两次严重影响湖南的登陆台风水汽场特征数值模拟

针对造成湖南省特大暴雨过程的"碧利斯"和"圣帕"两次台风,利用气象、水文加密观测资料及NCEP再分析资料,结合中尺度数值预报模式AREM的模拟结果,对它们独特的水汽场特征进行了对比分析.结果表明:这两次台风的共同特点是有两条主要水汽输送通道,即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道;凝结降水的水汽主要来源于低层风场辐合和水汽平流,并通过局地垂直运动再将其输送到中高层;在湘东南强降水区上空始终存在强的水汽水平辐合和水汽垂直输送,比较而言,"圣帕"台风暴雨区上空水汽通量更强,但水汽通量辐合强度却小于"碧利斯"台风,水汽辐合层也不及后者深厚,但前者由于自身旋转性强,低压环流中心南部的切变较长时间维持,并自东向西转动,使得强降水持续时间更长,过程雨量更大,影响范围也更大."碧利斯"水汽主要源地较"圣帕"更加偏南,水汽辐合更强,与南海季风的相互作用更显著,降水时段集中,局部地区短时间内的降雨强度甚至超过了"圣帕".     

影响云南高原地区的南海西行台风水汽输送特征

南海西行台风是云南高原地区重要的降水天气系统之一,研究其水汽输送特征为本地降水预报和分析研究提供了前期基础。本文利用2010-2019年10年的南海西行台风样本资料和NCEP再分析数据,研究了影响云南高原地区的南海西行台风水汽输送特征。结果表明：（1）西行登陆台风向云南水汽输送路径主要是东、南、北方三个方向,东侧面水汽输入最大,北侧面水汽输入最小,这两个方向的水汽来源自南海,南侧面水汽输入较东侧面小、比北侧面大,水汽来源自南海和孟加拉湾;（2）东面和南面是两个水汽输入主要方向,北部湾登陆西行台风对云南的影响大于海南岛以东登陆的西行台风;（3）海南岛以东登陆的西行台风东侧面水汽输入大值中心比其他类型台风偏北,南侧面水汽输入分布东西部区域各存在一个相对的大值中心;（4）东侧面北部湾登陆西行台风水汽输入登陆前后6 h达到最大,海南岛以东登陆西行台风稍有滞后,登陆后6～12 h达到最大;（5）南侧面东部区域登陆西行台风水汽输入峰值出现在登陆后12～24 h,南侧面西部区域登陆西行台风水汽输入情况比较复杂,受孟加拉湾与南海两支水汽输送叠加影响。     

影响海南岛的台风降水及水汽输送源地分析

利用1986—2016年中国气象局台风最佳路径资料、海南岛区域站降水数据以及基于拉格朗日方法的轨迹模式对近30 a影响海南岛的台风降水和大气环流特征进行分析,并探讨了台风影响降水期间水汽输送通道和源地。结果表明：6—10月是台风影响海南岛的主要时段,也是台风降水主要时段。在台风降水偏多(少)年,长江以南地区冷空气影响偏弱(强),副热带高压偏弱(强),南支槽偏强(弱),低层水汽通量场呈现异常气旋性(反气旋性)环流。降水偏多年,海南岛受到来自西北太平洋异常东北气流与印度洋、孟加拉湾的异常偏强西南气流影响;降水偏少年,水汽主要来自西太平洋的偏东气流和南海较弱的西南气流。海南岛台风降水的四个主要水汽源地分别为西太平洋、孟加拉湾、南海和印度洋,在台风降水偏多年,水汽输送贡献最大的是西太平洋和孟加拉湾,分别为33%和30%,来自东西两路的水汽供应充足,而在偏少年西太平洋水汽输送贡献最大,为38%,其余水汽源地贡献均在30%以下,以110°E以东的水汽输送为主。     

一个双台风降水的数值模拟及其分析

运用WRF模式对2012年双台风个例-1209号台风“苏拉”和1210号台风“达维”进行数值模拟,成功地模拟出了这次双台风的路径和中心强度变化,同时也模拟出这次双台风降水空间分布以及这次过程的强降水中心.WRF模式模拟的位势涡度场与NCEP再分析资料的位势涡度场极其相似.通过700hPa水汽通量与风矢量场对这次双台风降水过程的水汽条件进行分析,并结合这次双台风路径和台风中心强度对这次双台风相互作用进行初步探讨.     

台风“艾利”降水的非对称结构分析

利用NASA提供的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)的高分辨率资料分析了2004年台风“艾利”降水的结构特征,发现在不同发展阶段其特征存在着很大的不同。为了分析产生降水非对称的原因,又利用NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) 再分析资料计算了垂直积分的水汽通量矢量。结果表明,本次过程由于伴随着双台风特有的环流形势,其北侧的偏东气流和南侧的西南气流对水汽输送的作用,在台风“艾利”发展的不同时期存在很大的不同,形成了这次台风过程特有的水汽来源特点。台风对流强降水区、水汽通量最大区和强上升运动区三者的分布在台风不同发展阶段存在着较大的差异,正是水汽通量和垂直运动的非均匀分布才造成这次台风降水的非对称分布。     

2019年超强台风“利奇马”引发浙江特大暴雨过程分析

利用NCEP FNL 0.25°×0.25°的再分析资料和浙江省中尺度气象站降水资料,从产生强降水的条件来对“利奇马”特大暴雨过程进行诊断分析。结果表明:(1)强降水主要集中在近台风中心的西南部分及其稍远的北部,其中近台风中心为眼壁降水,北部为螺旋云带降水;(2)850~925 hPa水汽通量辐合中心与暴雨落区一致,水汽辐合强度差异是造成台风眼壁强降水落区差异的关键;(3)台风强度大时近中心上升运动强烈,正垂直螺旋度中心值的减小和中心下降对应强降水的发生,低层正螺旋度和高层负螺旋度中心的重叠区对对流性降水落区有一定的指示;(4)本次过程地形增益最明显地区在台州北部,在水汽条件处于劣势情况下出现降水副中心。     

“麦莎”台风暴雨落区非对称分布的诊断分析

利用FY-2C气象卫星资料、常规资料和NCEP再分析资料，对2005年第9号台风“麦莎”登陆后暴雨落区非对称分布的成因进行诊断分析，并讨论其动力学和热力学特征。结果表明：（1）FY-2C红外-通道辐射亮温（TBB）场能够清晰地揭示台风暴雨落区的分布以及造成这种非对称分布的云系结构特征；（2）水汽图像展示了此次降水过程中，对流层中上层主要的水汽型，来自南海和东海强盛的热带水汽羽直抵台风中心东部，中纬度地区的极锋水汽羽东移，其尾端并入台风北部，受二者共同作用，台风降水呈非对称分布；（3）台风中心附近的垂直流场、涡度、假相当位温和整层积分的水汽通量散度等物理量的非常规分布以及低层冷空气的契入，共同解释了台风云系的非对称结构及强雨区非对称分布的形成原因。     

台风“达维”迅速加强数值模拟研究

利用WRF模式（V311）对0518号台风“达维”(Damrey)进行了72 h的数值模拟。重点分析了影响台风强度迅速加强的可能机制,结果表明：①缓慢加强阶段,东风波与台风高层环流相互作用形成一条东北—西南走向的外流通道,加强台风高层辐散流出,有利于台风强度加强;垂直风切变在积分前12 h减小,台风迅速加强与垂直风切变减小间存在滞后性。②迅速加强阶段,低层指向台风中心的水汽通量大大增加;海表面热通量、潜热通量和水汽通量持续增强,海表面潜热通量对台风的能量贡献远大于热通量。③台风眼壁附近的条件性对称不稳定机制激发斜升气流,倾斜涡度发展引起中心附近相对涡度增大,台风整体强度得到加强。     

相似路径台风Soudelor(1513)与Matmo(1410)登陆前后的降水分布特征及成因的对比分析

利用欧洲气象中心（ERA-interim）再分析资料以及中国气象局观测站点的实况降水观测结合CMORPH卫星反演的逐时降水资料,对比分析了路径类似的1513号台风Soudelor和1410号台风Matmo在登陆福建前后期间的降水分布特征以及造成登陆台风暴雨强度和落区差异的原因,得到以下初步结论:Soudelor和Matmo移动路径相似,但在登陆福建的过程中对浙、闽地区造成的降水强度和分布差异明显,如Soudelor造成的总降水强度比Matmo大,且Soudelor的强降水在登陆前主要分布在台风路径的右侧,台风中心的偏北方向,登陆以后主要在台风的偏北以及东北方向;而Matmo登陆前降水基本均匀分布在路径两侧,强降水区位于台风中心的西北方向,登陆福建以后向北移动的过程中强降水区转向台风中心的北边;不同的大尺度环流背景也会导致登陆过程中不同的降水分布特征,Soudelor影响期间副热带高压比较强盛,并阻断它与中纬度西风槽的作用,而Matmo登陆北上过程中逐渐减弱并汇入河北上空的西风槽中,所以登陆后期Matmo的降水比Soudelor强;Soudelor和Matmo台风登闽前后低层水汽输送及东风急流差异是导致大暴雨落区差异的原因之一,Matmo的水汽输送主要来自孟加拉湾及南海,而Soudelor登陆前东部有来自另一个台风Molave的水汽输送,登陆后强水汽输送通量区及水汽辐合带位于Soudelor偏北侧,这与Soudelor登陆造成的暴雨在中心偏北方向一致;南亚高压相对于台风的位置也会影响降水,Soudelor登陆时,大兴安岭上空大槽前的偏西风急流与南部高压西北侧的西南急流一起使得它登陆后减弱速度变缓,有利于台风暴雨的维持,而Matmo高空受急流造成的气旋性切变流场加速了台风的减弱;此外,台风自身的结构和强度变化以及登陆后维持时间不同也是造成两次过程降水差异的主要原因之一,台风暖心结构的强度以及台风高层暖心减弱的速度对台风降水有一定影响,但对登陆时台风暴雨的不对称分布影响较小;Soudelor登闽过程中,涡度场强度比Matmo大,且维持一个深厚的垂直对称结构,登闽后期附近的辐合上升气流主要位于中心东侧,而Matmo在登闽过程中,低层的强辐合区和上升运动区始终偏西,造成二者降水分布的不同。     

台风“桑美”的数值模拟和地形敏感性试验

用WRF模式对0608号台风“桑美”进行了数值模拟研究,较为成功地模拟出了台风路径和降水,但模拟的台风中心气压远高于实况。为研究“桑美”登陆期间地形的抬升作用对其降水及结构的影响,通过改变特定区域内的地形高度设计了一组敏感性试验。结果表明,台风登陆过程中地形抬升作用对台风降雨量有显著的增幅作用;台风中心位势涡度、气流垂直上升速度、水平水汽通量散度明显增大;地形抬升机制在台风登陆时刻达到最强。     

甘肃省空中水汽含量、水汽输送的时空分布特征

利用甘肃省各探空站历年的高空资料,通过计算空中水汽含量和水汽通量,对其气候特征、水汽的来源或输送进行分析。结果表明,空中水汽含量和水汽输送夏季较多,冬季较少,南部较多,北部较少;2～7月是水汽含量的增长期,8月至次年1月是递减期;输送水汽的源地主要有孟加拉湾及周边海域、南海和东海海域、青藏高原、四川盆地及周边地区;输送水汽的路径主要有中层西南路径、中低层偏南路径以及东南路径。     

用GPS可降水量资料对一次大-暴雨过程的分析

利用2002年9月10～20日GPS的可降水量资料与实况降水场做了分析比较,结果表明,每30分钟的可降水量连续观测资料对实际降水预报有着一定的指导意义.首先,可降水量第一次达到及最后一次出现50mm的时间与实际降水的开始、结束时间有着较好的对应关系,而可降水量≥50mm的持续时间越长,实际降水量也就越大,反之则相反;其次,可降水量的3小时及24小时变化对预报未来降水区域和雨量分布有着一定的指示作用;最后,可降水量在降水过程中不同阶段的趋势变化反映了500hPa流场、700hPa水汽通量场的变化,这为实际降水预报中水汽的来源及输送提供了更有利的依据.     

祁连山区空中水资源研究

利用祁连山地区8个气象观测站1960-2002年逐日气象观测资料和1970-1997年NCEP/NCAR再分析资料(2.5°×2.5°格距),分析了祁连山地区的空中水资源状况。结果表明:该区大气水汽含量从春季到夏季逐渐升高,之后又逐渐减少,对应全年降水主要集中在5-9月,占年降水量的86.8%;从1987年西北地区气候转型前后2个时期的比较来看,1987年后比1987年之前平均年降水量增加了22.7 mm(约8.1%),而且主要是春、夏季降水增加了,这将有益于该地区生态环境的改善。从空间分布来看,祁连山地区中部的年降水量大,东部和西部降水较少,其中西部最少。祁连山地区平均每年水汽输入量约为885.4亿m3,水汽输入主要在600 hPa以下层,高层全年多数时间整体表现为辐散,且水汽主要来源于经向输送。     

湖南省柘溪水库流域空中水汽资源特征及人工增雨潜力

根据湖南省境内怀化和长沙2个探空站的1994—2003年1—12月每日两个时次(北京时间08时和20时)的资料,对柘溪水库库区及流域大气中的垂直气柱水汽含量进行了计算与分析。结果表明,柘溪水库流域全年年平均水汽含量值为3.62g·cm-2。各种天气形势下水汽含量值各不相同,台风外围云系水汽含量值相对较大,为6.01g·cm-2。大气垂直气柱水汽含量交换次数平均为3.04次/月,更新率为9.92天。柘溪流域上空平均每年净输入的水汽含量为234.87×108m3。若对所有的可作业云系施加人工影响,全年平均可能增雨总量达29.843×108m3。     

兰州市空中水汽含量和水汽通量变化研究

利用历年的高空和地面资料,深入分析了兰州市空中水汽含量和水汽通量的变化特征。结果表明:(1)夏季空中水汽含量和水汽输送相对较多,冬季相对较少;2~7月是水汽含量的增长期,9~1月是递减期,8月与7月持平;97%的水汽集中在400 hPa以下;(2)兰州市空中水汽变化与降水量、降水日数、气温的变化有明显的一致性,也存在一定的差别;(3)兰州市空中水汽输送强度中心接近500hPa高度;冬季水汽日变化最大层位于700~600 hPa,这与我国东部地区空中水汽输送高度和边界层水汽日变化特征有明显的区别。     

江淮流域2003年强梅雨期的水汽输送特征分析

在分析2003年6月21日到7月11日江淮流域强梅雨期间降水概况和大气环流基本特征的基础上,通过对水汽输送流函数及非辐散分量、势函数及辐散分量及江淮地区水汽收支的分析,表明江淮流域是该时期全球范围内水汽汇的一个高值中心,且水汽通量大值区和水汽辐合区与降水大值区基本一致.从水汽的输送来看,夏季印度风环流和南海夏季风是向江淮流域输送水汽的主要通道.梅雨期内,中层大气中的水汽主要是垂直上升运动对低层水汽的抬升作用,同时,低纬大洋上的水汽也可途经青藏高原后再从西边界向东输入到江淮地区,它的输送有可能增大江淮流域上空对流层中层大气中的水汽含量,从而有利于强梅雨在江淮流域的发生.计算分析还表明2003年强降水从前期的长江流域移到后期的淮河流域,是与大范围的水汽输送和辐合中心北移相联系的,较小空间范围的强暴雨洪涝的发生在有利的大尺度环境下,还与其他条件有关.     

黄河流域冬、夏季水汽输送及收支特征

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国实测雨量资料,对黄河流域1月和7月多年平均及旱、涝年整层积分的水汽通量、辐合(辐散)及各分区水汽收支进行了研究。结果表明,1月黄河流域无明显的水汽输送,而7月水汽沿西南、东南及西北3条路径输送,前两支气流在多年平均时主要影响黄河下游区。涝年时影响到黄河中、下游区,而上游区水汽流入较小;旱年,黄河中、上游区均无明显的水汽输送,只有下游的小范围地区受西南气流影响。各区净水汽通量分别与其地面降水的时空演变相对应,而经向净水汽通量是影响水汽收支变化及供给流域降水的主要水汽来源;涝年的水汽净收支与各边界水汽流入明显大于旱年。1月,西边界和北边界微弱的水汽输入远小于东边界和南边界的输出,各区均为水汽净辐散,不利于降水;7月,大量的水汽主要来自西边界和南边界,涝年各区均为水汽盈余,多年平均也以净辐合为主,而旱年则以水汽亏损为主。     

内蒙古东北部地区一次极端降雪过程的水汽输送特征

利用内蒙古呼伦贝尔市常规观测资料和GDAS、NCEP/NCAR再分析资料,采用欧拉方法分析了2016年春季内蒙古东北部地区一次极端暴雪过程的水汽输送及收支特征,利用HYSPLIT模式和聚类分析模拟计算了此次暴雪天气过程的水汽源地、主要水汽输送通道及其对水汽输送的贡献,并与传统的欧拉方法结果进行对比。结果表明:(1)有3支不同源地的水汽流在内蒙古东北部地区交汇,对呼伦贝尔地区暴雪的发生与维持有重要影响;(2)经向和纬向输送为此次暴雪天气的发生提供了充足的水汽,暴雪区水汽主要源于中高层的南边界和随西风气流的西边界;(3)利用HYSPLIT模式模拟发现,在此次暴雪天气过程中水汽主要来源于新地岛以西洋面、日本海以及巴尔喀什湖,且三者贡献率大致相当。     

基于HYSPLIT4的一次四川盆地夏季暴雨水汽路径和源地分析

利用四川省156站气象资料、全球同化系统(GDAS)资料,引入拉格朗日混合单粒子轨道模型(HYSPLIT4),定量分析了2013年7月7—11日四川盆地西部暴雨的水汽输送情况。结果表明：此次暴雨过程的水汽主要来自950和850 hPa,并且两者的水汽路径和来源有着显著差别。后向追踪1天,950和850 hPa的水汽来源大值区都出现在四川盆地区;追踪3天,950 hPa的水汽来源大值区仍然在四川盆地附近,但是850 hPa上则追踪到孟加拉湾东部;追踪到9天时,950 hPa的水汽主要来源出现在阿拉伯海到我国南海地区,850 hPa上则追踪到索马里半岛东部。总体上950 hPa的水汽输送路径有五条,其中两条是北方路径,另外三条为南方路径。850 hPa的水汽输送路径有两条,一条是北方路径,另一条是南方路径。定量分析指出,950 hPa的水汽源地主要有四个,其中阿拉伯海—孟加拉湾地区的水汽输送贡献率最大（44.1%）,中南半岛—南海地区的水汽贡献率次之（33.1%）,巴尔喀什湖地区（15.7%）和贝加尔湖地区（7.1%）的水汽贡献率相对较弱。850 hPa上的水汽源地也有四个,其中从阿拉伯海地区,沿南亚夏季风爆发路径而来的暖湿空气最重要（89.4%）,其次从西北部巴尔喀什湖—贝加尔湖地区而来的干冷空气相对较弱（6.3%）,而来自孟加拉湾（3%）和局地（1.3%）的水汽则非常少。     

2012年6月巴州一次暴雨水汽输送特征

利用常规观测、自动站逐小时降水资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料及全球同化系统（GDAS）资料,引入基于拉格朗日方法的轨迹模型（HYSPLIT_4.9）并结合欧拉方法定性、定量地分析了2012年6月4日新疆巴州罕见暴雨的水汽输送特征。结果表明,水汽传输的西北路径逐渐建立,将前期聚集在巴尔喀什湖附近的大量水汽输送至巴州境内,为罕见暴雨的发生提供了充足的水汽条件;此次暴雨水汽传输的路径主要有两条,分别为西风气流引导下的偏西路径和经巴尔喀什湖、伊犁河谷和中天山传输到巴州北部的西北路径,两者的水汽贡献率达到了96.20%,其中偏西路径的水汽贡献率要高于西北路径;后向追踪气团轨迹显示罕见暴雨是西北路径通道的干冷气团在传输过程中不断下沉,偏西路径的暖湿气团在传输过程中不断被抬升,最后冷暖气团在暴雨区上空3000m—4000m之间交汇造成的;强降水的水汽主要来自新疆以西的湖泊或海洋,其中以巴尔喀什湖附近的水汽贡献率最大,达到了58%,黑海附近的水汽次之,为25%,而大西洋和挪威海附近的水汽贡献率相对较低,分别为7%和10%;对于新疆巴州而言,3000m(700hPa)高空水汽的分布特征基本可代表整层水汽的分布特征,且暴雨发生前水汽主要汇集在3000m(700hPa)附近。