四川暴雨过程动力因子指示意义与预报意义研究

本文利用2010年8月18~19日四川盆地西部地区一次引发了泥石流等次生灾害的暴雨天气过程的数值模拟资料及0.5°×0.5°分辨率、每6 h一次的GFS(Global Forecast Model)预报资料,结合集合动力因子预报系统中的广义对流涡度矢量垂直分量、质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、热力垂直螺旋度、湿热力平流参数、密度散度垂直通量、散度垂直通量、热力散度垂直通量、水汽散度通量、广义 Q 矢量散度等12个动力因子成员对此次暴雨过程进行诊断分析和预报研究,结果显示:(1)集合动力因子预报系统中的动力因子对此次降水落区诊断效果良好;(2)各动力因子区域均值随时间的变化曲线都能表现出降水区域均值随时间变化曲线双峰形态,其中,广义 Q 矢量散度、水汽垂直螺旋度、热力垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、垂直螺旋度与降水的相关系数较大(达0.9以上),对此次降水的诊断效果较好;(3)动力因子对此次强降水过程的发展演变具有一定的预报能力。     

强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

基于动力因子的萍乡市一次区域性暴雨落区诊断分析

利用常规观测资料、加密自动站资料,对2014年萍乡市一次区域性暴雨过程进行了分析。结果表明:低层西南急流,湿舌以及暖脊均伸向萍乡市,表明有明显的水汽输入、热力不稳定层结和湿斜压性,且萍乡市处于低涡暖切变南侧的强辐合区,是一次较易把握的暴雨过程,但萍乡市仅中部和北部的局部出现暴雨。利用ECMWF高分辨率资料计算了动力因子,对暴雨落区做进一步分析发现:1)广义位温水平梯度高值区和湿热力平流参数正、负中心交界面存在明显的热力不连续面、水平锋生和湿斜压性,与萍乡市中部和北部的降水有较好的对应关系。2)热力垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度和热力位涡波作用密度的正、负中心交界面存在充沛的热量和水汽的输送、较强的垂直风切变、涡度矢量的扰动以及热量散度的扰动,对萍乡市中北部的强降水中心有较好的指示作用。     

一个新动力因子在登陆台风“凤凰”强降水过程中的应用

根据波动和风场辐合辐散与登陆台风强降水密切相关的特点,利用高分辨率的数值模拟资料,采用分别表征强降水区波动特征和辐合辐散特征的两个动力参数——位势散度波作用密度和散度垂直通量,对登陆台风"凤凰"的强降水过程做诊断分析;同时结合波扰动和辐合辐散两特征,发展了一个新的物理量——热力切变散度参数,并据此对台风"凤凰"的强降水过程做进一步诊断分析,结果表明在整个研究时段内,地面雨区被热力切变散度参数的异常值区始终覆盖,二者具有较一致的空间分布和时间演变趋势。基于GFS(Global Forecast System)预报产品的动力释用分析表明,利用数值预报场计算的热力切变散度参数的强信号出现在强降水区,而弱信号出现在非降水区,该参数对强降水落区有较好的指示作用。     

集合动力因子暴雨预报方法研究

介绍了广义位温、湿热力平流参数、热力螺旋度、热力散度垂直通量、广义湿位涡、力管涡度、热力力管涡度、二级位涡、对流涡度矢量和波作用密度等宏观物理量的定义及其物理意义。个例分析表明,这些动力因子与降水系统发展演变密切相关,对地面观测降水有一定的指示作用。这主要是因为：（1）这些因子能够描述降水系统的动、热力垂直结构等共性特征;f2）这些因子大部分包含广义位温,而广义位温又与凝结潜热和相对湿度有关,因而这些因子也能描述降水系统的水汽场结构特点。以这些动力因子为基础建立了集合动力因子预报方法,该方法首先建立以GFS预报场资料为基础的单动力因子降水预报方程,然后根据其与观测降水的相关性,定义权重函数,对多个动力因子的降水预报进行权重平均,最后得到集合动力因子的降水预报。该预报方法可以充分发挥多个动力因子的优势,比较全面地反映暴雨过程的共性特征。长时间序列的统计检验表明,集合动力因子的降水预报评分略高于全球预报系统（GFS）模式自身的降水预报评分,表现在降水落区预报方面,集合动力因子的预报效果略优于GFS模式的自身预报,然而,在降水强度预报方面,集合动力因子和GFS模式都略有过度预报。集合动力因子预报方法计算量小,容易移植,可以提供降水预报产品,为预报员做暴雨预报提供支持。     

垂直螺旋度的拓展研究及应用

垂直螺旋度Hp由垂直速度和垂直涡度构成,反映涡度的垂直平流。通过尝试将Q矢量引入垂直螺旋度进行研究,即基于Q矢量散度和垂直涡度构造出一种新型垂直螺旋度HQ。HQ为Hp的拓展形式,二者差别主要在于计算HQ时无需求解垂直速度。同时,结合一次典型的江淮梅雨锋气旋暴雨过程研究,结果表明,HQ对降水落区及降水强度水平分布的不均匀性均具有较好的反映能力,且揭示出暴雨上空垂直涡度平流呈倾斜分布特征。进一步分析表明,对于垂直涡度而言,HQ三维空间分布特征与辐合的Q矢量散度有更多的相似性,这在一定程度上反映出HQ与Q矢量散度联系更为密切。     

两类动力因子对四川盆地一次低涡暴雨的应用研究

利用常规观测资料、FY-2E卫星云顶黑体亮度温度(TBB)资料、欧洲中心0. 25°×0. 25°资料,选取质量散度、垂直螺旋度、质量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度、散度垂直通量、密度散度垂直通量、水汽散度通量等7个动力因子对2015年8月16-18日四川盆地一次暴雨过程进行诊断分析。结果表明:(1)此次降雨过程是由高原低涡、高原切变线、西南低涡等多个天气系统共同作用造成。(2)随着高原低值系统的东移、减弱,西南低涡的生成、发展,伴随的对流云团经历了连续生消的过程。(3)动力因子对此次暴雨过程的发展和演变有较好指示意义。动力因子大值区基本覆盖强降水区。西南低涡形成初期,动力因子大值区和高原切变线分布一致,降雨中心位于动力因子大值区和高原切变线右侧,与西南低涡中心对应。西南低涡强盛时期,动力因子大值中心、西南低涡中心、降雨中心趋于重合。降雨区上空存在质量散度辐合、气旋性涡度和水汽通量涡度的垂直向上输送及辐合上升运动。     

台风"灿都"造成云南强降水过程的水汽螺旋度诊断分析

利用地面加密观测、Micaps资料和NCEP1°×1°再分析资料对1003号"灿都"台风造成云南暴雨进行诊断分析。结果表明:台风低压为高温高湿且具有强对流不稳定的深厚系统。进入云南后除了自身携带的大量水汽和能量外,先后有副热带高压西侧强盛偏南急流和孟加拉湾西南气流卷入,使得台风低压在云南持久不衰,并产生全省性强降水。诊断量"水汽螺旋度"对暴雨落区和强度有较好的对应关系,强降水多发生在水汽螺旋度正值中心的偏南侧。"水汽螺旋度"随时间变化的两个影响因子"螺旋度通量散度"和"湿螺旋度散度"对强降水的落区和强度也有较好的指示作用。若是分别对两个因子进行诊断,再综合分析环流形势,将能达到更好的强降水预报效果。     

“西马仑”与“海贝思”台风特大暴雨对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料、卫星云图和雷达回波等资料,采用多种物理量诊断分析方法,对路径相似、在闽南地区产生特大暴雨的1308号台风"西马仑"和1407号台风"海贝思"的环流形势特征、云系结构特征及水汽、动力、热力条件进行了对比分析。结果表明:"西马仑"的过程特点是雨强大、降水时间集中,而"海贝思"的特点则是雨强小、降水时间长;"西马仑"云系结构紧密,属中尺度对流云团降水,而"海贝思"云系结构松散,其外围的螺旋云带产生的列车效应是产生特大暴雨的重要原因;两个台风都具有低空急流、风速辐合、低层辐合高层辐散流场等有利于产生特大暴雨的环流形势特征;两个台风都存在低空偏东风和偏南风急流,两支急流为暴雨区提供了充足的水汽条件,低空急流较强的时段与强降水时段相对应;台风中心附近强辐合辐散区的建立和维持是产生特大暴雨重要的动力条件,水汽辐合区的面积和强度与暴雨区范围和降水强度相吻合;垂直速度大值区的维持时间与强降水的维持时间相一致;垂直速度、假相当位温和水汽通量散度的增大和减小,可作为降水增大和减弱的重要依据之一;暴雨区主要落在700 h Pa螺旋度场大值区内,所以螺旋度分析可为台风暴雨落区预报提供参考依据。     

基于“配料法”的东北冷涡暴雨预报研究

利用1961—2014年中国东北地区200个气象站逐日降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了东北冷涡暴雨的气候特征,分析了低空急流、切变对冷涡暴雨的影响;诊断分析了可表征冷涡暴雨过程中水汽条件、动力条件、热力不稳定条件的比湿、水汽通量、水汽通量散度、散度、垂直速度、K指数等物理参数,研究了东北冷涡暴雨发生时上述各物理参数需要达到的阈值指标,利用研究的物理参数阈值指标以及低空急流和切变等配料因子构建了东北冷涡暴雨的"配料法"预报模型,结合ECMWF模式和T639模式数值预报产品将"配料法"暴雨预报模型进行了业务化应用试验及效果评估。结果表明,东北冷涡有66%会产生暴雨,冷涡暴雨多发生在7—8月;低空急流和切变对冷涡暴雨有触发作用,91.2%的冷涡暴雨发生时对流层低层存在急流或切变;基于"配料法"的冷涡暴雨预报TS评分比ECMWF模式和T639模式暴雨预报评分提高了7.4%和11.1%,且明显减少了暴雨的漏报率。     

Diagnostic analyses and application of the moist ageostrophic vector<Emphasis Type="Italic">Q</Emphasis>

Considering the main thermal forcing factor, which is critical for the development of synoptic systems,the concept of the moist ageostrophic vector Q is introduced. A formula of the moist ageostrophic Q and the ageostrophic diabatic equation, in which the divergence of the moist ageostrophic Q is taken as a single forcing term, is derived. Meanwhile, the moist ageostrophic Q is applied to diagnose a torrential rain process in North China. The results suggest that the moist ageostrophic Q can clearly reveal the system development during the torrential rain process; the corresponding relationship between the divergence of the moist ageostrophic Q and the rainfall area is better than that of the vertical velocity (ω) and the divergence of the dry Q; the 6-h rainfall region can be correctly drawn according to the negative area of the divergence of the moist ageostrophic Q, and its precipitation is positively correlated to the magnitude of the divergence of the moist ageostrophic Q. The research provides valuable information for improving short-term weather forecast.     

大陆高压对强热带风暴碧利斯内陆强降水影响

强热带风暴碧利斯 (0604)(简称碧利斯) 登陆后造成极其严重的灾害。对该次强降水过程诊断分析发现,除强盛的西南季风外,深厚的大陆高压也起着重要作用。自高层向低层逐渐加强的大陆高压,其东南侧深厚的偏东北气流,与碧利斯登陆后西北象限的东北风相叠加,配合强盛的西南季风,使得碧利斯残涡以及槽区得以长时间维持。涡度收支表明:长时间维持的台风槽,其低层强烈的辐合效应,对暴雨区低涡发展作用显著,致使中尺度对流系统不断发展而造成内陆连续强降水。数值试验表明:在强盛西南季风背景下,大陆高压的增强东伸,不仅能够提供高空强辐散,而且能增强碧利斯西北象限东北风,使得登陆后减弱的碧利斯残涡和台风槽得以长时间维持,致使内陆暴雨区各层涡度增加而导致暴雨维持与增幅。     

近年来我国暴雨中尺度动力分析研究进展

总结了近十年以来中国气象科研人员在暴雨中尺度动力分析研究领域的主要研究成果，从大尺度环流背景与中小尺度系统的相互作用、高低空急流、低涡、位涡与对流涡度矢量、螺旋度、不稳定等方面对它们进行了分类概括。对暴雨中尺度动力分析研究的回顾表明，以往常用的数值模拟、能量转换收支分析、涡度、散度、涡度收支、涡度平流、温度平流、各种不稳定指数等的诊断仍然是暴雨中尺度动力分析的主要手段，但是，近年来，除了位涡、螺旋度等动力变量在暴雨中尺度动力分析中的广泛应用以外，一些新的物理量，如非均匀饱和广义湿位涡、对流涡度矢量以及有限区域风场分解方法在暴雨中尺度动力分析中也得到了更多的应用。     

1215号“布拉万”台风暴雨及降水非对称性分布的成因分析

利用中尺度非静力模式WRF对2012年第15号台风“布拉万”在中国东北地区造成的暴雨过程进行了数值模拟,结合观测资料对模拟结果进行了验证,利用模式输出的高分辨率资料,对“布拉万”台风造成的强降水及其非对称性分布的成因进行了诊断分析。结果表明,模式很好地再现了台风登陆过程中的路径、强度变化和降水分布,受中纬度西风槽带来的干冷空气影响,“布拉万”台风登陆后的降水和环流结构具有明显的不对称性,降水主要集中在台风中心西北侧的能量锋区附近。水汽散度通量和水汽螺旋度能够较好地描述强降水过程的发生、发展及其非对称性分布的时空特征,在强降水区,水汽散度通量表现为正值强信号,而水汽螺旋度表现为负值强信号,在非降水区和弱降水区,两者均表现为弱信号。等熵位涡分析显示,对流不稳定只是此次台风暴雨前期和初始阶段的不稳定条件,而湿位涡(MPV)的湿斜压项(MPV₂)则是暴雨增强和出现非对称性分布的主要机制。在暴雨形成过程中,由于冷空气侵入造成了在台风环流西北侧湿等熵面的陡立倾斜和水平风垂直切变的增强,导致了气旋性涡度的显著增强,气旋性涡度增强造成的强烈上升运动将降水区东南侧输送过来的暖湿空气向上输送,从而导致了暴雨的发生,这其中条件性对称不稳定是降水得以加强的一种重要不稳定机制。     

Torrential rainfall responses to radiative and microphysical processes of ice clouds during a landfall of severe tropical storm Bilis (2006)

Ice clouds are an important component in precipitation systems. The radiative processes of ice clouds directly impact radiation in heat budget and the microphysical processes of ice clouds directly affect latent heat and net condensation through deposition processes, which may eventually change surface rainfall. Thus, torrential rainfall responses to radiative and microphysical processes of ice clouds during a landfall of severe tropical storm Bilis (2006) are investigated with the analysis of sensitivity experiments. The two-dimensional cloud-resolving model is integrated for 3 days with imposed zonally uniform vertical velocity, zonal wind, horizontal temperature and vapor advection from NCEP/GDAS data. One sensitivity experiment excludes the radiative effects of ice clouds and the other sensitivity experiment excludes ice microphysics and associated radiative and microphysical processes. Model domain mean surface rain rate is barely changed by the exclusion of radiative effects of ice clouds due to the small decrease in net condensation associated with the small reduction in latent heat as a result of the offset between the increase in radiative cooling and the decrease in heat divergence. The exclusion of microphysical effects of ice clouds decreases the mean rain rate simply through the suppression of latent heat as a result of the removal of deposition processes. The total exclusion of ice microphysics decreases the mean rain rate mainly through the exclusion of microphysical effects of ice clouds.     

鲁西北持续性暴雨非地转湿Q矢量分析

利用常规观测资料、NECP/NCAR提供的1°×1°FNL全球再分析资料,对2012年鲁西北一次持续性暴雨进行了湿Q矢量方法诊断分析。结果表明：此次持续暴雨出现在有利的环流背景下,降水区域集中并有明显的中尺度特征,湿Q矢量方法是分析强降水落区很好的工具;925～850 hPa湿Q矢量散度与强降水落区有较好的对应关系,但暴雨并不总是出现在湿Q矢量散度负值区中心,有时出现在湿Q矢量散度梯度大的负值区一侧;700 hPa湿Q矢量涡度正值中心与散度负值重叠的区域是中尺度低值系统发展有利的区域,与未来6～12 h暴雨落区有很好的对应;湿Q矢量锋生函数差值预报强降水落区明显优于锋生函数。     

"98.7"连续暴雨过程诊断分析

给出了“９８．７”连续暴雨过程期间江西及其附近地区逐日物理量的绝对极大值,对这次连续暴雨过程的最强降水日进行了诊断分析。得到了盛夏季节连续暴雨的动力、水汽、稳定度等条件均明显强于江西雨季（４月至７月上旬）产生暴雨的相应条件。计算结果表明,螺旋度、Ｑ矢量散度在这次暴雨过程中与降水强弱有较好的对应关系。     

1998年武汉大暴雨过程的切变涡度及非绝热加热垂直结构分析

文中通过比较 1 998年武汉大暴雨期间相对涡度、切变涡度和纬向切变涡度 (ζs1) ,发现ζs1中心与暴雨中心位置有更好的对应关系 ,其在时序上高空负纬向切变涡度发展要超前强降水出现约 1 d。暴雨发生前高空反气旋性涡度增强 ,且与此同时 ,低层要求有正涡度发展。暴雨发生时段对应着 Q1,Q2 的高值区 ,并具有强上升运动 ,且 Q1,Q2 两者之间存在较强的耦合。视热源中心在 45 0 h Pa,而水汽汇中心主要在 6 0 0 h Pa附近。Q1,Q2 局地变化和平流变化是反位相分布的 ,共同的作用是减小对加热的贡献。Q1中局地变化可省略 ,但 Q2 中局地变化在第2次强降水时段可达 4K/d左右 ,因此不能省略。垂直输送项在 Q1,Q2 中是最主要的加热项     

江苏一次大暴雨过程的诊断与中尺度分析

利用FY-2E卫星TBB资料、加密自动气象站资料、多普勒雷达产品、NECP格点资料,对2010年7月12—13日发生在江苏沿江地区的一次大暴雨过程进行了诊断和中尺度分析。结果表明:此次大暴雨过程是在有利的大尺度环流形势稳定维持下发生的,强度大、中尺度特征非常明显;高空辐散低空辐合的有利配置和垂直螺旋度是此次暴雨过程的动力机制;非地转风和垂直环流圈的上升支气流触发了不稳定能量释放,激发了暴雨过程;正反环流圈不断地加强和补充暴雨所需的水汽和能量,使暴雨得以维持;10个中尺度雨团的频繁活动直接造成了此次暴雨。其中,起重要作用的是合并而成的A、B雨团,雨团的合并使雨区扩大、雨势更强、生命史更长;3个β-MCS是造成此次暴雨的中尺度对流系统,与雨团发展直接相联系的是≤-62℃,甚至≤-72℃的冷云盖。1号β-MCS影响时段内,由多个对流单体回波合并形成的块状对流回波。3号β-MCS影响时段内,对流单体回波合并后形成一条东西向带状回波,在径向速度场上则出现了逆风区特征。地面中尺度辐合系统与雨团的发生发展关系十分密切,且对雨团的发生发展具有一定的预示作用。