应用新型散度方程诊断暴雨的触发和增幅机理

分析散度及其变化是进行暴雨研究的途径之,而传统的散度方程不能显示包含热力场分布影响散度演变的问题。因此,利用陈忠明等导出的新型散度方程和NCEP/NCAR(1°×1°经纬度)再分析资料,针对贵州省2007年7月25—26日持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,定量诊断分析大气运动的正压非平衡强迫、湿斜压非地转与风垂直切变耦合强迫在暴雨发生发展过程中的作用,并与地面1、6h降水观测资料和卫星云图资料进行对比分析。探讨正压非平衡强迫、湿Q矢量与垂直风切变的湿斜压热动力耦合强迫导致辐合增加与暴雨发生、发展的动力机制。结果表明:强降水主要发生在近中性或弱不稳定层结条件下。大气运动的正压非平衡强迫导致辐合增加是强降水过程的触发机制;在暴雨维持和增幅过程中,湿斜压热动力耦合强迫在强降水的维持方面扮演了重要角色。当强降水过程发生后,才存在湿斜压热动力耦合强迫作用,湿斜压热动力耦合强迫作用是暴雨增幅的动力机制。未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置与散度演变的强负值区变化一致。新型散度方程对强降水预报有指导意义,可以作为诊断散度场演变的一种有效的数学工具。     

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。     

2016年梅雨期间长江中下游强降水与对流层上层斜压波包的关系

2016年6—7月,长江中下游地区发生了自1998年以来最严重的强降水事件,造成了重大的经济损失。利用NCEP/NCAR再分析资料和中国2479站逐月及逐日降水资料,研究了2016年梅雨期间长江中下游地区降水与欧亚大陆对流层上层斜压波包活动的关系,并诊断了两者之间的信息流向。结果表明,梅雨期间的高频斜压波动具有明显的下游频散效应。波动起源于黑海,沿西北—东南方向于3—4 d后传至长江中下游地区。斜压波包为长江中下游地区强降水的发生提供了必要的能量。波作用通量矢量的分布表明,梅雨期间逐日均有来自西风带上游的扰动能量向长江中下游流域传播。而梅雨期间降水与斜压波包的信息流关系表明,二者之间存在信息传递。因此,3—4 d并源于黑海附近的斜压波包活动是2016年长江中下游梅雨期间异常降水的成因。这些结果为深刻认识长江中下游地区强降水事件发生的成因和有效预测提供了线索。      

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料,从新型散度方程出发,针对2007年7月16~20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用,并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明:1)强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2)在强降水开始时期,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合,正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著,是本次降水开始的启动机制。3)在降水发展维持时段,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好,斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应,对强降水的发展维持起了至关重要的作用,是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4)正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义,有助于提高暴雨预报准确率。      

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。      

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8～9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明：8～9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。     

多源探测资料在一次非线状MCS分析中的综合应用

用多种加密观测资料和NCEP日再分析资料分析了2010年7月14日强降水期间咸宁地区一次非线状MCS活动造成短时强降水的发生发展机制.结果表明,14日13-18时非线状MCS回波结构组织性差,强对流单体散乱地分布在大片层状回波中,准静止地维持在湖北咸宁地区大约5h,造成了短时强降水.该MCS发生在梅雨锋锋面附近的地面涡旋环流中,高空冷空气侵入和锋前抬升运动是对流的主要触发机制,切变线南侧不稳定的暖湿气流在长江中游地区辐合集中、局地的地面气流辐合和边界层有利的风切变是该非线状MCS发展维持在成宁地区的有利条件.高时空分辨率探测资料对MCS演变过程有较好的分析能力.     

陇东南汛前期2次斜压锋生类短时强降水过程动力特征对比

2019年4月19—20日(简称"4·19")和4月26—27日(简称"4·26")陇东南出现2次区域短时强降水天气过程,利用常规气象观测资料和ERA5再分析资料,通过诊断锋生函数、温度平流、垂直风切变等物理量对2次过程的动力特征进行对比分析。结果表明:(1)2次过程均存在高空冷平流、低层冷暖气流交汇,地面分别有明显的冷锋和冷式切变辐合线,属于斜压锋生类强对流。(2)在同样显著的斜压大气环境条件下,2次过程动力特征存在明显差异,"4·19"过程冷空气较为深厚,中、低层强冷平流驱动低层锋生,对流发生在锋面强迫抬升的动力不稳定条件下,呈现出锋面降水特征;"4·26"过程低层及近地层有冷空气扩散,对流发生在近地层锋生与低空急流共同作用下,由热力不稳定主导,对流性降水特征显著。(3)700 hPa和850 hPa锋生函数可分别定量描述低层和近地层影响系统的时空分布和演变特征,由于近地层触发系统受地形影响难以界定,尤其"4·26"过程低层及近地层冷空气路径复杂,锋生函数可作为近地层触发系统判定的物理量指标。     

江西省一次短历时暖区暴雨中尺度结构及发生维持机制分析

利用地面和高空、卫星TBB、多普勒雷达和GFS(0.5°×0.5°)逐6 h再分析等资料,对2011年6月10日江西省西北部一次短历时暖区暴雨中尺度结构及发生维持机制进行分析。结果表明:1)此次过程是在有利的高、低空系统配置下发生在梅雨锋南侧的暖区暴雨,边界层急流和低空急流提供了充足的水汽条件,增强低层热力不稳定;高空分流区使大气动力不稳定发展,高低空急流的耦合作用为MCS维持提供了必备的不稳定机制;中低层热力不稳定,中高层对称不稳定,形成此次对流性强降水。2)地面中尺度辐合线、非锋性斜压带、能量锋的抬升作用为MCS生成和发展提够了启动机制。3)低层强盛的水汽输送、层结不稳定和地面持续而强的中尺度抬升使得多个雷暴单体在江西省西北部连续传播,形成"列车效应",降水强而集中。4)在水汽和不稳定条件具备的情况下,暖区对流性强降水发生在强低层辐合与强高层辐散相重迭的区域。     

鲁西北一次持续性暴雨成因分析

利用地面自动气象站、NCEP 1°×1°和FY2E反演T_(BB)等资料,对2012年7月31日—8月1日发生在山东一次持续的区域性暴雨进行分析和研究。结果表明,(1)在副高稳定的形势下,低层切变线、地面冷锋是造成暴雨的主要天气系统。(2)低层锋生强迫激发了非地转垂直环流,上升气流加强,雨强增大,上升支的建立到强降水开始间隔约6 h。(3)暴雨区925 hPa湿斜压项在强降水时为负值,其增强应为低层锋生作用造成的。雨区范围和雨强随湿斜压项增强而增大。(4)对流单体的生成和加强影响降水落区和雨强,增强的单体合并时雨强最强。T_(BB)中心区位于低层切变线与锋面右侧,强降水位于两者之间。(5)地面辐合线与T_(BB)中心基本重合,辐合线左侧气旋性弯曲处与T_(BB)中心区后侧的等值线梯度大值区位置一致,强降水则出现在两者重叠处。(6)干线与辐合线是此次强降水的重要中尺度系统,干线始终落后于辐合线,其分布对暴雨落区有一定的指示意义。     

青藏高原对1998年长江流域天气异常的影响

利用NCEP再分析资料分析了青藏高原对 1998年夏季长江流域洪涝及天气异常的影响 ,并讨论了第 2段梅雨期的暴雨与长江流域洪涝灾害的关系。研究结果表明 :由于青藏高原的热力作用 ,夏季高原东北部斜压性强 ,多短波槽活动。 1998年长江流域两段梅雨期间 ,高原东移的短波槽加强了梅雨锋 ,并引起梅雨锋上强暴雨。 1998年长江流域的 8次洪峰均与高原东侧短波槽东移有关。由于梅雨期前面几场暴雨已使得土壤水份饱和 ,沿江各支流及湖泊水位很高 ,梅雨期的最后一场暴雨的大量雨水往往作为径流流入江河或湖泊 ,与长江洪峰汇合后易造成洪涝灾害     

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE INTENSIFYING AND WEAKENING LANDFALL TROPICAL CYCLONES DURING EXTRATROPICAL TRANSITION OVER CHINA

Based on the Tropical Cyclone(TC) Yearbooks data and JRA-25 reanalysis data from the Japan Meteorological Agency(JMA) during 1979-2008, dynamic composite analysis and computation of kinetic energy budget are used to study the intensifying and weakening TCs during Extratropical Transition over China. The TCI shows strong upper-level divergence, strengthened low-level convergence and significantly enhanced upward motion under the influence of strong upper-level troughs and high-level jets. The TCI is correspondingly intensified after Extratropical Transition(ET); TCW exhibits strong upper-level divergence, subdued low-level convergence and slightly enhanced upward motion under the influence of weak upper-level troughs and high-level jets. It then weakens after ET. The increase(decrease) of the generation of kinetic energy by divergence wind in TCI(TCW) at low level is one of the major reasons for TCI’s intensification(TCW’s weakening) after transformation. The generation of kinetic energy by divergence wind is closely related to the development of a low-level baroclinic frontal zone. The growth of the generation of kinetic energy by rotational wind in TCI at upper level is favorable for TCI’s maintenance, which is affected by strong upper-level troughs. The dissipation of the generation of kinetic energy by rotational wind in TCW at upper level is unfavorable for TCW’s maintenance, which is affected by weak upper-level troughs.     

东北冷涡诱发的一次MCS结构特征数值模拟

应用MM5模式对2002年7月12日东北冷涡诱发的强风暴进行了数值模拟,较成功地模拟出了MCS强对流风暴结构。东北冷涡南部锋区斜压扰动及有利的潜在不稳定层结为MCS产生提供了环境条件。MCS在发展阶段,天气尺度抬升使不稳定能量积累,低层中尺度能量锋区及中尺度气旋性环流加强使中尺度辐合加强,产生中尺度强上升气流冲破中层稳定层结,倾斜上升逐渐发展为垂直上升。MCS强风暴成熟阶段地面气压场表现为强的雷暴高压,并有弱的前导低压和尾随低压配合。对应于雷暴高压的边界层冷丘与南部的暖湿气流形成的θe不连续线加强了低层气流的辐合抬升。前导低压与800~700hPa暖心低压扰动合并在一起,是由地面辐合、上升气流抽吸、潜热增温共同形成的低压扰动,对对流系统的维持和移动有重要作用。     

定量诊断华南春旱的形成机理

华南地处气候年际变化很大的东亚季风区, 近年来秋冬春干旱灾害频繁, 尤其自20世纪90年代末以来的干旱灾害给华南工农业生产和人民日常生活造成严重的影响。华南地区春季降水多是偏南暖湿气流在华南抬升的结果, 为了全面而客观地查找华南春旱的主要成因, 本研究从建立在流体所有守恒定律的华南 (局地纬向平均) 经向环流数学模式入手, 在成功地模拟了导致华南春旱的华南地区(105°E～120°E纬向平均)经向环流后, 定量地诊断分析了各动力热力因子对该经向环流的贡献。结果表明, 激发华南地区下沉和30°N附近上升的距平经向环流的因子主要有: 反映位置偏北的锋面对流活动的潜热加热(由其激发的经向环流下沉支对华南地区总下沉运动贡献占56％)、反映西风带扰动的经向温度平流(占25％)和反映西风急流的纬向西风动量平流(占20％）。为了了解使锋面位置偏北的大气环流统计特征, 本研究还分析了华南春旱年(涝年)500 hPa位势高度距平(相对于1980～1999年平均)和华南春旱严重的1991年旱期(雨期)500 hPa位势高度场, 发现华南春旱(涝)时乌拉尔山阻塞高压偏强(弱）, 副热带高压偏西偏北 (偏东偏南）。对华南春旱严重的1991年乌拉尔山阻高与500 hPa位势高度距平场作相关分析发现, 西太平洋副高变化滞后乌拉尔山阻高变化2～6天。     

Modelling stratification and baroclinic flow in the estuarine transition zone of the St. Lawrence estuary

Abstract

This paper presents a hydrodynamic study of the St. Lawrence Estuary's estuarine transition zone, a 100 km region where fresh water from the river mixes with salt water from the estuary. The circulation of the estuarine transition zone is driven by strong tides, a large river flow, and well‐defined salinity gradients. For this study, a three‐dimensional hydrodynamic model was applied to the estuarine transition zone of the St. Lawrence Estuary and used to examine stratification and density‐driven baroclinic flow. The model was calibrated to field observations and subsequently predicted water level elevations, along‐channel currents, and salinity with mean errors of less than 9%, 11%, and 17%, respectively. The baroclinic density‐driven currents were distinguished from the tidal barotropic currents by using principal component analysis. Stratification and baroclinic flow were observed to vary throughout the estuarine transition zone on tidal and subtidal spring‐neap time scales. On a semidiurnal tidal time scale, stratification was periodic, and baroclinic flow was represented by pulses of sheared exchange flow, suggesting that neither buoyancy forcing nor turbulent mixing is dominant at this scale. On a subtidal spring‐neap time scale, stratification and baroclinic flow varied inversely with tidal energy, increasing on weak neap tides and decreasing on strong spring tides.     

A Trend towards a Stable Warm and Windless State of the Surface Weather Conditions in Northern and Northeastern China during 1961–2014

This study investigates the trends in the mean state and the day-to-day variability(DDV) of the surface weather conditions over northern and northeastern China(NNEC) during 1961–2014 using CN05.1 observational data. In this study, we show that the surface temperature(wind speed) has increased(decreased) over NNEC and that the DDV of the surface temperatures and wind speeds has decreased, indicating a trend towards a stable warm and windless state of the surface weather conditions over NNEC. This finding implies a trend towards more persistent hot and windless episodes, which threaten human health and aggravate environmental problems. The trends are also examined in reanalysis data. Both the ERA-40 and the NCEP data show an increasing(decreasing) trend in the mean state of the surface temperatures(wind speeds). However, the reanalysis data show a consistent decreasing trend in the DDV of the surface weather conditions only in the spring. The underlying reason for the decreased DDV of the surface weather conditions is further analyzed, focusing on the spring season. Essentially,the decreased DDV of the surface weather conditions can be attributed to a decrease in synoptic-scale wave activity, which is caused by a decrease in the baroclinic instability. There is a contrasting change in the baroclinic instability over East Asia, showing a decreasing(increasing) trend north(south) of 40°N. This contrasting change in the baroclinic instability is primarily caused by a tropospheric cooling zone over East Asia at approximately 40°N, which influences the meridional temperature gradient over East Asia.     

锋面北侧冷气团中连续降雹环境场特征及成因

对2009年2月24日—3月5日我国南方锋面北侧冷气团中连续冰雹天气过程的环流形势和环境场特征及形成机理进行分析。此次冰雹过程是发生在我国南方典型的连阴雨天气形势背景下,欧亚中高纬度地区为两槽一脊形势,副热带高压偏强、中南半岛为低槽区,青藏高原有5次短波槽东移,中层700 hPa暖湿气流势力强盛。中层强西南暖湿气流在强锋区 (冷垫) 上抬升,形成我国南方典型的高架雷暴。高架雷暴的发生与中低层强温度锋区、中层700 hPa不低于20 m·s-1的西南急流、强风垂直切变、对流层中层较大的温度直减率、较低的0℃层高度 (4 km以下) 有关。     

西风带高空槽对登陆我国变性热带气旋的影响及其机理研究

应用日本气象厅1979~2008年的热带气旋资料以及日本25年 (JRA-25) 再分析资料, 本文首先对登陆我国变性加强和变性减弱的两类热带气旋进行了合成对比分析, 发现热带气旋变性后的强度变化与相应的西风带高空槽的强弱有很好的对应关系。然后, 我们选取了2004年登陆我国的热带气旋Haima为研究对象, 通过中尺度模式模拟再现了其登陆后变性演变过程, 采用片段位涡反演方法改变了模式初始高空槽的强度, 研究了高空槽强度的变化对Haima变性过程的影响。研究表明: (1) 高空槽加强 (减弱) 后, Haima移速明显加快 (减慢), 此外深 (浅) 槽对应的Haima变性加强过程中心气压降幅较大 (小); (2) 不同强度的高空槽与Haima相互作用的过程中, 深槽对应的高空急流范围较大, 强度更强, 相应的高空强辐散有利于Haima明显的再发展; (3) 另外深槽对应着较强的高层正位涡带, 正位涡向下伸展诱发低层Haima正位涡明显增长, 从而导致低层锋区的强烈发展和低层气旋的明显加强。     

2014年冬季阿图什2次灾害性大风对比分析

2014年11月下旬和12月上旬,南疆西部的克州地区出现了两次灾害性大风天气,12月8日克州阿图什的大风突破建站以来的历史极值。本文利用常规观测资料和NCEP 1°×1°的6小时再分析资料,对这两次大风天气成因进行了对比分析。结果表明：秋末冬初南北支高空急流震荡汇合时,汇合处易出现西北大风;高空斜压槽和强锋区、地面强冷高压及南疆西部热低压是发生此类大风天气的影响系统;高空中期环流形势、冷空气强度、动量下传决定了大风的类型与强度;温度平流、垂直运动的强度及配置与大风强度关系密切。     

甘肃省两次强沙尘暴天气对比分析

利用常规观测资料、自动站逐时资料及T639数值预报初始场,对2010年3月19日、2011年4月28日甘肃省2次强沙尘暴天气过程从天气概况、气候背景、环流形势及单站地面气象要素、高空急流、垂直速度、稳定度等方面进行深入分析。结果表明:2次过程前期均具有气温偏高、降水稀少的的气候背景;高空斜压槽和强锋区、地面强冷高压和锋前蒙古气旋或热低压是发生此类强沙尘暴的环流形势;高低空急流配置和地面气象要素演变对沙尘暴天气有指示意义;由于2次过程冷空气路径、强度有所差异,因此对甘肃造成的影响不同。