暴雨中尺度环境场特征及积云对流的反馈作用

本文利用一套具有中尺度分辨率的观测资料,对发生在1983年6月下旬的一次长江流域梅雨暴雨过程进行了诊断研究,并比较了该过程的对流降水活跃期和非活跃期的中尺度环境场特征。结果表明,两个时期的动量场存在明显差异,而水热场差异不大,Q₁和Q₂以及涡度收支也存在明显差异。在降水活跃期（暴雨集中期）,积云对流对能量和涡度的垂直输送有着重要作用;在水热收支中,起主要作用的是垂直输送项,潜热加热基本上为抬升冷却所平衡,水汽的垂直输送是积云对流的主要水汽源;在涡度收支中,低层散度项和扭转项制造正涡度,并通过积云对流向上输送,无论在低层或高层积累的正涡度都被平流非线性过程所耗损。      

一次华南暴雨过程中水汽输送和热量的研究

利用NCEP/NCAR 每日4 次全球再分析1°×1°网格资料,计算了2004年7月17-21日华南汛期暴雨过程的水汽通量、视热源(Q1)和视水汽汇(Q2),并探讨了其垂直分布特征.结果表明:华南汛期暴雨过程中存在大量的水汽和凝结潜热.孟加拉湾、南海和西太平洋都是这次华南暴雨过程重要的水汽供应源.暴雨区南边界为水汽的主要输入区,北边界为主要输出区,而暴雨区南、东边界的水汽输送主要发生在低层,西边界在中、低层的水汽输送大致相当.在这次降水过程中,视热源和视水汽汇的较大值与降水的大值区有很好的对应关系.视热源、视水汽汇和垂直上升运动与降水量的变化总体趋势是一致的.视热源垂直方向上的峰值在400 hPa附近,而视水汽汇呈双峰型特征,峰值分别在700 hPa和450 hPa附近.垂直平流项均是视热源、视水汽汇的主要贡献者.     

"98.5"华南前汛期暴雨中尺度系统发生发展的动力、热量和水汽收支诊断

为进一步了解华南暴雨的形成机理,利用MM5模式输出的高时空分辨率资料,对“98.5”华南暴雨的总涡源、视热源和视水汽汇进行了诊断分析。诊断结果表明:总涡源场与涡度场对应一致,高值中心位于降水上空,正的总涡源柱中心预示了涡度柱将继续发展;在组成总涡源各项中水平绝对涡度平流项和扭转项是负贡献,垂直涡度平流项和散度项为正贡献;降水区与视水汽汇和视热源高值区对应一致,视水汽汇和视热源有峰值相伴,说明凝结潜热给系统提供了发展的能量;地面涡动通量和各层的次网格尺度涡动使高层冷却,低层加热,有利于降水系统中对流发展;在组成视热源和视水汽汇各项中均为垂直项起主要作用,充分说明了在暴雨发生过程中强上升运动具有重要作用;强烈的垂直上升运动将水汽带到了高层,云水场的发展与视水汽汇有着一致性,在视水汽汇达到极值时,除冰晶外,云水场各物理量中心高度达到极值,部分物理量的强度也达到最大。     

华南西南季风活跃期间大气热量和动量的收支

本文讨论了西南季风活跃期华南区域平均对流层运动学特征和热量水汽,动量的收支。计算表明,我国西南季风活跃期对流层特征既不同于冷空气活动期也不同南海季风活跃期。此时华南整层对流层处反气旋流场中,无辐散层位于700毫巴,下层辐散上层辐合。西南季风层为下沉运动,上层为上升运动。热量收支表明,季风层为视热汇和视水汽源,东风层为视热源。切变层以上水汽源汇数值很小,不起明显作用。水热源汇主要由垂直运动造成。动量收支表明,在季风层动量基本上是准平衡的,只有在对流层上层和近地面层有动量盈亏,动量收支主要来自地转偏差。最后,我们简单讨论了次网格尺度涡旋对水热平衡的贡献,认为西南季风期垂直涡旋输送十分活跃,其输送水热的作用超过气团变性过程所起的作用。      

毛乌素沙地南部边缘一次大暴雨过程的中-γ尺度特征及成因分析

利用MICAPS资料、多普勒雷达资料和NCEP资料,对2010年8月10日08:00-11日08:00(北京时)毛乌素沙地南部边缘地带一次大暴雨过程的中-γ尺度特征及成因进行了分析。结果表明,强降水发生时,在多普勒气象雷达速度场上可观测到西南低空急流的生成和增强,以及西南低空急流左侧中-γ尺度气旋式辐合的生成和维持,并在反射率因子图上出现>50dBz的强回波区;暴雨过程中单站要素表现为气压持续降低并出现≥4.0m·s-1的最大风速(南风);伴随强降水的开始,暴雨区主要受水平平流项和水平辐散项作用,600hPa以下对流层低层的涡度收支增大,800～700hPa达6×10-9s-2;受水平平流项作用,350～100hPa维持涡度收支负值,在150hPa附近达-6×10-9s-2;视热源Q1的垂直廓线显示,伴随暴雨区最强降水即将开始时,主要受局地变化项和垂直输送项作用,Q1在780～300hPa形成正值层;受水平平流项作用,Q1在300～220hPa形成负值层,大气热力强迫作用有利于上升运动加强和云团发展;Q1的累积分布显示,临近暴雨发生时,暴雨区靠近上游生成Q1>20J·kg-1·s-1的大值中心,而且暴雨区视水汽汇Q2>10J·kg-1·s-1。     

青藏高原牧区大雪期间的水汽和热量平衡

本文通过对１９９６年１月青藏高原牧区大雪期间的水汽和热量收支的计算，分析了大雪期间对流活动的作用和贡献，并与其他地区夏季暴雨期间的能量平衡进行了比较。结果表明，二者都只有一个无辐散层和整层维持上升运动，不同的是降雪期间：１）视水汽汇气柱平均潜热加热率要小得多；２）视水汽汇和视热源的垂直分布差异较大；３）次网格尺度涡动垂直输送主要发生在对流层顶附近     

黄土高原β中尺度致洪暴雨特征及成因

利用MICAPS资料、多普勒气象雷达资料和NCEP资料等,对2012年7月26日20:00至27日20:00黄土高原发生的一次β中尺度致洪暴雨过程的特征及成因做了分析。结果表明:近地层能量比低值舌的活动是两次强降水产生的触发机制之一;暴雨过程两个强降水时段都对应邻近暴雨区的北方1 km以内的边界层大于20 m·s~(-1)偏东风相对风暴气流的建立,而邻近暴雨区的北方1 km以内的边界层大于15 m·s~(-1)偏东风相对风暴气流减弱消失、或范围大幅度缩小,则对应强降水的减弱或停止;涡度收支分析表明,第一次强降水前,由于水平平流项的作用在300 hPa附近形成很强的负涡度收支;第二次强降水前,主要是扭转项和垂直输送项的作用,同时在450~300 hPa形成很强的正涡度收支;视热源与视水汽汇分析表明:第一次强降水前,视热源在300 hPa附近出现比较强的冷却层;第二次强降水前,800~500 hPa视水汽汇远大于视热源,形成正的加热层;500~200 hPa视热源远大于视水汽汇,形成峰值接近11 K·(6 h)~(-1)的很强的加热层;而在200~130 hPa由于视热源的作用,形成冷却层。     

1983年长江中游梅雨期的热源和热汇分析

本文用曲面拟合和收支方程计算了5—7月长江中游地区梅雨前后不同时段热源和热汇的分布,得到如下一些结果:(1)梅雨期的热源主要由降水产生的凝结潜热造成。最大热源位于700—400hPa层中。降水的性质一般以连续性降水为主,但有时也发生明显的对流活动。在无雨期,在深厚的对流层大气中是冷却的,这主要由辐射冷却引起。因而梅雨时期的大气性质十分类似于热带大气。(2)梅雨期的降水以及热源热汇分布有明显的日变化。一般下午为明显的热源或更强的对流热输送。(3)在梅雨期及其前后感热和蒸发的作用不能忽略。在无雨或少雨期,蒸发是形成水汽源汇的主要因子。      

2007年7月7—9日淮河流域梅雨锋雨带特征分析

针对2007年7月7—9日发生在淮河流域的暴雨,采用NCEP1°×1°客观分析资料、6h地面观测降水资料,对此次降水过程中雨带发生、发展进行天气动力学分析。结论如下:(1)暴雨区位于高空急流入口区南侧、南亚高压辐散场东侧,该区域对流层高层为反气旋控制区,有利于低层低值系统的发展;(2)处于非热成风不平衡状态下的低空强急流带形成以后,对于雨带分布以及暴雨发展产生重要影响;(3)视热源、视水汽汇廓线在垂直方向上的变化,体现了水汽凝结潜热释放加热环境大气的作用;(4)基于p坐标系的比湿垂直输送正值带可以较好地示踪雨带移动。     

“97.12”高原暴雪过程中尺度热量和水汽收支诊断

应用非静力模式MM5V2对1997年12月（简称：97．12”）一交高原暴雪过程进行控制模拟试验。利用其输出资料以及热量和水汽收支方程，对这次暴雪过程进行了热量及水汽收支诊断。视热源（Q1）和视水汽汇（Q2）的诊断结果表明：Q1和Q2垂直积分的正值区分布形势相似且较强，并与地面降雪带的分布一致，因而，此次过程的Q1、Q2主要是由水汽凝结和潜热解释决定的。Q1在对流层为加热层，对流层上层相对为冷层，是暴雪发生发展的主要热力机制。Q1、Q2区域平均的垂直廓线峰值非常相近，该峰值区正是水汽凝结层，它与水汽输送带的水汽凝结变干有关。视水汽汇Q2与视热源Q1具有相近的垂直廓线，表明“97．12”暴雪过程中非对流性凝结降水起决定因素。这些结果为改进和发展用于模拟和预报高原暴雪的中尺度数值模式模拟系统提供了一些物理依据。     

“98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断

1998年7月20~23日 (“98.7”) 发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程, 不仅与700 hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关, 而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。利用非静力模式MM5.V2.12成功模拟提供的高分辨输出资料对这次特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支进行了诊断。结果发现:当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q₁和视水汽汇Q₂出现, 而强的Q₁与Q₂和强降水区基本是对应的; Q₁随高度增高而增大, 最大加热位面基本上都在486.1 hPa (σ=0.54) 附近; 在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生、发展的一种重要热力机制; 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气; 在暴雨初期, Q₂的双峰结构与低空层积云及中空积云对流凝结变干有关; Q₂的中空峰值大体与Q₁的峰值相应, Q₂的深厚变干层与Q₁的深厚加热层非常一致。 诊断结果表明, 用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q₁和Q₂进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q₁和Q₂的诊断, 可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线提供可靠的物理依据。     

青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云系结构及相联加热机制的对比分析

应用7年(2006年5月18日—2013年5月18日)的CloudSat卫星观测资料,对比分析了青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云发生频率的特征,并利用欧洲中心再分析资料,计算了三个地区的视热源、视水汽汇Q₁、Q₂,分析探讨了三个地区与云发生频率相联系的加热机制。结果表明:青藏高原、东亚季风区、西北太平洋地区云的发生频率分别为35%、22%、27%,其中:青藏高原和东亚季风区的低云频率最大,中云次之;西北太平洋地区的高云和低云的频率大,分别为19%和16%。具体云型来看,青藏高原多高层云、雨层云;东亚季风区多高层云和卷云,夏季深对流云频率增大明显;西北太平洋地区多卷云、深对流云和高层云。三个地区视水汽汇Q₂的垂直分布特征及季节变化与云发生频率对应较好,青藏高原的低云(雨层云)、中云(高层云)形成过程中,凝结释放潜热,加热大气;东亚季风区低云(深对流云)、中云(高层云)对加热大气贡献大;西北太平洋地区大气的主要加热机制是深对流云形成过程中凝结释放潜热以及湿静能涡旋垂直输送。      

1998梅雨锋的结构特征及形成与维持

应用1998年6月中旬的分析资料, 对1998年6月16~17日暴雨时段的梅雨锋结构及梅雨锋的形成与维持进行了诊断分析, 确认了暴雨发生时期梅雨锋结构的一些普遍特征, 如在对流层低层表现为θ_se锋而不是温度的强烈对比, 梅雨锋区是一个低层正涡度带以及风和水汽的辐合带等。同时揭示了1998年6月暴雨时期梅雨锋结构的典型特征:锋区从近地面可伸展到600 hPa层 (一般认为梅雨锋只存在于800 hPa以下), 近乎垂直、略向北倾; 锋区900 hPa以下是一个大气弱对流不稳定区, 向上气层变为潮湿中性直至400 hPa, 等θ_se线基本上呈垂直分布; 锋区斜压性相当弱等。研究表明, 出现强降水时的梅雨锋结构已经变性或者说它是介于温带锋面结构和ITCZ结构之间的副热带锋系结构。分析还认为, 在强盛的南海季风涌和频繁的西风带扰动组配的大尺度有利背景形势下, 低层空气的水平运动和地转偏差风对1998梅雨锋的形成和维持有明显的正贡献。     

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。     

物理协调大气变分客观分析模型及其在青藏高原的应用II:那曲试验区云—降水、热量和水汽的变化特征

本文利用约束变分客观分析法构建的物理协调大气变分客观分析模型,通过融合地面、探空、卫星等多源观测资料和ERA-Interim再分析资料,建立了青藏高原那曲试验区5年（2013～2017年）长时间序列的热力、动力相协调的大气分析数据集,并以此分析那曲试验区大气的基本环境特征与云—降水演变和大气动力、热力的垂直结构。分析表明:（1）试验区350 hPa以上风速的季节变化非常明显,风速在冬季11月至次年2月达到最大（＞50 m s?1）,盛夏7～8月风速的垂直变化最弱,温度的垂直变化最强,大气高湿区在夏秋雨季位于350～550 hPa,在冬春干季升至300～400 hPa。（2）试验区6～7月上旬降水最多;春、秋、冬三季,300～400 hPa高度层作为大气上升运动和下沉运动的交界处,是云量的集中区;夏季,增多的水汽和增强的大气上升运动导致高云和总云量明显增多,中、低云减少。（3）夏季的地表潜热通量与大气总的潜热释放最强,大气净辐射冷却最弱,高原地区较强的地面感热导致试验区500 hPa以下的近地面全年存在暖平流,500 hPa以上则由于强烈的西风和辐射冷却存在冷平流。此外,试验区整层大气全年以干平流为主,但在夏季出现了较弱的湿平流。（4）视热源Q₁具有明显的垂直分层特征:全年500 hPa以下大气表现为冷源,300～500 hPa和100～150 hPa表现为热源,150～300 hPa则在冬春干季表现为冷源,在夏秋雨季表现为热源,不同高度层的冷、热源的形成原因不同,其中夏季由于增强的上升运动、感热垂直输送和水汽凝结潜热以及高云的形成,因此几乎整层大气表现为热源。     

华南锋面和季风降水环流特征及加热结构对比分析

选取华南2017年5月15日两段不同系统影响的典型个例降水,基于ERA Interim分析资料和地面、雷达等观测资料,从两类降水的大尺度环境及中尺度特征方面探讨了两类降水系统的差异,并利用模式潜热廓线订正方案对两类降水个例的潜热进行反演。结果表明,季风降水主要受偏南风影响,边界层内强辐合、高温高湿,中高层（600~150 hPa）较强辐散,而锋面降水受低层锋面系统影响,对流层低层强辐合,800~300 hPa较强辐散,水汽输送深厚,斜压性结构明显,且垂直运动剧烈。除两者的辐合辐散中心、正涡度的中心以及水汽通量辐合中心和垂直运动大值中心所在的层次明显不同外,其强度也差别较明显,就垂直运动而言,锋面降水的最大值达-1.2 hPa/s,远远大于季风降水（-0.2 Pa/s）。两者的中尺度特征和加热结构也存在显著差异,季风降水中尺度雨团沿海岸线自西向东移动发展,潜热加热中心为单峰值,位于5~6 km;锋面降水中尺度雨团在一条西南-东北走向的雨带上不断向东南方向合并发展,潜热加热中心有两个,分别位于1~2 km和6~7 km。      

A QUANTITATIVE STUDY FOR ABNORMAL FREEZING RAINS AND SNOWSTORMS IN SOUTHERN CHINA IN EARLY 2008

A quantitative diagnosis is carried out for the upward branch of a local meridional circulation over southern China(SC) during the abnormal snowstorms with severe freezing rain from 10 January to 3 February 2008.The diagnostic study shows that the upward branch is mainly associated with the zonal advection of westerly momentum and meridional temperature advection instead of the latent heating(which is commonly the dominant factor in many other storm cases).The corresponding weather analyses indicate that(1) the zonal advection of westerly momentum represents the effect of the upper-level divergence on the anticyclone-shear side in the entrance of a 200 hPa westerly jet with a westward deviation from its climatological location over southwestern Japan;(2) the meridional temperature advection represents the interaction between the mid-lower layer(850 to 400 hPa) warm advection over SC(ahead of temperature and pressure troughs with the latter trough deeper than the former in the Bay of Bengal) and cold advection over north China(steered by an underlying flow at 500 hPa);(3) the relatively weak vapor transport(compared to that of spring,summer and autumn) from the Bay of Bengal and the South China Sea to SC and the existence of a temperature inversion layer in the lower troposphere over SC diminish the effect of latent heating.With the significant increase of vapor transport after 24 January,the role of latent heating is upgraded to become the third positive contributor to the upward branch over SC.     

江淮地区强降水分型及其环流演变

使用新建的强降水历史个例数据集、1981-2016年我国逐日降水量观测资料、2016年T639与ECMWF模式1~10 d的逐日降水量预报,采用经验正交函数展开（EOF）提炼出江淮地区强降水的典型模态,并运用场相似法对江淮地区强降水进行客观分型,分析强降水的环流演变;定量诊断型环流相似所得与实测环流和降水的对应关系。结果表明:江淮地区强降水可分为Q_Ⅰ,Q_Ⅱ和Q_Ⅲ 3种类型,其中,Q_Ⅰ型降水中心位于江淮中部,Q_Ⅱ型表现为降水北多南少,Q_Ⅲ型表现为降水中间少南北多的分布。强降水对应的前期至当日,各型降水对应在亚洲的中高纬度地区均有显著的环流异常,且环流演变存在明显不同;但各类型降水对应的系统移动速度缓慢,且到强降水发生日江淮地区处于西太平洋副热带高压西北侧低值系统的控制,有利于该地区强降水的发生。按环流相似依不同时效得到的强降水发生日环流与实际环流存在很好的相关。独立试验中,该文方法对25 mm降水的TS评分在各时效均高于模式预报,50 mm降水的TS评分在3 d以上时效的评分也均高于模式预报。     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。