2021年河南“7.20”极端暴雨动、热力和水汽特征观测分析

利用MICAPS观测降水数据、欧洲气象中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年7月20日河南极端暴雨进行综合分析。结果表明,此次暴雨受200 hPa两槽一脊、大陆高压、副热带高压（副高）西伸北抬和台风“烟花”西移、“查帕卡”台风倒槽等多尺度天气系统共同影响,黄淮气旋的西南气流与副高和“烟花”之间的东南气流稳定控制河南地区,边界层急流供应充沛水汽,在太行山和嵩山迎风坡辐合抬升,致使河南暴雨长时间维持,产生极端降水量。西南气流穿过从广东和广西延伸到河南的高湿带,副高和“烟花”引导东南气流经过从东海洋面延伸到河南的相对较弱湿区,这两条水汽输送带在太行山和嵩山地形阻挡下汇合在河南北部,为暴雨供应水汽。丰富的可降水量、水汽过饱和、深厚暖云层以及降水系统较强的水汽消耗率为郑州高降水效率提供有利条件。郑州低层大气经历多次从强层结不稳定到弱层结不稳定的转化,边界层急流引起的垂直风切变和气流辐合对层结稳定度变化有重要影响。黄淮气旋内部中尺度涡旋对河南暴雨发生发展至关重要,不但提供西南气流,还产生较强的位势高度纬向平流,增强边界层急流。嵩山与太行山余脉构成喇叭口地形,边界层急流在嵩山北侧和东侧爬坡,促使山前水汽堆积,激发和加强暴雨。中尺度云团合并小尺度云团,发展成结构密实的孤立云团,稳定少动,对暴雨有重要影响。降水区上空广义湿位涡异常,由于广义湿位涡能够刻画中尺度系统的垂直风切变、涡度以及大气湿斜压性和层结不稳定等动力和热力因素垂直结构特点,所以对中尺度系统和降水落区有一定指示意义。     

基于波作用方程的南疆西部干旱区暴雨的组织化机理研究

本文采用位涡波作用密度和波作用方程,对一次南疆西部干旱区暴雨的组织化过程和机制进行了诊断研究,对影响暴雨对流系统组织化的关键物理过程进行了分析和讨论。位涡波作用密度耦合了多种影响对流云体演变的大气动热力扰动,能够良好描述对流系统的组织化过程。以此为基础,描述位涡波作用密度变化的波作用方程能够用来研究驱动对流系统组织化发展的物理因素。研究发现,波作用方程诊断得到的多个物理过程与扰动斜压性、扰动风切变和扰动涡度的发展演变有关,表明它们对对流组织化有重要作用,多条东西向的对流线发展为东北—西南向的带状对流系统过程中,包含强对流的维持和南北尺度的增大。对流线在东北向弱对流的发展增强与基本态气流对强对流区的热力输送引起扰动斜压性增强有关。影响对流线中部强对流的维持和南北向发展的关键过程包括:上升、下沉气流引起的热力输送导致对流线内扰动斜压性增强,扰动西风与扰动东风形成气旋性环流引起经向切变环流增强,及扰动经向风将扰动纬向风切变向对流中心区输送引起纬向切变增强、垂直环流增强。该研究表明,对流系统的组织化是大气多种动热力扰动演变和配合的结果,通过波作用演变方程能够比较清晰体现其中的关键过程,且波作用方程为波作用密度倾向,未来可探讨其对对流系统组织化的预报意义。     

一个新动力因子在登陆台风“凤凰”强降水过程中的应用

根据波动和风场辐合辐散与登陆台风强降水密切相关的特点,利用高分辨率的数值模拟资料,采用分别表征强降水区波动特征和辐合辐散特征的两个动力参数——位势散度波作用密度和散度垂直通量,对登陆台风"凤凰"的强降水过程做诊断分析;同时结合波扰动和辐合辐散两特征,发展了一个新的物理量——热力切变散度参数,并据此对台风"凤凰"的强降水过程做进一步诊断分析,结果表明在整个研究时段内,地面雨区被热力切变散度参数的异常值区始终覆盖,二者具有较一致的空间分布和时间演变趋势。基于GFS(Global Forecast System)预报产品的动力释用分析表明,利用数值预报场计算的热力切变散度参数的强信号出现在强降水区,而弱信号出现在非降水区,该参数对强降水落区有较好的指示作用。     

“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。     

关中地区两次初夏区域性暴雨过程特征分析北大核心CSCD

使用1°×1°的NCEP再分析资料、常规观测及云图资料,从环流形势、物理量和TBB特征出发,结合盛夏暴雨过程对比,分析总结2006年6月2-3日("0602"过程)和2013年5月25日("0525"过程)关中地区两次初夏区域性暴雨特征。结果表明,关中初夏暴雨发生前,青藏高压明显偏南、偏弱,暴雨区北侧200 hPa急流形态、位置变化小,急流轴南侧的风速经向切变明显增大。初夏暴雨期间无西太平洋副热带高压和远距离台风作用,上游与周边西风带影响系统差异导致低层水汽输送与辐合明显弱于盛夏暴雨,分布形态不同。850 hPa大陆东部高压稳定维持有利于初夏暴雨低层偏东南气流发展、维持。初夏暴雨发生在位势稳定层结环境,暖湿空气沿着低层冷空气向北爬升,暴雨中心等熵面随高度向北倾斜,存在能量锋生和对称不稳定。暴雨区上空中高层深厚的正位涡和低层浅薄的负位涡垂直差异增大,300 hPa以上增幅明显,存在位涡异常。初夏暴雨中心以东约300 km处纬向中尺度垂直环流有利于暴雨区上升运动维持,但上升中心强度、高度和低层高能轴附近不稳定能量明显小于盛夏暴雨。总螺旋度显著增幅区对初夏暴雨落区有指示作用,其正负区相交零线、正值区增大中心分别和大雨、暴雨落区北界一致。同时,关中以北存在显著负螺旋度区,总螺旋度正值范围、强度明显偏小,中心移动、增大区偏南,局地螺旋度垂直方向正值中心区域相对分散。关中初夏暴雨云系范围大,结构复杂,主要由对应高层显著反气旋区的北部盾状中高云区和南部带状低云区组成,云团中心TBB>-60℃、云顶偏低,暴雨主要位于南北云区交汇处的窄带强回波附近,而非TBB中心区或梯度大值区附近。     

西安致灾短时暴雨中尺度与动力指数特征

基于同化多普勒雷达资料的WRF模式、地面加密观测、卫星云图和NCEP再分析资料等,分析总结2015年8月3日、2016年7月24日西安两次致灾短时暴雨过程环境条件、中尺度系统及动力因子指数特征。结果表明:关中处于稳定少动的西太平洋副热带高压西北边缘,上干下湿、午后低层大气超绝热状态,为短时暴雨提供了热力条件。西风槽与近地层切变线是暴雨直接影响系统。伴随冷锋过境,午后西北方向咸阳、铜川一带地面偏北风跃增是短时暴雨有利触发因子,强降水位于地面3 h正变压中心至东侧大梯度区附近。短时暴雨对流云团距离北部高空急流相对较远,无斜压叶状云系特征,降水对上升气流拖曳作用明显,云团TBB中心降至-65 ℃以下后,周边出现最大雨强。暴雨云团内部,霰粒子含量最大,冰粒子比其他粒子偏少一个量级以上,最强上升运动在霰粒子中心上方-30 ℃层附近、接近雪粒子中心;伴随整层雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增出现短时暴雨,雪粒子比雨水、霰粒子开始增多时段偏晚约1 h,其含量峰值与最大雨强同步。两次短时暴雨环境条件和中尺度特征差异明显。“0803”过程为切变线冷区暴雨,高空西风急流范围大、位置偏南,西太平洋副热带高压较弱,西风槽后偏北冷空气活跃,偏南水汽输送弱,关中地区中下层存在明显能量锋区和对称不稳定;云团内部冰相粒子明显偏多,雪粒子相对霰粒子占比偏高,冷空气入侵有利于冰相粒子快速生长;暴雨位于能量锋区和对流云团边缘、TBB最大梯度区附近。“0724”过程为切变线暖区暴雨,高空急流范围小、位置偏北,西太平洋副热带高压强盛,偏北冷空气弱,偏南水汽输送明显,关中地区中下层为位势不稳定;云团内部冰粒子偏少,雪粒子相对霰粒子占比低;暴雨位于对流云团内部、TBB中心附近。定义的垂直螺旋度指数VHI和散度垂直通量指数DVFI对暴雨落区预报具有较好的参考价值:大暴雨位于动力指数异常大值中心趋于集中且稳定少动的区域附近,动力指数小于200、中心分散且大值持续时间短的区域,降水不明显。      

江淮流域旱涝年夏季E-P通量特征分析

利用 1 958～ 1 997年NCAR/NCEP全球再分析资料和 1 951～ 1 998年全国 1 6 0站月降水资料研究了江淮流域旱涝年夏季E P通量的分布状况 ,旱年E P通量在4 0°N附近呈强辐合特征 ,涝年在 30°N附近呈强辐合特征 ,其分布形式与降水的对应关系显著。旱涝年E P通量不同的分布形式促使江淮流域旱年 4 0°N附近的高空西风急流得到加强 ,涝年 30°N附近的高空西风急流得到加强 ,使得相应地区的风场高层辐散、低层辐合得到加强 ,形成了有利于降水生成的动力条件 ,是江淮流域及中国区域不同形式的降水分布形成的重要因素。     

等熵面和湿等熵面倾斜发展的诊断分析

利用等压坐标系中的热力学方程和水汽方程推导出可以诊断分析等熵面（等位温面）和湿等熵面（等相当位温面） 倾斜变化的倾角方程。等熵面倾角的局地变化由倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项共同决定，而影响湿等熵面倾角局地变化的强迫项除倾角平流输送项、风速切变项和非绝热加热项之外，还包括垂直热量通量切变项。NCEP/NCAR实时分析资料的分析结果表明，大气斜压性、相对垂直涡度与等熵面和湿等熵面的倾角密切相关，它们的正高值区互相重叠；垂直风速切变项，特别是垂直速度的经向切变项是影响等熵面倾斜发展的主要强迫项，而纬向和经向风速的垂直切变项对湿等熵面倾角演变的贡献最大。     

TRMM卫星的闪电观测资料在中尺度数值模式中的Nudging同化应用研究

在以往研究的基础上,本文提出一种利用TRMM卫星闪电观测资料改善中尺度数值模式水物质初始场的Nudging同化技术,这是把物理初始化方法与Nudging同化方法相结合的一种技术.根据TRMM卫星闪电观测水平分布,对水汽和云凝结物进行Nudging同化,对积云对流参数化方案进行调整,改变模式初始水汽和云凝结物场的含量,以...     

台风莫拉克动力结构的高分辨率数值模拟及诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2009年8号台风莫拉克进行了高分辨率数值模拟,模拟过程采用三重嵌套,最高分辨率为2 km,共积分72 h(3 d).对实际观测资料与模式模拟结果进行了细致对比和验证分析,结果表明,“莫拉克”台风的发展演变以及登陆过程得到了较好模拟再现,模拟的台风路径与观测路径较为一致,同时“莫拉克”台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征也有较好再现.利用物理量广义波作用密度因子对“莫拉克”引发的暴雨过程进行诊断分析,结果表明,波作用密度的异常值区始终伴随着降水区的发展而起伏变化,两者在水平分布和时间演变趋势上都较为相似,表明“莫拉克”台风降水活动受波动影响明显,广义波作用密度能够综合表征莫拉克台风降水系统动力场和热力场扰动的典型垂直结构,对强降水落区有较好的指示作用.