大气中的降水与反降水──''98梅雨锋暴雨的天气学成因分析与预报探讨

对我国Ｔ１０６Ｌ１９（客观分析）模式大气,（１９９８年６～７月）做了大气中所有天气学降水（垂直运动形式）的计算。研究表明,’９８长江流域上空暴雨存在着明显的梅雨锋天气（尺度）系统降水,同时,长时间湿空气团的维持及其输运,和在梅雨锋上的非等熵湿绝热运动并不断形成对流不稳定降水,是强降水发生的天气学成因。因此,用模式大气中各种天气学形式的降水去（概率）统计预报实际大气降水,实现了预报因子和预报对象之间     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

考虑大尺度凝结加热的数值模拟试验

本文在五层原始方程模式[1]绝热方案的基础上，加入了大尺度凝结加热率，并以一次黄河气旋天气过程为例，进行了48小时预报。将绝热方案的预报结果与考虑大尺度凝结加热的预报结果作了对比，表明:大尺度凝结加热对气旋的发展有促进作用，它使预报更接近实况。本文在加热项的处理上，吸取了天气工作者的经验，将计算凝结项的条件作了修正，进行了一些尝试，最后取得了较为合理的结果。     

夏季江淮气旋的准地转诊断分析

本文通过实例计算,讨论了包含潜热的淮地转ω方程在夏季江淮气旋活动及梅雨暴雨预报中的适用性,并分析了绝热因子和非绝热因子的贡献。主要结论有:(1)上述方程可以较准确地确定上升、下沉区及其主要中心的位置;(2)垂直运动的符号基本上可由绝热因子确定,潜热加热对上升运动起增辐作用;(3)稳定性降水对地面低压中心的生成起主要作用;(4)可以通过计算500hPa Q矢量散度来预报降水区、暴雨区及气旋波活动的位置。     

非绝热加热对热带气旋非对称结构影响的数值试验

利用含非绝热加热强迫的正压涡度方程。将非绝热加热作适当的参数化处理。对初始对称 热带气旋作了一系列数值试验,结果表明：不仅β项、平流项在热带气旋非对称结构的形成中有重要作用,而且非绝热加热对热带气旋的非对称结构亦有重要影响,从而验证了非绝热加热是热带气旋非对称结构形成的一种可能机制的结论。     

非对称的非绝热加热对热带气旋移动影响的数值研究

采用中尺度数值模式（MM4）,以9414号台风为个例,应用卫星资料,引入非对称的非绝热加热,讨论其对9414号台风移动的影响。计算结果表明,引入与实况吻合的非对称非绝热加热分布后,该台风的路径预报和降水预报有明显改进,若同时考虑台风范围初始水汽场的非对称分布,这种改进作用尤为明显。从业务应用考虑,还构造了几种典型的螺旋状结构的非绝热加热计算方案引入模式的热力过程中,结果表明:不同螺旋状结构的加热分布对台风的移动有不同的影响,当选择与实况云系分布相近的螺旋状结构时,也可提高台风路径预报正确率,可应用于业务模式。     

华南前汛期强降水个例模式降水预报误差成因初探

2015年5月19—20日,华南出现一次暴雨过程。检验表明欧洲中期天气预报中心全球确定性预报模式(以下简称EC模式)预报的20日强降水落区在广东境内较实况明显偏北,高估了天气尺度系统附近的降水强度,漏报了其南侧暖区内中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)造成的降水,华东中尺度模式预报明显优于EC模式。利用高分辨率中尺度天气研究预报模式(以下简称WRF模式)对该暴雨过程进行了模拟,对比EC模式降水物理过程,初步探索了EC模式降水预报误差的成因,结果表明:20日位于广东暖区内的对流组织发展成MCS,并造成明显的低层冷池出流和中高层潜热加热,二者共同作用使得中低层气旋式环流在广东中东部发展,配合其南侧的强西南风水汽输送,在气旋式切变附近不断触发新的对流并南移使得广东中南部暖区内出现强降水,WRF模式能较好地模拟出该过程,而EC模式未能预报出暖区对流及其反馈,从而导致其漏报了广东中南部的强降水;EC模式预报的降水与天气尺度环流之间的正反馈进一步加大了降水的预报偏差。EC模式预报的20日白天的强降水主要位于华南北部切变线附近,且以层状云降水为主,降水产生的潜热使得对流层低层切变线附近减压更明显,预报的切变线辐合较分析场明显偏强,使得其预报的切变线附近降水较实况偏强。     

非绝热过程对热带副热带环流和天气影响的数值预报试验

本文用p—σ混合坐标系原始方程模式,对1982年5月8日至10日的一次天气过程进行了数值预报试验。试验方案有两类,一类是湿绝热预报方案,另一类是非绝热预极方案,即模式中除考虑水汽凝结所产生的潜热外,还包含了海陆分布、地形以及不同的土壤下垫面物理特征所引起的各种非绝热物理过程。文中着重比较和讨论了非绝热加热过程对于北半球热带副热带地区环流和天气现象的影响。结果指出,非绝热物理过程对于高空温压场形势的短期影响不明显,对于低层气压形势以及风场的影响较大,对孟加拉湾及高原东部影响甚大,两种方案的风矢差变率可达到100%。忽略非绝热过程,会使青藏高原热低压大为减弱,风场的气旋性环流和辐合均大为减小,西南气流也被削弱。对于降水分布和降水量来说,忽略非绝热物理过程可使孟加拉湾地区不出现降水区,我国东南部沿海地区以及西太平洋中的降水也被减少甚至消失。      

“海棠”台风（2005）降水非对称分布特征成因之大气因子研究

利用NCEP/NCAR FNL（Final Analysis）资料,通过分析1 000～600 hPa（低层）、500～100 hPa（高层）气柱内水汽条件、垂直上升运动条件及计算非地转干Q矢量及其分解、非绝热加热作用,进一步揭示大气因子对“海棠”台风（2005）降水非对称分布特征形成的贡献。结果表明:（1） 台风路径左右两侧低层大气湿度条件相当,而高层大气的湿度则是右侧明显比左侧大。（2） 台风路径右侧的高、低层大气中的垂直上升运动的范围、强度均比左侧广、强。（3） 台风路径左右两侧的高层大气对垂直上升运动的强迫作用相当,而台风路径右侧低层大气垂直上升运动的范围、强度明显比左侧广、强。均呈现出明显的非对称分布特点。进一步Q矢量分解诊断分析表明,低层大气中尺度天气系统对垂直上升运动的强迫作用比大尺度天气系统的强迫作用大。（4） 台风路径左右两侧的高、低层大气中均一直存在非绝热加热作用,且在范围及强度上均呈现出一定的非对称分布特点。高层大气的湿度条件、低层大气对垂直上升运动的强迫作用,尤其是低层大气中尺度天气系统的强迫作用,及高、低层大气中的非绝热加热作用,均呈现出与“海棠”台风（2005）降水场相似的非对称分布特征,表明上述大气因子均有助于降水非对称分布特征的形成。      

国外暴雨研究的发展动向

自从四十年代天气雷达问世之后,人们逐步认识到,中纬度气旋中的大部分较强的降水过程是三类尺度过程综合作用的结果:降水区域是由气旋尺度决定的,雨区呈大的中尺度带状分布,在这些带中镶嵌着小对流单体。近年来,国外大尺度数值天气预报中对降水区域的预报已取得了一定成绩,但雨量一般报得偏小,尤其是暴雨预报的水平很低(2,3)。这与一般业务数值模式分辨率小,难于描述中尺度系统是分不开的。尤其是,对于各类尺度天气系统之间相互     

降水与副热带高压位置和强度变化的数值模拟

利用国家气象中心的T63业务数值模式,通过不同的对流潜热加热的敏感性试验,研宄降水对西太平洋反气旋中、短期运动的影响.结果表明,非绝热加热在垂直方向的不均匀将引起加热区附近风场的变化,从而影响到副热带高压位置和强度的改变.而副热带高压的变化又会反过来影响降水区位置的变化.由此证明,在中短期过程中,降水与副高之间存在着相互作用.     

东北太平洋一次强爆发性气旋发展的机制分析

使用FNL Analysis全球格点资料,对东北太平洋一次强爆发性气旋的特殊性进行了分析,发现气旋对其西北部低压系统的吸收合并是其爆发性发展过程中的典型特征,斜压强迫对其快速发展的作用较弱,与西北太平洋爆发性气旋的发展过程存在显著差异。同时,使用Zwack-Okossi诊断方程,从影响爆发性发展的动力和热力因子方面,对其发展机制作了深入的探讨。研究表明,正涡度平流、暖平流和非绝热加热的共同作用使气旋开始爆发性发展,由潜热释放导致的非绝热加热的贡献最大,非绝热加热是其快速发展的主导因子,其中正涡度平流贡献主要来自于中高层,暖平流的贡献主要来自于中低层和高层,而非绝热加热主要发生在中低层,这为东北太平洋爆发性气旋的发展机制提供了一个新的认识。     

NUMERICAL EXPERIMENTS OF THE INFLUENCE OF DIABATIC HEATING ON TROPICAL CYCLONE ASYMMETRIC STRUCTURE

Using the barotropic volticity equation that contains forcing from diabatic heating with appropriate parameterization. a number of numerical experiments are conducted for the tropical cyclone that is initially symmetric The result shows that the diabatic heating has important effects on the asymmetric structure in addition to the roll of the β term and nonlinear advection term in its formation. It again confirms the conclusion that the diabatic heating is a possible mechanism responsible for such structures in the tropical cyclone.     

A CASE STUDY OF FRONTAL CYCLOGENESIS AND ITS SENSITIVITY TO COASTAL INITIAL CONDITIONS*

In this study,the predictability and physical processes leading to the rapid frontal cyclogenesis,that took place in the east coast of the U.S.during 3-4 October 1987,are examined using a nestedgrid.mesoscale model with a fine-mesh grid size of 25km.It is shown that the model reproduces reasonably well the cyclogenesis in a coastal baroclinic zone.its subsequent deepening and movement as well as the pertinent precipitation.It is found that the frontal cyclogenesis occurs in a favorable large-scale environment with pronounced thermal advection in the lower troposphere and marked potential vorticity(PV) concentration aloft associated with the tropopause depression.The transport of warm and moist air from the marine boundary layer by the low-level in-shore flow provides the necessary energy source for the observed heavy precipitation and a variety of weather phenomena reported in the cold sector.Several 24-h sensitivity simulations are performed to examine the relative importance of diabatic heating,adiabatic dynamics and various initial conditions in the frontal cyclogenesis.It is found that latent heat release,even though quite intense,accounts for only 25% of the cyclone's total deepening in this case:the weak impact seems due to the occurrence of latent heating in the cold sector and the upward lifting of the dynamical tropopause by diabatic updrafts.Vorticity budgets show that the lowlevel thermal advection dominates the incipient stage,whereas the vorticity advection determines the rapid deepening rate at the mature stage.The results reveal that the predictability of the present storm is closely related to the vertical coupling between the surface cyclone and the upper-level PV core,which is in turn determined by initial offshore perturbations in the lower troposphere.     

天气预报的业务技术进展

该文总结回顾了中央气象台近年来的天气预报业务技术进展。天气预报质量的历史演变显示了预报业务水平的提高, 这种业务能力的提高既反映了预报技术的发展, 也带来了天气预报业务的变化。对业务天气预报中各种预报技术应用进展的分析表明:数值预报在天气预报业务能力提高中发挥着重要的基础性作用; 同时, 基于对不同尺度天气影响系统发展演变过程深入认识的基础上, 天气学的预报方法依然是预报业务中的重要技术方法; 动力诊断预报已成为灾害性天气预报中的重要手段之一, 数值预报产品的解释应用是实现气象要素精细定量预报的技术途径。     

非绝热加热对江淮气旋影响的数值模拟

本文采用数值模拟方法考察了潜热、感热和水汽蒸发等诸因素对江淮气旋的影响。对各种试验进行了涡度平衡与能量平衡的诊断分析,结果表明:江淮气旋初生时,扰动从基本气流中获得能量,正压不稳定起着重要作用;在江淮气旋发展后期,斜压性比较明显。潜热释放有意义地修正了系统的相速,一定程度上加强了系统的强度。海上感热和水汽蒸发促进了深对流发展,加大降水,同时加强了有效位能的释放,从而加强了系统发展,但它们的作用是有阶段性的。     

The role of dynamic and diabatic processes in the generation of cut-off lows over Northwest Africa

Summary The present observational study addresses the role of dynamic and diabatic processes leading to the generation of four deep upper-level troughs/cut-offs, involved in two extreme precipitation episodes over West Africa during the cool season. The elongated potential vorticity (PV) streamers associated with the observed troughs form as a result of an equatorward transport of high-PV air downstream of a large ridge over the central North Atlantic. Strong deformation along the eastern side of the ridge leads to a thinning of the PV streamers. In some situations the tips of the streamers break up and form distinct and long-lived stationary cut-offs near West Africa, in particular if the presence of another PV ridge downstream allows a complete isolation from the midlatitude westerlies. In other situations a prior anticyclonic wave-breaking event over Europe leads to an advection of high-PV towards the Iberian Peninsula that merges with the streamer and impedes a complete cut-off. The observations presented here suggest that the rapid amplification of the PV ridges over the North Atlantic and thus the subsequent streamer formation are related to upstream latent heating through non-conservative diabatic reduction of upper-level PV and through the strong divergent outflow near the tropopause that support large negative isentropic PV advection. The intense latent heat release is promoted by cyclo- and frontogenesis, and the transport of warm, moist air by a low-level jet ahead of the surface cold front (often called a warm conveyor belt; WCB). Diabatic PV tendencies are highest where the WCB rises over the surface warm front to the northeast or east of the cyclone centre. In most cases the distinct heating occurs in connection with a strong upper-level jet and a rapid deepening of the involved surface cyclone. More quantitative dynamical and statistical studies of the suggested relation are needed to better understand the relative contributions of single factors to the large and synoptic scale evolution that leads to PV streamers/cut-offs near West Africa.     

“6·30”川渝特大暴雨过程中西南低涡发展机制模拟分析

利用地面加密自动站、NCEP(1°×1°)再分析及WRF-ARW数值模拟资料,对造成2013年6月29日至7月1日川渝地区特大暴雨过程的西南低涡的演变特征及热动力机制进行了诊断分析。此次特大暴雨过程分为三个阶段,其中与西南低涡发展相关的第二阶段为主要降雨时段。结果表明:(1)西南低涡生成后,呈现增强-减弱-再次增强的波动性演变特征,在6月30日上午和夜间分别经历了两次显著的涡度发展过程,并在第二次发展过程中达到最强。(2)低空辐合是西南低涡最主要的涡源,由低空辐合导致的正涡度增加近乎贯穿于整个西南低涡的生命史。在西南低涡的第二次发展过程中,中层辐合和涡度的垂直输送显著增强,也是西南低涡的重要涡源。(3)负值非平衡动力强迫激发了低空辐合的增长,在非平衡动力强迫的各项中,位势高度的拉普拉斯项为非平衡动力强迫提供了主要的负贡献来源。(4)非绝热加热先于西南低涡而增强,两者间的正反馈作用可能是西南低涡波动性发展的重要机制。在关闭了微物理过程中的潜热和地面潜热及感热通量的敏感性试验中,西南低涡及降雨的模拟均有不同程度的减弱。