湿热力平流参数在贵州初夏强降水中的运用

使用NCEP(1°×1°)再分析资料计算湿热力平流参数及其积分,通过对比分析2008—2009年初夏(5—6月)地面实况降水与该因子积分后的中心大值区的对应关系。理论分析表明:湿热力平流参数综合体现了锋区附近大气的动力、热力及水汽作用,相对于常用的相当位温、湿度等常用物理量来说,在一定程度上包含了广义位温及位温平流的相互作用,对实际非均匀饱和大气的动热力变化及水汽有较好的反映。统计分析也表明:积分后的湿热力平流参数中心值区与地面6小时强降水落区有较好的对应关系,它的变化趋势及移动方向与强降水区的变化也较一致,能作为短时强降水落区预报提供参考;利用NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料和Micaps地面实况降水资料,选取2009年6月7-9日发生在贵州的强降水过程为例,通过把湿热力平流参数与此次过程中动、热力场结合进行诊断分析,进一步表明该参数能综合地反应锋面强降水系统中的水汽、动力及热力的垂直结构特征,能作为造成强降水的锋面系统的示踪物。     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。     

动力因子对地形影响下的四川暴雨落区的诊断分析

本文分析了2010年7月16～18日地形作用下四川盆地的一次持续性暴雨过程,指出此次暴雨过程是在高低层系统配置较好的情况下发生的。并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次四川暴雨过程的模拟较为成功,能很好地再现此次暴雨的降水落区以及强降水中心。运用广义湿位温、广义对流涡度矢量垂直分量的垂直积分和质量垂直螺旋度对受大巴山脉影响的四川东北部的暴雨落区进行了诊断分析。分析指出,广义湿位温纬向平均的垂直剖面图上,等湿位温线的倒Ω区域与四川东北部的强降水落区吻合较好,等湿位温线的倾斜程度以及湿位温异常的高度可以定性地指示降水的强弱;对广义湿位温从800 hPa到500 hPa垂直积分,用得到的湿位温的水平分布来指示东北部的暴雨落区效果较 好;用改进垂直积分区间后的广义对流涡度矢量垂直分量比用传统的对流涡度矢量垂直分量来示踪四川东北部的暴雨落区效果更好;质量垂直螺旋度能有效刻画出四川东北部地区强降水系统的典型动力场垂直结构,因此与四川东北部的地面强降水具有很好的对应关系。     

“7.21” 暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21～22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS（Equitable Threat Score）评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

“7.21”暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21~22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS(Equitable Threat Score)评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

Q矢量和湿位涡在梅雨期区域性暴雨中的诊断分析

利用常规地面观测资料、区域自动站降水资料和NCEP再分析资料,根据Q矢量与湿位涡理论对2010年6月19-21日长江中下游暴雨过程进行诊断分析。结果表明：此次暴雨是由低层切变缓慢东移南压而造成;Q矢量绝对值大值区和Q矢量锋生函数大值区与强降水带相对应,值的变化也能反映出降水的增强与减弱,但Q矢量锋生函数中心与降水中心对应有时并不一致;Q矢量散度变化与雨带中心的加强减弱对应较好;强降水带处于正负值交界的等值线密集区,且其梯度的增大对应降水增强,梯度减小对应降水减弱。     

基于动力因子的萍乡市一次区域性暴雨落区诊断分析

利用常规观测资料、加密自动站资料,对2014年萍乡市一次区域性暴雨过程进行了分析。结果表明:低层西南急流,湿舌以及暖脊均伸向萍乡市,表明有明显的水汽输入、热力不稳定层结和湿斜压性,且萍乡市处于低涡暖切变南侧的强辐合区,是一次较易把握的暴雨过程,但萍乡市仅中部和北部的局部出现暴雨。利用ECMWF高分辨率资料计算了动力因子,对暴雨落区做进一步分析发现:1)广义位温水平梯度高值区和湿热力平流参数正、负中心交界面存在明显的热力不连续面、水平锋生和湿斜压性,与萍乡市中部和北部的降水有较好的对应关系。2)热力垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度和热力位涡波作用密度的正、负中心交界面存在充沛的热量和水汽的输送、较强的垂直风切变、涡度矢量的扰动以及热量散度的扰动,对萍乡市中北部的强降水中心有较好的指示作用。     

黄河中下游地区一次暴雨过程的数值模拟和诊断

利用非静力中尺度模式WRF V3.2.1及其输出的高时空分辨率资料,对2007年7月29~30日发生在黄河中下游地区的暴雨天气过程进行了数值模拟和诊断分析。结果表明:(1)广义位温的大值中心区与相对湿度90%的高湿区相一致,暴雨区上空的广义位温等值线呈漏斗状从对流层中高层向低层伸展,在漏斗的底部,其垂直梯度也相应增大,暴雨中心位于广义位温的大梯度区;(2)P坐标下,对流涡度矢量垂直分量(Cz)与降水量随时间演变二者呈现反位相,且Cz极值的出现滞后降水峰值1 h左右;对流涡度矢量垂直分量的垂直积分的发展演变与降水落区、强度的发展变化相对应,对强降水落区、强度的发展变化具有指示意义。     

基于螺旋度和非地转湿Q矢量的一次东移高原低涡强降水过程分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料以及常规观测的地面和高空资料,应用螺旋度和非地转湿Q矢量原理,对2000年7月9～15日一例东移高原低涡产生强降水过程进行了天气动力学诊断分析.结果表明:500 bPa z-螺旋度水平分布对低涡中心的移动、降水落区和强降水中心的分布具有较好指示性,强降水中心发生在500 hPa z-螺旋度梯度值最大的区域.z-螺旋度分布能较好地反映暴雨发生时大气的动力学特征,暴雨区上空,高层负涡度辐散与低层正涡度辐合相配合,是触发暴雨的动力机制.相对螺旋度更能全面地反映降水落区及降水中心分布情况,并对未来6 h后的降水落区及走向具有较好的预报性,强降水中心发生在相对螺旋度正、负中心连线梯度最大值的正值一侧.低层非地转湿Q矢量散度的辐合区与降水区相对应,辐合中心与强降水中心基本吻合,是降水落区定性诊断分析的有力工具;湿Q矢量散度的垂直分布对未来6 h降水的落区和移动预报提供了很好的参考信息.     

集合动力因子对登陆台风“莫拉克”(0908)暴雨 落区的诊断与预报研究

“莫拉克”是2009年登陆我国热带气旋中影响范围最广、造成损失最大的台风.“莫拉克”带来的强降水导致台湾南部发生50年来最严重的水灾,福建、浙江等省的部分站点过程雨量超过50年一遇.因此,在台风暴雨(强降水)预报中,能否准确把握其落区就显得尤为重要.本文首先利用中尺度非静力数值模式WRF对台风“莫拉克”进行高分辨率数值模拟(三层嵌套,最高分辨率为2 km).模式较好地再现了台风中心的移动路径、强度;模拟的降水分布区域与实况也较为相符.利用再分析资料及模拟的高分辨率资料对暴雨成因进行诊断分析,表明造成此次强降水过程的水汽主要由西南季风输送,并且垂直运动旺盛,贯穿整个对流层.根据集合动力因子预报方法,运用广义湿位温、对流涡度矢量垂直分量及水汽散度通量对暴雨落区进行了诊断和预报,发现广义湿位温等值线的“漏斗状”区域与暴雨落区对应关系显著;基于NCEP-GFS每日四次的预报场资料,利用对流涡度矢量和水汽散度通量做出的降水落区预报表明,二者对降水落区均有一定的指示意义.强降水主要位于对流层中低层对流涡度矢量垂直积分量的梯度大值区附近,其时间演变与观测降水的演变具有相当高的一致性;水汽通量散度抓住了垂直运动和水汽散度这两个引发暴雨的关键因子,对降水的发生范围和强降水极值中心的判断更为准确.这三个动力因子都可以为“莫拉克”台风暴雨(强降水)落区提供信号,对台风暴雨落区具有一定的诊断和预报意义.     

强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

Diagnosis of a Moist Thermodynamic Advection Parameter in Heavy-Rainfall Events

A moist thermodynamic advection parameter, defined as an absolute value of the dot product of hori- zontal gradients of three-dimensional potential temperature advection and general potential temperature, is introduced to diagnose frontal heavy rainfall events in the north of China. It is shown that the parameter is closely related to observed 6-h accumulative surface rainfall and simulated cloud hydrometeors. Since the parameter is capable of describing the typical vertical structural characteristics of dynamic, thermodynamic and water vapor fields above a strong precipitation region near the front surface, it may serve as a physical tracker to detect precipitable weather systems near to a front. A tendency equation of the parameter was derived in Cartesian coordinates and calculated with the simulation output data of a heavy rainfall event. Results revealed that the advection of the parameter by the three-dimensional velocity vector, the covariance of potential temperature advection by local change of the velocity vector and general potential temperature, and the interaction between potential temperature advection and the source or sink of general potential temperature, accounted for local change in the parameter. This indicated that the parameter was determined by a combination of dynamic processes and cloud microphysical processes.     

Diagnostic Analysis of Wave Action Density During Heavy Rainfall Caused by Landfalling Typhoon

Based on prior investigation, this work defined a new thermodynamic shear advection parameter, which combines the vertical component of convective vorticity vector, horizontal divergence, and vertical gradient of generalized potential temperature. The interaction between waves and fundamental states was computed for the heavyrainfall event generated by landfalling typhoon“Morakot”. The analysis data was produced by ADAS [ARPS (Advanced Regional Prediction System) Data Analysis System] combined with the NCEP / NCAR final analysis data (1° × 1°, 26 vertical pressure levels and 6-hour interval) with the routine observations of surface and sounding. Because it may describe the typical vertical structure of dynamical and thermodynamic fields, the result indicates that the parameter is intimately related to precipitation systems. The parameter’s positive high-value area closely matches the reported 6-hour accumulated surface rainfall. And the statistical analysis reveals a certain correspondence between the thermodynamic shear advection parameter and the observed 6-hour accumulated surface rainfall in the summer of 2009. This implies that the parameter can predict and indicate the rainfall area, as well as the initiation and evolution of precipitation systems.     

压能、湿焓场与暴雨落区的诊断分析

通过分析压能场与湿焓场的分布特征，讨论了它们对暴雨发生可能产生的影响，这种影响实质上是由于动力学与热力学的相互作用所造成的，在本文分析的暴雨仆例中，暴雨过程都与等压能线密集带和等湿焓线密集带有一定联系，在暴雨发生前24h一般有强的正湿焓平流，暴雨主要落区一般出现在平流最强的地方，因此，分析压能场与湿焓场可以获取一些新的信息，这对提高暴雨的预报能力可以起到一定的作用。     

梅雨暴雨系统中的θse暖盖

本文利用一个10层中尺度湿模式，对长江流域的一次梅雨暴雨进行数值模拟。结果如下:1. 梅雨暴雨系统中有θse暖盖存在，并在降水过程中维持加强。它与美国中西部强风暴暴雨系统中的干暖盖不同，是湿暖盖。2．降水多发生在暖盖北侧或东北侧、θse水平梯度大的地区，该地区还处于850—700百帕层的位势不稳定中心和强上升区重叠处附近。3．暖盖的作用除了可抑制其下层（边界层）位势不稳定能量的随时释放外，还起到增强其上层（对流层中低层）位势不稳定度的作用，因而暖盖在暴雨过程中提供了有利于深厚积云对流发生发展的热力环境条件。4．从对热成风涡度方程的讨论可知，暴雨多出现在暖盖上层的位势不稳定中心区和强上升区附近，是由于该处的位势不稳定度及其水平分布不均匀性和上升速度及其水平分布不均匀性的互相耦合，造成热成风不平衡，引起抽气式垂直环流的发生发展，并引起重力惯性波的不稳定之故，所以暖盖还对大气不平衡状态的发展起促进作用。 5．由暖盖的个别变化方程可知，暖盖生成的决定性因子是地转热成风（Vg/p）对水汽的平流和热成风不平衡（v’/ p）引起的θse平流。因此雨区南侧低空偏南湿急流的存在对雨区暖盖的增强极为有利。     

关于暴雨和湿急流的讨论

湿急流是20世纪70年代末谢义炳在长期研究降水问题的基础上、在雷雨顺能量学方法对暴雨和强对流天气研究成果的启发下提出的一个科学猜想。近年来在多个暴雨实例的中尺度数值模拟结果都与湿急流猜想相符,即暴雨区中是存在将低空急流和高空急流在垂直方向上连接起来的湿急流,利用可视化技术还可将湿空气块在暴雨云团中的上升、加速和转向的轨迹清楚地展示出来。但是,湿空气块的加速并不仅仅是湿绝热上升过程中浮力的作用,动量收支的计算表明,中尺度水平气压梯度力对气块动量的增加也有贡献。文中还讨论了与暴雨和湿急流相关联的湿斜压平衡方程(湿热成风方程)等问题,指出从总能量收支平衡出发是不能解决暴雨过程中不同形式能量之间的转换过程是如何实现的。由于暴雨过程是高度非地转平衡的,也是非静力平衡的,同时还存在复杂的多尺度之间的相互作用,因此具有完善物理过程的高分辨率的数值模式是暴雨机理研究最有效的方法。