一次华南季风低压连续性暴雨过程的诊断分析

利用NCEP的FNL再分析资料、广东省区域自动站观测资料等,对2018年8月27日到9月1日发生在广东省的一次季风低压连续性暴雨过程的大气环流形势以及持续性降水的物理机制进行分析。结果表明:在高层辐散环境条件下,低层季风低压的长时间维持,为强降水提供有利的环境条件。低层的不稳定能量以及深厚的垂直上升运动,为持续性的强降水提供了有利的动力条件。暴雨期间,来自南海地区的暖湿气流为暴雨区带来了充足的水汽;暴雨区域的水汽总收支为净流入,其中南边界为强的水汽流入边界,西边界的水汽流入弱于南边界,北边界和东边界为水汽输出,经向的水汽辐合是暴雨区水汽辐合的主要贡献者。     

郑州“7·20”极端暴雨过程中水汽和高低空急流作用机制的数值模拟

针对郑州“7·20”特大暴雨过程,使用CMA-MESO区域模式对此次极端强降水过程中水汽与高低空急流的影响进行了数值试验分析。结果表明,此次暴雨过程较为成功地被中尺度模式模拟再现;暴雨过程中水汽来源主要为台风“烟花”北侧的东南急流携带的来自西太平洋与印度洋的水汽以及台风“查帕卡”北侧东南气流携带的来自南海的水汽;降水及水汽输送对水汽含量十分敏感,水汽含量微小的变化便会使郑州上空气流辐合区强度减弱,水汽累积减少,降水范围向河南北部缩小,降水强度大幅度减弱;低空急流对应的气流辐合区是郑州上空出现强垂直上升运动中心的主要机制,低空急流减弱后,水汽辐合减弱,降水减少,降水中心位置偏西南,高空急流对降水的影响与低空急流相比较小。     

2012年7月21日北京特大暴雨过程的水汽输送特征

利用NCEP再分析资料,根据水汽收支方程计算2012年7月21日北京特大暴雨时期华北东北部暴雨区域的水汽收支情况并分析水汽输送特征。得到以下结论:经向水汽输送在此次暴雨过程中起主要作用,暴雨区内水汽主要来源于中、低层(500 hPa以下)的南边界。暴雨区内水汽的辐合与暴雨发生的时间和空间具有较好一致性,在低层水汽的辐合起主要作用,中高层水汽垂直输送作用更为显著。HYSPLIT后向轨迹模拟得到的结果显示根据水汽源地划分影响此次暴雨过程水汽输送路径主要有:从孟加拉湾、南海地区处于中低层直接北上的西南路径,以及中层以下从我国东部海域(黄海、东海为主)进入内陆之后北折向东北偏北方向运动的L形高湿路径;同时高层沿着西风带西北路径的干空气输送也对此次强降水有重要影响。三者中从东部海域到达暴雨区的水汽贡献率最大,而孟加拉湾、南海的水汽输送对于此次强降水起到了明显的增强作用。     

2017年盛夏湖南持续性暴雨过程的水汽输送和收支特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先分析了2017年6月下旬至7月初湖南持续性暴雨天气过程的环流背景和大尺度水汽输送特征,然后引入NOAA的轨迹模式HYSPLIT,分阶段定量分析了暴雨的水汽输送特征以及区域水汽收支情况。结果表明：天气系统的有效配置和稳定维持是强降雨持续的主要原因,持续性暴雨与全球范围的水汽输送和水汽辐合相联系,低空急流的演变和进退与暴雨落区和强度的演变关系密切。影响此次强降水过程的水汽通道主要有三支,第一支由索马里越赤道急流经孟加拉湾和我国西南地区输入暴雨区,第二支由印度洋中东部越赤道气流经孟加拉湾南部和南海北部输入暴雨区,第三支由来自南半球的越赤道气流自南海南部一路北上输入暴雨区,第三阶段还有一支水汽由赤道西太平洋穿越菲律宾进入南海后再北上输入暴雨区。过程第一、二阶段的水汽输送主要来自孟加拉湾,其次是南海,第三阶段来自孟加拉湾和南海（包括西太平洋）的水汽输送各占一半。受地形影响,孟加拉湾通道的水汽主要输送至暴雨区700 hPa,其他来自低纬洋面的通道水汽主要输送到850 hPa及以下各层。暴雨区水汽输入主要来自南边界和西边界,且主要由低层输入暴雨区,以水平水汽通量辐合的形式在暴雨区上空低层大量汇聚,经由强烈的垂直上升运动输送至对流层中高层积累和凝结,从而导致降水的产生,降水的强弱与边界水汽输入和区域水汽辐合的强弱变化一致。     

“23·7”华北特大暴雨过程的水汽特征

基于常规地面和探空观测以及ERA5再分析资料,分析了2023年7月29日至8月1日华北特大暴雨过程（简称“23·7”过程）的水汽输送、收支及其极端性等特征,探讨了太行山地形对持续性水汽辐合与垂直输送的重要作用。结果表明：此次过程发生在台风杜苏芮残涡北上,受高压坝阻挡,并有双台风（杜苏芮、卡努）水汽输送的有利背景下,降水时间超长、日降水量和累计降水量极大,在华北地区均有显著极端性。低层强盛的东南急流源源不断向华北地区输送水汽,暴雨区南边界和东边界均为水汽净流入,尤以南边界为主。偏东风在太行山东麓地形高度梯度区强迫抬升,形成强的水汽辐合与垂直输送中心,并稳定维持,是造成此次特大暴雨的重要原因。持续的水汽输送与辐合使得整层可降水量最大值超过75 mm,距平超过气候平均3个标准差,具有较强的极端性。对比“23·7”过程与2016年7月19—20日华北特大暴雨过程的水汽特征发现,二者低层水汽来源不同,前者主要来自西北太平洋和我国南海,后者则主要来自我国南海和孟加拉湾;前者区域平均水汽辐合强度明显弱于后者,单位时间内较强的短时强降水站次亦少于后者,但影响时间长于后者,说明相较于雨强而言,超长的降水时间是产生“23·7”极端强降水更为关键的因素。     

两次严重影响湖南的登陆台风水汽场特征数值模拟

针对造成湖南省特大暴雨过程的"碧利斯"和"圣帕"两次台风,利用气象、水文加密观测资料及NCEP再分析资料,结合中尺度数值预报模式AREM的模拟结果,对它们独特的水汽场特征进行了对比分析.结果表明:这两次台风的共同特点是有两条主要水汽输送通道,即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道;凝结降水的水汽主要来源于低层风场辐合和水汽平流,并通过局地垂直运动再将其输送到中高层;在湘东南强降水区上空始终存在强的水汽水平辐合和水汽垂直输送,比较而言,"圣帕"台风暴雨区上空水汽通量更强,但水汽通量辐合强度却小于"碧利斯"台风,水汽辐合层也不及后者深厚,但前者由于自身旋转性强,低压环流中心南部的切变较长时间维持,并自东向西转动,使得强降水持续时间更长,过程雨量更大,影响范围也更大."碧利斯"水汽主要源地较"圣帕"更加偏南,水汽辐合更强,与南海季风的相互作用更显著,降水时段集中,局部地区短时间内的降雨强度甚至超过了"圣帕".     

梅雨期区域边界水汽输送模型及其数值试验

通过诊断分析,提出梅雨期中国区域边界水汽输送特征模型,即高原中部区域西边界与低纬南海、西太平洋南边界为水汽输送流入主体,西太平洋东边界为水汽“流出”主体。数值模拟研究表明:1998年洪涝特大暴雨过程6月与7月份水汽输送通道特征存在差异,6月中下旬长江流域暴雨过程以西边界与南边界水汽流共同输送为主体,其中南海西太平洋区域水汽输送显著,7月份水汽输送过程以高原中部区域西边界“水汽流”为主体。因此,高原中部区域西边界与中国区域南边界的水汽输送对长江流域特大暴雨的形成均具有重要的作用。区域边界水汽流的时空特征分析及其理论模型将为长江流域暴雨预报提供科学依据。     

广东前汛期暴雨水汽输送异常变化特征

利用1979—2011年广东省86个测站的地面观测逐日降水资料及NCEP-DOE第二套分析资料,分析广东前汛期及其各月暴雨的水汽输送来源及其异常特征,诊断持续性暴雨过程水汽输送异常随赤道MJO活动的变化。结果表明,从多年气候平均场来看,广东前汛期（4—6月）水汽输送来源主要有孟加拉湾经中南半岛向华南输送（即西南支输送）、源于热带西太平洋随副热带高压边缘气流经南海地区向北输送（即东南支输送）和源于青藏高原西南侧伴随南支西风气流的向东输送（即西支输送）。广东前汛期降水异常变化的水汽输送异常来源与气候平均来源有所不同,前汛期暴雨的水汽输送异常主要是东南支、西支输送的输送异常以及源于我国中低纬度地区随偏北异常气流向南的水汽输送（简称北支输送）异常这三方面,其中北支输送异常主要加强广东区域的水汽通量辐合。暴雨水汽输送异常存在月际变化,西支和北支输送异常是4月、5月、6月暴雨的共同点,另外,5月暴雨还包括西南支、东南支输送异常,6月暴雨则包括东南支输送异常。各月持续性暴雨（持续3 d或以上的暴雨）与非持续性暴雨的水汽输送异常有所不同,4、5、6月东南支水汽输送异常,持续性暴雨比非持续性暴雨明显偏强。6月广东持续性暴雨的西南支水汽输送异常随MJO活动产生一定的变化,在MJO第4、5、6、7位相（8、1、2、3位相）,西南支水汽向华南输送偏强（弱）。赤道MJO活动影响西南支水汽输送强度的物理过程,主要是通过改变大气经向热力对比来影响孟加拉湾西南季风强弱变化,从而使该支气流流向华南的水汽输送发生变化。      

两个不同季节台风引发广西特大暴雨的水汽和螺旋度对比分析

利用CMA热带气旋最佳路径数据、NCEP/NCAR再分析资料、广西区域自动气象站观测资料以及中国气象科学数据共享服务网提供的降水资料,对引发广西特大暴雨的深秋台风“海燕”(1330) 和盛夏台风“威马逊”(1409) 进行对比分析,结果表明:深秋季台风“海燕”特大暴雨中冷空气作用明显,而夏季台风“威马逊”则受西南季风影响较大。由于西南季风的作用,“威马逊”影响广西期间其水汽输送比“海燕”强,“海燕”则完全靠台风本身的水汽输送;而动力条件上,“海燕”则较“威马逊”强,表现为相对风暴螺旋度最大正值中心比“威马逊”大,同时广西上空的水汽辐合层厚度也比“威马逊”要厚得多。广西的降雨开始于东边界水汽输入达到最大值之后开始减小、南边界由水汽输出转为水汽输入且开始出现明显突增现象时,而最强降雨时段则发生在南边界水汽输入达到峰值的前后。相对风暴螺旋度正值中心与强降雨落区有很好的对应关系,并且有至少6 h的提前量,因此,相对风暴螺旋度在台风暴雨预报中可作为一个重要的参考因子。      

桂北山区一次持续性暴雨的水汽输送特征

利用常规观测资料、区域自动站资料、NCEP/NCAR逐6 h再分析资料,对2021年6月28日~7月4日柳州持续性暴雨的环流形势和水汽输送特征进行了分析。结果表明:500 hPa南支槽和副热带高压的对峙导致850 hPa低涡切变稳定少动,为暴雨区建立了稳定、持续的水汽通道;南海夏季风的爆发为暴雨区提供源源不断的水汽,水汽输送大值带主要位于700 hPa以下,以边界层925 hPa水汽辐合最强;从水汽收支看,南边界为主要水汽输入边界,东边界则为水汽主要输出边界,越往高层水汽出流越明显;南边界水汽输入对于区域水汽净流入的贡献主要在700 hPa以下,且越往低层南边界水汽贡献越明显;柳州北部元宝山脉对水汽的流出有一定阻挡作用,925 hPa以下北边界的水汽流出比南边界的流入小一个量级。      

1998年长江流域梅雨期暴雨过程的水汽输送特征

通过对1998年第二次青藏高原大气科学试验期间的加密观测资料、NCEP／NCAR资料、1998年6—7月暴雨2个关键强降水时段水汽通量特征的诊断分析及其区域边界水汽输入问题的数值模拟研究表明：1998年长江流域特大暴雨过程是在有利的持续异常且稳定的大尺度环境场及中尺度风场的配合下发生的；6月与7月水汽输送特征存在差异；高原中部区域西边界与中国区域南边界的水汽输送对此次梅雨期特大暴雨的形成均有重要作用，即水汽源及其侧边界水汽通道特征的显著变化对梅雨期不同阶段长江流域特大暴雨的形成、发生和发展作用明显；水汽的时空分布特征为长江流域持续性特大暴雨的预报提供了着眼点。     

强西南季风背景下1311号台风“尤特”的暴雨特征分析

通过对比多年5—9月逐日平均和1311号台风"尤特"登陆期间逐日平均的西南风分量,分析了"尤特"登陆期间的西南季风强度变化特征,同时还分析了"尤特"登陆期间的环流特征和强西南季风背景下暴雨区的水汽条件、热力条件和动力条件。结果表明:(1)此次持续性暴雨过程的逐日西南风分量明显大于多年平均值且维持时间长;(2)"尤特"东南部有低空急流长时间存在,使得水汽源源不断地输入到"尤特"环流中,同时该次过程强降水区域的850 h Pa假相当位温长时间维持在350K以上;(3)此次过程中同一个降水中心在台风外围环流影响和西南季风辐合影响下,其强上升速度区高度明显不同。     

3个登陆台风引发阳江特大暴雨的水汽输送对比分析

利用区域自动站资料及NCEP再分析资料,对0915号"巨爵"、1006号"狮子山"和1011号"凡亚比"登陆后引发阳江特大暴雨的水汽输送特征进行了对比分析,并应用HYSPLIT-4轨迹模式验证了水汽来源。结果表明:1)它们引发阳江特大暴雨期间,低纬西南季风活跃。"巨爵"影响时由来自印度洋与副高西侧偏南气流汇合产生强降雨,水汽来源于中南半岛和孟加拉湾;"狮子山"影响时西南水汽输入明显减弱,主要由偏东气流携南海近海水汽的注入引发了局地短而强的降雨,水汽来源于南海近海;"凡亚比"登陆后,北部湾超低空急流的暴发,有利于强西南气流携带水汽经粤西往"凡亚比"输送,引发粤西地区特大暴雨,水汽主要来源于北部湾。2)强降雨都是始于阳江特大暴雨区纬向风转东风或经向风转南风阶段。"巨爵"、"凡亚比"引发阳江强降雨前后,850 h Pa南海、北部湾经向风南风明显增大,加强了海上水汽的向北输送。"狮子山"影响时则是由于近海短时间转东风,水汽由东输入并加强了辐合。3)水汽输送以"巨爵"最强、"狮子山"最弱,水汽辐合层次"巨爵"和"狮子山"较"凡亚比"要浅薄。它们的低层水汽辐合中心与特大暴雨区有很好的对应关系。     

滁州地区不同类型特大暴雨过程的对比分析

利用常规探测资料、多普勒雷达资料和NCEP 1°×1°的再分析资料对安徽省滁州地区2008年8月1日减弱台风特大暴雨(简称"0808"过程)和2003年7月5日梅雨期特大暴雨(简称"0307"过程)进行了诊断对比分析。结果表明:超低空急流的增强对暴雨尤其是夜间暴雨的形成有提示作用;两次过程中都有次级环流的存在,作用方式有所不同,对高低空系统都有加强作用;其中"0808"过程中减弱台风携带的大量水汽对特大暴雨产生有重要作用,不需要很强的水汽输送就能产生强降水;特大暴雨强的水汽辐合中心都位于边界层内;冷空气的侵入对特大暴雨有重要作用;长时间降水回波的停滞是"0307"过程的主要原因。由强风暴造成的对流降水是"0808"过程在多普勒雷达产品上的主要特征。     

台风韦森特对季风水汽流的“转运”效应及其对北京“7·21”暴雨的影响

2012年7月21日北京地区遭受了61年以来最大的暴雨,造成了大量的人员伤亡与巨大的财产损失。资料综合分析表明台风韦森特在暴雨发生过程中的水汽输送起到“枢纽”的作用,夏季季风通过台风韦森特在副高的影响下将水汽“转运”至暴雨区。为了验证北京异常暴雨过程中台风韦森特的“转运”效应,利用中尺度数值模式WRF对暴雨过程进行数值模拟,结果表明模式能够较好的模拟出此次降水过程的强度、落区,且暴雨发生过程中的水汽输送亦能够较好的再现。通过设计剔除台风的敏感性试验发现,剔除台风韦森特之后降水强度仅为控制试验的50%。进一步分析表明低纬季风水汽气流通过处于东南沿海的台风韦森特向暴雨区域输送水汽,在此过程中西南气流直接向北京区域的水汽输送减少,而西南气流向台风的水汽输送增加,台风与东侧副热带高压之间的偏南气流向暴雨区的水汽输送明显增强,从而印证了上述西南季风气流—台风涡旋—暴雨环流三个系统之间水汽的“转运”效应。以上结果表明远距离暴雨的发生是一个复杂的过程,不仅反映了中低纬度系统的相互作用,而且揭示出夏季季风水汽流对台风涡旋的水汽输送持续供应也可能是台风远距离异常暴雨发生的关键因素之一。     

1994年中国华南大范围暴雨过程的形成与夏季风活动的研究

利用 1 994年夏季 ECMWF逐日两次的格点资料和日本的 TBB资料 ,结合这一年华南地区 6,7月的站点降水资料 ,诊断分析了 1 994年夏季风 (主要为南海季风 )活动、华南地区的两次特大暴雨过程以及两者之间的关系。结果发现 :这一年的夏季风十分活跃 ,南海夏季风与表征对流活动的 TBB低值带以低频振荡的形式 (周期约为 30～ 60 d)传播到暴雨区 ,与暴雨的发生有着密切的联系 ,强暴雨过程对应着季风的脉动或加强期 ;强劲的季风气流向暴雨区输送水汽 ,其中以南海地区的水汽输送为主 ;两次暴雨过程发生在不同的环流形势下 ,但是都位于较大的水汽辐合和对流不稳定区。     

一次苏皖特大暴雨过程中边界层急流结构演变特征和作用分析

利用加密自动气象站、多普勒雷达和NCEP再分析资料,结合中尺度数值模式的模拟结果,详细分析了2008年8月1日苏皖地区特大暴雨过程的演变特征及形成机理。研究表明,与特大暴雨过程始终伴随的边界层急流促进了降水的发展与加强,在特大暴雨产生的动力和水汽输送条件上扮演着重要角色。边界层急流的波动与降水的发展密切相关,中层弱冷空气的入侵使边界层急流明显减弱,导致了降水区中大气对流不稳定结构与垂直风切变的增强,使对流性降水发展,在经历短暂的减弱之后,边界层急流后部南风再次增强并推动其北侧切变线的发展,在两者的共同作用下,暴雨区内局地的辐合与气旋性涡度大大增强,并强迫出一支狭窄而深厚的上升气流,促进了暴雨区及附近的中小尺度对流系统发展,使降水发展至最强。另外,与边界层急流相伴随的一支水汽通量辐合带是这次暴雨主要的水汽输送通道。     

2017年湖南一次特大致洪暴雨过程的水汽特征

利用湖南省区域自动站和常规观测站降水资料、NCEP/NCAR和JRA-55再分析资料及湖南省气象台大气河预报业务产品,分析了2017年6月22日至7月2日湖南一次特大致洪暴雨过程的雨洪和水汽输送异常特征,以及大气河水汽输送对强降雨的影响,在此基础上定量分析了强降雨区各边界的水汽收支状况及各水汽轨迹的贡献。结果表明:此次强降水过程分为三个阶段,第一、第三阶段降雨的范围、强度均明显大于第二阶段。欧亚中高纬稳定的"1槽1脊"环流形势、低纬较稳定的西太副高及其外围强劲的水汽输送是此次暴雨发生的环流背景。水汽通量、水汽通量散度、比湿等物理量的水平及垂直分布对降水的阶段性特征和位置、强度变化有很好的指示作用。三个强降雨时段,来自孟加拉湾、南海和西太副高西南侧的水汽输送表现出不同的强度和位置,造成到达湖南境内的偏南水汽输送空间异常程度不同。大气河的强弱及其水汽输送通道、辐合区位置以及强降雨区各边界水汽净收入对强降水发生、发展起关键作用。水汽后向轨迹分析表明,低层偏南的水汽输送是此次极端强降雨较长时间维持的重要因素,而来自北方的干冷空气侵入利于大气斜压性增强和对流不稳定维持,是第二阶段降水强度弱于第一、第三阶段的另一原因。     

2013年南疆西部暴雨天气的水汽特征

应用南疆西部（35°～42°N,73°～80°E）15个气象站及200个区域自动气象站2013年逐日降水量资料和NCEP/NCAR每日4次1°×1°再分析资料,分析2013年南疆西部4次典型暴雨天气过程的水汽源地、水汽输送及水汽收支特征。结果表明,2013年4场暴雨天气水汽主源地主要分布在阿拉伯海和孟加拉湾,其次是波斯湾,低层东风急流（LLEJ）在南疆西部暴雨过程中作用显著。过程Ⅰ水汽输送路径主要为偏东和西南气流,在南疆西部沿山及偏东平原强烈辐合引发暴雨,偏东路径水汽输送明显大于西南路径,水汽输送的大值区域持续时间为24 h。过程Ⅱ水汽输送有西方、西南和偏东路径,3支水汽输送在南疆西部东—西、南—北产生剧烈的辐合造成大范围、强度强的暴雨天气,东边界水汽输入量接近南边界,水汽输送的大值区域持续时间为60 h。 过程Ⅲ水汽输送为西方、偏南和偏东路径,LLEJ引导的水汽在西风、东风气流的交汇下沿山堆积产生强的辐合,造成暴雨天气。水汽输送的大值区域持续时间为24 h。过程水汽输送主要有西方、偏南和偏东路径,西方路径的输送量远远大于偏东和偏南水汽,水汽输送出现2次高低空大值区域叠置现象,暴雨过程中大值区域持续时间48 h。     

伊犁河谷一次极端强降水事件水汽特征分析

2016年7月31日至8月1日,新疆伊犁河谷发生了一次极端强降水事件,多站突破降水极值。利用NCEP/NCAR 1°×1°和2.5°×2.5°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、基于地基GPS观测的大气可降水量资料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式结果,通过对水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹和暴雨区水汽收支计算,结合伊犁河谷GPS观测分析,揭示了此次强降水期间的大尺度水汽输送、辐合特征及伊犁河谷局地水汽变化特点。结果表明:（1）强降水期间大西洋及红海均对伊犁河谷的水汽供应具有贡献,河谷处于水汽通量辐合区,向西开口的地形辐合和抬升为局地暴雨的发生提供有利的动力辐合条件。低纬度印度夏季风环流和中纬度大西洋向东输送的气流共同构成伊犁河谷极端降水天气的水汽输送通道,其中印度夏季风西南水汽输送主要集中在对流层低层,对流层中层水汽的输送以大西洋向东气流和低槽自身水汽输送为主。（2）HYSPLIT模拟结果表明暴雨区3000 m中纬度偏西路径的水汽输送最为强盛,偏南路径水汽源于阿拉伯海,对流层底层偏西、偏东路径和中层偏北路径水汽通过垂直运动补充对流层低层的水汽;5000 m水汽输送轨迹以偏西路径和低槽自身携带的水汽为主。（3）降水期间水汽集中在对流层低层,通过垂直输送项向高层输送;强降水时段暴雨区对流层低层南边界水汽流入量迅速增强,中高层水汽流入主要集中在西边界。（4）降水前槽前西南气流造成伊犁河谷测站GPS-PWV明显跃升,强降水时段受印度西南季风影响,测站PWV快速增高并维持,局地GPS-PWV的增加与大尺度水汽输送辐合增强有关。