近30年夏季移出型高原低涡的气候特征及其对我国降雨的影响

利用近30年(1981—2010年)历史天气图、MICAPS资料以及台站降雨资料,对6—8月移出型高原低涡的时空分布特征及其对我国降雨的影响进行了研究,并初步分析了不同路径移出型高原低涡的环流形势及降雨分布。结果表明:近30年来平均每年有9个高原低涡能够移出高原而发展,移出型高原低涡涡源主要在西藏改则、安多和青海沱沱河以北以及曲麻莱附近,并以东移为主,占移出型高原低涡的58.2%,而东北移和东南移的分别占25.5%和13.8%,其它路径占2.5%。东移路径移出型高原低涡频次与长江流域中上游、黄河流域上游及江淮地区的降雨有较好的正相关;东北移路径移出型低涡频次与长江流域上游、黄河流域以及东北降雨相关较好;东南移路径移出型低涡频次与高原东南侧及长江流域的降雨有较好正相关。各路径移出型低涡的降雨合成分析距平异常大值区分布与各路径正相关分布一致,且降雨异常大值中心与正相关大值中心相对应。利于高原低涡移出并发生降雨的500 hPa异常环流形势为:东移路径,中高纬异常环流型为“西高东低”分布,西太平洋副热带高压(简称西太副高)强度偏弱且位置偏东、偏南,低涡降雨带维持在长江流域与黄河流域之间;东北移路径,中高纬异常环流型仍为“西高东低”型,西太副高强度偏强且位置偏北、偏东,雨带维持在黄河流域及东北地区;东南移路径,为“两高夹一低”异常型环流,西太副高强度较强且位置偏西、偏南,降雨带位于长江流域及其以南地区。      

不同路径移出型西南涡对中国中东部降水的影响

利用欧洲中期天气预报中心提供的ERA-Interim再分析资料、热带降雨测量(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星提供的降水反演产品3B42RT、全球降雨观测(global precipitation measurement,GPM)卫星搭载的双频降雨雷达(dual-frequency precipitation radar,DPR)观测数据、FY-2F云类型和云顶亮温等资料,对2010—2020年4—10月(暖季)影响中国中东部降水的西南涡进行分析。结果表明,2010—2020年暖季移出型西南涡共计108例,东移型、东北移型和东南移型占比分别为58.3%、27.8%、12.0%。其中东移型西南涡主要影响长江中下游,雨带呈东西向分布;东北移型西南涡雨带主要位于黄淮到华北一带;东南移型西南涡降水则主要集中在华南及沿海海域。另外,3类暖季移出型西南涡降水云系特征有明显差异,东移型西南涡30°N以北为层状云降水,以南为对流云降水,东北移型为对流云和层状云降水共同影响(即混合性降水),而东南移型则以对流云降水为主;暖季移出型西南涡降水云分类均以积雨云和密卷云为主,且伸展高度高、云顶亮温低,其中东移型和东北移型西南涡云系影响范围更广,而东南移型西南涡云系则呈块状、更密实。     

四川盆地低涡的月际变化及其日降水分布统计特征

利用ERA-interim再分析资料和全国824个气象基准站的日降水资料,统计分析了1983年1月1日~2012年12月31日发生在四川盆地的低涡天气过程及其降水特征,结果表明:盆地涡初生位置主要位于盆地的西南部和东北部,盆地涡夏季出现最多,冬季出现最少,其中初生位置位于盆地西南部的低涡7月出现最多,12月和1月出现最少;位于东北部的低涡6月出现最多,1月出现最少;盆地涡具有明显的日变化,西南型盆地涡3~10月夜晚发生概率均大于白天,其他月份低涡夜发性不明显,而东北型盆地涡只在5~9月期间夜晚发生概率大于白天,其他月份低涡夜发性不明显;盆地涡生命史与对流程度具有相关性,对流发展有利于盆地涡长时间维持,然而,夏季西南型盆地涡即使对流没向上发展也能长时间维持;盆地涡夏季移出最多,尤其以7、8月最明显,冬季移出最少,7月前以偏东路径为主,7月后以东北路径为主;盆地涡频数的月际变化与川西高原西南涡源地的风场扰动移出有密切联系,九龙地区夏季风场扰动移出活跃,冬季移出不活跃。小金地区春季风场扰动移出活跃,冬季移出不活跃。九龙地区风场扰动移出对盆地涡频数的月际变化贡献明显,小金地区风场扰动移出对盆地涡频数的月际变化贡献不明显;夏半年(5~10月)西南型盆地涡和东北型盆地涡引起的日降水区域分布的月际变化特征不同,前者的日降水最大值中心随月份先由盆地东北部向西南部移动,之后再由盆地西南部向东北部折回,后者的日降水最大值中心会一直稳定维持在盆地的东北部达州地区。东北型盆地涡虽然出现频次低,但各月的日降水强度要远大于西南型盆地涡。     

2004—2017年夏半年西南涡在四川盆地形成降水的特征分析

利用0.5°×0.5°分辨率的CFS再分析资料,对2004-2017年5-10月西南涡进行了普查,按TMPA V7资料显示的降水分布特征对西南涡进行分类。统计了不同类型西南涡出现的频数,并对西南涡降水特征进行分析,包括降水范围与强度等,最后分析了4类西南涡代表个例的环流和降水形成机制差异。结果表明,夏半年西南涡降水依次频繁出现在西南涡东北部、东部、东南部、中部;分析4类频数较多的西南涡降水特征,发现中部降水型暴雨范围最广,降水强度最强,其次为东南降水型、东部降水型与东北降水型。对代表个例的环流特征分析发现,中部降水型西南涡与东北型冷暖气流均在盆地北部相遇,不同的是,中部降水型冷空气范围更大,并与西南气流形成环型流场;东南降水型与东部型相似,二者均无冷空气入侵,差异表现在东部降水型西南气流偏东,并翻越大巴山,而东南降水型气流遇大巴山后向西绕流。对各类西南涡降水形成机制的分析,发现西南涡降水与其临近地区显著的垂直环流圈有密切关系,降水区通常与环流圈位置对应。     

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。      

移出高原后长生命史高原低涡在不同移动路径下的大尺度环流特征及差异

利用NECP再分析资料及高空观测资料,对2000—2010年移出青藏高原后生命史长达3天或以上的高原低涡进行统计,并根据移动路径的不同将其分为东移、东北移和东南移三类,统计结果表明:在不同时间段,不同移动路径的长生命史高原低涡具有不同的活跃度,盛夏7月,东移个例远远多于东北移和东南移个例,东南移个例多于东北移个例;而在夏末8月,东南移个例则远多于东北移和东移个例。选取不同移动路径的个例,进行对流层中上层环流背景特征分析,指出其500hPa环流形势,温度平流及200hPa环流形势的共同特征和差异。分析结果表明:500hPa环流形势,副热带高压的位置、走向分布对长生命史高原低涡的移动路径有显著影响。东移、东北移、东南移三种路径,副热带高压依次减弱。印缅地区,东南移路径为季风低压,而东移和东北移路径则为季风槽或印缅槽,即东南移路径25°N以南具有相对较低的位势高度,有利于高原低涡的向南移动;200hPa环流,东移、东北移、东南移三种路径,南亚高压1252dagpm东伸脊点依次偏西。东移路径,南亚高压东伸脊点的明显偏东,使得高原低涡移出高原后受一致西风引导气流的影响,而对于东南移个例,相对北抬的南亚高压前及相对较深的110°E槽后的西北气流对高原低涡的东南移具有一定的引导作用。温度平流带随时间的走向与不同路径的移动方向有着较好的对应关系。移出高原后的长生命史高原低涡基本在平均冷平流带中移动,东南移的高原低涡个例具有相对较强的冷空气活动,使得高原低涡能够向相对较暖的南方移动。     

汛期西南低涡移向频数的年际变化与降水

利用1960～1999年汛期西南低涡不同移向的数据资料与同期移向相对应站点的降水量进行同步相关分析和检验，并将通过显著水平a=0．05检验的两组资料用墨西哥帽子波进行分析。结果显示：这40年汛期中出现的西南低涡，在原地生消的占总数的一半以上，而能够继续移动发展的西南低涡以偏东路径为主；东北路径的西南低涡与该方向上太原、石家庄降水的相关比较好，偏东路径与汉口降水相关较好，移动总和与内江降水相关较好；从小波分析结果发现东北、偏东路径低涡出现次数与对应站点降水，在10年以上的时间尺度上它们的分布周期存在良好的对应关系。     

有无台风影响下西南涡特征统计分析

利用中国气象局提供的逐日08:00(北京时,下同)和20:00 700 h Pa和850 h Pa高空图以及欧洲中期天气预报中心ECMWF提供的每日四次0. 75°×0. 75°的ERA-INTRIM再分析资料,从生成个数、移动路径、生命史、降水影响四个方面对2010—2017年夏季6—8月产生的149次西南低涡进行统计,并对有无台风存在时的西南低涡进行特征分析。结果表明:有无台风影响下西南低涡发生频次年变化均较小,但存在发生频次差异较大年份,如2017年。整体而言,西南低涡多发月为6月,而受台风影响的低涡多发月则为8月。根据其移动特征将西南低涡分为原地型和移动型,其中移动型进一步分为偏东路径型,东北路径型和东南路径型,其中偏东路径型出现次数最多,东南路径型出现次数最少。移动型低涡在有台风影响时年变化较小且变化强度小于无台风影响时,原地型低涡在两种情况下年变化差异都较大;而四类低涡在有无台风影响下月变化情况各异。不同生命史的西南低涡出现的频次随维持时间增加而减少。西南低涡总是容易带来充沛的降水,移动型西南低涡受台风影响时产生的降水强度更大。     

初夏东北移高原低涡活动特征

高原低涡是青藏高原(简称高原)的主要降水系统,其移出高原后,往往会在高原下游地区造成大到暴雨甚至大暴雨.低涡移出高原后的移动方向主要有东移、东北移等.本文基于1979—2018年高原低涡数据库,选取初夏(6月)东北移低涡为研究对象,依据其移出位置,将其分为偏西型低涡(简称Ⅰ类低涡)和偏东型低涡(简称Ⅱ类低涡),对两类东...     

98.8松嫩流域一次东北冷涡暴雨的数值模拟初步分析

利用MM5中尺度非静力模式对1998年8月8~9日松嫩流域的东北冷涡切变型暴雨过程进行了数值模拟和对比试验。结果表明, MM5能够对此次过程进行较成功的模拟; 同时发现, 此次过程首先由高层强的正涡度平流触发, 低涡区强降水的产生是由于高低空急流的耦合。其中, 高空急流的作用强烈而短暂, 低空急流的作用较为持久, 强度稍弱。阻高前部下沉气流形成的中层偏东干冷气流是切变形成的关键, 它与偏南气流在对流层中层形成的风向切变是产生上升运动的主要强迫机制。减弱阻高使其底部偏东气流减弱及后部偏南气流在高层减弱、低层增强, 导致降水减弱, 并使系统位置偏东、偏南。西北路冷空气增强使低涡和切变北侧高层偏南气流增强、低层偏南气流减弱, 导致降水强度增强、尺度增大。     

移动型与源地生消型西南涡的气候特征

利用ERA5再分析资料与TMPA V7降水资料，对2010~2019年移动型和源地生消型两类西南涡的时空分布、移动和降水特征进行统计分析，结果表明:源地生消型和移动型西南涡年均分别为69和20例，移动型西南涡的主要源地为四川盆地，源地生消型西南涡的主要源地为九龙和四川盆地；两类西南涡均为春夏多、秋冬少，但移动型西南涡的季节差异更大，春夏季生成频次约为秋冬季的3倍；西南涡主要在夜间生成，但日间生成的西南涡中移动型占比较多；源地生消型和移动型西南涡平均生命史分别为15.4h和39.6h；移动型西南涡以偏东路径为主，春夏季移动路径明显较长，冬季移速最大，夏季最小；源地生消型西南涡降水以弱降水为主，移动型西南涡降水强度整体大于源地生消型，以强降水为主。      

高原涡东移与东亚夏季风的关系分析

本文对1979～2017年6月1～5日有无高原涡东移年份从东亚夏季风的高低空环流系统进行对比分析表明:同一较短时间段,有长生命尺度东移高原涡与无高原涡东移的年份,东亚季风区的高低空环流系统有较明显差异,且不同路径东移高原涡高低空环流系统也有异同。(1)高度场:有高原涡东移年份,西风急流大值区较无高原涡东移年份明显偏东,南亚高压中心纬度大致相同,东北移、东南移路径南亚高压中心分别偏北、偏南。有高原涡东移年份东亚大槽较无高原涡东移年份偏东。东北移、东移、东南移的西太平洋副热带高压西伸脊点依次偏南,偏东。(2)水汽条件:有高原涡东移年份均伴随有贝加尔湖东南部输送至我国东北的宽的水汽带,不同东移路径与纬向风分量关系密切。(3)海平面气压场:有高原涡东移年份海陆气压差较大,且海平面气压随着高原涡东移出现一个向东逐渐减小的过程。      

2014年夏季长江流域降水季节内振荡的环流分析

基于台站降水观测数据和MERRA-2再分析资料,分析了2014年夏季我国长江流域降水的季节内振荡特征,并从位涡角度重点研究了与之相关的环流演变。结果表明:2014年夏季长江流域降水季节内变率以10~20d的准双周振荡为主。在降水准双周振荡的极端湿位相,受对流层高层随中纬度波列东传的正异常位涡和南亚高压东侧西南向传播的正异常位涡的共同影响,南亚高压呈“马鞍型”分布,在长江流域形成高空辐散环流;在对流层中低层,当中纬度波列的异常气旋向东南传播至长江流域以北时,西太平洋异常反气旋延伸至中国东南沿海,二者共同导致长江流域低空水汽辐合加强;在高、低层环流的共同作用下,长江流域持续性降水显著偏多,形成准双周振荡的极端湿位相;同时,长江以北高空位涡正异常导致其下方冷空气下沉,触发长江流域异常上升运动和南海地区异常下沉运动,该经向垂直环流圈的形成有利于长江流域正异常降水的维持。反之则形成极端干相位。      

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。     

福建西部山区一次中尺度对流系统触发机制分析

利用常规天气资料及地面自动站、风廓线雷达、新一代天气雷达资料和ERA-Interim逐6 h 0.125°×0.125°再分析资料,分析2015年5月19日福建西部山区一次极端降水的中尺度特征。结果表明:(1)极端降水分为锋前暖区降水和锋面降水两个阶段,暴雨区位于低空西南急流轴左侧,水汽充足,冷暖空气交汇,不稳定能量大,抬升凝结高度和自由对流高度低,大气可降水量大及中等强度的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统(mesoscale covective system, MCS)发展的环境条件。(2)锋前暖区降水期间,西南气流携带高能量和水汽充足的空气移入暴雨区被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,对流单体向东北偏东方向移动,排列形成短雨带;若干条东北—西南向长度不等的短雨带在中尺度出流边界北侧建立,缓慢向东移动,依次重复影响关键区;暴雨关键区存在辐合线和风速辐合,为降水提供了良好的动力抬升条件;向西南开口的河谷地形加强了对流的发展;对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带重复影响同一地区的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。(3)锋面降水期间,对流单体在低涡切变南侧风速辐合、水汽和能量大值区发展东移南压,中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得强降水加强并维持。对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。     

东北冷涡积层混合云系形成条件的个例分析

利用2003年7月7—8日NCEP/NCAR资料和地面高空常规探测资料,利用客观分析的方法,研究了东北冷涡积层混合云系形成的环境条件。结果表明：这一冷涡天气系统是由北部和南部两个低压系统组成,而且均比较深厚,有明显低温区配合。东北地区的降水主要受南部的低压系统影响。该系统有气旋性环流配合,在气旋中心区、气流辐合区和气旋东南侧西南气流中均存在相对湿度高于80%的湿度区。湿度区中含有湿度高于90%的区域,积层混合云系产生在这个区域内,而且降水区与系统的不稳定区和动力场辐合区配合一致。研究表明,东北冷涡天气系统中积层混合云系是在冷涡系统东南部的西南气流中形成的,水汽输送条件较好,而且有高湿不稳定区配合,对研究其生成和发展有指示意义。     

北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。     

梅雨暴雨中高低空急流与西南涡的活动

利用MM5中尺度模式对1991年7月5日00时-6日12时的降水进行了数值模拟。通过对每3h一次模拟结果的诊断分析，发现高空急流的走向与西南涡的活动关系密切，当我国东部位于西北风急流时，西南低涡稳定少动；位于西风急流时，西南涡快速东移；位于西南风急流时，西南涡加强，移速减慢。暴雨活动与西南涡的东移一致。最初暴雨区稳定少动，之后暴雨区快速东移，后期暴雨区缓慢移动。湿位涡对西南涡的斜压性加大有重要的贡献。在西南涡斜压性未建立之前以及冷锋附近，雨区可位于低层西南风急流左侧的任何位置，当低涡的斜压性加大，出现暖空气的作用时，暴雨区均出现在西南风急流的左前方。     

一次东移西南涡过程的平流层重力波特征研究

基于WRF模式对2011年6月16—19日一次东移西南涡过程的模拟,开展了西南涡激发平流层重力波的特征研究。东移西南涡可以分为发展、强盛和减弱3个阶段,每个阶段均伴随着强降雨天气,但由于降水位置和强度的不同,平流层重力波的分布和强度也不同。西南涡发展阶段,平流层重力波主要位于低涡的东侧,并向东北传播;西南涡强盛阶段,伴随对流降水的强度和范围明显增大,平流层重力波的振幅和范围也显著增大,且围绕西南涡的东侧和南侧呈现出半环状的重力波分布特征可分为两支,东侧波动波列表现为东北西南向分布,南侧的波列表现为东—西向分布;西南涡减弱阶段,重力波的振幅和范围均减小。波谱分析表明,重力波的纬向波数频率谱关于零频率呈非对称分布,且随着西南涡的增强,波谱在小尺度范围显著增大,即强对流更容易激发出小尺度的高频波;经向波数频率谱在波数较小谱段关于零频率基本呈对称分布,但在波数较大谱段,也呈非对称分布,这说明受平流层东风气流的影响,重力波主要向东传播。