爬流和绕流对山地突发性暴雨的影响

利用ERA5再分析资料和融合降水数据,针对2018年5月21-22日发生在中国四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨,首先对其降水强度和天气概况进行相关分析,并且通过绕流和爬流方程,将流场分解为绕流和爬流分量,重点探讨地形对于过山气流的影响及其对降水的作用。研究表明:受欧亚中高纬低槽槽后西北气流引导冷空气南下和西南低涡东移的共同影响,在四川盆地西南部山区发生了一次强降水过程。此次降水范围较广、强度大并且降水时间集中,是一次典型的山地突发性暴雨事件。由于地形的阻挡作用,使得来自东北方向的气流发生旋转,产生绕流运动,在盆地内形成局地涡旋。同时盆地和盆周山地之间的地形高度差强迫过山气流产生爬流运动,导致垂直上升运动加强。在绕流与爬流的共同作用下,为此次突发性暴雨的发生发展提供了有利的流场条件。进一步分析得出地形区域内爬流分量略大于绕流分量,即气流对于山地屏障的地形适应以爬流运动为主,绕流运动次之,地形爬流产生的垂直上升运动与雨带的分布密切相关。     

黔东南地形影响局地突发性暴雨的中尺度天气分析与数值试验

基于FY-2E TBB资料、ERA5再分析资料和WRF v3. 9. 1. 1模式对2015年5月27日贵州省雷山县一次突发性暴雨过程进行中尺度天气学分析和数值试验。结果表明:(1)低空西南急流、切变线与地面辐合线是本次山地突发性暴雨的直接影响系统。(2)TBB低值区与突发性暴雨落区有明显的对应关系,TBB值的减小对应着降水的增强,反之对应降水的减弱。(3)ERA5再分析资料作为初始场对于突发性暴雨的模拟效果优于FNL分析资料和ERA-Interim再分析资料。(4)地形通过改变山地动力、水汽等物理量场从而影响暴雨的落区和强度。地形的抬升作用造成水汽与不稳定能量在迎风坡堆积,使层结不稳定性增强,在强烈的上升运动作用下触发对流不稳定发展。(5)雷公山地形对于降水有显著的增幅作用,山脉高度升高后,雨带扩大,雨量增加;反之雨带西移,雨量减小。     

暴雨中尺度过程研究进展

对暴雨中尺度过程的几个重要方面进行了简要回顾,主要包括:(1)暴雨对流系统的组织特征和分类,以及不同组织类型对流系统的结构及其形成机制,尤其是新对流单体再生和层状降水形成的原因;(2)暴雨对流系统的启动机制、组织和维持机理;(3)地形对暴雨对流系统发生发展和降水效率的影响及其内在的物理机制,线性理论的局限性以及地形影响的复杂性和非线性;(4)暴雨对流系统的日变化特征、区域性差异及其不同的形成机制等。最后对有待深入研究的主要科学问题进行了简要的讨论。     

长江流域雨季中尺度对流系统研究——国家自然基金重点项目(40930951)成果简介

长江流域产生暴雨的中尺度对流系统(Mesoscale convective systems,MCS)是雨季强降水的重要影响系统,深入研究它的组织结构、活动规律及其发生发展机制,对提高暴雨的预报能力有重大意义。近3年来依托国家自然基金重点项目对中尺度对流系统展开了一系列研究,包括对长江流域产生暴雨的MCS进行组织形态分类、分析了不同线状MCS的结构特征、合成分析了各线状MCS产生的环境条件;我国三阶地形对降水的影响,尤其是山地—平原环流对梅雨锋夜间降水的影响;中尺度地形对对流降水的影响;湿斜压热动力耦合强迫激发MCS发生发展的影响;最后总结了长江流域产生暴雨的MCS的物理概念模型。     

神农架林区西南坡局地暴雨过程诊断分析

神农架林区西南坡为局地暴雨灾害多发区。利用常规资料、多普勒雷达资料和区域自动站资料,分析了导致神农架林区西南坡2014年8月6日至7日夜间连续两场短时暴雨过程中MCS发生发展的天气背景及结构特征,并探讨了神农架山区复杂地形构造对西南坡暴雨的增幅作用。结果表明:1)中高层天气系统强迫弱时,副高边缘地面暖低压倒槽及850 h Pa气旋性弯曲区与辐合的发生发展可能是造成这类局地强降水天气的触发系统,地面弱冷空气的入侵有利于降水的维持和加强。2)两次局地暴雨过程均是由中β尺度对流系统影响产生的,降水历时短、强度大,雨区移动呈现局地性,具有明显的中尺度强对流系统特征,分别属前导层状云与尾随层状云中尺度对流系统型。3)第一场暴雨过程以对流降水为主,回波较强;第二场暴雨过程回波质心低且层状云特征比较突出,但维持时间相对较长,降水效率更高。4)神农架西南坡坡度大,海拔高度高,地形的动力抬升和辐合作用促使上升运动加强,地形强迫抬升作用显著不仅对局地对流触发、降水增幅有重要作用,而且会影响中尺度对流系统结构,这可能是神农架林区西南坡暴雨高发的重要原因。     

川西高原东坡地形对流暴雨的研究

利用地面常规雨量站和探空资料以及NCEP 1°(纬度)×1 °(经度)再分析资料,对2004～2010年川西高原东坡地形过渡带的12次暴雨过程进行了分析,研究了高原东坡地形对流暴雨发生发展过程中的天气背景和环境场特征,并对高原东坡地形在对流暴雨形成中的作用进行了初步诊断,在此基础上利用WRF中尺度数值模式和地形上游探空12次暴雨过程的平均垂直廓线在模式真实地形下开展理想数值试验,验证了观测诊断分析的推断.结果发现:高原低值系统移入盆地是地形对流暴雨发生发展的天气背景条件.随着高原低值系统移入盆地上空,盆地低层气流从西南(偏南)气流逐渐发展成东南(偏东)气流,它的出现是地形对流暴雨形成的重要原因.地形对流暴雨发生发展过程中,盆地大气柱含有充足的水汽,存在明显的对流有效位能(CAPE).CAPE存在着明显的日变化,它在14:00(北京时间,下同)至20:00的峰值位相有利于地形对流暴雨的形成和发展.低层东南(偏东)气流的地形费劳德数略小于1,气流遇到高原东坡地形后爬坡和阻滞绕流同时存在,它在地形缓冲带的爬升和向南绕流形成的气旋性切变皆有利于对流暴雨的启动和发展.最后归纳总结了川西高原东坡地形过渡带对流暴雨形成的物理概念模型.     

四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统分析

利用ERA5再分析资料、新一代雷达拼图资料,探究了2017年5月初四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统及动力影响因子。结果表明:此次暴雨事件的主要影响系统有中纬500 hPa东移低槽、西伸的西太平洋副热带高压、对流层中低层的西南低空急流以及低层切变线。大尺度的低空急流与中小尺度的山区低空急流的叠加使四川盆地东北部形成正涡度柱和低层强辐合柱的动力耦合,低空急流最大风速出口辐合上升区与地形的辐合抬升作用叠加形成盆地东北部强烈的垂直上升运动,成为山地暴雨突发的动力触发条件,因低空急流建立的位势不稳定层结构成暴雨的热力条件。冷空气自低层逐渐向高层侵入是暴雨第二阶段增幅的主要原因。盆地东北部地形是本次暴雨的另一个增幅因子,其对暴雨过程中垂直上升运动有加强作用,秦巴山脉迎风坡的抬升作用对暴雨第一阶段的降水量贡献较大,青藏高原东麓背风坡的辐合效应对第二阶段降水量贡献较大。此外,盆地东北部山地对东移的中尺度对流系统有阻挡作用,使其停滞并旺盛发展。     

黑龙江省西南部地区局地短时强降水过程

1引言暴雨是我国东北地区的主要灾害性天气之一。中国东北地区的对流性暴雨系统是东北夏季灾害性天气系统的一个重要成员。虽然对流性暴雨影响系统不明显,却具有突发性强、历时短、雨强大、结构复杂等中尺度对流性天气特征,常造成突发灾害。     

山东特大暴雨雷达回波及地形作用分析

利用常规、非常规资料对2009年8月17—18日山东省出现的特大暴雨过程进行分析。结果表明:“817”特大暴雨主要出现在西风槽东移、副高南退时的副高西北侧边缘,对流有效位能(CAPE)等热力环境指数对鲁南强降水有较强的反应能力。降水分布具有典型的地形影响特征,复杂山地地形对降水有显著增幅作用和对对流系统传播的阻碍作用。存在低空急流和列车效应,强回波维持时间较长是费县出现强降水的重要原因,较强的偏南气流、湿度层深厚是费县出现特大暴雨的根本原因。地形影响气流理论很好地解释了山东“817”特大暴雨降水分布,费县特殊地形对特大暴雨有很大贡献。雷达资料可以弥补常规观测的不足;地形对强降雨及其分布有重要影响。     

2009-08-17山东特大暴雨雷达回波及地形作用分析

利用常规、非常规资料对2009年8月17—18日山东省出现的特大暴雨过程进行分析。结果表明：＂8.17＂特大暴雨主要出现在西风槽东移、副高南退时的副高西北侧边缘,对流有效位能（CAPE）等热力环境指数对鲁南强降水有较强的反应能力。降水分布具有典型的地形影响特征,复杂山地地形对降水有显著增幅作用和对对流系统传播的阻碍作用。存在低空急流和列车效应,强回波维持时间较长是费县出现强降水的重要原因,较强的偏南气流、湿度层深厚是费县出现特大暴雨的根本原因。地形影响气流理论很好地解释了山东＂8.17＂特大暴雨降水分布,费县特殊地形对特大暴雨有很大贡献。雷达资料可以弥补常规观测的不足;地形对强降雨及其分布有重要影响。     

诱发四川冕宁“6.26”山洪灾害的突发性暴雨特征及其形成机制

基于多源观测、再分析和对流可分辨模式预报资料,运用物理量诊断、标准化异常、相似过程比较等方法,分析了2020年6月26日四川冕宁突发性暴雨过程的特征和形成机制。结果表明：（1）该过程是一次伴有多条带状γ中尺度对流系统、“列车效应”产生极端小时雨量的局地突发性暴雨过程,其对流回波质心较低,对流云团具有中尺度对流复合体云团特征;（2）冕宁北部的对流冷池出流与较强的谷地偏南气流相遇形成的辐合抬升构成了对流的触发机制;（3）川西南低空偏南气流具有阶段性增强特征并提供了持续的暖湿空气输送,其在过程初期与下山冷池的相互作用及后期与盆地西部南下冷空气的汇合,使对流反复在冕宁站西侧和南侧初生,并在下游形成“列车效应”;（4）对比历史相似过程,环境大气的对流有效位能等物理量具有更显著的异常和异常持续性;（5）川西南北部的高海拔地形对延缓冷空气进入安宁河谷和维持河谷内的不稳定层结有显著作用,并且该区域地形强迫抬升形成了河谷上游地区潜在的对流触发条件。最后给出了此次暴雨过程形成机制的概念模型。     

条件不稳定湿大气中三维理想地形上空对流的动力学特征

条件不稳定湿大气情况下,气流经过三维地形可以形成不同性质的对流系统以及不同特征的地形流结构,其对流系统、地形流的性质主要取决于地形上空的对流触发、对流-地形流-重力波三者之间的相互作用,同样这些过程对于地形降水的性质、分布起重要的作用.根据不同湿Fr数(Froude number),湿条件不稳定大气经过三维小尺度山地上空时其对流和地形流动存在4种不同的流域(flow regirnes):(1)下游传播对流模态;(2)上游传播和下游传播共存对流模态;(3)山峰附近准静止和下游传播共存对流模态;(4)下坡稳定和下游传播对流共存模态.地形上空对流系统主要可以通过两种不同机制形成:(1)地形直接的抬升或减速作用;(2)在地形流形成后,由于地形流本身特性(如上游分离、背风涡旋和下坡重力波破碎)触发.在较大的Fr数情况下,地形上空对流生成后反过来可以破坏上、下游的地形流结构,但对背风坡的重力波破碎影响较小.不同初始对流有效位能(CAPE)不仅可以影响对流系统的传播、发展,而且可以影响整体地形流性质.较低的初始CAPE有利于地形流的形成,此时对流对地形流结构特征的影响相对较小,其流场性质与低Fr数流域性质相似.     

秦巴山脉“4·23”区域性暴雨的若干异常特征

利用逐小时降水、雷达、FY-4A卫星等观测资料及ERA5逐时再分析资料,分析了2021年4月23日秦巴山脉大范围区域性暴雨过程的中尺度特征、水汽和环流异常特征,结果表明,该次暴雨过程范围大,多站降水量突破历史同期极值,且大巴山区出现了山地突发性暴雨事件。500 hPa秦巴山脉异常的“东高西低”环流形势维持使得青藏高原至陕西间的气压梯度力增大,中层西风气流增强。中低层多尺度天气系统的叠加作用是造成该次暴雨的背景动力条件,西南低涡前方的东南气流一方面与北侧偏东风形成的切变线为暴雨发生提供了环境场的辐合上升运动,另一方面将西南气流和偏南气流带来的水汽输送到秦巴山脉汇聚。同期近海台风和东北冷涡活动相关联的环流导致东北路径的水汽输送异常强(贡献达到30%),成为本次暴雨过程水汽来源的独特之处。与历史同期比,偏南通道和东北通道的水汽路径上比湿都是异常的正距平,说明暴雨期水汽来源丰沛。暴雨过程主要由西南低涡前方的一个中尺度对流系统活动造成,大巴山区迎风坡对气流的地形抬升与环境场偏南气流的辐合上升叠加,对流活动强,降水强度大且突发性强;而秦岭山区近地面是偏东风在山前辐合抬升,中层为西南引导气流的环境场...     

山东半岛一次强暴雨的分析和数值模拟

利用T213资料、常规观测资料和多普勒雷达资料,对2004年8月5日发生在山东半岛东部的一次大暴雨过程进行了数值模拟和分析,在模拟结果比较成功的基础上,利用细网格模拟资料重点分析了高、低空急流和850 hPa低压与暴雨的关系,以及山东半岛地形的动力作用。结果表明:暴雨强回波从南向北传播时强度逐渐增强,反映了中尺度对流系统的结构和发展;对流云团首先在低空急流中心左前方生成,与副热带高压边缘的西南暖湿气流有关,中尺度高空急流是伴随对流由强高空出流而形成,高、低空急流的耦合作用有利于强对流天气的维持和发展;在副热带高压西侧边界层激发出一个中β尺度低压,该低压形成后与暴雨区相伴移动,且移动路径与山东半岛东部地形分布有关,山东半岛地形对西南暖湿气流阻挡和绕流的动力作用是导致威海附近强暴雨的原因之一。     

泰山地形对一次局地强降水过程动力作用的数值模拟分析

文章针对2005年9月2日发生在济宁郭楼镇的一次泰山背风下游区局地特大暴雨过程（438 mm/7 h）,利用济南SA雷达资料和WRF中尺度数值模式资料,分析了泰山山区地形造成的对流层中低层大气动力过程及其对暴雨中尺度系统的影响,开展了地形敏感性数值试验。结果表明：对流层低层回流南下的东北气流受鲁中山区地形影响,水平方向发生绕流,垂直方向被迫抬升,从而在泰山背风向的暴雨区附近形成准定常的绕流汇合区和重力波扰动区,两项作用强迫的垂直运动,与天气系统辐合区共同作用触发该地区的对流活动,并使移入该地的对流系统增强和维持。改变地形后引起低层风场和散度场变化,进而影响降雨带中的强降水落区和强度,但对主雨带的分布无明显影响。     

利用稠密的高空风和天气雷达网资料对两次暴雨过程中的中尺度系统活动的分析

对1980年5月24日—25日和6月16—17日华东地区两次暴雨过程进行了分析。发现暴雨都是由过程中少数几个中尺度对流系统产生,其中除了从西面有规则地移入的对流云团之外,还有在本地区就地产生的中尺度对流系统。后者的形成原因有两种:一是由于外来对流云团的影响,二是由于局地地形的触发。大别山西部的山地迎风坡和大别山东侧的长江河谷是两个局地中尺度对流系统的发生源地。两次过程都在江淮平原形成东北——西南走向的对流回波带,其南段在东移到大别山的东北方时都明显减弱消散,分析表明这与大别山东侧的长江河谷对低层气流的影响有密切关系。利用稠密的高空风资料揭露出,在宽度达数百公里的西南低空急流中,由于地形的影响在长江河谷及其下风方形成中尺度的局地低空急流,它在时间上和空间上都具有准常定性。     

2020年夏季鄂西南一次极端暴雨过程成因分析

2020年7月26日鄂西南出现了一次极端暴雨过程,建始县城区及附近乡镇在10 h内雨量超过250 mm,导致罕见山洪灾害。利用常规资料,结合地面加密自动站、多普勒天气雷达以及高分辨率EC再分析资料,分析该过程天气形势背景、中尺度环境,以及暴雨中尺度对流系统发生发展过程及其机理,揭示极端暴雨成因。结果表明：（1）中高纬度维持两槽一脊,低纬度副热带高压稳定且位置适中,是鄂西南强降水较长时间维持的有利条件;（2）冷空气侵入四川盆地导致西南涡发展,涡前西南暖湿气流加强,加上鄂西南地形辐合抬升作用,形成深厚正涡度柱和强烈垂直上升运动,是导致极端暴雨产生的重要原因;（3）建始县附近先后经历了后向传播型（BB-QS）及涡旋型（VS）两个中尺度对流系统的影响,而“倒喇叭口”地形导致雷暴冷池逆流并与环境风形成稳定的中尺度辐合上升运动,是极端暴雨中尺度对流系统形成的关键因素。     

2019年韶关“5·18”局地特大暴雨极端性成因分析

2019年5月18日,广东省韶关市出现了局地特大暴雨,刷新了韶关有气象记录以来的雨量记录。利用常规观测资料、区域气象自动站观测资料、韶关双偏振多普勒天气雷达资料,以及NCEP 1 °×1 °再分析资料对本次过程进行详细分析,探讨本次过程发生的极端性成因。(1) 本次过程是粤北历史罕见的局地暖区突发性特大暴雨过程,天气尺度的背景场较弱,极端性条件不显著,但能从中尺度分析场分析出暴雨潜势。(2) 暴雨发生之前,韶关一直处于偏南暖湿气流控制的区域,并且随着对流抑制减小为0,对流有效位能增强,自由对流高度下降至近地面,使得气块更容易被强迫抬升。(3) 多个单体持续发展与合并,出现“列车效应”,近地面冷池维持向南楔入,低层西南风加强叠加于冷池上导致强风速辐合辐散区和中气旋的出现,是维持强回波持续发展的重要原因;回波呈暖区降水的垂直结构特性,也呈现出近地面层冷池对暖湿气流强迫抬升的结构特征,侧面说明了强降水触发机制。(4) 地形对对流触发和暴雨的增幅有重要影响,峡谷和喇叭口地形加强了偏南气流的汇入及辐合作用,山前迎风坡除了地形抬升作用外,位于山前的地面辐合线对于对流既有触发又有加强与维持的作用。(5) 山前强水平温度梯度为对流发生提供了有利的环境条件,当初生对流出现降雨之后,水平温度梯度进一步加强,形成了温度梯度与对流强度之间的正反馈过程,因而对流持续发展与维持。(6) 对于此类突发的短历时强降水造成的暖区暴雨,监测和短临预警仍然是主要手段。      

高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究

利用多途径探测与再分析资料,通过诊断分析、数值模拟和敏感性试验,对2008年7月20～21日一次高原涡东移诱生西南涡并引发川中特大暴雨的天气过程进行了初步分析,探讨了西南涡特大暴雨发生的中尺度环境场特征,特殊地形和非绝热物理过程在高原涡东移诱生西南涡特大暴雨中的作用。结果表明,高原涡形成后沿高原东北侧下滑,在四川盆地诱生出西南涡,川中特大暴雨在西南涡形成过程中由强中尺度对流系统(MCSs)的活动造成。高原涡东移诱生的低层偏东气流在川西高原东侧地形的动力强迫抬升作用下,释放对流有效位能激发出MCSs产生强降水,降水凝结潜热加热反馈驱动西南涡快速发展。地形的动力作用仅能形成浅薄的西南涡,降水凝结潜热的加入才能使西南涡充分发展。高原涡的发展主要受地面热通量影响,它的发展与否在很大程度上决定西南涡能否形成。盆地周边高大山脉对西南涡的位置分别有不同程度的影响,而盆地周边高大山脉上叠加的中小尺度地形对西南涡和暴雨带的整体位置影响不大,在一定程度上影响暴雨的落区。     

局地地形、地表特征对上海暴雨过程影响的研究

作者在对2001年8月5~6日上海地区一场特大暴雨的诊断分析与数值模拟研究中确知,停滞在上海的热带低压及在其内发生、发展起来的中尺度对流云团是造成此次暴雨的直接天气系统。暴雨过程中,非常规观测资料及高分辨率暴雨数值模拟结果的分析对于揭示热带低压内暴雨中尺度系统的结构及发展演变的时空连续性具有重要作用。但同时也意识到,对于造成暴雨的各尺度系统的发生、发展,特别是造成局地突发性强降水的暴雨中尺度系统,某些物理过程的影响是不可忽视的。这些物理过程或独立影响着暴雨中尺度系统的发展,或相互作用、相互制约,共同影响着暴雨中尺度系统的发展。为此,作者在此次暴雨过程较成功的数值模拟研究基础上,对上海附近山脉地形及上海地区地表状况等可能影响暴雨中尺度系统发展的物理过程进行了模拟试验研究,结果表明,上海及其周边地区局地山脉地形和上海地区的地表分布特征虽不是造成此次局地突发性强暴雨的直接原因,但明显影响着暴雨系统的移动、停滞、发展和加强。上海以西的莫干山、天目山在热带低压东移过程中对于气流具有一定阻挡作用,有利于暖湿气流的聚集及热带低压移速的减慢。但若山脉过高且热带低压移至非平原地带,则来自西南的暖湿气流会受阻而汇集在莫干山至杭州湾一带,这样在相对强的偏西气流作用下,热带低压的移向就会出现变化。另外,上海局地地表城市化特征的加强使得城市近地层空气的暖干特性效应和城区上风方风速辐合,并由此引起暴雨系统内中尺度动力、热力特征出现变化,这值得在局地暴雨强度预报中加以关注。局地城市地表特征是城市暴雨灾害不容忽视的影响因素。