展方向及沈阳上空深厚的辐散层和低空湿位势涡度的不同分布可能是产生雷暴和大风不同天气现象的主要成因。     

Study on cut-off low-pressure systems with floods over Northeast Asia

Summary The cut-off lows (COLs) during the period from June to August 1998 leading to the record flood in Northeast Asia, especially in Northeast China, has been investigated in this paper. The results are as follows: the blocking highs benefited significantly the formation and maintenance of COLs over Northeast China; an obvious frontogenesis zone existed in Northeast China and it implies that baroclinity played an important role in the initiation of COLs, especially in middle and upper troposphere; the maxima of the potential vorticity anomaly were located in the upper troposphere, then extended downwards to the middle and the lower troposphere. The pronounced interaction between systems in upper-middle and low troposphere can be revealed; the moisture supply was from South China, and even from East China Sea and South China Sea. The strong southerly current transported very rich moisture to Northeast China. The maximum of the convergence of moisture flux was below 850 hPa. Obvious interaction between the middle and lower latitude systems was found in the study. Also, the summer monsoon showed significant impacts on the sustained heavy rainfalls related with the COLs over Northeast China; the upward motion could be caused by the lifting of the large scale dynamic forcing and there was no obvious releasing of latent heating in the upper-middle troposphere. The cold dome in the COLs was quite different both from the warm core in tropical cyclone and from the weaker warm core in Meiyu (Baiu) front low. The calculation of vorticity budget shows that both the horizontal advection term and horizontal divergence term contributed importantly to the maintenance and the strengthening of positive relative vorticity. Finally, the complex dynamical characteristics regarding the COLs are discussed and further investigation is proposed.     

2010年4月27日莱州湾大风过程诊断分析

利用NCEP资料对2010年4月27日莱州湾大风过程进行了诊断分析。结果表明,气旋的爆发性发展导致气旋冷锋后部的锋生加强引发的变压梯度加大是造成此次莱州湾地区大风过程的直接原因。通过大尺度环境场分析,以及温度平流、涡度平流、高空急流、高层位涡异常的诊断分析,认为强的大气斜压性和其所伴随的冷、暖平流使高空槽发展;高低层涡度平流差异是地面气旋发展初期的主要因子;高空槽前急流轴向极一侧的非地转分量所引起的辐散有助于气旋发展;高层高值位涡下传激发了气旋性环流,造成地面气旋爆发性发展。     

2003年夏季梅雨期一次强气旋发展的位涡诊断分析

通过位涡诊断和回推轨迹分析, 对2003年夏季梅雨期间一次强江淮气旋的发展过程进行了研究。结果表明: 气旋发展初期, 非绝热加热在气旋的低层发展中起了主要作用, 随后由于高层水平平流的增强, 通过垂直平流使高低层大值位涡耦合在一起, 从而使气旋迅速发展。从中、 高、 低层对位涡柱形成所起的作用来看, 低层主要是非绝热加热, 中层是垂直平流, 而高层主要是水平平流; 从构成气旋的气流来说, 在气旋迅速发展阶段, 低层主要以西南暖湿气流为主, 高层 (500 hPa以上) 主要以沿急流轴下降的高层干冷气流和对流层底层流向气旋东北部并迅速上升的暖湿气流为主。高低层冷暖空气的相互作用主要发生在600 hPa及以上层次, 因凝结加热引起的垂直运动通过垂直平流可能在冷暖气流相互作用和上下大位涡的垂直耦合中发挥了重要作用。     

梅雨锋上与强暴雨有关的中低压及其三维环境流场的诊断研究

本文对1986年6月22日出现于长江中游的一次中低压过程进行了诊断分析。这个中低压水平尺度约500km，生命史为一天，但是形成了日降水量263mm的特大暴雨。分析揭示，梅雨锋是一条近于东西走向的正涡度带状分布区。而这一带状区中存在强烈的中尺度水汽通量辐合中心和深厚的上升运动区，有利于中尺度低压的形成。#FKM#FS和θ的剖面表明，条件对称不稳定（CSI）可能是这次梅雨锋暴雨的一种触发机制。此外，由拉格朗日方法对气块三维轨迹的计算表明，来自高低空和不同方向的两支大尺度气流的结合使高空辐散加强，可能对中低压的     

2018年1月北大西洋上一个具有“T”型锋面结构的超强爆发性气旋的分析

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的0.5°×0.5° ERA-Interim再分析资料，麦迪逊-威斯康星大学气象卫星研究所（CIMSS）提供的地球静止环境业务卫星（GOES-EAST）红外卫星云图和天气预报模式（WRF）的模拟结果，对2018年1月3—6日发生在北大西洋上的一个具有“T”型（T-bone）锋面结构的超强爆发性气旋进行分析。该爆发性气旋在较暖的湾流上空生成，沿海表面温度大值区向东北方向快速移动，生成后6 h内爆发性发展，24 h中心气压降低48.7 hPa。高空槽加深、涡度平流加强和低层较强的大气斜压性为气旋快速发展提供了有利的环流背景场。由于气旋发展迅速，低层相对涡度急剧增大，低压中心南部来自西北方向的干冷空气随气旋式环流快速向东推进，与东南暖湿气流汇合，锋生作用较强。较暖的洋面对西北冷空气的加热作用使得交汇的冷、暖空气温度梯度较小。减弱东移的冷锋与暖锋逐渐形成近似垂直的“T”型结构。用Zwack-Okossi方程诊断分析表明，非绝热加热、温度平流和正涡度平流是该爆发性气旋发展的主要影响因子。气旋初始爆发阶段，西北冷空气进入温暖的洋面，海洋对上层大气感热输送和潜热释放较强，非绝热加热对气旋快速发展有较大贡献。气旋进一步发展，“T”型锋面结构显著，温度平流净贡献较大，对气旋的发展和维持起重要作用。      

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。     

东北太平洋一次强爆发性气旋发展的机制分析

使用FNL Analysis全球格点资料,对东北太平洋一次强爆发性气旋的特殊性进行了分析,发现气旋对其西北部低压系统的吸收合并是其爆发性发展过程中的典型特征,斜压强迫对其快速发展的作用较弱,与西北太平洋爆发性气旋的发展过程存在显著差异。同时,使用Zwack-Okossi诊断方程,从影响爆发性发展的动力和热力因子方面,对其发展机制作了深入的探讨。研究表明,正涡度平流、暖平流和非绝热加热的共同作用使气旋开始爆发性发展,由潜热释放导致的非绝热加热的贡献最大,非绝热加热是其快速发展的主导因子,其中正涡度平流贡献主要来自于中高层,暖平流的贡献主要来自于中低层和高层,而非绝热加热主要发生在中低层,这为东北太平洋爆发性气旋的发展机制提供了一个新的认识。