淮河流域东北部一次异常特大暴雨的数值模拟研究 Ⅱ: 不稳定条件及其增强和维持机制分析

利用"淮河流域东北部一次异常特大暴雨的数值模拟研究Ⅰ"的数值模拟结果,分析了几种不稳定对流涡度矢量(CVV)与中尺度深湿对流系统之间的关系,并分析了不稳定条件的增强和维持机制,结果表明:(1)中低层对流不稳定是深湿对流系统发生的先决条件,由于低层存在辐合,使得周围湿空气向暴雨区集中,对流单体在暴雨区汇聚,且发生合并增强,台风左前方向暴雨区输送对流不稳定能量等,是使得暴雨区对流不稳定重新建立和加强的重要机制.(2)深湿对流系统的中低层不仅有对流不稳定,而且还有斜压不稳定、条件对称不稳定,而中高层必须有湿斜压不稳定和条件对称不稳定.深湿对流系统中高层西(北)侧为负MPV2柱,东(南)侧为正MPV2柱;(3)深湿对流系统中惯性不稳定柱与惯性稳定柱相间分布,西(南)侧为负CVV柱,东(北)侧为正CVV柱,负CVV柱对深湿对流起激发作用;(4)惯性不稳定、湿倾斜不稳定和条件不稳定产生强的倾斜式对流,而强的倾斜式上升运动加强了深对流系统北侧高层的南风分量,因深对流系统南侧低层出现补偿性下沉气流,因而低层南风加强,高低空急流中心的加强会进一步加强对流的发展,使得惯性不稳定、湿倾斜不稳定及条件不稳定增强和维持,这是一个正反馈过程.(5)在暴雨中心以东维持一顺切变环流,同时暴雨中心的浅对流单体吸收来自南方的水汽和不稳定能量,中尺度辐合线与β中尺度涡旋对对流单体起组织和增强作用,对流系统中辐合、辐散柱相间分布,强散度柱与强涡柱互伴互耦,都有利于形成中尺度深湿对流系统,使不稳定向纵深方向发展,从而使得不稳定得到增强和维持.     

MOIST POTENTIAL VORTICITY DIAGNOSIS OF A MEIYU FRONTAL HEAVY RAIN PROCESS SIMULATION DURING SUMMER,1991

In this paper,the heavy rain process from June 30 to July 2,1991,has been simulated by MM4.and three-dimensional moist potential vorticity distribution of the simulation results has beencalculated.It is shown that moist potential vorticity is an important physical variable to reveal heavyrain structure and dynamic mechanisms.Negative moist potential vorticity corresponds to the Meiyufront-wind shear line system and the negative center corresponds to the heavy rain center.Negativemoist potential vorticity mainly attributes to the effects of meridional baroclinic term and convectiveunstable term.The former is favourable to the maintenance of zonal precipitation and the latter is themechanism of the heavy rain center propagating along the rain belt.The heavy rain is contributed bythe cooperative effects of conditional convective instability,baroclinic instability and upper air inertialinstability.     

MOIST POTENTIAL VORTICITY DIAGNOSIS OF A MEIYU FRONTAL HEAVY RAIN PROCESS SIMULATION DURING SUMMER, 1991

In this paper,the heavy rain process from June 30 to July 2,1991,has been simulated by MM4.and three-dimensional moist potential vorticity distribution of the simulation results has been calculated.It is shown that moist potential vorticity is an important physical variable to reveal heavy rain structure and dynamic mechanisms.Negative moist potential vorticity corresponds to the Meiyu front-wind shear line system and the negative center corresponds to the heavy rain center.Negative moist potential vorticity mainly attributes to the effects of meridional baroclinic term and convective unstable term.The former is favourable to the maintenance of zonal precipitation and the latter is the mechanism of the heavy rain center propagating along the rain belt.The heavy rain is contributed by the cooperative effects of conditional convective instability,baroclinic instability and upper air inertial instability.     

北京“7.21”暴雨的不稳定性及其触发机制分析

本文利用WRF模拟的高分辨率资料对2012年7月21日北京特大暴雨过程的对流不稳定和条件对称不稳定性及其触发和维持机制进行了诊断分析。分析结果表明:(1)在临近暴雨发生时刻及暴雨初期, 大气低层主要以对流不稳定为主, 随后对流触发, 不稳定性减弱, 而低空急流和湿斜压性的增强, 使得条件性对称不稳定加强, 维持和加强了暴雨的不稳定性。(2)分析表明, 在暴雨过程中主要由于较强的水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量异常, 从而导致条件性对称不稳定的产生。(3)本文分别对暴雨发生过程中的对流不稳定与条件对称不稳定的触发机制进行了分析, 主要结论如下:暴雨初期对流性降水阶段, 切变线上有利的垂直上升环境与地形的强迫抬升相互配合, 触发了对流性降水。另外, 北京上空的干冷空气入侵, 也增强了大气的对流不稳定性, 更易触发对流;对称不稳定导致的降水阶段, 主要是由于北京上空冷暖空气的长期对峙, 冷空气逐渐深入到暖湿空气下方, 使得暖湿气团沿冷气团爬升, 从而触发对称不稳定, 造成持续性降水。此次暴雨过程中0900～1300 UTC时刻暴雨增幅的重要原因是0900 UTC北京风向突变, 转为偏东风, 且风速骤增, 北京西北侧的喇叭口状的地形的强迫抬升作用, 与上空750 hPa移来的切变线上的垂直运动相互叠加, 形成中尺度涡旋, 产生了强烈的上升运动, 触发不稳定, 产生大暴雨。     

2012年7月北京一次大暴雨过程的湿Q矢量和湿位涡分析

利用NCEP 1°×1°的6 h再分析资料和常规气象观测资料,对2012年7月21日发生在北京地区的一次大暴雨天气过程进行非地转湿Q矢量(Q*)和湿位涡等物理量诊断分析,研究暴雨期间Q*散度、锋生函数和湿位涡的时空分布特征,以及它们与强降水之间的关系。结果表明,Q*在850 hPa高度层上对暴雨表现出良好的诊断特性,冷、暖气流的汇聚加强了锋生作用,强锋生中心出现几小时后即出现暴雨。暴雨区位于Q*辐合区内,Q*散度对6 h后暴雨的落区有很好的指示意义。暴雨落区基本位于MPV1正、负值交界处的等值线密集带上以及MPV2负值区内。暴雨区上空,从近地面到对流层低层的对流性不稳定与条件性对称不稳定同时存在,两者共同作用,这很可能是此次暴雨的中尺度对流系统发生发展的重要条件之一。     

Evolution of instability before and during a torrential rainstorm in North China

NCEP-NCAR reanalysis data were used to analyze the characteristics and evolution mechanism of convective and symmetric instability before and during a heavy rainfall event that occurred in Beijing on 21 July 2012.Approximately twelve hours before the rainstorm,the atmosphere was mainly dominated by convective instability in the lower level of 900-800 hPa.The strong southwesterly low-level jet conveyed the moist and warm airflow continuously to the area of torrential rain,maintaining and enhancing the unstable energy.When the precipitation occurred,unstable energy was released and the convective instability weakened.Meanwhile,due to the baroclinicity enhancement in the atmosphere,the symmetric instability strengthened,maintaining and promoting the subsequent torrential rain.Deriving the convective instability tendency equation demonstrated that the barotropic component of potential divergence and the advection term played a major role in enhancing the convective instability before the rainstorm.Analysis of the tendency equation of moist potential vorticity showed that the coupled term of vertical vorticity and the baroclinic component of potential divergence was the primary factor influencing the development of symmetric instability during the precipitation.Comparing the effects of these factors on convective instability and symmetric instability showed some correlation.     

复杂地形下雷暴增强过程的个例研究

本文基于多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）反演的对流层低层热力和动力场,并结合多种稠密观测资料,对北京地区2009年7月22日一次弱天气尺度强迫下雷暴在山区和平原增强的机理进行了较深入的分析。研究结果表明：雷暴过程受大尺度天气系统影响不明显,对流前期地面弱冷锋,是此次雷暴新生的触发机制,高层冷平流、低层偏南暖湿气流的稳定维持和对流不稳定能量的聚集是本次雷暴增强的必要条件。雷暴从河北北部移进北京西北山区后,在下山和到达平原地区时,经历了两次明显的发展增强阶段。雷暴第一阶段下山增强,地形强迫起着主要作用,具体表现在三个方面：（1）地形斜坡使得雷暴冷池出流下山加速与稳定维持的偏南气流形成了强的辐合区;（2）地形抬升使得偏南暖湿入流强烈地上升,从而加剧了对流的发展;（3）地形抬高了冷池出流高度,使得出流与近地面偏南气流构成随高度顺转的低层垂直风切变,低层暖空气之上有冷平流叠加,使得雷暴前方的动力和热力不稳定增强。雷暴第二阶段在平原地区再次增强的主要原因是：组织完好的雷暴到达平原地区后,其冷池与低层暖舌在城区（朝阳地区）的对峙,产生了强的扰动温度梯度;强的冷池出流与势力相当的偏南暖湿气流相互作用产生了强的辐合上升气流,并与下沉气流在较长时间内共存;冷池出流形成的负涡度与低层切变产生的正涡度达到近似平衡状态。运用RKW理论,三者导致雷暴前方低层的辐合抬升最强,最有利于雷暴的维持发展。     

鲁西北一次持续性暴雨成因分析

利用地面自动气象站、NCEP 1°×1°和FY2E反演T_(BB)等资料,对2012年7月31日—8月1日发生在山东一次持续的区域性暴雨进行分析和研究。结果表明,(1)在副高稳定的形势下,低层切变线、地面冷锋是造成暴雨的主要天气系统。(2)低层锋生强迫激发了非地转垂直环流,上升气流加强,雨强增大,上升支的建立到强降水开始间隔约6 h。(3)暴雨区925 hPa湿斜压项在强降水时为负值,其增强应为低层锋生作用造成的。雨区范围和雨强随湿斜压项增强而增大。(4)对流单体的生成和加强影响降水落区和雨强,增强的单体合并时雨强最强。T_(BB)中心区位于低层切变线与锋面右侧,强降水位于两者之间。(5)地面辐合线与T_(BB)中心基本重合,辐合线左侧气旋性弯曲处与T_(BB)中心区后侧的等值线梯度大值区位置一致,强降水则出现在两者重叠处。(6)干线与辐合线是此次强降水的重要中尺度系统,干线始终落后于辐合线,其分布对暴雨落区有一定的指示意义。     

塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征研究

利用地面自动站逐小时观测、多普勒天气雷达及WRF模式高分辨率数值模拟,分析2016年7月塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征。结果表明,阵风锋前沿较强的辐合抬升运动不断触发多个对流单体,其中大部分单体与其后方的对流系统合并且进一步发展,使得强对流天气不断发展和维持。在对流系统快速发展阶段,阵风锋前沿水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量显著增强,从而增强局地的条件对称不稳定,为对流系统的发展和维持提供了重要的不稳定能量。不稳定能量释放需要的锋生强迫作用主要是由阵风锋前方的辐合辐散项和倾斜项决定,而阵风锋前沿附近的水平形变项及其上方的非绝热加热项提供相对较弱的贡献。     

引起舟曲特大泥石流灾害的"8·8"暴雨过程中尺度特征分析

利用常规气象资料以及FY-2E气象卫星云图、多普勒天气雷达资料和NCEP每6h一次的1°×1°格点资料,采用天气学诊断分析的方法,对2010年8月7—8日出现在甘肃省舟曲县的一次局地突发性致泥石流暴雨进行了诊断分析。结果表明:此次暴雨是在高空短波槽、东风倒槽、低涡切变线、副热带高压和地面冷空气的共同作用下发生的。对流云团发展生成MCS是暴雨发生的直接原因。对流云降水回波的发展和增强与降水强度的变化有很好的对应关系。来自孟加拉湾和东海的暖湿空气是此次暴雨的主要水汽来源。中低层辐合,高层辐散的配置和垂直涡度的显著增大,为本次暴雨的发生提供了必要的动力条件。暴雨中心位于700 hPa等假相当位温线密集带的西南侧边缘,暴雨是伴随着对流有效位能和大量不稳定能量的有效释放而发生的。倾斜涡度的活跃发展,条件性对称不稳定机制的形成可能是导致此次暴雨发生的主要触发机制。     

南亚高压与偏北风急流出口区的暴雨生成机制

利用MM4中尺度模式，模拟了1998年7月21日08:00~22日08:00(北京时)，一次西北风急流的暴雨过程。分析发现，西北风高空急流与南亚高压环流形成的辐散辐合场导致一对中尺度正反环流的生成，使暴雨得以维持与加强。在暴雨区北部，中高层条件性对称不稳定可使下沉运动加速，对北支环流的维持起关键作用；雨区南部，南支环流圈的维持与高层北风中心的加强有关。北支环流圈的加强以及动量下传使暴雨区北部低层的北风分量维持。该北风分量与雨区南部环流的南风分量形成低层辐合。     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

一次江淮暴雨的数值模拟及暴雨落区的诊断分析

利用MM5模式对2003年7月一次江淮暴雨过程进行了数值模拟,结果表明：MM5对本次暴雨落区的模拟较为成功。应用模拟结果对假相当位温、水汽通量散度、z-螺旋度及湿位涡等几个综合性物理量进行了诊断,得出的主要结论为：本次暴雨发生在高能舌的前部、能量锋区南缘和低空急流左前方三者叠加的区域;水汽通量散度比较好地反映本次暴雨的强度和落区;z-螺旋度不仅能反映降水系统,对降水系统的移动也有预报指示意义;本次暴雨过程中湿斜压性和涡度垂直分量与热力不稳定对湿位涡有同等大小的贡献。     

A MESO-α-SCALE STUDY OF MEIYU FRONT HEAVY RAIN－PART II: THE DYNAMICAL ANALYSIS OF RAIN-BAND DISTURBANCE

The alternating change of the two meiyu front rain-bands caused by the alternating change between the moist potential vorticities is discussed. The main factors of the change of moist potential vorticity are the vertical and horizontal divergence of moist potential vorticity flux as well as the vertical transport caused by the cumulus mass flux. Also discussed is the possibility that the WAVE-CISK conditional symmetric instability in the baroclinic moist atmosphere leads to the forming of the double rain-bands and their roller-shaped circulation features. Theoretical analyses show that the latitudinal disturbance scale-selection by the primitive moisture model of the latent heat release in cumulus convection depends on the stratification instability parameter (Ri number) and viscous coefficient of eddy.     

高低空急流与台风环流耦合下的中尺度暴雨系统

对9216号台风登陆后进入200 hPa西南风急流入口区右侧, 引起远距离台风中尺度暴雨系统突然发生发展的过程进行了分析.利用二维模式研究了高、低空急流与台风环流耦合和中尺度暴雨增幅的相互促进正反馈机制, 认为Wave-CISK过程和斜压基流的对称不稳定可能是低空急流发展和倒槽形成的更切合实际的动力机制.对流不稳定与斜压大气的结合有利于北传的重力惯性波不稳定发展.     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

副高外围对流雨带中的对流—对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压（简称副高）西北外围对流雨带的云图特征进行了分析,利用WRF3.3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟,在模拟较成功的基础上,利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明：副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成,单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系,东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层（700 hPa以下）的对称不稳定区,700～500 hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展,700～500 hPa的对流不稳定度明显减弱,而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区,中高层为垂直上升区,左侧对应下沉气流,呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征,体现了对流—对称不稳定的作用。对流层低层（750 hPa以下）锋生的存在提供了对流—对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500～800 hPa等厚度线基本平行,而与500 hPa等高线存在明显的交角,雨带中的对流单体随环境气流移动,雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。     

台湾岛地形对登陆台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展影响的模拟研究

2016年9月14~15日超强台风“莫兰蒂”（1614）登陆厦门后在福建省中北部引发了特大暴雨天气过程,特大暴雨由台风登陆后北侧至东北侧一个缓慢移动的长生命史中尺度强对流螺旋雨带活动造成。利用中尺度数值模式WRF（V3.9）对台风登陆引发福建省中北部特大暴雨过程进行了大区域无嵌套数值模拟,较准确地模拟了台风引发特大暴雨的强度和落区,并成功地再现了台风登陆后北侧至东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带的发生、发展过程。分析发现,台风大风区外围几个零散的中尺度辐合区在移入台湾地形下游的弱风切变区、正涡度带、湿静力能（假相当位温、比湿）锋区后,组织发展成一个带状的中尺度辐合带而形成强对流螺旋雨带,长时间地维持和发展,并向东北方向缓慢移动。台湾地形在有利于强对流螺旋雨带长时间组织发展和维持的中尺度环境场的形成中扮演着重要角色,即地形效应在其下游形成的正涡度带（正位涡带）、雨带（位于高湿静力能区）南侧低湿静力能带（即湿静力能锋区）,对强对流螺旋雨带的长时间发展维持非常重要。地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风登陆后东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带形成及维持中的重要作用。     

Numerical simulation of the structure and evolution of a polar mesocyclone over the Kara Sea. Part 1. Model validation and estimation of instability mechanisms

Numerical experiments based on the WRF model were conducted to analyze the structure and evolution of the polar mesoscale cyclone developed over the Kara Sea on September 29-30, 2008. It was found that baroclinic instability in the lower troposphere and convective instability (including that due to the wind-induced surface heat exchange) did not play a significant role. Significant contribution was made by the downward advection of potential vorticity from the upper troposphere and by the conditional instability of second kind. It is demonstrated that if water phase transitions are not taken into account, the mesocyclone intensity is reduced by 7-20% and the time of its development increases by 4 hours. The advection of potential vorticity was not the only process causing the intensification of the lower potential vorticity anomaly associated with cyclonic circulation.     

一次华北强降雪过程的湿对称不稳定性研究

运用湿球位涡和倾斜有效位能的概念从条件性对称不稳定（ＣＳＩ）和局地对称不稳定（ＬＳＩ）这两个侧面计算了一次华北强降雪过程的湿对称不稳定的水平分布和垂直分布状况，并比较详细地讨论了湿对称不稳定对１９８６年１１月２２—２３日发生在内蒙古河套地区和林东、林西地区附近的一条狭长的强降雪带的可能作用以及湿对称不稳定与基本气流走向、风垂直切变和水汽的关系，发现：这条降雪带与雪区附近低层的湿球位涡负值区走向大体平行；在降雪带中分别位于呼和浩特、东胜地区和林东、林西地区的强降雪中心有着不同的动力学机制，前者主要为在暖区具有弱的对称不稳定的情形下锋生强迫作用所致，后者则是由明显的湿对称不稳定所致。