一次台风远距离作用下的西南低涡大暴雨个例分析

利用2009年8月2—5日发生在川渝地区一次远距离台风暴雨的实况降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究了远距离台风作用下的水汽和温湿能输送特征;利用25点平滑算子方法研究了台风"天鹅"对此次暴雨影响系统——西南低涡作用下的中尺度特征。结果表明,此次大暴雨过程是在有利的环流背景下发生的,东移的高空槽耦合了西南低涡,远距离的台风"天鹅"使得西南低涡在川渝地区长时间维持,台风"天鹅"倒槽对低涡系统暖湿结构具有重要作用;在台风倒槽偏东气流驱动下,其携带的水汽和能量与西南低空急流输送的暖湿水汽汇合,构建了输送到低值系统附近的水汽和能量通道,增强了强降水区水汽和能量积聚效应,这种积聚效应促使低涡系统物理结构的维持;在台风倒槽顶部偏东气流动力作用下,促使低涡系统中低层正涡度增强,进一步促使垂直涡度增长,对低涡系统动力结构维持起到积极作用,进而促使低涡系统长时间维持,最终导致长时间强降水的发生。     

一次北方台风暴雨(9406)能量特征分析

从能量角度分析了9406号台风在我国北方造成大范围暴雨过程,定量讨论了台风变性过程中显热能、潜热能和动能的时空分布特征、北方暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量的变化、以及动能的补充来源.发现:(1)虽然潜热能比显热能小1个量级,但潜热能平流大于显热能平流.热带气旋在获得西风带斜压能量之前,其总能量的维持主要来自潜热能的贡献,潜热能的贡献约是显热能的两倍.(2)台风远距离降水的突然增幅是中低纬度系统相互作用的结果.来自热带气旋的显热能平流与西风带显热能平流非线性叠加,导致槽前显热能明显增加,西风带槽迅速加深,降水突然增幅.同时,暴雨区高空动能下传的突然增强对暴雨突然增幅有贡献,而该高空动能下传的增加与6小时之前台风环流区大量潜热能量释放相对应.(3)台风进入影响区之前,在整个对流层有潜热能、显热能和动能直接从台风区输入暴雨区;在台风进入影响区之后,只有低空显热能平流保持继续向暴雨区输送能量.(4)台风进入影响区之后,北方暴雨区动能的补充主要来自对流层上层动能的下传、斜压不稳定能量向动能的转化和北方暴雨区西边界动能的输入.5个类似台风的合成分析支持了以上主要结论.得出的暴雨增幅模型可对预报台风远距离降水有指示作用.     

1215号“布拉万”台风暴雨及降水非对称性分布的成因分析

利用中尺度非静力模式WRF对2012年第15号台风“布拉万”在中国东北地区造成的暴雨过程进行了数值模拟,结合观测资料对模拟结果进行了验证,利用模式输出的高分辨率资料,对“布拉万”台风造成的强降水及其非对称性分布的成因进行了诊断分析。结果表明,模式很好地再现了台风登陆过程中的路径、强度变化和降水分布,受中纬度西风槽带来的干冷空气影响,“布拉万”台风登陆后的降水和环流结构具有明显的不对称性,降水主要集中在台风中心西北侧的能量锋区附近。水汽散度通量和水汽螺旋度能够较好地描述强降水过程的发生、发展及其非对称性分布的时空特征,在强降水区,水汽散度通量表现为正值强信号,而水汽螺旋度表现为负值强信号,在非降水区和弱降水区,两者均表现为弱信号。等熵位涡分析显示,对流不稳定只是此次台风暴雨前期和初始阶段的不稳定条件,而湿位涡(MPV)的湿斜压项(MPV₂)则是暴雨增强和出现非对称性分布的主要机制。在暴雨形成过程中,由于冷空气侵入造成了在台风环流西北侧湿等熵面的陡立倾斜和水平风垂直切变的增强,导致了气旋性涡度的显著增强,气旋性涡度增强造成的强烈上升运动将降水区东南侧输送过来的暖湿空气向上输送,从而导致了暴雨的发生,这其中条件性对称不稳定是降水得以加强的一种重要不稳定机制。     

台风“利奇马”远距离暴雨的关键动力因子和水汽来源

基于地面加密观测、ERA5再分析、ECMWF全球集合预报等多源资料,利用敏感性分析方法、涡度收支诊断方法以及拉格朗日水汽追踪方法,探讨1909号台风“利奇马”造成远距离暴雨的关键动力因子和水汽来源。结果表明,对流层低层短波槽的加深有利于台风远距离降水(Tropical cyclone Remote Precipitation,TRP)区南北两侧的气流共同增强TRP区域内的低层相对涡度,从而增强TRP。尤其相对涡度的散度项是影响TRP增强或减弱的关键作用项。在TRP增强阶段,有利于暴雨增强的正涡度主要由散度项贡献。负的散度项贡献导致相对涡度减小,TRP雨强也随即减弱。在水汽方面,TRP雨强和区域内的水汽含量密切相关。500 hPa上TRP区域内的水汽由局地和台风“利奇马”共同贡献;700 hPa的水汽主要由“利奇马”台风贡献;850 hPa的水汽则由局地和两个台风共同输送,其中台风“罗莎”的贡献更大一些。     

对流层中层大气能量转换特征与暴雨激发和维持的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国2 513个测站逐日降水资料,分析了2008年9月22—27日四川盆地持续性暴雨过程中对流层中层大气风场动能和势能的相互转换和分布特征。结果表明,在暴雨迅速发展阶段,受环流形势和地形等条件的影响,动能能量转换成驻波形式的波动势能;在强降水维持并减弱阶段,动能和势能之间的转换趋于平缓。在整个暴雨过程中,强降水区与500hPa风场能量大值区分布基本一致。此外,台风"黑格比"也为此次暴雨过程提供了必要的水汽。     

2018年吉林省一次暴雨过程成因分析

利用常规气象观测数据、吉林省加密自动站观测数据、NCEP的1°×1°再分析资料和卫星云顶亮温数据,对2018年8月13—15日吉林省一次暴雨过程成因进行分析。结果表明:“三带”(西风带、副热带和热带环流)是暴雨产生的大尺度环流背景。大气整层水汽通量显示副热带高压外围的西南气流与远距离台风外围东南气流共同为暴雨输送充沛的水汽。降水有两个主要阶段,大气层结特征均为高层有正值位涡扰动并沿假相当位温锋区下滑,大气层结不稳定,水汽充沛,不稳定能量较大。降水第二阶段水汽输送、动热力条件、不稳定能量均小于第一阶段。云图表现特征为中尺度对流辐合体和中尺度对流云团,中尺度对流辐合体云团发展旺盛时,低层呈现气旋式涡度、中尺度辐合,高层呈反气旋式涡度、中尺度辐散。925 hPa低空切变线和地面辐合线是暴雨发生的中尺度触发条件。     

台风Morakot(2009)暴雨中关键尺度位涡的诊断分析

采用二维小波变换方法对格点分析资料进行多尺度分解,诊断分析台风Morakot(2009)登陆福建省霞浦市过程中位涡的多尺度特征。在此基础上,讨论了多尺度位涡正压项通量散度对位涡正压项局地变化的贡献。研究结果表明,在此次台风登陆过程中位涡主要包含第4、5关键尺度(理论波长范围为96.4~160.67 km)动力扰动和第3、4关键尺度(理论波长范围为64.27~128.54 km)热力扰动的综合信息。由于关键尺度位涡正压项的强度大于斜压项,因而位涡主要体现了第4、5动力尺度垂直涡度与第3、4热力尺度广义位温垂直梯度的耦合作用。第4、5动力尺度西南扰动气流为台风暴雨提供充足的水汽供应,在台风环流西北侧产生低层辐合、中高层辐散,为强对流系统的发生提供有利动力条件。第3、4热力尺度的广义位温扰动一方面增加降水区大气湿斜压性,另一方面在降水区低层形成位势不稳定,为强对流的发展提供潜在不稳定能量。位涡正压项方程强迫项的分析表明,关键尺度位涡正压项通量输送对位涡正压项局地变化有一定贡献,影响位势稳定度的变化。在台风登陆后,关键尺度位涡及位涡正压项通量散度都有所减小,使得垂直涡度和位势稳定度的变化趋缓。     

湿位涡诊断分析在河南台风远距离降水中的应用

应用湿位涡理论,分析了两个发生在河南的台风远距离降水个例,讨论了湿位涡与台风远距离降水形成的关系。结果表明：两个个例中,河南具有有利于强降水发生的湿位涡特征;异常暴雨的发展与湿位涡的变化有很好的对应关系：湿位涡的异常区域对应着最强的降水,对流层高层ζMPV1（湿位涡的垂直分量）正值区与低层ζMPV2负值区相互作用,即高层下滑的干冷空气与中低层由东南急流输送的高温高湿空气交汇,容易储存和释放湿对流不稳定能量,有利于强降水产生。湿位涡理论在河南台风远距离降水诊断中有很好的应用前景。     

湿位涡诊断分析在河南台风远距离降水中的应用

应用湿位涡理论,分析了两个发生在河南的台风远距离降水个例,讨论了湿位涡与台风远距离降水形成的关系。结果表明：两个个例中,河南具有有利于强降水发生的湿位涡特征;异常暴雨的发展与湿位涡的变化有很好的对应关系：湿位涡的异常区域对应着最强的降水,对流层高层ζmpv1（湿位涡的垂直分量）正值区与低层ζmpv1负值区相互作用,即高层下滑的干冷空气与中低层由东南急流输送的高温高湿空气交汇,容易储存和释放湿对流不稳定能量,有利于强降水产生。湿位涡理论在河南台风远距离降水诊断中有很好的应用前景。     

广西台风残涡暴雨发生特征分析

利用EC再分析资料(2.5°×2.5°)、台风年鉴资料及广西降水资料,统计分析了1970-2014年影响广西的台风残涡暴雨过程,采用逐例与合成分析方法,对发生日暴雨≥10站过程与弱降水过程的前24h环流特征进行对比分析。结果显示:(1)1970-2014年的45a中,共有18例台风残涡影响广西,约2-3年出现1次,造成广西日暴雨≥10站的暴雨过程15次,占83%;(2)5-9月均有台风残涡影响广西,其中8月有7例最多,7月有6例次之,9月有3例,5、6月均为1例;(3)依照广西台风影响路径分型,广西台风残涡暴雨共有3类4型,即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类强降水型和第Ⅲ类弱降水型;(4)有利台风残涡维持并发生暴雨的环流条件有:200h Pa高度场上,台风残涡移入南亚高压东侧强辐散区之下,500h Pa高度场上,台风残涡移向高原槽前斜压锋区,台风残涡环流呈倒槽状与季风低压区环流相连,850h Pa高度场上,季风急流伴随湿度大值区与台风残涡环流相连接,地面有弱冷空气扩散南下。     

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

Simulation of formation of a near-equatorial typhoon Vamei (2001)

Summary A community mesoscale model is used to simulate and understand processes that led to the formation and intensification of the near-equatorial typhoon Vamei that formed in the South China Sea in December, 2001. The simulated typhoon resembles the observed in that it had a short lifetime and a small size, formed near the equator (south of 2° N), and reached category-one intensity. The formation involved the interactions between the scales of the background cyclonic circulation (the Borneo Vortex of order ∼100 km) and of mesoscale convective vortices (MCVs, in the order ∼10 km). Before tropical cyclone formation MCVs formed along a convergent, horizontal shear vorticity line on the eastern edge of an exceptionally strong monsoonal northerly wind surge. The typhoon genesis is marked by three rapid intensification periods, which are associated with the rapid growth of potential vorticity (PV). A vorticity budget analysis reveals that the increases in low-level vorticity during the rapid intensification periods are attributed to enhanced horizontal vorticity fluxes into the storm core. The increase of the horizontal vorticity flux is associated with the merging of areas of high PV associated with MCVs into the storm core as they are advected by background cyclonic flows. The increases in PV at upper levels are associated with the evaporation of upper level stratiform precipitation and increases of vertical potential temperature gradient below the maximum stratiform cloud layer. It appears that two key sources of PV at upper and lower levels are crucial for the build up of high PV and a deepening of a cyclonic layer throughout the troposphere.     

1617号鲇鱼台风登陆后引发不同性质暴雨的成因对比分析

2016年9月28日1617号台风"鲇鱼"登陆后由台风本体环流和外围环流引发了不同性质的暴雨,这是本次秋季登陆台风暴雨预报的难点。利用常规气象观测资料以及NCEP的1°×1°再分析资料等,对不同性质暴雨的成因进行了诊断对比分析。结果表明:浙江东南部对流性降水和江西南部稳定性降水的大气层结结构具有明显的差异。中高纬度低槽距离台风较远,冷空气主要从低层入侵台风西北侧,破坏台风低层的暖心结构。台风外围中层干冷空气随东南风向浙江东南部输送,并叠加在低层暖湿气流之上,形成上冷下暖的不稳定层结,同时在对流层上层有干冷空气下沉至台风环流中下层(干侵入),导致浙江文成附近出现了局地特大暴雨。江西南部由于低层被湿冷空气占据,层结较为稳定,降水发展平缓。低空东南急流为台风外围环流暴雨提供了充足的水汽,浙江东南部地形对降水起到了增幅作用。不稳定层结及中层冷空气的输送对对流性暴雨的激发作用可以为登陆台风降水性质和强度预报提供参考依据。     

A Study on a Heavy Rainfall Event Triggered by an Inverted Typhoon Trough in Shandong Province

A heavy rainfall event that occurred in Shandong Province in 26 28 August 2004 was caused mainly by Typhoon Acre and cold air activities related to a westerly trough. The event was triggered by an inverted typhoon trough, which was closely associated with the intensification of the low-level southeasterly flow and the northward transport of heat and momentum in the periphery of the typhoon low. A numerical simulation of this event is performed using the nonhydrostatic mesoscale model MM5 with two-way interactive and triply-nested grids, and the structure of the inverted typhoon trough is studied. Furthermore, the formation and development mechanism of the inverted typhoon trough and a mesoscale vortex are discussed through a vorticity budget analysis. The results show that the heavy rainfall was induced by the strong convergence between the strong and weak winds within the inverted typhoon trough. Dynamic effects of the low-level jet and the diabatic heating of precipitation played an important role in the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex. The vorticity budget analysis suggests that the divergence term in the low troposphere, the horizontal advection term, and the convection term in the middle troposphere were main contributors to positive vorticity. Nonetheless, at the same pressure level, the effect of the divergence term and that of the adveetion term were opposite to each other. In the middle troposphere, the vertical transport term made a positive contribution while the tilting term made a negative contribution, and the total vorticity tendency was the net result of their counteractions. It is found that the change tendency of the relative vorticity was not uniform horizontally. A strong positive vorticity tendency occurred in the southeast of the mesoscale vortex, which is why the heavy rainfall was concentrated there. The increase of positive vorticity in the low （upper） troposphere was caused by horizontal convergence （upward transport of vorticity from the lower troposphere）. Therefore, the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex were mainly attributed to the vorticity generated in the low troposphere, and also the vertical transport of vorticity from the low and middle troposphere.     

青藏高原高空流型对西太平洋台风路径影响的诊断分析

利用观测研究,动力诊断分析等手段,从上下游效应、中低纬相互作用的角度来探讨青藏高原高空天气系统的变化与西太平洋台风运动两者之间的关系。1970~1995年25年间的统计结果表明,青藏高原高空流型与台风路径有如下关系:高原高空500 hPa为低值系统控制时,有利于台风西行;反之,高原高空500 hPa为高压时,近海台风往往转向。动力诊断分析的结果揭示了高原上空系统影响下游系统的物理机制,即高原上游扰动动能的传递使得下游的槽发展,并进一步影响台风的引导气流。高原脊的存在,使得涡动动能的输送通道偏北;高原上为槽时,涡动动能的输送通道偏南。高原槽前的南风和台风东侧南风将低纬度的低位涡输入副热带高压,有利于副热带高压的发展,影响台风运动,体现了中低纬相互作用对天气系统的影响。     

Kinetic Energy Budgets during the Rapid Intensification of Typhoon Rammasun (2014)

In this study, Typhoon Rammasun(2014) was simulated using the Weather Research and Forecasting model to examine the kinetic energy during rapid intensification(RI). Budget analyses revealed that in the inner area of the typhoon,the conversion from symmetric divergent kinetic energy associated with the collocation of strong cyclonic circulation and inward flow led to an increase in the symmetric rotational kinetic energy in the lower troposphere. The increase in the symmetric rotational kinetic e...     

华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。     

On the vorticity and energy budgets of the cold vortex in Northeast China: a case study

This study examines the vorticity budgets, turbulent extended exergy and kinetic energy evolution equations to investigate the major dynamical and energy conversion processes contributing to the initiation and intensification of the cold vortex over Northeast China that occurred during June 19–22, 2009. The results show that the cyclonic vorticity was initiated in the lower troposphere due to the intense convergence of horizontal winds. The growth of cyclonic vorticity in the middle troposphere is mainly due to the vertical transportation of the vorticity, yet the increase of cyclonic vorticity in the upper troposphere primarily results from the horizontal advection of vorticity. Of special interest in this study is the evaluation of the role of thermal advections in the baroclinic development of the cold vortex. The results indicate that the rising of the air over relatively warm areas and the sinking of the air in relatively cold regions are favorable for releasing turbulent extended exergy $ \left( {e_{\text{t}} } \right) $ , which is later converted to turbulent kinetic energy $ \left( {k_{\text{t}} } \right) $ , and this process occurs during the initiation and intensification of the cold vortex. In addition, barotropic energy conversion is another important process that contributes to the growth of k _t, and it strengthens gradually after the initiation of the cold vortex. Other than frictional consumption, the flux of k _t in the vertical direction also depletes some of k _t. The fluxes of e _t, baroclinic energy conversions and diabatic generations are favorable factors for the growth of e _t, whereas it decreases with time as a result of a large amount of e _t that is released. Most of the energy conversion processes, including the baroclinic and the barotropic energy transformations and the energy conversions from e _t to k _t, as well as the fluxes of e _t, are stronger in the lower troposphere than the other areas during the formation of the cold vortex. This accounts for the initiation of the cyclonic vorticity in the lower troposphere. Finally, the fact that the turbulent extended exergy releases primarily in the middle troposphere through the vertical thermal circulation is consistent with our understanding based on the vorticity budget analyses.     

中尺度对流复合体的热力学特征分析

用合成分析方法探讨ＭＣＣ热力学结构的演变规律,结果表明：ＭＣＣ整个生命史里,对流层中下部为正涡度区,２００ｈＰａ以上为负涡度区;发展时刻辐合区突然抬升;ＭＣＣ前期的垂直上升速度最大中心高度低于后期的;ＭＣＣ的高低空的冷心、中层暖心的温度结构在成熟期以后不明显     

一次台风远距离暴雨中的干侵入分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,对2008年7月17—19日发生在山东地区的台风远距离暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。结果表明:降水期间有来自中高层的干冷空气的侵入,主要有两种表现形式:对流层顶附近向下的干空气侵入和对流层低层由西北向南的干空气侵入。干侵入存在于300~600 hPa之间,高层略微落后于低层,不利于对流不稳定的发展。但干冷空气侵入使得等相当位温面倾斜,有利于条件性对称不稳定的发展。干侵入使原来不饱和湿空气出现饱和,有利于降水增幅,雨区始终位于500 hPa干区前沿。高层正位涡扰动沿相当位温密集带向低层输送,500 hPa位涡高值区与降水有较好的同位相关系,对降水的发展和移动有一定的指示意义。