东亚梅雨系统的天气-气候学研究

利用1971～2000年NCEP再分析资料和中国740站的逐日地面观测资料，对东亚梅雨季的气候学进行了研究。结果表明:初夏长江流域特有的这个雨季有平均21天的长度，从6月17日开始到7月8日结束。梅雨期间降雨量达200～300 mm，占夏季总降雨量的45%左右。当6月中旬东亚夏季风突然从华南向北推进到长江流域，同时印度夏季风开始在印度次大陆爆发时，中国梅雨雨季开始。这时来自南海和孟加拉湾的水汽供应显著加强，为梅雨降雨提供了非常有利的水汽条件。气候学上梅雨锋的结构主要表现为:(1)近于纬向的宽广云雨区，其中包含有强对流降水与云团；(2) 锋前具有高假相当位温的高湿空气柱；(3)对流层低层跨越梅雨锋的水平温度梯度非常弱或几近消失；(4)梅雨锋区低层有一相对低的温度；(5) 梅雨锋区以南为强低空偏南急流，急流以北是梅雨锋风切变线；(6)从梅雨锋区到赤道的地区是一个季风型或间接的垂直环流区。在许多方面，中国东部的梅雨锋不同于日本的梅雨锋和朝鲜的梅雨锋， 因为后两者基本上是中纬度斜压结构的锋区。东亚夏季风对中国梅雨的影响要比对日本和朝鲜梅雨的影响更重要。作者对东亚梅雨系统 (中国梅雨、日本Baiu和朝鲜Changma)的区域差异进行了全面的比较研究。     

梅雨锋结构的数值模拟

利用1999年6月下旬持续性梅雨锋降水过程的全程四维同化模拟结果,深入分析梅雨锋结构的时空不均匀变化特征及其与低涡降水强度的密切关系。结果表明,梅雨锋呈现明显的中层锋和边界层锋两段锋的特征,中层梅雨锋区对降水的影响比边界层锋更为关键,中层锋的加强、锋坡增大趋于垂直、锋区垂直环流的加强和与高空急流锋区的上下贯通,有利于梅雨锋降水的加强,强降水并不出现于中层锋区最强的时段,而是发生于大范围锋区强度达峰值之后约16—24 h。中低层总变形加强与梅雨锋的加强有密切关系。组成低空急流的中低层u,v分量呈现不同的分布和演变特征,强南风中心位于900—800 hPa,呈明显的低空急流状特征,贴近暴雨区还可能出现较小尺度的急流;而强西风中心出现于中层锋前700—500 hPa,表现为高空强西风区沿锋区上界的向下延伸;低空南风急流通常与总变形同时加强。强锋段的锋前饱和高湿高能气柱、锋前中低层急流状南风区和中层西风均匀大值区等要素场呈现高度组织化的特征。梅雨锋的低层特性,如辐合、锋区强度、总变形和南风分量及降水强度等要素呈现显著的中尺度扰动特征,有明显的日变化且受长江中下游中尺度地形影响,扰动特征有随时间上传的趋势。     

梅雨锋强降水与低空急流日变化的观测分析和数值模拟

利用地面加密自动站逐小时观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了2011年6月江淮流域的5次强降水过程和西南低空急流的日变化特征。发现强降水的日变化与西南低空急流的日变化一致:02—08时增强,14时减弱。这主要是由于夜间边界层内的惯性振荡,导致西南低空急流增强从而使得梅雨锋水汽通量辐合增强,降水增强;而白天由于边界层混合摩擦力增大,致使西南低空急流减弱或消失,降水减弱。WRF数值模拟试验不仅重现了观测的日变化特征,而且证实了江淮暴雨和西南低空急流的日变化主要是由非地转风的日变化造成:白天边界层混合强,风为次地转;而夜间边界层混合消失,气压梯度力和科氏力平衡的惯性振荡使得风为超地转      

梅雨锋的典型结构、多样性和多尺度特征

在天气尺度梅雨锋的天气学定义基础上,利用GMS-5静止卫星红外云图、常规气象探空资料、NCEP再分析与最终分析资料对2002年长江流域典型梅雨期6月26—28日和二度梅期间7月23日、1998年5月梅雨与7月二度梅共4个梅雨锋个例进行了分析与比较,归纳了梅雨锋结构多样性;并着重对典型梅雨期的梅雨锋发展过程、水平以及垂直结构进行了多种物理量场(包括风场、温度场、急流、锋区、假相当位温、散度、垂直速度、静力稳定度等)的综合分析。结果表明,不同的个例,不同的地区和时期,一次梅雨过程的不同阶段,梅雨锋的结构和性质都有可能不同,它可以从比较接近极锋的性质过渡到接近赤道锋的性质。在水平结构上梅雨锋是在高、低纬度不同尺度的环流系统共同作用下形成的,从而造成了梅雨锋结构具有丰富的多样性。对典型梅雨锋结构进行综合分析表明梅雨锋对流层中下层锋面由强假相当位温水平梯度形成;梅雨锋南侧为暖湿气团、北侧为变性气团;梅雨锋南面为西南季风、北面为偏东气流;梅雨锋的上升运动和强降水主要发生在梅雨锋的前沿;梅雨锋上方对流层上半部存在与副热带高空急流相配合的高空副热带锋;对流层上部的高空热带东风与副热带高空西风急流构成了梅雨锋降水的高空辐散流场。根据典型期梅雨锋以及二度梅倾斜型梅雨锋的对流层上、中、下水平环流特征,给出了梅雨锋的多尺度概念模型,主要包括中低纬度系统相互作用、对流层高层的行星尺度的环流系统副热带高空西风急流、高空热带东风急流与南亚高压、对流层中层的副热带高压与北方的短波槽以及对流层低层的行星尺度季风和切变线。     

一次典型梅雨锋锋面结构分析

1999年梅雨期在长江中下游维持着一条典型的梅雨锋 ,锋面和梅雨雨带呈东西走向 ,从中国的四川省一直延伸到日本。锋面两侧的温度及湿度对比明显 ,并且其上有数个中间尺度的低涡沿梅雨锋依次向东移动发展 ,在长江中下游造成严重的梅雨暴雨和洪涝。文中分析了 1999年这次典型梅雨锋的锋面结构。结果表明 ,从温度场看 ,由于梅雨区对流和降水的显著发展 ,梅雨锋的低层温度对比几近消失 ,其中上部仍具有典型的上宽下窄的锋面结构 ,锋面随高度向北倾斜。在低层经向温度场呈现复杂的暖 -冷 -暖的结构 ,即北部华北平原为地面感热加热造成的相对较暖的变性极地大陆气团 ,中间为冷空气南下和降水冷却造成的相对较冷的梅雨区 ,南部是相对较暖的热带海洋气团。在这种温度场下 ,由北部低层变性暖气团与梅雨区偏冷空气形成了明显的温度对比区 ,文中定义这个区域为梅雨赤道锋。因而 ,在低层东亚梅雨区的锋区结构由梅雨赤道锋和减弱的梅雨锋构成。在 6 0 0hPa以上前者消失 ,只有单一的极锋型的梅雨锋结构。在此分析的基础上文中给出了东亚梅雨期锋面结构模型图。另外还指出 ,从假相当位温场分析 ,主要表现出梅雨区的深厚对流。降雨引起了高θse带及其南北高θse梯度区 ,其北侧高θse梯度区大致相当于梅雨锋 ,而南侧高θs     

夏季东亚热带和副热带季风与中国东部汛期降水

利用欧洲中心１９８０～１９８９年逐日２００ｈＰａ、８５０ｈＰａ风场及日本气象研究所提供的ＧＭＳ观测的ＴＢＢ逐日资料,探讨了夏季东亚热带、副热带季风的强弱对中国东部夏季降水的影响．指出东亚夏季风系统中的两条辐合带热带辐合带（热带季风槽）和副热带辐合带（副热带梅雨锋）的强度的变化呈相反趋势,即热带季风槽偏弱时（弱季风）,副热带梅雨锋偏强;反之热带季风槽偏强时（强季风）,副热带梅雨锋偏弱．江淮流域的降水与热带季风槽、副热带梅雨锋的强度密切相关,即热带季风槽偏弱（弱季风）,梅雨锋偏强时,江淮流域的降水偏多;热带季风槽偏强（强季风）,梅雨锋偏弱时,江淮流域的降水偏少．研究表明：热带季风槽和副热带梅雨锋的强度与偏西气流的加强密切相关．当赤道东太平洋海温偏高,赤道西太平洋海温偏低,黑潮地区的海温偏高时,赤道东西太平洋上空的Ｗａｌｋｅｒ环流和西太平洋中纬度Ｈａｄｌｅｙ环流的下沉支气流减弱,东亚季风槽较弱（弱季风）,梅雨锋较强;当赤道东太平洋海温偏低、西太平洋海温偏高,黑潮地区的海温偏低时,赤道东西太平洋上空的Ｗａｌｋｅｒ环流和西太平洋中纬度Ｈａｄｌｅｙ环流的下沉支气流加强,东亚季风槽较强（强季风）,梅雨锋较弱．     

“6.23”梅雨锋西段贵州南部大暴雨诊断分析

利用贵州国家观测站和区域自动站数据,结合NCEP再分析资料、FY-2G卫星云图及多普勒雷达资料,对2020年6月23~24日在贵州南部地区发生的梅雨锋西段持续特大暴雨过程进行诊断分析。结果表明:（1）此次持续特大暴雨过程是在南亚高压控制、西太平洋副热带高压北界稳定维持在华南北部背景下,短波槽东传及中低层切变和梅雨锋共同影响的结果;（2）来自孟加拉湾的西南暖湿气流与副高西侧的偏南气流在贵州中东部到长江流域一带交汇,促使低空急流建立,为持续性暴雨天气提供充足的水汽输送;（3）高空辐散、中低层切变线南侧与低空急流北侧的正垂直螺旋度为中尺度涡旋迅速发展和水汽辐合抬升凝结提供了动力条件;（4）高原槽引导弱冷空气南下有利于梅雨锋锋生,午后至傍晚生成若干γ、β尺度的中尺度对流系统导致了此次降水过程的发生;（5）暴雨过程中存在明显“列车效应”,贵州南部受对流系统叠加影响形成较强降水。      

梅雨锋暴雨数值模拟中地形的作用

通过WRF模式对2003年7月9日至10日梅雨锋暴雨天气过程在有、无地形情况下数值模拟的结果的分析,探讨了地形对梅雨锋暴雨的影响。研究表明:在有地形的模拟中,模拟的结果较好地再现了梅雨锋降水过程、主要影响系统和梅雨锋的结构;而无地形的模拟中,模拟的雨带偏南,强降水范围偏大,降水系统偏南。地形对梅雨锋暴雨的作用是由于地形减弱了北方冷空气的强度。     

梅雨锋短时大暴雨的多尺度环境场分析

利用常规观测资料、FY2E卫星TBB资料以及NCEP FNL再分析资料对2011年6月14日江西北部梅雨锋大暴雨的环境场进行分析。结果表明:(1)在极为有利的天气形势下,江南北部锋生以及低空急流对地形的强迫作用导致β中尺度系统强烈发展,是短时暴雨的触发机制。(2)稳定的环流背景下,500 hPa东亚大槽槽后冷平流与南方暖湿气流持续在江南北部对峙,是暴雨带稳定于赣北的原因。强的热力不稳定、较强的垂直风切变、低层充沛的水汽供应以及强烈的辐合抬升是短时暴雨产生的有利环境场。(3)多尺度系统的协同作用和稳定维持,使西南急流异常强盛。暴雨区上空强垂直上升运动、高空强辐散、低空强辐合与中尺度系统的发展互相耦合,导致梅雨锋上出现大暴雨。干冷空气与暖湿气流在地面至对流层中低层汇合,激发正涡度柱沿假相当位温锋区倾斜向上发展;强烈上升气流穿越锋区加大了层结的不稳定,激发大量不稳定能量释放,使暴雨具有强对流性。(4)不同性质气流在赣东北的交锋、边界层强辐合与喇叭口地形的相互作用是赣东北成为暴雨中心的原因。     

一次梅雨锋暴雨的中尺度对流系统及低层风场影响分析

本文利用常规气象观测资料,地面自动站加密观测资料和FY-2D、FY-2E卫星云图以及NCEP 1°×1°的FNL分析资料、EC 0.25°×0.25°的细网格模式数据等,对2015年6月15—18日梅雨锋暴雨过程的中尺度对流系统(MCS)活动特征、对流层低层风场对MCS发展的影响以及梅雨锋暴雨的垂直环流特征等进行了研究,结果表明:天气尺度梅雨锋上叠加的MCS的产生及向下游移动,以及其在安徽中部到江苏南部正涡度带作用下的发展增强,造成了江苏南部的局地强降水。强降水与中尺度低空急流核的位置吻合较好。在垂直方向上,高空急流入口区右侧与低空急流核左前方叠加,高低空急流耦合作用明显。在降水过程中,对流层低层具有较强的垂直风切变,有利于垂直涡度的增强和MCS的发展。对流层低层的垂直风切变也有利于不同源地的水汽在梅雨锋区汇集。梅雨锋北侧的干冷空气在对流层低(中)层以东北(西北)路径向锋区移动。南侧的暖湿气流沿西南路径移动、抬升,接近锋区后质点在上升过程中逐渐转向东移,在高空急流的抽吸作用下,快速向东流出,近地面层空气存在跨锋面环流。梅雨锋系统垂直方向上的次级环流是高层风场强烈辐散以及空气运动过程中质量补充和循环的结果。     

The Record-breaking Mei-yu in 2020 and Associated Atmospheric Circulation and Tropical SST Anomalies※

The record-breaking mei-yu in the Yangtze-Huaihe River valley (YHRV) in 2020 was characterized by an early onset, a delayed retreat, a long duration, a wide meridional rainbelt, abundant precipitation, and frequent heavy rainstorm processes. It is noted that the East Asian monsoon circulation system presented a significant quasi-biweekly oscillation (QBWO) during the mei-yu season of 2020 that was associated with the onset and retreat of mei-yu, a northward shift and stagnation of the rainbelt, and the occurrence and persistence of heavy rainstorm processes. Correspondingly, during the mei-yu season, the monsoon circulation subsystems, including the western Pacific subtropical high (WPSH), the upper-level East Asian westerly jet, and the low-level southwesterly jet, experienced periodic oscillations linked with the QBWO. Most notably, the repeated establishment of a large southerly center, with relatively stable latitude, led to moisture convergence and ascent which was observed to develop repeatedly. This was accompanied by a long-term duration of the mei-yu rainfall in the YHRV and frequent occurrences of rainstorm processes. Moreover, two blocking highs were present in the middle to high latitudes over Eurasia, and a trough along the East Asian coast was also active, which allowed cold air intrusions to move southward through the northwestern and/or northeastern paths. The cold air frequently merged with the warm and moist air from the low latitudes resulting in low-level convergence over the YHRV. The persistent warming in the tropical Indian Ocean is found to be an important external contributor to an EAP/PJ-like teleconnection pattern over East Asia along with an intensified and southerly displaced WPSH, which was observed to be favorable for excessive rainfall over YHRV.     

2010年我国南方两次持续性强降水的环流特征

通过对2010年夏季我国南方两次持续性强降水期间对流层高、中、低多个大尺度关键影响系统的时空演变特征及其影响机制的分析和比较,讨论了我国南方持续性强降水的大气环流特征。结果表明:这两次持续性强降水均出现了东亚西风带沿海低槽不断快速重建或加深,且中纬度锋区位置稳定维持,低空西南急流反复加强,且其轴线左侧的南风经向强梯度带位置相对稳定,副热带高空西风急流和南亚高压脊线及西太平洋副热带高压的纬度带位置相对稳定;相应地,在强降水带上空反复出现强烈的低层水汽辐合抬升、高层辐散抽吸及垂直上升运动发展,进而形成持续性强降水。西西伯利亚低槽的不断快速重建与加深 (东移)、马斯克林高压西侧高压及马斯克林高压的不断加强东移、副热带高空西风急流的建立和维持对南方持续性强降水具有超前指示意义。强降水带位于东亚低空西南急流轴左侧南风经向强梯度辐合带、高空西风急流南侧至南亚高压脊线北侧之间的强辐散区及中层垂直上升速度大值带中。     

“0012”台风引发“8．30”特大暴雨过程的分析

本文应用特大暴雨出现时段相应的高空环流特征，逐时卫星云图的演变，以及最大逐时暴雨中心单站气象要素的分析，探讨了“0012”台风引发“8．30”特大暴雨的成因。可以认为不论是第一段强降水时段，还是后二段强降水时段，造成这次罕见的特大暴雨的主要成因是台风环流与中纬度西风带急流、冷槽（锋区）相互作用的结果；而第三段暴雨则是台风本身的影响。     

华北两次副高边缘暴雨过程卫星云图释用

利用实况探空资料与FY 2C、2E卫星探测资料,对2005年8月16日、2010年8月20—21日两次西太副高与西风槽共同作用下出现的华北暴雨过程进行分析,将两次过程卫星云图与各种物理要素场的配置进行对比,得到以下结果。两次过程云系均表现为典型的锋面云系特征,靠近冷空气一侧云带边界光滑整齐。从结构上看,锋面云带主要由多层云系组成。整个云系位于高空槽前580 dagpm线与副高外围588 dagpm线之间;降水云带由对流云团、稳定性降水云带及混合性降水云带3部分组成,对流云团集中发展在云带靠近副高边缘晴空区一侧,通常位于在584 dagpm线与588 dagpm线之间靠近副高一侧;稳定性降水集中高空槽前,即云带后部,580 dagpm线与584 dagpm线之间;混合性降水位于两个云系之间,多产生于584 dagpm线附近。云系的分布与各层的垂直速度场、涡度场、散度场,以及中高层的涡度平流场有很好的对应关系。比湿通量、比湿通量散度与假相当位温等温湿参量的分布特征,清楚的解释了锋面云带的移动、发展和分布特征。     

卫星导风资料所揭示的对流层上部环流形势与我国夏季主要雨带之间的关系

综合运用1998—2002年的降水资料和卫星导风资料, 统计分析了对流层上部的流场特征, 证实我国夏季出现重要降水过程时, 对流层上部存在3种特定的环流形势:我国南方雨带上空, 在对流层上部常伴有一个反气旋脊, 是中心位于青藏高原上空的反气旋向东的延伸, 强降水区位于该反气旋脊线和副热带西风急流之间的气流辐散区或脊线南侧热带东风的速度辐散区里, 以6—7月在我国长江流域和华南地区较为多见; 强降水区位于我国东部沿海对流层上部不对称反气旋外流区的西侧、高空变形场东侧, 常见于7—9月下旬; 强降水区位于高空槽前的西南气流里, 这种流型以7—8月时在我国30°N以北地区居多。     

南海夏季风北推时间及相关环流变化特征

利用1958—2004年NCEP/NCAR逐日再分析资料和我国730站降水资料分析了南海夏季风爆发后影响到华南地区的时间差异及其环流变化特征。结果表明:南海夏季风向北推进影响到华南地区的时间存在明显差异，最早的可以1 d就推进影响到华南地区，最晚的却要42 d，并且这种变化具有明显的年代际变化特征，即20世纪70年末以前，南海夏季风影响到华南地区的时间总体上要偏早，而70年代末以后，南海夏季风影响到华南地区的时间总体上要偏晚；当南海夏季风建立后，若东亚大槽较深，冷空气活动较活跃，索马里越赤道气流形成的西南风、110°~120°E地区越赤道气流形成的偏南风以及副热带高压西侧边缘的偏南风均偏弱，南亚高压和东亚地区急流位置偏南，就会使得南海夏季风影响到华南地区的时间偏晚，反之，则偏早；南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚（早）年期间，索马里、105°E和130°E越赤道气流输送的水汽通量和西太平洋副热带高压南部的东南气流水汽输送均较弱（强），华南地区前汛期的锋面降水较强（弱）。     

Inhomogeneous features in mel-yu frontal cloud system

The structure of radar echo in stratiform cloud which was found in mei-yu frontal cloud system is generally inhomogeneous, especially in the structure of bright band echoes. The inhomogeneous structure of warm region in stratiform cloud and the shower feature of precipitation are closely related to the inhomogeneous structure of bright band and convective cells embedded in stratiform cloud.During Summer time the mei-yu cloud system is an important precipitating system in the southern part of China. To study its structure is of great significance for weather forecast and understanding the physical processes of cloud and precipitation. Therefore, we have observed mei-yu frontal cloud system by use of 711 type radar (3 cm) and airplane at Tunxi, Anhui Province since 1979. It was found that the structure of stratiform cloud, especially the structure of its warm region appears to be inhomogeneous1),2). This is a significant feature of cloud structure in mei-yu frontal cloud system. In this paper, we shall further analyse this inhomogeneous structure of stratiform cloud and study its effect on the precipitation.     

华南前汛期降水的年代际异常特征及其成因

利用1981—2013年中国160站逐月降水资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料及NOAA海表温度资料,研究了华南前汛期降水年代际异常的时空特征及其可能成因。结果表明:1)华南前汛期降水在1992前后发生由异常偏少转为偏多的显著年代际转折,最显著异常中心位于广西东北部和广东北部。2)1990年代初发生的对流层高层南冷北暖(40°N附近为界)、对流层下暖上冷的年代际转折,使得高低层环流场均出现了有利于北方干、湿冷空气和孟加拉湾、西太平洋暖湿水汽在华南区域交汇并辐合上升的形势,造成华南前汛期降水发生偏少转偏多的显著年代际转折。年代际转折的前后两个时段中,位于热带的孟加拉湾槽、东亚沿岸EAP遥相关型波列中的西太平洋副高、阿拉斯加湾附近的脊,以及中纬度贝加尔湖以西以南脊的强度或位置均具有显著差异,故这些环流系统的年代际异常是华南前汛期降水年代际异常的重要原因。3)南太平洋关键区海温在1990年代初开始呈现增暖趋势,在偏暖(偏冷)时期,华南低空受异常气旋(异常反气旋)环流控制,对流层上层西风急流偏弱偏南(偏强偏北),造成华南地区降水异常偏多(偏少)。     

Investigation of the mei-yu front using a new deformation frontogenesis function

A new frontogenesis function is developed and analyzed on the basis of a local change rate of the absolute horizontal gradient of the resultant deformation. Different from the traditional frontogenesis function, the newly defined deformation frontogenesis is derived from the viewpoint of dynamics rather than thermodynamics. Thus, it is more intuitive for the study of frontogenesis because the compaction of isolines of both temperature and moisture can be directly induced by the change of a flow field. This new frontogenesis function is particularly useful for studying the mei-yu front in China because mei-yu rainbands typically consist of a much stronger moisture gradient than temperature gradient, and involve large deformation flow. An analysis of real mei-yu frontal rainfall events indicates that the deformation frontogenesis function works remarkably well, producing a clearer mei-yu front than the traditional frontogenesis function based on a measure of the potential temperature gradient. More importantly, the deformation frontogenesis shows close correlation with the subsequent(6 h later) precipitation pattern and covers the rainband well, bearing significance for the prognosis or even prediction of future precipitation.     

“15.7”广西超长持续性暴雨过程多尺度特征分析

利用多源气象资料,通过综合诊断分析方法,对2015年一次广西持续性暴雨过程进行多尺度特征分析。(1) 南亚高压经历了双体型构建,副热带长波槽有利于冷空气南下和高空急流的建立。El Ni?o状态下,副高强度偏强,位置偏西、偏南,有利于暖湿气流向广西输送。南亚高压过渡层与副高对峙,有利于冷暖空气在广西交汇。(2) 影响天气系统有高空槽、切变线、冷锋、低空急流、季风槽及低涡等多天气系统。降雨分为锋前暖区、锋面、高空槽加强、季风槽与低涡等四个阶段。(3) 中尺度特征为锋前暴雨发生在MCC云团形成到减弱期,雷达强回波呈弓型,对流性强;锋面暴雨发生在MCC减弱后云带,雷达强回波为弓型向直线型转换,对流性减弱;高空槽加强暴雨为直线型云系和雷达回波增强;季风槽与低涡暴雨为增强的涡旋型云系和雷达强回波。(4) 暴雨发生在总体地势为云贵高原下坡和地面喇叭口地形辐合的桂西北、海陆分布差异的沿海及山脉迎风坡的桂东南。可见,长时间持续性暴雨过程是一个多尺度和多天气系统相互作用的结果,暴雨发生在有利的大尺度环流背景和天气系统配置下的中小尺度系统频繁发生处,地形助推暴雨作用明显。深刻理解持续性暴雨发生的尺度特征可提高该类天气预报能力。