基于CloudSat探测的西南低涡对流云垂直结构特征

基于CloudSat卫星数据,结合多源常规和遥感等气象资料,研究分析了2013年8月6~7日的一次受西南低涡向西北方向移动发展影响的强降水天气过程中,对流云发展的三维结构和演变特征,结果表明:西南低涡发展有利于受其影响的对流云团发展为深厚对流云。西南低涡发展和成熟阶段低涡中心与强对流中心均不一致,强对流中心位于低涡中心以南。西南低涡不同发展阶段对流云团发展均符合“撒播-供水”机制。低涡发展成熟阶段对流云内部存在高温高湿中心。      

WRF模式边界层参数化方案对西南低涡模拟的影响

应用中尺度数值模式WRF(V3.3版本)选用4种行星边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和NOPBL)对2011年6月16—18日造成强降水的西南低涡过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对西南低涡过程模拟的影响。模拟结果表明:4种边界层参数化方案均能较好地模拟出西南低涡以及暴雨带的东移,其中YSU方案对低涡路径、强度及降水的总体模拟效果最好。YSU和ACM2方案,与MYJ和NOPBL方案相比,模拟的低涡中心区域正涡度柱和垂直上升运动较强,达到的垂直高度更高。造成这种差异的主要原因是对边界层上的夹卷效应以及垂直混合作用考虑的不同。不考虑边界层作用的NOPBL方案模拟的地表风速异常偏大,造成地表热通量明显偏强、边界层高度偏高。YSU、ACM2和MYJ 3种方案模拟的边界层高度和热通量的日变化比较一致,夜间基本维持少变,白天变化大,其中MYJ模拟的边界层高度和热通量较大,ACM2模拟的较小。地表风速是造成热量输送以及边界层高度模拟差异的主要因子。     

大涡模式垂直分辨率在夹卷及示踪物垂直传输模拟结果分析中的作用

基于敦煌野外观测资料和大涡模式,研究了垂直方向不同尺度湍涡对夹卷及示踪物垂直传输的影响,明确了模式垂直分辨率在模拟结果分析中的作用。结果表明:垂直方向上小尺度湍涡对夹卷作用贡献更大,小尺度湍涡较多时夹卷层相对更暖,而夹卷层厚度、夹卷强度和风速变化受垂直方向湍涡尺度影响较小。当垂直分辨率为50 m时,越往夹卷层上部,上升气流和下沉气流分布较多且强度较大;分辨率为10、20和30 m时,夹卷层各高度垂直速度、位温和示踪物浓度分布较接近。另外,垂直方向湍涡尺度对示踪物垂直传输高度影响不大,而对示踪物的空间分布有一定作用。当大尺度湍涡较多且强度较强时,越有利于将高浓度的示踪物向上传输。综合考虑到模式采用较高分辨率模拟时产生的噪音及计算时间等问题,认为模式采用30 m的垂直分辨率,既能较好地模拟出夹卷层平均结构特征,又能模拟出夹卷层湍流的精细分布,是较为理想的选择。     

一次华北地区西南涡暴雨的数值模拟分析

采用WRFV3.01模式对2010年7月18—20日发生在华北地区的西南涡暴雨过程进行了模拟与分析。结果表明:这次西南涡暴雨主要降水机制是高低空急流的耦合。暴雨出现在低空急流的前方和高空急流的右后方;高空急流为强降水提供了高层的辐散场和高层的干冷空气,低空急流为降水区提供了充足的水汽和能量;这次西南涡降水有明显的暖锋降水性质。     

西南低涡对流云团及其降水的一些特征

基于FY-2C静止卫星红外和水汽通道资料,简单分析了发生在四川盆地的西南低涡暴雨云团生消过程,给出了一些有意义的云团生命特征。同时,结合相应的地面自动站降水资料,详细分析了卫星红外和水汽通道云顶亮温与对流云团降水之间的关系特征,结果表明:对于一完整对流降水过程,1小时内最低水汽亮温和水汽亮温增量能很好地描述地面1小时累计降水特征。然而,用静止卫星红外或水汽通道亮温来表征的云团降水特征是非常复杂的。尽管具有相同的最低云顶红外或水汽亮温,但对不同的对流过程其总体降水量级趋势不一样。而且,对于同一对流过程的不同发展阶段,即使出现云顶红外或水汽亮温一样,但其地面降水特征也是不一致的。甚至是对于同一时刻具有相同最低红外或最低水汽亮温特征的云,其降水落区与量级都不尽相同。正是这些复杂的降水特征,使得西南低涡对流云团的降水估算具有很大的难度。      

冷暖空气入侵对西南低涡发生发展影响研究

本文采用WRF模式模拟了2008年7月20~22日四川省一次由西南涡活动引发的大暴雨过程,并分析了对流层中层至中低层冷/暖空气入侵在西南涡发生发展过程中的作用,研究结果表明:冷/暖空气从北部入侵会改变对流层中、低层流场,当降低模式北边界温度,增强西北气流南下,致使四川省上空没有形成西南涡,取而代之为一深槽,同时雨区内上升运动减弱、低层辐合减弱,对流层中层温度增加、比湿略减小,雨区集中在深槽附近,雨区范围和强度都显著减弱且小于控制试验。增加模式北部温度引起北部东北气流向南输送,低值系统南移,增温促进了周围空气向降水中心辐合,增强了中低层大气的辐合上升运动,对流层中、中高层增温,雨带南压,雨区强度显著增强且大于控制试验。降低或增加模式西边界温度对流场、低涡强度和位置影响相对较小,降温使得低涡位置偏北、对流层风速增强与减弱区交替分布;增温使得低涡偏东、对流层中层至中低层风速减弱高层风速增强,二者对降水落区影响亦较小,对大暴雨中心强度有不同程度影响。     

一次东移型西南低涡的数值模拟及位涡诊断

利用非静力中尺度模式WRF对2011年6月16-18日引发强降水的一次东移型西南低涡过程进行了数值模拟,结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次西南低涡所引起强降水的范围和移动。低涡首先在低层850 hPa形成,9 h之后在700 hPa出现闭合低涡,发展成熟。西南低涡的初生和成熟阶段在对流层低层都维持与正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构,并伴有上升运动;在成熟阶段,上升运动、正涡度柱和高位涡柱明显加强、发展至对流层高层(300 hPa)。低层水汽通量散度对降水带的强度和移动都具有较好的指示意义。位涡收支诊断分析表明,非绝热作用项的垂直结构与垂直通量散度项相反,潜热释放造成的非绝热作用项有利于低层位涡增长、抑制高层位涡增长,对西南低涡的生成、发展有重要作用。     

对流边界层发展受覆盖逆温影响的大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了存在覆盖逆温时对流边界层顶部的夹卷过程特征,并通过敏感性试验着重分析了在此情况之下的夹卷速度参数化问题,以及风切变的作用。模拟结果表明,初始覆盖逆温改变了夹卷层的结构特征,使得夹卷层结构参数明显增大,风切变使这一效应略有增强,以往关于夹卷速度的参数化方案不再适用。分析研究表明,在有覆盖逆温的情况下,夹卷层结构参数是控制夹卷速度的关键因子,应该将夹卷层结构参数作为变量引入夹卷速度参数化方案,该方案能够很好地预报出受覆盖逆温影响的对流边界层的发展过程。     

最优化方法在确定对流混合层顶夹卷率中的应用

晴天充分混合的对流边界层(CBL)中常采用相对简单的零阶近似平板模式.在该模式中,通常假设边界层顶的夹卷通量与地面通量有着固定的线性关系作为其闭合条件,即/(wθ)h=-A/(wθ)s.由于受观测资料的限制,参数A通常是由大涡模拟(LES)的方法得到,并利用有限的观测资料加以验证.作者基于ARM(Atmospheric RadiationMeasurement Program)观测资料,利用最优化参数算法,确定该闭合参数,使得对流混合层模式能最大可能地再现实际边界层的发展过程.首次尝试了最优参数算法在确定真实物理过程参数中的应用.模拟结果分析表明,在观测资料足够多的情况下,最优化方法应是确定该闭合参数的行之有效的方法.     

西南涡涡源研究的有关新进展

西南涡及其天气影响是高原气象学的一个主要方向,而西南涡的涡源则是其基本的科学问题.由于地形与环流的相互作用是西南涡涡源形成的重要机制,一直是研究关注的重点.本文回顾了近10年来西南涡涡源研究的新进展,尤其是认识到:由于地形与环流的多尺度影响,西南涡的生成涡源具有多尺度分布特征,且不同涡源西南涡的结构、演变、成因和影响都...     

广西"6.12"特大暴雨中西南涡与中尺度对流系统发展的相互关系研究

基于多种观测和数值模式模拟资料,在位涡守恒和反演理论的框架下,对2008年广西"6.12"特大暴雨过程中的西南低涡系统发展过程及其伴随的中尺度对流系统活动特征进行了分析.从天气系统的综合分析看,低涡系统在初始阶段发展相当迅速,东移过程中低空西南急流有明显增强,为中尺度对流系统的活动提供了良好的环境条件.对位涡的诊断分析...     

2000年以来西南低涡的研究进展

西南低涡是形成于我国青藏高原东南侧的一种α中尺度涡旋,是导致中国夏半年暴雨的主要天气系统之一.文中简要回顾了2000年以来有关西南低涡的最新研究成果,主要包括西南低涡的人工智能识别、西南低涡频数的长期变化及其气候学特征、西南低涡的集合预报、双核西南低涡的首次发现等.在此基础上,归纳出该研究领域需要深入探讨的若干问题,包...     

一种新型西南低涡逐步订正识别方法

西南低涡是形成于青藏高原东侧的特殊天气系统,国内学者目前对于西南低涡的识别没有统一的标准。通过分析西南低涡的主要特征,结合高度场、涡度场、风场,设计了一种适应于西南低涡的HVW识别方法,将其应用于2014年6—8月GRAPES-MESO高分辨率格点分析资料,对比与西南低涡天气图实况的差异。通过对西南低涡的识别、低涡生成和消亡时间、低涡中心位置以及低涡中心强度这几方面的具体分析,得到以下几点结论:1)HVW识别方法能够有效识别出高精度格点资料中的西南低涡过程,与格点实况的吻合率达到87.5%;对于天气图和格点资料都能够再现的西南低涡个例,HVW识别方法的准确度能够达到90.9%,说明HVW识别方法能够有效捕捉西南低涡。2)以天气图实况资料为西南低涡生命时长检验标准,HVW识别方法能够合理分析低涡的生成和消亡时间。3)对西南低涡中心位置偏差进行分析发现,HVW识别的西南低涡中心位置不仅位于西南低涡气压低值附近,更位于风场辐合中心。4)对西南低涡中心强度的评估发现,格点实况与HVW识别方法分析的西南低涡强度差异几乎可以忽略,充分说明了HVW识别方法包含了格点实况的高度场信息,也说明该识别方法的西南低涡中心强度可以用来代替格点实况结果。通过对2014年6—8月西南低涡过程的具体分析,验证了HVW逐步循环定位方法的可行性、合理性以及准确性。     

一次东移西南涡过程的平流层重力波特征研究

基于WRF模式对2011年6月16—19日一次东移西南涡过程的模拟,开展了西南涡激发平流层重力波的特征研究。东移西南涡可以分为发展、强盛和减弱3个阶段,每个阶段均伴随着强降雨天气,但由于降水位置和强度的不同,平流层重力波的分布和强度也不同。西南涡发展阶段,平流层重力波主要位于低涡的东侧,并向东北传播;西南涡强盛阶段,伴随对流降水的强度和范围明显增大,平流层重力波的振幅和范围也显著增大,且围绕西南涡的东侧和南侧呈现出半环状的重力波分布特征可分为两支,东侧波动波列表现为东北西南向分布,南侧的波列表现为东—西向分布;西南涡减弱阶段,重力波的振幅和范围均减小。波谱分析表明,重力波的纬向波数频率谱关于零频率呈非对称分布,且随着西南涡的增强,波谱在小尺度范围显著增大,即强对流更容易激发出小尺度的高频波;经向波数频率谱在波数较小谱段关于零频率基本呈对称分布,但在波数较大谱段,也呈非对称分布,这说明受平流层东风气流的影响,重力波主要向东传播。     

Parameterization of Sheared Entrainment in a Well-developed CBL.Part Ⅱ:A Simple Model for Predicting the Growth Rate of the CBL

Following the parameterization of sheared entrainment obtained in the companion paper, Liu et al. (2016), the present study aims to further investigate the characteristics of entrainment, and develop a simple model for predicting the growth rate of a well-developed and sheared CBL. The relative stratification, defined as the ratio of the stratification in the free atmosphere to that in the entrainment zone, is found to be a function of entrainment flux ratio (A _e). This leads to a simple expression of the entrainment rate, in which A _e needs to be parameterized. According to the results in Liu et al. (2016), A _e can be simply expressed as the ratio of the convective velocity scale in the sheared CBL to that in the shear-free CBL. The parameterization of the convective velocity scale in the sheared CBL is obtained by analytically solving the bulk model with several assumptions and approximations. Results indicate that the entrainment process is influenced by the dynamic effect, the interaction between mean shear and environmental stratification, and one other term that includes the Coriolis effect. These three parameterizations constitute a simple model for predicting the growth rate of a well-developed and sheared CBL. This model is validated by outputs of LESs, and the results show that it performs satisfactorily. Compared with bulk models, this model does not need to solve a set of equations for the CBL. It is more convenient to apply in numerical models.     

Observational facts regarding the joint activities of the southwest vortex and plateau vortex after its departure from the Tibetan Plateau

Using atmospheric observational data from 1998 to 2013,station rainfall data,TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission) data,as well as annual statistics for the plateau vortex and shear line,the joint activity features of sustained departure plateau vortexes(SDPVs) and southwest vortexes(SWVs) are analyzed.Some new and useful observational facts and understanding are obtained about the joint activities of the two types of vortex.The results show that:(1) The joint active period of the two vortexes is from May to August,and mostly in June and July.(2) The SDPVs of the partnership mainly originate near Zaduo,while the SWVs come from Jiulong.(3) Most of the two vortexes move in almost the same direction,moving eastward together with the low trough.The SDPVs mainly act in the area to the north of the Yangtze River,while the SWVs are situated across the Yangtze River valley.(4) The joint activity of the two vortexes often produces sustained regional heavy rainfall to the south of the Yellow River,influencing wide areas of China,and even as far as the Korean Peninsula,Japan and Vietnam.(5) Most of the two vortexes are baroclinic or cold vortexes,and they both become strengthened in terms of their joint activity.(6) When the two vortexes move over the sea,their central pressure descends and their rainfall increases,especially for SWVs.(7) The two vortexes might spin over the same area simultaneously when there are tropical cyclones in the eastern and southern seas of China,or move southward together if a tropical cyclone appears near Hainan Island.     

移出型西南涡与我国中东部降水的关系

利用常规观测资料、逐日降水和NCEP再分析资料等统计2007—2017年5—7月西南涡共计199例,其中110例移出源地发展。在移出型西南涡中有66例沿偏东路径移动,占比60%;东北路径西南涡约占28.2%;东南路径西南涡仅占10.9%。移出型西南涡与我国中东部降水具有密切关系:偏东型有利于沿江地区降水增多;东北型使江北大部分地区降水增加;东南型有利于华南地区降水增加。偏东型和东北型西南涡中心路径与雨带走向近乎平行,但存在不同程度的偏移,造成偏移差异的直接原因在于低涡北侧是否有降水。研究表明:当高空无干冷侵入时,低涡南侧偏南风越强,北侧空气湿度越大,北侧低空有偏东气流将有利于北侧空气抬升产生降水;当高空存在干冷侵入时,若北侧低层有一支湿润的偏东气流,二者叠加形成对流不稳定,也有利于降水。