一次梅雨锋暴雨的数值模拟及位涡诊断

为了探讨暴雨与湿位涡场分布特征之间的关系,利用NCEP 1°×1°间隔6 h的再分析资料,通过计算湿位涡（MPV）的垂直分量(MPV1)和水平分量(MPV2),对华北一次暴雨过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明：此次暴雨发生在对流层低层等θ_se线密集带内,降水前对流层低层MPV1 < 0、MPV2 > 0,暴雨区存在对流不稳定和斜压不稳定;暴雨区位于对流层低层MPV1、MPV2正负过渡带的等值线密集带内,有利于水汽辐合和垂直涡度的加强;主要降水期间,850 hPa层MPV1起主导作用,MPV1负值增大、MPV2正值减小,降水后期,MPV1 > 0、MPV2几乎为0,大气层结接近对流稳定。低层湿位涡中心的时空分布与暴雨的发生和落区有很好的对应关系。

     

强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析

2012年和2013年夏季有两个高原低涡向东北方向移出青藏高原,随后在西北地区引发暴雨天气,其中2013年的高原低涡移动路径更加偏东,其暴雨强度更强、落区偏东且范围更广。基于ERA-Interim再分析资料和台站降水资料,对比分析两次高原低涡移动过程中的大尺度环流以及低涡对强降水的影响,并结合湿位涡进行诊断分析。结果表明：500 hPa河套高压脊与200 hPa西风急流对高原低涡的移动存在显著影响,两者位置及强度的差异是造成两次高原低涡移出位置不同的主要原因。低涡高（低）层辐散（辐合）结构有利于垂直运动的发展,为暴雨提供了有利的动力条件。低涡的低层辐合有利于水汽向暴雨区输送。正压湿位涡诊断结果表明2013年低涡过程暴雨区有更强的不稳定条件;斜压湿位涡诊断表明2013年低涡过程有来自西太平洋的暖湿气流向暴雨中心输送。

     

Tracking surface cyclones with moist potential vorticity

1. Introduction There have been two di?erent approaches used fortracking extratropical cyclones. The traditional andmost common approach is to follow the minimum sur-face pressure of a cyclone (e.g., Petterssen, 1956; Car-nell and Senior, 1998; Serreze…     

Anomaly of the Moist Potential Vorticity Substance with Mass Forcing and Its Application in Diagnosing Mei-Yu Front Rainfall

The effects of precipitation on the moist potential vorticity substance(MPVS) are investigated by analyzing the MPVS with precipitation mass forcing and its impermeability in daily 1°× 1° data of the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) over the Yangtze River Basin from 21 June to 2 July 1999. The results show that the positive MPVS anomalies appear mainly along the Mei-yu front, where the maximum MPVS collocates with the maximum surface rainfall. Rain case diagnoses indicate that the MPVS anomaly may be used as a dynamical signal to detect the location and shift of the rain band when its impermeability is considered.     

“98·5”华南前汛期暴雨的湿位涡异常诊断:质量和热力强迫的数值分析

利用MM5输出的高分辨率资料对“98．5”华南暴雨的湿位涡进行了诊断分析，分析了质量强迫和热力强迫引起的湿位涡异常。结果揭示：降水区位于负湿位涡的下方，负湿位涡的趋势走向与降水区的一致。造成本次暴雨的成因中包括湿对称不稳定和对流不稳定两种机制，湿位涡MPV（moist potential vorticity）的分量MPV2对MPV起主要作用，其中主要是MPV2v的贡献。质量强迫和热力强迫共同作用引起湿位涡异常变化，它们的作用大小相当，在研究暴雨时，不可忽略因降水造成的质量强迫。     

2013年浙江两次汛期暴雨过程对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,对2013年4月29日(4.29)和6月6日(6.6)浙江两次汛期暴雨的天气形势场、热力动力和水汽条件进行对比分析,研究浙江暴雨的机理,为暴雨预报提供依据。结果表明:1)4.29暴雨影响系统高层为西风槽、低层为低涡;6.6暴雨高低层影响系统均为低涡。2)4.29暴雨高空西风急流强,垂直方向上存在正向环流圈,低层辐合对应高层辐散;6.6暴雨高空西风弱,垂直方向上无明显环流圈,散度场分布较复杂。3)4.29暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海-西太平洋;6.6暴雨主要水汽来源为孟加拉湾、南海-西太平洋和东海。4)4.29暴雨过程中锋区呈东西走向,有较强冷空气侵入,而6.6暴雨过程中锋区呈东南-西北走向,只有较弱冷空气侵入。     

Evolution of moist potential vorticity during a warm-zone heavy rainfall event in the Pearl River Delta

First,based on routine meteorological data,the synoptic characteristics of a heavy warm-sector rainfall that occurred on June 13,2008 in the Pearl River Delta were analyzed.Second,a mesoscale numerical model,Weather Research and Forecasting(WRFV2.2),was used to simulate the heavy rainfall. Diagnostic analyses were done of moist potential vorticity(MPV)for its horizontal components(MPV2) and vertical components(MPV1)based on the simulation results of WRFV2.2 to identify the mechanism of the rainfall development.The results showed that the heavy rainfall occurred when there were high MPV1 in the upper levels and low MPV1 and high MPV2 in the lower levels.Disturbances of high MPV1 in the upper levels came from the southwest or northwest,those of low MPV1 in the lower levels came from the southwest,and those of high MPV2 came from the south.Disturbances of low MPV1 at low levels were the direct cause of convective instability.Enhanced vertical shear of meridional wind led to increased MPV2 at lower levels,strengthened baroclinicity,and active warm and wet flows.These distributions of MPV helped to trigger the release of unstable energy and produce warm-sector heavy rainfall.As it integrates the evolution of dynamic and thermal fields,MPV is able to reveal the development of this heavy rainfall effectively.     

Sensitivity of Cyclone Tracks to the Initial Moisture Distribution： A Moist Potential Vorticity Perspective

In this study, the characteristics of moist potential vorticity （MPV） in the vicinity of a surface cyclone center and their physical processes axe investigated. A prognostic equation of surface absolute vorticity is then used to examine the relationship between the cyclone tracks and negative MPV （NMPV） using numerical simulations of the life cycle of an extratropical cyclone. It is shown that the MPV approach developed herein, i.e., by tracing the peak NMPV, can be used to help trace surface cyclones during their development and mature stages. Sensitivity experiments are conducted to investigate the impact of different initial moisture fields on the effectiveness of the MPV approach. It is found that the lifetime of NMPV depends mainly on the initial moisture field, the magnitude of condensational heating, and the advection of NMPV. When NMPV moves into a saturated environment at or near a cyclone center, it can trace better the evolution of the surface cyclone due to the conservative property of MPV. It is also shown that the NMPV generation is closely associated with the coupling of large potential temperature and moisture gradients as a result of frontogenesis processes. Analyses indicate that condensation, confluence and tilting play important but different roles in determining the NMPV generation. NMPV is generated mainly through the changes in the strength of baroclinicity and in the direction of the moisture gradient due to moist and/or dry air mass intrusion into the baroclinic zone.     

台风“山竹”（1822）引发华南暴雨过程机制分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°的FNL再分析资料、CMORPH（CPC MORPHing technique）卫星-地面自动站融合降水数据以及FY-2G卫星反演的TBB（black-body temperature,云顶亮温）对1822号台风“山竹”在华南造成强降水过程进行了分析。结果表明：西北太平洋副热带高压和南亚高压的稳定维持有利于台风残涡持续影响华南地区;低层来自孟加拉湾的低空急流与西北太平洋副热带高压南侧偏东风汇合后建立起一条连接华南的水汽通道;在登陆台风影响下,大气视热源和视水汽汇主要来自于垂直运动释放的凝结潜热;湿位涡诊断分析表明强的水平风垂直切变导致低层大气斜压性增强,出现显著的对流不稳定。     

Study on moist potential vorticity and symmetric instability during a heavy rain event occurred in the Jiang-Huai valleys

In the light of the theory on moist potential vorticity (MPV) investigation was undertaken of the 700 hPa vertical (horizontal) component MP1 (MPV2) for the heavy rain event occurring in Ju-ly 5-6,1991. Results show that the distribution features of the two components were closely related to the development of a mesoscale cyclone as a rainstorm-causing weather system in the lower troposphere in such a way that the ambient atmosphere of which MPV1>0 and MPV2<0 with |MPVl|≥|MPV2| favored the genesis of conditional symmetric instability (CSI) and that, as in-dicated by calculations, a CSI sector was really existent in the lower troposphere during the heavy rain happening and contributed greatly to its development.     

Up-sliding Slantwise Vorticity Development and the complete vorticity equation with mass forcing

The moist potential vorticity (MPV) equation is derived from complete atmospheric equations including the effect of mass forcing, with which the theory of Up-sliding Slantwise Vorticity Development (USVD) is proposed based on the theory of Slantwise Vorticity Development (SVD). When an air parcel slides up along a slantwise isentropic surface, its vertical component of relative vorticity will develop, and the steeper the isentropic surface is, the more violent the development will be. From the definition of MPV and the MPV equation produced here in, a complete vorticity equation is then put forward with mass forcing, which explicitly includes the effects of both internal forcings, such as variations of stability, baroclinicity, and vertical shear of horizontal wind, and external forcings, such as diabatic heating, friction, and mass forcing.When isentropic surfaces are flat, the complete vorticity equation matches its traditional counterpart. The physical interpretations of some of the items which are included in the complete vorticity equation but not in the traditional one are studied with a simplified model of the ChangjiangoHuaihe Meiyu front. A 60-h simulation is then performed to reproduce a torrential rain event in the ChangjiangoHuaihe region and the output of the model is studied qualitatively based on the theory of USVD. The result shows that the conditions of the theory of USVD are easily satisfied immediately in front of mesoscale rainstorms in the downwind direction, that is, the theory of USVD is important to the development and movement of these kinds of systems.     

2015年梅雨期长江下游地区两次暴雨天气过程的成因对比分析

利用基本气象站观测资料、ECMWF ERA资料和NCEP FNL资料,通过对强降雨时刻的多种物理量场诊断,分析了2015年梅雨期发生在江苏省沿江地区的6月16—17日和27—29日两次大暴雨的形成原因。结果表明,两次大暴雨过程均发生在西太平洋副热带高压稳定维持、西南气流强盛、高层有冷空气不断入侵的大环流背景下,受中低层江淮切变线和西南急流共同影响,冷暖空气一直在沿江一带交汇,造成沿江地区持续强降水过程。两次大暴雨发生时32°N附近梅雨锋很明显,锋面随着高度的升高向北侧冷区倾斜,强降水主要位于梅雨锋南侧的暖区内。该侧700 hPa高度层以下湿位涡为负值表明大气为对流不稳定,且随着降水的发生,中层有弱冷空气入侵,使得大气的对流不稳定性进一步加强。强的降水区主要位于低空急流的左侧和高空急流的入口区右侧,高低空急流的这种配置带来了风场高层辐散、低层辐合,有利于垂直上升运动加强。同时低层暖平流和中高层正的相对涡度平流交汇于32°N附近,也有利于暴雨区的上升运动加强。暴雨区与850 hPa水汽通量散度负值中心相吻合,表明低层西南急流为暴雨区源源不断地提供水汽。     

2015年5月18—19日江西南部区域性暴雨天气过程成因

利用常规气象观测资料及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2015年5月18—19日发生在江西南部的区域性大暴雨天气过程的雨情及影响系统进行了分析。结果表明,中高纬度地区东北冷涡东移南调,引导其南侧高空槽东移,并引发弱冷空气南下;副热带高压偏强且维持在18°N附近。弱冷空气与副热带高压北侧西南急流持续交汇有利于江西南部地区出现大暴雨的稳定环流型。副热带高压西北侧旺盛的水汽输送及辐合在江西南部的维持为大暴雨的发生提供了充足的水汽条件。多尺度系统相互作用导致江西南部的东北部局地较强的静止锋锋生作用是此次大暴雨天气过程发生的主要天气学成因。     

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演在台风暴雨研究中的应用进展

Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演是近代天气学中的先进动力诊断工具。Q矢量被视为估算垂直运动的有效方法。螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量。位涡是一个综合反映大气热力和动力性质的物理量并具有守恒性和可反演性。位涡反演是指在给定位涡分布和边界条件且假定运动是平衡的情况下,可以反演出同一时刻的风、温度、位势高度等物理量的分布。台风暴雨形成机理及其预报研究一直是大气科学研究领域的重点和业务天气预报工作的难点。文章将着重总结分析国内外有关将Q矢量、螺旋度、位涡及位涡反演方法应用于台风暴雨研究的进展状况,并对未来如何综合应用上述诊断工具进行了展望。     

贺兰山东麓两次局地暴雨过程的湿位涡诊断分析

利用自动气象站雨量资料、MICAPS4调阅资料以及NCEP再分析资料,对比分析了2016年8月21日和2018年7月22日宁夏贺兰山东麓两次局地暴雨过程的降水特征、环流形势等,重点对两次过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明:两次暴雨过程第一阶段均为暖区降水,表现出降水范围小、时间短、强度大,相对第一阶段降水,第二阶段降水范围较大、雨强较小。两次过程强降水均发生在假相当位温(θse)等值线密集区,并沿低空急流轴呈长条状分布,强降水时段与θse最大值出现时间相一致。暴雨区位于位涡(PV)负值中心区附近,暴雨发生发展过程与PV负值中心的移动和变化较为一致,PV负值中心的加强和减弱以及移动方向对局地暴雨的预报有很好的指示意义。对流层500 hPa以上湿位涡正压项(MPV1)正的大值区对应700 hPa以下负的大值区,正负中心区垂直叠加的配置有利于暴雨发生发展。垂直剖面图上600 hPa都存在湿位涡斜压项(MPV2)负极值中心,对流层中低层MPV2负极值中心的强度和维持时间以及变化对局地暴雨的预报有一定的指示作用。     

超强台风“韦帕”的暴雨机制及湿位涡分析

通过对0713号超强台风"韦帕"进行数值模拟,利用高分辨率模拟资料进行湿位涡分析,研究"韦帕"影响过程中暴雨的产生机制,发现中低层水平温位涡负值中心与强降水中心有较好的对应关系,且水平湿位涡绝对值与降水强度成正相关,低层对流稳定度减小导致气旋性涡度迅速增长、低空急流和暖湿气流的加强以及台风与西风槽结合产生湿斜压不稳定触发不稳定能量释放都对暴雨的产生起了巨大作用.     

一次纬向暴雨过程的湿对称不稳定与锋生分析

利用常规观测、加密自动站、NCEP/NCAR(1°×1°)再分析及WRF数值模拟资料,诊断分析了2016年6月27—28日重庆南部大暴雨天气的纬向雨带及湿对称不稳定特征,结果表明:(1)纬向雨带形成并发展于低空湿对称不稳定区,纬向雨带形成前,湿对称不稳定逐渐增强,纬向雨带形成后,湿对称不稳定缓慢释放,湿对称不稳定的持续释放促进了纬向雨带的持续发展。(2)纬向锋生效应的增强,引起低空湿位涡水平分量MPV2的负值增长,为湿对称不稳定的增强及维持提供了有利条件,可能是此次暴雨过程中纬向雨带生成及持续发展的重要机制。     

广义湿位涡在江淮流域暴雨分析和预报中的应用

利用中尺度数值模式MM5, 以6 h间隔的NCEP/NCAR 1°×1°的格点资料为背景, 加入新一代天气雷达 (CINRAD－SA雷达) 1 h间隔的反演风廓线资料和12 h探空、 3 h常规地面观测进行四维同化模拟得到的输出资料, 检验非均匀饱和大气中的广义湿位涡在2003年江淮流域暴雨动力指示方面的分析和预报能力。理论分析表明: 广义湿位涡综合体现了大气的动力、 热力及水汽作用, 相对于常用的温度、 湿度等物理量来说, 在一定程度上包含了风场、 温度场和湿度场的相互作用, 对实际非均匀饱和大气的热力变化和水汽影响有较好的反映。对模拟结果的诊断发现, 广义湿位涡倾向值的正负及强弱变化对暴雨落区预报和单站降水变化趋势预报都有一定的指示意义。利用NCEP/NCAR 1°×1°格点资料和气象台站观测的实况降水资料, 对1999年长江流域梅雨和2007年淮河流域大洪水时期的广义湿位涡及其倾向变化与区域平均降水变化的对比分析进一步表明了在持续性暴雨发生时期, 在大气中低层(主要在500 hPa以下), 确实持续存在广义湿位涡和广义湿位涡倾向的异常, 这种异常能在一定程度上反映出对应时期的水汽分布和水汽集中特征, 与降水量的变化是一致的, 而850 hPa以下的广义湿位涡倾向在一定程度上也能反映出降水的增强或减弱趋势, 即: 广义湿位涡倾向为正 (负) 异常时, 未来降水量可能增加 (减小), 因此, 广义湿位涡倾向可以定性地给出暴雨是加强还是减弱的强度趋势预报。类似于涡度、 湿位涡等其他动力变量, 广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生发展的动力变量外, 还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点, 在暴雨分析中有一定的优势。     

湿位涡在"96.8"特大暴雨过程中的应用分析

1996年 8月 3～ 5日受减弱的 96 0 8号台风低压影响 ,河北省境内出现了自“6 3 8”以来的特大暴雨过程 (简称“96 8”特大暴雨 ) ,暴雨落区覆盖了太行山的东、西两侧。文中利用非静力中尺度模式MM5和常规观测资料运算结果 ,根据倾斜涡度发展理论 ,对台风减弱低压在北方产生强降水的“96 8”暴雨过程进行分析 ,发现湿位涡这一综合物理量对此类暴雨具有较好的指示意义 ,MPV1小于 0且MPV2大于 0的区域对应暴雨区。     

非均匀饱和广义湿位涡在暴雨分析与预测中的应用

考虑实际大气非均匀饱和特性, 通过引入广义位温及广义湿位涡方程, 对华北暴雨和江淮梅雨锋暴雨的发生及落区进行了广义湿位涡异常的诊断分析, 表明暴雨形成时大气低层有广义湿位涡的异常出现。对广义湿位涡倾向的计算表明:它对暴雨的发生有一定指示作用, 因而可利用广义湿位涡的异常来识别暴雨的出现。