一次西南低涡降水雷达回波结构和演变特征分析

基于新一代天气雷达三维组网等多源气象数据分析了2009年7月30～31日的一次西南低涡触发的强降水天气过程以及主要降水时段雷达回波三维结构及演变特征,研究发现：(1)西南低涡降水与低涡强度发展存在不一致性,强降水出现在低涡强度达到最强之前;(2)中尺度对流系统的发生、发展是此次低涡降水的重要影响因素,西南低涡与中尺度对流系统既相互独立又相互影响,降水是两者共同作用的结果;(3)最强组合反射率因子同样出现在西南低涡发展到最强盛之前,西南低涡能显著影响盆地内降水雷达回波的强度与类型。     

一次中亚低涡的动力热力结构及演变特征

利用NCEP再分析1°×1°资料对2009年9月4-7日造成新疆西南部一次暴雨过程的中亚低涡的动力热力三维结构及演变特征进行了分析,并初步探讨了低涡的发生、发展机理。结果表明:此次中亚低涡具有明显的冷心结构且较为深厚,首先在对流层中高层发展(300 h Pa高度上低涡中心及演变特征最为明显),随时间向低层延伸,其发展—成熟—减弱过程是一个斜压—正压—斜压的过程。成熟期,300 h Pa之下均为冷异常,冷中心与高度中心相重合,轴线趋于垂直;低涡中心附近对流层整层均为正涡度区,在其东西两侧300 h Pa高度上存在对称的正涡度中心;低涡中心附近对流层低层辐合、中高层辐散的结构有利于上升运动及中亚低涡的维持发展。减弱期,冷中心强度明显减弱,轴线向西倾斜,低涡中心附近对流层中高层出现负涡度区,无明显辐散辐合和上升运动。此次过程中,上升运动与充足的水汽相互配合,引发强降水。对流层"上干下湿"的空间结构、冷空气向下传递以及高位涡的侵入和向下传递对低涡的发展演变有重要意义。     

一次强烈发展西南低涡的中尺度结构分析

通过对1989年7月8～10日发生于四川盆地东部的西南低涡的诊断分析,揭示了西南低涡成熟期的三维结构。结果表明,成熟阶段的西南低涡正涡度可伸展到100 hPa以上,中心轴线垂直;其流场和高度场表现为贯穿对流层的中尺度气旋和低压;涡区内动量、层结、垂直运动等呈非对称分布,是一个准圆形而非对称的中尺度系统。     

一次强烈发展西南低涡的中尺度结构分析

2021年8月7—8日,四川盆地中东部出现大暴雨、局地特大暴雨,是重庆2021年度社会影响最大的一次暴雨过程。采用多源观测及ERA5再分析资料,对此次大暴雨过程进行诊断分析。结果表明：大暴雨发生在低槽移入四川盆地诱发暖性西南低涡背景下,具有显著的阶段性、跳跃性和极端性特征。大暴雨先后形成于西南低涡中心东南部、西南低涡东侧和西南低涡南侧暖湿的边界层辐合线附近。各阶段大暴雨均由移动缓慢、维持时间达3~6 h的β中尺度对流系统影响形成,暖湿不稳定和弱垂直风切变为β中尺度对流系统的形成提供了有利的环境条件。涡度分析表明,西南低涡的发展主要源于低空辐合及垂直涡度输送效应,但暴雨区的正涡度发展与西南低涡并不完全相同,水平涡度倾侧效应较为显著。第一阶段暴雨区正涡度主要源于对流层中低层西南低涡中心附近显著的低空辐合、涡度垂直输送及水平涡度倾侧效应;第二阶段和第三阶段暴雨区正涡度主要源于边界层辐合及边界层以上的水平涡度倾侧效应,边界层辐合触发暖湿大气中的中尺度对流活动促进了第二阶段和第三阶段大暴雨的形成。

     

春季两次东移型西南涡云系的发展演变特征

采用FY-2E和Cloud Sat卫星资料、雷达资料、NCEP再分析资料和常规观测资料,分析2013年春季2次西南涡云型、云系结构和雷达回波演变、环境场特征。结果表明:(1)2次西南涡形成都伴随有高原槽东移和高原东侧偏南低空急流增强,偏南低空急流增强对低涡形成和东移起重要作用;(2)西南涡云系结构与低涡环流密切相关,西南涡形成和东移初期,低涡环流结构呈椭圆形,西南涡云系表现为叶状云系或逗点云系,随着低涡后部冷空气入侵加剧,低涡云系形成典型的"S"型后边界。低涡云系的结构形式和边界形状,对低涡形成和东移、急流发展有指示作用;(3)低涡降水分布与低涡云系结构有一定关系,低涡水平云系分布为叶状云系时,降水中心位于其东南部,低涡云系水平分布为逗点云系时,降水中心位于其逗点云内;(4)受低涡云系结构影响,低涡云系降水可分为2个阶段,第1阶段为低涡暖区降水,回波带呈反气旋弯曲,向东移动并向东北方向旋转;第2阶段中层干冷空气下沉加剧,干冷和暖湿气团交汇形成西南—东北向带状回波,雷达回波上"人"字形回波形成。     

一次夏季低涡系统中MCS演变特征

2011年7月11-13日,黑龙江省西部连续出现3次中尺度强对流天气,伴有短时强降水、冰雹、大风、雷电等天气。利用多种观测资料,对MCS环流、中尺度及物理量特征进行分析,探究低涡系统下MCS的演变规律。结果表明：地面辐合线和干线是触发强对流天气产生的重要因素。高低空一致的切变线和辐合线促使MCS的发展,MCS向不稳定能量区移动。假相当位温、K指数、沙氏指数和上干下湿的水汽条件及上冷下暖的温度平流等物理量因素对MCS发生发展有重要指示作用。飑线发生在MCS云团强度梯度大的前边界,该地域是强对流天气的多发地。     

一次西南涡特大暴雨过程中MCS的演变特征

采用常规观测、地面自动观测、风廓线雷达及多普勒雷达资料,结合NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料对2013年6月30日川渝特大暴雨过程中MCS的演变特征进行了分析,结果表明:(1)强降水及MCS均呈现增强—减弱—再次增强的演变特征,在MCS的增强阶段有中气旋和强降水超级单体的活动。(2)MCS生成并维持于西南涡前部次级环流的上升支内,西南涡缓慢东移并持续增强,为MCS的长时间维持提供了有利的背景动力条件。(3)MCS的波动性演变特征与西南涡的持续增强特征并不一致,其波动性演变与中低层西南风或南风急流的变化、低空及地面暖湿入流的变化有关。中低层西南风或南风急流的增强、低空及地面暖湿入流的增强均有利于MCS的增强。     

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。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8～10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛（冷云中心TBB最低）时。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8~10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛(冷云中心TBB最低)时。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

利用热带测雨卫星(TRMM)探测资料和ERA5再分析资料,研究了2006年7月6日发生在青藏高原东坡的一次强降水过程,并在此基础上分析了青藏高原东坡夏季(6—8月)的降水结构特征。研究结果表明：青藏高原东坡较强降水个例发生在低层辐合、高层辐散的降水环境背景场中,雨带呈东北-西南分布,最大降水强度超过20 mm·h^-1。对流降水回波顶高超过17 km,层状降水回波顶高低于15 km,6.5 km高度存在亮带,且外形也似非高原地区的层状降水垂直结构。统计分析表明在高原东部偏南区、高原东部与四川盆地交界区南部的夏季降水频次高,而在高原东部偏北及四川盆地的降水频次、对流和层状降水频次均比上述地区小;多年夏季的日均降水量分布大体与降水频次分布类似。降水反射率因子的垂直结构具有地域性特点,高原东部偏南和偏北区的回波垂直结构相似,因受到地形高度的压缩,其降水垂直结构与非高原地区的不同;而高原东部与四川盆地交接区的降水垂直结构外形,介于高原与非高原之间;四川盆地的对流降水和层状降水垂直结构与中国东部平原及热带副热带洋面的相近,但层状降水的亮带高度高出1 km。

     

黔西南一次低涡切变型暴雨的中尺度分析

利用常规观测资料、FY-2E TBB资料、自动站降水资料及1°×1°NCEP再分析资料,对发生在黔西南2014年6月9日的暴雨过程进行了分析,结果表明：本次暴雨过程主要是由低涡切变造成的,低涡切变东南移的过程中,黔西南地区低层辐合明显加强,触发了中尺度对流系统的发生发展。暴雨过程强度大、持续时间较短,有典型的 中尺度特征。两个大暴雨中心是由两个MCS产生的,都是沿低涡前侧的切变线移到暴雨中心上空的,降水主要出现在MCS的中部冷云区及梯度大值区。雷达回波资料显示此次过程是由多个对流单体发展、合并,形成混合性片状回波,回波往东南移的过程中逐渐减弱消散。暴雨发生前及发生时整个黔西南地区中低层有强烈的辐合上升运动,中高层为下沉运动,黔西南低层的 为高值区且等值线密集,整层湿层深厚,动力强迫上升运动加强低层能量和水汽的向上输送,加强了中尺度对流系统的发生发展。     

一次高原涡和西南涡作用下强降水的回波结构和演变分析

2009年7月30—31日,青藏高原东侧背风坡发生了一次持续性强降水过程。在高原涡和西南涡相继出现并相互作用的天气环境中,四川盆地内生成了3个中尺度对流系统。使用新一代天气雷达组网的反射率因子,美国环境预报中心(NCEP)再分析资料,以及热带测雨卫星搭载的测雨雷达(TRMM PR)反射率因子,可以得到这次暴雨的发展演变及其三维结构特征。通过与TRMM PR探测资料的对比验证,地基组网雷达的结果与其非常一致,基本能反映出对流系统的演变全貌,而在高原和山区地基雷达缺测的区域,测雨雷达探测资料可以做为补充。分析表明,降水落区的低层正涡度和水汽辐合上升与高层负涡度和水汽辐散相配合,是触发暴雨的有利条件。第1个降水系统位于高原涡东南侧,随着高原涡的移动衰亡移出盆地并最终消散,降水系统和高原涡在时间上有滞后相关,二者移动速度的突变较为一致;第2和第3个降水系统在西南涡出现的时段强烈发展,在局地停留维持并打通成为一条沿山脉走向的贯穿整个盆地的混合降水回波带,在西南涡发展至成熟阶段给四川盆地南部带来最大小时降水,降水系统和西南涡的相关无论在强度还是移速上都非常显著。在复杂的地形条件下,青藏高原和四川盆地相接处,降水云团的0℃层高度并未随地表发生明显变化,但降水云团进入盆地后,低于0℃层高度的降水粒子融化变为液相,使得云团从对流型降水变为分层结构的层云降水。     

引发川东暴雨的西南低涡演变特征个例分析

利用NCEP格点再分析资料、观测资料和MM5模式的高分辨率输出资料,对2004年9月4～6日发生在四川盆地东部地区的大暴雨过程进行了诊断分析和数值模拟,重点分析引发这次大暴雨的西南低涡的结构和演变特征及其在暴雨发生发展过程中的作用。对低层850 hPa、700 hPa 候平均水汽通量和各时刻整层水汽通量的分析表明,此次西南低涡暴雨的水汽主要来自于南海,水汽沿西太平洋副热带高压的西南侧经青藏高原东部流入四川盆地。在西南低涡的发展过程中,“桑达”台风向西北移动, 阻断了西太平洋副热带高压的东退并切断副高,被切断的高压部分滞留在西南低涡东侧,导致低涡不能顺利东移。数值模拟研究发现,在西南低涡的发展过程中,中层400～500 hPa 附近一直伴有涡旋的存在,且此涡旋的发展演变过程与低层涡旋明显不同;中层涡旋的发展不像低层涡旋那样呈现单边持续地增长或衰减的特征,而是呈现明显的增长－衰减－再增长的演变特征,其最大值增长时段和低层涡旋也并不一致。 分析表明这个中层涡旋实际上是中层大气里一个中尺度闭合低压造成的,这个闭合低压是由高空槽加深发展而来的。数值模拟输出结果还显示,发生在西南低涡东侧切变线里的对流垂直运动是由高空槽里的闭合低压激发出来的。     

一次西南低涡发生发展的中尺度诊断

采用常规和非常规观测资料,对一次西南低涡发生、发展过程进行了初步诊断分析,结果表明：（１）与自由大气中低涡环流的变化相比,边界层内低涡环流的演变表现出非连续性特征,且涡区内的对流发展和降水也与此相一致。（２）大气边界层顶的非平衡动力强迫及５００ｈＰａ正涡度平流的动力作用对本例低涡的形成和发展有重要贡献。     

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

西南低涡暴雨的中尺度特征

本文用综合方法,分析了对流层各层合成西南低涡所对应的大中尺度流场,并给出其物理图象。应用每小时雨强、雷达回波和卫星云图资料,揭露了西南低涡的某些中尺度特征。这对进一步了解西南低涡的形成、发展及其内部的结构是有用的。     

秋季川东北一次西南低涡大暴雨分析

利用高空实况实时分析场、FY-2ETBB以及地面加密自动站实况资料,对2014年9月13~14日发生在四川盆地东北部的大暴雨过程进行了分析。结果表明:(1)川东北大暴雨天气过程形成的关键是较为深厚的西南低涡长时间稳定少动,大暴雨区位于北支西风急流南侧和南支东风显著风速带北侧辐散上升运动区的重叠区内,稳定的东高西低的环流形势是这次暴雨发生的大尺度环流特征,地面风向切变的形成对暴雨的产生具有一定的指示意义;(2)在长生命史、稳定的西南低涡内存在多个MCS对流云团的连续生消,MCS云团冷云中心都呈近圆形,移动缓慢,云团发展到成熟阶段,冷云中心TBB值低于-72℃,在减弱的冷云罩中有中小尺度雨团的生成、畸变、分裂的现象发生,在每个强降雨时段内又存在着两个或多个短时强降水峰值;(3)在此次降水过程中重庆沙坪坝站对于广安13日的强降水更具有指示意义,3个时次中沙坪坝站露点曲线和层结曲线之间形成低层暖湿,中高层干冷,有利于强对流天气发生的“喇叭口”形状。      

一次大暴雨过程中高原低涡与西南低涡相互作用机制探讨

对2007年7月16-19日高原低涡东移形成的川渝地区大范围大暴雨过程,利用自动气象站雨量资料、常规观测资料、FY-2C TBB云图资料和T213分析场资料,采用天气动力学和中尺度诊断方法,分析了大暴雨的形成机制.结果表明:此次大范围大暴雨过程是高原低涡诱发西南低涡发展从而形成耦合系统造成的,其垂直上升运动气柱和涡柱的耦合发展与维持是低涡发生发展并产生持续性强降水的动力机制,对流层下部深厚不稳定层结的形成和维持是低涡发展并形成持续对流性降水的热力层结条件.     

清远地区汛期西南低涡型暴雨统计特征

利用1990～1999年Mieaps和ECMWF2．5°×2．5°再分析资料,对清远汛期暴雨与西南低涡活动进行了统计研究。结果表明,西南低涡中心位于107．0°～113．0°E、22．5°～26．0°N和117．5°～121．0°E、30．0°～33．0°N时,清远地区当日最容易出现区域性暴雨降水,并给出西南低涡型清远地区汛期区域性暴雨预报思路,为该类型暴雨预报提供依据。