新疆夏季强降水研究若干进展及问题

新疆位于亚欧大陆中心,属于大陆性气候,降水具有明显的地域特色,降水机制与季风区截然不同。本文系统回顾总结了近40 a来新疆降水的研究进展,重点对新疆降水的标准、时空分布特征、天气环流背景、水汽输送、降水动力机理及降水系统结构研究以及数值模拟方面进行回顾。在总结归纳基础上,提出了目前新疆降水研究需要重点关注的几个方向,包括新疆降水的水汽源汇结构及输送机制、中尺度系统的结构和地形对其动力过程的作用等。

     

一次黔北暴雨过程中低空急流与强降水的关系

利用分辨率为1°×1°的NCEP/NCAR每日4次的再分析资料以及常规资料和卫星资料,对2009年6月7-8日发生在贵州北部大暴雨的成因进行分析。结果表明:西南低涡切变与低空急流发展是本次大暴雨的主要影响系统。高层辐散是维持和加强低层辐合上升运动中不可缺少的条件。低空急流的加强为暴雨提供了高温高湿的大气,并为中尺度系统的发展、移动提供了有利的动力条件。低空急流对对流云团的发展和移动路径起着重要的预示作用。     

一次双高空急流背景下南疆强降水事件的动力过程和水汽源分析

本文利用欧洲中心ERA-Interim和NOAA的再分析资料并应用拉格朗日后向轨迹追踪的方法对2015年5月24日发生在南疆的一次强降水过程进行了动力诊断和水汽特征分析。结果表明此次强降水过程的直接影响系统是中亚低涡前西南气流中发展的小槽,南北两支高空急流辐散场叠加引发的对流层高层加剧的抽吸作用和高低空急流的耦合作用共同导致了深厚强烈的上升运动,是这次强降水主要的动力抬升机制。TBB（black body temperature）的演变与降水的发生、发展有很好的对应关系,TBB中心降至-50°C以下时降水开始且随其中心强度的扩大降水也持续加强。进一步诊断发现,低层850 hPa对流涡度矢量（CVV）垂直分量的正值中心在降水前6～12小时已可以大致体现未来强降水的落区。此次南疆盆地强降水的水汽主要源于黑海和里海,低空急流引导了一部分水汽进入南疆,HYSPLIT模式后向追踪的结果表明,此次强降水过程主要有两条水汽通道,均源于新疆以西的欧亚大陆但输送路径有所差异,偏西路径和转向路径分别主要输送800 hPa以上和以下的水汽,降水发生前两条路径在垂直方向上均有明显抬升,水汽辐合有利于暴雨的形成。     

新疆冬春季强降水过程的水汽来源及输送特征分析

利用常规观测资料和6 h一次的NCEP 1°×1°再分析场资料对新疆2015年2月12—14日北疆暴雪过程和2015年5月17—21日南疆暴雨过程的环流形势和主要影响系统进行分析,并基于HYSPLIT模式模拟的后向轨迹分析强降水的水汽来源和输送特征。结果表明：1）2次强降水过程均发生在高空低槽东移,低层有低涡,地面有锋面气旋,高空有辐散的天气背景下。2）冬季暴雪过程中,北疆水汽主要源自西亚和中亚地区。其中源自西亚地区的干气块下沉到近地面时从下垫面获得水汽,对强降雪的贡献最大;其次是起源于中亚西南部地区近地层的湿气块对强降雪的贡献。3）春季暴雨过程中,南疆的水汽主要来自中亚的哈萨克斯坦。其中来自哈萨克斯坦南部上空的干空气下沉到近地层时从下垫面获得水汽,对强降雨的贡献最大;其次是源自哈萨克斯坦东部和东南部对流层低层的湿气块对强降雨的贡献大。4）2次强降水过程中水汽主要来自陆地而不是海洋,气块在近地层移动或下沉到近地层时,下垫面水汽蒸发使气块变湿,是强降水的水汽主要贡献者;表明春季和冬季的水汽输送通道与夏季来自阿拉伯海等低纬的水汽通道不同。     

中亚低涡背景下新疆连续短时强降水特征分析

利用新疆2005—2014年5—9月经过整编的105个气象站逐小时地面降水资料、美国国家环境预测中心和大气研究中心NECP/NCAR的空间分辨率为2.5°×2.5°逐日再分析资料,提出了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义,分析了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的时空分布特征,中亚低涡不同发展阶段新疆连续短时强降水的环流特征。结果表明:(1)中亚低涡背景下新疆连续短时强降水呈现北部多于南部、西部多于东部、山区多于平原和盆地的分布特征,4个高频中心分别位于塔城北部、伊犁河谷、中天山、南疆西部山区,海拔在1800~2000 m的站点出现次数最多。(2)近10 a 5—9月,中亚低涡背景下新疆连续短时强降水具有明显的日变化,呈单峰分布型,主要发生在14—04时,约占76%,峰值在18—22时。连续短时强降水有明显的年变化,7月最多,达0.9次/a,8月次之,为0.8次/a,5月最少,只有0.1次/a。(3)中亚低涡发展期低涡西南部强锋区造成短时强降水,成熟期分为长时间和短时间持续短时强降水环流型。长时间环流型低涡前部强西南气流造成短时强降水,短时间型分低涡前强西南气流和低涡底部强锋区造成短时强降水,消亡期低槽后部西北气流和低槽前部西南气流均可造成短时强降水。     

近10a新疆短时强降水湿度层结及大气能量结构特征分析

为更好地把握中亚低涡造成新疆短时强降水天气过程的机理特征,利用温度露点温度廓线图(T-lnP图)和大气位温-风矢能量图(V-3θ图)研究了中亚低涡背景下新疆短时强降水的湿度特征和大气能量结构特征。主要结论有:(1)根据对短时强降水T-lnP图及湿度特征的分析统计,将短时强降水分成三类:对流层高低层干而中层湿度大型、对流层中层干燥型、对流层整层湿度都显著型。其中第一类最多,占短时强降水总个例的60%;而第二类和第三类分别占27.5%、12.5%。(2)一般在短时强降水天气发生前V-3θ图特征为:三条θ曲线呈曲折增长;有"顺滚流"结构存在;有"蜂腰"形构造;有较为浅薄的超低温层存在。     

2006年1月漯河市暴雪天气过程的诊断分析

利用常规探空和地面资料以及NCEP再分析资料，对2006年1月漯河暴雪过程进行了诊断分析，结果表明：高空阶梯槽的形成和维持，为这次强降雪过程提供了有利的环流背景，中低空低涡切变线是主要影响系统；冷平流的持续使近地面层气温降至0℃以下，有利于雪的形态维持；高层辐散与低层辐合的耦合，使上升运动加强；低空急流输送了充沛的水汽，大气中水汽处于饱和状态有利于提高降水的转化率。     

中亚低涡研究若干进展及问题

总结了50多年来中亚低涡研究及其对新疆天气影响的主要成果,从低涡定义、时空分布特征、生命史、活动规律及其对新疆极端天气的影响,以及低涡环流配置、相应水汽输送、三维动热力结构、长维持的物理成因进行了总结。由于新疆地区天气受到的关注和研究相对较少,近些年中亚干旱气候背景下的中亚天气学发展和预报预警技术研究与东部季风区差距日益加大,致使目前“丝绸之路”核心区建设气象防灾减灾的能力严重不足。提出了中亚低涡研究待解决的问题：中亚低涡背景下中尺度结构特征和演变规律、强对流天气物理模型和中尺度分析诊断量,中亚低涡造成强对流天气的关键影响因子和预报预警指标,这些问题的研究对推进中亚天气学、短期短时天气预报技术的发展,增强防灾减灾能力具有重要意义。     

中国东部夏季持续强降水发生的主要环流模态和水汽输送研究

利用1957~2011年我国502个测站逐日降水资料,定义区域平均降水量连续5 d超过1个标准差为1次区域性持续强降水,分析了我国东部(105°E以东)长江流域、华北和东北地区夏季(6~8月)的强降水,共得到74个个例,并探讨了造成长江流域和华北地区持续性强降水的主要环流与水汽输送模态。结果表明,中高纬出现阻塞形势是造成我国东部夏季区域性持续强降水的主要环流型,占比86%。其中影响长江流域强降水的主要阻塞形势为中阻型(贝加尔湖为高压脊)和双阻型(乌拉尔山和鄂霍次克海同时出现高压脊);影响华北地区强降水的主要阻塞形势为中阻型。同时,必须建立一条自热带海洋至降雨区的水汽通道,长江流域强降水的水汽通道为印度洋—孟加拉湾—南海;对于华北地区,除此水汽通道外,西北太平洋水汽输送也是一个重要水汽来源。长江流域强降水的异常水汽输送在菲律宾北部出现反气旋中心,导致从南海有异常水汽输送并在长江流域辐合,这一反气旋中心对应500 h Pa上西太平洋副热带高压的加强;华北地区强降水的异常水汽输送在渤海—朝鲜半岛出现反气旋中心,异常水汽来自南海和西北太平洋。渤海—朝鲜半岛在500 h Pa出现正高度异常对维持华北地区持续降水有重要作用。深厚的上升运动或低层辐合高层辐散是华北与长江流域持续强降水发生的共同特点。中阻型和双阻型的长江流域强降水在水汽输送上没有明显差异,而是动力上升条件的分布差异决定了雨带主要位置的不同。     

2007年7月新疆三次暴雨过程的水汽特征分析

利用新疆99个气象站日降水量资料和NECP/NCAR一天4次1°×1°再分析资料,分析了2007年7月8-11日、15-17日和27-29日新疆3次暴雨过程的水汽输送和收支特征。雨型I(8-11日)的雨带位于天山山区及其北麓,雨型II(15-17日)的雨带位于新疆东部地区,雨型III(27-29日)的雨带位于天山以北的北疆地区。结果表明,这3种典型雨型的水汽输送路径有明显的差异,雨型I存在西风气流、河西走廊至新疆的低空偏东急流和青藏高原向北气流3支水汽输送路径,西方路径水汽输送量最大,这3支水汽输送气流在天山山区及其北麓强辐合并引发暴雨。这是由700hPa贝加尔湖脊发展、对流层中亚低涡强烈发展、快速东移和500hPa新疆脊逐渐东移所造成的。雨型II的水汽输送为西方、东方、南方和北方路径,4支水汽在东—西向和南—北向强辐合并引发暴雨。这种异常的水汽输送是由700hPa柴达木低压发展、500hPa乌拉尔脊东北向发展、中亚低涡东南移动和新疆脊配置所致。雨型III主要为西风气流和贝加尔湖至新疆低空偏东急流输送水汽,东、西方水汽在天山以北区域发生强辐合并造成暴雨,偏东水汽输送来自于贝加尔湖、孟加拉湾、南海和热带西太平洋,其水汽输送量大于西方路径。这种异常水汽输送是由中亚低涡东移、西太平洋副热带高压北伸与贝加尔湖脊叠加且贝加尔湖脊西伸配置所造成的。     

锡林郭勒盟一次大到暴雨天气过程诊断分析

利用常规观测资料和各种物理量场,对2010年5月4日内蒙古锡林郭勒盟(以下简称锡盟)出现的最大范围的大到暴雨天气过程的环流特征及物理量进行分析。结果表明:强烈的上升运动和水汽条件,为大到暴雨天气的产生提供了良好动力和水汽条件;高空冷槽、低层稳定切变、低空急流是此次过程的主要影响系统,高层辐散,低层辐合的配置产生了大范围上升运动,西南涡的维持为锡盟地区建立了充沛的水汽通道,动力抬升、充沛的水汽和长时间维持的低涡是这次降水的主要条件。     

一次大暴雨过程中低空急流演变与强降水的关系

利用营口新一代天气雷达提供的每6分钟一次的风廓线资料,详细分析了2006年6月29日辽宁省西部大暴雨过程中强降雨时段的低空风场结构。得出:此次强降水天气的发生与低空急流的迅速加强和向下扩展相对应,短时大暴雨发生前低空西南急流提前2小时左右开始有动量快速下传,当20m.s-1的急流中心下传到≤1km超低空,1.2～2.1km低空出现24m.s-1东南急流,有利于产生短时大暴雨;说明低空脉动及向地面扩展程度与短时强降水之间关系密切。低空急流到达测站上空不一定立即产生强降水,有时会滞后1～2个小时,强降水或强烈天气的发生都存在着一定的动量下传,引起低空扰动加强,同时低空急流的强度和伸展高度,以及动量下传的能量大小,都直接制约着强降水的强弱。低空急流指数增大的程度和降水量的强度呈正比关系,低空急流指数不仅可以说明低空急流的脉动以及向地面扩展程度与中小尺度的强降水存在密切的关系,同时对强降水的出现以及雨强的大小有一定的预示作用。     

2018年8月深圳一次连续暴雨过程初步分析

利用NCEP FNL 1°×1°再分析资料、自动气象站数据和风廓线雷达等资料,对2018年8月28日至31日由季风低压造成的深圳连续暴雨过程进行了初步分析。结果表明:连续暴雨期间,南亚高压稳定少动,西北太平洋副热带高压呈双脊型并缓慢西伸,北脊阻挡西南季风北上,使得季风低压在双脊之间缓慢西移并发展加强,为持续暴雨发生提供了必要的大尺度环流条件。强盛时期的季风低压垂直伸展范围约8~9 km,直至对流层中层,与副高之间气压梯度加大,导致低空急流加强并向下传播,深厚的急流区为暴雨提供充足的水汽和能量。低空急流的向下传播时间早于短时强降水发生0.5~1 h。925 hPa及其以下的对流层底层风场呈气旋式辐合,是重要的抬升触发条件。而1 km以下风场由西南风转为偏南风,在地形抬升作用下加速上升运动,最大垂直上升速度达0.5 Pa/s,地形对降水具有显著的增幅作用。     

用多普勒雷达资料对一次区域性暴雨的中尺度分析

利用多普勒雷达资料,对2006年6月2日夜间出现在陕西中部和北部地区的区域性暴雨过程进行分析。结果发现:低层暖湿急流和弱冷空气相互作用产生的两条中尺度辐合线是这一地区出现大暴雨的主要影响系统;低空东南急流为降水区提供的大量的水汽和不稳定能量堆积,在弱冷空气的触发下释放,是产生大暴雨的主要原因;低空急流的输送方向与中尺度辐合线的移动方向,决定了未来辐合线的发展状态;低空急流的日变化引起了暴雨夜发性。     

位涡分析在新疆暴雨预报中的应用

根据位涡理论,选取2004年7月18~20日的一次由中亚低涡造成的盛夏暴雨过程做个例分析,对位涡与新疆地区降水和暴雨的关系进行了初步研究。结果表明:对流层高层干位涡能较好地反映冷暖空气的活动及天气系统的演变特征,位涡场比温度场、高度场能更清楚地示踪冷空气,这为研究冷空气的活动,特别是冷空气在触发暴雨中的作用提供了新的思路;对流层低层湿位涡与降水的强弱有良好的对应关系,当eθ线陡立时,易导致倾斜涡度发展,出现降水;当湿位涡MPV<0时,在eθ线陡峭密集区内易出现暴雨。     

长江中游一次大暴雨的中尺度分析

通过对2003年7月8日发生在长江中游的一场大暴雨进行中尺度分析,初步研究了暴雨的形成及发展过程,总结了暴雨的产生与中小尺度系统的关系,着重阐述了低空急流在暴雨形成中的作用,以及在低空急流左侧强正涡度中心附近形成中尺度涡旋,激发暴雨云团等。     

东风低空急流暴雨的中尺度分析

东风低空急流暴雨在湖北比较少见。使用卫星云图、武汉多普勒雷达资料和地面中尺度资料，针对2004年6月4～5日发生在湖北中东部地区的一次东风低空急流暴雨过程进行了中尺度分析，得到：（1）东风低空急流暴雨是在有利的大尺度背景场条件下，在特定的地域触发产生的；（2）东风低空急流在暴雨的形成和发展中起到重要的作用；（3）东风低空急流暴雨是由中尺度回波团和中尺度复合体造成的；（4）东风低空急流暴雨是在多种尺度天气系统相互作用的情况下发生发展的，而中小尺度系统是其产生的最直接的系统。     

甘肃河东一次区域性暴雨天气过程分析

2008年7月20～22日甘肃河东出现了一次区域性暴雨天气,对这次过程的环流形势演变、主要影响系统和物理量场特征进行分析.结果表明:在有利的环流形势下,高原低涡东移发展是造成此次强降水的主要系统;低空急流为此次暴雨提供了充足的水汽;低层辐合、高层辐散的流场形势引起强烈上升运动,为暴雨的发生和维持提供了很好的动力条件,保证了降水云系的发展和维持;比湿和假相当位温分布对暴雨落区预报有一定的指示意义.     

广东前汛期一次锋前暖区暴雨触发机制分析

利用ECMWF的ERAdata再分析资料、Micaps实况等数据,对2015年5月22—24日的广东大范围强降雨过程进行分析,结果表明:该次过程是一次典型的华南前汛期降雨过程,过程中存在明显的两种性质降雨,即粤西北由南支短波槽、低涡、切变线造成的锋面型暴雨,而珠江口及其东侧的暖区暴雨主要是由西南低空急流脉冲引起的;珠江口及其东侧的暖区暴雨的触发机制主要为中尺度能量锋、地面辐合线以及地形等。     

华北平原一次秋季大暴雨过程的物理成因分析

20 0 3年 10月 10～ 12日在华北平原南部出现了一次 5 0年同期罕见的大暴雨过程。为了弄清大暴雨形成的物理原因 ,利用常规资料、MM5模拟结果和自动站资料对这次过程进行了初步分析。分析表明 ,源源不断的大中尺度水汽输送及持续较长的时间是这次同期罕见大暴雨的主要原因。而大中尺度急流间的强风向辐合加强了垂直上升运动 ,这是形成华北平原大暴雨的关键所在。