基于TRMM资料的高原涡与西南涡引发强降水的对比研究

利用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星探测结果结合NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料, 对2007年7月17日四川、重庆地区的一次西南涡强降水系统和2008年7月21日四川东部的东移高原涡强降水系统的三维结构特征、雨顶高度以及降水廓线特征进行对比分析研究。结果表明:(1)两次降水过程均是发生在西南—东北向的水汽辐合带中, 且降水云群均位于低涡的东南方。(2)两次强降水在水平结构上均表现为由一个主降水雨带和多个零散降水云团组成, 高原涡强降水过程比西南涡强降水的降水强度和范围都要大。降水雷达探测到的两个中尺度降水系统均以降水范围大、强度弱的层云降水为主, 但对流性降水对总降水量的贡献较大, 其中西南涡降水中对流降水所占比例比高原涡的大, 对总降水率的贡献也大。(3)垂直结构上:两次强降水的雨顶高度均是随地表雨强的增加而增加, 且最大雨顶高度接近16 km, 但西南涡强降水中的雨顶高度比高原涡更高, 说明西南涡降水过程中对流旺盛程度强于高原涡。(4)两次强降水中雨滴碰并增长过程以及凝结潜热的释放主要集中在8 km以下, 但8 km以上西南涡降水变化大于高原涡, 且前者在8~12 km高度层的降水量对总降水量贡献百分比大于后者。     

高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究

利用多途径探测与再分析资料,通过诊断分析、数值模拟和敏感性试验,对2008年7月20～21日一次高原涡东移诱生西南涡并引发川中特大暴雨的天气过程进行了初步分析,探讨了西南涡特大暴雨发生的中尺度环境场特征,特殊地形和非绝热物理过程在高原涡东移诱生西南涡特大暴雨中的作用。结果表明,高原涡形成后沿高原东北侧下滑,在四川盆地诱生出西南涡,川中特大暴雨在西南涡形成过程中由强中尺度对流系统(MCSs)的活动造成。高原涡东移诱生的低层偏东气流在川西高原东侧地形的动力强迫抬升作用下,释放对流有效位能激发出MCSs产生强降水,降水凝结潜热加热反馈驱动西南涡快速发展。地形的动力作用仅能形成浅薄的西南涡,降水凝结潜热的加入才能使西南涡充分发展。高原涡的发展主要受地面热通量影响,它的发展与否在很大程度上决定西南涡能否形成。盆地周边高大山脉对西南涡的位置分别有不同程度的影响,而盆地周边高大山脉上叠加的中小尺度地形对西南涡和暴雨带的整体位置影响不大,在一定程度上影响暴雨的落区。     

基于TRMM卫星探测的夏季青藏高原降水和潜热分析

青藏高原对东亚大气环流、气候变化及灾害性天气的形成和发展都有重要的影响。本文利用热带测雨卫星（TRMM）探测结果、GPCP降水资料,研究了夏季青藏高原降水和潜热特点。GPCP资料分析结果表明,夏季青藏高原降水主要集中在它的东南部,7月和8月雅鲁藏布河谷及其以东的横断山脉地区降水显著,平均最大雨强达7mm／h;而TRMM测雨雷达（PR）探测结果指出念青唐古拉山北侧存在一降水大值区,强度近3mm／h;GPCP给出的地表降水率较TRMM测雨雷达探测结果高出一倍以上;夏季高原西部的平均降水率小于4mm／h（GPCP）／2mm／h（TRMM PR）。TRMMPR探测的统计结果分析表明,高原降水云“雨顶”（Storm Top）较周边地区高出2km～4km,如同“塔”状分布。研究结果还指出因地表海拔高,TRMM PR的降水类型分类方法不适用于青藏高原地区;根据降水廓线的特征,文中定义了青藏高原三种降水类型：深厚强对流、深厚降水和浅薄对流,并通过标准化廓线方法,指出了不同类型降水廓线之间的差异及其与周边地区降水廓线的差异。文中还给出了高原夏季总潜热分布及平均廓线,指出了高原潜热平均廓线与周边地区的差异;研究结果表明夏季高原降水具有强烈的日变化,降水峰值出现在午后地方时16点左右,这些降水多以零散块状水平分布,而在垂直剖面上呈“馒头”状分布。统计结果还发现青藏高原上对流活动较周边地区活跃,高耸的对流活动所形成的“云塔”如同“天梯”,使得低层大气中的高水汽含量和低臭氧含量空气向高空输送,进而造成对流层上部和平流层低层水汽大值区和臭氧低值区。     

四川盆地西部一次暖区暴雨成因分析

2018年8月1～2日四川盆地西部出现了一次区域性暖区暴雨,利用常规气象观测、区域自动站、卫星云图和雷达产品等资料,分析了其环流背景、中尺度条件以及触发机制。结果表明：东移的高原低涡触发了暴雨天气,通过诱发使低层涡度增加,形成气旋性低涡中心,高原低涡与西南低涡耦合,加强了盆地西部的垂直上升运动;低层水汽和不稳定能量在迎风坡被强迫抬升,触发对流性降水,使降水增幅,造成盆地西南部降水强度大于西北部;高湿环境、深厚暖云,以及中等偏强且呈狭长的CAPE特征,形成了高降水效率;强降水时段与云团发展强盛时段对应,辐合风场以及逆风区的形成有利于强回波的长时间维持。     

一次西南低涡降水雷达回波结构和演变特征分析

基于新一代天气雷达三维组网等多源气象数据分析了2009年7月30～31日的一次西南低涡触发的强降水天气过程以及主要降水时段雷达回波三维结构及演变特征,研究发现:(1)西南低涡降水与低涡强度发展存在不一致性,强降水出现在低涡强度达到最强之前;(2)中尺度对流系统的发生、发展是此次低涡降水的重要影响因素,西南低涡与中尺度对流系统既相互独立又相互影响,降水是两者共同作用的结果;(3)最强组合反射率因子同样出现在西南低涡发展到最强盛之前,西南低涡能显著影响盆地内降水雷达回波的强度与类型。      

引入地基GPS可降水量资料对一次西南涡暴雨水汽场的初步分析

利用成都地区4个地基GPS站遥感的大气可降水量(GPS-PWV)数据,结合自动气象站雨量和NCEP再分析等资料,对2008年7月20～22日一次由高原涡诱生西南涡引发的四川盆地暴雨过程的水汽变化进行了分析。结果表明,降水开始前GPS-PWV有一个急升过程,且与过程1h最大雨量有较好的对应关系,GPS-PWV的增幅和所达到的最大值可以较好地反映西南暖湿气流对四川盆地水汽的影响程度;而GPS-PWV的骤降则预示降水即将结束。西南涡在GPS-PWV急速上升之后形成于盆地;在其发展强盛时段,盆地处于低空水汽通量大值区和水汽辐合中心,随着西南涡的东移,GPS-PWV逐渐减小至最低水平。     

西南低涡对流云团及其降水的一些特征

基于FY-2C静止卫星红外和水汽通道资料,简单分析了发生在四川盆地的西南低涡暴雨云团生消过程,给出了一些有意义的云团生命特征。同时,结合相应的地面自动站降水资料,详细分析了卫星红外和水汽通道云顶亮温与对流云团降水之间的关系特征,结果表明:对于一完整对流降水过程,1小时内最低水汽亮温和水汽亮温增量能很好地描述地面1小时累计降水特征。然而,用静止卫星红外或水汽通道亮温来表征的云团降水特征是非常复杂的。尽管具有相同的最低云顶红外或水汽亮温,但对不同的对流过程其总体降水量级趋势不一样。而且,对于同一对流过程的不同发展阶段,即使出现云顶红外或水汽亮温一样,但其地面降水特征也是不一致的。甚至是对于同一时刻具有相同最低红外或最低水汽亮温特征的云,其降水落区与量级都不尽相同。正是这些复杂的降水特征,使得西南低涡对流云团的降水估算具有很大的难度。      

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时（协调世界时,下同）一次青藏高原（简称高原）中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究（四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm）。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积（相当黑体亮度温度TBB≤?52°C）可以有效地指示西南低涡强度（涡度）的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。     

高原涡和西南涡影响的两次四川暴雨过程的对比分析

为了进一步研究高原涡、西南涡对西南地区暴雨的影响,本文用中国气象局自动站与CMORPH降水数据融合的逐时降水资料、国家卫星气象中心的逐时FY-2E卫星的云顶亮温（TBB）资料、欧洲气象资料中心（ERA-interim）的再分析资料,通过天气学诊断分析方法以及拉格朗日轨迹模式HYSPLITv4.9,对发生在四川盆地的有高原涡东移影响西南涡发展引发暴雨的两次过程进行对比分析,发现:（1）两次暴雨过程的降水强度和分布有明显区别,并且TBB活动特征显示在过程一中有MCC（Mesoscale Convective Complex）的产生和发展,过程二则没有。（2）对于过程一,500 hPa上,高原涡逐渐减弱为高原槽并伸展到四川盆地上空,850 hPa上,在鞍型场附近有MCC的产生和发展,200 hPa上,高原涡在南亚高压北部偏西风急流下方的强辐散区内,位于南亚高压东南侧急流区下方稳定少动,偏东风急流北部有辐散中心,有利于西南涡的加强。对于过程二,500 hPa高原涡东移在四川盆地上空与西南涡耦合,形成一个稳定且深厚的系统,这也是过程二的暴雨强度比过程一强的最主要原因。200 hPa上,四川盆地始终位于南亚高压东侧的西北气流中,“抽吸作用”明显。（3）在过程一中,位涡逐渐东传且位涡增加的地方对应强降水区与MCC发展区,反映了暴雨和位涡的发展基本一致。在过程二中,中层位涡高值区从高原上东移并下传至盆地上空,两涡耦合使得上下层打通,位涡值比耦合之前单独的两涡强度更强。 MCC产生的必要条件是中层大气要有强正涡度、强辐合和强上升运动,在未产生MCC前,过程一与过程二在盆地上空的动力条件甚至是相反的;从热力条件看,过程一中有明显的干冷空气入侵,增强不稳定条件,有利于MCC的产生并引发强降水;另一方面,本文也应证了二阶位涡的水平分布与暴雨落区有较好的对应关系。（4）通过拉格朗日方法的水汽轨迹追踪模式和聚类分析方法分析可得两次暴雨过程的水汽输送源地和通道也有明显区别,过程一主要有两条水汽通道,通道一来自阿拉伯海和孟加拉湾洋面的底层,通道二来自四川南部750 m以下高度;而过程二的主要水汽输送通道有三条,通道一来自西方地中海、黑海和里海上空1500～2500 m高度附近,通道二来自阿拉伯海和印度洋的底层,通道三的水汽从孟加拉湾低层绕过云贵高原直接输送到四川盆地。     

高原涡与西南涡相互作用引发暴雨过程及云系特征分析

使用中国新一代FY-4A卫星、GPM卫星的降水雷达等多源观测数据,选择两次高原涡与西南涡相互作用的暴雨个例,分析了两涡作用下盆地中尺度降水云系的空间结构特征。结果表明:西南涡与高原涡耦合作用下产生中尺度对流复合体MCC云系,短时强降水主要发生在MCC发展至成熟阶段,强降水区的云顶亮温值低于-60℃,云顶高度在12 km左右;西南涡与高原涡相互作用时,云顶亮温低值区的中心位置和强度与同时刻强降水特征很好对应;降水云体中对流性降水粒子的反射率因子在低层快速增长,层云性降水粒子的反射率因子强度增长的区域为零度亮带层附近;对流性降水雨强远大于层云,其粒子半径也大于层云降水,而对流性降水粒子的浓度高于或等于后者;层云对总降水量的贡献大于对流云,且层云降水量表现出大小均匀的粒子积聚的结果;对流性降水率垂直分布柱状明显且有云墙,层云性降水率垂直分布呈不规则柱状且没有显著的云墙,降水率均随海拔高度的升高而减小,5 km以下对流层对总降水量的贡献最大。     

一次强降水过程涡旋状MCS结构特征及成因初步分析

利用新一代天气雷达资料分析了造成2011年6月18日湖北省江汉平原强降水涡旋状中尺度对流系统(MCS)发生发展过程的结构特征,联合常规观测、地面加密观测及雷达四维变分风场反演资料初步研究了MCS可能成因。结果表明:(1)成熟阶段的强降水涡旋状MCS回波表现为气旋性弯曲的多条螺旋对流回波带、周围被大片层状云回波所包裹的结构特征,后期因冷空气侵入演变出冷暖锋式结构。回波合并和旋转式列车效应是产生强降水的主要运动特征。(2)涡旋状MCS是在有利环境场下,主要由鄂西山地一江汉平原过渡带边界层中尺度涡旋系统强烈发展组织的结果。(3)中尺度涡旋系统形成发展与地面暖倒槽发展、西南低涡前侧降水和特殊地形作用有密切关系,来自不同方向气流形成的强烈辐合是其前期形成发展的主要机制,后期发展可能与潜热释放有关,涡旋环流向上发展到700 hPa。     

An analysis of heavy precipitation caused by a retracing plateau vortex based on TRMM data

In this paper, we study a persistent heavy precipitation process caused by a special retracing plateau vortex in the eastern Tibetan Plateau during 21–26 July 2010 using tropical rainfall measuring mission (TRMM) data. Results show that during the whole heavy rainfall process, the precipitation rate of convective cloud is steady for all four phases of the plateau vortex movement. Compared with the convective precipitation clouds, the stratiform precipitation clouds have a higher fraction of area, a comparable ratio of contribution to the total precipitation, and a much lower precipitation rate. Precipitation increases substantially after the vortex moves out of the Tibetan Plateau, and Sichuan Province has the most extensive precipitation, which occurs when the vortex turns back westward. A number of strong convective precipitation cloud centers appear at 3–5 km. With strong upward motion, the highest rain top can reach up to 15 km. In various phases of the vortex evolution, there is always more precipitable ice than precipitable water, cloud ice water and cloud liquid water. The precipitating cloud particles increase significantly in the middle and lower troposphere when the vortex moves eastward, and cloud ice particles increase quickly at 6–8 km when the vortex retraces westward. The center of the latent heat release is always prior to the center of the vortex, and the vortex moves along the latent heat release areas. Moreover, high latent heat is released at 5–8 km with maximum at 7 km. Also, the latent heat release is more significant when the vortex moves out of the Tibetan Plateau than over the Tibetan Plateau.     

高原涡与西南涡相互作用引发MCC暴雨的形成机制分析

使用常规观测资料、ERA-Interim再分析资料和卫星资料,以2014年7月8—10日西南涡和高原涡相互作用引发MCC产生大暴雨的天气过程为例,分析了两涡作用导致大暴雨的形成机制。结果表明:相互作用前期,两涡涡心间距较远,在500 hPa高度上两者同处于青海南部的气旋及其向南延伸的低槽前。约24 h后,高原涡东移与西南涡在不同高度上垂直叠加,耦合作用形成,导致四川盆地的大暴雨。利用卫星云图分析两涡作用伴随的MCC特征,发现强降水区与云团黑体亮温的冷中心吻合。西南涡与高原涡相互作用时,对流层低层形成强烈的辐合,垂直上升运动加强,大气流场呈强烈不稳定性,与涡心附近形成的水汽辐合作用结合,促进MCC发展成熟,导致四川盆地大暴雨天气形成。     

两次高原涡与西南涡作用下的暴雨过程对比分析

利用FY-2D卫星TBB资料、NCEP1°×1°再分析资料和地面自动站观测资料,对2008年7月20~22日和2012年7月20~22日两次由高原涡和西南涡相互作用,造成四川暴雨过程进行对比分析,结果表明:(1)强降雨落区与引导高原涡移动的高空槽有密切关系,高空槽的移动和变化大致决定了强降雨的落区。(2)造成两次暴雨过程的对流云团生成和发展虽然有一定的差异,但最终会发展合并形成一个MCC;并且强降雨位于对流云团TBB最大梯度区,一般靠近亮云核,并在亮云核的西北部。(3)两次暴雨过程期间,均有低层辐合高层辐散,对应着强的涡度和强的上升运动,并且散度、涡度和垂直速度都是增大的。(4)两次暴雨过程期间水汽来源存在着差异,但水汽是逐渐增强的,并且水汽辐合中心与强降雨落区相对应。     

近50a东北冷涡异常特征及其与淮河流域降水的关系

利用美国国家环境预报/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均数据分析了1960—2009 年夏季东北冷涡的异常特征,研究了夏季东北冷涡与同期淮河流域降水的关系,发现:东北冷涡偏强时,淮河流域的降水很可能偏多,东北冷涡偏弱时,淮河流域的降水很可能偏少。东北冷涡异常强年,淮河流域高低层环流具有斜压性,且低层有显著的正涡度发展,促进了上升对流运动活跃发展。而东北冷涡活动异常频繁,有利于引导潮湿阴冷的北方气流南下,与东亚夏季盛行的西南暖湿气流在淮河流域上空交汇,在上升运动的触发下,导致淮河流域降水明显增多;东北冷涡弱年的情况正好相反。     

梅雨期青藏高原东移对流系统影响江淮流域降水的研究

利用GOES-9和FY-2C卫星TBB资料、1°×1°的NCEP再分析资料以及常规地面观测资料对2003和2007年梅雨期内青藏高原东移对流系统影响重庆、四川以及江淮梅雨锋地区降水的主要方式作了研究。结果表明,2003和2007年梅雨期内,青藏高原东移对流系统影响下游地区降水主要存在4种方式:(1)高原上的动力辐合中心伴随高原对流系统东移,影响所经地区的降水,该种影响方式较为常见,持续时间较长,影响范围较广。(2)高原对流系统移出高原后在四川盆地引发稳定少动的西南低涡,触发一系列暴雨过程,此种影响方式持续时间较长,主要影响地区为四川和重庆(往往会造成强度很大的暴雨),当西南低涡以东盛行较强西南风时,向梅雨锋的动能输送较强,这十分有利于梅雨锋地区对流活动和降水的加强。(3)高原东移对流系统在四川盆地触发西南低涡,西南低涡生成后,在引导槽的作用下沿梅雨锋东移,沿途引发一系列暴雨,此种影响方式持续时间最长,波及范围最广。(4)对流系统东移出青藏高原后直接影响下游地区,此种影响方式最为常见,但其影响时间最短,强度最小。对环境场的分析表明,高原强对流往往发生在500hPa影响槽槽区附近的上升运动区,当200hPa高空急...     

一次西南涡影响云南强降水过程分析

通过对2004年8月4日西南涡影响下云南强降水过程的环流背景、卫星云图演变以及动力、热力条件的分析,发现这次西南涡是一个具有斜压性的极其深厚的系统,随高度前倾,高层500 hPa上的西南涡表现尤为明显,并且诱发了低层700 hPa西南涡的产生,强降水主要出现在西南涡的西南方;强降水与强上升运动区和正涡度区有很好的对应关系,并且正涡度和上升运动的出现比气旋性环流场有24 h的提前时间,对于强降水预报更具有预示性,它们是一个逐渐由高层向低层发展的过程;中-β尺度对流云团在金沙江河谷南移合并加强,形成了中-α尺度涡旋状云系,其中的对流云团在强降水中作用较大;强降水正是出现在对流层低层(MPV1 MPV2)的负值范围内,这也说明西南涡涡旋云系的发展与正压和斜压不稳定都有关系,对流层低层MPV1<0和MPV2<0有利于暴雨的发生。     

强天气冷涡云系结构的分析和物理解释

本文分析了三个产生强对流天气冷涡过程的卫星云图.冷涡云系的结构可归纳为单纯的冷涡结构和具有锢囚气旋结构两类.利用诊断分析对冷涡云系中各个组成部分,即涡旋云区、不稳定云区、正涡度平流云区、冷涡云区及暖锋云区与有关物理量的配置关系进行了讨论.     

Variations of Precipitation Structure and Microwave Tbs During the Evolution of a Hailstorm from TRMM Observations

In this paper, a hailstorm occurring on 9 May 1999 in Huanghuai region was studied by using the combined data from the precipitation radar (PR), microwave image (TMI), and visible infrared scanner (VIRS) on the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite. According to the 3-orbit observations of 5-h duration from the TRMM satellite, the variation characteristics of the precipitation structures as well as cloud top temperature and microwave signals of the precipitating cloud were comprehensively analyzed during the evolution of hailstorm. The results show that the precipitation is obviously converted from early hail cloud with strong convection into the later storm cloud with weak convection. For hail cloud, there exists some strong convective cells, and the heavy solid precipitation is shown at the middle-top levels so that the contribution of rainfall amount above the freezing-layer to the column precipitation amount is rather larger than that within the melting-layer. However, for storm cloud, the convective cells are surrounded by the large area of stratiform precipitation, and the precipitation thickness gradually decreases, and the rainfall above the freezing-layer obviously reduces and the contribution of rainfall amount within the melting-layer rapidly increases. Therefore, the larger ratio of rainfall amount above the freezing layer to column precipitation amount is, the more convective the cloud is; reversely, the larger proportion of rainfall below the melting layer is, the more stable the stratiform cloud is. The different changing trends of microwave signals at different precipitation stages show that it is better to consider the structures and stages of precipitating cloud to choose the optimal microwave channels to retrieve surface rainfall.