环境风场与对流风暴相互关系的动力分析

在前期提出大气多尺度分析理论基础上,利用动力学方法研究了大气环境风场与中尺度对流天气系统之间的关系,从微团的分离和运动的角度分析了高空急流、低空急流、水平涡度和垂直涡度在中尺度天气系统的形成和发展中的作用。结果发现,环境风场对微团的动力分离作用主要发生在高、低空急流附近,因为在高、低空急流的下方风动能随高度增加明显,在急流的左侧(背风而立)正涡度与地转涡度迭加使绝对涡度变大,因此,这两个区域是环境场对微团分离力最大的区域,也是对流最容易发展的地区。微团在上升过程中的运动轨迹与其环境密度比率有关,当微团的密度小于(大于)环境密度时,微团运动的旋转方向与水平涡度的方向一致(相反);平衡高度(微团密度与环境密度相等)越高,形成的系统越强,水平、垂直旋转的程度越强,范围越大。因为初始密度和平衡高度的不同,多单体风暴和超级单体中微团的运动形态存在明显区别。根据大气微团的运动方程推出了水平风随高度变化的公式,结果表明,微团水平运动垂直变化的大小与微团环境相对密度比、水平风速、垂直涡度成正比;与垂直运动速度大小成反比;风矢量由低到高的转向与绝对涡度垂直分量的旋转方向相反,即正(负)涡度与亚微团的顺(逆)转相对应。由公式解释了超级单体低空垂直切变明显大于高空的原因。进一步分析认为,风垂直切变对风暴的作用只表现在风速大小随高度的变化和水平涡度的作用上,而风向随高度的变化是大气对流的结果而不是对流的原因,对流越强,风向垂直切变越强。     

台风“狮子山”并入温带气旋过程及引发东北强降水的分析

使用常规观测、最佳台风路径数据、风云二号气象卫星亮温(Black body temperature equivalent,TBB)、全球协同探空站资料和NCEP/NCAR全球再分析资料,对2016年第10号台风"狮子山"并入温带气旋过程中,二者相互作用下引发的东北地区强降水进行了分析。结果发现,台风"狮子山"并入温带气旋过程中,其结构由对称的热带涡旋云系向非对称斜压云系发展,最终演变为成熟的温带气旋云系。受温带气旋的影响,台风"狮子山"逐渐进入到强垂直风切变环境,台风涡旋环流、水汽输送、垂直运动呈现明显的不对称和垂直向西倾斜结构,暖心结构遭遇破坏,水汽输送逐渐远离台风环流;台风影响下的高低空急流有利配置对温带气旋形成正涡度平流输送,伴随着锋生作用,使得温带气旋获得动力和能量而发展。对东北地区强降水的分析发现,台风并入温带气旋过程中,温带气旋加强发展,带来了增强的动力、水汽和能量的输送,是引发东北地区强降水的主要原因,降水主要发生在暖平流带中,600 h Pa与900 h Pa之间的厚度梯度大值区对强降水的落区具有很好的指示,强低层辐合、高层辐散,促使强的垂直上升运动,配合强暖平流和充沛水汽的输送,对应着强降水的发生。高层弱的干冷空气缓慢向低层侵入,使得降水持续时间长、结束缓慢。降水总体具有持续性,伴有较强对流降水的发生。     

一次中低纬系统结合的暴雨过程分析

利用常规气象观测资料,对2004年9月14日山东暴雨过程的环流形势、物理量特征进行了分析。结果表明,本次暴雨过程是由中低纬系统相互作用造成的,暴雨分布状况主要取决于台风的路径。暴雨发生在高空急流右后方和低空急流左前方的重叠区;台风减弱后的低压环流是形成低空急流的基础,西风槽及高空急流的东移逼近是低空急流维持与加强的关键因素;200hPa散度大于10×10-5 s-1与700hPa散度小于-10×10-5 s-1相重叠的区域与强降水区相吻合;700hPa正涡度梯度和500hPa正涡度平流增强对暴雨具有一定的指示性;台风为暴雨提供了能量和水汽,而西风槽对能量的积聚和水汽的辐合起重要作用。暴雨集中在地面气旋中心经过阶段,山脉的迎风坡和山峰附近有利于暴雨的增幅。     

安徽一次大范围暴雨和大风过程的成因分析

对2010年6月8日08时—9日08时发生在安徽麦收区的一次大范围暴雨和大风过程进行天气学分析,分析结果表明:在低层辐合、高层辐散的有利环流配置条件下,高压的阻挡、低空西南急流和低空东风急流是形成这次暴雨的最主要原因。高压阻挡使降雨维持的时间较长,两支低空急流不仅为暴雨区提供了充沛的水汽,而且两者之间的相互作用使得降雨进一步增强。通过对低空东风急流的作用做深入分析发现:低空东风急流的存在不仅使低空西南急流输送的水汽在其左侧累积,而且低空东风急流上的正涡度平流也迫使江淮气旋向麦收区方向缓慢移动,并使其不断发展,进一步加大了江淮气旋移动前方的气压梯度,使风力加大,东风急流进一步加强,形成正反馈机制。另外东风急流的动量下传又使得地面出现偏东大风。     

2010-2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋成因分析

利用常规和加密气象观测、NCEP再分析、云图等资料,对2010—2019年春季影响大连的温带气旋特征及爆发性气旋造成的极端天气的物理机制进行分析。结果表明：春季进入到渤海、黄海北部的气旋平均每月2.4个;气旋一般先进入黄海,进入黄海和经渤海进入黄海的温带气旋总计有84.5%进入黄海北部,且春季进入黄渤海的气旋73%会给大连地区带来大风或降水天气,影响大连东部沿海的几率远高于其他地区;产生较强灾害性天气的爆发性气旋多发生在春季,路径基本都是由西南向东北方向移动。爆发性气旋主要是因为温带气旋经过黄渤海后短时间快速降压,到大连陆地发生爆发性发展,这种温带气旋的发展一般从低层开始,具有较强的锋区和斜压性,爆发阶段位于正涡度平流最大的高空急流出口区,对应低空位于低空急流左前方辐合区。较强的冷、暖温度平流是造成极端降水和大风天气的主要因素,暴雨的形成主要是温带气旋带来的暖湿气流持续输送,并伴有较强上升运动促使的水汽垂直输送,整层水汽充沛;当低空急流发展和冷、暖空气交绥时,出现了在高湿、高温的湿斜压锋区上的强降水;而北路强冷空气与黄、渤海上爆发性发展的温带气旋形成极强气压梯度,是出现极端大风的主要原因。     

南疆西部干旱区两次极端暴雨过程对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP再分析资料、ERA5分析场数据等资料,对南疆西部两次极端暴雨过程的环境条件和形成机理进行对比分析,以更深入理解南疆极端降水特征和产生机制。两次过程分别发生在春季和夏季,高层环流存在显著差异,南亚高压分别呈东部型和双体型,但配合中层的“阶梯槽”形势,均为极端降水提供了特殊有利的环流背景。低空700～850 hPa偏东急流是南疆西部极端降水发生的重要天气系统,其不但是暴雨发生地主要水汽通道,还与地形形成强烈辐合,是极端降水重要的触发和水汽集中机制。引入二阶湿位涡对两次暴雨过程的非均匀特征及可能产生机制进行了对比分析。结果表明,二阶湿位涡高值区与降水的发展演变呈现较高一致性,二阶湿位涡主分量包含对流稳定度与绝对涡度垂直梯度的耦合,体现极端降水大气的主要动热力结构特点:发生在2021年6月15～16日的夏季过程,极端降水区主要位于昆仑山沿线,与塔里木盆地南侧强烈的低层气旋性旋转有关,旋转促进水汽快速集中,垂直方向表现为中层负涡度叠加于正涡度之上,垂直涡度梯度显著,同时水汽抬升凝结,中层大气加湿加热,对流稳定度在垂直方向非均匀性增强,两种垂直梯度结构均有助于垂直运动增强,促进极端降水形成;发生在2020年4月17～24日的春季过程,降水主要位于南疆西部喇叭口地形区,“阶梯槽”形势造成的越山干冷气流和塔里木盆地的偏东暖湿气流辐合,形成中层正涡度带,激发上升运动,是极端降水的主要成因。     

2009年早春南方地区一次高架雷暴天气过程的机理分析

利用常规气象观测资料、6.7μm卫星水汽图像和TBB、闪电定位资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2009年3月3日南方地区一次高架雷暴天气过程进行诊断研究。结果表明,该过程主要影响系统是中低层低槽、低涡切变线、西南低空急流、南北支西风急流。低空急流造成暖湿气流输送和高空急流造成冷平流侵入是对流触发机制。近地层为层结稳定的"冷空气垫",位势不稳定出现在低空急流与中高层干冷气流之间,并因急流中的下沉运动得以加强;西南暖湿气流与其北部干冷气流在中低层形成湿斜压锋区,西南气流的下沉支和北方下沉气流汇合在近地层形成的东北风回流与上部西南风生成锋面次级环流圈及中高层上升气流与北支急流中的下沉气流耦合形成次级正环流圈有利于倾斜上升运动的发展;低空急流的强暖平流和水汽通量辐合、北支急流入口区右侧的强辐散和南支急流北侧的辐合均加强了中尺度上升运动。湿层浅薄、上下干层较为深厚、强垂直风切变、低层逆温、-20~0℃过冷水层气流强上升运动等有利于雷暴天气的发生。雷电和冰雹出现在TBB、低空急流风速、θse、水汽通量以及300 h Pa散度等值线密集区附近。     

强锋区结构的梅雨锋短时暴雨形成和维持机制

利用常规气象观测资料、FY-2E卫星TBB资料以及NCEP再分析资料对2011年6月14日江西北部短时大暴雨的形成和维持机制进行了分析,结果表明:(1)南亚高压、副热带高压、中纬度西风槽、季风、锋面气旋切变及其上的中尺度波动构成梅雨锋水平环流的多尺度结构,短时暴雨在对流层高层槽前的辐散抽吸较普通暴雨更明显。(2)此次暴雨过程具有梅雨锋结构的普遍特征,如在对流层中下层表现为强θse水平梯度形成的锋面,中低层正涡度柱、风和水汽的辐合带与梅雨锋对应,但同时又具有其特殊性,如短时暴雨锋面坡度小,锋区强度强,两侧存在明显的温度对比,锋区内水平风切变和垂直风切变显著。(3)边界层辐合、锋面和高空急流等抬升机制共同作用,促使湿对称不稳定能量释放,产生倾斜对流,区别于普通梅雨的垂直对流。(4)雨区上空强垂直上升运动、高空强辐散、低空强辐合与中尺度系统的发展互相耦合,深厚的正涡度柱沿锋区倾斜向上发展,是此次暴雨与其他短时暴雨在动力机制上的共性。但在低空此次暴雨比普通暴雨存在更明显的锋生,且动力条件较其他暴雨更强。(5)强盛低空急流的脉动和稳定维持使雨区存在有利的水汽输送机制,高低空水平距离的缩短有利于高低空急流的耦合,这与梅雨的普遍特征是一致的。     

080125南方低温雨雪冰冻天气持续降水的数值模拟

利用WRF模式对2008年1月25—29日中国低温雨雪冰冻天气过程进行模拟。结果表明,雨雪期间长江中下游及以南地区长时间存在着高低空急流的耦合形态,且低空急流不断向雨雪区域输送暖湿水汽,使该地区低层的水汽辐合,促进大范围雨雪发生和维持：强高空辐散的抽吸作用,促进低空辐合、整层上升运动加强以及正涡度的维持．干冷空气从对流层高层倾斜南下加强了对流不稳定能量的积累.本次雨雪冰冻天气过程中存在明显的干侵入,降水区北侧对流层高层高位涡干冷空气沿等相对湿度（RH）线密集带侵入低层,促使雨区低层位涡中心迅速增大,促进强降水发生;本次过程表明位涡和降水有很好的对应关系,这对降水预报有很好的指示意义。由于极涡偏强促使冷空气南下,南方近地面浅薄冷空气使雨水结成冰导致灾害发生。     

2000年7月西南涡暴雨过程的分析和数值模拟

对2000年7月1～8日西南涡暴雨过程进行了大尺度分析,并利用中尺度暴雨模式MRM1对这次过程进行了数值模拟,结果表明,这次西南涡暴雨过程分为两个阶段,分别对应着两次冷空气南下。暖切变线的南北摆动是发生大暴雨的一个重要原因,而西南急流核的向北传播导致雨区向北传播。模式成功地模拟出了中-α尺度的低涡、切变线,沿暖切变线的强烈倾斜上升气流、中尺度正涡度以及水汽通量散度辐合柱状结构,这些对暴雨的发生提供了动力和水汽条件;而沿低空急流轴的狭长暖湿舌,其北部的干冷区构成的南北向能量锋区,以及较强的中低空不稳定层结是这次暴雨持续发生的重要条件。     

台风Nari(0116)登陆台湾过程中结构强度 变化的诊断分析

利用中国气象局上海台风研究所整编的2001年《热带气旋年鉴》、美国NCEP最后分析FNL 1°×1°全球格点资料以及日本气象厅云顶亮温(TBB)资料等,对0116号台风Nari自北向南穿越台湾岛过程中的结构强度变化进行诊断分析,结果表明:(1)登陆过程中Nari云系结构从圆形变为半圆形,其环流西部对流云团旺盛,而东部为无云或少云区.Nari在岛上期间一直维持这种非对称结构特征.(2)在穿越台湾岛过程中,Nari西部环流内低空急流轴从其北侧逆时针延伸至南侧.一方面,切向风角动量的增加和传播有利于台风涡旋环流的加强,另一方面,低空急流附近的水汽通量辐合及急流轴左侧较强的正涡度区,有利于气旋性环流的长久维持.(3)Nari的结构强度变化与台湾岛地形及海峡效应有密切关系.Nari环流西部位于台湾岛迎风一侧上升运动加强,而Nari环流东部位于背风一侧上升运动则受抑制,对Nari形成半圆形非对称对流分布起积极作用;而台湾海峡的狭管效应加速台风通过气流,有利于Nari环流西部低空急流的形成和增强.(4)动能收支诊断表明,Nari登陆过程中动能的主要来源是动能制造项,水平辐合运动也对其提供动能.     

一次辽宁秋季暴雨天气的诊断分析

使用1.0°×1.0°NCEP再分析资料,对2006年10月21—22日深秋暴雨在天气形势分析的基础上,进行物理量诊断。结果表明:在有利的环境背景形势下,高位涡从对流层高层向低层伸展并形成湿位涡柱,引起气旋性环流与低涡环流叠加。对流层低层的湿斜压性增强,引起低层的锋区加强及垂直涡度发展,高空入侵干冷空气锲入底层,低层暖湿空气强迫抬升,使地面发展为气旋;高低空急流耦合产生上升气流,同时较强的补偿下沉运动激发上升运动加强,使次级环流加强,触发不稳定能量的释放;低空急流和超低空急流向辽宁输送暖湿空气及能量,对流层中低层形成湿柱并积聚高不稳定能量;中尺度气旋、高低空急流、湿位涡柱、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间和落区。     

多尺度天气分析理论和应用Ⅰ:基本原理和天气系统的本质

根据大气运动和结构的多尺度特征,提出了大气微团的多重结构模型,认为大气由不同尺度的微团以多重结构的形式组成,即大尺度微团由若干较小尺度的亚微团构成,而亚微团又由更小的微团组成.利用Navier-Stokes方程推导出亚微团的相对运动方程,在背景场处于平衡状态下推导出亚微团运动方程的平衡形式,发现该方程与电磁学的基本方程具有相同形式,并将大气轻、重两种微团与正、负离子进行了类比.根据推导出的方程对天气系统的发生、发展进行了研究,认为天气系统是由于亚微团在环境场作用下发生分离并在环境场的作用下重新组合而形成的,这一过程在初始扰动的作用下开始,在正反馈过程中不断加强并最终达到一种平衡状态;而轻、重两种亚微团之间的引力是天气系统减弱和消亡的重要原因.利用亚微团运动方程和对微团扰动速度的自转分析,推导出天气系统的诊断方程,并利用该方程对大气环境场的分布与天气系统发生的相互关系进行了诊断分析,结果表明,环境场风速的快速变化、高低空急流附近的动能梯度、环境涡度的正值区以及强风速垂直变化等因素对天气系统的形成十分有利.     

一次秋季台风倒槽大暴雨过程诊断及中尺度分析

利用FNL再分析资料,结合加密自动站、多普勒雷达、卫星资料和数值模式预报产品,对2018年9月16—17日长三角地区一次典型的秋季台风倒槽大暴雨进行了分析。结果表明:大暴雨是在远距离台风倒槽、低空急流和高空槽共同影响下,由冷暖空气持续交汇激发的4个中尺度对流云团活动造成。第一阶段长江口区强暴雨发生在3号云团快速增强期间,暴雨出现在云团北侧TBB梯度大值区中,雨强随云顶温度降低快速增强;4号云团缓慢东移造成第二阶段暴雨,降水累积效应使长江口区降水量进一步加大。东北风(偏北风)与东南风(偏东风)形成的地面中尺度辐合线是暴雨的关键触发机制,气旋性辐合中心的形成对雨团增幅具有重要作用。多普勒雷达径向速度场上中气旋的形成提前于强暴雨增幅约30 min,具有良好的先兆性和预报预警意义。(超)低空急流持续的水汽和能量输送、高低空急流耦合及冷空气侵入形成的倾斜上升支和垂直环流圈、上干冷下暖湿的对流不稳定层结有利于中尺度暴雨云团的形成和维持。表征冷暖空气结合的地面辐合线位置是暴雨落区预报的关键,对于秋季台风倒槽暴雨,要特别重视冷空气对暴雨的触发和增幅作用,基于实况资料监测及时订正模式预报结论。     

辽宁省特大暴风雪(雨)极端天气个例诊断分析

利用常规观测资料、T213物理量产品,结合分析FY-2C水汽图像,对2007年3月3～5日辽宁省特大暴风雪（雨）极端天气事件的环流背景、影响系统及成因进行了诊断分析。结果表明：①这次极端天气事件发生在前期北半球环流呈现高指数特征,全国大部分地区异常偏暖的背景下,暴雪（雨）伴随大风和剧烈降温天气;②江淮气旋是主要影响系统;高层正涡度平流及低层暖平流的共同作用是江淮气旋生成和发展的主要原因;③低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雪（雨）形成的动力机制;④江淮气旋生成在高层副热带西风急流和极锋急流之间,在从副热带急流出口区北侧移向极锋急流入口区南侧,低空西南风急流左侧移向左前方过程中强烈发展;⑤干侵入是气旋进一步发展的重要特征;⑥低空西南风和东南风急流向暴雪（雨）区提供了丰沛的水汽,暴雪（雨）发生在850hPaθsc暖湿舌里,降水性质与850hPa温度有直接关系;⑦剧烈降温发生在长波槽发展东移引导极地冷空气南下,地面形成强冷高压形势下,强烈发展的气旋以及与强冷高压之间的强气压梯度造成强风天气。     

1993年夏季若干雹暴过程的合成分析

５次成灾降雹过程的合成分析结果表明，降雹前一天河西西部低空已有切变、流场和水汽通量的辐合中心，对流层中上层为主槽后强西北气流，雹区及其上风方向有强冷平流，造成低层暖湿上层干冷的不稳定状态。降雹当天０８时，５００ｈＰａ沿西北气流下滑的短波槽已移至河西东部，并有正的涡度和涡度平流中心配合，低空流场和水汽通量辐合，中上层的冷平流、不稳定区及上升运动区均已移至雹区及其上风方向。同时反映对流的三指数均为正值。     

一次台风移出后MCC发展成因分析

应用FY-4A卫星云顶亮温(TBB)、自动站雨量资料和ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2020年第4号台风“黑格比”移出后在杭州湾生成MCC发展成因进行了分析。结果表明：(1)台风南侧的切变线辐合抬升作用以及南亚高压东部反气旋环流辐散抽吸作用,有利于中低空大气上升运动的增强,为MCC的发展增强提供良好的动力抬升条件;(2)低层台风北上后,其移动方向左后侧的冷空气南下,并与长三角地区的西南低空暖湿气流强烈交汇,斜压锋生增强,形成较强的上升运动;（3）受大陆高压东移影响,对流层中高层干冷空气东移,叠加在对流层中低空暖湿急流之上,形成了有利于MCC发生发展的大气位势不稳定层结;(4)切变线南端的西南低空急流不仅加强了低层大气的辐合和上升运动,更重要的是为MCC的发生发展提供丰富的水汽输送和汇聚;(5)水汽凝结潜热释放在MCC发展中起重要作用。水汽释放潜热加热大气,使上升运动增强,低层辐合进一步增强。低层水汽汇聚并不断向高空输送,补偿了高空凝结的水汽,潜热的不断释放,有利于MCC发展和维持。总之,台风中心移出后,台风南侧的切变线及其南侧的西南暖湿气流稳定地维持在MCC上空,为M...     

一次台风远距离作用下的西南低涡大暴雨个例分析

利用2009年8月2—5日发生在川渝地区一次远距离台风暴雨的实况降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究了远距离台风作用下的水汽和温湿能输送特征;利用25点平滑算子方法研究了台风"天鹅"对此次暴雨影响系统——西南低涡作用下的中尺度特征。结果表明,此次大暴雨过程是在有利的环流背景下发生的,东移的高空槽耦合了西南低涡,远距离的台风"天鹅"使得西南低涡在川渝地区长时间维持,台风"天鹅"倒槽对低涡系统暖湿结构具有重要作用;在台风倒槽偏东气流驱动下,其携带的水汽和能量与西南低空急流输送的暖湿水汽汇合,构建了输送到低值系统附近的水汽和能量通道,增强了强降水区水汽和能量积聚效应,这种积聚效应促使低涡系统物理结构的维持;在台风倒槽顶部偏东气流动力作用下,促使低涡系统中低层正涡度增强,进一步促使垂直涡度增长,对低涡系统动力结构维持起到积极作用,进而促使低涡系统长时间维持,最终导致长时间强降水的发生。     

持续拉伸型中尺度对流系统发生发展与江苏暴雨分析

利用自动气象站、卫星探测资料,NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料等,从环流特征,动力、热力和水汽条件等对发生在江苏地区的两次梅汛期大暴雨过程的中尺度对流云团的发生、发展进行了分析。结果表明:这两次中尺度对流云团中均存在持续伸长型的中尺度对流系统(PECS),大暴雨区与T_BB<-70 ℃区域有较好的对应关系,有利的环境场形成的高空辐散、低空辐合和强烈的上升运动是PECS发生发展的重要条件。PECS云团处于200 hPa高空急流入口区右侧、西南低空急流左侧(切变线南侧),呈西南—东北向线状排列,低层暖湿不稳定气流诱发中尺度云团的产生,气旋性涡度场对积云对流活动具有组织和增强作用。当正涡度向垂直方向发展时,附近产生强烈的垂直上升运动,对应着中尺度PECS云团的强烈发展。强烈的对流不稳定有利于中尺度对流系统的发展,也有利于触发暴雨产生。     

河西走廊东部“6.27”突发性暴雨特征与成因

针对2012年6月27日河西走廊东部突发性暴雨天气过程,利用Micaps常规资料、FY-2D卫星资料、NCEP再分析资料和82个区域气象站及6个自动气象站逐时降水资料,从天气特征、高低空急流、水汽条件、中尺度特征、稳定度、垂直运动等方面进行综合分析。结果表明:(1)此次暴雨的大尺度环流特征为典型的"北槽南涡",即500 h Pa贝加尔湖冷槽东移南压携带冷空气从柴达木低涡后部侵入与其汇合,冷暖空气在河西走廊中东部交汇。同时鞍型场的稳定维持,为柴达木低涡的发生发展提供背景,进一步加强了低空锋区和动力辐合,造成本地大到暴雨及暴雨天气;(2)700 h Pa中尺度低涡和地面辐合线为此次暴雨提供了抬升条件;(3)冷空气侵入700 h Pa低涡成为此次暴雨的触发机制;(4)高原中尺度对流云团发展北上与河西走廊东部新生对流云团合并加强是造成大到暴雨的直接原因;(5)高空西风急流与中低空偏南和东南急流的耦合,中层干冷、低层暖湿,环境风垂直切变以及散度"上正下负"和涡度"上负下正"的强上升运动区都为大降水提供了有利条件。