北京地区夏季边界层急流的基本特征及形成机理研究

首先指出了北京地区夏季边界层急流的基本特征, 即北京地区边界层急流一般出现在白天高温背景下或发生局地暴雨的夜间, 强度存在明显的日变化, 垂直分布具有明显的"鼻状"结构特征, 急流核高度一般为600～900 m.从中尺度扰动方程出发, 并通过天气过程演变实例, 研究了地形热力作用、局地强降水在边界层急流形成过程中的作用, 指出: (1)夏季高温背景下, 平原与山区之间温度梯度方向、强度的变化, 是造成低空风垂直切变加速或减速, 即边界层急流形成或消失的直接原因, 因此这种边界层急流的高度一般要低于山体的高度.(2)局地暴雨与边界层急流之间存在明显的正反馈现象: 由于局地暴雨同时改变了对流层中层和近地面层气温的水平分布, 这种热力强迫作用造成了边界层气流加速; 反过来, 边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合--如果急流方向水平垂直于山坡, 这种迎风坡上的辐合将更强, 造成局地降水强度进一步增强.     

天山北坡中部一次罕见局地强降水中小尺度系统分析

利用Doppler雷达产品,结合高时空分辨率的T639再分析资料,对2010年6月22日发生在天山北坡中部石河子南部山区罕见局地强降水的中小尺度系统特征和强降水发生时间与落区进行分析。结果表明：西伯利亚至巴尔喀什湖的冷低压东南象限分裂出的中尺度短波,是造成“2010622”罕见局地强降水的直接影响系统。近低层至地面的中尺度切变线、辐合线以及冷锋是局地强降水发生的触发机制。近低层存在着强盛的西南及东南暖湿气流的输送及其在山前的强烈辐合,为南部山区罕见局地强降水的发生提供了有效的水汽和不稳定能量条件。多个中-γ对流单体沿特殊地形滚动更迭是局地强降水天气落区形成的直接原因。中气旋的出现对局地强降水的发生有很好的先兆性和指示意义。强降水发生在回波强度大于50 dBz、回波顶高度大于5 km和垂直累积液态水含量大于45kg·m^-2以及中气旋的重合区域内。可用中气旋提前20 min预警短时局地强降水的发生。     

四川盆地一次西南涡作用下大暴雨过程的短时强降水分析

利用常规地面、高空观测资料、自动站资料、NCEP1°×1°再分析资料和新一代多普勒天气雷达观测资料,分析2015年8月16—18日四川盆地持续性大暴雨过程,给出了此次大暴雨过程不同阈值短时强降水的时空分布特征,研究此次大暴雨过程中造成短时强降水的成因。结果表明:螺旋度的变化对短时强降水有指示作用,螺旋度等值线密集(稀疏),短时强降水增强(减弱)。水汽收支方程中,水汽通量散度项为短时强降水的发生提供了主要的水汽来源。永川雷达反演的风场上具有明显的低空急流、低层辐合,以及局地气旋性涡旋的中小尺度环流特征。通过对比分析发生在2013年6月30日的相似大暴雨过程,发现两次过程的关键影响系统均是西南涡。"8·17"大暴雨过程低涡前部偏南暖湿急流及低涡后部东北冷流均显著,是斜压锋生类短时强降水";6·30"大暴雨过程低涡前侧偏南暖湿急流显著,暖平流建立的不稳定起了主导作用,是暖平流强迫类短时强降水。雷达特征显示"8·17"过程强反射率因子面积小,回波质心发展较高,有明显的辐合特征";6·30"过程强反射率因子面积大,回波质心发展低,并伴有中气旋活动。     

副热带高压边缘连续两次强降水形成机制分析

利用常规观测资料、自动气象站加密观测资料、GPS/MET水汽监测资料、FY-2E卫星云图和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对副热带高压边缘山东南部连续两次强降水的形成机制进行分析。结果表明,两次强降水都是由副热带高压边缘500 hPa弱西风槽过境影响产生的,副热带高压主体加强西移,850～700 hPa有较强的西南急流。强降水产生在西南低空急流的前方、暖式切变线附近;西南低空急流加强北上强降水开始,急流减弱强降水结束。强降水区与CAPE的高值区、低层水汽通量高值舌、水汽辐合中心、暖平流中心有较好的对应关系。西南低空急流、GPS/MET水汽监测对强降水的短时预报有一定的指示性。对流云团TBB最低为-78～-62 ℃,各观测站对应最大小时雨量为40～90 mm。强降水期间,850 hPa及以下有中尺度涡旋发展,涡旋尺度小,气压场上表现很弱,流场上表现明显,有明显的气旋性环流中心,在925 hPa涡旋中心东南部的暖平流中心降水强度最大。第一次强降水的中尺度涡旋源地发展,稳定少动,在其东南部上升运动强且降水强度大;第二次强降水中,冷空气在低层从西北部侵入,形成气旋,向东北移动,强降水产生在冷锋前部的暖区中,对流不稳定能量高,降水强度大、范围大。     

2019年8月16日沈阳极端降水事件的低空γ中尺度涡旋观测特征和机理分析

2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋的强对流系统影响,发生了1951年有观测记录以来的最大小时降水（102 mm）。为了提高对此类涡旋所致强降水天气的认识和预报能力,综合利用多源观测和ERA5再分析资料,对此次过程中低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因和对强降水的影响机制开展研究。此次过程期间,500 hPa沈阳位于东北冷涡东南侧,850 hPa以下低空位于“利奇马”台风残涡西侧的偏北气流水汽输送带内,16日午后沈阳市区具有低层大气气温廓线接近干绝热递减率、较低抬升凝结高度和逐渐加强的风垂直切变等环境条件特征;风廓线雷达资料显示降水前0—6 km风矢量差最大达17 m/s,有利于较浅薄中尺度涡旋对发生。16时前后,沈阳市区内γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴,随后有对流风暴群移入沈阳,在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并风暴在初期产生强降水后,回波顶降低、降水强度减小,低空出现了生命期约30 min的γ中尺度涡旋对,更是出现罕见的具有辐合特征的反气旋式涡旋加强的现象,伴有低空涡旋的风暴再次加强并导致后期更强的降水。相比中国中气旋统计特征,本次低空浅薄涡旋生命期较短、尺度小...     

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。     

边界层急流与北京局地强降水关系的数值研究

应用3 km分辨率的中尺度模式,成功模拟出了2005年8月3日凌晨北京地区一次局地强降水过程,在此基础上探讨了地形热力作用和局地强降水与边界层急流的关系,结果表明,局地强降水与边界层急流之间存在正反馈作用,降水过程通过改变局地大气温度场的分布,导致边界层气流加速和急流的形成。而边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合,为降水提供更多的水汽和更有利的动力条件。     

东北冷涡背景下浙江省两次强降水过程的对比分析

受东北冷涡西南部冷空气南下影响,2009年6月初浙江省连续发生了两次不同特点的强降水过程。利用常规气象观测资料、自动站资料、NCEP再分析资料及卫星TBB资料,对这两次东北冷涡背景下的强降水天气过程的大尺度环流背景和动力、热力及水汽输送条件进行对比分析。结果表明：同在东北冷涡天气背景下,由于中低层温度场配置不同、上下游系统强弱不同,导致浙江省发生的天气现象不同。6月2日降水是一次连续的区域性暴雨过程,雨带呈带状分布,以层状云降水为主,其低层为大范围的辐合,高层辐散,且低层辐合强于高层辐散;低空存在西南急流,为暴雨提供了重要的水汽和动力条件,大气层结比较稳定。6月5日强降水是一次强对流天气过程,降水分布不均匀,强度大,历时短,高、低空没有大范围的辐合辐散区,也没有低空西南急流,前期水汽条件较差,降水过程以热力作用为主;大气层结不稳定触发了强对流天气的发生,出现局地暴雨。两类暴雨的预报着眼点分别为：第1类区域性暴雨的预报重点为高层辐散、低层辐合结构和低空西南急流;第2类局地性暴雨的预报重点为大气的不稳定度与东北冷涡后部冷空气的干侵入。     

华南暴雨试验IOP-6期间6月9日长乐地区强降水风场结构的初步分析

华南暴雨第六次加强观测期间 (IOP-6), 1998年6月9日在福建长乐地区出现了一次局地性的强降水过程.该文应用单多普勒天气雷达资料及其风场反演结果对此次过程进行了初步分析, 从多普勒雷达反演的风场结构看, 这次过程与出现在3~5 km高度上的风切变有关, 在低层雷达回波图像上出现中尺度气旋波的结构, 强降水是气旋波活动的结果.     

西太平洋副热带高压控制下上海地区一次局地短时强降水成因的Q矢量分析

在西太平洋副热带高压控制的天气背景下,2016年8月19日下午上海地区发生一次局地短时强降水过程,此次过程历时3 h、水平范围20~40 km,呈现出生命史短、局地性强的特点。基于上海地区地面自动气象站2分钟平均资料,采用仅需一层资料计算的非地转 Q 矢量分析方法,研究分析了此次局地短时强降水发生发展演变成因,结果如下:(1)地面温度场和风场叠加分析表明,上海“城市热岛”特征与长江沿岸及邻近水域的热力不均匀分布引发了江风,江风将江岸邻近水域的湿、冷空气向城市陆地输送,并与陆地上干、热空气交汇,激发产生局地短时强降水,而降水的发生,导致地面温度下降、“城市热岛”特征减弱,从而减小水陆温度差,进而减弱江风,这直接减弱了有助于降水发生发展的动、热力强迫条件,促使降水趋于衰亡结束。(2)地面 Q 矢量散度辐合场和温度露点差叠加分析表明:在降水发生发展阶段, Q 矢量散度辐合强迫产生垂直上升运动较强,而空气湿度条件相对较弱;在降水强盛阶段, Q 矢量散度辐合强度和空气湿度的强度不仅增至最强,且上升运动区与高湿区重合;在降水衰亡阶段,地面空气一直维持高湿条件而 Q 矢量散度辐合强度明显减弱。这从地面大气中垂直上升运动条件和水汽条件揭示出致使降水强度发展演变的内在因素,且二者重叠区对降水落区有较好指示意义。最后,对地面 Q 矢量散度辐合场在局地短时强降水短临预报工作中的潜在应用前景进行了有意义的讨论。      

一次江淮大暴雨过程中尺度系统结构分析

本文应用观测资料和中尺度数值模拟结果对1999年6月23日发生在江淮地区一次梅雨锋暴雨过程进行研究，揭示了影响这次暴雨过程的物理条件、云团的演变特征及与中尺度系统的关系，分析表明，在暴雨生成和发展过程中，多个中尺度云团在相继生成和移动发展，暴雨中心是几个发展较强的中尺度对流云团造成的，西南风低空急流为暴雨提供了水汽输送，并且通过强垂直运动向对流层中上层输送水汽，这次暴雨与中尺度系统发生发展有直接关系，西南涡分裂出一系列的小涡旋，这些小涡旋边向东移边减弱，并且同时在地面上引发小低压，这些中尺度低压增强低空水平辐合，成为触发不稳定能量的机制，低空急流中心与雨区相互对应，且急流风速增强，风速水平切变梯度增大的过程对应着强降水过程。     

太行山东麓地面辐合线特征分析

由于太行山地形的影响,在河北中南部,地面存在着几乎定常的风向辐合,局地对流天气往往发生在地面辐合线附近。利用2007和2008年5—9月地面加密风场资料,分析了河北省中南部地面辐合线的逐时演变特征以及与局地对流降水的关系。结果表明,地面辐合线傍晚时分在保定西南部生成以后,沿太行山逐渐扩展,自西向东缓慢推移,强度逐渐加强,早晨前后形成近乎闭合的气旋式环流。依据逐次过程最强降水时次的风场,将地面辐合线分为7类;单纯由地形引发的地面辐合线一般不产生降水,即使造成降水,量级也比较小,也就是说,一般地形导致的辐合不会直接触发对流,只有在有利的天气系统配合下,才会产生较为剧烈的对流天气。通过对2008年7月下旬连续冷涡天气个例逐日的地面辐合线分析表明,无论何种类型的辐合线,对流天气首先出现在辐合线附近;在大尺度的环流背景下,利用逐时风场、温度场的发展演变,可以定性判断对流天气出现的时间、落区,以及强度等。     

“13·6·30”遂宁市特大暴雨成因的初探

利用自动气象站雨量资料、常规观测资料、雷达资料以及NCEP再分析资料,对2013年6月30日至7月2日四川遂宁地区特大暴雨过程中高原低涡和西南涡的耦合作用对本次特大暴雨的影响以及低空急流演化特征和强暴雨的关系进行初步探讨。结果表明:当高原涡和西南涡发生耦合时会使得高空低涡发展加强,并激发遂宁暴雨天气的产生。急流为高空低涡的发展提供不稳定能量。超低空急流和低空急流对强降水有提前2 h的指示意义,低空急流指数增大的过程和降水量的强度成正比关系。     

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。     

2011年“7·25”山东乳山特大暴雨成因分析

利用常规资料、地面加密资料、多普勒雷达资料和ＮＣＥＰ再分析资料等,对2011年7月25日发生在山东省乳山市一次超历史极值的特大暴雨过程进行分析。结果表明：本次特大暴雨是由高空西风槽、低层切变线与副热带高压边缘的低空急流共同影响所致;由低层前期强盛的低空偏南暖湿气流输送使半岛上空低层高温高湿,形成上干冷下暖湿的对流性不稳定层结;近地面向岸风的侧向辐合产生气旋式切变线,是本次暴雨的启动机制,大暴雨的分布与地面辐合线的走向基本一致。此外,半岛上空超低空偏南急流的加强,使中尺度切变线北抬,进而受乳山倒喇叭口地形影响,发展成了中气旋,产生了强降水超级单体风暴。而强降水超级单体风暴造成的短时强降水,是本次暴雨致灾的重要原因。     

基于CMA-TRAMS集合预报的“5·22”极端降水事件可预报性分析

2020年5月22日珠江三角洲地区出现了一次极端强降水天气,最大滑动小时雨量201.8 mm,3 h雨量达到351 mm。为探讨此次极端强降水的关键预报因子及可预报性,对热带中尺度集合预报系统（CMA-TRAMS（EPS））降水预报产品进行检验评估和敏感性分析,结果表明:与欧洲中期数值预报中心集合预报系统（ECMWF-EPS）相比,CMA-TRAMS（EPS）的好成员对本次过程降水强度及位置的预报结果与实况更接近,但对极端性预报仍有欠缺。好成员的预报能力来自于对低涡和（超）低空急流的演变特征以及两者强度和位置耦合的有效预测。好成员组预报珠江三角洲东部（超）低空急流南风分量较强,有利于低涡缓慢移动和气旋性辐合增强,致使降水持续时间长、效率高。而低涡自身发展又反馈于急流强度变化,好成员组较准确地刻画了增强的低涡环流反馈导致急流小范围加速的耦合特征。其他成员组预报的低涡和（超）低空急流的耦合位置偏东、偏南,辐合强度偏弱,导致降水强度或落区出现偏差。此外,强降水致使冷池形成,并增强激烈的冷、暖气团对峙（水平温度梯度达0.23—0.76℃/km）,有利于中尺度辐合线维持,加强对流后向传播并产生极端降水量。但CMA-TRAMS（EPS）两组成员在预报中尺度系统的组织性和传播特征方面均存在明显不足,限制了集合预报系统对极端降水的预报能力。      

一次特大暴雨过程中涡度与急流的影响分析

利用自动气象站雨量资料,常规观测资料,FY-2D TBB云图资料以及NCEP再分析资料,对2013年6月30日～7月2日高原低涡东移和西南涡耦合形成的遂宁地区特大暴雨过程进行研究。主要分析了高原低涡和西南涡的耦合对此次强降水的影响以及低空急流演化和强降水的关系。结果表明:当高原涡和西南涡发生耦合时会使得高空低涡发展加强,并激发遂宁暴雨天气的产生。急流为高空低涡的发展提供不稳定能量。超低空急流和低空急流对强降水有提前2小时的指示意义,低空急流指数增大的过程和降水量的强度成正比关系。      

FY-3A水汽资料在江淮梅雨强降水系统湿动力诊断中的应用

中国卫星FY-3A水汽产品为大气水汽混合比,对大气各层水汽条件具有精细化描述能力。将卫星水汽混合比空间分布与区域流场对应叠加,进行综合量化分析,是目前卫星监测反演数据研究分析与业务应用的形式之一。由于卫星数据与流场数据为非同源数据,具有各自的坐标系,综合分析需要将坐标系统一,卫星坐标系随时间变化,因此向固定的流场坐标系转化。整个数据预处理过程,包括卫星数据插值至标准等压面层,卫星轨道网格转为经纬等距标准网格;双权重法异常数据剔除;平滑滤除高分辨率"噪音";十折交叉相关检验确认卫星资料精细化特征保持良好。对流场分析首先选择关键系统,江淮梅雨强降水系统主要为浅薄低涡和辐合线,近5 a的统计显示3/5的低涡活跃在江南,2/3的辐合线活跃在淮北。诊断分析合成的江淮梅雨强降水典型系统,获得辐合线系统纬向湿度锋区更强,低涡系统湿舌经向度大,显示更多干湿气团混合。进而将预处理后的FY-3A水汽分布与强降水系统低层流场对应时刻综合比对,结果显示:与流场气旋性辐合区对应的卫星湿区对强降水落区具有精细化指示性。同时FY-3A湿度产品计算的大气低层(1 000~850 h Pa)可降水量、以及降水区对应的假相当位温高能区及高能锋区,均与降水强度呈正比关系。将卫星水汽资料诊断方法应用于近海海域,可估测系统强降水落区以及降水强度,有利于改善海上缺乏降水观测站的问题。     

登陆热带气旋与夏季风相互作用对暴雨的影响

利用《热带气旋年鉴》资料、NCEP/NCAR再分析资料采用动态合成分析方法,研究了登陆热带气旋降水与夏季风急流之间的关系,同时对登陆热带气旋与夏季风急流发生相互作用的典型个例强热带风暴Bilis (0604) 利用数值模拟方法研究了二者之间的相互作用对暴雨的影响。结果表明:登陆后造成大范围强降水的热带气旋往往与低层急流长时间相连,其水汽通量和潜热能显著大于弱降水热带气旋。数值试验结果表明:夏季风低空急流向热带气旋输送水汽对热带气旋结构维持有利,当水汽输送被截断后,热带气旋气旋性结构被破坏,强降水减弱、范围明显缩小;季风急流风速增强时可增加水汽通量输送,使得强降水范围增加、强度增强;在夏季风影响背景下,热带气旋在陆上的移动改变水汽和不稳定能量的分布,而热带气旋本身独特的动力结构使得强降水强度增加。