暖锋锋生引发中尺度暴雨的环境条件及诊断分析

2012年7月28-30日,黑龙江省受暖锋锋生影响,自西南向东北出现区域性暴雨天气过程。此次暴雨天气过程,降水持续时间长,影响范围广,显著特点是短时局地暴雨强度大,多站降水量超过100 mm,黑龙江省罕见。通过对暴雨产生的主要环境条件及中尺度分析,得出结论:暴雨主要是河套低压北上、暖锋影响产生的,暖锋锋生及锋前对流触发是短时降水增强的原因。低空西南急流为暴雨区带来了丰富的水汽和不稳定能量,高低空急流耦合加强了动力条件。弱干冷空气入侵增强暖锋降水,地面中尺度环流的建立及增强与降水强度增加对应。     

海陆风环流在天津2009年9月26日局地暴雨过程中的作用

利用常规天气资料、地面加密自动站资料、天津中尺度模式产品资料以及卫星云图和多普勒雷达等资料,对2009年9月26日出现在天津地区的局地暴雨过程进行天气学、动力学诊断分析和中尺度分析.结果表明,本次暴雨的天气尺度主要的影响系统是500 hPa高空槽,中尺度系统是由海陆风环流形成的地面中尺度辐合线.降水前天津市具有较好的热力不稳定条件,较好的能量储备,有利的动力条件,一定量级的水汽辐合,边界层的东风将渤海的水汽输送至天津市,是本次过程的主要水汽来源.天气尺度的积云对流与海风锋的碰撞触发不稳定能量的释放,引发第一阶段的强降水,边界层东风急流再度加强所产生的抬升效应引发第二阶段的降水.中尺度切变线通过提供带状辐合上升运动起着胚胎和组织积云对流的作用,使得降水回波和对流云团沿中尺度切变线发展、加强和移动,产生了明显的列车效应,导致了这场历史罕见的秋季局部暴雨过程,也充分凸显出海陆风环流对本次暴雨的重要作用.     

梅雨锋西段持续性暴雨的环境场特征及贵阳极端降水成因

利用多种资料分析了2014年7月13—17日贵州持续性暴雨过程的中尺度环境场特征及贵阳极端降水成因,并以多个时次不同要素资料进行合成分析,构建此次梅雨锋西段持续性暴雨的天气学模型。结果表明:(1)此次贵州持续性暴雨发生在单阻型梅雨稳定的背景下,当地持续3~4 d的强降水由中低层低涡切变、低空急流及地面静止锋(梅雨锋)共同作用造成。(2)梅雨锋雨带的建立、维持及移动造成贵州不同区域出现强降水。此次过程梅雨锋雨带对贵州的影响分四个阶段,其中,第三阶段梅雨锋西段缓慢南压过程中多个β中尺度云团更替、合并及缓慢移动造成贵阳及周边部分县市降水量突破历史极值。(3)中低纬度系统相互作用使水汽输送异常偏强。7月16日白天当年第9号超强台风"威马逊"进入我国南海海面后促使副热带高压西侧向北输送的水汽加强,该水汽与来自孟加拉湾的强盛西南暖湿气流在贵州上空汇合、加强,形成异常偏强的水汽通量及水汽辐合中心,这可能是贵阳极端降水发生的重要原因。(4)相比2010—2014年5—9月贵阳发生的另外4场大暴雨过程,该过程更长的降水持续时间可能是贵阳极端降水发生的另一重要原因。(5)贵阳强降水期间,强降水的雷达回波表现为层状云-积云混合降水回波,并具有低质心暖云降水特征,同时径向速度图上可见强劲西南急流及中尺度气旋性辐合。     

“16·7”华北极端强降水特征及天气学成因分析

2016年7月19-20日华北出现了当年入汛以来最强降水过程。此次降水过程为一次影响范围广、累积雨量大、持续时间长的极端强降水过程,其强度较"96·8"强,仅次于"63·8"。以暖云降水为主,短时强降水特征明显,局地小时雨强强、且具有明显的地形降水特征。此次强降水发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中高纬度西风带低涡系统发展的环流背景下,黄淮气旋、西南和东南低空急流的异常发展以及水汽的异常充沛表明此次强降水过程动力抬升和水汽条件非常有利。强降水过程表现出明显的阶段特征,主要分为两个阶段:19日凌晨至白天为高空槽前偏东风导致的地形强降水、19日夜间至20日为黄淮气旋系统北侧螺旋雨带造成的强降水。第一阶段的降水主要与高空槽前偏东风/东南风急流的发展有直接关系。这一阶段对流降水旺盛,中层弱干冷平流以及低层强暖平流是对流不稳定能量的维持机制,强降水形成的冷堆与局地地形作用产生的中尺度锋生过程为对流持续新生提供了有利条件。第二阶段的降水主要与低涡切断和黄淮气旋的强烈发展有关。该阶段降水对流相对较弱,黄淮气旋进入华北以后移动缓慢,从而造成降水持续时间较长。     

一次副热带高压边缘突发性暴雨的锋生及水汽特征分析

针对2010年7月31日夜间山西西南部一次业务模式出现较大预报偏差的西太平洋副热带高压(下称副高)边缘突发性暴雨天气过程,利用常规和降水加密观测资料、FY-2E卫星TBB数据以及中尺度模式WRF高分辨率数值模拟结果,诊断分析了暴雨的发生发展、锋生及锋生过程中的水汽演变特征。结果表明:此次突发性暴雨是由高空槽后干冷空气推动副高边缘暖湿气流所导致的一次锋生型强降水,β中尺度对流系统(meso-βcircular convective system,MβCCS)是造成暴雨的直接影响系统,低层β中尺度涡旋的形成和发展为MβCCS的维持提供了有利的水汽辐合条件,地面冷锋及其附近中尺度辐合线是对流触发因子。锋生诊断表明,低层辐合、中层辐散的垂直结构导致对流层低层水平锋生、中层水平锋消,而低层强烈的上升运动使得强不稳定层结高度升高,从而引起对流层中层强垂直锋生发展,垂直锋生与水平锋生同时产生,且垂直锋生较水平锋生大一个量级,中低层强锋生和次级环流圈的出现与强降水的发生时间和位置对应较好,比较而言,倾斜项对总锋生贡献最大,辐合项贡献最小。中低层锋生的加强有利于低层水汽的辐合抬升,锋生过程中深厚的水汽饱和层的出现以及水汽含量向高空的凸起,对局地强降水的预报有明显的指示意义。另外,高空冷空气的强度、移动路径以及MβCCS的发展对判断此类强降水的发生和暴雨落区具有重要作用。     

辽宁地区一次强降水过程诊断分析

利用加密和常规气象观测资料、静止卫星红外云图和多普勒天气雷达监测产品对2010年8月19—22日辽宁地区一次大暴雨过程的雨情特点、环境条件、水汽输送、能量场、中尺度云团的演变特征、雷达反射率水平和垂直分布特征进行了分析,并探讨了持续性降水过程的发生发展机制.结果表明:辽宁地区此次暴雨过程包括冷涡东移和低涡北上两个降水阶段,总体表现为过程降雨量大、持续时间长、涉及范围广和局地爆发性强的特点.西风带长波槽稳定,副热带高压和日本海高压维持,"东低西阻"形势明显;东北冷涡、高层幅散、低层切变、低空急流及地面气旋等高低空系统耦合.来自北方的干冷空气和南方的暖湿空气在降水区汇合,水汽条件充沛.随着锋面系统东移,暴雨区具有极强的动力抬升条件.中α尺度云团发展,对流云团的组织化特征明显,冷云砧面积决定了强降水范围.多普勒天气雷达强回波长轴方向与回波移动方向一致,"列车效应引发局地强降水,回波具有后向传播特征,回波垂直结构表明此次暴雨具有低质心的热带降水特点.     

黑龙江省一次暴雨过程成因分析

2013年8月12-13日,黑龙江省受暖锋影响,自西南向东北出现区域性暴雨天气过程。此次暴雨天气过程,降水持续时间长,影响范围广。本文利用常规观测、卫星、雷达、自动站等资料对暴雨产生的成因进行分析,得出结论:暴雨主要是蒙古低压东移北上和暖锋的共同影响产生的,暖锋锋生是雨强增强的原因。低空西南急流为暴雨区带来了丰富的水汽和不稳定能量,高低空急流耦合加强了动力条件。     

青藏高原东部“7.29”区域性强降水天气特征分析

利用micaips系统常规资料、物理量产品、卫星云图、区域自动站实测资料,对2012年7月29-30日发生在青藏高原东部的区域性强降水天气过程进行分析。结果表明:(1)强降水是在冷空气与西南暖湿气流交汇的过程中产生的,500hPa副高外围槽前西南暖湿气流与西移冷空气交绥是造成此次区域性强降水天气原因。(2)南亚高压和西太副高位置变化对此次强降水有重要影响。(3)此次降水过程前期有稳定的水汽输送和较强的水汽辐合;大气不稳定有利于强对流云团发展。(4)中尺度对流系统(MCSs)是造成这次区域性强降水,局地暴雨的直接原因。     

2012年5月12-13日桂平暴雨天气过程分析

利用micaps常规资料、区域自动站降水资料、FY静止气象卫星云图等资料,对2012年5月12～13日桂平市区域性特大暴雨进行了分析.结果表明:低涡切边线、高空槽、急流扰动是造成此次强降水的主要天气系统.系统的高低空配置、不稳定能量和水汽条件等与降水时段和落区相一致.中尺度对流复合体(MCC)稳定少动,持续时间长,更容易出现降水落区集中,强降水范围大的天气过程.     

北京721特大暴雨极端性分析及思考（一）观测分析及思考

本文利用多种常规和非常规观测资料对北京2012年7月21日大暴雨过程的降水特点,引发特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件及其发生发展过程进行了全面的分析。观测分析发现：这次特大暴雨是一次极端性降水过程,具有持续时间长、雨量大、范围广的特点。降水过程由暖区降水和锋面降水组成。暖区降水开始时间早,强降水中心较为分散,持续时间长。锋面降水阶段,多个强降水中心相连,形成雨带,雨强大,降水效率高,持续时间较短。引发此次特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件分析发现：极端降水过程发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等高低空系统耦合的背景下。来源于热带和副热带的暖湿空气在暴雨区辐合,持续输送充沛的水汽,具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等极端水汽条件。在充沛的水汽条件下,低涡切变、低空急流上的风速脉动、地面辐合线、地形作用等触发了强降水。随着锋面系统东移,在冷空气和适度的垂直风切变作用下对流系统组织化发展,产生较强的锋面降水。中尺度对流系统发生发展过程分析发现：降水过程首先以层状云降水和分散的对流性降水为主。随着干冷空气的侵入逐渐转化为高度组织化的对流性降水,多个中小尺度对流云团组织化发展并形成MCC,产生极端强降水。由于回波长轴方向、地形以及回波移动方向三者平行,此次过程的雷达回波具有明显的“列车效应”;并具有明显的后向传播特征和低质心的热带降水回波特点。通过此次罕见暴雨事件观测资料的综合分析,提出了需要进一步研究的问题：此次特大暴雨过程极端性降水特点及极端水汽条件的成因;北方地区暖区暴雨的形成机制;列车效应和后向传播的形成机制;对流单体的组织维持机制以及数值预报对暖区降水的模拟诊断能力等。     

冷空气和热带低压共同作用下的一次暴雨预报失败原因分析

利用NCEP再分析资料、高空、地面观测资料和雷达资料分三个阶段,从水平、垂直方向分析了2014年8月18—20日冷空气和热带低压共同作用下的浙江暴雨过程中水汽输送、垂直运动过程,以及对流不稳定特征,总结预报失败原因。结果表明:(1)第一阶段浙北的暴雨主要是由冷锋引起的,但南海热带低压的存在加强了西南暖湿气流,使得北方冷空气与西南暖湿气流相遇,产生变形场锋生作用。预报偏小的原因主要是没有注意到热带低压的存在和影响,其次是对降水时间的长度也估计不足。(2)第二阶段浙中南的大暴雨,水汽主要是由热带低压东侧和南侧的偏南或西南气流输送的。热带低压在福建登陆后,与冷空气相遇,移动缓慢,导致低层在浙南有中尺度辐合线长时间维持。两个系统耦合,产生了强烈的上升运动,低层又有不稳定能量释放,最终产生了大暴雨。预报偏小的原因是对热带低压的作用估计不足(包括水汽、动力和不稳定能量方面)。(3)第三阶段预报偏大的原因主要是数值预报误差较大。得出的一些启示:预报暴雨时要注意分析降水时间长度,也应重视分析热力条件,以及对数值预报的订正应用。热带系统和中纬度系统相遇,往往会造成大暴雨,主要原因是两个系统耦合会造成强烈的上升运动,同时两个系统对峙会使强降水区长时间维持在同一个地方,热带系统附带的急流又提供了充足的水汽、能量,所以实际雨量往往会比数值预报更大。     

台风温比亚(1818)降水及环境场极端性分析

利用多种观测及分析资料对台风温比亚（1818）暴雨过程的降水演变、极端降水特点及环境场物理量特征等进行分析。此次台风暴雨日降水量极端性显著,降水主要分为登陆前后、深入内陆并转向以及冷空气作用和变性3个阶段,其中第2阶段为最强降水时段。受其影响,河南、山东等地多个站点的日降水量突破历史极值。温比亚（1818）最大小时降水量达127.7 mm,其中74个站点小时降水量超过80 mm,短时强降水维持时间长达14 h,高降水效率及长持续时间造成极端降水。对流层中、低层存在标准化异常小于-4倍标准差的异常低压环流,造成极端低层辐合,叠加高空急流和高压边缘的极端高空辐散,动力条件极端性显著,200 hPa辐散和850 hPa辐合均接近或远超1988—2017年日降水量排名前30（HT30）降水日的最大值。受台风东侧水汽输送影响,降水区假相当位温、整层大气可降水量和水汽通量散度无论与气候态相比,还是与HT30降水日相比,均具有显著极端性,且极端水汽维持时间长达30 h。     

辽宁长历时强降水的环境特征分析

利用NCEP 1°×1°格点再分析、FY-2E相当黑体亮温TBB和地面加密自动气象站等资料,分析了辽宁3次典型长历时强降水TBB值与降水强度的关系、中尺度环境场特征及维持机制,并初步建立了辽宁长历时强降水概念预报模型。结果表明:在副热带高压的形态、位置和强度有利于辽宁产生强降水的大尺度形势下,副热带高压西侧低空急流持续输送的充沛暖湿空气与高空干冷空气在同一地点长时间相互作用,为强降水的发生和维持提供了有利的环境背景条件。强降水持续时间与其上空的强垂直速度持续时间有很好的对应关系,强降水持续时高空一般为弱的不稳定或中性层结。强降水不仅可出现在对流云团发展旺盛的冷云区内部或边缘,也可发生在TBB值较小的暖云区内。TBB值的大小与降水强度没有必然的关系,但TBB值的快速减小都预示强降水即将发生。这些结论有利于深化认识辽宁地区长历时强降水的成因并为预报提供线索。     

高原低值系统影响下一次极端强降水天气诊断分析

采用常规观测资料、地面加密观测资料、逐时云顶亮温TBB资料和1°×1°NCEP/NCAR再分析资料,对2013年7月8~11日四川盆地持续性暴雨天气过程的中尺度对流系统活动及其发生发展的物理机制进行了分析。结果表明:(1)暴雨过程发生在对流层中层中高纬度两槽一脊稳定维持的环流背景下,由活跃的高原低值系统以及异常稳定的副高西侧偏南气流配合低层冷空气作用造成。(2)极端降水过程分为暖区强对流性降水和相对稳定的锋面降水两个阶段;暖区对流性降水阶段,偏南暖湿气流源源不断向盆地输送水汽和能量,为暴雨发生提供了高能高湿条件,大气层结极不稳定,中尺度对流云团发展旺盛;锋面降水阶段层结趋于稳定,对流云团有所减弱,但仍有充足的水汽输送且降水云系稳定少动,致使盆地西部产生持续性降水。(3)500h Pa高原低槽前的正涡度平流诱发盆地西部低层气旋性涡度增加、低涡生成和发展,致使暖湿气流持续在盆地西部形成辐合上升,为暴雨的维持提供了很好的动力条件,两个降水阶段均为明显的低层辐合高层辐散的特征,暖区对流性降水阶段正涡度发展较锋面降水阶段更强。(4)青藏高原东侧的地形作用强迫气流在盆地西部强烈辐合上升,使得暖湿水汽更加有效率地形成降水,是此次极端强降水天气出现的一个重要动力因素。      

"2003.6.17"滇中特大暴雨的中尺度分析

结合大尺度环流的高通滤波、卫星云图和雷达回波诊断，用Shuman—Shapiro中尺度滤波方法，对2003年6月17日云南中部的楚雄市至南华县一带发生的特大暴雨过程进行了中尺度分析。结果表明，这次过程是热带中尺度气旋东南移并发展造成的；地面强冷空气侵入中尺度低压导致对流发展，是热带中尺度气旋加强的原因；大尺度环流下，孟加拉湾、南海和北部湾形成的两条水汽输送带通过热带低压，为强对流的发展和维持提供了能源保障；地面中尺度低压中心和与之配置的切变线北侧对特大暴雨落区有较好的指示。     

1998年长江流域特大洪涝期水汽输送过程的诊断分析

利用基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLIT_V4.9）,结合轨迹聚类法和气块追踪法,探讨1998年6月12日—8月27日期间长江流域强降雨的水汽输送轨迹、主要水汽源地及其水汽贡献,发现此次强降水过程的水汽源地主要为印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋;不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地存在差异。降水第一阶段水汽主要来自孟加拉湾—南海,水汽输送贡献为35%。降水第二阶段水汽主要由印度洋、孟加拉湾—南海和太平洋三个区域共同提供,水汽输送贡献分别为32%、28%和31%。降水第三阶段则是来自印度洋和孟加拉湾—南海的水汽输送占主导地位,它们对降水的水汽输送贡献分别为33%和41%。降水第四阶段水汽主要来源于孟加拉湾—南海,贡献为40%。强降水过程中大气环流的调整,导致了不同阶段水汽源地的变化及各源地水汽贡献的差异。     

Analysis of a Heavy Rainfall Event over Beijing During 21-22 July2012 Based on High Resolution Model Analyses and Forecasts

The heaviest rainfall over 61 yr hit Beijing during 21-22 July 2012.Characterized by great rainfall amount and intensity,wide range,and high impact,this record-breaking heavy rainfall caused dozens of deaths and extensive damage.Despite favorable synoptic conditions,operational forecasts underestimated the precipitation amount and were late at predicting the rainfall start time.To gain a better understanding of the performance of mesoscale models,verification of high-resolution forecasts and analyses from the WRFbased BJ-RUCv2.0 model with a horizontal grid spacing of 3 km is carried out.The results show that water vapor is very rich and a quasi-linear precipitation system produces a rather concentrated rain area.Moreover,model forecasts are first verified statistically using equitable threat score and BIAS score.The BJ-RUCv2.0forecasts under-predict the rainfall with southwestward displacement error and time delay of the extreme precipitation.Further quantitative analysis based on the contiguous rain area method indicates that major errors for total precipitation( 5 mm h~(-1)) are due to inaccurate precipitation location and pattern,while forecast errors for heavy rainfall( 20 mm h~(-1)) mainly come from precipitation intensity.Finally,the possible causes for the poor model performance are discussed through diagnosing large-scale circulation and physical parameters(water vapor flux and instability conditions) of the BJ-RUCv2.0 model output.     

Analysis of a Heavy Rainfall Event over Beijing During 21-22 July 2012 Based on High Resolution Model Analyses and Forecasts

The heaviest rainfall over 61 yr hit Beijing during 21-22 July 2012.Characterized by great rainfall amount and intensity,wide range,and high impact,this record-breaking heavy rainfall caused dozens of deaths and extensive damage.Despite favorable synoptic conditions,operational forecasts underestimated the precipitation amount and were late at predicting the rainfall start time.To gain a better understanding of the performance of mesoscale models,verification of high-resolution forecasts and analyses from the WRFbased BJ-RUCv2.0 model with a horizontal grid spacing of 3 km is carried out.The results show that water vapor is very rich and a quasi-linear precipitation system produces a rather concentrated rain area.Moreover,model forecasts are first verified statistically using equitable threat score and BIAS score.The BJ-RUCv2.0forecasts under-predict the rainfall with southwestward displacement error and time delay of the extreme precipitation.Further quantitative analysis based on the contiguous rain area method indicates that major errors for total precipitation（〉 5 mm h~（-1）） are due to inaccurate precipitation location and pattern,while forecast errors for heavy rainfall（〉 20 mm h~（-1）） mainly come from precipitation intensity.Finally,the possible causes for the poor model performance are discussed through diagnosing large-scale circulation and physical parameters（water vapor flux and instability conditions） of the BJ-RUCv2.0 model output.     

Thermodynamics and Microphysical Characteristics of an Extreme Rainfall Event Under the Influence of a Low-level Jet over the South China Coast

In this paper, the data of Automatic Weather Stations (AWSs), ERA5 reanalysis, sounding, wind profile radar, and dual-polarization radar are used to study an extreme rainfall event in the south China Coast on 11 to 12 May 2022 from the aspects of thermodynamics and microphysical characteristics under the influence of low-level jets (LLJs). Results show that: (1) The extreme rainfall event can be divided into two stages: the first stage (S1) from 0000 to 0600 LST on May 12 and the second stage (S2) from 0700 to 1700 LST on the same day. During S1, the rainfall is mainly caused by the upper-level shortwave trough and the boundary layer jet (BLJ), characterized by strong upward motion on the windward side of mountains. In S2, the combined influence of the BLJ and synoptic-system-related low-level jet (SLLJ) increases the vertical wind shear and vertical vorticity, strengthening the rainstorm. In combination with the effect of topography, a warm and humid southwest flow continuously transports water vapor to farther north, resulting in a significant increase in rainfall over the study area (on the terrain’s windward slope). From S1 to S2, the altitude of a divergence center in the upper air decreases obviously. (2) The rainfalls in the two stages are both associated with the mesoscale convergence line (MCL) on the surface, and the wind field from the mesoscale outflow boundary (MOB) in S1 is in the same direction as the environmental winds. Due to a small area of convergence that is left behind the MOB, convection moves eastward quickly and causes a short duration of heavy rainfall. In S2, the convergence along the MOB is enhanced, which strengthens the rainfall and leads to strong outflows, further enhancing the surface convergence near the MOB and forming a positive feedback mechanism. It results in a slow motion of convection and a long duration of heavy rainfall. (3) In terms of microphysics, the center of a strong echo in S1 is higher than in S2. The warm-rain process of the oceanic type characterizes both stages, but the convective intensity in S2 is significantly stronger than that in S1, featuring bigger drop sizes and lower concentrations. It is mainly due to the strengthening of LLJs, which makes small cloud droplets lift to melting levels, enhancing the ice phase process (riming process), producing large amounts of graupel particles and enhancing the melting and collision processes as they fall, resulting in the increase of liquid water content (LWC) and the formation of large raindrops near the surface.     

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。