一次梅雨暴过程中潜热的计算分析

本文针对1991年7月5日20时-6日20时一次江淮梅雨过程，计算了潜热的释放，并揭示出潜热具有以下特点：（1）在整个梅雨锋暴雨过程中有大量凝结潜热释放，且在梅雨锋暴雨的强盛时期潜热释放最多。（2）在此次梅雨锋暴雨过程中对流凝结潜热的释放明显大于大尺度稳定凝结潜热的释放，且主要集中在650hPa-550hPa，它的强弱变化与实际降水强度变化成正比。     

梅雨锋暴雨过程潜热及反馈机理个例分析

在对2003年6月24~25日的一次江南北部梅雨锋暴雨过程进行合理模拟的基础上,应用模式输出资料,系统分析了暴雨过程中大尺度稳定凝结加热(Hs)及对流凝结加热(Hc)的时空分布特点以及其潜热在暴雨过程中的反馈作用。研究表明在这次暴雨过程中,主要以Hc为主,平均的Hs、Hc均主要分布在900~250 hPa,最大值位于400 hPa附近;在暴雨发展过程中,Hs、Hc随暴雨的增大而增大,且加热层次不断加深;去除潜热的“干”敏感性试验表明,潜热释放加热了深厚的大气层,使得高层加压辐散,暴雨北侧高空西北急流加强,低层减压辐合,暴雨南侧的低空西南急流加强,同时使得低层的切变线得以维持加强。     

一次华南低空急流和暴雨过程的对比数值试验

在文献「４」成功地模拟华南前汛期一次低空急流和暴雨过程的基础上，分析讨论了４个对比数值试验。结果表明：凝结潜热加热和青藏高原大地形对暴雨的产生，华南低空急流的维持是十分重要的；不同的边界层过程以及华南地形的作用只表现在雨量的大小和分布上。     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。     

2018年5月江苏极端降水事件发生前副热带高压异常及原因分析

本文利用NCEP/NCAR提供的2.5°×2.5°全球再分析数据,以2018年5月江苏两次极端降水事件发生前副高异常变化为研究对象,根据全型涡度方程定量计算了凝结潜热分布不均引起的涡源对副高迅速演变的诱发作用。研究发现,120°E处500 hPa 5月第1候副高脊线多年平均位置位于16°N附近,而2018年同期120°E的脊线则位于19°N附近,呈明显偏北的状态。2018年5月第1候东亚500 hPa位势高度距平场表现出南高北低的形态,有利于我国华东地区成为暖湿空气和干冷空气的交汇区,构成了江苏5月两次极端降水过程的有利环流背景。与对流层中层环流异常对应的是,同期115°~125°E之间850 hPa上8 g·kg^-1等比湿线位于28°N附近,较多年气候态偏北15°,强降水区内同期850 hPa比湿较往年偏多2~4 g·kg^-1,相应距平百分率可达50%~75%。且110°~120°E之间θ_se的340 K等值线5月第1候多年气候态位于13°N以南,但2018年同期却偏北至25°N附近,暖湿气团北进有利于强降水的发生。副高西伸北抬前,副高主体西侧和北侧均有凝结潜热加热区存在,说明潜热加热与副高演变关系密切。垂直剖面表明600 hPa为凝结潜热加热中心,向上加热率随高度减小,因此500 hPa处潜热加热率垂直梯度为负,使得500 hPa成为负涡源所在。因凝结潜热分布不均产生的负涡源,1~2 d便可形成与副高自身十分接近的负涡度值,足以诱发副高突变,该时间尺度与副高真实演变时间相符。负涡源中与凝结潜热垂直分布不均相关的部分起主要作用,而与凝结潜热水平分布不均相关的部分同时期产生的负涡度最多仅为前者的1/3左右,对副高突然西伸的作用较小。与凝结潜热相关的负涡源作为引发西太平洋副高异变的可能原因,其与副高的关系仍需进一步研究。     

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向的影响

潜热释放的作用在温带气旋的研究中一直是研究的重点。江苏省气象台沈阳等以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700 hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。     

两类华南沿海暖区暴雨特征及热力发展机制对比研究

对2009—2014年4—6月的华南沿海暖区暴雨依据低层环流进行分类:第一类为偏南向型,即珠江口以西经向性偏南向辐合线型,由东南、偏南、西南三支气流汇合;第二类为西南向型,即珠江口以东纬向性西南向辐合线型,由偏西和西南风两支气流汇合。6小时强降水统计显示,6年中偏南向型年平均73.2次,西南向型年平均50.3次。南海夏季风爆发后,两种类型发生频数均明显增加。两类低层辐合线系统对应上层的合成特征显示,500 hPa天气形势偏南向型为宽阔暖脊,温度脊落后,有较明显的暖平流,无锋区;西南向型为弱槽,中纬度温度槽落后,锋区偏北,华南位于锋面前暖区,有弱波动。两类暴雨垂直剖面上有深厚垂直速度中心伸展到400 hPa;对应强烈的辐合层为几个垂直叠置的辐合中心;均为水汽充沛,对流不稳定能量层次深厚,有较强凝结潜热释放,造成气柱增暖拉伸,加强深厚多中心辐合及上升气流,其中西南向型凝结潜热释放更强,偏南向型中高层暖平流强于其凝结潜热释放。探讨热力发展机制的数值模拟显示,凝结潜热释放对气柱增温,大大增强暴雨区垂直速度厚度与强度,并增强暴雨区低层辐合环流,减弱中层辐散环流,其影响力达到环流强度的30%~50%,有利于维持强烈对流,促进暖区暴雨的发展。      

位涡扰动与气旋的发展

通过对1991－07－05T08－07－06－T20江淮流域的一次气旋发生发展过程的分析，讨论了在气旋发展的不同阶段高低层位涡场分布及垂直结构的演变特征，并从气旋发展过程中的凝结潜热释放着手，研究了高低层位涡场之间的联系。结果表明，潜热的释放将促使高层的高位涡向下传输，导致低层气旋加深发展，并进而讨论了江淮气旋发展的一种可能机制。     

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.     

引入对流凝结潜热作用对非均匀饱和大气中非地转湿Q矢量的改进研究

结合2009年第8号台风"莫拉克"登陆福建省引发的强降水过程,通过考虑对流凝结潜热加热,探讨了对非均匀饱和大气中非地转湿Q矢量(Qum)的改进。结果表明:(1)2009年8月9日08:00(北京时,下同)～10日08:00台风"莫拉克"给浙江大部分地区和福建中北部地区带来了一次暴雨过程,WRF模式较成功地模拟出了此次强降水过程。(2)850hPa Qum矢量散度场对同期降水落区具有一定指示意义,散度辐合强度变化与降水强度变化趋势有一定的对应关系。(3)此次暴雨过程中伴有大量的对流凝结潜热释放,最大潜热中心主要位于600hPa。(4)考虑对流凝结潜热加热作用得到改进的Qum矢量,600hPa改进后的Qum矢量散度辐合区对同期降水落区的指示作用得到进一步增强,诊断能力也得到进一步提高。     

2013年6月23日江淮地区梅雨锋暴雨的发展和维持机制

利用WRF模式对2013年6月23日江淮地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并利用模式输出的细网格资料进行诊断分析。结果表明：地面梅雨锋、高低空急流耦合、低层辐合高层辐散以及中层短波槽的配置有利于暴雨的发生发展;暴雨主要由两个中尺度对流系统的发展、维持、合并造成;低层辐合、高层辐散为暴雨提供了动力条件;高温高湿环境为暴雨提供水汽及热力条件。水汽及凝结潜热的诊断分析表明,高空槽的抽吸作用与潜热反馈的配合表现为两个方面,一是向中层输送水汽,使最大凝结发生在中层,加强低层的正涡度中心,二是向高层输送源源不断的热量,避免凝结潜热在中层堆积,有利于不稳定形势和上升运动的维持,从而影响中尺度对流系统的移动和发展。     

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     

基于热源作用的青藏高原东坡一次夜间暴雨的诊断分析

利用ERA5再分析资料、CMORPH融合降水资料和山地通量观测资料对2020年6月26日发生在四川冕宁一次夜间致灾暴雨进行综合诊断分析。结果表明：本次夜间暴雨发生前，白天地面热源存在明显的正异常变化，地面热源的正异常区与降水有很好的对应关系。同时大气热源（视热源和视水汽汇）与暴雨的关系密切且相互影响，降水释放凝结潜热，加热大气，使得视热源也随之增加。在暴雨发展强盛阶段，视水汽汇的垂直输送项达到最大，而视水汽汇的局地变化项能很好指示整个暴雨过程中区域水汽的净输送状况。     

A COMPARATIVE STUDY ON CHARACTERISTICS AND THERMO- DYNAMIC DEVELOPMENT MECHANISMS OF TWO TYPES OF WARM-SECTOR HEAVY RAINFALL ALONG THE SOUTH CHINA COAST

Warm-sector heavy rainfalls along the south China coast from April to June during 2009–2014 can be divided into two main types based on their low-level circulations. Type I is the southerly pattern with meridional convergence line at the west of the Pearl River estuary, which is formed by the convergence of southeasterly, southerly, and southwesterly flows. Type II is the southwesterly pattern with a latitudinal convergence line at the east of the Pearl River estuary, which is formed by the convergence of westerly and southwesterly flows. Statistics on 6-hourly heavy rainfall events indicates that, during the afore-mentioned 6 years, there were on average 73.2 occurrences of the southerly pattern and 50.3 occurrences of the southwesterly pattern per year. After the onset of summer monsoon in the South China Sea, the occurrence frequencies of both patterns increase remarkably. The synthetic diagnosis of pattern circulation shows that, at 500 hPa, for the southerly pattern, there is a broad warm high ridge, and a temperature ridge is behind the high ridge, which causes an obvious warm advection at the high ridge area. There is no frontal region. For the southwesterly pattern, the circulation is a weak trough with a temperature trough behind it. The position of the frontal region is near Yangzi River, and the south China coast is in the warm-sector of the frontal region. At the vertical cross-section of each of the two categories of heavy rainfall, there is a strong vertical motion center stretching to 400 hPa, where the convergence layer in the rainfall region is deep and with several vertical convergence centers overlapping one another. Both types of heavy rainfalls are with abundant water vapor, accompanied with deep convective instability energy layers, and with strong release of latent heat caused by condensation of water vapor. The release of latent heat leads to the warming-up and stretching of the air column, thus strengthens deep convergence and vertical velocity upward. There is a stronger latent heat-release in the southwesterly pattern than in the southerly pattern, while in the southerly pattern, the warm advection at middle and upper levels is stronger than the latent head release. To study the thermo-dynamic development mechanisms, weather research and forecasting model (WRF) numerical simulations are made and the results show that, in the two rainstorm regions, latent heat release warms up the air column, hence significantly increase the depth and strength of the vertical velocity. Moreover, the release of latent heat strengthens convergent circulation at lower levels and weakens divergent circulation at middle levels, whose influence can be as strong as 30%–50% of the wind circulation strength of the two types of the warm-sector heavy rainfall over the south China coast, and further enhances deep convection, promoting warm-sector storm development.     

台风凤凰形成发展过程中对流凝结潜热和感热的作用

应用NCEP再分析资料,计算分析了台风凤凰发生和发展过程中的积云对流潜热加热和海面感热通量.表明:感热释放通过海气相关作用使海面风及对流层涡度增强,可能是台风初始低压的形成机制;积云对流潜热释放不但使台风中心增暖并使台风中间层上升运动增强,从而促使台风加强和发展,因此,对流凝结潜热是台风凤凰维持和发展的主要热力和动力因子.     

水汽和潜热释放对背风波影响的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS进行了理想场的数值模拟,分析研究了水汽和潜热释放对大气层结稳定度的影响以及其在背风波的发展和演变过程中的作用,研究发现,潜热释放对大气层结分布的影响要远大于水汽对大气层结分布的直接影响,如果没有潜热的释放,水汽对背风波的发展和演变的作用非常小,而潜热释放可以使湿层结稳定度急剧下降,迅速破坏原有的层结分布,使这个区域出现非拦截的强烈的垂直运动,波动的崩溃更加迅速和明显。但需要说明的是在试验中,将数值模式里控制潜热释放的参数设为:0、1/2、2的假定情况,则在实际的大气运动过程中是不可能存在的。