2003年天气气候异常灾害机理的定量分析Ⅰ——夏季淮河流域洪涝和南方酷暑

利用PSU／NCAR MM5V3非静力数值模式对1999年8月11～12日由变性台风引发的山东特大暴雨过程进行了较为成功的数值模拟。用模式输出资料,根据位涡理论探讨了这次特大暴雨天气发生、发展的动力学机制。结果表明：西风带弱冷空气侵入台风环流,触发不稳定能量释放是这次特大暴雨形成的重要原因;应用位涡守恒原理能较好地解释特大暴雨和中尺度低涡发生发展的原因,对流层高层位涡扰动是影响中尺度低涡和特大暴雨发生发展的重要因素;345K湿等熵面上风场和气压场的分布揭示了东南暖湿空气沿等熵面爬升与扩散的冷空气相遇,对流强烈发展,产生特大暴雨的物理机制。     

对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制.结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征.暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论.     

“海棠”台风(2005)暴雨过程数值模拟及位涡分析

采用WRF模式对2005年"海棠"台风登陆福建省前后24h内所造成的降水过程进行了数值模拟,在此基础上,利用模式输出结果,借助位涡理论分析位涡与台风低压流场及降水的关系,并结合对风场、相当位温、相对湿度等诊断量的分布特征分析,探讨了台风强降水的发展和维持机制。结果表明,310K等熵面上高位涡发展演变较好反映了台风低压系统路径移动以及强度变化的过程。暴雨中心主要出现在位涡大值区及其偏东北方向,且位涡气块回旋少动,与暴雨的发展维持密切相关。高位涡区主要位于等熵面坡度和梯度最大处,当等熵面上下贯通,对流层高层的高位涡沿等熵面下传,形成位涡柱时,有利于暴雨增幅。台风环流内水汽充足,上升运动强烈,也有助于此次台风降水强度持续强大。     

2003年7月4～7日淮河流域特大暴雨等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对 2 0 0 3年江淮梅雨期 7月 4～ 7日淮河流域特大暴雨进行了天气动力诊断分析。发现 :等熵面上的西风急流将高位涡向下游输送 ,强西北气流穿越等压线形成强下沉气流 ,将高层和高纬的高等熵位涡向南输送 ,使得强降雨区维持高等熵位涡 ,是强雨带持续的重要原因。等熵位涡高值区与强暴雨有较好的对应关系 ,并具有预报指示意义     

台风外围偏东气流中的暴雨及其等熵位涡特征

0414号台风"云娜"在浙江登陆后迅速减弱为台风低压,48 h后台风低压北侧偏东气流区域出现了暴雨,当时暴雨区中低层850,700和500 hPa没有辐合系统,而且暴雨出现前较强冷空气影响该区域,已使这里的位势不稳定减小,因此动力抬升和位势不稳定条件均不利于暴雨的产生。为了探讨这种情况下暴雨形成的原因,应用常规报文和1°×1°的NCEP再分析资料,对此次暴雨产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明:中层台风低压倒槽的移速快于低层,在暴雨区形成了一支自下而上向西倾斜的上升气流,暴雨区上空恰好存在着对称不稳定,斜升气流引起了对称不稳定能量的释放,使倾斜对流发展,提供了产生暴雨所需的动力和不稳定条件。而台风外围较强的水汽输送为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。等熵位涡分析表明,大值位涡带与降水区有较好的对应关系。正位涡异常中心的出现对降水的发生发展具有指示意义。     

对华北一次特大台风暴雨过程的位涡诊断分析

通过对９６０８号台风低压及其外围暴雨位和等熵面上物理量场的分析,揭示了台风低压北上诱发暴雨过程的位涡场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用,给出此次暴雨增幅过程的图像。分析表明：对流层低层中高纬度冷空气（高位涡）扩散南下在台风低压环流区附近的“侵入”作用是此次特大暴雨过程的最重要的原因之一;等熵面位涡的分析进一步说明了中高纬地区冷空气的活动状况;对流层高层或平流层低层位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放     

“海棠”台风远距离强降水分析

对2005年"海棠"台风倒槽造成河南特大暴雨过程的湿位涡分析结果表明:倾斜涡度发展是暴雨产生和加强的重要机制之一,暴雨产生在eθ线陡立密集区内,湿位涡在这次暴雨过程中边界层内925hPa具有MPV1>0、MPV2<0的特征,此次暴雨产生在正的MPV1中心附近,有利的地形条件在一定程度上增加了降水量。     

"海棠"台风远距离强降水分析

对2005年"海棠"台风倒槽造成河南特大暴雨过程的湿位涡分析结果表明:倾斜涡度发展是暴雨产生和加强的重要机制之一,暴雨产生在θe线陡立密集区内,湿位涡在这次暴雨过程中边界层内925hPa具有MPV1＞0、MPV2＜0的特征,此次暴雨产生在正的MPV1中心附近,有利的地形条件在一定程度上增加了降水量.     

等熵位涡在一次淮河流域大暴雨分析中的应用

利用NCEP/NCAR 1°×1°逐日再分析资料、常规气象观测资料,通过等熵位涡理论对淮河流域2009年9月24—25日的大暴雨过程进行分析。结果表明:淮河流域对流层低层的中尺度低涡的发生发展与此次暴雨密切相关;315 K等熵位涡高值中心的移动和强度变化很好地反映出中尺度低涡系统的发展变化情况,其移动方向与雨带走向一致,降水落区主要位于等熵位涡高值中心轴线移动方向右侧的强西南气流处,对应于345 K等熵面上干冷空气移动方向前部的暖湿区内;在暴雨发展强盛时期,淮河流域暴雨区上空从对流层高层至低层均存在明显的正等熵位涡平流,干冷空气的侵入使得低涡加强发展,辐合上升运动增强,有利于暴雨的增幅,这是引发此次暴雨过程重要的触发机制。     

一次登陆台风倒槽暴雨过程的初步诊断

利用常规探空和地面观测资料、卫星雷达资料以及NCEP再分析数据,应用非地转湿Q矢量和湿位涡理论,诊断分析了2018年第4号台风"艾云尼"登陆后的倒槽暴雨过程。结果表明,台风倒槽东侧偏南气流为暴雨区温湿能量的主要来源,倒槽顶部的暖式切变和倒槽西侧高值湿位涡的下传,使大气斜压性和低层不稳定度增强。倒槽附近温度场与风场的不平衡配置易于激发次级环流,有利于潜热能的释放和暴雨的增幅。暴雨区对流层低层(925 hPa)湿位涡分量总满足MPV10,MPV20。中层非地转湿Q矢量散度与未来6 h降水落区对应较好,对此类台风倒槽类暴雨预报具有一定的指示意义。     

一次西南涡暴雨的等熵位涡特征分析

应用常规资料和0.5°×0.5°的GFS再分析资料,对2010年7月19日发生在河北山东的一次西南涡暴雨过程产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明：西南涡、高、低空急流、地面低压是这次暴雨过程的主要影响系统;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有很好的示踪作用;等熵位涡中心两侧气流辐合,利于地面低压发展;高位涡下传,导致了大暴雨产生;等熵位涡大值区及移动方向与降水落区有很好的对应关系。     

暴雨中尺度气旋发展的等熵面位涡分析

利用中尺度模式ＭＭ４对１９９１年７月５～６日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。用模式输 出资料，根据湿位涡理论分析了这次暴雨过程中对流层低层的中尺度低涡及地面气旋发生发 展的原因。结果表明，在有利的等熵面形态下，具有较高湿位涡值的高层冷空气沿等熵面快 速向南下降的过程中绝对涡度增加，导致了气旋性涡旋的发展加强。     

副热带高压对登陆台风等熵面位涡演变影响的数值模拟研究

选取1997年第11号台风“温妮”为研究个例, 通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、 变性及变性后再次发展的演变过程。采用Davis et al.(1996) 提出的片段位涡反演方法, 提取具有副热带高压物理意义的位涡扰动, 采用片段位涡反演的方法, 改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度, 并引入Ertel等熵面位涡收支方程, 深入分析不同强度的副热带高压环流系统在登陆台风结构演变的过程中等熵面位涡的守恒性, 以及守恒性与非守恒性相对作用的大小。研究表明: 台风北上深入内陆的过程中, 高空槽大值位涡源源不断的输送使得对流层低层西北侧位涡增长, 台风中心上空的辐散形势有利于台风强度的再次增强。由于摩擦和非绝热加热的存在, 对流层位涡局地变化主要决定于位涡的水平平流 (守恒项)、 位涡的垂直平流、 加热的垂直微分 (非守恒项) 的分布。台风经历变性及再增强的过程中, 其影响范围内位涡守恒性经历了先减弱后增强的过程, 非守恒项中位涡的垂直平流能较好地描述对流层中层位涡局地变化趋势, 而加热的垂直微分则在对流层低层和高层表现良好。副高强度的加强使台风加速北上, 加快了台风变性速度, 高层位涡的向下输送明显提前且强度增强, 位涡守恒性的破坏、 重建也相应提前, 位涡垂直平流的整层负值减小, 加热垂直微分对对流层低层位涡增长的正贡献加强, 且持续时间更长。     

中国台风特大暴雨综述

Nina(7503)台风于1975年8月在河南林庄造成24 h 1062 mm的特大暴雨,成为中国大陆台风暴雨之最。1975年,发生在中国大陆的这场特大暴雨,冲垮水库河堤,洪水泛滥,酿成大灾。中国24 h 1000 mm或以上的台风特大暴雨,称之为极端暴雨(Extreme rain),除这次外,还出现过多次,但都发生在台湾。分析表明,台风特大暴雨并不完全依赖于台风强度或内核对流强度,还和环境不同尺度环流系统与台风的相互作用、下垫面对台风环流的作用及台风上层云微物理过程有关。因此,登陆台风残涡复苏所下暴雨往往会超过强台风的暴雨;台风外围尤其是台风倒槽辐合区所下的暴雨也可能会超过台风中心暴雨。造成极端暴雨的台风有一些显著特点:极端暴雨产生在登陆或近海台风维持和停滞时段;低空急流、季风涌、双台风作用及内陆大面积水体是登陆台风获得水汽和潜热能量的主要来源;中纬度槽与登陆台风或残涡相互作用,可向台风或残涡提供位能和不稳定能量,使其产生更大降水;山脉地形对极端暴雨的形成起重要作用;台风高层云团中的微物理过程,对极端暴雨的形成有重要作用。     

台风碧利斯的位涡场分析

利用WRF数值模式对2006年7月14-15日由0604号登陆台风碧利斯（Bilis）引发的特大暴雨过程进行了数值模拟，分析了这次暴雨产生的原因。结果表明：台风自身的非对称结构是暴雨维持的机制；位涡倾斜下传致使深对流出现；低层暖湿空气沿湿等熵面的爬升与下沉冷空气交汇，对流强烈发展，产生暴雨。     

2018年一次非典型梅雨锋暴雨过程诊断分析

利用常规地面气象观测资料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°网格点逐6 h再分析资料,对2018年6月20日浙江省一次暴雨过程的主要环流系统、等熵位涡、垂直螺旋度等进行了天气动力学诊断分析。结果表明：850 hPa低涡切变、对流层中层冷空气、200 hPa南亚高压、副热带高压是此次暴雨过程发生的主要影响系统;700 hPa上的正垂直螺旋度中心对暴雨的发生有良好的指示意义;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有较好的视踪作用,等熵位涡中心两侧气流辐合,有利于低压系统发展,高层等熵位涡与冷空气活动有较好的对应关系,等熵位涡大值区偏南侧的移动与强降水落区有较好的对应关系。     

远距离台风暴雨过程分析

利用NCEP再分析资料,对2005年7月22-23日由台风"海棠"外围东南急流造成安阳东部和濮阳地区的大暴雨过程进行了分析。结果表明,远距离台风暴雨区位于对流有效位能高值舌区与低层垂直螺旋度大值带重合的区域及325 K等熵位涡的高值区域。     

9012号台风暴雨过程的位涡分析

通过９０１２号台风登陆前后等熵面位涡图和位涡剖面图的分析，研究了台风的位涡场结构以及它登陆后与中纬度天气系统相线作用过程中的演变特征，结果表明：台风的位涡结构为一深厚的高位涡“柱”对流层的高低中有一个高位涡中心；中层高位涡平流或正位涡平流随高度增加以及等熵面上的初变线可作为定性判断台风和外围暴雨落区的一个指标，中纬度系统对９０１２号台风的作用，主要在于冷空气进入台风环流的导致台风迅速减弱消亡，等熵     

浙北地区一次大暴雨过程的等熵位涡分析

利用NCAR/NCEP逐日再分析资料,对浙北地区2008年6月9—11日大暴雨过程进行等熵位涡分析。结果表明:等熵面上的位涡(IζP)演变反映了暴雨区的移动及西南急流的发展。暴雨区主要位于位涡高值中心的东南侧,对应西南气流发展最强处,而位涡中心降水却不明显。当高位涡中心区南压影响后,强降水结束。通过垂直剖面图可看到,等熵面上的西北急流将高层的高等熵位涡向东向下输送,当浙北地区处于正IζP平流控制下时,强降水发生,当其处于负IζP平流控制时,强降水结束。同时,逆向的Ferrel环流圈的形成,为30°N附近强降水的产生与维持提供了有利的条件。     

一次变形场背景下的暴雨位涡诊断研究

利用中国自动气象站与CMORPH融合的逐时降水资料和NCEP逐6 h再分析资料,从等熵位涡的角度对豫北地区2016年7月8日夜到9日上午在一次变形场背景下的暴雨天气过程做分析和研究。结果发现:(1) 7月8日20:00(北京时,下同)至9日08:00,随着高位涡和冷空气的逐渐东移,豫北位涡值变大,干冷空气与暖湿空气相遇使豫北地区有降水生成。而后9日14:00由于高位涡的继续东移以及台风的登录,致使豫北地区位涡变小,台风强度变弱,进而降水减弱。(2) 7月9日02:00-08:00,111°E附近上空的高位涡向东向下传输,使豫北暴雨区上空位涡增大,同时地面存在强水汽辐合,其辐合最大值位于900 h Pa高度上的太行山迎风坡处。另外,9日08:00豫北暴雨区从对流层高层400 h Pa至地面有次级环流生成,其上升支对应豫北暴雨区。(3)位涡收支方程诊断分析表明,9日08:00在500 h Pa高度上豫北暴雨区的局地位涡增加,主要来自水平平流的贡献。