非地转平衡流激发的重力惯性波对梅雨锋暴雨影响的动力学研究

文中以 2 0 0 0年 6月 1～ 3日的一次梅雨锋暴雨过程为例 ,通过数值模拟 ,得到了降雨区和强度都与实况基本吻合的结果。进一步利用数值模拟场 ,比较详细地分析了大尺度环流调整后的地转平衡被破坏、非平衡流出现、低空急流建立、重力波发生与传播对暴雨过程的影响。研究表明 ,副高的西伸北跳可以造成局部地转平衡被破坏 ,引起环流的适应调整 ,以建立新的平衡。在这一过程中 ,会出现与之相适应、配合的低空急流和重力波的发生 ;重力波的频散有利于急流中心大风区的传播 ,引导气流和水汽集中区对传播方向有显著影响 ;低空急流的建立则是导致暴雨发生的重要条件之一。通过对高时空密度中尺度数值模拟资料的分析 ,可以较清晰地反映出上述结果。     

复杂地形与锋面系统共同作用对台湾岛暴雨影响的数值分析

应用MM5V2数值模式输出的高分辨率资料对在复杂地形和锋面系统共同作用下台湾暴雨发生的水汽、垂直速度、低空急流等物理量场的中尺度特征进行了分析。表明地形是使锋面降水加强．最终形成暴雨的主要原因。在地形作用下，速度场、湿度场都具有比较稳定的局地特征，台湾岛迎风区保持着比背风区大的湿度场，流场表现为一个地形性中尺度环流。随着锋面系统的不断靠近，局地特征表现为加强和减弱两个阶段。发现迎风坡的低空急流主要是由地形引起的，它的南北向分布不均使空气发生了辐合上升运动，与地形和锋面引起的上升运动叠加，在地形迎风坡形成了一个垂直速度的大值区。有地形比无地形的降水明显加强。     

切变线冷区和暖区暴雨落区分析

利用常规、自动气象站、NCEP/NCAR再分析资料（1°×1°,逐6h）和WRF模式逐小时资料,对2010年6月30日—7月2日山东省暴雨过程的落区进行了分析.结果表明：本次暴雨过程具有暖区暴雨和冷区暴雨两种特征.暖区暴雨强度强、范围广、落区集中,位于925 hPa经向切变线右侧或者低涡的东南象限“人”字型切变线内、暖温度脊后部、地面低压前部南风区内;冷区暴雨区强度弱、范围小、落区分散,位于925 hPa经向切变线左侧、冷温度槽前、地面低压后部北风区内.冷区和暖区暴雨均位于大气可降水量大于70 kg/m^2的区域、低空急流顶端的左侧.低空急流与强降水同时开始或者低空急流提前1h开始,降水强度最大时段出现在850 hPa风速跃增后1～3h.只有冷区暴雨时,冷空气较弱,冷锋伸展高度较低,暴雨区位于冷锋后部θse锋区前沿、θse暖脊脊线顶点、强上升运动中心.冷区与暖区暴雨共存时,冷暖空气势力均比只有冷区暴雨时强,冷锋伸展高度较高,冷区与暖区暴雨均位于强上升运动中心南侧1个纬距内风速辐合处.只有暖区暴雨时,冷空气较强,冷锋伸展高度较高,暴雨区位于冷锋前1个纬距内、θse暖脊脊线与地面交点、上升运动中心.低层向北倾斜锋区的南北跨度与中层向南倾斜锋区的南北跨度的差值大小,直接影响上升运动的强度和暴雨区的分布.     

重力波对青藏高原东侧一次暴雨过程的影响

采用WRF（weather research and forecasting）模式输出资料、NCEP/NCAR1°×1°再分析资料以及地面站降水资料,对2009年7月31日至8月1日四川省一次暴雨过程进行了分析。结果表明：水汽辐合区与降水区基本一致;散度场、水汽通量和水汽通量散度对降水具有较好的指示作用。在降水之前的6h中,降水中心上空的大气层结基本稳定,这种层结条件并不利于对流运动发生和发展;但是通过对散度场、非线性平衡方程和理查森数的分析,发现在暴雨开始前存在着中尺度重力波,它激发了对流运动的发展,而对流运动对暴雨的发展起到了主要作用。这说明,在整个暴雨过程中,只有同时考虑中尺度重力波与对流运动的相互作用,才能较完整地解释雨带的强度和特征得以发展和维持的原因。     

梅雨锋强降水与低空急流日变化的观测分析和数值模拟

利用地面加密自动站逐小时观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了2011年6月江淮流域的5次强降水过程和西南低空急流的日变化特征。发现强降水的日变化与西南低空急流的日变化一致:02—08时增强,14时减弱。这主要是由于夜间边界层内的惯性振荡,导致西南低空急流增强从而使得梅雨锋水汽通量辐合增强,降水增强;而白天由于边界层混合摩擦力增大,致使西南低空急流减弱或消失,降水减弱。WRF数值模拟试验不仅重现了观测的日变化特征,而且证实了江淮暴雨和西南低空急流的日变化主要是由非地转风的日变化造成:白天边界层混合强,风为次地转;而夜间边界层混合消失,气压梯度力和科氏力平衡的惯性振荡使得风为超地转      

皖北一次特大暴雨过程中边界层急流日变化特征 及其对暴雨形成的影响分析

利用多普勒雷达风廓线产品、ERA5再分析资料和WRF模式,分析了2018年6月27日皖北一次特大暴雨过程中边界层急流的日变化特征及其对特大暴雨形成的作用。结果表明:特大暴雨发生期间存在边界层急流,急流最强达到了18 m·s^-1,强降水主要发生在急流快速增强的时段;急流前部的边界层辐合线是对流的触发因子,强降水落区位于急流核前部。急流为对流系统加强提供水汽和能量,且边界层急流和雷暴高压对峙使对流系统稳定少动,在对流系统西侧激发新的对流单体,有利于特大暴雨的发生;此次过程中天气系统的影响时间主要决定了强降水的落区,而边界层急流的日变化决定了强降水发生的时间段;边界层急流在夜间具有超地转特征,午后具有次地转特征,地转偏差和水平平流作用是导致夜间边界层急流增强的主要原因。     

湖北一次梅雨大暴雨分析

应用加密探空资料、NCEP再分析资料与自动气象站雨量资料,分析2009年6月29日湖北梅雨大暴雨。结果表明:暴雨期间700hPa江淮较长切变线维持准纬向特性,850hPa低空急流北上到江南北部。700hPa鄂西北等地准东西走向θse锋区有所加强并南移,湖北暴雨区位于θse锋区南侧且θse数值有所增加的地区。垂直积分水汽辐合大值区与强降雨带位置对应比较好,且整层水汽辐合比强降雨发生要早6h以上。恩施、武汉两站暴雨发生除了受低层切变线等较大尺度系统影响外,局地气象要素配合也很重要,尤其是低层较为充足的水汽是降雨维持的条件。当高层低槽移过,高、中层之间出现水平风垂直切变后恩施降雨明显加强。武汉站前期高层或中层干空气向下伸展,中、低层不稳定层结加强后降雨发展,其最强降雨和低层冷式切变线过境同时发生。     

2018年北京“7.16”暖区特大暴雨特征及形成机制研究

利用京津冀区域加密自动气象站、SA多普勒天气雷达、L波段风廓线雷达、NCEP 0.25° 再分析资料及0.03° 高分辨率地形资料研究了北京2018年7月15—16日暖区特大暴雨特征和形成机制。结果表明:（1）这次暖区特大暴雨发生在副热带高压边缘的暖气团（θ_se高能区）中,无明显冷空气强迫,斜压性弱,有丰沛的水汽,850 hPa以下出现强水汽辐合。（2）暴雨的中尺度对流系统发展有3个过程:带状对流建立和局地强雨团影响、北京北部“列车效应”南部雷暴冷池出流造成对流加强和移动、平原地区线状对流重建。（3）暴雨发生前,低层西南风出现风速脉动,低空急流建立。首先在2500—3500 m高度形成低空急流,2 h后2500 m以下风速显著增大,5 h后急流厚度由边界层伸展到700 hPa。急流出口区降压,低层出现气旋性风场或切变,有利于垂直上升运动发展,触发和加强对流。（4）西南低空急流暖湿输送导致高温、高湿、高能的对流不稳定层结反复重建,这是对流发展加强的重要原因。（5）地面辐合线是对流触发并逐渐组织成带状对流系统的关键影响因素。地面辐合线方向、低空急流轴、回波移动方向三者几乎重叠是造成对流后向传播和“列车效应”的有利条件。（6）太行山和燕山地形对对流触发和暴雨增幅有重要影响。北京最大雨强≥40 mm/h站点中的77.4%位于西南部和东北部200—600 m海拔高度处。偏东风在华北西部太行山局地迎风坡触发对流,西南低空急流在北京北部迎风坡和喇叭口地形处辐合和抬升更为显著,造成局地特大暴雨。      

Impact of the Nocturnal Low-Level Jet and Orographic Waves on Turbulent Motions and Energy Fluxes in the Lower Atmospheric Boundary Layer

The nocturnal low-level jet (LLJ) and orographic (gravity) waves play an important role in the generation of turbulence and pollutant dispersion and can affect the energy production by wind turbines. Additionally, gravity waves have an influence on the local mixing and turbulence within the surface layer and the vertical flux of mass into the lower atmosphere. On 25 September 2017, during a field campaign, a persistent easterly LLJ and gravity waves were observed simultaneously in a coastal area in the north of France. We explore the variability of the wind speed, turbulent eddies, and turbulence kinetic energy in the time–frequency and space domain using an ultrasonic anemometer and a scanning wind lidar. The results reveal a significant enhancement of the turbulence-kinetic-energy dissipation (by?50%) due to gravity waves in the LLJ shear layer (below the jet core) during the period of wave propagation. Large magnitudes of zonal and vertical components of the shear stress (approximately 0.4 and 1.5 m² s^?2, respectively) are found during that period. Large eddies (scales of 110 to 280 m) matching the high-wind-speed regime are found to propagate the momentum downwards, which enhances the mass transport from the LLJ shear layer to the roughness layer. Furthermore, these large-scale eddies are associated with the crests while comparatively small-scale eddies are associated with the troughs of the gravity wave.

     

四川盆地一次西南涡作用下大暴雨过程的短时强降水分析

利用常规地面、高空观测资料、自动站资料、NCEP1°×1°再分析资料和新一代多普勒天气雷达观测资料,分析2015年8月16—18日四川盆地持续性大暴雨过程,给出了此次大暴雨过程不同阈值短时强降水的时空分布特征,研究此次大暴雨过程中造成短时强降水的成因。结果表明:螺旋度的变化对短时强降水有指示作用,螺旋度等值线密集(稀疏),短时强降水增强(减弱)。水汽收支方程中,水汽通量散度项为短时强降水的发生提供了主要的水汽来源。永川雷达反演的风场上具有明显的低空急流、低层辐合,以及局地气旋性涡旋的中小尺度环流特征。通过对比分析发生在2013年6月30日的相似大暴雨过程,发现两次过程的关键影响系统均是西南涡。"8·17"大暴雨过程低涡前部偏南暖湿急流及低涡后部东北冷流均显著,是斜压锋生类短时强降水";6·30"大暴雨过程低涡前侧偏南暖湿急流显著,暖平流建立的不稳定起了主导作用,是暖平流强迫类短时强降水。雷达特征显示"8·17"过程强反射率因子面积小,回波质心发展较高,有明显的辐合特征";6·30"过程强反射率因子面积大,回波质心发展低,并伴有中气旋活动。     

一次梅雨锋暴雨过程的中尺度特征分析

利用中尺度非静力平衡模式WRF-V2.1对2007年7月7-8日江淮地区一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,分析其中的中尺度重力波(MGW)特征,并运用拉格朗日Rossby数(Ro)来诊断非平衡流特征.研究表明:这次暴雨过程中的中尺度重力波波长约为56～75 km,相速约12～19 m·s~(-1);在有利的大尺度环流形势下,地转调整机制是MGW产生的首要机制,Wave-CISK和地转调整为波动传播提供了充足的能量,使MGW在具有波导结构的大气中维持了相当长的时间;满足舶指标的不平衡运动区与重力波活动区十分接近,它对波动产生的时间和区域方面有一定的指示作用.     

边界层急流与北京局地强降水关系的数值研究

应用3 km分辨率的中尺度模式,成功模拟出了2005年8月3日凌晨北京地区一次局地强降水过程,在此基础上探讨了地形热力作用和局地强降水与边界层急流的关系,结果表明,局地强降水与边界层急流之间存在正反馈作用,降水过程通过改变局地大气温度场的分布,导致边界层气流加速和急流的形成。而边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合,为降水提供更多的水汽和更有利的动力条件。     

四川盆地东北部中尺度MCS暴雨过程分析

2009年6月19日凌晨至23时四川盆地东北部生了一次由MCS单体带来的大暴雨天气过程。本文主要对该大暴雨过程的天气尺度环流背景、中尺度系统特征和地形作用等进行了分析。结果显示:(1)高空低槽和地面冷锋位于四川盆地北部为此次暴雨发生提供了有利的大尺度背景;(2)卫星云图及多普勒雷达回波表现出本次暴雨过程的直接系统是中尺度MCS单体;(3)能量、动力及水汽等的时空分布有利于MCS在四川盆地东北部产生;(4)非平衡值显示在MCS发展前几个小时其附近区域的大气已由平衡状态转为较强的非平衡状态,而在暴雨最强时刻,大气的非平衡性减弱并逐渐转为的准平衡状态;(5)大巴山地形抬升垂直速度对大暴雨的发生有促进作用。      

2003年7月4~5日梅雨锋暴雨维持的诊断分析

利用卫星云图、 多普勒雷达产品以及探空资料, 结合NCEP/NCAR再分析资料, 对2003年7月4~5日淮河流域大暴雨过程发生的环境场条件、 强降水的中尺度特征、 低空急流与能量锋的配置对强降水天气的影响等进行了详细的天气学分析, 并对大气正压非平衡强迫、 低空急流与能量锋相互作用对强降水天气发生\, 发展与持续过程中的影响进行了动力诊断。结果表明： 这次梅雨锋暴雨过程, 暴雨区上空气柱内水汽较少, 孟加拉湾与南海地区向暴雨区输送的水汽占据主导地位。暴雨区的平均散度与垂直速度变化与强降水天气变化比较一致。对流层低层能量锋与低空急流的配置及其相互作用对强降水天气的发生\, 发展和维持具有重要影响。当低层能量锋与低空急流处于同时强的配置状态时, 强降水天气发生并持续; 当两者处于一强一弱或两者皆弱的配置状态时, 则没有强降水天气发生或持续。正压非平衡强迫对强降水启动作用较大, 而湿斜压热动力相互作用对强降水天气持续影响较大, 是导致强降水过程维持的主要动力机制。     

KINEMATIC ANALYSIS OF TYPHOON POLLY(No.9216)*

We partition the observed wind field into rotational and divergent wind fields to analyze the stream field of Typhoon Polly(No.9216),which landed on 31 August 1992 and caused severe weather and large damage in the eastern China.The results indicate that the preservation of typhoon intensity after landing and the heavy rainfall took place onthe northern periphery of typho on are due to the strong divergent winds on the regions of low level jet(LLJ) and high level jet(HLJ) around the typhoon.The direction of divergent winds in the LLJ is perpendicular to the observed wind.But,the direction of divergent winds around the HLJ axis is parallel to the observed winds.The stream function and the rotational wind corresponding to the horizontal vorticity display the vertical circulation associated with the heavy rain,which is stronger than the vertical circulation around the typhoon center.The three-dimensional trajectories exhibit the warm and moist air parcels of LLJ traveling northward into the heavy rainfall region and ascending,then turning eastward in the HLJ.     

台风狮子山与中纬度系统相互作用所致暴雨成因分析

使用常规观测资料和NCEP FNL的1.0°×1.0°气象再分析资料,对2016年第10号(简称1610号)台风"狮子山"北上与中纬度系统相互作用在中国东北地区引发暴雨过程进行追踪和诊断分析,探究此次暴雨天气发生、发展的动力学、热力学和不稳定机制。分析结果表明:东北地区的强降水先后由西风带低涡和台风"狮子山"2个系统活动造成。在2个气旋逐渐接近过程中,台风东北侧的东南急流把海上的热量和水汽向低涡环流输送,在倒槽切变处辐合抬升,产生暴雨。大暴雨区位于倾斜锋区附近,对流稳定,中层存在湿对称不稳定,有利于加强降水强度。东北地区东部处于高空急流核右后方和低空急流核前方,高、低空急流耦合的区域,使高层强辐散和低层强辐合叠置,加强了暴雨区的上升运动,从而加强了降水强度。地形对暴雨有增幅作用。     

云南冬季一次强降水天气过程的模拟与分析

利用MM5中尺度非静力模式对2003年1月5~6日发生在云南省的强降水天气过程进行了数值模拟分析。结果表明:(1)偏南低空急流是造成冬季暴雨的主要影响系统,低空急流上的扰动导致一个相对大的风速核从急流主体分裂东移,风速显著加大,风向呈气旋性弯曲,引起低层涡度增加,产生强的辐合上升运动。(2)低空急流的形成和移动与中层南支槽的关系较为密切,南支槽前的辐散为低空急流的形成提供了启动机制。(3)强降水天气出现在冷暖空气交汇的区域,锋生强迫作为暖湿气流上升的强迫机制之一,对强降水的形成起着不可忽视的作用。(4)水汽条件的分析表明,暴雨区的水汽主要由低层水汽辐合来提供。     

Analysis of Mesoscale Convective Systems Associated With a Warm-Sector Rainstorm Event Over South China

With multiple meteorological data, including precipitation from automatic weather stations, integrated satellite-based precipitation (CMORPH), brightness temperature (TBB), radar echoes and NCEP reanalysis, a rainstorm event, which occurred on May 26, 2007 over South China, is analyzed with the focus on the evolution characteristics of associated mesoscale-β convective systems (Mβcss). Results are shown as follows. (1) The rainstorm presents itself as a typical warm-sector event, for it occurs within a surface inverted trough and on the left side of a southwesterly low-level jet (LLJ), which shows no obvious features of baroclinicity. (2) The heavy rainfall event is directly related to at least three bodies of Mβcss with peak precipitation corresponding well to their mature stages. (3) The Mβcss manifest a backward propagation, which is marked with a new form of downstream convection different from the more usual type of forward propagation over South China, i.e., new convective systems mainly form at the rear part of older Mβcss. (4) Rainstorm-causing Mβcss form near the convergence region on the left side of an 850-hPa southwesterly LLJ, over which there are dominantly divergent air flows at 200 hPa. Different from the typical flow pattern of outward divergence off the east side of South Asia High, which is usually found to be over zones of heavy rains during the annually first rainy season of South China, this warm-sector heavy rain is below the divergence region formed between the easterly and southerly flows west of the South Asian High that is moving out to sea. (5) The LLJ transports abundant amount of warm and moist air to the heavy rainfall area, providing advantageous conditions for highly unstable energy to generate and store at middle and high levels, where corresponding low-level warm advection may be playing a more direct role in the development of Mβcss. As a triggering mechanism for organized convective systems, the effect of low-level warm advection deserves more of our attention. Based on the analysis of surface mesoscale airflow in the article, possible triggering mechanisms for Mβcss are also discussed.     

“05．8”十堰大暴雨的数值模拟与诊断分析

使用NCEP 1°×1°6h再分析格点资料和气象台站实测降水资料,采用WRF中尺度数值模式,对2005年8月14日20时至15日08时发生在十堰市的一次大暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析,并着重分析了大暴雨的成因。结果表明：此次大暴雨是在西太平洋副热带高压、中高纬西风槽合理配置以及稳定有利的环流形势下发生的,同时与台风低压活动关系密切;东南风急流将低纬度地区暖湿气流输送到高纬度地区,使台风低压长时间维持,为强降水发生发展提供了水汽来源;低层辐合、高层辐散的配置有利于对流发展和低层水汽向高空输送;螺旋度正值中心的出现对未来3h强降水出现有一定的预示作用,螺旋度正值对暴雨落区有较好的指示性,主要暴雨区出现在螺旋度正值中心前方。     

华南暖区暴雨研究进展

华南前汛期暴雨预报一直是我国大气科学界的一个研究热点,特别是发生在锋前的暖区暴雨,由于其天气尺度斜压性强迫不明显,环境大气水汽含量丰富,热动力不稳定性强,边界层触发机制复杂,以及特殊的地形和海陆热力差异的外强迫作用,导致暴雨突发性强,地域性特征显著,也是困扰预报业务人员的难点问题。目前我国预报业务中使用的全球数值预报模式对暖区暴雨的预报能力十分有限,高分辨率中尺度数值模式的预报效果也不尽人意。该文回顾了近40年华南前汛期暴雨大部分研究成果,针对华南暖区暴雨的提出及典型背景场、暖区暴雨与低空急流的关系、暖区中尺度对流系统的形成及传播、暖区暴雨触发机制等独特的天气动力学特征进行了系统梳理与分析,并依据前人研究成果及中央气象台预报实践经验,总结提炼了3类华南暖区暴雨类型——边界层辐合线型、偏南风风速辐合型,以及强西南急流型的天气系统配置及触发因子。最后提出针对华南暖区暴雨需要进一步研究的科学问题。