一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。      

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料,从新型散度方程出发,针对2007年7月16~20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用,并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明:1)强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2)在强降水开始时期,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合,正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著,是本次降水开始的启动机制。3)在降水发展维持时段,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好,斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应,对强降水的发展维持起了至关重要的作用,是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4)正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义,有助于提高暴雨预报准确率。      

应用新型散度方程诊断暴雨的触发和增幅机理

分析散度及其变化是进行暴雨研究的途径之,而传统的散度方程不能显示包含热力场分布影响散度演变的问题。因此,利用陈忠明等导出的新型散度方程和NCEP/NCAR(1°×1°经纬度)再分析资料,针对贵州省2007年7月25—26日持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,定量诊断分析大气运动的正压非平衡强迫、湿斜压非地转与风垂直切变耦合强迫在暴雨发生发展过程中的作用,并与地面1、6h降水观测资料和卫星云图资料进行对比分析。探讨正压非平衡强迫、湿Q矢量与垂直风切变的湿斜压热动力耦合强迫导致辐合增加与暴雨发生、发展的动力机制。结果表明:强降水主要发生在近中性或弱不稳定层结条件下。大气运动的正压非平衡强迫导致辐合增加是强降水过程的触发机制;在暴雨维持和增幅过程中,湿斜压热动力耦合强迫在强降水的维持方面扮演了重要角色。当强降水过程发生后,才存在湿斜压热动力耦合强迫作用,湿斜压热动力耦合强迫作用是暴雨增幅的动力机制。未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置与散度演变的强负值区变化一致。新型散度方程对强降水预报有指导意义,可以作为诊断散度场演变的一种有效的数学工具。     

应用新型辐散方程诊断“6.28”关岭大暴雨的激发和维持机制

利用NCEP/NCAR 1°×1°和2.5°×2.5°再分析资料、FY—2E相当黑体亮温TBB资料和区域自动站逐时降水资料,结合新型辐散方程,对2010年6月28日贵州省关岭县一次特大暴雨天气的发生和维持机制进行了诊断分析。结果表明:(1)大气运动非平衡强迫使贵州西部地区出现辐合增长,激发了该区域暴雨天气的产生;(2)能量锋生与垂直风切变的耦合强迫,促进了贵州西部地区辐合的持续增长,使暴雨得以维持;(3)对流层中低层湿位涡水平分量与垂直涡度耦合,其负值中心与地面强降水中心相对应,随后中尺度对流复合体(MCC)云团北侧出现了新生单体,第二轮暴雨随即发生并维持。     

武汉地区4次低质心类短时强降水对流风暴特征分析

利用自动气象站逐小时和逐5 min观测资料、长江中游雷达组合反射率因子SWAN拼图产品及NCEP FNL再分析资料,对武汉地区4次低质心类短时强降水对流风暴特征进行分析。结果表明:不同的天气背景诱发的对流系统特征不同,低层暖强迫造成的斜压不稳定背景下,环境条件高能高湿,雷暴冷池的积累有利于稳定性降水前沿触发线状强对流;斜压锋生天气背景下,冷暖剧烈交汇使得大气斜压性显著增强,地面多有中尺度气旋波发展,锋区冷区稳定性降水中多伴随短时强降水,而暖区能量、湿度条件更好,易诱发短时强降水等分散性强对流;准正压天气背景下,大气斜压性弱,环境高能高湿,多由近地面层流场强迫和局地热力差异触发剧烈的热对流活动。从对流风暴雷达回波特征和降水特征来看,TS类线状中尺度对流系统(MCS)移速较快,短时强降水范围小;准静止类表现为带状走向的大范围层状云回波稳定维持,中间伴有多个积云对流生消迭代,每一阶段降水增强都与新生对流单体途经武汉站点相对应;组织合并类在回波合并时,意味着短时强降水的发展增强,合并后的回波形态和走向影响着降水的强度和持续时间。在不同的环境背景、触发诱因和组织形态下,短时强降水发生前后地面气象...     

2003年7月4~5日梅雨锋暴雨维持的诊断分析

利用卫星云图、 多普勒雷达产品以及探空资料, 结合NCEP/NCAR再分析资料, 对2003年7月4~5日淮河流域大暴雨过程发生的环境场条件、 强降水的中尺度特征、 低空急流与能量锋的配置对强降水天气的影响等进行了详细的天气学分析, 并对大气正压非平衡强迫、 低空急流与能量锋相互作用对强降水天气发生\, 发展与持续过程中的影响进行了动力诊断。结果表明： 这次梅雨锋暴雨过程, 暴雨区上空气柱内水汽较少, 孟加拉湾与南海地区向暴雨区输送的水汽占据主导地位。暴雨区的平均散度与垂直速度变化与强降水天气变化比较一致。对流层低层能量锋与低空急流的配置及其相互作用对强降水天气的发生\, 发展和维持具有重要影响。当低层能量锋与低空急流处于同时强的配置状态时, 强降水天气发生并持续; 当两者处于一强一弱或两者皆弱的配置状态时, 则没有强降水天气发生或持续。正压非平衡强迫对强降水启动作用较大, 而湿斜压热动力相互作用对强降水天气持续影响较大, 是导致强降水过程维持的主要动力机制。     

暴雨激发和维持的正、斜压强迫机制的理论研究

针对暴雨天气的发生、发展都伴随着对流层中低层有很强的气流与水汽辐合持续的天气事实，摒弃传统研究中把散度方程局限于水平动力方程约束的观念，从湿斜压原始方程出发，导出了包含热、动力耦合强迫作用的散度演化方程，揭示了正压大气非平衡强迫和湿斜压大气热、动力耦合强迫在暴雨激发和维持中的重要作用，阐明了持续性暴雨过程中对流层中低层强烈的气流与水汽辐合长时间维持的动力机制。     

四川盆地西部一次大暴雨过程的中尺度特征分析

利用常规观测资料、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2010年7月24-25日四川盆地暴雨天气过程中尺度对流系统发生、发展的物理量特征和动力机制进行了分析.结果表明:(1)此次四川盆地西部区域性暴雨天气过程是由中-β尺度云团合并、加强所生成的中-α尺度对流系统造成的.(2)散度、涡度、垂直速度和相当位温的分布与对流系统的发生、发展较一致,特别是在中-α尺度对流系统强烈发展阶段有很好的对应关系,为中-a尺度对流系统的发生、发展提供了有利的动力和热力条件.(3)大气非平衡强迫对发生在四川盆地西部的区域性暴雨有较好的指示意义,是激发暴雨天气的动力机制.(4)暴雨发生期间降水造成的非绝热加热有利于强降水天气的维持.     

2012年5月22日贵州西部大暴雨成因分析

该文利用地面观测资料、NCEP再分析资料(水平分辨率2.5°×2.5°),国家卫星气象中心发布的FY-2E的TBB等资料,对2012年5月22日贵州西部大暴雨过程的天气形势、水汽通量及水汽通量散度、温度平流、涡度平流、假相当位温、中尺度云团、湿位涡等进行了分析。结果表明:强降水主要是由于南支槽前的西南暖湿气流配合北方南下的冷空气,冷暖平流和正负涡度的交汇,MCC在贵州生成并发展维持的共同影响造成的。此次暴雨过程发生在对流层中低层MPV1负值区和MPV2的正值区以及θse的高能区内。湿位涡的正压项与斜压项综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定状况。这一判据将大气中的对流不稳定和斜压不稳定很好地联系在一起,为暴雨天气的诊断和实际预报提供了一种思路。这次过程是由MCC在贵州的生成并发展维持造成的。云团具有很强的MCC特征,降雨强度的时间分布与MCC的强度范围有很好的对应关系。     

伊犁河谷"7.31"极端暴雨过程不稳定性及其触发机制研究

2016年7月31日至8月1日新疆伊犁河谷发生了一次极端强降水事件,多站突破降水极值。利用NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品及国家基本地面观测站逐时降水资料,通过天气研究和预报（WRF）数值模拟和诊断分析强降水期间大气的不稳定性及其触发机制,证实了不同尺度系统相互作用以及复杂地形的影响是干旱、半干旱地区极端暴雨形成的重要因子,并得出以下结论:（1）降水前河谷低层高对流有效位能积累,低层锋面东移触发对流有效位能释放,造成河谷第一阶段短时强降水天气;前期对流性降水释放湿对流不稳定能量,低层大气对称不稳定性逐渐增强,在对称不稳定作用下维持和加强了伊犁河谷第二阶段强降水天气。（2）第一强降水阶段期间大气低层为对流不稳定性层结,降水初期和第二阶段强降水期间大气均为条件对称不稳定性层结,对称不稳定的产生主要来自于湿位涡斜压分量（M_pv2）,其中降水初期低层M_pv2变化由大气的湿斜压性和低层水平风的垂直切变所造成,第二阶段强降水低层M_pv2变化主要由大气湿斜压性造成。（3）第一阶段强降水期间,低层锋面和地形抬升,垂直运动迅速发展,造成河谷南、北部山前降水;河谷东侧中尺度气旋在地形阻挡下稳定少动,是东部地区短时强降水天气发生的直接启动机制。第二阶段强降水期间,中、低层锋区叠加爬坡,冷锋锋生,中、低层风场辐合区叠加,河谷东北部形成垂直环流圈,上升运动进一步发展,是造成河谷第二阶段暴雨的重要原因。     

乌鲁木齐7·17暴雨的天气尺度与中尺度特征

新疆位于半干旱地区,2007年7月13—18日新疆沿天山一带多站出现暴雨。利用每分钟与小时降水资料、常规地面与高空观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、静止卫星云图资料与雷达资料进行分析,重点考察2007年7月16—17日乌鲁木齐暴雨过程 (7·17暴雨) 的天气尺度及中尺度特征,并与1996年同期暴雨过程以及我国东部暴雨过程进行对比。结果表明:该降水是一次大尺度斜压过程,中亚低涡是该暴雨过程的主要影响系统,但其位置、形态与强度均不同于1996年过程;干冷空气侵入加强了大气的对流性不稳定,对暴雨的加强和发展起重要作用;该暴雨过程的水汽主要来自于青藏高原东部—甘肃西部一线以及南疆北部;该暴雨过程中有明显的γ-中尺度对流雨团发生,径向速度辐合可能是γ-中尺度对流雨团的重要触发机制。     

福建西部山区一次中尺度对流系统触发机制分析

利用常规天气资料及地面自动站、风廓线雷达、新一代天气雷达资料和ERA-Interim逐6 h 0.125°×0.125°再分析资料,分析2015年5月19日福建西部山区一次极端降水的中尺度特征。结果表明:(1)极端降水分为锋前暖区降水和锋面降水两个阶段,暴雨区位于低空西南急流轴左侧,水汽充足,冷暖空气交汇,不稳定能量大,抬升凝结高度和自由对流高度低,大气可降水量大及中等强度的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统(mesoscale covective system, MCS)发展的环境条件。(2)锋前暖区降水期间,西南气流携带高能量和水汽充足的空气移入暴雨区被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,对流单体向东北偏东方向移动,排列形成短雨带;若干条东北—西南向长度不等的短雨带在中尺度出流边界北侧建立,缓慢向东移动,依次重复影响关键区;暴雨关键区存在辐合线和风速辐合,为降水提供了良好的动力抬升条件;向西南开口的河谷地形加强了对流的发展;对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带重复影响同一地区的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。(3)锋面降水期间,对流单体在低涡切变南侧风速辐合、水汽和能量大值区发展东移南压,中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得强降水加强并维持。对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。     

贵州大暴雨个例形成机制数值模拟

利用3层嵌套的中尺度数值模式MM5 V3.5,模拟了2007年6月24～25日发生在贵州中南部的一次大暴雨过程.利用模式输出的高分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析.模式较成功地模拟出了中尺度系统的演变和降水的分布特征.中尺度低涡的发展、稳定维持是造成贵州这次大暴雨天气的直接原因.暴雨、大暴雨出现在低涡的西南侧.在低层正涡度、辐合、强烈的上升运动和高层负涡度、辐散的有利配置下,形成深厚的上升运动柱,这种中尺度动力配置结构,不仅与暴雨区和暴雨发生时段相对应,而且是引起此次暴雨的中尺度低涡发展和持续的动力机制之一.暴雨区与强烈上升运动区,正涡度区相对应.     

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。      

A Diagnostic and Numerical Study on a Rainstorm in South China Induced by a Northward-Propagating Tropical System

A strong cyclonic wind perturbation generated in the northern South China Sea （SCS） moved northward quickly and developed into a mesoscale vortex in southwest Guangdong Province, and then merged with a southward-moving shear line from mid latitudes in the period of 21-22 May 2006, during which three strong mesoscale convective systems （MCSs） formed and brought about torrential rain or even cloudburst in South China. With the 1° ×1° NCEP （National Centers for Environment Prediction） reanalysis data and the Weather and Research Forecast （WRF） mesoscale model, a numerical simulation, a potential vorticity inversion analysis, and some sensitivity experiments are carried out to reveal the formation mechanism of this rainfall event. In the meantime, conventional observations, satellite images, and the WRF model outputs are also utilized to perform a preliminary dynamic and thermodynamic diagnostic analysis of the rainstorm systems. It is found that the torrential rain occurred in favorable synoptic conditions such as warm and moist environment, low lifting condensation level, and high convective instability. The moisture transport by strong southerly winds associated with the rapid northward advance of the cyclonic wind perturbation over the northern SCS provided the warm and moist condition for the formation of the excessive rain. Under the dynamic steering of a southwesterly flow ahead of a north trough and that on the southwest side of the West Pacific subtropical high, the mesoscale vortex （or the cyclonic wind perturbation）, after its genesis, moved northward and brought about enormous rain in most parts of Guangdong Province through providing certain lifting forcing for the triggering of mesoscale convection. During the development of the mesoscale vortex, heavy rainfall was to a certain extent enhanced by the mesoscale topography of the Yunwu Mountain in Guangdong. The effect of the Yunwu Mountain is found to vary under different prevailing wind directions and intensities. The location o     

台风“海燕”（2013）暴雨非对称结构及中尺度特征分析

利用NCEP再分析资料、地面雨量加密自动站资料及多普勒雷达产品资料,对2013年第30号超强台风“海燕”暴雨的非对称结构及中尺度降雨的形成机制、落区特征进行分析。研究结果显示:（1）“海燕”停编前有4个MCS呈东西向带状分布在广西南部,维持时间约9~12 h;台风减弱停编后在广西东南部有1~2个呈南北向的MCS,维持时间为2~4 h,造成此次台风过程的最强降水;（2）在“海燕”影响过程中,能量锋在贵州和广西维持并明显北倾、能量低值中心南下控制桂西北,使该地暴雨骤停、而桂东南在南风急流及地形作用下暴雨维持,是台风暴雨呈现东南强西北弱的非对称结构的主要成因;（3）台风登陆广西至停编时段的中尺度降雨是在高层的位涡异常与低层的位温异常叠加所形成的大气结构下,锋面触发不稳定能量形成的,中尺度降雨集中在边界层能量锋区最大梯度中心、MPV1梯度区零值附近与MPV2正值中心叠加处;（4）台风减弱在停编后的中尺度降雨是由冷空气侵入六万大山东侧抬升暖湿气流形成初始中-γ对流回波,在南风急流及两山脉间的盆地地形作用下,逐步加强发展成中-β对流回波并以“列车效应”传播而形成的。      

“20110730”辽宁大暴雨过程分析

利用常规气象资料、卫星云图、雷达回波、自动气象站资料和NCEP(1°×1°)再分析资料,对2011年7月30日辽宁短时大暴雨过程进行分析。结果表明：暴雨期间500 hPa高空槽与850 hPa切变线形成前倾形势,前倾槽为大暴雨的产生提供了有利的不稳定条件。此次暴雨过程的中尺度分析表明,降水时空变率大;TBB等值线密集区和上冲云顶的位置对暴雨落区有较好的指示意义;强降水时雷达回波强度达到65 dBz,且有逆风区和正负速度对出现,中小尺度强对流特征明显;地面等温线密集带与地面切变线（或中尺度低压）的共同作用触发中尺度雨团,降水强度陡增。通过涡度方程诊断切变线形成动力机制得出,当正涡度变率发展加强时,切变线向正涡度变率大值区方向移动,产生辐合动力抬升条件;散度项对低层涡度变率的贡献最大,强辐合是低层切变线生成的动力机制之一。