高低空急流和水汽凝结过程对锢囚锋环流演变的影响

文中利用包括湍流摩擦耗散的原始方程模式研究了高空西风急流、低空南风急流和水汽凝结过程对锢囚锋环流时间演变和降水强度变化的影响 ,计算结果表明 ,水汽凝结过程与高空西风急流或低空南风急流的共同作用对锢囚锋环流的演变起非常重要的作用 ,能在锢囚锋区形成强中尺度深对流系统 ,与干大气中高空西风急流对锢囚锋环流的作用远大于低空南风急流的情况相反 ,在存在水汽凝结过程的湿大气中 ,低空南风急流对锢囚锋的影响远大于高空西风急流 ,它产生的降水过程时间更长 ,降水强度更大 ,降水范围更广 ,是锢囚锋区产生强中尺度降水的重要因子。     

高低空急流与水汽凝结过程对暖锋环流演变的影响

利用包括水汽凝结过程的原始方程模式模拟了高空西风急流和低空南风急流中暖锋环流的演变以及凝结的发生。计算结果显示,水汽凝结过程对暖锋环流有非常重大的作用,是暖锋锋区产生强中尺度深对流的重要机制。与干模式大气中高空西风急流对暖锋环流的影响远大于低空南风急流的结论相反,在含有水汽凝结过程的湿大气中,低空南风急流的作用远大于高空西风急流,它是暖锋锋区中产生强中尺度降水的更重要因子;高低空急流的共同作用,对湿暖锋锋区中多重中尺度雨带的形成具有重要作用。     

1999年6月长江中下游梅雨暴雨的环流特征分析

利用客观分析资料和加强观测期资料,对1999年6月发生在我国长江流域的持续性梅雨期降水过程的大尺度环流特征进行了分析,结果表明:(1)1999年梅雨期,我国长江中下游强降水带状分布非常明显,强降水主要发生在长江中下游地区,强降水带呈东西向分布,并且雨带的南北边界非常清楚。(2)在对流层低层,从孟加拉湾来的西风气流和西太平洋副热带高压前缘的东南气流在长江流域维持,为此次强暴雨过程产生和发展提供了有利的大尺度条件。高空急流和低空急流的存在和维持为此次梅雨锋暴雨过程的发生提供了有利的抬升机制,而对流层中低层的中性对流不稳定特征则为持续性暴雨过程的发生提供了有利的不稳定机制。(3)梅雨锋区对流层低层的水汽辐合非常明显,水汽输送主要来自孟加拉湾和西太平洋,同时南海季风槽在向梅雨锋区输送水汽的过程中起到了非常重要的作用,它是热带海洋地区向我国内陆输送水汽的通道。(4)平均纬向风速u对流层高层出现了与高空西风急流与高空东风急流相对应的两个强风速核;径向平均风速v在400 hPa以下层次盛行南风,而在400 hPa以上的高层盛行北风;受两侧下沉气流的制约,梅雨锋降水带南北两侧存在位势不稳定层结中的不稳定能量无法释放,因此没有出现明显的降水。     

2011年长江中下游梅雨锋暴雨的环流特征分析

利用客观分析资料和常规观测资料,分析了2011年6月长江中下游梅雨锋暴雨的大尺度环流特征,并对其中两次梅雨锋暴雨过程的降水特征和锋生条件进行对比分析。结果表明:(1) 500 hPa 中高纬地区两槽一脊强度均比常年偏强,持续稳定的高纬经向环流形势的存在为梅雨锋强降水持续稳定提供了所需的冷空气,冷空气与印缅槽前稳定的西南气流在长江流域频繁交汇,有利梅雨锋锋生以及形成大范围持续性强降水;(2) 200 hPa 南亚高压北侧强西风急流以及其南侧东风急流均比常年明显偏强;(3) 来自孟加拉湾的西南急流与副热带高压南侧偏强的东南气流辐合形成强南风影响我国华东地区,为梅雨锋强降水提供了充足的水汽输送,梅雨锋区水汽辐合明显加强时段与梅雨期四次强降水过程一一对应;(4) 两次梅雨锋暴雨过程降水特征和锋生条件存在明显差异,前者冷暖空气同时对锋区作用造成能量锋区锋生,是一次对流性降水,后者无冷空气影响,是一次地面静止锋波动引起的稳定性降水。     

高、低空急流中的锢囚锋环流

利用原始方程模式探讨了高空西风急流和低空南风急流中锢囚锋环流的演变和增强机制。数值结果显示,在干大气中,高空西风急流的存在使锢囚锋非地转环流和锋区上升速度迅速变化、增强,并有利于重力内波的垂直传播;低空南风急流对锋区环流型的变化影响较大,但环流较为平直,对锋区上升速度的增强作用不大,产生的锋区速度比高空西风急流中小得多;高低空急流的同时存在,对锢囚锋环流的作用比较复杂,其影响比高低空急流各自作用的     

高低空急流耦合对长江中游强暴雨形成的机理研究

对1998-07-22T08-14发生于武汉附近的一次强暴雨过程的分析发现,这次强暴雨发生于南方暖区与北方冷空气脱离的孤立系统中,副热带经圈环流上升支是暴雨发生的大尺度背景场,它的低空入流和高空出流对大尺度雨区的生成与维持具有重要作用.边界层南风急流、低空西风急流和高空西风急流上下的耦合作用是强暴雨发生的重要原因.925hPa上边界层偏南风急流是暴雨区所需水汽的最大提供者和暴雨区对流不稳定能量释放的触发者,850hPa上低空偏西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区中低空的对流不稳定,200hPa上中纬高空西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区高空的条件对称不稳定,三者上下耦合使得中低空对流上升运动得以向上发展和加强,从而产生强暴雨.     

江西省一次短历时暖区暴雨中尺度结构及发生维持机制分析

利用地面和高空、卫星TBB、多普勒雷达和GFS(0.5°×0.5°)逐6 h再分析等资料,对2011年6月10日江西省西北部一次短历时暖区暴雨中尺度结构及发生维持机制进行分析。结果表明:1)此次过程是在有利的高、低空系统配置下发生在梅雨锋南侧的暖区暴雨,边界层急流和低空急流提供了充足的水汽条件,增强低层热力不稳定;高空分流区使大气动力不稳定发展,高低空急流的耦合作用为MCS维持提供了必备的不稳定机制;中低层热力不稳定,中高层对称不稳定,形成此次对流性强降水。2)地面中尺度辐合线、非锋性斜压带、能量锋的抬升作用为MCS生成和发展提够了启动机制。3)低层强盛的水汽输送、层结不稳定和地面持续而强的中尺度抬升使得多个雷暴单体在江西省西北部连续传播,形成"列车效应",降水强而集中。4)在水汽和不稳定条件具备的情况下,暖区对流性强降水发生在强低层辐合与强高层辐散相重迭的区域。     

高低空急流耦合对长江中游强暴雨形成的机理研究

对1998－07－22T08－14发生于武汉附近的一次强暴雨过程的分析发现，这次强暴雨发生于南方暖区与北方冷空气脱离的孤立系统中，副热带经圈环流上升支是暴雨发生的大尺度背景场，它的低空入流和高空出流对大尺度雨区的生成与维持具有重要作用。边界层南风急流、低空西风急流和高空西风急流上下的耦合作用理强暴雨发生的重要原因。925hPa上边界层偏南风急流是暴雨区所需水汽的最大提供者和暴雨区对流不稳定能量释放的触发者，850hPa上低空偏西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区中低空的对流不稳定，200hPa上中纬高空西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区高空的条件对称不稳定，三者上下耦合使得中低空对流上升运动得以向上发展和加强，从而产生强暴雨。     

引发梅雨锋暴雨的频发型中尺度低压(扰动)的诊断研究

利用再分析资料及加密观测资料,对1999年6月下旬有利大尺度环境条件下长江中下游地区梅雨锋上频发的5个中尺度低压(扰动)进行了诊断研究.由合成分析得到了长江中下游地区中尺度低压(扰动)的基本特征(共性);依其特征将之归纳为两种类型;之后选择两个典型个例分析了它们各自发生发展过程中特征的异同(个性).分析结果揭示了梅雨锋中尺度低压(扰动)的动力和热力结构特征、暴雨过程中对流活动的详细过程及典型雨团的路径和生命史.此外,高山站每小时的风记录等信息反映出低空西南急流和其上大风速中心同中尺度低压(扰动)及暴雨发生演变过程有密切关系.高空急流对中尺度低压(扰动)的发展及暴雨有明显的作用,有无高空西风急流与低空急流的耦合似乎是未来发展与不发展中尺度低压(扰动)之间重要的动力学区别之一.     

强锋区结构的梅雨锋短时暴雨形成和维持机制

利用常规气象观测资料、FY-2E卫星TBB资料以及NCEP再分析资料对2011年6月14日江西北部短时大暴雨的形成和维持机制进行了分析,结果表明:(1)南亚高压、副热带高压、中纬度西风槽、季风、锋面气旋切变及其上的中尺度波动构成梅雨锋水平环流的多尺度结构,短时暴雨在对流层高层槽前的辐散抽吸较普通暴雨更明显。(2)此次暴雨过程具有梅雨锋结构的普遍特征,如在对流层中下层表现为强θse水平梯度形成的锋面,中低层正涡度柱、风和水汽的辐合带与梅雨锋对应,但同时又具有其特殊性,如短时暴雨锋面坡度小,锋区强度强,两侧存在明显的温度对比,锋区内水平风切变和垂直风切变显著。(3)边界层辐合、锋面和高空急流等抬升机制共同作用,促使湿对称不稳定能量释放,产生倾斜对流,区别于普通梅雨的垂直对流。(4)雨区上空强垂直上升运动、高空强辐散、低空强辐合与中尺度系统的发展互相耦合,深厚的正涡度柱沿锋区倾斜向上发展,是此次暴雨与其他短时暴雨在动力机制上的共性。但在低空此次暴雨比普通暴雨存在更明显的锋生,且动力条件较其他暴雨更强。(5)强盛低空急流的脉动和稳定维持使雨区存在有利的水汽输送机制,高低空水平距离的缩短有利于高低空急流的耦合,这与梅雨的普遍特征是一致的。     

梅雨锋上边界层中尺度扰动涡旋的个例研究

运用实况自动站、高时空分辨率的雷达和数值模拟资料,对2009年7月24日的梅雨锋暴雨过程进行了分析,结果表明:(1)锋面南侧的暖区弱降水环境内,近地面的风场会有扰动涡旋出现,随着扰动涡旋趋于稳定和向上发展,降水迅速加强,形成短时暴雨,并伴随有大风出现。(2)偏西气流从边界层开始发展并加强为急 流,在向东推进的过程中逐渐抬升,形成了一支从边界层倾斜入对流层低层的急流轴;而偏南气流与偏北风相遇之后,不仅形成风向的辐合和切变,而且在空间上被抬升,形成了一支斜升入流。(3)在近地面风场的切变和 辐合作用下,锋生与辐合同步加强,边界层内的涡度也逐渐增强,由此带动了扰动的发生发展,扰动涡旋在边界层内率先形成,随后,在急流的东传和抬升影响下,扰动涡旋也逐步向东移动、向上发展。(4)近地面风速的加强、风向的辐合切变导致了扰动涡旋的发生和形成,并逐渐发展,这是边界层中尺度扰动涡旋发生发展的动力 因子。     

一次梅雨锋特大暴雨过程的数值模拟研究：不同尺度天气系统的影响作用

2003年7月4~5日在江淮地区沿梅雨锋有一系列中尺度对流系统相继生成和强烈发展,导致了江淮地区特大暴雨的形成。该研究利用中尺度数值模式MM5对这次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果的基础上重点分析了不同尺度天气系统相互作用对这次特大暴雨过程的影响作用。在这次特大暴雨过程中,位于梅雨锋北侧的东北—西南走向深厚、稳定的短波槽系统与槽前从西南移来的低涡系统相配合,加强了位于梅雨锋北侧的反气旋性扰动发展,从而导致梅雨锋北侧反气旋性涡旋的形成。该类反气旋性涡旋形成对江淮切变线的加强与维持起重要作用。中尺度对流系统的潜热释放首先导致梅雨锋低层切变线上的中尺度对流性涡旋(MCV)的形成,而中尺度对流性涡旋的形成进一步加强了切变线上的低层辐合,中尺度对流性涡旋消亡后,在切变线上形成低涡。梅雨锋附近主要存在4种不同垂直环流,它在降水的不同阶段具有不同的结构、配置与动力学作用。其中跨锋面、高层非地转两支垂直环流对锋区的对流扰动发展和暴雨形成最为重要,而降水发展可以调整锋区垂直环流的结构、配置,随降水的减弱,梅雨锋区的不同垂直环流系统又重新恢复到先前结构。梅雨锋上不同尺度、高度的天气系统之间的相互作用主要通过这些垂直环流系统调整实现。     

梅雨锋的典型结构、多样性和多尺度特征

在天气尺度梅雨锋的天气学定义基础上,利用GMS-5静止卫星红外云图、常规气象探空资料、NCEP再分析与最终分析资料对2002年长江流域典型梅雨期6月26—28日和二度梅期间7月23日、1998年5月梅雨与7月二度梅共4个梅雨锋个例进行了分析与比较,归纳了梅雨锋结构多样性;并着重对典型梅雨期的梅雨锋发展过程、水平以及垂直结构进行了多种物理量场(包括风场、温度场、急流、锋区、假相当位温、散度、垂直速度、静力稳定度等)的综合分析。结果表明,不同的个例,不同的地区和时期,一次梅雨过程的不同阶段,梅雨锋的结构和性质都有可能不同,它可以从比较接近极锋的性质过渡到接近赤道锋的性质。在水平结构上梅雨锋是在高、低纬度不同尺度的环流系统共同作用下形成的,从而造成了梅雨锋结构具有丰富的多样性。对典型梅雨锋结构进行综合分析表明梅雨锋对流层中下层锋面由强假相当位温水平梯度形成;梅雨锋南侧为暖湿气团、北侧为变性气团;梅雨锋南面为西南季风、北面为偏东气流;梅雨锋的上升运动和强降水主要发生在梅雨锋的前沿;梅雨锋上方对流层上半部存在与副热带高空急流相配合的高空副热带锋;对流层上部的高空热带东风与副热带高空西风急流构成了梅雨锋降水的高空辐散流场。根据典型期梅雨锋以及二度梅倾斜型梅雨锋的对流层上、中、下水平环流特征,给出了梅雨锋的多尺度概念模型,主要包括中低纬度系统相互作用、对流层高层的行星尺度的环流系统副热带高空西风急流、高空热带东风急流与南亚高压、对流层中层的副热带高压与北方的短波槽以及对流层低层的行星尺度季风和切变线。     

A NUMERICAL STUDY ON THE INFLUENCE OF WIND FIELDS AT UPPER LEVELS IN THE MEIYU PERIOD ON THE DEVELOPMENT OF LOW LEVEL JET AND MESOSCALE SYSTEMS

Using a mesoscale model,a numerical study on a heavy rainfall case occurring in theChangjiang-Huaihe River Basin is made in this paper.The influence of the intensity ofnortheasterly wind in front of the Qinghai-Xizang high at upper level on the low level wind fieldand development of mesoscale systems as well as heavy rainfall is investigated.The model wellreproduced the heavy rainfall process and the weather systems associated.And it indicates that thestrong northeasterly flow around the high at upper troposphere will bring about not only thestrengthening of low level southeasterly wind,but also the appearance of shear-line and mesoscalevortex at low level.The coupling of northerly wind at upper level and southerly wind at lowerlevel constructs a vertical indirect circulation which is most favourable for the development ofconvective motions.Its ascending branch in the shear-line area is very strong and shows apronounced mesoscale characteristic.     

SIMULATION OF BOUNDARY LAYER EFFECTS ON A HEAVY RAINFALL EVENT CAUSED BY A MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEM OVER THE YELLOW RIVER MIDSTREAM AREA

A heavy rainfall event caused by a mesoscale convective system (MCS), which occurred over the Yellow River midstream area during 7–9 July 2016, was analyzed using observational, high-resolution satellite, NCEP/NCAR reanalysis, and numerical simulation data. This heavy rainfall event was caused by one mesoscale convective complex (MCC) and five MCSs successively. The MCC rainstorm occurred when southwesterly winds strengthened into a jet. The MCS rainstorms occurred when low-level wind fields weakened, but their easterly components in the lower and boundary layers increased continuously. Numerical analysis revealed that there were obvious differences between the MCC and MCS rainstorms, including their three-dimensional airflow structure, disturbances in wind fields and vapor distributions, and characteristics of energy conversion and propagation. Formation of the MCC was related to southerly conveyed water vapor and energy to the north, with obvious water vapor exchange between the free atmosphere and the boundary layer. Continuous regeneration and development of the MCSs mainly relied on maintenance of an upward extension of a positive water vapor disturbance. The MCC rainstorm was triggered by large range of convergent ascending motion caused by a southerly jet, and easterly disturbance within the boundary layer. While a southerly fluctuation and easterly disturbance in the boundary layer were important triggers of the MCS rainstorms. Maintenance and development of the MCC and MCSs were linked to secondary circulation, resulting from convergence of Ekman non-equilibrium flow in the boundary layer. Both intensity and motion of the convergence centers in MCC and MCS cases were different. Clearly, sub-synoptic scale systems in the middle troposphere played a leading role in determining precipitation distribution during this event. Although mesoscale systems triggered by the sub-synoptic scale system induced the heavy rainfall, small-scale disturbances within the boundary layer determined its intensity and location.     

A NUMERICAL STUDY ON THE INFLUENCE OF WIND FIELDS AT UPPER LEVELS IN THE MEIYU PERIOD ON THE DEVELOPMENT OF LOW LEVEL JET AND MESOSCALE SYSTEMS*

Using a mesoscale model,a numerical study on a heavy rainfall case occurring in the Changjiang-Huaihe River Basin is made in this paper.The influence of the intensity of northeasterly wind in front of the Qinghai-Xizang high at upper level on the low level wind field and development of mesoscale systems as well as heavy rainfall is investigated.The model well reproduced the heavy rainfall process and the weather systems associated.And it indicates that the strong northeasterly flow around the high at upper troposphere will bring about not only the strengthening of low level southeasterly wind,but also the appearance of shear-line and mesoscale vortex at low level.The coupling of northerly wind at upper level and southerly wind at lower level constructs a vertical indirect circulation which is most favourable for the development of convective motions.Its ascending branch in the shear-line area is very strong and shows a pronounced mesoscale characteristic.     

梅雨期高层流场对低层急流及中尺度系统影响的数值试验

用中尺度模式对一次江淮流域暴雨过程进行了数值试验，并研究了对流层高层青藏高压东侧偏北大风的强弱与低层流场及中尺度系统发生及至降水过程的影响。试验不仅较成功地模拟了本次暴雨过程及相应的系统，而且揭示出较强的高空偏北大风将引起对低空急流的加强。而更为重要的是低层切变线的出现以及其上中尺度涡旋的发生。上下风场所构成的垂直反环流圈大大有利于对流的发展，特别是在切变线地区的上升支，带有明显的中尺度特征。