青藏高原绕流和爬流的气候学特征

本文利用1951～2008 年NCEP/NCAR 再分析资料, 通过绕流和爬流方程, 将高原附近表层风场分解为绕流分量和爬流分量两部分, 计算出了实际大气中的绕流和爬流运动的强度, 分别探讨它们的气候态特征。结果表明:高原主体年平均绕流场围绕高原地形并在高原西南部(32°N, 75°E)附近产生分支, 分支点下游的高原主体南部和北部分别表现为气旋性和反气旋性流型;年平均的爬流分量场沿喜马拉雅山脉辐散, 高原主体为偏南上坡风, 东北部为偏北上坡风。夏季绕流场为气旋式流型, 中心位于高原中部(35°N, 90°E)附近;秋季绕流场围绕高原地形边缘基本为一个反气旋流型。夏季, 高原主体偏南风爬流与偏北风爬流在高原南北中线附近辐合, 除夏季外, 沿高原南侧喜马拉雅山脉为爬流辐散区。高原主体和高原附近的关键区内, 绕流和爬流存在不同的季节循环特征。从绕流和爬流分解公式出发, 本文详细探讨了表面流场的绕流和爬流运动各分量对地形高度及地形梯度的依赖性:经向绕流与纬向绕流比值、经向爬流与纬向爬流分量比值为仅依赖于地形高度的定常值。年平均的绕流及爬流矢量强度随着所处地形高度的升高而逐步增强;从区域分布的角度而言, 高原附近绕流强于爬流的区域范围较广, 绕流占主导地位。地形纯动力强迫产生的爬流运动与观测资料中高原附近的垂直运动具有很高的位置对应关系, 但冬季和夏季均存在强度上的差异。     

造成贵州水城“7·23”山体滑坡的大暴雨成因分析

利用中国气象局地面站降水资料、欧洲中心ERA5再分析资料、FY-4A相当黑体亮温资料,分析了造成贵州水城2019年7月23日山体滑坡的大暴雨成因。结果表明,最强降水是由TBB低于-82℃的对流云带造成的,影响本次强降水的天气系统主要为贵州西部750～700 hPa低槽及四川盆地北部冷锋。暴雨发生之前,四川盆地北部冷锋迫使盆地内高能气团向贵州西北部移动。随着水城县鸡场镇南侧偏南气流发展,为强降水发生提供充足的水汽条件,同时因暖湿气流的增强使得鸡场镇低层对流不稳定性增强。降水初期(22日20时)上升运动主要位于700 hPa以下,这与鸡场镇地面偏东气流遇到地形阻挡、沿地形爬坡产生的上升运动影响有关。随天气尺度气旋性环流扩展到贵州境内,降水只发生在气旋性环流内较狭窄的带中。通过Barnes带通滤波分析,天气尺度的气旋性流场内存在一些小尺度的气旋、反气旋系统,鸡场镇西侧有两个小气旋环流,它们北侧的强气流汇合带正好是降水发生区,鸡场镇此时还位于一个小尺度鞍形场区域中,明显有利于中低层气流汇合,叠加地形性上升运动,导致突发性暴雨发生,造成了山体滑坡的形成。     

四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统分析

利用ERA5再分析资料、新一代雷达拼图资料,探究了2017年5月初四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统及动力影响因子。结果表明:此次暴雨事件的主要影响系统有中纬500 hPa东移低槽、西伸的西太平洋副热带高压、对流层中低层的西南低空急流以及低层切变线。大尺度的低空急流与中小尺度的山区低空急流的叠加使四川盆地东北部形成正涡度柱和低层强辐合柱的动力耦合,低空急流最大风速出口辐合上升区与地形的辐合抬升作用叠加形成盆地东北部强烈的垂直上升运动,成为山地暴雨突发的动力触发条件,因低空急流建立的位势不稳定层结构成暴雨的热力条件。冷空气自低层逐渐向高层侵入是暴雨第二阶段增幅的主要原因。盆地东北部地形是本次暴雨的另一个增幅因子,其对暴雨过程中垂直上升运动有加强作用,秦巴山脉迎风坡的抬升作用对暴雨第一阶段的降水量贡献较大,青藏高原东麓背风坡的辐合效应对第二阶段降水量贡献较大。此外,盆地东北部山地对东移的中尺度对流系统有阻挡作用,使其停滞并旺盛发展。     

在“鞍”型大尺度环流配置下西南低涡发展的物理过程及其对川东暴雨发生的作用

利用2005年7月6～9日川东地区暴雨过程的观测资料，从大尺度环流、水汽输送和温度平流，并利用湿位涡的垂直和水平分量(Pm1和Pm2）以及相当位温，分析诊断了此次暴雨发生的大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程, 其结果表明如下:(1)在此次暴雨发生期间，四川盆地北部由于受中高纬长波东移调整的影响, 不断有低压槽分裂出来并影响此地区, 在盆地的西南方向的孟加拉湾季风槽比较活跃, 南海季风向北输送由于受到西风输送的作用在四川盆地东南部也出现弱的横槽, 并且西太平洋副高西伸到四川盆地东部以及存在于高原中部的高压共同作用, 从而形成明显“鞍”型大尺度环流配置; (2)在此“鞍”型场大尺度环流背景下, 强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地, 而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部, 受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带, 同时, 由于两支气流输送着大量的水汽, 暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区; (3)在此“鞍”型场作用下, 盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气, 而在高层有冷干空气侵入, 从而导致盆地内低涡系统强烈发展; (4) 由湿位涡的垂直分量和水平分量的诊断表明了在暴雨发生期间, 在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵, 引起了垂直对流不稳定, 即Pm1<0, 并向盆地东北部发展, 从而使此区域气旋性涡度不断加强, 即低涡强烈发展; 并且, 在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用, 正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性, 这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域。     

重力波与对流耦合作用在一次山地突发性暴雨触发中的机理分析

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开发的新一代ERA5再分析资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐小时降水资料以及国家卫星气象中心FY-2G卫星云图资料,对2018年5月21～22日发生在四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨过程中的重力波特征进行天气动力学分析。得到以下结果:此次山地突发性暴雨受到了波长约为150 km,周期为5 h的重力波活动的影响,是典型的β中尺度天气系统诱发的暴雨事件。此过程中的重力波主要是在地形和切变不稳定的共同作用下触发的。切变不稳定先于重力波的传播出现在下游降水区域,可表征切变不稳定的理查逊数对重力波传播方向及降水落区有很好指示作用。此次暴雨发生前,重力波中的上升支气流输送低层水汽到高空助力对流发展,而下沉支气流使得低层不稳定能量不断累积。随着东北低空急流的发展,在大气低层（700～800 hPa）东西风切变的过渡带内形成临界层,临界层不断吸收高空波动能量造成重力波能量下传,触发低层不稳定能量释放,促使对流不断加强,最终引发此次山地突发性暴雨。     

06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

06&#183;6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

2009年夏季四川盆地两次暴雨过程对比分析

利用NCEP1 °×1 °每6 h一次的再分析资料、常规气象站降水资料及探空资料,对2009年6月26-29日（“6·26”）和7月30日-8月2日（“7·30”）发生在四川盆地的两次暴雨过程进行对比分析。结果表明：（1）“6·26”暴雨过程降水影响系统主要是盆地中部的低槽及低层西南低涡,“7·30”暴雨过程则为两高之间的切变线、辐合线及西南低涡。（2）水汽通量流函数的对比分析显示,两次过程中水汽输送通道不同,“6·26”过程水汽主要来自孟加拉湾;而“7·30”过程则是孟加拉湾的水汽经中南半岛到达南海,与南海偏南气流汇合加强,向盆地中东部输送形成,且水汽通量的势函数及辐散分量对未来6 h累积降水的落区及中心有很好的指示作用。（3）中高层干冷空气向边界层下滑进入暖湿高能区,在埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流调整过程中,强迫边界层中空气产生较强的垂直上升运动,且垂直运动延伸至中高层,同时激发中层的次级环流,可能是两次暴雨过程发生发展的重要物理机制。     

阳江复杂地形对特大暴雨影响机理的数值研究

采用中尺度天气预报模式WRF (Weather Research Forecast)对广东省阳江地区2019年5月26日00时—28日00时暴雨事件进行数值模拟,并通过一系列的地形敏感试验,讨论地形对暴雨发生和发展的影响。结果表明:地形对暴雨的影响显著,地形的高度影响暴雨的强度和位置;与未作任何改变的控制试验相比,地形降低试验和细网格地形高度取平均试验无山脉的阻挡,阳江地区无爬流和绕流运动及相对涡度减小,南风将低层水汽和能量带到更北的位置,暴雨中心随之北抬;增高地形试验,由于山脉阻挡,更多水汽和能量堆积,以及地形的阻挡产生绕流和爬流运动,绕流有利于局地涡旋生成,爬流运动会增加垂直运动速度,正涡度中心增强,低层的水汽辐合上升凝结,造成更大暴雨。      

副高断裂前后四川盆地一次暴雨过程的比较分析

利用NCEP1°×1°6 h再分析资料,对副热带高压与西风槽典型环流形势配合下发生的一次四川区域性暴雨过程的不同阶段进行对比分析。结果表明,前期暴雨天气过程,其动力条件占到了主导地位,具有明显的经向垂直环流圈和垂直上升运动支,而在副高断裂后较强冷空气作用下,在副高边缘发生的区域性暴雨过程受西风带槽前的能量锋区影响,动力强迫作用和热力强迫作用激发的次级环流,进一步加强了四川盆地垂直运动的发展;冷空气作用前期的暴雨过程和冷空气进入后副高边缘发生的区域性暴雨过程中暴雨区域内的假相当位温均强于高层,大气处于对流性不稳定层结状态,对四川盆地暴雨的增强也起了不可忽视的作用,但由副高控制到副高逐渐断裂,湿位涡的斜压扰动是逐渐增强的过程,导致倾斜垂直涡度发展,激发更为强烈的上升运动;副高与西风槽环流形势相配合的暖区暴雨过程水汽主要来自中低层孟加拉湾;而副高断裂后发生在副高边缘的区域性暴雨过程,水汽主要来自850hPa层南海和孟加拉湾,从对流层中到低层,四川盆地东部恰恰是冷暖气流的交汇处,偏南气流将海上充沛的水汽输送到盆地东部,为暴雨的发生提供充足的水汽条件,并与对流层低层秦岭附近的东北冷气流交汇。      

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。     

四川暴雨过程中盆地地形作用的数值模拟

利用WRF-Chem模拟了2012年7月20日一次四川盆地暴雨降水过程,并基于控制试验设置填充四川盆地地形的敏感性试验。利用大气动力-热力学和云降水物理学对两试验差异进行诊断分析,与敏感性试验相比,控制试验虽然延迟强降水出现时间,却增强了降水强度。研究表明:偏南气流自南向北经过盆地时,在四川盆地南部形成正涡度扰动中心,延迟水汽、能量到达盆地北部的时间,使强降水出现时间偏晚;地形高度及动力差异使控制试验近地面累积大量水汽、能量,低层能量到达盆地北部迎风坡后受地形抬升与正涡度扰动共同作用激发了强烈的对流;控制试验中,盆地北部大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展,雨滴、雪晶、霰粒子质量浓度明显增大,使降水强度增强至大暴雨量级。     

淮河流域大别山地形对梅雨期暴雨低涡影响的模拟研究

基于淮河流域梅雨期低涡暴雨落区及低涡移动路径的统计特征,设计WRF数值模拟方案,研究大别山脉对浅薄低涡及其暴雨的地形强迫机制。结果表明:1)在三组数值试验中,无山脉时低涡东移速度较快,北绕山脉路径较慢,翻越山脉的移速居中;无大别山地形时,低涡路径明显偏南,显示低涡具有沿低地移动的特征;大别山地形倒置时,大尺度山体的出现迫使低涡北绕,路径更偏北。2)低涡反气旋式北绕,抵消和减弱了低涡强度;无山脉时,低涡强度由自身系统维持,强于北绕低涡;翻越山脊的低涡经历位涡守恒过程,山后强度几乎成倍增强。3)山脉梯度大,其强迫抬升作用大于低涡系统性抬升,两者叠加造成垂直上升速度增强近1倍。4)山后总涡度增强主要表现为低层涡度平流项、扭转项和散度项的明显增强,其增量可达1倍,但中层因子的影响不显著。5)强降水雨带发生在低涡偏东气流和偏南急流的汇合处,表明淮河流域暴雨低涡北部为强降水预警区。6)山脉通过对低涡东移路径的强迫,进一步影响暴雨强降水带的南北偏移。     

一次西南涡持续暴雨的GPS大气水汽总量特征

利用成都地区地基GPS遥感的大气水汽总量资料 (GPS-PWV)、NCEP再分析资料、自动站降水量资料和探空站比湿资料,对2010年7月15—18日发生在四川盆地东北部的一次持续性暴雨的水汽变化特征进行综合分析,重点探究这次大暴雨的影响系统 (西南涡) 发生、发展前后GPS-PWV的演变特征及其与降水的关系。结果表明:降水发生时,GPS-PWV通常在短时间内有急剧的上升,并在西南涡形成前达到最大值;西南涡完全形成时,GPS-PWV急升结束;西南涡东移,GPS-PWV继续下降到最低,降水趋于结束。与水汽通量散度相比较,水汽散度垂直通量能更好地描述暴雨过程中的强上升、辐合辐散运动以及水汽输送情况,它与GPS-PWV变化趋势基本一致。因此,GPS-PWV的急升与陡降对大暴雨的形成与减弱有一定指示意义。     

一次高原涡和西南涡作用下强降水的回波结构和演变分析

2009年7月30—31日,青藏高原东侧背风坡发生了一次持续性强降水过程。在高原涡和西南涡相继出现并相互作用的天气环境中,四川盆地内生成了3个中尺度对流系统。使用新一代天气雷达组网的反射率因子,美国环境预报中心(NCEP)再分析资料,以及热带测雨卫星搭载的测雨雷达(TRMM PR)反射率因子,可以得到这次暴雨的发展演变及其三维结构特征。通过与TRMM PR探测资料的对比验证,地基组网雷达的结果与其非常一致,基本能反映出对流系统的演变全貌,而在高原和山区地基雷达缺测的区域,测雨雷达探测资料可以做为补充。分析表明,降水落区的低层正涡度和水汽辐合上升与高层负涡度和水汽辐散相配合,是触发暴雨的有利条件。第1个降水系统位于高原涡东南侧,随着高原涡的移动衰亡移出盆地并最终消散,降水系统和高原涡在时间上有滞后相关,二者移动速度的突变较为一致;第2和第3个降水系统在西南涡出现的时段强烈发展,在局地停留维持并打通成为一条沿山脉走向的贯穿整个盆地的混合降水回波带,在西南涡发展至成熟阶段给四川盆地南部带来最大小时降水,降水系统和西南涡的相关无论在强度还是移速上都非常显著。在复杂的地形条件下,青藏高原和四川盆地相接处,降水云团的0℃层高度并未随地表发生明显变化,但降水云团进入盆地后,低于0℃层高度的降水粒子融化变为液相,使得云团从对流型降水变为分层结构的层云降水。     

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。      

引发四川盆地西南地区暴雨的高原涡特征分析

为进一步认识高原涡对盆地西南地区暴雨过程的影响,总结该区域暴雨预报经验,本文利用2001～2011年高原涡切变线年鉴、MICAPS实况天气图、盆地西南地区气象站日降雨量资料以及NCEP再分析资料,对引起盆地西南地区暴雨过程的高原涡特征进行总结分析,得到结论:1)引发盆地西南地区产生暴雨量级以上降雨的高原涡过程多发生在每年7月;高原涡东移将对盆地西南地区产生明显降雨;48小时后大部分高原涡减弱消失,少数继续东移或东南移;2)引发盆地西南地区产生暴雨的高原涡通常是暖性高原涡,高原涡东移48小时后有明显的冷平流入侵转变成斜压性低涡;这一类高原涡常常与高原切变、西南低涡、副高、低空急流以及南亚高压等影响系统相配合,共同作用产生一次暴雨过程;3)引发的盆地西南地区暴雨的高原涡过程的温湿场特征为:500hPa高原东部到盆地上空的大气高温高湿的特征明显,700hPa和850hPa盆地高温高湿,同时垂直上升运动旺盛且随高度向北倾斜。      

一次东移高原低涡影响四川暴雨的数值模拟分析

应用自动站雨量资料、常规观测资料和国家气象中心T213分析场资料,采用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2008年7月20日高原低涡东移引发的四川盆地暴雨过程。通过分析模式输出资料,结果得出高原涡东移影响四川盆地暴雨的一种物理触发机制:高原涡正涡度的东移促使四川盆地正涡度发展,正涡度的发展使得大气旋转上升加强,对流层高层强烈辐散,低层辐合,对流发展形成降水,大气凝结释放潜热加热大气,使得高层等压面升高,负涡度发展,低层降压,正涡度发展,这样就形成了一个正反馈的循环机制,从而导致了四川盆地强降水。      

一次盆地强降雨过程的多模式结果对比分析

运用西南区域数值模式SWCWARMS、欧洲中心细网格预报模式EC以及国家气象中心中尺度区域模式GRAPES对2018年6月25日12时～26日12时发生在四川盆地内的一次强降雨过程进行预报对比分析,多模式结果表明:EC模式与GRAPES模式对盆地西北部的暴雨漏报现象较为突出,SWCWARMS模式能较好模拟整个雨带的强度与位置,对比中尺度系统西南涡的模拟,在低涡出现和发展的12小时内,EC模式对低涡的预报能力偏弱,预报降雨量偏小,低涡位置与强度预报GRAPES与实况最接近,SWCWARMS模式与GRAPES相似,但仅有SWCWARMS预报出低涡南侧与低涡西北象限的强降雨,在低涡减弱阶段,3种模式趋于相同。EC与GRAPES模式在四川盆地内的初始涡度偏弱,辐合偏小,盆地西部边坡对流层低层垂直上升运动偏小,相对湿度偏低,这导致了EC和GRAPES模式在四川盆地西部边坡降雨强度偏小,仅有SWCWARMS模式与实况最符合,尤其对复杂地形下的降雨过程有较强的预报能力。