一次梅雨暴雨过程的数值模拟

利用中尺度10层湿模式对一次梅雨暴雨过程作了数值模拟,较好地模拟了次天气或中间尺度系统的演变。由模拟结果分析表明: 1.形成暴雨的次天气或中间尺度系统的演变,雨带、暴雨中心位置和强度变化在低层涡度场上反映最清晰。与暴雨中心直接关联的是低层正涡度中心。这次过程中,两次正涡度中心的东移形成了前、后两次降水。 2.当低层正涡度中心移近或叠置在高层负涡度中心之下时,其强度增强,中层上升运动与暴雨也加强。它们是流场上高、低空急流之间动力耦合作用的结果。 3.雨区上空,边界层顶附近存在着一个主要表现为湿度逆增的湿暖盖——θ_(?e)高值中心。它与强风暴中的暖盖不同。此湿暖盖的形成和维持与西南急流输送暖湿气流有关。它的存在不仅有利于暴雨区水汽和能量的辐合,还有利于积云尺度对流的不断诱发,而且它的存在更构成了中层为不稳定,低层为稳定这一对流层的层结结构特点,从而使不稳定的对流降水叠加在稳定性降水之上,构成了梅雨锋大暴雨。     

2009年华北大范围暴雪成因及雷达回波特征分析

利用石家庄、济南和濮阳多普勒雷达资料,结合天气形势和实况,对2009年11月9—12日华北大范围暴雪天气过程的分析表明:(1)低层冷、中层暖、高层冷的"冷-暖-冷"层结造成了中层以上大气不稳定;中层急流将南方暖湿空气输送到北方,同时低层东北回流将东部海区的水汽向内陆输送,从而为持续性降雪提供了源源不断的水汽;700hPa切变线及低空急流为降水形成提供了触发条件,低空辐合、高空辐散的配置为降水持续提供了动力条件。(2)雷达回波呈现出大范围层状云结构,分布均匀连续,反射率因子一般在15～29dBZ之间;雷达径向速度图上低层零速度线呈"S"型结构,风向随高度顺转,有暖平流存在;2km左右高度存在切变层,低层东北回流把暖湿空气抬升,中层西南气流把暖湿气流源源不断地向华北地区输送。③降水区域与700hPa散度和水汽通量散度中心的叠加区域有较好的对应关系,低空急流和高空急流的加强使回波强度局部加强,达到30～35dBZ,导致局部强降雪的产生。     

不同类型华南暖区暴雨过程的环流特征

在对34年华南暖区暴雨的筛选和客观分类研究的基础上,继续深入研究不同类型暖区暴雨的环流特征与对流发生环境变量特征的异同。主要结果如下:大部分切变线型、低涡型和回流型暖区暴雨个例的环境场斜压性较强,其中回流型暖区暴雨在关键区斜压性最强,而南风型暖区暴雨个例的环境场斜压性相对较弱;所有类型暖区暴雨发生时对流层中高层的中纬度基本为平直西风气流控制,降水区主要位于西风带短波槽槽前,低层均有低空急流的影响。各类暖区暴雨的主要差异在于高层南亚高压、中层短波槽和副热带高压的位置和强度差异以及低层低空急流的位置、强度、风向和水汽输送条件的不同。切变线型暖区暴雨发生时0～3 km垂直风切变最强,低涡型暖区暴雨对流有效位能最大,两类南风型暖区暴雨的动力和热力强迫都较弱,对其发生发展机理需要开展更深入研究。     

浙江中西部两次梅雨暴雨过程发生发展机理分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和自动站加密资料,对2017年梅汛期6月21—22日和24—25日两次大暴雨过程进行对比分析,得到两次过程均为典型的梅雨暴雨,不同点如下:①前者700hPa为暖式切变线,梅雨锋坡度约为45°;后者700hPa为静止锋切变线,梅雨锋坡度近乎90°,且后者低空急流和梅雨锋强度均明显强于前者。②前者水汽先来源于东海,后来源于南海,水汽来源单一;而后者水汽由南海和东海共同提供,整层水汽通量强度较强。③前者浙江中西部位于湿位涡零等值线附近,表明触发机制为低层冷空气活动;而后者浙江中西部湿位涡上正下负,中层冷空气叠加在低空西南暖湿气流上触发对流不稳定暴雨。④后者浙江中西部为E指数大值中心,且Δθ58指数均为负值,表明夏季风高能高湿气团积聚,有利于中小尺度对流系统发展;而前者Δθ58指数在浙江省大部分地区为正值,区域内上空位势层结较稳定。     

1991年梅雨锋暴雨与锋生环流的诊断分析

利用原始方程模式锋生环流诊断方程对１９９１年７月一次梅雨锋暴雨过程进行诊断分析。计算结果表明，锋面横向次级环流在低层是一个热力正环流，低空急流出口区的次级环流使锋面附近的上升运动得到加强：１００ｈＰａ青藏高压东侧的偏北风与中层的偏南风耦合形成择流层上层的反环流叠加在锋面横向环流上形成深厚的上升气流区是暴雨发生的动力条件。     

“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。     

梅雨末期暴雨过程中高低空环流的耦合——数值实验

一次梅雨末期暴雨过程的数值实验结果表明:模式较好地预报了西南涡的发展,暴雨区与高低空西风急流和南亚东风急流在空间上的联系。对流层上下层的耦合主要发生在低空急流和南亚东风急流之间。以北部上升,南部下沉的反环流为主要特征。无潜热加热模式也模拟出上述特征,说明梅雨期的大尺度环流系统一部分是斜压与大地形强迫的结果,而在暴雨区内的垂直耦合很弱,上升运动减小一个量级。潜热加热极大地增强了垂直反坏流。相应的对流层下层向北的横向运动增强低空急流,对流层上层向南的横向运动增强南亚东风急流。增强了的低空急流和南亚东风急流,通过动量-质量的调整,有利于反环流的维持。 梅雨末期的暴雨过程中,低空急流和南亚高空急流的耦合是重要的。而潜热释放增强了这种耦合。     

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。     

一次梅雨期台风远距离暴雨的分析研究

用NCEP 1°×1°再分析资料、MICAPS系统地面站资料、TRMM卫星降水资料以及自动站雨量资料分析了2011年梅雨后期发生在江苏省南京市的一次暴雨过程。结果表明:此次暴雨发生在中高层高空深槽前部、低空切变线附近、低层低涡和地面低压的东北部,是西风带低值系统及其引导的低层低涡与西进北上的"马鞍"台风共同作用产生的。925 h Pa上中国东南沿海位于低层低涡东北部的东南偏东气流影响下,将来自于西太平洋的水汽源源不断向暴雨区输送,为暴雨的发生提供了良好的水汽条件。不仅如此,此东南偏东气流还使得华南和东南沿海地区暖平流明显。低层暖平流输送伴随的小幅增温和水汽输送导致的湿度层增厚,导致南京附近大气层结不稳定是暴雨发生的热力环境。随着"马鞍"台风的西进北上,其北侧副高中的干空气逐渐被卷至中国东南沿海附近,与大陆上的暖湿气流形成明显对比,形成了一条明显的能量锋。与此同时,在长江中游地区,残余的梅雨锋也表现为一条能量锋,两条能量锋在南京附近相接,造成明显的上升运动,从而触发了暴雨的发生。     

陕北北部一次罕见区域性暴雨天气过程分析

利用常规观测资料、自动站观测资料和榆林多普勒雷达(CB)观测资料,分析2009年7月7—8日发生在陕北北部榆林地区的暴雨天气过程,结果表明:这次暴雨天气过程可分为两个时段,第一个时段是强对流产生的局地暴雨,第二个时段是大范围对流天气产生的区域性暴雨。对流体中低层辐合、高层辐散情况下出现中层辐合区特征可作为强降雨出现时段和地点的一个指示,在短时临近预警时可作为强降雨预警重点区域考虑。低层偏东急流是区域性暴雨天气的触发者,区域性暴雨天气的发生,对应着低层偏东急流、中低空海拔2.0~4.0 km偏南急流、中高空海拔4.0~8.0 km风速≥12 m/s的西南气流,各层气流随高度上升顺时针旋转。区域性暴雨天气与中低空急流的出现密切相关,中低空急流建立、增强,区域性暴雨也随之出现、增强;中低空急流遭到破坏,区域性暴雨天气结束。     

贵州初夏两次暖区暴雨的对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°格点再分析资料和FY-2D卫星红外云图云顶亮温TBB资料,对贵州2008年5月25—26日(简称08.05)和2010年6月28—29日(简称10.06)初夏两次暖区暴雨天气过程进行对比分析,探讨两次暴雨发生发展的天气学条件差异。结果表明:暖区暴雨形成时,地面均为热低压控制,地面辐合线加强触发暖区暴雨发生;850 hPa低空急流明显加强,暴雨区位于低空急流左前侧。所不同的是:两次暴雨过程中高层影响天气系统不同,08.05暴雨中层影响系统为高原槽,10.06暴雨中层影响系统为两高切变低涡,高层为南亚高压脊。08.05暴雨过程中,多个β中尺度对流单体独立发展逐渐合并为一个α中尺度对流系统,对流云发展旺盛、伸展高度较高、具有混合相层和暖云层剖面结构,属于积状云为主的混合降水。10.06暴雨,经历了两次β中尺度对流系统的发展和减弱,对流云团呈东北—西南向的带状和椭圆状,对流发展高度较低,具有深厚的暖云层,回波在暴雨区持续时间较长,属于层状云和积状云混合降水。通过对两次暴雨触发机制讨论得出,贵州暖区暴雨预报应着眼于影响贵州的低空急流的建立和加强以及地面低压中辐合线的加强锋生。     

低空急流的不稳定性及其对暴雨的触发作用

本文分析了1972年7月2—3日一次长江流域低空急流的过程,这次低空急流发生在江淮气旋的暖区之中。在低空急流左侧有雷暴和暴雨发生。发现这支低空急流有独特的三维流场结构。指出它是一支极不稳定的气流:在急流轴的左前方有一个Ri数负值区,这正是低层最不稳定的地区。低空急流具有很强的超地转特性,非地转最强时,暴雨发生。这时急流中出现很强的风速脉动,这种脉动的传播对于中尺度低涡及雨团的发生起着触发的作用。以后气压场向流场调整,重新达到地转平衡,这时暴雨也就仃止。     

2009年早春南方地区一次高架雷暴天气过程的机理分析

利用常规气象观测资料、6.7μm卫星水汽图像和TBB、闪电定位资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2009年3月3日南方地区一次高架雷暴天气过程进行诊断研究。结果表明,该过程主要影响系统是中低层低槽、低涡切变线、西南低空急流、南北支西风急流。低空急流造成暖湿气流输送和高空急流造成冷平流侵入是对流触发机制。近地层为层结稳定的"冷空气垫",位势不稳定出现在低空急流与中高层干冷气流之间,并因急流中的下沉运动得以加强;西南暖湿气流与其北部干冷气流在中低层形成湿斜压锋区,西南气流的下沉支和北方下沉气流汇合在近地层形成的东北风回流与上部西南风生成锋面次级环流圈及中高层上升气流与北支急流中的下沉气流耦合形成次级正环流圈有利于倾斜上升运动的发展;低空急流的强暖平流和水汽通量辐合、北支急流入口区右侧的强辐散和南支急流北侧的辐合均加强了中尺度上升运动。湿层浅薄、上下干层较为深厚、强垂直风切变、低层逆温、-20~0℃过冷水层气流强上升运动等有利于雷暴天气的发生。雷电和冰雹出现在TBB、低空急流风速、θse、水汽通量以及300 h Pa散度等值线密集区附近。     

2013年7月辽宁省降水异常物理机制研究

利用MICAPS常规资料和NCEP再分析资料,对2013年7月辽宁省降水异常物理机制进行了研究。结果表明:2013年7月辽宁省降水偏多发生在异常环流背景下,乌拉尔山高压脊和贝加尔湖低压槽强度大于常年,冷空气偏强且路径偏南;东亚40°—50°N处在纬向强锋区中,有利于气旋生成发展;副热带高压脊线比常年偏北2个纬度,西北侧暖湿气流活跃。7月中高纬地区有3次明显冷空气向南侵入至40°N,与中低纬北上至40°N及以北的暖湿气流交绥形成暴雨,影响系统分别为华北气旋、蒙古气旋冷锋和副热带高压西侧辐合线,不同影响系统暴雨过程的物理机制存在差异。3次暴雨过程中,华北气旋暴雨水汽供应最充沛,水汽源地不仅有西太平洋、南海、东海和黄海,还有孟加拉湾;暴雨区水汽主要由副热带高压外围西南或偏南气流向北输送,东海北部和黄海是水汽汇合及输送量最大的区域。高空急流受贝加尔湖低槽强度影响,不同影响系统高空急流演变和强度不同,低空急流分布与强度及高空辐散区、低空辐合区相对高、低空急流轴分布的位置也不同;高、低空急流耦合发展及高空辐散区、低空辐合区叠置产生的强垂直上升运动造成了水汽强烈辐合,其中华北气旋暴雨水汽辐合最强,水汽辐合层顶达850hPa,蒙古气旋冷锋和副热带高压西侧辐合线暴雨水汽辐合顶在900hPa附近及以下。热力分析表明,3次暴雨过程环境大气中层均有干冷空气侵入,增加了降水对流的不稳定性。     

云南冬季一次强降水天气过程的模拟与分析

利用MM5中尺度非静力模式对2003年1月5~6日发生在云南省的强降水天气过程进行了数值模拟分析。结果表明:(1)偏南低空急流是造成冬季暴雨的主要影响系统,低空急流上的扰动导致一个相对大的风速核从急流主体分裂东移,风速显著加大,风向呈气旋性弯曲,引起低层涡度增加,产生强的辐合上升运动。(2)低空急流的形成和移动与中层南支槽的关系较为密切,南支槽前的辐散为低空急流的形成提供了启动机制。(3)强降水天气出现在冷暖空气交汇的区域,锋生强迫作为暖湿气流上升的强迫机制之一,对强降水的形成起着不可忽视的作用。(4)水汽条件的分析表明,暴雨区的水汽主要由低层水汽辐合来提供。     

2015年梅雨期长江下游地区两次暴雨天气过程的成因对比分析

利用基本气象站观测资料、ECMWF ERA资料和NCEP FNL资料,通过对强降雨时刻的多种物理量场诊断,分析了2015年梅雨期发生在江苏省沿江地区的6月16—17日和27—29日两次大暴雨的形成原因。结果表明,两次大暴雨过程均发生在西太平洋副热带高压稳定维持、西南气流强盛、高层有冷空气不断入侵的大环流背景下,受中低层江淮切变线和西南急流共同影响,冷暖空气一直在沿江一带交汇,造成沿江地区持续强降水过程。两次大暴雨发生时32°N附近梅雨锋很明显,锋面随着高度的升高向北侧冷区倾斜,强降水主要位于梅雨锋南侧的暖区内。该侧700 hPa高度层以下湿位涡为负值表明大气为对流不稳定,且随着降水的发生,中层有弱冷空气入侵,使得大气的对流不稳定性进一步加强。强的降水区主要位于低空急流的左侧和高空急流的入口区右侧,高低空急流的这种配置带来了风场高层辐散、低层辐合,有利于垂直上升运动加强。同时低层暖平流和中高层正的相对涡度平流交汇于32°N附近,也有利于暴雨区的上升运动加强。暴雨区与850 hPa水汽通量散度负值中心相吻合,表明低层西南急流为暴雨区源源不断地提供水汽。     

2015年梅雨期长江下游地区两次暴雨天气过程的成因对比分析

利用基本气象站观测资料、ECMWF ERA资料和NCEP FNL资料,通过对强降雨时刻的多种物理量场诊断,分析了2015年梅雨期发生在江苏省沿江地区的6月16—17日和27—29日两次大暴雨的形成原因。结果表明,两次大暴雨过程均发生在西太平洋副热带高压稳定维持、西南气流强盛、高层有冷空气不断入侵的大环流背景下,受中低层江淮切变线和西南急流共同影响,冷暖空气一直在沿江一带交汇,造成沿江地区持续强降水过程。两次大暴雨发生时32°N附近梅雨锋很明显,锋面随着高度的升高向北侧冷区倾斜,强降水主要位于梅雨锋南侧的暖区内。该侧700 hPa高度层以下湿位涡为负值表明大气为对流不稳定,且随着降水的发生,中层有弱冷空气入侵,使得大气的对流不稳定性进一步加强。强的降水区主要位于低空急流的左侧和高空急流的入口区右侧,高低空急流的这种配置带来了风场高层辐散、低层辐合,有利于垂直上升运动加强。同时低层暖平流和中高层正的相对涡度平流交汇于32°N附近,也有利于暴雨区的上升运动加强。暴雨区与850 hPa水汽通量散度负值中心相吻合,表明低层西南急流为暴雨区源源不断地提供水汽。     

"020628"暴雨的诊断分析

利用T213资料对2002年6月27日夜里到28日上午出现的暴雨过程进行诊断分析。分析表明热力、动力、水汽条件在降水开始之前都有反映。T213预报的涡度、散度、垂直速度、水汽能量等物理量场分布和暴雨带有较好的对应关系。低空西南急流、中层偏西气流和高层西北风急流三支高低空气流的耦合是触发这次暴雨的机制，暴雨就落在低空急流的入口区的左侧、高空急流出口区的右侧。