2017年盛夏湖南持续性暴雨过程的水汽输送和收支特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先分析了2017年6月下旬至7月初湖南持续性暴雨天气过程的环流背景和大尺度水汽输送特征,然后引入NOAA的轨迹模式HYSPLIT,分阶段定量分析了暴雨的水汽输送特征以及区域水汽收支情况。结果表明：天气系统的有效配置和稳定维持是强降雨持续的主要原因,持续性暴雨与全球范围的水汽输送和水汽辐合相联系,低空急流的演变和进退与暴雨落区和强度的演变关系密切。影响此次强降水过程的水汽通道主要有三支,第一支由索马里越赤道急流经孟加拉湾和我国西南地区输入暴雨区,第二支由印度洋中东部越赤道气流经孟加拉湾南部和南海北部输入暴雨区,第三支由来自南半球的越赤道气流自南海南部一路北上输入暴雨区,第三阶段还有一支水汽由赤道西太平洋穿越菲律宾进入南海后再北上输入暴雨区。过程第一、二阶段的水汽输送主要来自孟加拉湾,其次是南海,第三阶段来自孟加拉湾和南海（包括西太平洋）的水汽输送各占一半。受地形影响,孟加拉湾通道的水汽主要输送至暴雨区700 hPa,其他来自低纬洋面的通道水汽主要输送到850 hPa及以下各层。暴雨区水汽输入主要来自南边界和西边界,且主要由低层输入暴雨区,以水平水汽通量辐合的形式在暴雨区上空低层大量汇聚,经由强烈的垂直上升运动输送至对流层中高层积累和凝结,从而导致降水的产生,降水的强弱与边界水汽输入和区域水汽辐合的强弱变化一致。     

中国春季典型降水异常及相联系的大气水汽输送

利用经验正交函数分解方法, 揭示了中国春季典型降水异常型的分布特征, 讨论了对应的水汽输送场和大尺度环流形势。结果表明, 降水异常的前三个模态对应的异常水汽输送源地都与气候平均源地存在差异。第一模态中, 降水大值区位于华南沿海, 伴随西太平洋副高的加强以及东亚西风急流的西南向移动, 水汽主要来源于菲律宾和中国南海地区; 第二模态中, 降水大值区位于长江中下游地区, 西太平洋副高及东亚西风急流均较气候平均位置偏北, 水汽主要来源于赤道西太平洋, 同时赤道印度洋的西风水汽输送也为降水提供了部分水汽; 第三模态中, 降水中心位于黄淮流域, 500 hPa高压异常中心北移至日本海附近, 同时东亚西风急流大大减弱, 水汽源地位于中纬度西北太平洋。在气候平均态下, 来自青藏高原南缘的西风水汽输送是中国春季降水的重要水汽源地之一, 但与此输送带对应的异常输送, 在与前三个降水异常典型模态所对应的水汽输送异常场中均没有体现。     

1983 年梅雨期前后亚洲季风区水汽输送的分析

分析了1983年江淮流域入梅前、梅雨期以及出梅后垂直积分的水汽输送和水汽通量散度分布,计算了南海和中国东部地区的水汽收支。结果指出:江淮流域入梅前,华南地区降水的水汽主要来自印度西南季风和东南季风气流;梅雨期降水的水汽主要来自印度西南季风气流;出梅后华北雨季则主要受中低纬水汽输送气流汇合的影响。分析表明,江淮流域梅雨期是印度西南季风气流加强并东进北上,西太平洋高压东撤所造成的;而梅雨结束则是由于西南季风气流减弱西退和西太平洋高压西进北上所造成的;此外,还讨论了水汽输送、水汽通量辐合与云量及我国东部降水的关系。     

江淮梅雨丰、枯梅年水汽输送差异特征

利用江淮流域1954—2001年梅雨量资料和美国NCEP/NCAR 1954—2001年逐日高度场、风场、比湿场和地面气压场资料,网格距2.5 °×2.5 °,采用模糊聚类、合成分析等方法,详细讨论了江淮梅雨丰、枯梅年垂直积分的整层纬向、经向和水汽通量输送差异特征。结果表明：区域梅雨量指数能很好地揭示出江淮流域梅雨量的丰枯;丰梅年西太平洋副高南侧的偏南气流和其北侧的偏北气流水汽输送显著增强,越赤道气流抵达北半球后,集中在10 °N附近,40～130 °E范围内的阿拉伯海和孟加拉湾向北偏东方向伸展,与来自南海和西太平洋的水汽输送相汇合,在我国的江淮流域-日本列岛南部形成一条水汽通量距平≥55 kg/(m?s)的强水汽输送带;丰梅年水汽通量散度距平表明：整层水汽通量辐合比枯梅年明显加强,为江淮梅雨提供了充沛的水汽来源,有利于江淮梅雨的异常偏多;枯梅年则反之。     

基于HYSPLIT模式的济南机场一次暴雨过程的水汽输送特征分析

利用NCEP再分析资料,结合HYSPLIT轨迹模式对 2018年6月25日发生在济南遥墙国际机场的一次大暴雨过程的水汽条件及输送过程进行分析。结果表明：此次大暴雨的水汽输送通道主要有3支,一支是源自对流层中层的西北气流输送,另一支是西太平洋上副热带高压边缘东南气流输送,第三支是南海上空向北的气流输送,三支通道中,西太平洋通道和南海通道对暴雨的水汽贡献最大,分别为46%和42%,来自西北通道的水汽输送相对较少,它对暴雨的水汽贡献仅为12%;进一步的分析表明,在850 hPa以下的对流层底部,来自西太平洋通道的水汽输送占据主导地位,而在700 hPa以上的对流层中层,则是来自南海通道的水汽输送占据主导地位。     

暴雨过程的物理诊断和水汽条件分析

对暴雨发生的物理成因进行了分析诊断,计算了与降水有关的各种物理量,讨论了各种物理量的特征,建立了物理模型.结论指出,随着大气环流由春末夏初向盛夏季节的过渡,松嫩流域东北冷涡暴雨过程的降水性质由初夏的连续性降水发展成盛夏的以对流性降水为主;暴雨区的水汽辐合中水汽平流的作用占有重要地位;影响暴雨的水汽分别来自西太平洋副热带高压南部低纬热带地区和孟加拉湾.两支水汽分别由西太平洋副热带高压西南侧的东南季风和西南季风直接向北方输送,或是分别向西或向东在我国南海合并再向北输送.来自孟加拉湾的水汽可追溯到印度洋赤道以南洋面,水汽先沿马克斯林高压东侧经索马里急流穿越赤道进入印度季风槽.关键是水汽最终能否输送到较高纬度的嫩江、松花江流域.     

2014年5月中旬江西地区暴雨天气过程水汽输送特征分析

利用NCEP 1°×1°的fnl资料、地面观测资料和GDAS资料,分析了2014年5月16—17日江西地区暴雨天气过程的水汽输送特征,同时使用Hysplit后向轨迹模式对水汽来源进行了模拟。结果表明:此次暴雨过程的水汽主要来自大西洋、西太平洋和印度洋,其中来自大西洋的水汽经赤道东风带输送至西太平洋,与来自西太平洋的水汽汇合后一部分直接输送至江南,另一部分继续向东北方向输送至日本海域附近转向,经我国华北向南输送至江南一带;来自印度洋的水汽,经孟加拉湾和南海输送至中国江南暴雨区。来自西南、东南和东北方向的气流在我国南方上空辐合,辐合中心值高达300×106 kg/s,且辐合趋于纬向型。利用Hysplit模式对此次暴雨区不同高度的水汽来源及输送路径进行后向轨迹模拟,结果与利用流函数和势函数分析出的水汽输送源地和路径基本一致。     

川西高原持续性暴雨特征和水汽输送

利用常规资料、NCEP FNL分析资料和HYSPLIT模式,对2008—2017年川西高原持续性暴雨过程的时空分布、环流分型、水汽源地和输送路径进行分析。结果表明:①2008—2017年川西高原单站持续性暴雨的总频次为337次,在21次区域持续性暴雨中,位于高原与盆地过渡区的泸定、康定、汶川出现持续性暴雨次数最多;②7月发生频率最高,持续时间多为3～4天;③将影响川西高原暴雨的环流分型为两槽一脊型、一脊一槽型、西风槽型和偏西气流型,其中孟加拉湾气旋影响有16例,6—7月个例都有孟加拉湾气旋的存在;④川西高原上空气团主要通过4条路径进入,源自北大西洋、地中海和伊朗中北部的西北路径占比29%,源自里海到咸海之间地区的东北路径占比17%,源自热带印度洋洋面的西南和东南路径各占比43%和11%,偏北路径的空气质点起始高度比偏南路径的高,相应的温度和水汽含量也偏低;⑤将水汽输送分为"S"型、偏西气流型和偏南气流型3个类型。     

1998年夏季松花江、嫩江流域大暴雨的水汽输送

使用松花江、嫩江流域内 94个地面气象观测站 1 998年 6～ 8月逐日降水资料和同期的 NCEP/NCAR再分析资料 ,分析了造成 1 998年夏季中国东北地区松花江、嫩江流域出现超历史纪录特大洪水大暴雨过程时的水汽输送。分析结果认为 ,关键在于南部充沛的水汽向高纬度地区的经向输送。水汽的源地可以追朔到相当远 ,主要来自西太平洋副热带高压南部低纬热带地区和印度洋洋面。制约水汽输送的条件主要是西太平洋副热带高压南北位置、低空偏南急流强弱等。     

江淮流域持续性强降水过程的多尺度物理模型

本文对江淮流域持续性暴雨事件（PHREs）的多尺度物理模型和能量转换特征以及青藏高原东部对流系统东移影响下游地区降水的研究成果进行了总结。从欧亚大陆Rossby波列能量频散的角度揭示了江淮流域PHREs中纬度系统槽脊稳定的机制,定量分析了冷暖空气的源地和输送路径,提出了江南型和江北型PHREs的多尺度物理模型。从天气尺度和次天气尺度之间的能量转换角度呈现了不同尺度系统相互作用的物理图像,指出背景场的能量供给是直接触发暴雨的次天气尺度系统维持的最重要因子,尤其是在对流层的低层,动能的降尺度级串（即能量由背景场传递给次天气尺度系统）最强。研究表明青藏高原东部对流系统东移影响江淮流域的降水是一系列天气系统配合和活跃的结果,主要由青藏高原和四川盆地、二级地形和东部平原之间的热力环流、西南涡、二级地形以东中尺度涡旋和对流系统的共同影响。除了本文总结的内容,还有一些影响PHREs的因子值得深入研究,多尺度相互作用中的Rossby波源及其波列如何影响天气系统,中尺度系统对其背景场的能量反馈等。     

Typical Circulation Patterns and Associated Mechanisms for Persistent Heavy Rainfall Events over Yangtze–Huaihe River Valley during 1981–2020※

Persistent heavy rainfall events (PHREs) over the Yangtze–Huaihe River Valley (YHRV) during 1981–2020 are classified into three types (type-A, type-B and type-C) according to pattern correlation. The characteristics of the synoptic systems for the PHREs and their possible development mechanisms are investigated. The anomalous cyclonic disturbance over the southern part of the YHRV during type-A events is primarily maintained and intensified by the propagation of Rossby wave energy originating from the northeast Atlantic in the mid–upper troposphere and the northward propagation of Rossby wave packets from the western Pacific in the mid–lower troposphere. The zonal propagation of Rossby wave packets and the northward propagation of Rossby wave packets during type-B events are more coherent than those for type-A events, which induces eastward propagation of stronger anomaly centers of geopotential height from the northeast Atlantic Ocean to the YHRV and a meridional anomaly in geopotential height over the Asian continent. Type-C events have "two ridges and one trough" in the high latitudes of the Eurasian continent, but the anomalous intensity of the western Pacific subtropical high (WPSH) and the trough of the YHRV region are weaker than those for type-A and type-B events. The composite synoptic circulation of four PHREs in 2020 is basically consistent with that of the corresponding PHRE type. The location of the South Asian high (SAH) in three of the PHREs in 2020 moves eastward as in the composite of the three types, but the position of the WPSH of the four PHREs is clearly westward and northward. Two water vapor conveyor belts and two cold air conveyor belts are tracked during the four PHREs in 2020, but the water vapor path from the western Pacific is not seen, which may be caused by the westward extension of the WPSH.     

2010年7~8月东北地区暴雨过程的水汽输送特征分析

本文根据影响天气系统和雨带位置的不同将2010年7~8月东北地区出现的22个暴雨日划分成了三类暴雨,在以欧拉方法分析了各类暴雨的水汽输送和收支的基础上,利用基于拉格朗日方法的轨迹模式(HYSPLIT v4.9),模拟计算了各类暴雨的水汽输送轨迹、主要通道以及不同源地的水汽贡献。结果表明,影响暴雨的水汽输送通道有三支,一支是沿西太平洋副高边缘东南气流的水汽输送,另一支是起源于南海北部向北偏东气流的水汽输送,第三支是西风带西北气流的水汽输送。第一类暴雨中,来自于西太平洋通道和南海通道的水汽输送大体相当,均很重要,两者可以占总水汽输送的87.4%。第二类暴雨中,水汽输送路径偏东,西太平洋通道的水汽输送贡献可达近70%。第三类暴雨中,虽然西太平洋通道水汽输送仍占主导地位,但北方通道的水汽输送也变得不可忽视。西太平洋通道的水汽沿途损失较小,并主要被输送到东北地区850 hPa及以下的大气之中,而南海通道的水汽沿途损失较多,与北方通道的水汽一样,主要被输送到东北地区850 hPa以上的大气之中。     

1998年长江流域特大洪涝期水汽输送过程的诊断分析

利用基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9）,结合轨迹聚类法和气块追踪法,探讨1998年6月12日—8月27日期间长江流域强降雨的水汽输送轨迹、主要水汽源地及其水汽贡献,发现此次强降水过程的水汽源地主要为印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋;不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地存在差异。降水第一阶段水汽主要来自孟加拉湾—南海,水汽输送贡献为35%。降水第二阶段水汽主要由印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋三个区域共同提供,水汽输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾—南海的水汽输送占主导地位,它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。降水第四阶段水汽主要来源于孟加拉湾—南海,贡献为40%。强降水过程中大气环流的调整,导致了不同阶段水汽源地的变化及各源地水汽贡献的差异。     

影响海南岛的台风降水及水汽输送源地分析

利用1986—2016年中国气象局台风最佳路径资料、海南岛区域站降水数据以及基于拉格朗日方法的轨迹模式对近30 a影响海南岛的台风降水和大气环流特征进行分析,并探讨了台风影响降水期间水汽输送通道和源地。结果表明：6—10月是台风影响海南岛的主要时段,也是台风降水主要时段。在台风降水偏多(少)年,长江以南地区冷空气影响偏弱(强),副热带高压偏弱(强),南支槽偏强(弱),低层水汽通量场呈现异常气旋性(反气旋性)环流。降水偏多年,海南岛受到来自西北太平洋异常东北气流与印度洋、孟加拉湾的异常偏强西南气流影响;降水偏少年,水汽主要来自西太平洋的偏东气流和南海较弱的西南气流。海南岛台风降水的四个主要水汽源地分别为西太平洋、孟加拉湾、南海和印度洋,在台风降水偏多年,水汽输送贡献最大的是西太平洋和孟加拉湾,分别为33%和30%,来自东西两路的水汽供应充足,而在偏少年西太平洋水汽输送贡献最大,为38%,其余水汽源地贡献均在30%以下,以110°E以东的水汽输送为主。     

水汽输送与江南南部初夏雨季及降水变化的联系

基于1961—2010年美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析格点资料,分析了初夏水汽输送的分布和演变过程及其与中国江南南部初夏雨季的关系。结果显示,初夏水汽输送总体上随夏季风前沿自南向北加强,有3次水汽通量突然增大的涌先后从中国南海北传到25°N及其以南、25°—30°N、30°N及其以北地区,水汽涌和相应峰的发生时间分别对应华南前汛期、江南南部初夏雨季、长江流域梅雨的开始和结束时间。江南南部在初夏雨季处在水汽通量高值区的北缘、水汽辐合区内。青藏高原南侧水汽辐散区是影响江南南部初夏雨季的直接水汽源,澳大利亚北部到印度洋和阿拉伯海南部地区的大面积水汽辐散区则是间接水汽源。经向水汽输送演变对雨季起(讫)具有标志性意义,纬向水汽输送也不容忽视。雨季开始(结束)时江南南部地区的南界(北界)中低层水汽流入(流出)显著增大,但北界(南界)水汽通量并未同步发生显著变化;雨季期间的纬向水汽输送明显增强,水汽通量大于经向水汽输送。雨季强、弱具有年代际变化,且与纬向水汽流入的相关比经向水汽流入的相关更显著。影响江南南部初夏雨季的水汽输送路径主要有两条,北支是从孟加拉湾北部经缅甸和云南、贵州的水汽输送,南支是经孟加拉湾、中南半岛、中国南海与西太平洋副热带高压西侧水汽汇合的水汽输送。强雨季年孟加拉湾北部的东北向水汽输送和中国南海的北向水汽输送都增强,弱雨季年则相反。孟加拉湾、中国南海南部和西太平洋暖池区是显著的水汽辐合区,是江南南部初夏雨季的水汽输送通道而不是水汽源,水汽辐合越弱(强)越有利于(不利于)江南南部初夏雨季的降水,其影响机制可能在于通道上的对流活动对江南南部初夏雨季水汽输送具有拦截作用。     

黄河源区干湿演变条件下的水汽输送特征研究

基于"黄河源区玛曲-若尔盖土壤温湿监测网络"自2008年观测以来至2017年的观测资料,通过分析多层土壤湿度异常百分比指数SMAPI(Soil Moisture Anomaly Percentage Index),捕捉10年来该地区的干湿演变过程,并利用再分析数据资料NECP FNL(National Centers ...     

山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征

利用山东省气象站的降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料,分析了1962-2016年山东夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律,探讨了夏季降水与水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源。结果表明:从常年值来看,山东平均夏季降水量为401.2 mm,大气可降水量为3478.8 mm,降水转化率为11.5%。降水转化率和降水量的时空演变特征更加一致,经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切,当大气可降水量充沛、外部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时,更加有利于山东南部地区降水的发生发展,从而形成夏季降水量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地,巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是重要的冷空气输送区域;当山东上游盛行偏西风时,自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽扰动并发展,是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件。     

2007年7月新疆三次暴雨过程的水汽特征分析

利用新疆99个气象站日降水量资料和NECP/NCAR一天4次1°×1°再分析资料,分析了2007年7月8-11日、15-17日和27-29日新疆3次暴雨过程的水汽输送和收支特征。雨型I(8-11日)的雨带位于天山山区及其北麓,雨型II(15-17日)的雨带位于新疆东部地区,雨型III(27-29日)的雨带位于天山以北的北疆地区。结果表明,这3种典型雨型的水汽输送路径有明显的差异,雨型I存在西风气流、河西走廊至新疆的低空偏东急流和青藏高原向北气流3支水汽输送路径,西方路径水汽输送量最大,这3支水汽输送气流在天山山区及其北麓强辐合并引发暴雨。这是由700hPa贝加尔湖脊发展、对流层中亚低涡强烈发展、快速东移和500hPa新疆脊逐渐东移所造成的。雨型II的水汽输送为西方、东方、南方和北方路径,4支水汽在东—西向和南—北向强辐合并引发暴雨。这种异常的水汽输送是由700hPa柴达木低压发展、500hPa乌拉尔脊东北向发展、中亚低涡东南移动和新疆脊配置所致。雨型III主要为西风气流和贝加尔湖至新疆低空偏东急流输送水汽,东、西方水汽在天山以北区域发生强辐合并造成暴雨,偏东水汽输送来自于贝加尔湖、孟加拉湾、南海和热带西太平洋,其水汽输送量大于西方路径。这种异常水汽输送是由中亚低涡东移、西太平洋副热带高压北伸与贝加尔湖脊叠加且贝加尔湖脊西伸配置所造成的。     

1998年夏季长江上游暴雨过程的水汽输送特征

应用ECMWF再分析资料,分析了1998年夏季长江上游9次暴雨过程的水汽输送特征.结果表明:长江上游暴雨的水汽主要来源于孟加拉湾、南海和西太平洋,也存在由阿拉伯海北部经印度半岛北部再经青藏高原东南部进入长江上游的水汽路径;不同暴雨过程其水汽来源差别较大;长江上游的复杂地形和水汽输送形式的共同作用是决定长江上游暴雨发生的一个重要因素;当西太平洋副热带高压偏南、偏西、偏强,印度季风低压偏弱时,有利于长江上游暴雨的水汽输送;长江上游水汽输送的特征决定了其暴雨过程发生发展的复杂性.     

Classification of persistent heavy rainfall events over South China and associated moisture source analysis

Persistent heavy rainfall events (PHREs) over South China during 1981–2014 were selected and classified by an objective method, based on the daily precipitation data at 752 stations in China. The circulation characteristics, as well as the dry-cold air and moisture sources of each type of PHREs were examined. The main results are as follows. A total of 32 non-typhoon influenced PHREs in South China were identified over the study period. By correlation analysis, the PHREs are divided into three types: SC-A type, with its main rainbelt located in the coastal areas and the northeast of Guangdong Province; SC-B type, with its main rainbelt between Guangdong Province and Guangxi Region; and SC-C type, with its main rainbelt located in the north of Guangxi Region. For the SC-A events, dry-cold air flew to South China under the steering effect of troughs in the middle troposphere which originated from the Ural Mountains and West Siberia Plain; whereas, the SC-C events were not influenced by the cold air from high latitudes. There were three water vapor pathways from low-latitude areas for both the SC-A and SC-C PHREs. The tropical Indian Ocean was the main water vapor source for these two PHRE types, while the South China Sea also contributed to the SC-C PHREs. In addition, the SC-A events were also influenced by moist and cold air originating from the Yellow Sea. Generally, the SC-C PHREs belonged to a warm-sector rainfall type, whose precipitation areas were dominated by southwesterly wind, and the convergence in wind speed was the main reason for precipitation.