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。     

夏季长江流域暴雨洪涝灾害的天气气候条件

利用NCEP/NCAR再分析资料,探讨夏季中国东部长江流域严重洪涝灾害发生时的天气气候异常特征.分析表明:东亚夏季风环流偏弱是夏季长江流域发生严重暴雨洪涝灾害的气候特征.天气特征是东亚地区东、西、南、北天气尺度系统的最佳配合以及东亚大气环流出现较显著的20～30天的低频振荡.东亚中高纬大气环流出现20～30天的低频振荡,有利于青藏高原上空的低压系统沿着中纬度东传到115～125°E附近,造成长江流域梅雨锋低压扰动加强;东亚低纬大气环流出现20～30天的低频振荡,有利于印度洋、南海和热带西太平洋的水汽输送到长江流域,为长江流域暴雨提供持续充足的水汽来源.夏季西太平洋副热带高压西伸出现20～30天的低频振荡,有利于低压系统在长江流域(115～125°E)再生和维持.     

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。     

夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征

利用NCAR/NCEP月平均再分析资料,探讨夏季西太平洋副热带高压异常时东亚热带季风、梅雨锋及中高纬环流的变化特征.研究表明:夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏南或脊点异常偏西时,东亚夏季风环流偏弱,850 hPa矢量风距平场上东亚热带地区出现反气旋性环流,副热带地区呈气旋性环流,500 hPa垂直速度距平场上东亚热带地区上升运动减弱,梅雨锋区上升运动加强,500 hPa高度上东亚高纬鄂霍次克海区域出现阻塞高压,高纬冷空气直达中纬度,梅雨锋扰动加强,造成江淮流域汛期降水偏多.夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏北或脊点异常偏东时,东亚夏季风环流偏强,东亚大气环流系统的活动出现了与上述情况相反的异常型,江淮流域汛期降水偏少.     

梅雨锋降水运动诊断分析与（大）暴雨形成——江淮梅雨锋暴雨的天气学成因个例分析

对T213 L31再分析模式大气,在等熵坐标系上对天气学大尺度凝结函数降水、水汽通量散度降水做了诊断计算;同时,对整层对流不稳定性降水和气块（团）湿不稳定降水做了理想设计与诊断计算.对2003年7月江淮梅雨锋暴雨的计算与分析表明：两种天气尺度波动的大尺度稳定性降水运动的降水量级较小,都不足以直接形成暴雨;而对流不稳定降水运动可以形成暴雨,却不足以形成大暴雨;只有气块不稳定降水运动,才是梅雨锋上大暴雨的自组织、正反馈的唯一降水机制.研究表明,该江淮梅雨锋暴雨虽然存在着明显的梅雨锋天气尺度降水系统,但充沛的水汽通量和异常高温高湿气团的维持,使得在梅雨锋上发生着的非等熵湿绝热运动及其对流不稳定降水和气块不稳定降水,是（大）暴雨发生的天气学成因.     

应用湿Q矢量分解诊断梅雨锋暴雨

采用传统的Q矢量分解方法将湿Q矢量(Q*)分解在沿等位温线的自然坐标系中，并结合改进的MM4模式(MMM4)模拟资料，对一次江淮梅雨锋暴雨过程进行诊断分析。结果表明，分解湿Q矢量可将梅雨锋暴雨的垂直运动场进行一个有意义的尺度分离，这不仅验证了梅雨锋暴雨过程中存在不同尺度相互作用的已知结论，而且从定量的角度揭示出不同尺度在梅雨锋暴雨不同阶段所起的作用不同，有明显的主、次之分：在梅雨锋暴雨的开始形成阶段，大尺度对垂直运动场的产生起着主要的强迫作用，锋区尺度的强迫作用处于次要地位；在梅雨锋暴雨的强盛阶段，锋区尺度已经演变为垂直运动场的主要强迫因子，而大尺度的强迫作用则处于次要地位，其至多起着背景场的作用，甚至个别时次可以忽略不计；在梅雨锋暴雨的衰亡阶段，大尺度又逐渐演变为此时垂直运动场的主要强迫动力，而锋区尺度的强迫作用则迅速衰减，其又仅处于次要地位。此外，我们认为分解湿Q矢量比“总”的湿Q矢量更有利于对产生梅雨锋暴雨的潜在物理机制的评估：先是在大尺度2△↓.Qθ*的强迫作用下诱发中尺度2△↓.Qn*强迫作用的产生，随着2△↓.Qn*强迫作用的增强，其所强迫作用产生的次级环流增强，降水的强度也同时随着增大，最终由2△↓.Qn*强迫作用所产生的次级环流直接导致梅雨锋暴雨的发生。     

积云对流热力效应引起亚洲副热带锋区的加强——根据北半球预报模式实验结果

1.引言出现在初夏的东亚雨季,其带状雨带由中国南部向东伸至日本列岛。从气候上说,雨带与沿太平洋和季风区潮湿热带气团北界所形成的副热带锋区相对应,此锋日本称为霉雨锋,中国称为梅雨锋。关于梅雨锋结构有两种观点:(1)大尺度季风环流影响梅雨锋的观点;(2)积云对流总体引起梅雨锋局地加强的观点。下面简要地引述几篇关于第一种观点的著作。Murakami(1959)、Saito(1966)以及Asakura(1971)在东亚和南亚水分平衡中,曾讨论西南气流从季风区输送水汽的作用问题。Suda 和Asakura(1955)     

改进的湿Q矢量分析方法及梅雨锋暴雨形成机制

利用实测暴雨资料,结合改进的MM4(MMM4)模式模拟输出的加密资料,分别利用改进的湿Q矢量(记为Q*)及改进的湿Q矢量分解(Partitioning),诊断分析了1991年7月5日20:00~6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程。结果表明,600hPaQ*矢量散度辐合区对同时刻地面降水的强度、落区及不均匀性有很好的指示作用。在整个梅雨锋暴雨过程中,Q*矢量散度辐散、辐合在垂直方向上是相间分布的,它所激发的次级环流可能是诱发梅雨锋暴雨产生的重要因素。进一步研究表明,改进的湿Q矢量分解比“总”Q*矢量更具有诊断意义,可将梅雨锋暴雨的垂直运动场进行有意义的尺度分离,更有利于梅雨锋暴雨的潜在物理机制的评估。在梅雨锋暴雨的不同阶段,对于垂直运动场而言,不同尺度的Q*矢量散度辐合场的强迫作用不同,有主、次之分。基于上述诊断分析结果,本文进而提出梅雨锋暴雨形成的可能物理机制,并给出其概念模式:由于初始大气中大尺度的水汽及垂直运动场的空间分布不均匀,从而造成了大尺度Q*矢量散度辐合,激发出次级环流,进而引发了中尺度Q*矢量散度辐合场的产生,最终产生次级环流,直接导致梅雨锋暴雨的发生。     

准静止梅雨锋连续暴雨个例的位涡反演诊断

2006年6月5—8日,受准静止的梅雨锋系统影响,福建北部地区发生了连续4 d的暴雨天气,引发了严重的洪涝灾害。文中利用1°×1°NCEP再分析资料、位涡诊断和位涡反演的方法,详细分析了梅雨锋演变过程中主要天气系统的变化,位涡和位涡扰动(位涡异常)与梅雨锋及梅雨锋带上强降水之间的关系,并通过分离位涡扰动的方法探讨了与不同物理过程有关的位涡扰动在梅雨锋发生发展中的作用。结果发现:对流层低层锋面南北两侧高压系统的稳定维持是准东西向梅雨锋形成和维持的主要原因。满足非线性平衡方程的平衡流很大程度上代表了实际气流,它的演变基本上反映了梅雨锋流场的演变。非平衡流形成了梅雨锋辐合带,它主要来自梅雨锋北侧的高压系统。与潜热释放有关的对流层中低层的正位涡扰动是梅雨锋发生发展中有主要影响的因子之一。边界层的位涡扰动一定程度上有利于梅雨锋的形成和维持。总体而言,下边界位温扰动并不利于梅雨锋的形成和维持,但它具有一定的日变化。高层位涡扰动对梅雨锋形成和维持的作用相对其他位涡扰动要弱的多,且不利于梅雨锋的形成和维持,但在梅雨锋后期南压阶段作用增强。对流层中低层与潜热释放无关的其他位涡扰动对梅雨锋的南压起到了一定作用。     

夏季东亚热带和副热带季风与中国东部汛期降水

利用欧洲中心１９８０～１９８９年逐日２００ｈＰａ、８５０ｈＰａ风场及日本气象研究所提供的ＧＭＳ观测的ＴＢＢ逐日资料,探讨了夏季东亚热带、副热带季风的强弱对中国东部夏季降水的影响．指出东亚夏季风系统中的两条辐合带热带辐合带（热带季风槽）和副热带辐合带（副热带梅雨锋）的强度的变化呈相反趋势,即热带季风槽偏弱时（弱季风）,副热带梅雨锋偏强;反之热带季风槽偏强时（强季风）,副热带梅雨锋偏弱．江淮流域的降水与热带季风槽、副热带梅雨锋的强度密切相关,即热带季风槽偏弱（弱季风）,梅雨锋偏强时,江淮流域的降水偏多;热带季风槽偏强（强季风）,梅雨锋偏弱时,江淮流域的降水偏少．研究表明：热带季风槽和副热带梅雨锋的强度与偏西气流的加强密切相关．当赤道东太平洋海温偏高,赤道西太平洋海温偏低,黑潮地区的海温偏高时,赤道东西太平洋上空的Ｗａｌｋｅｒ环流和西太平洋中纬度Ｈａｄｌｅｙ环流的下沉支气流减弱,东亚季风槽较弱（弱季风）,梅雨锋较强;当赤道东太平洋海温偏低、西太平洋海温偏高,黑潮地区的海温偏低时,赤道东西太平洋上空的Ｗａｌｋｅｒ环流和西太平洋中纬度Ｈａｄｌｅｙ环流的下沉支气流加强,东亚季风槽较强（强季风）,梅雨锋较弱．     

Synoptic-scale physical mechanisms associated with the Mei-yu front: A numerical case study in 1999

The Mei-yu front system occurring from 23 to 27 June 1999 consists of the Mei-yu front and the dewpoint front, which confine a warm core extending from the eastern flank of the Tibetan Plateau to the west of 145°E. To further understand the synopticscale physical mechanisms associated with the Mei-yu front system, the present study proposes another insight into the physical significance of the x-component relative vorticity (XRV) whose vertical circulation is expected to tilt isentropic surfaces. The XRV equation diagnoses exhibit that the twisting effect of the planetary vorticity (TEPV) is positive along the Mei-yu front and negative in the dewpoint front region, and tilts isentropic surfaces from south to north in the Mei-yu frontal zone. Conversely, the meridional gradient of the atmospheric buoyancy (MGAB) tilts isentropic surfaces in the opposite direction and maintains negative in the regions where the TEPV is positive and vice versa. Thus, the TEPV plays the role of the Mei-yu frontogenesis, whereas the MGAB demonstrates the Meiyu frontolysis factor. Both terms control the evolution of the cross-front circulation. The other terms show much minor contributions in this case study. The present simulations also indicate that the weakening of the upper-level jet evidently induces the weakening of the Mei-yu front and reduces the amplitude of the East Asia cold trough. Furthermore, the impact can also penetrate into the lower troposphere in terms of mesoscale disturbances and precipitation, proving that the upper-level jet imposes a noticeable top-down influence on the Mei-yu front system.     

一次典型梅雨锋暴雨过程的多尺度结构特征

利用多种类型资料,对2009年6月29—30日引发鄂皖境内梅雨锋特大暴雨过程的天气形势和中尺度对流系统（MCSs）进行了初步分析,揭示了梅雨锋暴雨系统的多尺度结构特征,并用中尺度模式WRF对梅雨锋暴雨系统进行了9km三重双向嵌套大区域精细模拟,再采用Morlet小波变换对模式输出进行空间带通滤波,分离出α、β和γ中尺度系统,对不同中尺度系统的热力动力三维空间结构特征进行了研究。结果表明：梅雨锋特大暴雨由梅雨锋上多个不同尺度的MCSs活动造成,这些不同尺度的MCSs在卫星云图和雷达回波上呈现出不同的特点。在α、β和γ中尺度上,梅雨锋暴雨中尺度系统在水平和垂直方向上的动力、热力结构特征存在着明显的差异,α、β中尺度系统具有明显的垂直环流,而γ中尺度系统则具有惯性重力波特征,往往嵌套在α、β中尺度系统内发生发展。最后,提出了典型梅雨锋暴雨系统的物理概念模型。     

On the relationship between 100-hPa South Asia High and Mei-yu in Jiangsu province

By analyzing the change of an index for the characteristics of South Asia High and variations of upper-air troughs in 2002–2005,we studied the impact of South Asia high on the beginning and ending of the Mei-yu(i.e.sustained rain corresponding to the ripening season of plum)in Jiangsu province.Statistic verification is conducted on the relationships between the index and the Mei-yu season in 1991–2005 to examine the impacts of the SAH characteristics index on a rain intensity index of Mei-yu and regional distribution of a characteristics index for different annual patterns of Mei-yu.Historical composite is performed of the 100-hPa circulation field for these patterns using the 100-hPa geopotential height of Northern Hemisphere from 2002 to 2005 and 45-year NCEP reanalysis to study the difference in the circulation for different patterns of Mei-yu.Diagnostic and statistic conclusions,which share much in common,have been obtained as follows.(1)The characteristics preceding to and the advancement/retreat of SAH and the movement of westerly troughs are the factors that influence the onset time of the Mei-yu season;after the Mei-yu onset,the progression/withdrawal of SAH and how farther east it extends are determining how long the Mei-yu lasts and when it ends.(2)During the Mei-yu,the general 100-hPa circulation situation and average characteristics of the SAH are well corresponding to the characteristics of the season and annual patterns of Mei-yu.In addition,the averages of the SAH ridgeline and east-extending index for June,July and the Mei-yu season have some implications to the forecast of the index of Mei-yu intensity.These conclusions can be served as powerful means in determining the starting/ending dates, duration and annual pattern of the Mei-yu season.     

梅雨前后亚洲季风区平均散度风环流和水汽输送的研究

分析了１９８３年江淮流域梅雨期及其前后亚洲季风区平均散度风环流和垂直积分水汽输送的辐散分量。在入梅前强水汽辐合中心位于华南，出梅后则位于印度季风区，梅雨期这两地区都存在着强水汽辐合中心，并且强水汽辐合区和中国东部雨带的位置变化及热源分布有着密切关系。同时指出，江谁流域梅雨与大尺度辐散环流的变化、热源的配置及水汽辐合的位置有着较好的对应关系。     

梅雨期及其前后东亚地区的经向环流结构

本文分析了1983年江淮流域入梅前、梅雨期以及出梅后东亚地区各期平均的经向环流结构及其演变特征。在不同时期,印度热带季风环流和东亚热带及副热带季风环流具有显著差异。研究指出,江淮流域梅雨是亚洲夏季三个季风系统相互作用的结果,是东亚副热带季风系统中经向环流上升支中的产物,同时又与其它两个季风系统密切相关,梅雨结束则与印度热带季风环流减弱南撤、西太平洋高压加强西伸、东亚副热带季风环流北上有关。      

长江流域梅雨期大范围持续性强降水事件的自维持机制:2020年一次暴雨过程的个例分析

长江流域梅雨期降水强度大、范围广、持续时间长,经常导致大范围严重洪涝灾害。该类强降水事件的内动力学过程值得深入讨论。本文以2020年7月5～9日长江流域一次大范围持续性降水为例,通过WRF数值试验分析了降水过程中的凝结潜热与环流系统的相互作用过程。结果表明:在此次大范围持续性强降水事件中,由于凝结潜热的释放,在高层形成高压异常,有利于南亚高压（SAH）加强东伸,SAH东伸的同时与西太平洋副热带高压（WPSH）相互作用,加强WPSH西伸。在潜热释放中心的中低层形成低压异常,有助于阻挡WPSH北上,从而形成稳定的WPSH,有利于降雨系统在长江流域的维持。东亚夏季风演变表现为明显的停滞与北跳特征,其中WPSH的活动是季风雨带演变的核心。本文研究表明,大尺度凝结潜热释放可以通过调节天气系统形成稳定的环流系统,从而有利于雨带加强和维持。这种大尺度雨带凝结潜热释放与环流的相互作用机制可能是夏季风雨带停滞的重要过程。     

Large-scale environmental conditions for thunderstorm development

The large-scale environmental conditions for thunderstorm development have been studied with 40 selected synoptic processes during 1972-1983. It is shown that the thunderstorms in eastern China can be divided into two types: pre-trough and post-trough. The convective instability before the pre-trough thunderstorms is established primarily by the dry and moist differential advection and that before the post-trough thunderstorms by the cold and warm differential advection. The subsynoptic scale circulation has direct effects on the establishment and release of instability. The pre-trough thunderstorms occur in the overlapping region of the ascending motion in the upper baroclinic waves and the ascending branch of the low-level jet strong wind core circulation and the post-trough thunderstorms occur in the lower convergent region below the ascending branch of the jet-front circulation. The effect of the lower dry and warm lids, the coupling of the low-and upper-level jets and the dry advection in the middle-level jet are the favorable factors for the severe storm formation.     

谢义炳对大气环流系统研究的贡献

对谢义炳在大气环流系统方面所做出的科学贡献作了简要的全面回顾。其中包括:(1)北美切断低压的生命史;(2)东亚高空锋和急流的多层结构;(3)中国降水系统的结构和演变规律(包括梅雨锋、西南低涡等),热带和中纬度扰动相互作用在暴雨过程中的重要性;(4)西北太平洋的台风形成在ITCZ(赤道辐合带)/季风槽中;印度西南季风的低频变化;(5)降水系统的湿斜压动力学理论及其在天气预报中的应用;(6)大气环流的中期变化理论。谢义炳的这些贡献为我们更好地理解大气环流系统并改善了中国的暴雨预报。     

梅雨锋上中尺度对流云团的分析

本文利用每小时红外增强显示（EIR）和红外（IR）云图，6小时降水量及常规气象资料，对1991年6月12—14日和7月6—7日江淮地区大暴雨过程进行分析，给出了梅雨锋上中尺度对流云团活动的特征（包括生成源地、生命史、移向移速及对流云团生成的几种形式）；讨论了中低纬度云系相互作用对暴雨云团发生、发展的重要性；最后概括出中尺度暴雨云团发生、发展的云模型和概念模型。