西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是：暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1〈0同时MPV2≥0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是：在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是:暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1<0同时MPV2≧0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是:在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。      

西南低涡研究综述

西南低涡是影响我国降水的重要天气系统之一。最初对于西南低涡的研究可以追溯到20世纪40年代前后。文章主要回顾近半个世纪以来有关西南低涡活动及结构特征,西南低涡形成维持机制,西南低涡发展东移机制等方面的研究成果。在此基础上,指出研究存在的不足,如对西南低涡的云系特征和雷达回波特征的认识,不同尺度系统之间的相互作用对西南低涡发生发展的影响,大气边界层过程如何影响西南低涡发生发展,西南低涡活动异常机理的研究等,以便进一步深入开展西南低涡的研究,提高对此类天气影响系统的认识。     

热带气旋与西南低涡相互作用的两个例研究I．诊断分析

通过对1989年7月8－11日西南低涡与活动于南海的强热带气旋发生远距离的相互作用的诊断分析，揭示出中低纬系统的相互作用在促进西南低涡发展和暴雨发生中所起的一些重要作用。     

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。     

高原涡与西南涡相互作用引发四川暴雨的位涡诊断

利用目动气象站逐时降水量资料和欧洲中期天气预报中心ERA-interim再分析资料,对2013年6月28日至7月2日一次高原低涡(高原涡)与西南低涡(西南涡)相互作用引发四川盆地暴雨的天气过程进行了位涡诊断分析。根据Hoskins位涡理论,对比分析了位涡、高度场、风场中低涡中心的位置差异,分别揭示并验证了高原涡、西南涡在移动过程中的强度变化。结果表明:在高原涡、西南涡形成阶段,位涡中心都位于高度场、风场低涡中心的西侧。高原涡在东移到高原东部的过程中,强度加强;进入四川盆地继续东移的过程中,强度减弱。当高原涡与西南涡实现垂直耦合后,高原涡的强度再次加强;高原涡与西南涡处于非耦合状态时,高原涡东侧的下沉气流将抑制盆地西南涡的发展;而当高原涡东移出高原与盆地西南涡垂直耦合后可激发西南涡加强,高原涡与西南涡垂直合并为一个深厚强涡。从位涡剖面的垂直方向上不仅清晰地反映高原涡与西南涡相互作用过程以及两涡的移动,还可以表示低涡中心强度的变化。等嫡位涡水平面上能较好地反映高原涡、西南涡的移动及演变情况,对强降水中心也有指示作用,可从水平方向显示两涡相互作用过程。     

一次高空槽与西南涡耦合造成的华北暴雨过程分析

2010年7月18-20日西南低涡东北上影响华北,造成了华北地区大范围大暴雨过程。本文利用NCEP/NCAR 1o×1o再分析场资料,分析了本次西南涡北上加强的原因和造成河北大暴雨的形成机制。结果表明：西南涡是这次华北暴雨的主要影响系统,暴雨的持续与西南涡和中纬度高空槽（低涡）的耦合过程密切相关;高、低空急流相互作用,有利于低层上升运动的发展和加强;高空湿位涡扰动下传,使得西南低涡发展加强;暴雨发生时,其上空正涡度中心和强散度中心相耦合,强的上升运动对低层水汽辐合抬升产生暴雨十分有利;中低层的高能高湿为低涡的发展和暴雨的维持提供了能量和水汽。     

GRAPES-REPS西南低涡预报检验评估

利用2015年6—8月GR APES-REPS(Global/RegionalAssimilation and Prediction System-Regional Ensemble·Prediction System)区域集合预报资料,并设计西南低涡格点资料客观识别方法对西南低涡中心位置进行定位,首先评估GRAPES控制预报对西南低涡的预报准确性,之后挑选出四次生命史较长的西南低涡过程,分析评估GRAPES-REPS对西南低涡发生、发展、移动及降水过程集合预报性能。结果表明:(1)GRAPES模式对西南低涡预报的命中率较高,空报率略大于漏报率。(2)GRAPES-REPS对西南低涡发生和发展的预报效果较好,绝大部分集合预报成员能预报西南低涡发生和发展过程,但对西南低涡发生时间预报总体偏早。(3)GRAPES-REPS对西南低涡移动路径在24 h预报时效内比较合理,且集合预报平均明显优于控制预报,24 h之后东移型西南低涡移动路径明显偏北。(4)GRAPES-REPS对西南低涡强度预报总体偏强,表现为中心正涡度值偏大,位势高度值偏低。(5)24 h预报时效内,西南低涡触发的小雨到大雨量级的降水概率评分均有较好表现,且落区与实况接近,而暴雨落区个别略有偏北,但基本吻合。24 h之后,由于东移型西南低涡移动路径偏北导致模式预报降水落区偏北。可见,模式对西南低涡强降水有一定预报能力,因此,提高GRAPES-REPS中尺度集合预报能力,将有助于改进西南低涡强降水预报。     

近61年夏半年西南低涡的统计特征与异常发生的流型分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,统计了1954 2014年间夏半年(5 10月)西南低涡发生次数的年际变化,并着重分析了西南低涡异常发生年份的气候特征。结果表明,西南低涡多发年,低层流场在西南低涡关键区表现为西南风旺盛且辐合异常强,气旋性切变加大,低纬季风环流增强,导致大量正角动量输送至关键区,有利于西南低涡生成;同时印度洋输送至关键区的水汽通量增加,也有利于降水发生。而西南低涡少发年,低纬季风减弱,关键区为异常北风控制,南支绕流偏弱,水平散度场表现为辐散异常强,造成角动量输送减弱,不利于西南低涡生成;且来自于印度洋的季风水汽输送减弱,亦不利于降水发生。因此,除地形和加热作用外,西风带以及季风环流带来的水汽和角动量输送也是影响西南低涡发生的重要因子。     

西南低涡的统计特征及其对湖北降水的影响

在较长时间序列的基础上,利用客观分析统计的结果,阐述了西南低涡的气候特征.对近60年西南低涡个例的分析表明:利用再分析资料进行西南低涡的历史统计是可行的,能够反映出西南低涡的气候态特征,并且与实际观测事实相符,当西南低涡发生异常时,高空西风急流的位置会发生明显变化,两南低涡偏多时所对应的西风急流偏南明显,偏少时则北偏明显;通过其与降水的分析表明,西南低涡与湖北省降水相关较好,全省大部地区相关系数达到了0.35以上,尤其对极端降水的指示意义较为明显.此外,西南低涡与海温场也具有较好的相关性.     

西南低涡发生发展的一种动力机制

本文应用动力分析方法,研究了无摩擦、绝热条件下,西南低涡的发生、发展问题。结果表明,在潮湿不稳定层大气中,惯性重力内波的不稳定发展是西南低涡发生,发展的一种物理机制。非线性作用对低涡发生、发展有着重要影响,考虑非线性作用所得结果与西南低涡发生、发展的天气事实更接近。     

夏季长江流域两类中尺度涡旋的统计与合成研究

利用2000~2013年夏季6 h一次、水平分辨率为0.5°(纬度)×0.5°(经度)的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料,对产生于四川盆地的西南涡和产生于大别山地区的大别山低涡进行了识别,统计出西南涡和大别山低涡的发生频数、初生时段、移动路径、三维结构等气候特征;在此基础上根据涡旋生成前的地面气压场和降水特征,对西南涡和大别山低涡分别进行了分类与合成研究,并细致对比了两类涡旋的异同点,主要结论如下:(1)西南涡在7月上旬最活跃,而大别山低涡则在6月上旬发生频数最高。凌晨时段是两类涡旋的高发期;西南涡日间的生成数目多于夜间,而大别山低涡则与之相反。(2)绝大多数西南涡和大别山低涡维持时间少于12 h;绝大多数西南涡维持准静止,而大别山低涡则主要向东北方向和偏东方向移动。(3)两类涡旋均为对流层中低层的低压系统,其中大别山低涡的垂直伸展层次较西南涡更低。相比于西南涡,由于水汽条件更优,大别山低涡所引发的降水更强,强降水的凝结潜热释放使得大别山低涡的平均生命史比西南涡更长。(4)产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡而言,对流层高层南亚高压的强度更强、辐散更显著;对流层中层与500 h Pa西风带短波槽的配置条件更好;对流层低层涡旋中心附近的辐合更显著、切变更强;并且对流层中低层的上升运动更强。这些都是有利于降水发生与维持的有利条件,而与降水凝结潜热密切相关的热力强迫使得产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡拥有更长的生命史长度,更大的水平半径和更大的涡旋生命史内降水量。     

一次西南低涡东移引发长江中下游暴雨的诊断研究

利用常规观测资料和NECP再分析资料,对2013年6月6—7日西南低涡东移加强发展造成长江中下游大暴雨过程进行了诊断分析,重点探讨了西南低涡东移和发展维持的物理机制以及最强降水的变化特征。结果表明,沿着700 hPa高空切变线东移的西南低涡是造成此次长江中下游地区暴雨的直接影响系统,西南低涡沿着700 hPa切变线东移发展,深厚阶段正涡度柱伸展到400 hPa高度,自下而上呈近垂直结构。西南低涡附近低层辐合与高层辐散的大尺度环境条件、西南低涡与西南低空急流耦合发展动力结构、低空暖平流和高空槽前正涡度平流输送等条件是导致西南低涡东移到长江中下游后加强发展的主要因子。与西南低涡相伴随的强降雨区主要位于低涡南部3个纬距以内,该处的西南季风和副高西南侧东南气流两支水汽输送的汇合为暴雨发生提供了充沛的水汽和对流不稳定能量,而对流层中低层携带的冷空气侵入低层低涡的后部,不仅加强了低涡的斜压性,也促进了上冷下暖不稳定层结的产生和发展,为强降水的发生提供了不稳定对流触发条件。     

一次非典型西南低涡与降水过程相互关系的天气学分析

从大气加热角度分析了发生于2014年10月27~28日的一次非典型西南低涡生成、发展过程及其降水特征,揭示了西南低涡和降水系统之间的相互关系。得到以下结论:(1)西南低涡发生之前的降水使得降水区空气的非绝热加热率随高度不断增加从而促进了此次西南低涡的生成;(2)此次西南低涡的降水主要以对流性降水为主,降水大值中心位于涡心的偏东侧;(3)强盛期的西南低涡伴随有次级环流,次级环流既促进了低涡的进一步发展,又有利于触发涡心东侧的对流从而引发强降水。     

一次青藏高原低涡和西南涡同步变化过程北大核心CSCD

青藏高原低涡(简称高原低涡)和西南涡是影响我国降水的重要天气系统,两者同步变化是引发我国西南和东部地区强降水的重要方式,而两低涡同步变化的物理过程和机理目前尚不清晰。为探究高原低涡和西南涡同步变化的物理机制,选取2020年超强超长梅雨期间一次高原低涡与西南涡同步变化过程,利用ERA5逐小时再分析资料及降水观测资料,分析两涡共存时特殊时间节点所对应的强度、结构等演变特征及位涡收支。结果显示:水平位置不重叠的高原低涡和西南涡也可发生同步变化,即强度变化特征大致相似。两低涡在同步变化之前各自的演变机理不同,但同步变化时两者的演变机理基本一致。具体地,未发生同步变化时,高原低涡主要依靠加热场作用维持东移,西南涡则依靠水平位涡通量散度作用得以维持;两涡同步变化时,两者强度变化相似,演变机理一致,两涡维持主要依靠水平位涡通量散度作用,加热场作用次之。     

高原涡与西南涡相互作用引发MCC暴雨的形成机制分析

使用常规观测资料、ERA-Interim再分析资料和卫星资料,以2014年7月8—10日西南涡和高原涡相互作用引发MCC产生大暴雨的天气过程为例,分析了两涡作用导致大暴雨的形成机制。结果表明:相互作用前期,两涡涡心间距较远,在500 hPa高度上两者同处于青海南部的气旋及其向南延伸的低槽前。约24 h后,高原涡东移与西南涡在不同高度上垂直叠加,耦合作用形成,导致四川盆地的大暴雨。利用卫星云图分析两涡作用伴随的MCC特征,发现强降水区与云团黑体亮温的冷中心吻合。西南涡与高原涡相互作用时,对流层低层形成强烈的辐合,垂直上升运动加强,大气流场呈强烈不稳定性,与涡心附近形成的水汽辐合作用结合,促进MCC发展成熟,导致四川盆地大暴雨天气形成。     

低纬高原西南涡暴雨分析

选取了由西南涡造成的低纬高原暴雨的8个个例,利用中尺度滤波和物理量诊断方法,对低纬高原西南涡暴雨进行了分析研究。研究表明,向东南方向移出的西南涡是造成低纬高原暴雨的重要天气系统,暴雨主要出现在西南涡的西南象限的中尺度辐合线、变形场和气旋之中。造成低纬高原暴雨的西南涡是比较深厚的,其正涡度区在垂直方向通常可达300-400hPa。这种西南涡不仅具有动力性的作用,而且其后部常伴有较强的冷空气活动。正是由于西南涡的动力扰动、冷空气活动和偏南暖湿气流的爬坡抬升共同导致了暴雨的发生。     

一次西南低涡降水雷达回波结构和演变特征分析

基于新一代天气雷达三维组网等多源气象数据分析了2009年7月30～31日的一次西南低涡触发的强降水天气过程以及主要降水时段雷达回波三维结构及演变特征,研究发现:(1)西南低涡降水与低涡强度发展存在不一致性,强降水出现在低涡强度达到最强之前;(2)中尺度对流系统的发生、发展是此次低涡降水的重要影响因素,西南低涡与中尺度对流系统既相互独立又相互影响,降水是两者共同作用的结果;(3)最强组合反射率因子同样出现在西南低涡发展到最强盛之前,西南低涡能显著影响盆地内降水雷达回波的强度与类型。      

引发四川盆地东部暴雨的西南低涡结构特征研究

利用1951-2008年四川盆地(27°-32°N,105°-110°E)54个地面气象观测站网监测的日雨量资料,分析了四川盆地东部暴雨发生的气候特征。结果表明,四川盆地东部暴雨(或伴有雷雨大风、冰雹大风等)多发生在6-9月,川东北和渝东北是单站暴雨的高发区,重庆西部是大范围暴雨的多发区;引发四川盆地东部(宜宾、南充和重庆西部)暴雨的主要天气系统是西南低涡。对2007-2010年6次西南低涡暴雨过程进行了合成分析,分析表明,西南低涡热力结构特征具有200hPa存在明显增暖现象,对流层中低层则由暖转冷;西南低涡初期大气对流性不稳定明显;西南低涡动力结构特征具有200hPa西风急流在36°N附近,500hPa低槽东移,槽前正涡度加强,从对流层底垂直伸展到300hPa以上,正涡度中心随高度向西倾斜,850～500hPa平均正涡度大值区与低涡中心对应,对流层中低层北风大值区与南风大值区在低涡中心附近形成强水平风切变,同时低涡中心附近的垂直风切变也较明显。促使西南低涡发展的水汽主要来自南海,低空急流由南向北输送水汽,将对流层低层到大气边界层内的水汽输送到低涡中心附近。西南低涡发生、发展过程中在红外卫星云图上具有MCC等中-α尺度特征,发展强盛的西南低涡在多普勒天气雷达回波上有"列车效应"和中气旋特征。     

2000年以来西南低涡的研究进展

西南低涡是形成于我国青藏高原东南侧的一种α中尺度涡旋,是导致中国夏半年暴雨的主要天气系统之一。文中简要回顾了2000年以来有关西南低涡的最新研究成果,主要包括西南低涡的人工智能识别、西南低涡频数的长期变化及其气候学特征、西南低涡的集合预报、双核西南低涡的首次发现等。在此基础上,归纳出该研究领域需要深入探讨的若干问题,包括西南低涡频数变化的外强迫因素,青藏高原特殊地形导致的地形Rossby波、重力波与西南低涡之间的相互关系,双核西南低涡的形成机制以及双核西南低涡与经典西南低涡形成机制的差异等。