06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

一次弱天气背景下浙江局地暖区暴雨成因分析

利用多源观测资料及ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2021年6月9日夜里浙江首场梅汛期局地暖区暴雨的降水成因进行了诊断分析。结果表明:此次过程环流形势与典型梅雨完全不同,属于弱天气背景下的局地暖区暴雨;南海低压和西太平洋副热带高压之间东南气流的维持,为暴雨区提供充沛的水汽来源,925 hPa超低空偏南风急流的加强有利于低层增温增湿,不稳定层结加剧,暴雨区位于急流轴左侧;整层高湿背景及较低的自由对流高度导致的弱抬升条件就能触发对流,中高层气旋性辐合旋转加强使暴雨加强,较厚的暖云层有利于提高降水效率;地面中尺度辐合带的生成激发了初始对流,其维持和加强不断激发对流云团生成,产生列车效应,导致暴雨形成。龙门山小尺度地形有利于东南气流在迎风坡强迫抬升,对流加强,且垂直速度的发展程度与地形有较好的对应关系,地形高度越高,激发的垂直速度越强。     

06·6福建大暴雨的数值模拟及复杂地形影响试验

利用WRF（Weather Research Forecast）中尺度模式对2006年6月5-7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,根据模式输出的物理量进行了诊断分析,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响。结果表明：中尺度WRF模式成功模拟出了这次暴雨的雨况及高低空流场分布。这是建立在静止锋、低空切变线和低空急流等系统基础上的一次典型的华南准静止锋降水。冷暖气流在底层交汇并产生强烈的垂直上升运动,不稳定能量的释放是暴雨发生和维持的机制之一,位温的垂直分布有利于低层涡度的发展。福建北部的喇叭口地形和武夷山迎风坡共同作用,导致西南气流的转向辐合,触发了中尺度切变线和中尺度涡旋的形成,加速了上升运动和中层对流发展,有利于位于迎风坡的建瓯、邵武、蒲城等地区降水的增强。     

地形与城市环流共同作用下的β中尺度暴雨

从中尺度天气动力学理论入手, 利用尺度分析的方法, 得到了地形与城市热岛共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理论特征。利用北京地区稠密的地面观测网资料以及分布于距暴雨中心区不同距离的两部风廓线仪观测资料, 通过分析2006年夏季发生的3次β中尺度暴雨酝酿、 发生、 发展、 维持过程中的气温、 降水、 风场的配置关系, 对β中尺度暴雨的部分理论特征进行了验证。主要结论: (1) 由城市热岛形成的水平温度梯度有可能在靠近城区的山前迎风坡强迫产生相对独立的中尺度风的垂直切变, 由此产生的低空风的垂直切变是维系中尺度对流降水发生、 发展的重要条件。另一方面, 一旦迎风坡出现强降水, 将形成吹向迎风坡的风速与降水强度之间的正反馈现象, 这种正反馈过程对β中尺度暴雨的形成过程起到了重要作用; (2) 地形越靠近城区, 山前越容易形成强的水平温度梯度, 进而越容易出现低空风的垂直切变。形成强低空风的垂直切变的响应时间取决于水平温度梯度的强度; (3) 地形坡度越大的地方, 产生的上升运动越强, 中尺度系统的水平尺度越小, 对于地形坡度较为平坦的地方, 更有利于产生水平尺度较大的中尺度系统; (4) 一般情况下, 地形与城市热力过程造成的中尺度暴雨过程多发生于傍晚前后或凌晨前后。     

四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统分析

利用ERA5再分析资料、新一代雷达拼图资料,探究了2017年5月初四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统及动力影响因子。结果表明:此次暴雨事件的主要影响系统有中纬500 hPa东移低槽、西伸的西太平洋副热带高压、对流层中低层的西南低空急流以及低层切变线。大尺度的低空急流与中小尺度的山区低空急流的叠加使四川盆地东北部形成正涡度柱和低层强辐合柱的动力耦合,低空急流最大风速出口辐合上升区与地形的辐合抬升作用叠加形成盆地东北部强烈的垂直上升运动,成为山地暴雨突发的动力触发条件,因低空急流建立的位势不稳定层结构成暴雨的热力条件。冷空气自低层逐渐向高层侵入是暴雨第二阶段增幅的主要原因。盆地东北部地形是本次暴雨的另一个增幅因子,其对暴雨过程中垂直上升运动有加强作用,秦巴山脉迎风坡的抬升作用对暴雨第一阶段的降水量贡献较大,青藏高原东麓背风坡的辐合效应对第二阶段降水量贡献较大。此外,盆地东北部山地对东移的中尺度对流系统有阻挡作用,使其停滞并旺盛发展。     

桂西一次对流性特大暴雨过程分析

利用NCEP1×1°再分析资料、常规观测资料、自动气象站资料和雷达产品,结合地形因素分析了2012年5月21-22日广西西部出现的对流性特大暴雨天气过程,结果表明:(1)特大暴雨具有明显的中尺度对流性性质,降水强度大、时效性短,降雨主要集中出现在后半夜(00-06h).(2)强降水出现在低空急流风速核附近区域以及地面锋面暖区一侧约200公里处.(3)45dBZ以上的强回波在列车效应下产生了高效的降水.逆风区上空存在着中低层辐合、高层辐散的垂直结构,有利于对流的发展.(4)低空急流的存在和持续,为暴雨区输送了充足的水汽,导致降水回波在暴雨区上空维持少动.(5)强降水主要出现在岑王老山的迎风坡上,具有典型的地形影响特征.     

2018年北京“7.16”暖区特大暴雨特征及形成机制研究

利用京津冀区域加密自动气象站、SA多普勒天气雷达、L波段风廓线雷达、NCEP 0.25° 再分析资料及0.03° 高分辨率地形资料研究了北京2018年7月15—16日暖区特大暴雨特征和形成机制。结果表明:（1）这次暖区特大暴雨发生在副热带高压边缘的暖气团（θ_se高能区）中,无明显冷空气强迫,斜压性弱,有丰沛的水汽,850 hPa以下出现强水汽辐合。（2）暴雨的中尺度对流系统发展有3个过程:带状对流建立和局地强雨团影响、北京北部“列车效应”南部雷暴冷池出流造成对流加强和移动、平原地区线状对流重建。（3）暴雨发生前,低层西南风出现风速脉动,低空急流建立。首先在2500—3500 m高度形成低空急流,2 h后2500 m以下风速显著增大,5 h后急流厚度由边界层伸展到700 hPa。急流出口区降压,低层出现气旋性风场或切变,有利于垂直上升运动发展,触发和加强对流。（4）西南低空急流暖湿输送导致高温、高湿、高能的对流不稳定层结反复重建,这是对流发展加强的重要原因。（5）地面辐合线是对流触发并逐渐组织成带状对流系统的关键影响因素。地面辐合线方向、低空急流轴、回波移动方向三者几乎重叠是造成对流后向传播和“列车效应”的有利条件。（6）太行山和燕山地形对对流触发和暴雨增幅有重要影响。北京最大雨强≥40 mm/h站点中的77.4%位于西南部和东北部200—600 m海拔高度处。偏东风在华北西部太行山局地迎风坡触发对流,西南低空急流在北京北部迎风坡和喇叭口地形处辐合和抬升更为显著,造成局地特大暴雨。      

2005年陕西第一场透雨诊断分析

利用天气学方法和诊断分析技术分析了2005年陕西第一场透雨的成因和物理量特征,结果表明稳定的“东高西低”是第一场透雨的有利形势场,西南低空急流和地面回流为降水的发生和持续提供了充沛的水汽,陕西中南部地形的抬升是形成降水中心的原因之一;大降水区上空次级垂直环流的上升运动支位于秦岭山脉和黄土高原的迎风坡上空;水汽输送主要依靠副高西侧的西南低空急流;K指数≥30oC有利于透雨的产生;θse分析表明对流层中低层为对流不稳定。     

地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究

地形对暖区暴雨的发生发展有着重要影响。以粤北一次暖区暴雨为例,从大尺度背景、中尺度特征及预报难点等方面分析了地形的作用,并利用CMA-GD模式进行了地形敏感性试验。结果表明:此次暴雨在副高与西风槽之间的双低空急流下发生,南岭地形对低空急流的动力作用、对θ_se舌和水汽的阻滞拦截作用,为暴雨出现在粤北创造有利条件;地形热力作用下产生的中尺度辐合线是对流触发的机制。敏感性试验显示南岭地形对暖区暴雨的落区影响显著,降水落区随南岭地形升高(降低)而往南(北)偏移。西南急流在经过南岭时,低层风速、散度、温度以及垂直速度都会随地形改变而发生明显变化。当南岭地形高度降低时,正面阻挡和摩擦作用减弱,急流、辐合及上升运动区向北推进到西风槽附近,导致雨区往北偏移;南岭地形高度升高时,地形阻挡和摩擦作用增强,辐合及上升运动区被阻隔在南岭南侧,暖区对流提前触发,雨区发生在粤北。可见,此次暴雨过程主要来自大尺度环流背景的影响,但其落区与南岭地形密切相关。     

河北暴雨的多普勒天气雷达径向速度特征

利用2004—2011年29次暴雨过程的多普勒天气雷达资料和常规天气资料,分类总结了河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征。发现形成河北中南部暴雨的主要雷达径向速度特征有5类:β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合、高空急流和深厚持久的低空急流。深厚持久的低空急流是大范围暴雨的主要速度特征之一。高空急流是大范围暴雨和区域暴雨共有的速度特征。β中尺度辐合线、β中尺度辐合、γ中尺度辐合是大范围暴雨、区域暴雨和局地暴雨共有的速度特征和主要的中小尺度影响系统。列车效应是造成局地暴雨、大暴雨的关键原因。     

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。     

A mesoscale analysis of heavy rain caused by frontal and topographical heterogeneities on Taiwan Island

The prevailing mesoscale model MM5 (V3) is used to simulate a heavy rain case caused by interaction between a move-in front and topographical heterogeneities on Taiwan Island. It is found that both thermodynamic and dynamic fields along the front are heterogeneous in time and space. The heterogeneity becomes more significant as the effect of topography is added on. The heterogeneous distribution of physical variables along the front is the main reason for the heterogeneous frontal rain band; the optimum cooperation of the low level and upper level jet is another reason for the development of the rain band.Topography can strengthen the rainfall and causes extremely heavy rain cells. Updraft induced by topography extends to a rather low level, while the uplifted air by frontal circulation can reach to higher levels.The quasi-steady topographic circulation overlaps the frontal circulation when the front moves over Taiwan Island; the advantageous cooperation of various mesoscale conditions causes the large upward velocity on the windward side of the island.     

Analysis of a Group of Weak Small-Scale Vortexes in the Planetary Boundary Layer in the Mei-yu Front

A mei-yu front process in the lower reaches of the Yangtze River on 23 June 1999 was simulated by using the fifth-generation Pennsylvania State University-NCAR （PSU/NCAR） Mesoscale Model （MM5） with FDDA （Four Dimension Data Assimilation）. The analysis shows that seven weak small mesoscale vortexes of tens of kilometers, correspondent to surface low trough or mesoscale centers, in the planetary boundary layer （PBL） in the mei-yu front were heavily responsible for the heavy rainfall. Sometimes, several weak small-scale vortexes in the PBL could form a vortex group, some of which would weaken locally, and some would develop to be a meso-α-scale low vortex through combination. The initial dynamical triggering mechanism was related to two strong currents： one was the northeast flow in the PBL at the rear of the mei-yu front, the vortexes occurred exactly at the side of the northeast flow; and the other was the strong southwest low-level jet （LLJ） in front of the Mei-yu front, which moved to the upper of the vortexes. Consequently, there were notable horizontal and vertical wind shears to form positive vorticity in the center of the southwest LLJ. The development of mesoscale convergence in the PBL and divergence above, as well as the vertical positive vorticity column, were related to the small wind column above the nose-shaped velocity contours of the northeast flow embedding southwestward in the PBL, which intensified the horizontal wind shear and the positive vorticity column above the vortexes, baroclinicity and instability.     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的结构和准平衡特征分析

利用2008年6月广西致洪暴雨过程高分辨率数值模式资料,分析引起暴雨的中尺度涡旋在移动和持续性发展过程中其内部结构的演变以及系统的动力学特征。研究结果表明,中尺度涡旋是导致此次广西暴雨的主要系统,其发展移动过程中伴随有强烈上升运动的深厚湿对流,并在中高层持续形成明显的暖心结构。此次涡旋系统移动过程可分为涡旋南移和涡旋东移两个阶段,由于受到环境场的影响,涡旋中心区域动量、热量和水汽的再分配为其持续性发展提供有利条件。同时诊断分析表明,涡旋内部存在具有继发特征的长时间维持的组织化深厚湿对流系统,以强非地转分量为特征的超地转流,并表现出涡散运动共存且同量级的特征,具有典型的准平衡特征。     

重庆雾的天气成因

在对重庆雾进行天气学分类基础上，利用合成方法分析了几次典型辐射雾和雨雾的环流形势、流场特征以及雾的垂直环流结构，揭示出两类雾的形成原因。分析表明，辐射雾产生在经向环流背景下，中亚地区高压脊为主要影响系统；经向垂直剖面表现为青藏高原东侧的对流层中层有一发展完好的顺时针旋转的垂直经向环流，其前部的下沉气流顺着地形坡地下滑时在四川盆地强迫出一个逆时针旋转的垂直环流，使重庆附近低层的下沉气流得到加强；夜间辐射降温明显，并有贴地逆温存在，大气层结较稳定。雨雾发生在亚洲地区经向环流相对较弱的背景下，青藏高原低压槽和地面冷锋为主要影响系统；垂直环流结构表现为高空低压槽发展东移时在四川盆地诱生一逆时针旋转的垂直环流，其东侧的上升支正好与地面弱冷空气入侵四川盆地时形成的顺时针旋转的垂直环流的上升支相耦合，使重庆附近上升气流加强，地面附近暖湿气流较活跃，明显增湿过程对雨雾形成起到重要作用。     

一次冬季锋面暴风雪天气过程的斜压边界层特征的观测分析

对STORM-FESTIOP17一次冬季锋面暴风雪天气过程的斜压边界层结构演变及特征进行了分析。发现：暖湿空气沿锋面抬升凝结成云，产生降水过程中释放的大量潜热显著增加锋两侧的水平温度差异，产生锋生。与锋生相伴，在锋前产生低空急流和高空急流。当锋生至最强时，锋两侧温差可达20K，锋前低空急流开始减弱，锋后低空急流增强，锋后冷平流开始主导锋两侧的环流系统。该冷平流削弱锋两侧的温度水平梯度，产生锋消作用。对这次锋面斜压对流边界层的湍流特征分析表明：在边界层之上切应力wv明显增大；湍能收支分析表明在边界层之上的风切变产生项很强，即大尺度天气系统有利于斜压对流边界层的发展，边界层内各量充分混合。这次冬季锋面暴风雪天气过程，冷锋前的低空南风急流从墨西哥湾携带来的充足水汽及锋区边界层大气的强斜压性是其产生的关键因子：冷锋过后，大尺度高空急流的作用更有利于对流边界层的充分发展。     

台风“海燕”（2013）暴雨非对称结构及中尺度特征分析

利用NCEP再分析资料、地面雨量加密自动站资料及多普勒雷达产品资料,对2013年第30号超强台风“海燕”暴雨的非对称结构及中尺度降雨的形成机制、落区特征进行分析。研究结果显示:（1）“海燕”停编前有4个MCS呈东西向带状分布在广西南部,维持时间约9~12 h;台风减弱停编后在广西东南部有1~2个呈南北向的MCS,维持时间为2~4 h,造成此次台风过程的最强降水;（2）在“海燕”影响过程中,能量锋在贵州和广西维持并明显北倾、能量低值中心南下控制桂西北,使该地暴雨骤停、而桂东南在南风急流及地形作用下暴雨维持,是台风暴雨呈现东南强西北弱的非对称结构的主要成因;（3）台风登陆广西至停编时段的中尺度降雨是在高层的位涡异常与低层的位温异常叠加所形成的大气结构下,锋面触发不稳定能量形成的,中尺度降雨集中在边界层能量锋区最大梯度中心、MPV1梯度区零值附近与MPV2正值中心叠加处;（4）台风减弱在停编后的中尺度降雨是由冷空气侵入六万大山东侧抬升暖湿气流形成初始中-γ对流回波,在南风急流及两山脉间的盆地地形作用下,逐步加强发展成中-β对流回波并以“列车效应”传播而形成的。      

一次由“列车效应”造成的致洪暴雨分析研究

2010年6月25日在粤东南部地区发生了超历史纪录的强降水过程。利用MICAPS 3.1软件系统、多普勒雷达及中尺度地面自动加密观测站等资料进行分析表明：深厚的高空冷涡位置偏南,移动缓慢是造成此次极端降水的直接影响系统。有组织排列的多单体风暴活动、地面准静止锋及其前方锋前暖区内出现的中尺度辐合长时间维持,是形成＂列车效应（Train Effect）＂的主要原因,降水回波沿东北—西南向排列的地面总能量中心移动,特殊的地形作用促使＂列车效应＂形成。反射率因子图上显示强降水回波具有低质心结构且垂直发展旺盛,具有＂牛眼＂结构特征的速度图上表明了强盛的低空西南急流存在。由于＂大风核＂存在,造成中小尺度次级垂直环流,并且这些次级环流有规则的排列,这可能是＂列车效应＂形成和维持的主要原因。在上述研究基础上提出了此次＂列车效应＂暴雨模式。     

一次梅雨锋特大暴雨中尺度气旋和MCS的分析

利用自动气象站、多普勒雷达、FY4A、ECMWF模式、NCEP再分析资料,对2020年7月17—19日特大暴雨过程进行分析。结果表明：特大暴雨出现在安徽大别山附近和庐江两地,是中尺度气旋扰动环境下准静止的中尺度对流系统(MCS)以及MCS中准静止的涡旋状单体所产生。特大暴雨在高能量、强不稳定背景下,由中部和东部的中尺度气旋传播所致。中尺度气旋传播过程中单体不断新生、合并增强且移动缓慢,配合急流、辐合、干侵入、垂直环流等因素对组织化的MCS发展演变起到相当作用。低层切变线南侧到华南的西南急流,将水汽输送到安徽并在此有强烈辐合;高空、低空和超低空都存在急流,高低空急流耦合加剧MCS的强烈发展;地面辐合线是前期MCS的触发机制,伴随干冷空气的入侵,加大了大气的斜压性和MCS的对流不稳定;梅雨锋南北两侧都有垂直环流圈,即对流与高空急流之间通过对流加热在高空急流入口处产生热成风调整,维持梅雨锋的发展演变,强的上升下沉运动促进MCS的加强和降水的连续发生;大别山地形抬升和上游狭管效应是两地特大暴雨诱因。