台风倒槽内β中尺度低涡及特大暴雨的数值模拟

对 2 0 0 1年 7月 6～ 7日上海嘉定特大暴雨及β中尺度低涡进行大、中尺度分析 ,认为特大暴雨是在西太平洋副热带高压的西北侧、北部西风槽与南部台风倒槽相连的形势下形成的。利用改进的区域 η坐标模式 (REM)对这一过程进行了数值模拟 ,发现降水先于 β中尺度低涡形成 ,强降水是在“风速偶”之间的强辐合作用下触发的。探讨了“风速偶”特别是弱风中心形成的原因。根据模式输出的高时空分辨率物理量场对 β中尺度低涡与特大暴雨的形成进行分析 ,探讨了它们形成的机制 ,结果表明 β中尺度低涡的形成是由于强降水使气柱增暖加强了低空原有的正涡度的情况下形成的 ,低涡与降水存在正反馈机制 ,CISK机制可能是十分重要的     

“10.7”安庆特大暴雨及中尺度低涡结构的数值模拟与分析

采用常规气象观测、地面加密降水资料、FY-2E卫星逐时T_BB资料以及WRFV3.3高分辨率模式输出资料,对2010年7月12—13日安庆罕见特大暴雨过程的中尺度对流系统的发生发展、结构特征及形成原因进行了综合分析。WRFV3.3中尺度非静力模式很好地模拟了此次切变线暴雨的雨带走向、几个暴雨中心的位置和强度,以及中尺度对流系统的整个发展过程。分析结果表明:此次特大暴雨是在高层200 hPa强大的南亚高压稳定少动,中层500 hPa的短波槽的生成、转向和发展与副高的维持,低层的700 hPa和850 hPa中尺度低涡、切变线以及地面梅雨锋扰动的共同作用下造成的;700 hPa低涡、切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统是这次特大暴雨的直接制造者。细网格模拟结果揭示,安庆特大暴雨与850 hPa上的β中尺度对流系统(MβCS)的生成和强烈发展直接相关。该MβCS具有明显的动力—热力结构特征,显示:强上升运动与饱和气柱的耦合,强散度柱与强涡柱的耦合发展,强上升运动与位势不稳定的耦合发展,湿静力不稳定与湿对称不稳定共存。     

四川盆地一次暖性西南低涡大暴雨的中尺度分析

2021年8月7—8日,四川盆地中东部出现大暴雨、局地特大暴雨,是重庆2021年度社会影响最大的一次暴雨过程。采用多源观测及ERA5再分析资料,对此次大暴雨过程进行诊断分析。结果表明：大暴雨发生在低槽移入四川盆地诱发暖性西南低涡背景下,具有显著的阶段性、跳跃性和极端性特征。大暴雨先后形成于西南低涡中心东南部、西南低涡东侧和西南低涡南侧暖湿的边界层辐合线附近。各阶段大暴雨均由移动缓慢、维持时间达3～6 h的β中尺度对流系统影响形成,暖湿不稳定和弱垂直风切变为β中尺度对流系统的形成提供了有利的环境条件。涡度分析表明,西南低涡的发展主要源于低空辐合及垂直涡度输送效应,但暴雨区的正涡度发展与西南低涡并不完全相同,水平涡度倾侧效应较为显著。第一阶段暴雨区正涡度主要源于对流层中低层西南低涡中心附近显著的低空辐合、涡度垂直输送及水平涡度倾侧效应;第二阶段和第三阶段暴雨区正涡度主要源于边界层辐合及边界层以上的水平涡度倾侧效应,边界层辐合触发暖湿大气中的中尺度对流活动促进了第二阶段和第三阶段大暴雨的形成。     

2010年秋季一次海南东海岸特大暴雨的中尺度分析

综合利用NCEP再分析资料、地面加密观测、多普勒雷达观测和卫星观测等常规和非常规资料,对2010年10月5日海南琼海特大暴雨过程的天气背景、环境场特征以及中尺度云团的活动特征进行分析。这次过程发生时热带辐合带(ITCZ)异常活跃,热带低压在海南岛附近活动,为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景,偏东气流在海南岛的东岸特殊地形的影响下形成中尺度切变线。切变线上有中尺度对流系统自南向北移近琼海,并发展加强。采用WRF模式的精细模拟结果,进一步研究了造成琼海特大暴雨的中尺度对流系统形成和维持的主要原因。结果表明,在海南岛东岸稳定维持的β中尺度对流带及其上活跃的对流系统是造成特大暴雨的直接影响系统。新的对流系统不断地沿对流带尾部生成,并沿对流带自南向北移动发展可能是造成琼海地区强降水持续的直接原因。该模拟阶段雨强的发展加强,伴随着偏东风急流的发展和北抬。急流的扰动不仅增强垂直风切变,还通过倾斜项的作用将水平涡度转化为垂直涡度,同时,在海南岛中尺度地形的抬升和阻滞下,并有水平平流及热力条件的配合,使对流在迎风坡的上游发展加强,造成此次特大暴雨。      

"99.8"山东特大暴雨形成机制的数值模拟分析

利用双重嵌套的非静力数值模式MM5V3,成功地模拟了1999年8月11~12日山东诸城发生的特大暴雨。利用模式输出的高时空分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析。结果表明,这次特大暴雨是在弱冷空气侵入台风低压环流,热带辐合带北伸的形势下形成的;倾斜涡度发展是特大暴雨及中尺度低涡产生、发展的重要机制,鲁东南有利的地形对中尺度低涡的形成具有重要作用;台风低压倒槽顶部的强辐合作用首先触发上升运动,产生强降水,强降水位于低层气旋性暖式切变最明显的地方;强降水释放的凝结潜热使高层气层增暖,高层辐散加强,引起低层中尺度低涡强烈发展,导致降水增幅。可见,CISK机制是特大暴雨和中尺度低涡加强的另一种机制。     

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。     

台风对西南低涡影响的数值模拟与诊断个例分析

利用NCEP再分析资料和MM5中尺度数值预报模式对2004年9月3~6日因西南低涡造成四川盆地和重庆地区特大暴雨天气过程开展了数值模拟和诊断分析。结果表明,在此次特大暴雨天气过程中,西南低涡生成后由于受“桑达”台风的阻塞影响,西南低涡移动速度变慢,强度增大,生命期延长。同时“桑达”台风西侧吹入内陆的东北气流在西南低涡的东南侧转变为西南气流的过程中出现气流辐合并使得水汽迅速聚积,从而触发了在西南低涡附近形成特大暴雨天气过程。     

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。     

2003-08-28致洪暴雨过程的数值模拟分析

利用较高分辨率的非静力中尺度数值模式MM 5和NECP资料,对2003-08-28西北东部致洪暴雨天气过程进行数值模拟,重点研究α、β中尺度系统的发生发展和演变过程,对影响暴雨的物理量诊断分析。结果表明:α中尺度低涡越山后迅速生成发展,在有利背景条件下生成多个β中尺度系统,不同尺度系统共同作用形成本次区域性暴雨。强降水主要出现在低涡系统的发展阶段。暴雨区南侧600 hPa附近存在干冷层,上部大气层结稳定,抑制垂直扩散,有利于水汽和能量沿着低空向雨区集中输送。暴雨区上空水汽和能量以垂直输送为主,同时伴有大量潜能释放。位涡、散度、垂直速度等物理量的空间分布,有利于强对流天气发生。     

强热带风暴碧利斯 (0604) 引发的特大暴雨中尺度结构多普勒雷达资料分析

强热带风暴 “碧利斯” (Bilis) 于2006年7月14日12:50在福建省霞浦县北壁镇再次登陆, 与南海季风相互作用, 在福建省引发特大暴雨。作者利用双多普勒雷达三维风场反演技术对厦门和龙岩新一代多普勒雷达时间同步探测资料进行了风场反演, 综合利用雷达回波强度资料, 对造成长泰、 漳州特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明: (1) 此次特大暴雨主要是由中低层西南[CD*2]东北走向的β中尺度辐合线引发的, 辐合线对于水汽输送以及暴雨的形成、 触发、 维持具有重要作用, 辐合线在暴雨的整个生命史过程中经历了由弱变强、 由强变弱的演变过程, 变化过程与降水的强弱演变过程基本同步。 (2) 由于丰富的水汽供应和中低层辐合线的动力抬升作用, 西南[CD*2]东北走向的β中尺度回波带的西南不断有新的γ中尺度对流单体生成, 在沿着辐合线向东北移动过程中进一步发展、 合并形成β中尺度对流线, 造成持续的强降水。最后, 还给出了此次特大暴雨的三维云系结构模型。     

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。     

“7.20”华北特大暴雨过程中低涡发展演变机制研究

利用中国地面加密自动站观测资料、北京地区雷达探测资料、NCEP （1°×1°） FNL资料、ECMWF ERA Interim （0.125°×0.125°）逐日再分析资料等,对造成2016年7月19-20日华北极端暴雨中的低涡系统发展演变的结构特征和加强机制进行了研究。华北地区这次特大暴雨过程出现了3个阶段降水,其中与低涡系统强烈发展对应的第2阶段降水是本次华北暴雨过程的主要降水阶段。针对该低涡的分析表明：（1）850 hPa以西南低涡为中心的低压带中,在河南西北部新生低涡系统,并且其在向华北地区移动过程中显著加强,该低涡系统在空间结构上,从倾斜涡柱逐渐发展成近乎直立的、贯穿整个对流层的深厚低涡系统;（2）中低层低涡系统快速发展过程与高低空系统构成耦合作用有关：低层低涡系统显著加强之前,对流层上层（300-200 hPa）首先出现高空槽异常加深并向南发展,该高空槽发展的开始阶段与其本身冷暖平流造成的斜压发展过程对应;而后,随着高纬度平流层高位涡沿等熵面向南运动,造成华北地区对流层上层涡度增强,形成正位涡异常区;当这一正位涡异常区叠加在对流层中低层锋区上空时,造成对流层中低层气旋快速发展并向下伸展,诱发河南西北部的新生气旋;低涡系统的发展进一步强化了低空暖平流,促使低空气旋向东北方向发展"移动"（本质上是暖平流前端造成的气旋发展）,这一动力学过程反过来使高层的涡度增强;这一正反馈过程形成的耦合环流不仅造成了整个涡度柱强度增强,而且垂直结构上逐渐由倾斜涡柱演变为近乎于直立的涡柱;（3）随着低涡系统增强,极大地加强了垂直上升运动并触发了对流,形成大范围的强降水,大量的凝结潜热释放,造成了低层低涡系统在强降水开始阶段的快速发展和增强;20日00时（世界时）以后,虽然对流活动显著减弱,但低涡系统的加深维持了大范围强降水过程的持续。强降水与低涡发展的正反馈过程是这次华北暴雨得以长时间维持的重要机制之一,这一过程形成的持续性潜热释放也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的重要原因。     

甘肃东南部两次极端致灾暴雨对比分析

为了研究甘肃东南部相同气候背景条件下极端暴雨天气的成因,提高极端暴雨强度和落区预报的准确率,利用NCEP再分析、自动气象站降水、常规观测资料及卫星云图资料,对2013年8月7日和2017年8月7日发生在甘肃东南部两次极端暴雨进行对比分析。结果表明:两次极端暴雨天气过程都伴随着短时强降水等强对流性天气,具有降水量大、雨强强、灾害重的特点,其中冷空气的强度对暴雨落区、空间分布以及影响系统移动以及对流强度产生重要影响。在强冷空气和高空低槽、低层切变线影响下,暴雨区偏南,强降水区域小,持续时间短,不稳定条件更好,对流强度更强;在弱冷空气和高原槽、低层低涡、低空急流作用下,暴雨区偏北,强降水范围大,持续时间长,大气湿层厚度大,低层水汽辐合强度、涡度以及垂直速度更强,降水效率更高,但对流强度相对较弱。卫星云图上,在强冷空气的影响下对流发展旺盛,形成强中尺度对流云团,对流云团呈带状;在弱冷空气作用下对流云团尺度小,发展范围小,有暖云降水特征,降水效率高。     

辽宁黑山突发性局地特大暴雨中尺度对流条件和特征

利用常规和加密自动气象站观测资料、卫星和雷达探测资料以及NCEP再分析资料（1°×1°,6h）, 对2013年8 月15-16日辽宁黑山地区特大暴雨的中尺度对流条件和对流系统特征进行探讨。结果表明: 此次强降水由中-β尺度系统引起,短时大暴雨发生在能量舌边缘,地面偏东风和地形强迫抬升作用造成对流单体沿着山脉东侧生成、发展和移动,最终导致持续性对流性强降雨。东北低压冷锋前所激发的中尺度切变和涡旋触发了局地大暴雨。黑山地区上游有两个对流单体生成,向东移动合并影响该地区,移动方向前侧的斜升气流和低质心回波提高了降水效率。     

2013年6月江西一次持续性暴雨过程分析

利用常规观测资料、卫星云图和地面加密观测资料以及NCEP再分析资料等,对2013年6月26—29日江西持续暴雨过程进行天气动力学诊断分析和中尺度分析。结果表明：（1）此次持续暴雨过程是西太平洋副热带高压、季风涌、冷空气以及青藏高原东传的短波槽共同作用的结果;（2）对流层低层水汽辐合加强,以及低层辐合和高层辐散使垂直运动厚度和强度增大,有利暴雨强度增强;（3）冷暖交汇区上升支气流与其北侧的下沉气流同时加强,也有利于暴雨增强;（4）对流层低层西南急流的日变化与强降水在后半夜至凌晨开始加强关系密切;（5）该过程伴随着一系列γ或β中尺度对流系统发生、发展、合并,导致了赣北地区持续暴雨或大暴雨;（6）中尺度强雨团有向地面辐合线区域和对流性不稳定大值区移动发展的趋向。     

对流涡度矢量垂直分量在西南涡暴雨中的应用

将对流涡度矢量 (CVV) 应用于浅薄系统西南低涡引发的暴雨中,特别是将对流涡度矢量垂直分量 (C_z) 应用在2010年7月16—18日由西南涡引发的一次暴雨过程诊断中。研究了CVV垂直积分的各个分量与6 h累积降水量的关系,尤其是CVV垂直分量在西南涡暴雨过程中的指示意义。诊断结果表明:CVV垂直分量与西南涡引发的暴雨有一定对应关系,强降水发生时段与C_z垂直积分峰值出现的时间对应一致;在对流层低层850 hPa水平分布上,暴雨区位于CVV垂直分量的正值中心附近,偏向其梯度较大处;沿暴雨中心的CVV垂直分量,当对流层低层至高层呈现一致的正值时,暴雨强度会明显加强。     

2003年淮河汛期一次中尺度强暴雨过程的诊断分析和数值模拟研究

2003年7月4—5日淮河流域发生了一次中尺度强暴雨过程,致使淮河洪水泛滥。这次暴雨过程由中尺度对流系统(MCS)以及因其发展而产生的低涡造成。通过对此次过程的诊断分析和新一代细网格WRF中尺度预报模式的数值模拟,研究了这次过程发生发展的机制。模拟结果较好地描述了本次暴雨及中尺度系统发生、发展的时空演变过程。分析结果表明:此次移动性暴雨过程的前期由不断向东移动发展的MCS造成,后期降水则由低涡切变线产生的中尺度低涡引起。同时,副热带高压明显偏西偏北,并维持较长时间,造成雨带一直维持在淮河流域。高层辐合中心的加强使低空急流不断增强,低空急流的增强进而引起低层辐合的加强,而低层辐合的加强以及上升运动的潜热释放导致低涡的发生,低涡形成及形成后移动缓慢,造成了淮河流域的大暴雨。高层中尺度辐散区的抽吸对低层中尺度涡旋的发生发展起到了促进和加强的作用。低层的中尺度辐合场和高层的中尺度辐散场的发展与耦合对中尺度系统的发展有很好的预示作用。低层中尺度辐合区的减弱预示着系统的衰减,西南偏西的中层相对干冷空气侵入并在梅雨锋前缘下沉促进了系统的衰减。     

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