引发川东暴雨的“鞍”型大尺度环流背景及西南涡发展的诊断验证

本文在已有研究基础之上,利用2004年9月1～6日川东地区暴雨过程的观测资料,从大尺度环流、水汽输送和温度平流,并利用湿位涡的垂直和水平分量（Pm1和Pm2）以及相当位温诊断分析并验证川东暴雨发生的＂鞍＂型大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程,其结果表明如下：（1）在此次暴雨发生期间,仍存在显著＂鞍＂型大尺度环流配置;（2）在＂鞍＂型场大尺度环流背景下,强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地,而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部,受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带,同时,由于两支气流输送着大量的水汽,暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区;（3）在＂鞍＂型场作用下,盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气,而在高层有两股冷干空气侵入,从而导致了盆地内低涡系统强烈发展,由湿位涡的诊断表明了在暴雨发生期间,在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵,引起了垂直对流不稳定,即Pm1〈0,并向盆地东北部发展,从而使此区域气旋性涡度不断加强,即低涡强烈发展;并且,在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用,正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性,这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域;（4）＂鞍＂型场大尺度环流背景、孟加拉湾及南海水汽输送辐合、川北冷空气侵入,西南低涡发展是川东暴雨发生的共同特征。     

1998年7月河套气旋强烈发展时的暴雨过程分析

采用位涡理论对1998年7月4—7日的一次河套气旋强烈发展中的暴雨过程进行分析。结果表明:此次夏季河套气旋的强烈发展是在高层正位涡平流和低层暖平流的共同作用下产生的。高空双急流结构产生的强烈辐散加强了低层辐合，有利于气旋的加强。强降水出现在河套气旋强烈发展过程中，是由高层冷空气与季风涌带来的西南暖湿气流辐合而引起的大尺度降水过程。在这次气旋强烈发展过程中，对流层低层到中上层均出现强的上升气流，使得南方深厚的暖湿空气不断随西南风流入暴雨区上空。暴雨发生时，华北地区处于地面Ω型的θ_se高能舌之中，其上空500 hPa存在一个由大尺度动力强迫形成的东北—西南向的非地转湿 Q 矢量辐合带，对流云带与 Q 矢量辐合中心有非常好的对应关系。     

一次区域性大暴雨过程中尺度诊断分析

利用实况降水、FY-2C资料、实时探空、NECP/NCAR再分析资料对2009年8月2—5日川渝地区大暴雨过程主要环流系统、水汽输送特征,以及湿位涡和垂直螺旋度演变特征进行了诊断分析。结果表明：此次强降水环流背景是高空槽东移,耦合了＂天鹅＂台风动力阻塞维持在川渝地区的西南低涡,南侵的冷空气和西南急流输送的暖湿气流交汇,形成明显的气旋性辐合,导致不断有中小尺度对流系统的生成、发展,且降水过程中一直维持较好的水汽输送条件;湿位涡对本次降水落区有较好的指示意义,由于强降水湿位涡负值中心上空的大尺度下沉气流、强上升气流的倾斜程度和最大锋生强迫区的位置和强度,强降水落区（重庆西部）位于负值中心（四川盆地）暖气流一侧;垂直螺旋度发展演变与暴雨有着密切的关系,当螺旋度等值线密集（稀疏）时,强降水发生（减弱或结束）,且暴雨发生时,总是伴随着高（低）空正（负）垂直螺旋度的耦合发生。     

2004年9月2～6日川渝持续性暴雨过程初步分析

2004年9月初,四川省东北部和重庆地区出现了大范围的持续性暴雨和大暴雨天气过程。对这次暴雨过程的持续性原因及其与低涡的关系诊断分析结果表明,(1)8月底从孟加拉湾向东北传播的西南季风的低频振荡使大量来自热带洋面的暖湿空气向四川盆地输送,从青藏高原不断有短波槽东移到盆地上空,使干冷空气和暖湿气流不断在盆地的东部交汇,为持续性暴雨的发生提供了稳定的环流背景和充足的水汽;(2)中尺度对流云团的强烈发展导致强降雨的发生,当中尺度对流系统合并发展为中α尺度低涡后,低涡的发展引起更强的辐合上升运动,为暴雨的持续发生提供了持续的上升运动和有利的中尺度环境场;(3)对流层低层的暖平流和对流层中层的正涡度平流的维持使低涡持续发展。     

1002号台风对四川盆地大暴雨的影响分析

利用逐日NCEP再分析常规观测资料、逐小时自动站资料和卫星云图资料,对2010年7月14—18日发生在四川盆地的大暴雨天气过程进行诊断分析,重点探讨了台风活动对大尺度环流背景、西南低涡形成与维持、水汽及能量输送的作用。结果表明:(1) 本次暴雨是在副热带高压、台风、西南低涡等多个不同尺度系统相互作用下发生的;(2) 台风环流东侧偏南气流和副高西侧偏南气流长时间的融合贯通,一方面有利于“鞍”型场大尺度环流背景稳定和低层西南涡的发展及维持;另一方面两支气流叠加构成输送带,将低纬大量水汽和热量向暴雨区上空输送,有利于暴雨区上空水汽的积聚及形成高能不稳定区;冷暖空气交绥于暴雨区,促使不稳定能量释放,形成大暴雨天气。      

1981—2000年四川夏季暴雨大尺度环流背景特征

利用四川盆地及周边地区1981—2000年逐日降雨量资料和ECMWF逐日4次再分析资料,合成分析近20 a发生在四川夏季的22次典型暴雨过程的大尺度环流背景特征。结果表明,四川夏季暴雨的发生具有显著的轴向分布性和区域移动性特征。西伸的西太平洋副热带高压、北上东进的伊朗高压及高原东部的弱高压、活跃的孟加拉低压和影响四川北部的中高纬长波分裂的低压槽共同作用形成了四川暴雨发生阶段的特殊的＂鞍＂型大尺度环流背景。在＂鞍＂型大尺度环流背景下,有利于西南支孟加拉湾水汽和南海水汽输送在四川盆地形成低层辐合,同时在高层形成西南—东北的轴向急流辐合带,水汽输送散度负的大值区即为暴雨发生的主要落区。此外,四川北部在两高压相夹下,有利于高纬度大尺度的两高一脊环流调整产生的弱槽携带冷空气影响四川盆地,形成高层弱冷干与低层强暖湿的强垂直对流不稳定。对比40 a四川夏季平均环流可知,导致四川夏季暴雨发生的＂鞍＂型大尺度环流背景特征极为显著,具体表现为：西太平洋副热带高压西伸到110°E附近,青藏高原西侧伊朗高压偏北、青藏高原高层南压高压偏东,而高原低层有弱高压,四川北部冷槽显著偏南。     

干侵入对陕西“2008.07.21”暴雨过程的影响分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了2008年7月21日发生在陕西西南部一次暴雨过程的大尺度环流背景和水汽条件,运用相对湿度、风矢量、湿位涡和垂直涡度等多种物理量场,研究了该暴雨过程中干侵入的机制和特征,以及对暴雨发生、发展和维持的影响.结果表明,此次强降水过程是在高空槽和低空气旋的有利形势下产生的.水汽主要来源于孟加拉湾,持续的高层辐散、低层辐合的环流配置保证了低层源源不断的水汽辐合并抬升凝结,有利于转化为降水.受高空低槽发展东移的影响,干侵入在垂直层次上表现为由对流层中高层向低层的注入,水平方向上主要表现为由西向东的侵入,其中在103°E以西地区存在较强的下沉运动是干侵入的载体.应用湿位涡与倾斜涡度发展理论分析表明,当对流层中高层具有高值位涡的干空气侵入到低层时,由于湿位涡守恒特性,引起倾斜涡度发展,进而导致低层垂直涡度的急剧发展,有利于上升运动将水汽向上层输送,冷暖空气相遇,产生此次暴雨过程.     

高强度降水过程形成和发展的一种机制分析

应用Sawyer-Eliassen次级方程诊断分析了一次高强度降水过程中的湿球位涡场，结合诊断结果探讨了高强度暴雨形成和发展的原因。分析表明：条件性对称不稳定是这次强降水发生的不稳定机制之一由强盛的西南低空急流输送的水汽在雨区低层辐合，地转动量近似下的锋生强迫形成的锋面次级环流促使暖湿空气向上输送，使聚集在其内的不稳定能量得以释放，导致强降水发生。     

副高断裂前后四川盆地一次暴雨过程的比较分析

利用NCEP1°×1°6 h再分析资料,对副热带高压与西风槽典型环流形势配合下发生的一次四川区域性暴雨过程的不同阶段进行对比分析。结果表明,前期暴雨天气过程,其动力条件占到了主导地位,具有明显的经向垂直环流圈和垂直上升运动支,而在副高断裂后较强冷空气作用下,在副高边缘发生的区域性暴雨过程受西风带槽前的能量锋区影响,动力强迫作用和热力强迫作用激发的次级环流,进一步加强了四川盆地垂直运动的发展;冷空气作用前期的暴雨过程和冷空气进入后副高边缘发生的区域性暴雨过程中暴雨区域内的假相当位温均强于高层,大气处于对流性不稳定层结状态,对四川盆地暴雨的增强也起了不可忽视的作用,但由副高控制到副高逐渐断裂,湿位涡的斜压扰动是逐渐增强的过程,导致倾斜垂直涡度发展,激发更为强烈的上升运动;副高与西风槽环流形势相配合的暖区暴雨过程水汽主要来自中低层孟加拉湾;而副高断裂后发生在副高边缘的区域性暴雨过程,水汽主要来自850hPa层南海和孟加拉湾,从对流层中到低层,四川盆地东部恰恰是冷暖气流的交汇处,偏南气流将海上充沛的水汽输送到盆地东部,为暴雨的发生提供充足的水汽条件,并与对流层低层秦岭附近的东北冷气流交汇。      

2013年四川盆地三次持续性暴雨过程的环流形势和物理成因分析

利用常规探空和地面自动站观测资料、卫星红外云图TBB和NCEP再分析资料,对2013年6~7月发生在四川盆地的3次持续性暴雨过程进行了大尺度环流背景及物理成因分析。分析结果表明:500h Pa贝加尔湖、鄂霍次克海地区的高压脊起到阻塞作用,利于西伯利亚到巴尔喀什湖附近的深厚低槽稳定分裂短波东南移,槽前持续的正涡度平流向四川盆地输送孕育低层中小尺度系统发生发展,700h Pa西南涡是造成3次暴雨的直接影响系统,其活动对强降水落区有重要作用;850h Pa暖平流维持,在暖平流梯度大值区触发中尺度对流系统产生强降水,暖平流越强降水越强;孟加拉湾的西南暖湿季风气流持续向四川盆地输送水汽和热量,使能量在释放后快速重建,并有适宜的动力环境条件使水汽聚集、辐合和垂直上升,强降水得到持续;700h Pa持续的西南急流在向北加强的过程中南北风分量形成的辐合有利于低层切变线南侧、急流左侧区域的辐合加强,配合高层辐散的抽吸机制,是3次过程强降水持续的又一重要因素。     

一次川东大暴雨过程的中尺度分析

利用观测资料和MM5中尺度非静力模式产生的客观分析资料, 分析了2004年9月3～5日出现在川东地区大暴雨过程的大尺度环流特征和主要的中尺度天气系统及其结构。分析表明:中纬度低压槽的东移与西伸加强的副热带高压在青藏高原北部地区形成了有利于高原切变线和西南低涡生成发展的环流条件;西南低涡东侧的暖式切变线是对流活动最活跃的区域, 强降水主要出现在暖式切变线上;西南低涡是一个主要出现在对流层中低层的涡旋系统, 与大暴雨区相对应的整层强上升运动是低涡切变线南北两侧的正反向垂直环流共同作用的结果。     

引发四川盆地西南地区暴雨的高原涡特征分析

为进一步认识高原涡对盆地西南地区暴雨过程的影响,总结该区域暴雨预报经验,本文利用2001～2011年高原涡切变线年鉴、MICAPS实况天气图、盆地西南地区气象站日降雨量资料以及NCEP再分析资料,对引起盆地西南地区暴雨过程的高原涡特征进行总结分析,得到结论:1)引发盆地西南地区产生暴雨量级以上降雨的高原涡过程多发生在每年7月;高原涡东移将对盆地西南地区产生明显降雨;48小时后大部分高原涡减弱消失,少数继续东移或东南移;2)引发盆地西南地区产生暴雨的高原涡通常是暖性高原涡,高原涡东移48小时后有明显的冷平流入侵转变成斜压性低涡;这一类高原涡常常与高原切变、西南低涡、副高、低空急流以及南亚高压等影响系统相配合,共同作用产生一次暴雨过程;3)引发的盆地西南地区暴雨的高原涡过程的温湿场特征为:500hPa高原东部到盆地上空的大气高温高湿的特征明显,700hPa和850hPa盆地高温高湿,同时垂直上升运动旺盛且随高度向北倾斜。      

一次引发暴雨的东北低涡的涡度和水汽收支分析

对2005年7月25～29日引发较大范围持续性暴雨的东北低涡的结构、涡度和水汽收支进行了分析研究,结果表明:1)东北低涡是一个较深厚的冷性涡旋.初期,气旋性涡度出现在对流层中层,然后向中低层及高层伸展.而低涡加强阶段,气旋性涡度在对流层高层增加得最快,并逐渐向中低层传播,诱发地面气旋的发展;由于高低空锋生的相互作用,在低涡南部形成了深厚的近乎垂直的低层略前倾的"弓形"锋区.2)对涡度收支的计算表明,水平涡度平流项和水平辐散项对低涡的发展、加强起到最主要的作用.但在不同阶段,这两项的作用和大小各不相同.3) 对流层高层位涡大值区在低涡东部向下传播,有利于低涡的发展加强,与低涡暴雨的落区位置较为接近.此外对卫星云顶亮度温度(TBB)的分析,发现低涡暴雨典型的涡旋云带中对流活动旺盛的地区与局地暴雨的位置对应.4) 低涡暴雨的水汽初期主要来自北部,随着低纬地区西南季风的增强,沿副高西侧从低纬到中高纬建立起一条较强的水汽输送带,东北地区水汽收支以南北向的辐合为主.5)将2005年和1998年夏季6～8月的东北低涡暴雨个例的天气形势配置进行逐月比较,发现持续的较大范围的低涡暴雨过程与亚洲中高纬的阻塞形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有密切的关系.     

四川盆地一次暴雨过程的初步分析

利用NCEP1°×1°再分析资料、结合多种数值预报产品对2007年7月27-29日发生在四川盆地的大范围暴雨过程进行了分析。结果表明：这次暴雨环流不同于四川盆地常见的四种基本类型,主要表现为500hPa中高纬度为两槽一脊并在贝加尔湖南侧伴有大范围阻塞高压,西太平洋副热带高压588线西端位于114°E附近,同时河套附近的冷涡为此次降水的发生补充了冷空气。大气低层伴有西南低涡,云南、贵州、四川一带维持一支8-12m／s的西南急流;高层辐散、低层辐合的垂直配置及暴雨区维持的垂直环流是此次暴雨发生的动力条件;暴雨区的降水中心变化,与垂直环流的上升区域位置变化有密切关系：欧洲数值预报产品对此次暴雨发生的环流形势预报效果较好,具有很好的预报参考价值,但数值预报产品对降水量级的预报误差较大。     

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。     

副高断裂前后四川盆地一次暴雨过程的比较分析

利用NCEP1°×1°6 h再分析资料,对副热带高压与西风槽典型环流形势配合下发生的一次四川区域性暴雨过程的不同阶段进行对比分析。结果表明,前期暴雨天气过程,其动力条件占到了主导地位,具有明显的经向垂直环流圈和垂直上升运动支,而在副高断裂后较强冷空气作用下,在副高边缘发生的区域性暴雨过程受西风带槽前的能量锋区影响,动力强迫作用和热力强迫作用激发的次级环流,进一步加强了四川盆地垂直运动的发展;冷空气作用前期的暴雨过程和冷空气进入后副高边缘发生的区域性暴雨过程中暴雨区域内的假相当位温均强于高层,大气处于对流性不稳定层结状态,对四川盆地暴雨的增强也起了不可忽视的作用,但由副高控制到副高逐渐断裂,湿位涡的斜压扰动是逐渐增强的过程,导致倾斜垂直涡度发展,激发更为强烈的上升运动;副高与西风槽环流形势相配合的暖区暴雨过程水汽主要来自中低层孟加拉湾;而副高断裂后发生在副高边缘的区域性暴雨过程,水汽主要来自850hPa层南海和孟加拉湾,从对流层中到低层,四川盆地东部恰恰是冷暖气流的交汇处,偏南气流将海上充沛的水汽输送到盆地东部,为暴雨的发生提供充足的水汽条件,并与对流层低层秦岭附近的东北冷气流交汇。     

边界层参数化和湿过程对切变线低涡发展影响的中尺度模拟

1981年8月14至22日,在青藏高原东侧陕、甘、川毗邻区,出现了一次持续暴雨过程.对其主过程的涡度诊断表明,切变线低涡初生於青藏高原东侧低空,其后,不仅出现了高、低空涡度中心的叠加和耦合过程,而且在行星边界层(PBL)内发生了迅速加强过程.这种过程与切变低涡的持续发展相伴. 一系列48和72小时中尺度数值模拟结果揭示:只有高分辨PBL参数化的湿物理过程,才能较好地模拟出切变低涡在PBL内的突然加强及其涡度演变和垂直结构;而总体PBL参数化,虽然其涡度演变和垂直结构也能基本模拟出来,但不能模拟出切变线低涡在PBL内的迅速加强;总体PBL参数化干过程的模拟结果指出,该方案较前两种湿过程方案均差,特别是被模拟系统的强度明显减弱,位置偏离. 模拟与诊断和观测之间的比较揭示,尽可能仔细地改进PBL参数化和湿物理过程,才有可能改进对这类中尺度系统发生和发展的模拟.     

2013年夏季四川西部一次特大暴雨天气分析

本文利用NCEP高空再分析和地面自动站观测资料,针对2013年7月7日20时~11日20时四川地区一次特大暴雨过程,分析了其各层的环流形势、低层的水汽通量、水汽通量散度,各层的涡度场、散度场、垂直运动,以及西南涡影响下降水的发生发展机制。得到:这次暴雨过程,850h Pa上的水汽主要来自孟加拉湾,从西南方向向四川地区输送,同时配合低层辐合高层辐散的结构和持续上升运动,以及对流不稳定层结的形成,降水极易发生,而西南涡的稳定少动、南北转动等异常活动是这次持续性强降水的主要成因。一方面,500h Pa高原槽不断东移和西北方向源源不断的冷空气补充,另一方面,东边西天平洋副热带高压的阻挡作用,使西南涡不断发展但局限于源地周边活动,难以东移出川,因此,带来了川西高原边缘与四川盆地西部地区的持续性强降水天气。     

The Persistent Heavy Rainfall over Southern China in June 2010：Evolution of Synoptic Systems and the Effects of the Tibetan Plateau Heating

This study investigates influencing weather systems for and the effect of Tibetan Plateau （TP）’s surface heating on the heavy rainfall over southern China in June 2010, focusing on the four persistent heavy rainfall events during 14-24 June 2010. The ma jor weather systems include the South Asian high, midlatitude trough and ridge, western Pacific subtropical high in the middle troposphere, and shear lines and eastward-moving vortices in the lower troposphere. An ensemble of convection-permitting simulations （CTL） is carried out with the WRF model for these rainfall events, which successfully reproduce the observed evolution of precipitation and weather systems. Another ensemble of simulations （SEN） with the surface albedo over the TP and its southern slope changed artificially to one, i.e., the surface does not absorb any solar heating, otherwise it is identical to CTL, is also performed. Comparison between CTL and SEN suggests that the surface sensible heating of TP in CTL significantly affects the temperature distributions over the plateau and its surroundings, and the thermal wind adjustment consequently changes atmospheric circulations and properties of the synoptic systems, leading to intensified precipitation over southern China. Specifically, at 200 hPa, anticyclonic and cyclonic anomalies form over the western and eastern plateau, respectively, which enhances the southward cold air intrusion along the eastern TP and the divergence over southern China;at 500 hPa, the ridge over the northern plateau and the trough over eastern China are strengthened, the southwesterly flows along the northwestern side of the subtropical high are intensified, and the positive vorticity propagation from the plateau to its downstream is also enhanced significantly;at 850 hPa, the low-pressure vortices strongly develop and move eastward while the southwesterly low-level jet over southern China strengthens in CTL, leading to increased water vapor convergence and upward motion over the precipitation region.