“海棠”台风(2005)暴雨过程数值模拟及位涡分析

采用WRF模式对2005年"海棠"台风登陆福建省前后24h内所造成的降水过程进行了数值模拟,在此基础上,利用模式输出结果,借助位涡理论分析位涡与台风低压流场及降水的关系,并结合对风场、相当位温、相对湿度等诊断量的分布特征分析,探讨了台风强降水的发展和维持机制。结果表明,310K等熵面上高位涡发展演变较好反映了台风低压系统路径移动以及强度变化的过程。暴雨中心主要出现在位涡大值区及其偏东北方向,且位涡气块回旋少动,与暴雨的发展维持密切相关。高位涡区主要位于等熵面坡度和梯度最大处,当等熵面上下贯通,对流层高层的高位涡沿等熵面下传,形成位涡柱时,有利于暴雨增幅。台风环流内水汽充足,上升运动强烈,也有助于此次台风降水强度持续强大。     

对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析

通过对９６０８号台风低压及其外围暴雨位和等熵面上物理量场的分析,揭示了台风低压北上诱发暴雨过程的位涡场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用,给出此次暴雨增幅过程的图像。分析表明：对流层低层中高纬度冷空气（高位涡）扩散南下在台风低压环流区附近的“侵入”作用是此次特大暴雨过程的最重要的原因之一;等熵面位涡的分析进一步说明了中高纬地区冷空气的活动状况;对流层高层或平流层低层位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放     

一次温带气旋特殊移动路径及其结构和成因分析

为了更全面地了解温带气旋的结构和形成原因,利用常规高空、地面观测、NCEP的1°×1°再分析资料和FY-2E水汽图像等资料,分析了2014年6月6 10日发生在华北及东北温带气旋的强度和移动路径、环流背景及结构和成因等。结果表明:(1)在发展阶段,地面气旋中心气压变化不大,但以逆时针旋转的路径移动;当地面气旋中心与高层低涡中心在同一垂直轴线上时,气旋停止发展。(2)以异常路径移动的气旋发生在500 h Pa大尺度环流多次调整的背景下。当气旋上游贝加尔湖至我国新疆南部的高压脊发展时,气旋初生;当气旋下游日本岛东部至鄂霍次克海高压脊发展时,气旋发展。(3)当正相对涡度随高度向西倾斜、气旋中心上空对流层低层正相对涡度首先加大、且其西侧的冷锋锋区增强、随后气旋中心上空整层正相对涡度增大时,地面气旋处于发展过程中;当高低层正相对涡度垂直重合、且对流层低层冷锋锋区减弱,则气旋停止发展。(4)对流层上层具有高值位涡的干空气逐渐进入地面气旋中心上空的湿区时,高位涡所携带的高空正涡度平流辐散作用使得低层辐合加强、绝对涡度增大,引起地面气压下降。(5)气旋中心上空的对流层中层暖平流和高层较大的正涡度平流使得垂直上升速度增强,气旋逐步发展;地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层微差涡度平流较大的区域移动。     

影响河北两次相似路径台风的湿位涡对比分析

利用常规的探空和地面资料以及NCEP／NCAR全球再分析资料，对9711号台风温妮和0509号台风麦莎的变性过程和影响河北暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明：温妮变性再加强过程是一个温带气旋强烈发展的过程，主要与高层湿位涡扰动下传、热带气旋低压环流两者之间的相互作用有关。而麦莎变性过程中，没有高层湿位涡扰动下传和热带气旋低压环流之间的相互作用过程，无再加强过程。对流层中低层MPV1〈0、MPV2〉0区域对应暴雨区，对此类暴雨具有较好的指示意义；对流层高层高值湿位涡下传，有利于位势不稳定能量的储存和释放，使降水增幅。     

2019年4月广州白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA5再分析资料和广州白云机场自动观测系统降水资料,分析2019年4月白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层的信号特征。分析发现,2019年4月中下旬,广州白云机场出现了3次持续时间长、降水量大的持续性暴雨过程,降水较往年同期显著偏多。研究结果表明,3次持续暴雨发生前,对流层顶高度出现了下降,平流层高位涡冷空气入侵,机场上空位涡升高;在环流场中,中低纬地区对流层顶和平流层东风偏强,向北和向下传播,广州白云机场终端区在暴雨发生前西风持续下传;广州白云机场上空暴雨发生前对流层顶至平流层位势高度正异常。暴雨发生前,平流层冷空气高位涡移入、对流层顶下降、西风的下传均有利于持续性暴雨的生成。     

副热带高压对登陆台风等熵面位涡演变影响的数值模拟研究

选取1997年第11号台风“温妮”为研究个例, 通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、 变性及变性后再次发展的演变过程。采用Davis et al.(1996) 提出的片段位涡反演方法, 提取具有副热带高压物理意义的位涡扰动, 采用片段位涡反演的方法, 改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度, 并引入Ertel等熵面位涡收支方程, 深入分析不同强度的副热带高压环流系统在登陆台风结构演变的过程中等熵面位涡的守恒性, 以及守恒性与非守恒性相对作用的大小。研究表明: 台风北上深入内陆的过程中, 高空槽大值位涡源源不断的输送使得对流层低层西北侧位涡增长, 台风中心上空的辐散形势有利于台风强度的再次增强。由于摩擦和非绝热加热的存在, 对流层位涡局地变化主要决定于位涡的水平平流 (守恒项)、 位涡的垂直平流、 加热的垂直微分 (非守恒项) 的分布。台风经历变性及再增强的过程中, 其影响范围内位涡守恒性经历了先减弱后增强的过程, 非守恒项中位涡的垂直平流能较好地描述对流层中层位涡局地变化趋势, 而加热的垂直微分则在对流层低层和高层表现良好。副高强度的加强使台风加速北上, 加快了台风变性速度, 高层位涡的向下输送明显提前且强度增强, 位涡守恒性的破坏、 重建也相应提前, 位涡垂直平流的整层负值减小, 加热垂直微分对对流层低层位涡增长的正贡献加强, 且持续时间更长。     

南亚高压南部环境位涡对台风加强的影响分析

利用2002—2009年8年中6、7、8、9月的NCEP 1 °×1 °再分析资料对登陆我国大陆的台风与150 hPa高层位涡的关系进行统计,8年中共有23个台风受到150 hPa南亚高压南部边缘位涡的影响。其中3个台风(0216“森拉克”、0604“碧利斯”、0903“莲花”),在其发展初期在南亚高压南部的大值环境位涡进入台风中心后,台风中心气压下降。通过诊断分析从等值线的角度得出高层位涡与此类台风发展的关系,在150 hPa高层正位涡异常的作用下,等熵面向大值位涡处汇聚,这种形式可使正位涡异常区两侧的等熵面向下倾斜,从而引起台风中高层的暖中心加强以及中层位涡增大,中层的位涡增大以及暖中心的出现又有利于低层气旋性涡度增长,导致台风中心气压下降,使台风强度增强。根据吴国雄的倾斜涡度发展(SVD)理论,其原因可能是等熵面倾斜使垂直涡度发展,从而加强对流运动潜热释放使台风暖心加强,使得台风的强度加强。通过位涡反演试验也证实了高层位涡对中层位涡发展的影响大于低层。      

9012号台风暴雨过程的位涡分析

通过９０１２号台风登陆前后等熵面位涡图和位涡剖面图的分析，研究了台风的位涡场结构以及它登陆后与中纬度天气系统相线作用过程中的演变特征，结果表明：台风的位涡结构为一深厚的高位涡“柱”对流层的高低中有一个高位涡中心；中层高位涡平流或正位涡平流随高度增加以及等熵面上的初变线可作为定性判断台风和外围暴雨落区的一个指标，中纬度系统对９０１２号台风的作用，主要在于冷空气进入台风环流的导致台风迅速减弱消亡，等熵     

台风Matsa(2005)和Wipha(2007)变性过程对比分析

利用日本气象厅热带气旋年鉴资料和JRA-25再分析资料,对0509号台风Matsa和0712号台风Wipha变性过程进行了对比分析。结果表明,台风Matsa和Wipha均是在我国登陆后转向东北方向运动过程中发生变性,但Matsa嵌入中纬度高空锋区,变性为温带气旋后有再加强过程,而Wipha仅外围环流与锋区接触,变性为温带气旋后无再加强过程。通过等熵面位涡分析进一步表明,Matsa变性加强表现为高层正位涡与低层暖平流的耦合,以及高层正位涡下传至中低层;Wipha的变性过程中,高层正位涡并未与低层暖平流耦合,高层正位涡无明显的下传。     

影响东北的两个罕见气旋发展机制对比

2007年3月3—5日和2016年5月2—3日有两个气旋（简称C304和C502）在江淮流域生成后,以相似路径影响东北地区,但发展强度不同。利用常规观测资料和NCEP FNL分析资料,通过对涡度平流、温度平流、湿位势涡度及锋生函数等物理量进行诊断并结合高、低空环流形势对两个气旋发展动力机制进行对比分析,结果表明:C304低空温度平流在气旋发展初期起主要作用,高空正涡度平流为地面气旋发展提供高空辐散场,地面气旋中心上空垂直上升运动增强,对流层低层斜压性明显,气旋性涡度增加主要在对流层下层,低空斜压强迫是主要发展机制;C502低空温度平流弱,斜压性不明显,高空正涡度平流促使高空闭合环流发展,对流层上层有高湿位涡舌发展下垂并与对流层下层正湿位涡柱耦合贯通,垂直上升运动分布在地面气旋中心两侧,高空位涡下传是主要发展机制。两个气旋发生发展在对流层上层两支急流共存、急流非纬向性反气旋性弯曲环流形势下,对流层低层为气旋式环流背景。     

对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制.结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征.暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论.     

等熵位涡在一次淮河流域大暴雨分析中的应用

利用NCEP/NCAR 1°×1°逐日再分析资料、常规气象观测资料,通过等熵位涡理论对淮河流域2009年9月24—25日的大暴雨过程进行分析。结果表明:淮河流域对流层低层的中尺度低涡的发生发展与此次暴雨密切相关;315 K等熵位涡高值中心的移动和强度变化很好地反映出中尺度低涡系统的发展变化情况,其移动方向与雨带走向一致,降水落区主要位于等熵位涡高值中心轴线移动方向右侧的强西南气流处,对应于345 K等熵面上干冷空气移动方向前部的暖湿区内;在暴雨发展强盛时期,淮河流域暴雨区上空从对流层高层至低层均存在明显的正等熵位涡平流,干冷空气的侵入使得低涡加强发展,辐合上升运动增强,有利于暴雨的增幅,这是引发此次暴雨过程重要的触发机制。     

热带气旋“尤特”（2006）南海突然减弱的机理分析

应用NCEP/NCAR再分析资料,对热带气旋“尤特”（2006）在我国南海突然减弱的机理进行了分析。结果表明：水汽通道的切断是热带气旋“尤特”突然减弱的必要条件,“尤特”突然减弱对水汽来源切断的响应时间大约为12 h;对流层中低层水汽辐散区的出现,抑制了低层水汽向高层输送,导致“尤特”突然减弱;在其减弱过程中,贯穿对流层的位涡柱高值区不断向对流层中层收缩并加强,同时与平流层高位涡区迅速分离;在热带气旋“尤特”突然减弱前6 h,环境风垂直切变突然增大,同时在“尤特”不断减弱的过程中,环境风垂直切变呈现总体逐步增大的趋势。     

一次无地面冷空气触发的西南涡特大暴雨分析

利用NCEP 1°×1°的再分析资料对2007年7月17日重庆西部的特大暴雨天气过程的环流背景、主要影响系统--西南涡的演变进行诊断分析.结果表明:(1)在有利的大尺度环流背景配合下,产生此次过程的主要影响系统为西南涡和低空急流,副热带高压的西进北抬为水汽的输送提供了有利的条件;(2)最强降水时段出现在西南涡的最强盛期,垂直螺旋度的大值中心位置和强弱变化与低涡及强降雨的位置和强度有很好的对应关系;(3)在此次过程中虽然无地面冷空气的触发,但由于高层较强的冷平流形成的干冷盖和低层的暖湿气流与强烈的上升运动的极佳配合,使得强对流天气得以发生,高层的干侵入成为此次过程的触发动力;(4)西南低涡上空的不同高度上不同强度的干侵入效应,使得高层高位涡下传,而高层高位涡区的下传和中低层高位涡区的加强,导致西南低涡的气旋性环流加强,降水增强.     

黄河气旋暴雨过程发展演变成因分析

2016年7月19-21日华北地区出现了一次影响范围广、累积雨量大、持续时间长、局地雨强大的极端强降水过程,强度仅次于1963年8月8-9日极端降水事件,河北多地及北京的降水总量和持续时间超过2012年"7·21"特大暴雨。本文利用地面自动气象站、气象卫星以及NCEP再分析等资料对导致此次特大暴雨的环流配置尤其是黄河气旋的发生发展等特征进行分析。结果发现,深厚的华北低涡、与低涡相联系的西风槽、副热带高压以及低涡诱发的黄河气旋是此次暴雨的直接影响系统。副高的阻挡使得气旋移动缓慢,且移动过程中两次呈现逆时针旋转路径。地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层正涡度平流之差较大的区域移动。同时,由于降水产生的凝结潜热释放和上升运动产生的正反馈作用,引导气旋向上升运动强的地方移动。强降水造成的潜热反馈对低层位涡增长起了重要的作用,有利于地面黄河气旋系统生成。同时,高空高位涡沿等熵面下传与低空系统耦合,并与地面气旋上空的暖平流成正反馈作用,进而导致地面黄河气旋迅速发展。卫星水汽图像水汽暗区的干带具有高位涡特征,将其与高层位涡场结合分析,有助于在水汽图像上对高空动力特征的发展演变进行判断,为温带气旋的监测提供参考。     

一次变形场背景下的暴雨位涡诊断研究

利用中国自动气象站与CMORPH融合的逐时降水资料和NCEP逐6 h再分析资料,从等熵位涡的角度对豫北地区2016年7月8日夜到9日上午在一次变形场背景下的暴雨天气过程做分析和研究。结果发现:(1) 7月8日20:00(北京时,下同)至9日08:00,随着高位涡和冷空气的逐渐东移,豫北位涡值变大,干冷空气与暖湿空气相遇使豫北地区有降水生成。而后9日14:00由于高位涡的继续东移以及台风的登录,致使豫北地区位涡变小,台风强度变弱,进而降水减弱。(2) 7月9日02:00-08:00,111°E附近上空的高位涡向东向下传输,使豫北暴雨区上空位涡增大,同时地面存在强水汽辐合,其辐合最大值位于900 h Pa高度上的太行山迎风坡处。另外,9日08:00豫北暴雨区从对流层高层400 h Pa至地面有次级环流生成,其上升支对应豫北暴雨区。(3)位涡收支方程诊断分析表明,9日08:00在500 h Pa高度上豫北暴雨区的局地位涡增加,主要来自水平平流的贡献。     

一次梅雨锋暴雨的数值模拟及位涡诊断

在对2005年7月11—12日发生在长江中下游地区的一次暴雨过程进行天气分析的基础上,利用MM5数值模式对这次暴雨过程进行模拟,模拟结果及客观分析对比表明,MM5基本上成功地再现了这次暴雨过程。对模式输出的高分辨率结果进行诊断分析,发现梅雨锋暴雨期间,暴雨区上空对流层中低层有平行于雨带的位涡（PζV）、湿位涡垂直分量（MζPV1）的正值区以及湿位涡水平分量（ζMPV2）的负值区,而分布在高层相当位温（eθ）线密集带上PζV、ζMPV1正值中心以及ζMPV2负值中心沿该密集带传向低空。干空气侵入在这次暴雨过程中有重要作用,对流层高层西风分量下传将高纬高层高位涡干空气带到低纬暴雨区低层,促使对流层低层对流发展,从而产生强降水。     

一次辽宁秋季暴雨天气的诊断分析

使用1.0°×1.0°NCEP再分析资料,对2006年10月21—22日深秋暴雨在天气形势分析的基础上,进行物理量诊断。结果表明:在有利的环境背景形势下,高位涡从对流层高层向低层伸展并形成湿位涡柱,引起气旋性环流与低涡环流叠加。对流层低层的湿斜压性增强,引起低层的锋区加强及垂直涡度发展,高空入侵干冷空气锲入底层,低层暖湿空气强迫抬升,使地面发展为气旋;高低空急流耦合产生上升气流,同时较强的补偿下沉运动激发上升运动加强,使次级环流加强,触发不稳定能量的释放;低空急流和超低空急流向辽宁输送暖湿空气及能量,对流层中低层形成湿柱并积聚高不稳定能量;中尺度气旋、高低空急流、湿位涡柱、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间和落区。     

“05·6”华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA-Interim再分析资料,对"05·6"华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层信号进行分析。分析结果表明,暴雨发生前一周,暴雨区域上空对流层顶高度出现先降低后升高再降低的变化,这种变化与日本南部的位涡异常存在较好的对应关系,即我国中纬度沿海一带至日本的高位涡带向华南延伸,使得华南地区上空的位涡升高,对流层顶下降。在环流场中,本次暴雨发生前低纬地区上对流层下平流层（UTLS）区域的东风与1991~2010年平均值相比偏强偏北,华南地区上空平流层东风场也偏强,平流层低层东风在暴雨发生前第9天提早向下传播;位势高度场中,"05·6"华南暴雨发生前中低纬度100 hPa上的南亚高压中心位置偏东偏南;华南地区UTLS区域有较强的位势高度场正异常,在暴雨发生前随时间出现两次明显的加强,但在暴雨发生后减弱。南亚高压中心位置的偏移、东风信号的提早下传、高位涡空气入侵华南均有利于降水的发生。     

高原涡移出高原后持续的对流层高层环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、历史天气图与青藏高原低涡切变线年鉴,继高原涡移出高原后持续的对流层中层环流特征分析基础上,依据持续强影响高原涡的分类,对1998-2012年持续强影响高原涡不同类型在生成、移出高原、持续强盛与将减弱消失时的对流层上部多种物理场进行了合成与对比分析。结果表明:持续强影响高原涡持续的对流层高层共同的环流特征是,南亚高压脊线在25°N-28°N,东伸到100°E以东;低涡附近或以北的200 h Pa上空有≥32 m·s-1急流核区的西风急流,和300 h Pa上空有≥20 m·s-1中心区的较强偏西风气流,影响低涡活动的500 h Pa天气系统与低涡的上空200 h Pa有辐散区。反映了高空辐散、高空锋区分别对低涡起了利于低涡辐合加强、高位涡下传引起低涡涡度增加的作用。研究分析还揭示了各类高原涡移出高原后持续的对流层高层的环流特征的主要差异和物理图象。