切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

一次暴雪天气过程的螺旋度分析

2009年3月19—20日新疆中天山出现暴雪天气,本文采用NCEP再分析资料计算和分析了这次暴雪天气过程的850～200 hPa范围内的垂直、水平螺旋度和总螺旋度,结果表明:暴雪区上空垂直螺旋度呈上负下正分布,有利于暴雪的发生;暴雪发生在低层水平螺旋度负值中心和整层螺旋度正值中心的东南边缘;总螺旋度强弱的变化反映了暴雪天气系统的趋势。分析表明螺旋度能较好地反映新疆暴雪天气的发展、维持状况及强弱程度,并对暴雪落区的预报有一定的指示意义。     

青南地区两次强对流天气过程中物理量诊断分析

利用NECP的1°×1°的再分析同化全球资料,对玉树地区发生的两次强对流过程进行了动力条件及水汽条件的物理量诊断分析。结果表明,在强降水发生的时段内,中、低空垂直螺旋度有明显的增大过程,并出现正值中心,而高空垂直螺旋度则出现明显的减小且出现较强的负值中心。高、低空的负、正值闭合极值中心出现时间和强降水发生时间段具有良好的对应关系,尤其高层负值中心;中、低层均有较强的辐合区,辐合中心强度大于30×10-5·s-1,且一个明显的特征是该辐合区扩展到350 hPa以上,高层有较强的辐散区,其中心一般在250 hPa以上;青南地区出现较强的水汽辐合同时在其偏南地区出现较强的水汽辐散中心,对形成强降水过程非常有利;湿位涡的负值出现可能对临近强对流天气有一定的预报指示意义,湿位涡的正负值过渡区域可能是强对流天气的发生区域。     

基于Ｔ／２分数间隔的ＳＥＩ双模式盲均衡算法

采用NCEP/NCAR 1°×1°最后分析资料（final analysis,FNL）计算“圣帕”台风螺旋度,探讨各垂直层上水平螺旋度与强降水时间演变的关系、水平螺旋度与强降水落区的关系以及垂直螺旋度时间演变与强降水发生、发展的关系。结果表明,700 hPa螺旋度最能反映强降水时间演变,正螺旋度大值中心附近与暴雨落区一致,同区域内螺旋度中心值的强弱与该区域内降水的强弱关系密切;若垂直方向上高低层的螺旋度同时由负值转为正值,则强降水发生,反之降水减弱、停止;对于预报台风强降水时效,水平螺旋度远比垂直螺旋度、散度、垂直速度具有更多有效预报时间;对于预报台风强降水落区,垂直螺旋度比水平螺旋度更具有优势,若能利用垂直螺旋度对水平螺旋度预报强降水作出订正可能将有助于提高台风强降水预报准确率。     

强沙尘暴天气过程的螺旋度特征分析

利用NCEP/NCAR每日4次全球再分析网格点资料以及常规观测资料,对发生在内蒙古中西部的一次强沙尘暴天气进行了诊断分析。结果表明：在沙尘暴发生区上空,强沙尘暴发生时,螺旋度的绝对值达到最大,这与强沙尘暴发生的时间是基本一致的,且此时螺旋度的垂直分布呈明显的上负下正的形式,而在沙尘暴发生前和减弱时,或者螺旋度的垂直分布值较小,并且没有形成螺旋度明显的上负下正的分布形式;强沙尘暴天气爆发时,沙尘暴发生区上空螺旋度的垂直分布特征在对流层下层为正值区,对应正的垂直速度,而在对流层中上层为负值区,对应负的垂直速度,则低空深厚的上升运动区对应的螺旋度垂直分布形势十分有利于沙尘暴的发展;高低层螺旋度与强沙尘暴的发生、发展在时间上有较好的对应关系,这就说明螺旋度作为一个反映动力参数的物理量,在强沙尘暴预报中有一定的指示意义,且螺旋度的水平分布特征可以反映强对流天气的位置,与天气系统关系密切,故可以将其投入业务使用。     

基于雷达径向风的广东2011年4月17日强对流过程螺旋度特征分析

利用中国气象局广州热带海洋气象研究所数值模式预报的12 km产品,对广州市加密的雷达径向风资料进行修正,计算出较高分辨率的螺旋度分布,从而对2011年4月17日广东省强对流过程进行分析。结果发现,利用较高分辨率的螺旋度可以更方便对较小尺度的强对流及雷雨大风天气的生成、发展过程进行诊断分析和监控预报;而相对螺旋度对强对流发生的指示效果明显好于普通的螺旋度指标。当强对流发生时,螺旋度的分布基本与垂直速度分布一致;在强对流发生地附近的上空,垂直风切变线十分明显,且强对流向上可达100 hPa高度,向下到达地面;在垂直方向上螺旋度大值区具有漏斗状特征,而垂直螺旋度仅在113.18 °E,22.98 °N附近上空存在一条上下垂直分布的较强大值线,说明该强对流天气过程具备一定的龙卷风特征。      

垂直能量螺旋度在双流机场雷暴预报中的应用

文章引入垂直能量螺旋度指数的概念,并利用NCEP 1°×1°再分析资料,将其应用于双流机场2011年5月8—9日出现的雷暴天气过程,并对2009—2012年双流机场出现的32次雷暴天气过程进行统计,验证垂直能量螺旋度指数的有效性及普适性。结果表明,该指数综合反映了对流天气发生时的热力效应和动力效应,有明确的物理意义,是诊断和预报强对流天气的有效指数;垂直能量螺旋度对预报双流机场未来3h以内的雷暴天气有一定的指示意义,雷暴天气一般出现在垂直能量螺旋度大于0.62×10-5J·m·kg-1·s-2的条件下。     

2004-07-16河南省特大暴雨过程螺旋度分析

应用螺旋度理论对2004年7月16～17日河南省特大暴雨天气过程进行了诊断分析.结果表明螺旋度分布与低层天气系统有很好的对应关系,暴雨过程中相对垂直螺旋度大值区长轴始终与低层南北向切变线走向一致;大暴雨区与低空水平螺旋度大值区长轴走向一致,且与水平螺旋度梯度≥130 m·s-2的区域基本对应;暴雨首先产生在高湿中心与不稳定能量中心相重叠区域,并随相对垂直螺旋度正值增大而增强,且与水汽输送区相对应.     

珠江三角洲附近地区强风暴的中尺度环境场若干特征分析

用滤波方法对两次强风暴天气过程进行尺度分离,得到与强风暴天气区相对应的中尺度扰动流场,分析结果表明:(1)强风暴天气—般出现在前期的层结不稳定区域内非热成风的大值中心附近。(2)在强对流的活跃阶段,在行星边界层的较下部和对流层的中部,分别有一无辐散层;从地面往上,辐散辐合依次相间出现;在强对流区的上空,存在明显的中尺度辐合和辐散中心。 此外,文中对中尺度扰动和强对流天气的成因作了初步讨论。      

河北中南部一次大暴雨个例的成因诊断

利用NCEP 1°×1°再分析资料和常规资料,分析了一次河北中南部罕见短时特大暴雨的环流背景,计算了暴雨发生过程的干位涡、湿位涡值以及暴雨区域垂直螺旋度的大小.然后利用这些物理量从动力、热力学方面对河北暴雨进行综合分析.结果发现:500 hPa干位涡正压项能较好地表征冷空气和辐合区的强度和移动方向,斜压项负值由小到大引发降水强度的增加,斜压项负值的减小预示着降水的减弱.在此暴雨个例中,强对流发生区域与湿位涡异常的移动方向有较好的相关性,强对流出现在湿位涡移动方向前部的等值线密集区,且短时暴雨靠近零线一侧.正MPV1异常与负MPV2异常相叠置区域,即大气对流稳定时,因垂直涡度得到发展,激发出强对流.低层螺旋度正值中心的出现并增大,预示着强对流的发生,同一经度相邻正负螺旋度中心的存在有利于正螺旋度区域暴雨强度的增大.     

用热成风螺旋度诊断强对流灾害天气

对2006年7月中下旬由西太平洋地区生成,登陆我国,并对我国造成严重影响的强热带风暴"碧利斯"(0604号)和台风"格美"(0605号)的基本情况做了详细的总结,并基于武汉暴雨所AREM(Advanced Regional Eta Model)模式预报的700 hPa流场、900 hPa风场及降水量场,就模式对台风登陆时间、登陆地点、移动路径及其引发的附近最大风力和降水过程的预报情况做了分析.结果表明:"碧利斯"达强热带风暴强度,于7月14日12:50在福建霞浦登陆,后西行,造成位于21°N以北、28°N以南东西向的带状雨区,"格美"为台风强度,于7月25日15:50在福建晋江围头镇登陆,后西行,造成华东南地区近西南-东北走向的雨带,两台风给沿途及附近省份造成严重的气象灾害和人、财损失;AREM模式总体上对两台风附近最大风速,风雨带的基本位置、形态、走势、强度预报较好,对一些强降水中心的预报较为理想,但多数强中心的预报与实况存在位置和强度上的偏差;模式对于台风登陆时间和地点的预报较好,偏差较小,对于两台风西行走势的预报也基本符合实况,但也存在一定的预报位置偏差.     

水平螺旋度在沙尘暴预报中的应用

为了更准确地预报中国北方沙尘暴的强度和范围,应用2002—2010年3—6月逐日08和20时高空流场资料、高空图资料和地面每3 h的天气图资料,计算近地面至500 hPa的水平螺旋度。结果表明,螺旋度负值中心值越大,辐合上升运动越强,风速越大,对应沙尘暴的强度就越强。螺旋度负值中心常常在河西走廊附近最强,沙尘暴发生在螺旋度负值中心附近或下游。在沙尘关键区(40°—48°N,84°—120°E)当出现螺旋度≤-600 m2/s2的负值中心时,6 h内该区或其下游将产生能见度低于500 m的强沙尘暴,螺旋度负值中心与下游沙尘暴发生区有良好的对应关系。通过对中国北方区域性强沙尘暴典型个例、甘肃省河西走廊东部沙尘天气的对比分析,螺旋度有较强的日变化,白天强于夜间,对冬春季中国北方干旱区的冷锋型沙尘暴天气有较强的预报能力。     

黄土高原一次引发短时致洪暴雨MCC的特点及成因

利用MICAPS资料、多普勒天气雷达资料和NCEP资料等,对2013年7月25日黄土高原一次引发短时致洪暴雨MCC的特点及成因进行了分析。结果表明:300hPa天气尺度反气旋和500hPa天气尺度西南气流是MCC在对流层中上层的直接影响系统,700hPa α-中尺度横切变和850hPa副热带高压西侧α-中尺度低涡是MCC在对流层低层的直接影响系统;地面湿焓场低值舌的活动是MCC触发机制之一;地面湿焓场≥40℃高值中心区和MCC生成区相对应;MCC生成区在径向速度场上出现西南低空急流的生成和维持、逆风辐合区的生成和维持,低层辐合和高层强辐散的配置,为MCC的生成及暴雨的形成提供了动力条件;冷暖平流的配置也为MCC生成和东移发展创造了有利条件;空间剖面图上看到的湿螺旋度高值带对MCC生成发展和东移具有指示意义。      

一次豫北春季强对流暴雨过程的螺旋度分析

利用中尺度有限区域WRF模式输出的细网格资料和多普勒雷达观测资料,根据螺旋度理论,结合稳定度条件以及水汽和能量等物理量,对2009年3月20日夜至21日凌晨发生在豫北的一次强对流及暴雨过程的局地螺旋度演变进行诊断分析。结果表明,这次春季强对流和暴雨与西南急流和高温高湿不稳定能量密切相关,正螺旋度大值中心出现的高度与对流发展的强弱有关;500 hPa螺旋度正值区中心与强对流降水区域对应;暴雨易产生在850 hPa螺旋度中心附近,螺旋度的强度变化对强对流系统的移动、发展及暴雨的发生有一定的指示意义。     

东北冷涡诱发的一次连续强风暴环境条件分析

从深对流发展必须满足的对流层低层有足够强的湿层、层结不稳定和足够强的触发机制出发,对2002年7月11～15日由东北冷涡诱发的一次连续强风暴生成的环境条件进行了诊断分析。结果表明:低层暖湿条件是冷涡强对流预报的关键,强大的冷涡由于冷性层结深厚难以诱发强的对流性天气,而其分裂的次涡度中心或弱的冷性低涡配合低层暖湿气流常常产生突发性强对流性天气;强的风垂直切变引发的斜压不稳定和垂直运动是强对流触发和维持的重要条件,风暴发生前边界层到500 hPa风向随高度顺转超过90°,随着对流性天气的发展,850 hPa以上风垂直切变逐渐减小,而850 hPa以下可能受低层冷丘产生中高压的影响,切变有增大的趋势;冷涡诱发的强对流性天气常常位于高空急流出口区左侧,但在实际预报业务中需要配合散度场来进行综合判断。     

河西走廊“2010.04.24”特强沙尘暴特征分析

利用全天空成像仪、地面、高空气象观测资料、数值模式资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2010年4月24日甘肃河西走廊的特强沙尘暴过程进行了分析。结果表明,从观测到沙尘至天空完全被沙尘遮蔽,仅仅只有2.5min;中西伯利亚—新疆北部的偏北大风携带着极地强冷空气入侵,造成了甘肃河西走廊的特强沙尘暴。进一步的分析还表明,沙尘区域上空存在一个西风急流中心,其高度在200-250hPa之间,沙尘暴爆发时,风速增大到40m.s-1,高度降低,范围扩大。由急流中心向地面伸展的最大风速带将高空动量向下传播,引发了河西走廊的沙尘暴;南北风的变化主要发生在250hPa以下,最大中心高度均位于400hPa附近,北风前锋到达之处,沙尘暴爆发;冷空气爆发时,首先造成地面气温的急剧下降,其次是700hPa和500hPa气温下降;地面热低压的强烈发展,一方面使气压梯度加大,另一方面导致边界层对流不稳定,二者的作用都增强了沙尘暴的强度。     

一次强沙尘暴的近地层气象要素及内部热力、动力结构特征

针对2009年4月23-24日出现在我国内蒙古中西部的一次强沙尘暴天气过程,利用专门组织观测实验得到的加密探空资料、地面自动观测站资料和其他常规观测资料,深入分析研究了此次沙尘暴发生前后及发生期间,近地层气象要素变化及其内部热力、动力结构特征变化.结果表明,1）沙尘暴发生前,大气的温度垂直递减率大,湿度较大,近地层风速小,风向偏东;在沙尘暴发生期间,大气中出现逆温现象,大气湿度很小,各层风速明显增强,风向偏西且稳定;之后,低层温度显著下降,大气湿度迅速增大,各层风速减小,沙尘暴天气结束.2）沙尘暴发生前,大气层结是条件不稳定的,在沙尘暴过境时,低层大气层结是稳定的,在800600 hPa之间大气层结是中性的,此时低层大气干燥,而在沙尘暴移出测站后,湿度明显增大,因此,“3θ”曲线可以为沙尘暴的监测和预报提供一个有价值的参考数据.3）沙尘暴爆发时的螺旋度是所有观测时次中的最大值,螺旋度与沙尘暴的强度在时间上具有良好的对应关系,即螺旋度越大,对应沙尘暴越强.4）此次强沙尘暴的形成与发展不仅受到环境风速的影响,沙尘暴内部的切向旋转速度和垂直运动速度也对其起到重要的作用.     

第二类热成风螺旋度对登陆台风降水的诊断能力分析台风泰利个例研究

文中利用中尺度数值模式MM5模拟了台风泰利的登陆过程,模拟的台风路径、天气形势和降水都与观测基本一致,能够很好地反映出真实的天气过程.再利用数值模拟结果,研究了第二类热成风螺旋度(H_2)对登陆台风泰利降水的诊断能力,结果表明它对深入内陆的台风强降水具有较好的诊断能力,而对刚登陆前后的台风降水诊断能力不如经典螺旋度.特别地,H_2在提前1 h时与泰利降水达到最高相关系数,且在提前1-5 h时,它与降水的相关性比经典螺旋度的高,表现出十分显著的预示降水增幅的能力.进一步分析表明,在刚登陆前后,泰利台风中心850-200 hPa的风场垂直切变较小(约5 m/s),其最强降水出现在路径右侧300 km半径范围以内,与低空的正温度平流、低空辐合、高空辐散等无明显的关系,而低空相对涡度能够很好地反映降水的变化,这是经典螺旋度与降水在这一阶段相关性优于H_2的主要原因.而在深入内陆后,台风泰利本体环流减弱,受北部西风槽的影响逐渐增强,环境风场垂直切变迅速增大,发生强降水的庐山和大别山区处于顺垂直风切变方向左侧.在东北向的垂直风切变情况下,庐山和大别山强降水区上空有向东的高空急流出流,强高空辐散诱发垂直次级环流,从而激发对流,形成强上升运动区,因此H_2的诊断优势在这一阶段表现得最清楚.     

江苏沿江地区一次强冰雹天气的中尺度特征分析

利用常规气象资料、卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料,对发生在江苏沿江地区一次强冰雹天气形势背景、环境热动力条件、强冰雹发生前地区环境场变化、超级单体雷达回波中尺度特征等进行了详细分析。结果表明:(1)在东北冷涡槽后干冷气流影响下,中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结,高低空急流以及地面辐合系统的配置为此次强对流天气的产生提供了有利热动力条件;高CAPE值、逆温层、低层适当水汽条件及较强的深层垂直风切变有利于强冰雹天气的发生。(2)利用多普勒天气雷达、风廓线仪数据反演垂直分布的物理量场(平均散度、平均垂直速度、相对风暴螺旋度、垂直风切变)能够反映本站上空环境场的快速变化情况:强对流系统移入本站前雷达站上空逐渐调整为低层辐合、中高层辐散的风场配置结构,螺旋度和垂直风切变数值逐渐增加,表明环境场有利于强对流系统的维持发展。(3)强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外,持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。应用双多普勒雷达风场反演技术揭示了超级单体内部环流结构:低层气旋性旋转,中层旋转加强,高层风场辐散。超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于支撑空中大冰雹的增长。     

甘肃夏季特强沙尘暴分析

夏季沙尘暴的气候特征表明,夏季是甘肃省沙尘暴的次多发季节,主要集中在民勤、鼎新、金塔。通过对一次罕见的甘肃省夏季强沙尘暴天气分析发现:高空小槽、切变线、热低压是引发夏季沙尘暴的主要天气系统,而春季沙尘暴一般是大尺度天气系统造成的;夏季沙尘暴发生前期高空急流反映并不明显,急流风速的突然加大和沙尘暴几乎同时发生,这是夏季沙尘暴预报的难点之一;沙尘暴发生前8~12 h的螺旋度场对沙尘暴预报有较好的指示意义,正值越大,沙尘暴越强,但当沙尘暴与强降水同时发生时,沙尘暴区螺旋度值明显小于强降水中心螺旋度值。