移出与未移出青藏高原的高原低涡涡源区域的地面加热特征分析

利用1998—2016年NCEP/DOE逐日的日平均地面感热通量和地面潜热通量、MICAPS历史天气图资料、青藏高原低涡切变线年鉴,对高原低涡涡源区与高原地面加热特征进行统计分析,对比研究了移出青藏高原的高原涡(移出涡)、未移出青藏高原的高原涡(未移出涡)的涡源与高原地面加热的季节变化特征,及移出涡、未移出涡涡源区的地面加热特征及高原地面加热与低涡生成的相关性。结果表明,高原涡、未移出涡、移出涡的涡源分布季节变化特征相似,由冬到春到夏,初生区域逐渐扩大,由夏到秋到冬正好相反,不同的是移出涡涡源区明显比高原涡、未移出涡小,初生中心位置的季节变化也不同;高原地面感热、地面潜热、地面热源分布的季节变化特征相似,由冬到春到夏经历了明显增强的过程,由夏到秋到冬经历了减弱的过程,不同的是热源的快速增强、减弱程度及其发生季节差异大,地面潜热由春到夏增强特别明显,这与移出涡生成个数的明显增加相一致;未移出涡、移出涡春、夏、秋季主要涡源区所处的地面热源值域不同,移出涡夏季的值比未移出涡高,移出涡生成对高原区域地面热源依赖要比未移出涡强一些;夏季移出涡、未移出涡的涡源区都处在与高原地面热源正相关区内,它们与地面潜热的显著正相关区比高原地面感热的大,尤其是移出涡,高原地面潜热在高原涡生成中有重要作用,对移出涡生成影响更大。     

青藏高原夏季地面感热通量与高原低涡生成的可能联系

利用NCEP/NCAR地面感热通量再分析格点资料以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,分析了1981—2010年青藏高原夏季地面感热通量线性倾向分布的空间分布特征,重点讨论了夏季高原地面感热通量与同期高原低涡生成频数的可能联系尤其是空间相关性。结果表明,近30 a夏季感热通量的线性倾向分布具有区域性差异,感热减少趋势在高原分布较广且负值中心明显,感热增加主要分布在高原西北部和东部。夏季地面感热通量与同期高原低涡生成频数呈高度正相关;感热通量强年,高原主体东部地区低层呈气旋式环流,高层为辐散气流,高原上空上升气流偏强,感热通量弱年的情形与之相反。地面感热加热强度与高原低涡的生成频数在空间上有明显联系。     

夏季青藏高原地面热源和高原低涡生成频数的日变化

通过1981—2010年NCEP/NCAR再分析资料,分析出夏季青藏高原地面热源具有强烈的日变化,白天高原是强热源,夜间高原地面转变为弱热汇,日较差可达420 W·m~(-2),呈由西向东递减分布。其中地面感热和潜热加热的日变化均十分明显,日较差分别可达300 W·m~(-2)和200 W·m~(-2);感热加热的日变幅由西北向东南递减,而潜热加热由南向北递减。同时,利用人工识别的高原低涡数据集初步分析了夏季高原低涡生成频数的日变化,发现夜间生成的高原低涡频数略高于白天,其中00 UTC的低涡源地主要在西藏那曲和林芝(工布江达),12 UTC低涡源地主要在西藏那曲和青海玉树。     

夏季青藏高原低涡研究进展述评

高原低涡是造成我国暴雨的重要天气系统之一。本文在简要介绍第一次青藏高原科学试验及以前研究工作的基础上,重点介绍了第二次青藏高原科学试验及近年来的一些主要研究成果,包括高原低涡的活动特征、高原低涡发展东移的机理、高原低涡发展东移的大尺度条件及高原低涡的结构特征等。并指出了目前高原低涡研究的局限性和待改进的方向。     

凝结潜热与地表热通量对一次西南低涡暴雨影响分析

利用PSU/NCAR的非静力中尺度MM5V3模式,对2004年9月四川省及重庆市一次特大暴雨过程进行了凝结潜热与地表热通量的敏感性试验,结果表明:凝结加热与地表热通量通过影响中尺度系统环境场的高低空急流、高低层辐合辐散等动力、热力条件,从而影响中尺度系统的发展以及中尺度暴雨的发生。     

大气热源对高原低涡不同发展阶段的影响——2013年7月个例分析

高原低涡是夏季青藏高原（简称高原）及其下游地区的主要降水系统。本文利用ERA5逐小时再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温逐小时数据和TRMM 3 h降水资料,对2013年7月19～21日活动于高原的一次低涡过程进行了诊断分析。此低涡在高原期间的活动时间长达56 h,将其分为初生、发展及移出高原前三个阶段,着重分析了高原大气热源在低涡不同阶段的关键作用和机理。结果表明：此低涡在发展过程中表现为阶段性增强的特征,位势涡度倾向方程诊断发现非绝热加热的垂直梯度是造成低涡发展增强的主要因素,即非绝热加热极值所在高度的下方和上方分别有正的和负的位涡制造,从而加强了低层的气旋和高层的反气旋。进一步分析可知大气热源在低涡发展过程中也表现出阶段性增强的特征,最大值出现在正午时段,且在低涡移出高原前阶段最强。低涡的生成与地面暖中心有关,这归因于地表感热加热的作用;而低涡的后续发展则主要依赖于凝结潜热加热,加热高度位于对流层中层,这主要是由垂直运动将低层的水汽集中到中层,产生水汽凝结所致。     

夏季青藏高原低涡的能量场分析

本文采用视热源方程,视水汽汇方程,扰动能量方程和涡度方程对1979年6月的三次低涡进行了分析和研究,得到了以下结论：在低涡生成和发展过程中,积云和乱流引起的总热量的垂直涡旋输送很大。当大气处于条件不稳定时,γs＜γ＜γα,积云和乱流的这种输送结果,使得低涡的正涡度增长上升到较高层次;另外,积云和乱流对总热量的垂直涡旋输送使得低涡内扰动有效位能增加,然后向扰动动能转换,使低涡得以生成和发展。     

青藏高原地表温度对一例高原涡影响的数值模拟

基于FNL再分析资料、FY-2D气象卫星黑体亮温数据以及多源融合降水数据,运用WRF模式模拟了2015年6月9～11日的一次高原涡过程,通过对比控制试验和6组青藏高原地表温度敏感性试验的差异,从高原涡生成位置、结构、强度、移动路径等多个方面研究了地表温度对其的影响,并探讨了相应的物理机制。结果表明：模式能够较好地模拟出高原涡生成、发展和成熟各阶段的位置、结构、移动路径、500 hPa环流形势以及降水情况;青藏高原地表温度对高原涡强度和降水有一定影响,对高原涡生成和移动影响不大;地表温度对高原涡的影响主要是通过改变地表感热通量和地表潜热通量来实现的。     

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长(>48小时)的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长（〉48小时）的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

冷空气对高原低涡移出青藏高原的影响

在对1998—2004年冷空气影响高原低涡移出青藏高原 (以下简称高原) 观测事实分析的基础上, 利用NCEP再分析资料对2002年8月12—14日托勒低涡移出高原的位涡进行诊断分析, 并通过数值试验揭示了托勒低涡移出高原的冷空气侵入特征和影响机理。结果表明:这次托勒低涡是受我国东北冷空气影响, 有高位涡空气伸入低涡区, 使冷空气迫近暖湿空气, 低涡处在斜压不稳定增强情况下移出高原的。在低涡区域没有冷空气或我国东北不存在冷温度槽情况下, 将会使伸向高原东北部的冷空气主力偏东、减弱, 使低涡受到我国东北冷空气影响减弱, 斜压不稳定减弱, 从而使高原低涡移出高原的速度减慢, 低涡强度减弱, 尤其是我国东北冷温度槽的影响更为明显, 在我国东北没有冷温度槽存在的情况下, 低涡24 h内西退, 在高原边缘徘徊。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

陇中黄土高原夏季地表能量平衡观测研究

利用2003年6～8月的实际观测资料,分析了陇中黄土高原夏季地表通量特征。在春小麦下垫面,无论晴天或阴天,能量主要消耗于农田蒸散。在裸地下垫面各能量通量表现出同样的变化特征,但由于降雨量的增加,导致潜热占净辐射的比例比春小麦地的还高。在晴天或阴天地气之间能量传输引起土壤温度变化的深度,主要出现50cm以上,其日变化均呈现准正弦曲线形式,50cm以下的土壤温度不存在日变化。在半干旱区云和降水对地表辐射和能量平衡造成的影响不容忽视。波文比在日出以后逐渐增大,到正午达最大值;春小麦下垫面时的波文比大于裸地时的值,两者的极值分别是1．01和0．75。     

春夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时空分布特征及相互联系

伊朗高原和青藏高原热力作用对东亚区域气候具有重要影响。基于1979—2014年欧洲中心ERA-interim月平均再分析地表热通量资料,分析了春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时、空分布特征以及春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的关系。结果表明,春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量在季节、年际和年代际尺度上具有不同的时、空分布特征。对于青藏高原,春、夏季地表感热呈西部大东部小、地表潜热呈东部大西部小;地表感热在春季最大且大于地表潜热,地表潜热在夏季最大且大于地表感热。在年际时间尺度上,春、夏季青藏高原地表热通量异常的年际变化在东、西部不一致,青藏高原西部,地表感热与地表潜热有较强的负相关关系。青藏高原地表感热异常具有很强的持续性,当春季地表感热较强（弱）时,夏季高原地表感热同样较强（弱）。青藏高原东部与西部地表热通量的年代际变化有明显差异,春（夏）季青藏高原东部地表感热呈显著的年代际减弱趋势,1998（2001）年发生年代际转折,由正异常转为负异常;而青藏高原西部地表感热在春季则有显著的增大趋势,2003年发生年代际转折,由负异常转为正异常。青藏高原东部地表潜热仅在春季为显著减弱趋势,2003年出现年代际转折,由正异常转为负异常;青藏高原西部地表潜热在春、夏季都有显著减弱趋势,年代际转折出现在21世纪初,由正异常转为负异常。对于伊朗高原,春、夏季地表热通量的空间分布在整个区域较一致,地表感热在夏季最大,地表潜热在春季大、夏季小,但各季节地表感热都大于地表潜热。相对于青藏高原地表感热,伊朗高原地表感热在各月都更大。在年际时间尺度上,春、夏季伊朗高原各区域地表热通量异常的年际变化较一致;地表感热与潜热有很强的负相关关系;伊朗高原地表感热、潜热异常都具有持续性,当春季地表感热（潜热）通量较强（弱）时,夏季地表感热（潜热）通量同样较强（弱）。伊朗高原北部与南部地表热通量的年代际变化存在差异。其中,春、夏季伊朗高原北部地表感热（潜热）呈显著增强（减弱）趋势,在20世纪末发生了年代际转折,春、夏季北部地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。而伊朗高原南部春、夏季地表热通量无显著变化趋势,但春季地表感热、潜热与夏季地表感热同样在20世纪末存在年代际转折,地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。春、夏季两个高原地区地表热通量的关系主要表现为:就春季同期变化而言,伊朗高原地表感热与青藏高原西部地表感热具有同相变化关系,与青藏高原东部地表感热具有反相变化关系,伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热具有同相变化关系;就非同期变化而言,春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。      

冷空气对两例高原低涡移出高原影响的分析

利用NCEP再分析资料对2002年8月12~20日托勒涡及2003年7月12~14日诺木洪涡两例高原低涡在冷空气影响下移出高原的斜压性和温度平流进行诊断分析,结果表明:(1)受切变线影响的托勒低涡移出高原时主要受东北方冷空气不断伸入涡区的影响,西风槽前的诺木洪低涡主要受西北方冷空气伸入涡区的影响。(2)高原低涡是在600 hPa以上涡柱内斜压性较强、500 hPa涡区内斜压性加强情况下移出高原的。不同的是:托勒低涡移出高原,涡柱内对流层中上层斜压性、500 hPa涡区内斜压性都比诺木洪低涡弱;托勒低涡涡柱内北冷南暖现象比诺木洪低涡强。(3)高原低涡是在低涡区内大部分受冷平流控制,涡区西部冷平流比东部强时移出高原的;低涡西部的冷平流加强将会使低涡发展加强,在高原以东持续。不同的是:受切变线影响的托勒低涡移出高原时低涡西部冷平流区强度比受西风槽前诺木洪低涡弱;而托勒低涡区冷平流区比诺木洪低涡移出高原时大。     

高原低涡移出高原的观测事实分析

应用天气学、统计学原理,结合TRMM资料,分析了1998—2004年5—9月移出高原的低涡的活动特征。结果指出:6—8月是高原低涡移出高原影响中国东部天气的主要时段,它与高原低涡在高原上的活动特征及西南低涡移出高原特征均不同;移出高原的高原低涡的涡源主要在曲麻莱附近、德格附近,这与高原上产生低涡的涡源不同;移出高原的高原低涡的移动路径多数是随低槽的活动而向东、向东南移动,这与高原低涡在高原上多数是沿切变线移向东北不同,高原低涡移出高原后,不仅影响中国的范围广,还可能影响到朝鲜半岛、日本;高原低涡移出高原后涡的强度、性质会有变化,在高原以东活动时间长(≥36 h)的高原低涡,移出高原前多数为暖性低涡,移出高原后多数为斜压性低涡,低涡加强、多数可产生暴雨、大暴雨;高原低涡移出高原后移到海洋上,往往因下垫面不同而变化,出海后都有降水加强、多数位势高度下降的现象;移出高原后的高原低涡因东面海上热带气旋活动而少动,与其南面热带气旋活动相向而行,因季风低压少动而少动的现象。     

夏季高原大气热源的气候特征以及与高原低涡生成的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和基于此再分析资料的高原低涡统计数据集,采用线性趋势、Morlet小波、EOF分解、合成分析等方法,分析了1981～2010年夏季高原大气热源气候特征以及与高原低涡生成的联系。结果表明:夏季高原大气热源平均强度为105 W m-2,随时间有减弱趋势,具有明显的年代际变化,存在显著的准3年周期振荡。高原低涡高发年,高原大气热源强度明显高于气候态,主要表现为高原大气热源的水平分布差异。在低涡高发年,涡度平流的空间分布和大气经向垂直环流结构显示:高原沿东南向西北存在500 hPa正涡度平流带,为高原低涡生成提供了有利的涡度场。同时,高原大气热源异常的水平分布促使高原上空产生上升气流,有助于高原上形成低层辐合、气旋式环流,整层上升运动,高层辐散、反气旋式环流的三维流场,促进高原低涡在低层生成,此时高原主体低空为正涡度区。并且,大气热源在垂直方向的变化也影响低涡的生成。最后,根据本文结果和我们前期的相关研究,从热成风原理和高原大气热力适应理论两方面对高原大气热源与高原低涡生成频数的统计结果给出了机理解释。     

高原季风与高原低涡的关系分析

本文基于高原季风指数和高原涡数据集,利用小波分析等统计方法对高原季风和高原低涡的气候特征进行了统计分析,并探究了两者之间的关系,主要结果有:(1)高原季风夏强冬弱,高原季风的准4年、准6年周期振荡的特征十分明显。(2)30年来高原低涡平均每年生成64.2个,其中有51.2个是暖性高原低涡。高原低涡的强度季节内呈正态分布,高原低涡的生成频数的季节内变化有明显的周期振荡特征。(3)高原季风的周期振荡特征在季节尺度和年际尺度上与高原低涡气候特征有一定的相关性,准4年与准6年周期振荡特征十分明显。通过相关概率统计:高原季风的建立时间与强度都与高原低涡的气候特征有一定的正负相关。      

地表热通量对陕南强降水的影响

基于通量观测、邻近自动气象观测站和ERA5-Land再分析数据,结合重庆西部暴雨个例,讨论了重庆山地通量观测资料的可靠性和适用性,并对通量观测在2019年度的不同时间尺度变化特征进行分析,结果如下：（1）通量站与邻近气象站有相似的气象背景,通量观测相对于ERA5-land再分析资料更能反映出地表感热和潜热通量在降水期间的时间演变情况,该数据是可靠的,通量站的降水量可以用邻近站点平均降水量代替。（2）三种通量及其增量与温度、相对湿度、风速和降水均呈现出不同的相关关系,其中动量通量与降水和风速为正相关;感热和潜热通量与温度、风速为正相关,与相对湿度为负相关;槽上站的潜热和感热通量的增量与局部降水为负相关,这些特征均表明通量观测可以用于该次暴雨研究中。（3）感热、潜热通量的季节和月变化特征表明在长时间尺度上,地面对大气主要表现为加热和蒸发作用,动量通量的季节变化特征表明春季湍流运动最强而秋季最弱;潜热和感热通量的日变化主要表现为单峰型,即白天以增温和蒸发为主,夜间以冷却和凝结为主;动量通量的日变化也以单峰型为主,即白天湍流活动较强,夜间相对较弱,只有金佛山站在春夏秋三季表现出双峰型,即在夜间也有会出现湍流活动增强的情况。

     

青藏高原低涡活动对降水影响的统计分析

利用1998—2004年逐日08:00(北京时,下同)和20:00 500hPa高空图、日雨量和青藏高原低涡(下称高原低涡)切变线年鉴资料,统计分析了冬、夏半年不同生命史的高原低涡对我国和四川盆地东、西部降水的影响。结果表明,冬、夏半年高原低涡以东部涡占多数,6-10月有三分之一的东部涡能移出高原。冬半年高原低涡出现次数少,约占全年的五分之一,但也可造成高原及其周边地区的雨雪天气,特别是生命史超过36h以上的高原低涡有近半数可移出高原,造成高原区域暴雨雪,四川盆地中雨,半数可造成云南大雨雪或暴雨雪。夏半年,随着低涡生命史的增长,高原低涡影响高原及其周边地区和我国其他地区的降水范围和强度在增大,生命史超过60h以上的高原低涡可造成高原暴雨、甘肃中雨以上、四川盆地暴雨或大暴雨及云南大部分地区大雨以上的降水,每年都有1～5次可影响到华中、华东地区产生大雨以上的降水。100°E以东的高原低涡,不论是否移出,均可造成四川盆地中雨以上的降水。影响四川盆地降水的高原低涡以偏东路径为主,但东南路径影响更强。