"98.7"突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的涡源诊断

1998年7月20～23日(简称“98．7”)发生在武汉周边地区的特大暴雨过程与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS及MβCS直接关联。利用MM5模拟提供的高空间分辨(20km)输出资料，对这次突发性特大暴雨中尺度切变线低涡发展的动力学机制进行了诊断。涡度分析指出，高、低空正涡度中心在武汉周边地区上空的叠加和耦合是该低涡切变线持续发展的主要物理机制之一。总涡源的诊断揭示，在突发性暴雨强烈发生发展期，武汉周边地区上空从低层到高层有一近乎垂直的涡源高值区生成和维持，其垂直结构的发展演变与涡度场垂直结构的发展演变相一致。这一结果表明，大气总涡源对该中尺度低涡切变线的生成和发展起着决定性作用，也是该暴雨中尺度系统持续发展的重要动力学机制。对贡献于总涡源的诸分量计算表明，在650hPa以下，散度项对大气总涡源的正贡献最大，但在此层以上至200hPa之间，垂直涡度平流项的贡献要比散度项大，同时水平平流项也为正贡献；在整个对流层，扭转项对总涡源为负贡献，散度项只在450～250hPa之间为负贡献。在近地层，垂直涡度平流项和水平平流项基本对总涡源不作任何贡献。时间平均涡源和纯扰动涡源对低涡切变线的生成很重要；在强烈发展期，相互作用涡源作用最大，纯扰动涡源贡献次之；随着非线性相互作用涡源贡献的减小，低涡切变线东移减弱。在该期间时间平均涡源和纯扰动涡源仍为正贡献。     

西南涡研究和观测试验回顾及进展

西南涡是我国最主要的灾害性天气系统之一,对西南涡及其影响的研究和预报,一直是天气学领域的重点和难点。从西南涡研究和观测试验的回顾及10年来的进展两个方面,系统总结了国内外关于西南涡系统及其降水影响的主要成果;重点讨论了西南涡研究与应用存在的基础数据、中尺度特征、演变机理、天气影响和预报技术等主要问题;并且,强调了深入开展西南涡中尺度分析研究,尤其是其观测布局试验的重要性;最后,指出了基于与西南涡结构、演变和影响尺度匹配的观测系统、多源数据、分析技术和研究理论,加强西南涡及其影响的中尺度气象学观测、试验、理论和应用的综合研究是其未来的重要发展方向。     

2008年7月黄淮暴雨过程中西南涡结构特征分析

对西南涡暴雨的预报不仅取决于对西南涡移动路径的把握,也与西南涡的结构及其演变密切相关。利用NCEP/NCAR 1°×1°逐6 h再分析资料,对2008年7月一次东移影响黄淮的西南涡的结构特征和暴雨机理进行分析,结果表明:西南涡的生成过程包含高原涡的耦合诱发,西南涡的生成、发展与干位涡向对流层低层扰动下传有关;中高纬冷空气与副热带高压边缘暖湿气流对峙加强了系统的斜压性,使西南涡中心向上伸展的位涡柱和正涡度柱具有向西倾斜的结构;成熟的西南涡具有中尺度非对称的显著斜压结构特征;对流层中层正涡度平流是西南涡发展和引导西南涡移动的重要因素;凝结释放大量潜热促使低层西南低涡发展,使降水增强。     

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析

利用动力诊断方法,对2008年7月20~22日高原低涡与低层西南低涡相互作用引发西南低涡强烈发展和四川大面积特大暴雨天气发生机理进行了诊断分析。分析表明：高原涡与西南涡涡心之间的纬向距离在5个纬度的时候,两者上升气流都在500 hPa以下,当两者继续东移,在经向上耦合的时候,二者同时得到发展,西南涡中心的上升气流达到300 hPa,而高原涡中心的上升气流突破200 hPa;西南涡在低层出现初期,在一定程度上制约了高原涡的发展,随着两者在经向方向发生耦合,上下涡度平流不同造成垂直差动,将激发500 hPa以下的上升运动与气旋性涡度加强,使得500 hPa与700 hPa涡心正涡度值的增大近1倍。并且涡前的正涡度变率使得高原涡发展并东移,待垂直耦合后,高原涡与盆地涡相互强迫作用促使气流上升运动加强也是导致高原低涡与西南低涡共同发展的一种机制。     

一例伴随西南涡的入海高原涡持续活动成因分析

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,采用天气学分析和要素诊断方法,对2013年6月4-10日伴随西南涡的入海高原涡从位涡、涡度及非绝热加热角度进行了诊断,分析了高空大值位涡、大值涡度下传以及非绝热加热在高原涡各生命阶段里的作用,以及与西南涡相遇对高原涡维持发展的影响,一定程度揭示了高原涡能够东移入海、长时间持续发展的原因。结果表明,高空急流的位置及强度变化对高原涡东移、入海发展至关重要,此例高原涡是在高空急流引导下东移入海的,而急流上携带的大值位涡、大值涡度下传是高原涡能够持续活动、最终入海并在海上保持活力的动力来源,尤其是当急流断裂处形成低槽时,低槽内的高位涡和强涡度下传为高原涡提供了充足的能量,使得高原涡强烈发展,而西南涡与高原涡相遇、重叠更使高原涡"锦上添花",达到了鼎盛,一旦失去高空的支持,高原涡迅速衰减、消亡;西南涡则不然,即使没有高空位涡、涡度的支持,西南涡仍由于非绝热加热的作用而强盛发展;高原涡、西南涡各生命阶段的视热源差异分析显示,非绝热加热对高原涡、西南涡的生成都有重要的作用,且作用方式相同,但生成之后,非绝热加热对高原涡的影响甚微,而对西南涡,非绝热加热仍然至关重要,不仅决定着西南涡的生命史长度,也决定着西南涡发展的强度。     

西北涡与西南涡共同作用引发秦巴区域大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、 ERA-5再分析数据、 FY-4A卫星资料,对2021年9月3-4日一次西北涡与西南涡共同作用引发的秦巴区域大暴雨过程进行了研究,探讨了两涡作用导致大暴雨的中尺度环境场特征,并对西南涡的形成过程进行诊断分析。结果表明：秦巴区域的大暴雨是在西北涡与西南涡共同作用下由中尺度对流复合体（Mesoscal Convective Complex, MCC）引起的,强降水位于MCC云顶亮温冷中心及后部偏冷空气一侧的亮温梯度大值区。西南涡生成前,西北涡后部的偏北气流与西南气流形成了中尺度切变线,在秦巴区域触发对流不稳定而激发出中尺度对流云团而产生降水;西南涡生成后与西北涡共同作用,使秦巴区域水汽的输送加强,对流层低层形成强烈辐合,正涡度和垂直上升运动加强,使MCC强烈发展并具有较长生命史,同时伴随β和γ中尺度的对流云团发展,加强了该区域的强降水,从而造成大暴雨。该过程中西南涡是由500 hPa低涡产生的正涡度和高位涡向下传递强迫,使西北涡后部偏北风与西南气流气旋性运动加强从而形成涡旋环流,西南涡与500 hPa低涡的垂直耦合使其发展为强大的涡旋系统,从而加强水汽的辐合上升运动以加...     

一次东移型西南低涡的数值模拟及位涡诊断

利用非静力中尺度模式WRF对2011年6月16-18日引发强降水的一次东移型西南低涡过程进行了数值模拟,结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次西南低涡所引起强降水的范围和移动。低涡首先在低层850 hPa形成,9 h之后在700 hPa出现闭合低涡,发展成熟。西南低涡的初生和成熟阶段在对流层低层都维持与正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构,并伴有上升运动;在成熟阶段,上升运动、正涡度柱和高位涡柱明显加强、发展至对流层高层(300 hPa)。低层水汽通量散度对降水带的强度和移动都具有较好的指示意义。位涡收支诊断分析表明,非绝热作用项的垂直结构与垂直通量散度项相反,潜热释放造成的非绝热作用项有利于低层位涡增长、抑制高层位涡增长,对西南低涡的生成、发展有重要作用。     

“81.8”持续暴雨期中-α尺度低涡发展的涡度变率及其热源

1981年8月14日至22日(“81.8”)发生在陕、甘、川毗邻区的一次持续暴雨过程,与伴有切变线的低涡持续发展直接关联。涡度变率诊断揭示,涡度正变率中心初生于青藏高原东侧低空,其后出现了高、低空涡度正变率中心的迭加和耦合以及在垂直方向的贯通过程。涡度正变率中心的这种垂直结构及其演变,与切变线低涡生成和发展的正涡度中心垂直结构及其演变基本一致。在贡献于涡度变率的因子中,非线性相互作用涡度变率的相对数值最大;由于地形强迫的时间平均涡度变率只对切变线低涡的生成和维持是重要的;扰动涡度变率在切变线低涡强烈发展时才有值得注意的贡献。中尺度热量和水汽收支诊断揭示,视热源Q_1和水汽汇Q_2垂直积分的高值区同切变线低涡发展区及暴雨区大体一致;Q_1和Q_2的时空平均垂直廓线表明,Q_1的最大加热区间在570至400 hPa,而Q_2的最大区间在650至550 hPa;由于感热和潜热对流涡动通量辐合的加热,约等于凝结释放潜热量的一半。     

高原涡诱发西南涡伴行个例的环境场与成因分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、历史天气图、青藏高原低涡切变线年鉴,分析了1998-2013年持续高原涡诱发西南涡结伴而行的观测事实,并对一例持续高原涡诱发西南涡的长时间伴行过程进行天气、诊断分析。结果表明,在持续高原涡与西南涡共同活动过程中,两涡移向较一致的多数是由持续高原涡诱发的西南涡过程造成的,它们的移向多为向东或东北移;持续高原涡诱发的西南涡是在500h Pa上东亚环流经向度减弱,在处在切变流场中的高原涡的环流东南部-西南气流下空生成的;伴行的西南涡受高原涡活动影响大,高原涡加强会影响西南涡加强;高原涡对西南涡的诱发作用是由高原涡移出高原,其伴随的正涡度向下伸,与对流层低层盆地内气流的气旋性弯曲所伴的正涡度叠合,使盆地内气旋性涡度加强而诱发西南涡生成的,西南涡区上空正涡度平流随高度增加的强迫上升作用是高原涡诱发西南涡的又一重要因素;高原涡与西南涡伴行是与高原涡区、西南涡区的正涡度平流及高原涡区、盆地涡区上空正涡度平流随高度增加的强迫上升作用密切相关的。     

位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ω_ID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表...     

基于西南涡加密探空资料同化的一次奇异路径耦合低涡大暴雨数值模拟研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,引入业务探空资料和西南涡加密探空资料,对一次四川盆地奇异路径低涡耦合大暴雨过程进行了数值试验,对比检验不同同化试验对本次过程降水和低涡移动路径的模拟能力,分析了加密探空资料同化对西南涡结构及其降水演变的影响。结果表明:在同化业务探空资料的基础上,引入西南涡加密探空资料能改善模式对本次降水和低涡移动路径的模拟,而仅同化业务探空资料对模拟结果的改善作用有限;引入西南涡加密探空资料,一方面能在初始风场上产生气旋式扰动,增加初始高原涡和西南涡的强度,另一方面通过调整初始四川盆地上空大气温、湿度结构,使模式在积分初期就能产生出实况量级的降水;西南涡加密探空资料的同化试验揭示了仅靠高层的高位涡不足以激发和维持700 hPa的西南涡,需要通过低层水平辐合引起正涡度增加并向上输送来增强700 hPa的气旋式环流,进而促进西南涡的移动和发展,而模拟初期降水的潜热释放也起重要作用,加深了对西南涡及其降水成因的认识。      

"96.1"暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断Ⅰ: 涡度和涡度变率诊断

利用引入三相云显式降水方案后改进和发展的中尺度模式(MM4)模拟输出资料, 对"96.1"高原暴雪切变线发生、发展的结构进行了运动学和动力学诊断.涡度场演变指出, 高原上局地涡度中心和涡度带的生成和发展不仅与暴雪切变线的形成和发展密切相关, 而且有预测切变线生成的先兆意义; 涡度场、散度场、垂直速度场与相当位温场的剖面结构诊断表明, 运动场和热力场的相互配置与耦合关系极有利于暴雪切变线发展及暴雪形成与维持; 涡度变率诊断结果指出, 涡度正变率中心带初生于暴雪切变线附近, 其时空演变与切变线生成和发展相伴的正涡度中心带垂直结构及演变基本一致.在对涡度变率贡献的诸因子中, 非线性相互作用涡度变率的相对数值最大; 时间平均涡度变率的贡献次之; 与强波扰气流有关的扰动涡度变率贡献最小.在总涡度变率的诸强迫项中, 散度项贡献最大; 水平涡度平流项次之; 垂直涡度输送项和扭转项的贡献相反, 基本上互相抵消.     

不同涡源西南涡的若干统计特征分析

利用2012～2016年Micaps天气图资料和《西南低涡年鉴》,对西南低涡及不同涡源西南涡的变化特征、活动期和移动特征以及对降水的影响等进行了统计分析。结果表明:(1)西南低涡平均每年生成95次,但各年差异大。其中,九龙涡最多,盆地涡次之,小金涡最少。西南低涡多发时段在春季与夏初,其中,九龙涡多发时段在春季与夏季,盆地涡多发时段在冬季与春初,小金涡多发时段在冬末与春季。(2)西南低涡活动主要在4～7月,小金涡最长生命史可达168h,在7月;九龙涡最长生命史156h,在5月;盆地涡最长生命史144h,在4月。西南低涡大多数在生成后24h内消失。在12月的西南低涡生命史最短,绝大部分在24h内。(3)西南低涡有三分之一能移出涡源区。其中,九龙涡移出的个数最多,盆地涡其次,小金涡移出的个数最少,但移出几率最高。3～6月是西南低涡移出的主要时段。其中,九龙涡主要移出时段在4～7月;盆地涡主要移出时段在1～5月;小金涡主要移出时段在2～5月。(4)西南低涡主要移动路径是东北、东、东南。其中,九龙涡以东北移为主;盆地涡以东北移、东移为主;小金涡以东移、东南移为主。(5)除冬季、春初外,不同涡源西南涡不论活动时间长短,都会造成降水,九龙涡造成的降水一般比盆地涡大。西南涡造成的很强降水多出现在6～7月。      

西南低涡研究的一些新进展

西南低涡是我国重要的暴雨天气系统,有关西南低涡的形成、发展、结构与降水等方面的研究工作又取得了新的进展.本文在简要总结近10年来取得成果的基础上,指出了存在的问题,对深化西南低涡的研究工作具有积极意义.     

一次西南涡诱生气旋引发的湖南大暴雨个例分析

基于NCEP再分析资料、常规观测站点降水数据,研究了2013年5月14-15日发生的一次西南涡诱生气旋的结构演变特征及其在湖南产生大暴雨的动力学机理,最后利用Okubo-Weiss参数(OW)及位势涡度(Potential Vorticity,PV)定量分析了西南涡切变线和诱生气旋的发展过程。结果表明:(1)此次大暴雨是一例由西南涡诱生气旋引发的强降水过程。在气旋波生成阶段,西南涡风场由对称结构变成不对称结构;在诱生气旋的成熟阶段,西南涡风场再次发展为对称结构。切变线上的不稳定为气旋性扰动的生成提供了有利环境条件,导致西南涡诱生气旋波沿切变线东移并随之产生大暴雨。(2)在气旋波生成之前,西南涡环流及西风绕流涡度带表现为OW参数和PV大值区,西南涡外围是OW参数负值环绕区,有利于切变线的生成和维持。在绕流涡度带与切变线结合之后,切变线的旋转性加强,风场的旋转性诱生出气旋性扰动。(3)诱生气旋发展的主要原因是气旋波在有利的高低空形势场配置下不断积累正位涡,OW极大值和PV极大值重合并远超停滞的西南涡。     

“6·30”川渝特大暴雨过程中西南低涡发展机制模拟分析

利用地面加密自动站、NCEP(1°×1°)再分析及WRF-ARW数值模拟资料,对造成2013年6月29日至7月1日川渝地区特大暴雨过程的西南低涡的演变特征及热动力机制进行了诊断分析。此次特大暴雨过程分为三个阶段,其中与西南低涡发展相关的第二阶段为主要降雨时段。结果表明:(1)西南低涡生成后,呈现增强-减弱-再次增强的波动性演变特征,在6月30日上午和夜间分别经历了两次显著的涡度发展过程,并在第二次发展过程中达到最强。(2)低空辐合是西南低涡最主要的涡源,由低空辐合导致的正涡度增加近乎贯穿于整个西南低涡的生命史。在西南低涡的第二次发展过程中,中层辐合和涡度的垂直输送显著增强,也是西南低涡的重要涡源。(3)负值非平衡动力强迫激发了低空辐合的增长,在非平衡动力强迫的各项中,位势高度的拉普拉斯项为非平衡动力强迫提供了主要的负贡献来源。(4)非绝热加热先于西南低涡而增强,两者间的正反馈作用可能是西南低涡波动性发展的重要机制。在关闭了微物理过程中的潜热和地面潜热及感热通量的敏感性试验中,西南低涡及降雨的模拟均有不同程度的减弱。     

“98.7”暴雨β中尺度低涡生成发展结构演变:双向四重嵌套网格模拟

用非静力中尺度模式MM5.V3全物理湿过程和双向四重嵌套网格技术及四维资料同化分析张弛方法,对1998年7月20～22日(简称"98.7")鄂东武汉沿江地区特大暴雨进行了36 h数值模拟,结果大大改进了原二重和三重嵌套网格的模拟,特别是水平分辨率为2 km的嵌套子域D04能更正确地模拟出暴雨的落区及雨强中心,进而揭示了强暴雨β中尺度系统发生和发展的结构及演变. 其主要结果包括(1)β中尺度切变线在鄂东沿江低空强烈发展及辐合中心的出现与其β中尺度低涡的形成和发展直接关联.(2)β中尺度切变线强烈发展的垂直结构强辐合层和强辐散层复式迭置并与强上升运动耦合发展;强涡度层和强位涡度层与强辐合层互伴发展;低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存.(3)β中尺度低涡生成的垂直结构散度和上升运动均呈双支柱状发展;涡度和位涡度均呈单支柱状发展;高湿能柱呈双支耦合发展,水汽通道呈阶梯斜升状.(4)β中尺度低涡发展的垂直结构V字型散度柱和上升运动柱互耦发展;涡度和位涡度呈双支柱状;双支高湿能柱强烈发展,阶梯斜升水汽通道变宽增厚.至此低涡发展达最强,其结构具有典型性.模拟结果还指出,发展时空分辨率更高的多重嵌套网格模拟技术和应用四维资料同化方法,将有助于更细致的了解β中尺度强对流系统发生和发展的结构及其演变,并能进一步提高对暴雨落区及雨强的预报水平.     

西南涡的气候学研究进展

西南涡是特殊地形与区域环流条件相互作用而产生的α中尺度天气系统,对我国西南地区的天气、气候和环境具有重要影响。本文系统梳理了西南涡的涡源分布、活动频数、移动路径及强度变化的多时空尺度分布特征,阐述了西南涡活动对我国西南及其下游地区天气、气候及区域环境的影响,总结了西南涡与高原涡、南亚高压等重要的天气系统的协同作用过程,综述了近年来西南涡气候学研究的进展,旨在为后续展开的西南涡的客观识别算法和技术研究提供基础信息。综述发现,前人研究中关于西南涡活动异常变化特征的结论并不一致,这可能是选用的资料时段、时间长度以及西南涡识别方法等不同造成的。因此,建立一套基于客观算法识别的西南涡基础研究资料是展开未来高质量研究的基石,对理解、预测西南涡活动具有极其重要的意义,并有利于进一步提升西南地区天气、气候、环境预测水平。     

一次引发川东暴雨的西南涡特征分析

利用NCEP再分析格点资料、常规观测资料、自动站降水资料、0.1°×0.1°的FY-2E云顶亮温资料,对2013年6月29日至7月1日发生在四川东部的大暴雨过程进行分析,结合涡度收支方程重点分析了引发这次大暴雨的西南涡结构。结果表明：在西南低涡发生发展过程中,对低涡发展起直接作用的是水平辐合辐散项和水平平流项,低涡形成前水平辐合辐散项起主要贡献,低涡形成后水平平流项贡献增大,并在对流层中低层以正贡献为主,扭转项贡献最小,而垂直输送项在低涡形成前期以正贡献为主,低涡减弱阶段以负贡献为主;在西南低涡形成前期,对流层高层有位涡大值区向下传输至中层,中高层正位涡叠加在低层负位涡之上,有利于低层低涡的发展及不稳定能量的存储与释放,是低涡维持发展的重要因素。