华北地区持续性极端暴雨过程的分类特征

利用1960—2015年日降水资料,筛选出华北地区56次持续性极端暴雨过程。基于距平相关系数的客观聚类分析方法和天气学检验,将它们进行分类,并使用NCEP（2.5°×2.5°）再分析资料进行分类合成,对比分析不同环流背景下华北地区持续性极端暴雨过程的基本特征。结果表明,这些持续性极端暴雨事件按照环流背景可分为经向型、纬向型、减弱的登陆热带气旋型和初夏型4类。它们一般都与不同天气系统配置结构下的锋面动力学过程有关,由于锋面结构特征、环境大气层结状态以及与低空急流有关的暖湿气流输送通道和强度不同,造成不同环流形势背景下,暴雨日的高频站点与过程平均累计降水量在空间分布上存在差异。（1）纬向型对应的锋区强度明显强于经向型,但是其对应的层结稳定度与整个夏季状态相当,而经向型存在弱的层结不稳定异常,这表明,纬向型的对流活动一般不如经向型强,持续性锋面降水特征更清晰,造成站点上日降水量超过50 mm的最大频率明显低于经向型,但是过程累计平均最大降雨量却比经向型大。（2）从水汽输送通道来看,源于西太平洋副热带高压南侧的水汽通道只在纬向型环流主导下的华北区域持续性极端暴雨过程中起主导作用。初夏型以及减弱的登陆热带气旋与西风带系统相互作用造成的极端暴雨过程中,活跃的印度季风造成25°N以南异常强盛的纬向低空西南气流携带充沛的水汽,穿过中南半岛后以西南低空急流或者通过减弱的登陆热带气旋“中转”,是这两类暴雨区的主要水汽供应方式;经向型环流背景下的水汽输送也与这支源于青藏高原南侧的西风气流异常有关。这可能是华北地区夏季降水与印度季风降水的相关显著强于中国东部其他地区的主要原因。（3）减弱的登陆热带气旋与西风带系统相互作用造成的极端暴雨事件同样由经向型环流主导,但是,更充沛的水汽输送、更强的上升运动和更深厚的大气不稳定层结状态是它比一般的经向型强度更大的直接原因;此外,中高纬度弱冷空气侵入对减弱的登陆热带气旋顶部形成持续性极端暴雨过程非常重要。      

中国暴雨的科学与预报：改革开放40年研究成果

总结了改革开放以来中国学者在暴雨科学与预报领域取得的重要研究进展和主要成果。其中,暴雨机理研究成果从重要天气系统、中国主要区域的暴雨、台风暴雨等3个方面分别进行综述,而暴雨预报技术研发与应用则从中国数值天气预报发展和暴雨预报客观方法两方面进行归纳。      

诱发四川冕宁“6.26”山洪灾害的突发性暴雨特征及其形成机制

基于多源观测、再分析和对流可分辨模式预报资料,运用物理量诊断、标准化异常、相似过程比较等方法,分析了2020年6月26日四川冕宁突发性暴雨过程的特征和形成机制。结果表明：（1）该过程是一次伴有多条带状γ中尺度对流系统、“列车效应”产生极端小时雨量的局地突发性暴雨过程,其对流回波质心较低,对流云团具有中尺度对流复合体云团特征;（2）冕宁北部的对流冷池出流与较强的谷地偏南气流相遇形成的辐合抬升构成了对流的触发机制;（3）川西南低空偏南气流具有阶段性增强特征并提供了持续的暖湿空气输送,其在过程初期与下山冷池的相互作用及后期与盆地西部南下冷空气的汇合,使对流反复在冕宁站西侧和南侧初生,并在下游形成“列车效应”;（4）对比历史相似过程,环境大气的对流有效位能等物理量具有更显著的异常和异常持续性;（5）川西南北部的高海拔地形对延缓冷空气进入安宁河谷和维持河谷内的不稳定层结有显著作用,并且该区域地形强迫抬升形成了河谷上游地区潜在的对流触发条件。最后给出了此次暴雨过程形成机制的概念模型。     

北京地区一次飑线的组织化过程及热动力结构特征

2015年8月7日华北西北部的一次断线状对流系统向东南方向移动,并与平原地区多单体雷暴合并、组织,最终形成强飑线,造成北京地区出现较大范围的风雹和局地短时强降水天气。基于多源资料的研究结果表明:（1）飑线形成有三个阶段:上游线状对流发展移动、平原多个单体雷暴的新生和合并、线状对流并入本地多单体后组织成飑线。第二阶段中,城区北部边缘地面热力分布不均,配合局地风场辐合,触发了雷暴。雷暴冷池范围不断扩大,温度梯度区向南扩展,造成新生对流向南传播。（2）飑线的组织化过程,呈现出两支强入流为典型特征的动力结构:一支位于雷暴冷池后侧中层（4500～5000 m）,另一支位于低层飑线前侧,由强辐合区垂直于飑线指向云内。这两支强入流分别构成飑线前侧和后侧两个独立的顺时针垂直环流圈。后侧入流和前侧入流在同时加强,造成飑线前侧垂直环流不断加强,与之对应的环境垂直风切变也同步增强。这一动力过程形成了有利于飑线组织化的中尺度垂直切变环境,垂直风切变增大的本质实际上是飑线发展反馈的结果,同时也是驱动飑线快速向前移动和发展的重要因素。当后侧中层入流消失,前侧垂直环流也随之逐渐减弱,预示着飑线从成熟开始减弱消亡。（3）从热力结构看,下山的线状对流冷池与平原地区多单体雷暴的冷池合并,形成了扰动温度低于?8°C、厚度加深到1.5 km的强冷池,其前沿的β中尺度锋面附近的辐合上升运动加强,进一步促进了飑线在平原地区发展加强,并出现阵风锋。     

中国中东部强对流天气的天气形势分类和基本要素配置特征

本文通过对2000年以来中国近百次强对流天气个例的环境场进行分析,并查阅大量文献资料,综合考虑强对流天气形成的热力不稳定、动力抬升和水汽这三个基本条件出发,从强对流的不稳定条件和主要触发条件的角度,提出中国强对流天气5种基本类别:冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类,并给出了基本解释。高空冷平流强迫类的典型特征是500hPa以上的中高层强干冷平流加强并移到边界层内暖性的辐合带中。暖平流强迫类的主要特征则是不稳定发展主要源于低层强烈的暖湿平流。斜压锋生类的特征是中低层冷暖空气强烈交汇产生的深厚对流,即斜压锋生造成的强对流往往表现为高空干冷平流和低空暖湿平流都很强烈。准正压类多发生在夏季副热带高压外侧或内部、温度梯度较弱的地区,流场上的动力强迫和和地面局地受热不均起主要作用。高架对流类的特征是700~500 hPa强的西南急流在边界层内的冷垫上被抬升,不稳定能量是来自700 hPa以上。通过从形成机制的差异性进行分类,有助于更好地把握各种强对流过程中不同的天气特征、系统配置、动力热力特征及其短期潜势分析重点,为进一步提高该类天气的预报预警水平提供更多的技术支持。     

从天气动力学角度看云物理过程在降水预报中的作用

文章讨论了深湿对流过程中的天气动力学过程(宏观过程)与云物理过程(微观过程)对云的形态特征、天气现象演变的影响和它们在降水过程中的作用,从天气动力学的角度阐述了雷暴移动发展过程,比较了不同性质云的降水量估算等基本问题。     

北京地区短时强降水过程的多尺度环流特征

为了探讨不同天气尺度背景下,北京地区短时强降水过程的基本特征,利用2007-2014年6-8月北京地区自动气象站观测数据和ECMWF ERA-Interim（0.5°×0.5°）全球再分析数据,在对北京地区短时强降水日的大尺度环流特征进行分型的基础上,基于分型合成场和距平场分析了北京地区短时强降水天气过程的基本环流背景及相应的中尺度环流特征。结果表明：（1）造成北京地区出现短时强降水过程的天气系统,依据其出现的频次,大体可分为副热带高压（副高）与西来槽相互作用型、西风小槽型、东北冷涡型和黄淮低涡倒槽型等4类;从低层水汽来看,除东北冷涡型主要来自于渤海、黄海外,其他3型短时强降水过程的水汽主要来自中国南海或东海。（2）不同天气系统主导下的短时强降水时空分布存在较大差异：在空间分布上,黄淮低涡倒槽型短时强降水带分布从北京东南平原穿过城区至西北山前成东南-西北走向,其余3型大体上沿北京地形成西南-东北走向,其中,西南山前、城区和东北山前地区是3个短时强降水事件的多发中心;在时间分布上,东北低涡型造成的短时强降水过程主要发生在午后,副高与西来槽相互作用型主要集中在傍晚至前半夜,而西风小槽型和黄淮低涡倒槽型短时强降水表现出较强的夜雨特征。（3）从中尺度环流特征上看,副高与西来槽相互作用型短时强降水过程主要是低层冷空气从北京西部、北部进入,首先触发山区对流,与之对应的雷暴高压逐渐组织化,外侧辐散气流（冷池出流）和山前的偏南风暖湿气流辐合造成对流过程加强;西风小槽型主要是边界层内较强东南风在北京西北部山前受地形阻挡,向两边绕流,西南支气流在西部形成气旋性环流,造成城区西部的对流性天气,东北支气流在东北部山前形成地形辐合线,夜间随着东南气流中偏南分量显著加强,东北部山前地区的辐合上升运动加强,造成东北部山前对流性天气,因此在短时强降水落区上表现为两个分离的多发中心且具有夜发性;东北冷涡型主要是系统性的冷空气从北京北部或西部南下,在山前与低空偏东风形成辐合切变线,触发午后对流性天气;黄淮低涡倒槽型主要是黄淮低涡顶部的低层偏东气流在北京西部山前辐合抬升,触发对流,并逐步演变为中尺度气旋性环流,形成相对组织化的短时强降水。     

湖北三类组织形态强对流系统造成的地面强对流大风特征

利用湖北省2012~2017年区域自动站、天气雷达和周边探空站观测资料,对三类不同组织形态的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System, MCS)(线性MCS、非线性MCS和孤立对流风暴)造成的地面强风(极大风速≥17 m/s)的时空分布、移动与传播、对流环境特征等方面进行了统计对比分析,并结合个例讨论了地面入流大风的成因及其对对流系统发展、组织的影响。结果表明:(1)大量的非线性MCS可能是由更早发生在山区和丘陵的孤立对流风暴向平原地区移动过程中组织形成的,孤立对流风暴造成的地面大风出现的峰值时间在17:00(北京时,下同)前后,非线性MCS地面大风的峰值时间在19:00左右;线性MCS造成的强对流大风主要出现在平原地区。(2)非线性MCS和孤立对流风暴是造成湖北省地面大风的主导系统,其中,非线性MCS造成的地面大风站次数占强对流大风站次总数的41.9%,而39.3%的地面强对流大风站次是由孤立对流风暴造成的。(3)虽然大于17 m/s的地面入流大风占所有强对流大风的比例很小,但存在地面入流大风的强对流系统的影响范围、持续时间均远大于同一类型对流系统的平均值。基于一次长生命史线性MCS(飑线)造成强对流大风事件的分析表明:雷暴系统前侧的地面入流大风是由对流强烈发展造成,这支暖湿入流又进一步增强了对流风暴的发展,同时地面入流大风的形成进一步加强了垂直风切变,因而强的地面入流更有利于对流系统的组织化发展。(4)虽然暖季强对流系统的平均引导气流均以西南风为主,但线性MCS主要自西向东移动、非线性MCS以自西南向东北移动为主、孤立对流风暴的移动方向则更具多样性,也更易出现后向传播现象。孤立对流风暴相对组织化的强对流系统而言,往往发生在更不稳定或更干的层结大气中,且环境垂直风切变更弱、风速更小。     

地形与城市环流共同作用下的β中尺度暴雨

从中尺度天气动力学理论入手, 利用尺度分析的方法, 得到了地形与城市热岛共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理论特征。利用北京地区稠密的地面观测网资料以及分布于距暴雨中心区不同距离的两部风廓线仪观测资料, 通过分析2006年夏季发生的3次β中尺度暴雨酝酿、 发生、 发展、 维持过程中的气温、 降水、 风场的配置关系, 对β中尺度暴雨的部分理论特征进行了验证。主要结论: (1) 由城市热岛形成的水平温度梯度有可能在靠近城区的山前迎风坡强迫产生相对独立的中尺度风的垂直切变, 由此产生的低空风的垂直切变是维系中尺度对流降水发生、 发展的重要条件。另一方面, 一旦迎风坡出现强降水, 将形成吹向迎风坡的风速与降水强度之间的正反馈现象, 这种正反馈过程对β中尺度暴雨的形成过程起到了重要作用; (2) 地形越靠近城区, 山前越容易形成强的水平温度梯度, 进而越容易出现低空风的垂直切变。形成强低空风的垂直切变的响应时间取决于水平温度梯度的强度; (3) 地形坡度越大的地方, 产生的上升运动越强, 中尺度系统的水平尺度越小, 对于地形坡度较为平坦的地方, 更有利于产生水平尺度较大的中尺度系统; (4) 一般情况下, 地形与城市热力过程造成的中尺度暴雨过程多发生于傍晚前后或凌晨前后。