台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究

2006年7月3日傍晚到4日凌晨,苏北到黄海的一个中尺度对流复合体(MCC)产生了系列龙卷、直线型对流大风和强降水,利用常规高空地面观测、区域自动气象站、卫星云图以及多普勒天气雷达资料,详细分析此次中尺度对流复合体的结构和产生的天气背景。主要结论如下:(1)该中尺度对流复合体高层为对应分离背景场的强辐散,中层在副热带高压西北侧和500 hPa东移的短波槽前,地面位于锋面气旋暖区内;该中尺度对流复合体发生在中等到强的对流有效位能、强的深层(0—6 km)和低层(0—1 km)风垂直切变环境下;(2)该中尺度对流复合体主要垂直环流特征为:近地层东南气流和其上的中低层西南暖湿气流从对流复合体南部流入到复合体中心,复合体后部对流层中低层和中层为较干冷的西北气流夹卷进入中尺度对流复合体,导致降水蒸发冷却形成强烈下沉气流,产生带有西北风动量的下沉气流,到地面形成β中尺度冷池,冷池与周边暖湿气流的交界处为β中尺度阵风锋,同时中尺度对流复合体位于对流层低层到地面部分形成深厚冷池导致的雷暴高压,阵风锋前部有β中尺度暖低压;中尺度对流复合体中高层由于水汽凝结潜热释放加热形成暖心结构,位于对流层中层的主要特征为β中尺度气旋性涡旋对应的中尺度低压,对流层高层存在β中尺度辐散反气旋环流;(3)多普勒天气雷达探测揭示该中尺度对流复合体成熟阶段主要呈现为线性结构,主要构成是一条尺度在150—200 km的活跃弓形飑线,还有数条较弱的呈气旋性弯曲的对流雨带,雨带旋入共同的涡旋中心,该涡旋中心与地面锋面气旋的中心相对应(重合),同时也是相应中尺度对流复合体的β中尺度气旋的中心,直径为40—60 km;(4)在上述活跃弓形飑线的前侧出现多个中尺度涡旋,4个EF2级龙卷和3个EF1级龙卷都发生在这些中尺度涡旋内,导致龙卷的中尺度涡旋水平尺度为4—5 km,旋转速度接近超级单体的强中气旋旋转速度,垂直伸展比超级单体中气旋浅薄,形成机制也与超级单体中气旋有明显差异;(5)该中尺度对流复合体成熟阶段的云系尺度为1000 km,其中低于220 K (-52℃)冷云盖的尺度在400 km左右,其内部结构的主要构成是一条150—200 km长的活跃弓形飑线,地面β中尺度冷池和阵风锋,沿着弓形飑线前侧出现多个尺度为4—5 km的中尺度涡旋,其中部分中尺度涡旋导致尺度只有几十至几百米的EF1和EF2级龙卷,呈现出明显的多尺度结构特征。      

一次江淮切变线暴雨过程的数值模拟与诊断分析

采用非静力中尺度模式WRFV3.3对2010年7月12-13日一次江淮切变线暴雨过程进行数值模拟,分析了暴雨形成的大尺度环流条件、中尺度气旋演变,并对涡旋与变形场的相互作用指数VDI与降水之间的关系进行了探讨。结果表明：本次暴雨过程为典型的切变线降水过程,是在高层200 hPa强大的南亚高压稳定少动,中层500hPa短波槽生成东移、西太平洋副热带高压维持的背景下,由低层700 hPa和850 hPa切变线上中尺度低涡以及地面梅雨锋扰动的共同作用造成的。WRFV3.3较好地模拟了本次暴雨过程的雨带和暴雨中心。中尺度气旋发生于长江中下游呈东北-西南走向的切变线上,暴雨发生于700 hPa切变线南侧、低空急流轴的左侧,急流轴上的大风速中心与1 h雨强有较好的对应关系。中尺度涡旋与大风速中心之间存在着明显的相关性,风速增强,涡旋增强。VDI指数对降水中心和强度有较好的指示性,有助于在实际预报业务中对降水中心和强度做出正确判断。     

一次江淮切变线暴雨过程的数值模拟与诊断分析

采用非静力中尺度模式WRFV3.3对2010年7月12-13日一次江淮切变线暴雨过程进行数值模拟,分析了暴雨形成的大尺度环流条件、中尺度气旋演变,并对涡旋与变形场的相互作用指数VDI与降水之间的关系进行了探讨。结果表明：本次暴雨为典型的切变线降水过程,是在高层200 hPa稳定少动,强大的南亚高压,中层500 hPa东移短波槽、西太平洋副热带高压维持的背景下,由低层700 hPa和850 hPa切变线上中尺度低涡以及地面梅雨锋扰动的共同作用下造成的。WRFV3.3较好地模拟了本次暴雨过程的雨带和暴雨中心。中尺度气旋发生于长江中下游呈东北-西南走向的切变线上,暴雨发生于700 hPa切变线南侧、低空急流轴的左侧,急流轴上的大风速中心与1 h雨强有较好的对应关系。中尺度涡旋与大风速中心之间存在着相互作用,风速增强,涡旋增强。VDI指数对降水中心和强度有较好的指示性,有助于在实际预报业务中对降水中心和强度做出正确判断。     

2019年8月16日沈阳极端降水事件的低空γ中尺度涡旋观测特征和机理分析

2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋的强对流系统影响,发生了1951年有观测记录以来的最大小时降水（102 mm）。为了提高对此类涡旋所致强降水天气的认识和预报能力,综合利用多源观测和ERA5再分析资料,对此次过程中低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因和对强降水的影响机制开展研究。此次过程期间,500 hPa沈阳位于东北冷涡东南侧,850 hPa以下低空位于“利奇马”台风残涡西侧的偏北气流水汽输送带内,16日午后沈阳市区具有低层大气气温廓线接近干绝热递减率、较低抬升凝结高度和逐渐加强的风垂直切变等环境条件特征;风廓线雷达资料显示降水前0—6 km风矢量差最大达17 m/s,有利于较浅薄中尺度涡旋对发生。16时前后,沈阳市区内γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴,随后有对流风暴群移入沈阳,在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并风暴在初期产生强降水后,回波顶降低、降水强度减小,低空出现了生命期约30 min的γ中尺度涡旋对,更是出现罕见的具有辐合特征的反气旋式涡旋加强的现象,伴有低空涡旋的风暴再次加强并导致后期更强的降水。相比中国中气旋统计特征,本次低空浅薄涡旋生命期较短、尺度小...     

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。     

双热带气旋合并过程涡旋强度与吸引效应相关特征数值模拟

利用中尺度模式HWRF(Hurricane Weather Research and Forecast System)模拟双热带气旋"狮子山"(2010)与"南川"(2010)涡旋合并过程,并通过强度敏感性试验揭示两涡旋强度对合并过程的影响。分析表明:在两者的合并过程中,"狮子山"涡旋强度明显大于"南川";"狮子山"涡旋对"南川"涡旋具有更大的"吸引"效应,两者西侧呈相对强的能量、水汽"连体"通道。HWRF能够较好的模拟出双热带气旋"狮子山"与"南川"的强度、移动路径,尤其是两涡旋的合并过程。进一步分析控制试验双热带气旋水平与垂直结构揭示出两涡旋"互旋"过程中,"弱涡旋"并入"强涡旋"相互影响特征。有关"狮子山"与"南川"强度的敏感试验亦表明,两者各自涡旋强度"合并方向"具有关键影响。在敏感性试验中,改变涡旋强度后两者路径亦存在"互旋"现象,但与控制试验两涡旋"合并方向"相反,即敏感性试验热带气旋"狮子山"涡旋削弱,而"南川"涡旋强度相对增强,导致原涡旋西侧水汽、能量输送连体通道明显削弱,同时由于"南川"涡旋的强度强于"狮子山",两者东侧水汽、能量输送通道亦加强,导致"南川"涡旋对"狮子山"的涡旋存在"吸引"效应。"狮子山"涡旋残留云带一部分合并入"南川",一部分则随西南气流进入台风"圆规"。     

一次强对流天气中尺度涡旋结构和冰雹落区分析

利用临沂新一代天气雷达资料和中尺度数值模式MM5,模拟分析了2005年6月18日临沂市一次强对流天气过程.分析表明:强对流天气过程丰要发生在高空干冷气流、低空暖湿气流的不稳定大气层结下,影响系统为中层700 hPa的中尺度涡旋.涡旋的生成机制为:在西南风的背景场上,两北气流和东南气流分别从高空和低空向其嵌入,形成了巾尺度气旋性涡旋.该涡旋风场和温湿场结构东西不对称,冰雹落区主要位于涡旋中心东南侧;雷达回波的演变分析表明,强回波区回波强度中心由低到高几乎呈垂直分布;降雹过程中,回波强度增强,回波顶下降,VIL值迅速减小.     

一个β中涡对双台风相互作用影响的物理过程

利用高分辨率f平面正压拟谱模式,分析一个β中尺度涡对双台风相互作用影响的物理过程。结果表明：β中涡的存在可以使原本排斥的两个DeMaria型台风涡旋合并;β中涡改变双台风相互作用终态的物理机制是：初始时段处于某一台风涡旋正影响区内的β中涡,构成了非对称涡度场,进而在该台风涡旋内部产生指向另一个台风涡旋的气流。该气流如果足够强,则会使两个台风的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内,触发双涡合并过程的发生。     

华东地区冷季两次高架对流个例分析

利用多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及区域自动站气象资料,分析了2019年8月16日山东省特大冰雹和雷雨大风强对流天气过程。结果表明：（1）此次强对流天气过程是在东北冷涡背景下由地面β中尺度辐合线、γ中尺度涡旋触发产生的。（2）中低层较大的温度垂直递减率、近地面层的逆温层、上干冷下暖湿、适宜的湿球温度0℃层和-20℃层高度是雷暴大风和大冰雹出现的典型特征。（3）β中尺度辐合线触发的对流单体不断发展、合并,形成单体之间排列较为松散的飑线,而γ中尺度涡旋附近个别单体发展成超级单体风暴。（4）诸城强冰雹的超级单体风暴具有有界弱回波区、三体散射、旁瓣回波、中气旋等特征。另外,风暴强度达到鼎盛后迅速减弱、强中心高度快速下降、风暴低层左后方出现强反射率因子区、风暴低层右前侧气旋性旋转强度加强、深厚持久的中气旋、风的垂直切变强,均是造成日照极端雷暴大风的影响因子。

     

一次梅雨锋上中尺度气旋波引发的特大暴雨过程分析

利用新一代天气雷达、卫星、自动气象站、风廓线雷达、PWV/GPS、GFS/NCAR再分析场和常规天气资料,针对2011年6月10日发生于武陵山东侧鄂湘交界(通城附近)的特大暴雨过程,重点分析了梅雨锋上中尺度扰动系统的发生、发展过程以及与之联系的中尺度对流系统结构特征。结果表明:(1)特大暴雨过程与两个中尺度气旋波扰动发展形成的中尺度对流系统共同影响有关,而锋前暖低压倒槽内中尺度对流系统后向传播对暴雨形成和加强起到非常重要的作用。(2)武陵山东侧鄂湘交界区域是梅雨锋上中尺度气旋波新生或加强的重要源地之一,长江中游复杂地形下有利的动力和热力因素起到重要作用。(3)中尺度对流系统的发生、发展与中尺度气旋扰动有密切关系,雷暴单体集中在冷、暖锋附近和涡旋中心附近强烈发展,并在气旋波系统组织下,降水回波整体具有冷暖锋结构特征的逗点涡旋、涡旋、"S"和"人"字等形态特征。     

日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征

利用常规观测资料、区域自动气象观测站加密观测资料、多普勒雷达资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势、环境物理量和涡旋特征进行了分析。结果表明:地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统,较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。地面辐合线上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发了对流,较大的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)和较强的0~3 km垂直风切变有利于初生对流的发展、合并,形成超级单体风暴。龙卷发生时,超级单体风暴低层右前侧出现钩状回波、入流缺口。较强的风暴单体、深厚持久的中气旋、中气旋强中心和底部迅速下降并重合、气旋性涡旋加强、最大风切变跃增、多个时次体扫出现龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature,TVS)是地面龙卷发生的主要特征。对龙卷风暴单体移动起主导作用的因子在不同时段有所不同,前期主要受平流的影响;风暴单体合并的过程中,风暴移动受传播和平流的共同影响;风暴单体完全合并后,引导气流对风暴的移动又起主要作用。     

区域气候模式在不同分辨率下对西北太平洋热带气旋生成气候特征的比较研究

利用RegCM3区域气候模式,试验研究了15、30、45和60 km 4个分辨率下西北太平洋热带气旋的生成特征.结果表明,RegCM3模式对西北太平洋热带气旋生成的模拟能力受分辨率的影响.分辨率的简单提高,并不一定会使模式的模拟能力有所改善.模式在30 km分辨率下对西北太平洋热带气旋生成频数及频数变化的模拟能力最强,在60 km分辨率下对西北太平洋热带气旋生成频数空间分布的模拟能力最强,在15 km分辨率下对西北太平洋热带气旋生成频数、频数空间分布及频数变化的模拟能力最弱.对比分析不同分辨率下热带气旋的生成过程表明,热带气旋生成前期,β中尺度涡旋没有发生合并,对流层中低层水汽含量不足是导致模式在15 km分辨率下模拟热带气旋生成频数较差的主要原因.     

一次强降水过程涡旋状MCS结构特征及成因初步分析

利用新一代天气雷达资料分析了造成2011年6月18日湖北省江汉平原强降水涡旋状中尺度对流系统(MCS)发生发展过程的结构特征,联合常规观测、地面加密观测及雷达四维变分风场反演资料初步研究了MCS可能成因。结果表明:(1)成熟阶段的强降水涡旋状MCS回波表现为气旋性弯曲的多条螺旋对流回波带、周围被大片层状云回波所包裹的结构特征,后期因冷空气侵入演变出冷暖锋式结构。回波合并和旋转式列车效应是产生强降水的主要运动特征。(2)涡旋状MCS是在有利环境场下,主要由鄂西山地一江汉平原过渡带边界层中尺度涡旋系统强烈发展组织的结果。(3)中尺度涡旋系统形成发展与地面暖倒槽发展、西南低涡前侧降水和特殊地形作用有密切关系,来自不同方向气流形成的强烈辐合是其前期形成发展的主要机制,后期发展可能与潜热释放有关,涡旋环流向上发展到700 hPa。     

长江中下游梅雨期中小尺度涡旋族发生演变分析

利用密集的地面观测资料和高分辨率的中尺度数值模拟结果 ,分析了 1999年 6月 2 2日长江中下游地区的梅雨过程。分析发现 :暴雨过程是由排列于边界层中尺度辐合线上近乎同时产生的小扰动所致 ;涡旋扰动的初始动力条件和触发系统与边界层内的中尺度辐合和低压倒槽有关 ;随着涡旋中心降水量的增大 ,近地面γ中尺度涡旋扰动出现气旋式的辐散环流 ,导致涡旋在低层减弱 ,同时又促使相邻γ中尺度涡旋发展的涡旋族相互作用过程。     

2007年7月18日济南大暴雨的β中尺度分析

利用1°×1°的NCEP再分析资料、地面逐小时的观测资料和红外云图,对2007年7月18日的济南大暴雨过程进行了详细的α中尺度分析,揭示了地面β中尺度气旋新生发展的一种物理机制,并重点分析了多尺度的积云并合过程对此次强降水形成的重要作用。研究结果表明:在一个已经发展成热的MαCS的左后侧出现的下沉冷出流在低层向西南方向扩散,与午后不断加强的西南暖湿气流共同作用增强了地面的斜压性,从而使地面辐合线上的气旋性扰动加强,并迅速新生发展出β中尺度气旋。在此次强降水过程中共经历了从γ中尺度对流单体到β中尺度对流云团,再到α中尺度对流云团,最后形成中尺度对流复合系统的4个多尺度积云并合过程,而地面β可尺度气旋在每一个阶段都扮演了非常重要的角色,它们既是β中尺度对流云团的组织者,同时也是α中尺度对流云团的组成者,α中尺度对流云团往往都由一个以上的β中尺度气旋组织而成,当β中尺度气旋出现遭遇、合并之时,对流云团和降水得以强烈发展。在济南强降水发生前的1个多小时内,其西南方边界层内不断出现β中尺度超低空西南急流,它促使这一区域内不断产生回波单体并在向东北方向移动的过程中迅速发展成强回波带,当济南北面的强回波南移与这一强回波带并合后快速发展产生强降水。     

“8.8”舟曲特大山洪泥石流灾害天气特征分析

利用常规气象资料以及卫星、雷达资料,分析了“8.8”舟曲特大山洪泥石流灾害.结果表明,这次强降水是在高空冷平流入侵,与700 hPa切变线配合,由地面冷空气扩散触发对流不稳定能量释放,造成的强对流天气.由于地形等原因形成的一系列γ中尺度气旋造成降水的分配极不均匀;强降水与亮温有很好的对应关系,但亮温并非唯一影响因素.多普勒雷达的径向速度对γ中尺度气旋具有很好的指示意义,表现在旋转速度可以指示涡旋强度;降水与γ中尺度气旋有很好的正相关关系.     

长江下游梅汛期中尺度涡旋特征分析

利用2006～2009 年日本再分析资料对长江下游地区梅汛期间(5～7 月)边界层内中尺度涡旋进行普查,并分类统计分析了边界层内中尺度涡旋与暴雨、低空急流的关系。研究结果表明:每年的5～7 月该地区经常在对流层低层或(和)边界层内出现中尺度扰动涡旋,根据中尺度涡旋最初生成的高度不同,可划分为边界层中尺度涡旋、对流层低层中尺度涡旋和对流层低层—边界层中尺度涡旋三类。边界层中尺度涡旋中与暴雨有密切关系的中尺度涡旋称为边界层中尺度扰动涡旋(PMDV),根据涡旋前或后6 小时累积雨量,可以进一步将其分成两类:第一类是暴雨的直接制造者中尺度对流系统(MCS)先于边界层中尺度扰动涡旋发生(MCS-PMDV);第二类是边界层中尺度涡旋产生后,激发了中尺度对流,造成了暴雨过程(PMDV-MCS)。PMDV-MCS 类涡旋暴雨的特点是在对流层低层850 hPa 是一条切变线,其南侧有一支西南低空急流,边界层925 hPa 则是一个闭合的涡旋,暴雨区主要落在涡旋的东北面和东南面。     

一次由气旋发展与边界层东北气流触发的强对流天气分析

利用多种探测资料及NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料,对2019年4月24日发生在山西的大范围强对流天气进行了分析。结果表明：1）此次过程是在弱天气尺度强迫背景下,地面锋面气旋发展和低层偏东北气流伸入河套地区,触发了1个持续拉长状对流系统（persistent elongated convective systems,PECS）和1个β中尺度持续拉长状对流系统（meso-β-scale PECS,MβECS）发生发展造成的。2）与MβECS对应,雷达回波上表现为涡旋状的回波中镶嵌着多个对流单体,PECS则表现为4个线状回波和1个强降水单体风暴。雷达产品能更精细刻画较小尺度系统特征,但分类强对流的某些典型特征并不明显。3）物理量诊断揭示,低层锋生作用不仅使暖锋加强触发MβECS发展造成北部强对流,且使得冷锋加强和气旋发展,此背景下形成的边界层急流和地面中尺度系统导致中南部对流单体合并、加强并高度组织化。强对流范围和强度与涡旋或辐合线尺度及风场辐合强度密切相关,气旋内温压风湿场的扰动特征能更好地解释较小尺度系统形成发展的物理机制,且这些特征较强对流提前1～3 h出现,对强对流临近预报具有很好的指示意义。4）低层东北气流是干冷与暖湿空气的一个倾斜交界面,该面上各种要素并不均匀,围绕该支气流形成一个气旋式次级环流圈,是中尺度对流系统的重要触发机制;气流两侧存在较大纬向风垂直切变,是造成对流风暴传播、持续时间长的重要原因之一。     

应用LAPS资料分析安徽沿淮一次短时暴雨特征

利用LAPS系统融合分析资料对安徽沿淮一次短时暴雨过程进行中尺度天气分析,探讨降水过程成因机制及天气结构特点,同时验证LAPS分析资料的实用性。结果表明：过程主要影响系统为中尺度气旋式涡旋,其向安徽北部沿淮地区移动为暴雨的发生、发展提供了触发机制。雷达降水回波主要出现在850hPa中尺度涡旋南侧以及700hPa槽前西南气流辐合上升运动过程中,持续的低空急流及其带来的水汽共同为暴雨过程提供了水汽条件和动力机制。比较雷达回波发展和云中液态水含量演变发现,云中液态水含量极大值区多出现在雷达回波单体的新生区域,借助于LAPS云中液态水含量分布结果对预测雷迭回波发展趋势及降水分布有借鉴作用。