一次广西暴雨过程的数值模拟及低涡系统分析

应用WRF中尺度数值模式对2008年6月12日广西地区的一次大暴雨过程进行了模拟,利用模式输出资料,对引发这次大暴雨的西南低涡的演变情况及其物理场特征进行了分析。结果表明,低涡暴雨的发生具有明显的不均匀性,暴雨主要出现在低涡东侧暖区切变线附近;暴雨过程中充沛的水汽主要来源于孟加拉湾和中国南海,水汽的辐合不仅是涡旋区降水的必要条件,还是低涡发展加强的一个有利因素;强降水与强上升运动及正涡度区有很好的对应关系,低涡低层有强不稳定能量积聚也是造成此次大暴雨的重要原因之一。     

低空冷式切变线引发区域性大暴雨成因分析

应用常规资料、自动站雨量资料、卫星云图及雷达资料,对2009年5月9-10日发生在鲁西北和鲁中北部的一次区域性大暴雨进行分析。分析发现,低层冷式切变线是引发大暴雨的主要系统,暴雨主要产生在低空冷式切变线右侧、西南低涡的东北象限以及低空急流的左前方,也是高低空急流耦合区。副高西侧的西南急流建立起从南海到华北中部的水汽通道,为大暴雨的发生发展提供暖湿空气和能量,使得低涡辐合加强,是低层切变线长时间停滞的必要条件。地面锋面气旋则是暴雨开始的启动机制,锋后东北冷空气与西南暖湿空气在山东上空交汇,促使对流发展和不稳定能量释放产生暴雨。在低层辐合、高层弱辐散的情况下,暴雨区低涡的涡动作用使得水汽块运动加强。多个对流单体合并形成的中尺度对流系统(MCS)经过大暴雨区,雷达回波表现为层状云为主的混合回波带,说明对流并不旺盛。     

西北涡与西南涡共同作用引发秦巴区域大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、 ERA-5再分析数据、 FY-4A卫星资料,对2021年9月3-4日一次西北涡与西南涡共同作用引发的秦巴区域大暴雨过程进行了研究,探讨了两涡作用导致大暴雨的中尺度环境场特征,并对西南涡的形成过程进行诊断分析。结果表明：秦巴区域的大暴雨是在西北涡与西南涡共同作用下由中尺度对流复合体（Mesoscal Convective Complex, MCC）引起的,强降水位于MCC云顶亮温冷中心及后部偏冷空气一侧的亮温梯度大值区。西南涡生成前,西北涡后部的偏北气流与西南气流形成了中尺度切变线,在秦巴区域触发对流不稳定而激发出中尺度对流云团而产生降水;西南涡生成后与西北涡共同作用,使秦巴区域水汽的输送加强,对流层低层形成强烈辐合,正涡度和垂直上升运动加强,使MCC强烈发展并具有较长生命史,同时伴随β和γ中尺度的对流云团发展,加强了该区域的强降水,从而造成大暴雨。该过程中西南涡是由500 hPa低涡产生的正涡度和高位涡向下传递强迫,使西北涡后部偏北风与西南气流气旋性运动加强从而形成涡旋环流,西南涡与500 hPa低涡的垂直耦合使其发展为强大的涡旋系统,从而加强水汽的辐合上升运动以加...     

一次西南低涡影响下的川渝地区 暴雨个例分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、卫星以及雷达资料对2015年8月16—18日影响川渝地区的一次持续性大暴雨过程进行了分析。结果表明:在亚洲中高纬和低纬相对稳定的环流背景下,两次高原涡东移、两次冷空气南下侵入四川盆地共同促进了西南低涡生成发展,造成此次大暴雨过程。西南低涡"初生形成"阶段,地面热低压东北侧有冷锋侵入,中心偏北形成暖锋,低涡近于正压;"稳定持续发展"阶段,冷锋南段移至地面热低压南侧,北段与暖锋结合形成准静止锋,低涡斜压性明显且呈近圆形,持续性暴雨主要出现在西南低涡的暖切变线附近和冷槽东侧;"东移变形减弱"阶段,冷空气第二次侵入,冷锋持续增强,西南低涡东移变形减弱。低层辐合、高层辐散、充沛的水汽输送以及不稳定能量的累积为西南低涡的加深、发展和强降水的维持提供了重要条件。西南低涡暖切变线和南侧冷槽附近发展起来的对流云团是暴雨产生的直接原因,强降水主要发生在云团上风方TBB梯度相对较大的区域。此次强降水过程的局地环流有低空急流和低空辐合线或切变线配合,雷达体积速度处理(velocity volume processing,VVP)法反演的风矢图可更直观地判断风向风速、天气系统所处的发展阶段以及判识辐合线或切变线,低空辐合线或切变线的演变以及低空急流的强度和移向对强降水天气产生的动力条件、维持时间和回波外推预报具有重要的指导意义。     

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料\, 卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料, 对2002年6月22~23日(“02.6”)一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上, 利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟, 并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明： （1）天气分析显示, “02.6”梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线, 暖式切变线不太明显, 这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强, 高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴, 南亚高压中心位于我国江南地区。（2）TBB资料分析表明, 此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关; 强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、 暖切变线的的南侧发生和发展, 并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。（3）垂直结构分析显示： 在中尺度系统开始发展阶段, 中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、 低空急流核以及高空强辐散低空强辐合, 这有利于中尺度系统的发展; 当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段, 其后部不断分裂出中小尺度系统, 对流层低层的θe具有明显暖心结构, 由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强, 导致在800~600 hPa层上 θe比环境的低, 加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱, 这不利于中尺度低涡的维持。     

北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。     

四川盆地一次暖性西南低涡大暴雨的中尺度分析

2021年8月7—8日,四川盆地中东部出现大暴雨、局地特大暴雨,是重庆2021年度社会影响最大的一次暴雨过程。采用多源观测及ERA5再分析资料,对此次大暴雨过程进行诊断分析。结果表明：大暴雨发生在低槽移入四川盆地诱发暖性西南低涡背景下,具有显著的阶段性、跳跃性和极端性特征。大暴雨先后形成于西南低涡中心东南部、西南低涡东侧和西南低涡南侧暖湿的边界层辐合线附近。各阶段大暴雨均由移动缓慢、维持时间达3～6 h的β中尺度对流系统影响形成,暖湿不稳定和弱垂直风切变为β中尺度对流系统的形成提供了有利的环境条件。涡度分析表明,西南低涡的发展主要源于低空辐合及垂直涡度输送效应,但暴雨区的正涡度发展与西南低涡并不完全相同,水平涡度倾侧效应较为显著。第一阶段暴雨区正涡度主要源于对流层中低层西南低涡中心附近显著的低空辐合、涡度垂直输送及水平涡度倾侧效应;第二阶段和第三阶段暴雨区正涡度主要源于边界层辐合及边界层以上的水平涡度倾侧效应,边界层辐合触发暖湿大气中的中尺度对流活动促进了第二阶段和第三阶段大暴雨的形成。     

一次西南涡东移诱发的罕见暴雨诊断分析

利用常规观测资料以及自动站、加密雨量站、卫星云图等资料,对湖北省荆门市2007年7月12—13日连续暴雨或大暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明：这次暴雨或大暴雨过程是在有利的大尺度环流背景下受中尺度低涡和切变线影响由3个对流云团产生的,中尺度对流云团演变与强降水落区及持续时间有很好的对应关系;西南涡东南侧西南暖湿气流和北侧东风气流共同提供了有利的水汽输送条件;对流层中低层强辐合和上升运动提供了较好的动力条件;＂万宜＂台风外围东风气流对西南涡的作用及其对西南涡的阻挡,是西南涡得以发展加强且长时间影响荆门并导致连续强降水的重要原因。     

湖北一次大暴雨过程两个强降水时段的诊断分析与数值模拟

根据NCEP/NCAR再分析资料、常规观测和加密观测站资料以及FY-2C TBB资料,对2008年8月28-30日湖北暴雨过程两个强降水时段的大尺度环流背景和中尺度对流系统进行诊断分析。在此基础上,利用中尺度数值模式WRF的模拟结果对影响大暴雨过程两个强降水时段的中尺度对流系统和其他物理量场深入分析。结果表明：湖北大暴雨过程存在明显的两个降水增强阶段,它们发生与结束的时间近乎一致,并且第二阶段的强降水要比第一阶段强度更大;强降水第一阶段是由低涡切变与地面暖湿气流影响造成的,强降水第二阶段是由低涡切变、中低纬短波槽和地面冷空气共同影响造成的。两个强降水时段逐小时的降水与云团特征表明,雨团与云团的活动规律一致,其增幅均出现在晚上到凌晨时段。同时表明,β中尺度对流云团与此次暴雨过程关系密切;暖切变线自南向北影响第一时段降水增幅,西南涡中伸展出的冷切变线自西向东影响第二时段降水增幅,模式结果表明由冷切变线引起的第二时段降水增幅更大;两个强降水时段雨区上空均有较强的能量,强的水汽通量辐合贯穿整个降水过程,地面降水中心与其上空湿位涡大值中心有较好的对应关系。     

2004年9月川渝大暴雨期间西南低涡结构及其环境场的分析

采用NCEP再分析资料、常规观测资料、卫星云图资料及地面降水资料, 对2004年9月2日～8日发生在川东和重庆的大暴雨的影响系统及其环境场作了分析研究。结果表明, 此次暴雨分为三个阶段, 降水系统主要有两个:第一、三阶段的主要降水系统是低空切变线；第二阶段的主要降水系统是西南低涡, 而西南低涡影响期内的雨量最强、范围最大。西南低涡开始时为一β中尺度系统, 最后发展达α中尺度系统。其影响时间从4日00时到6日06时 (国际协调时）, 持续了54小时。本文对此次暴雨过程所做的研究表明, 川东地区的特殊地形, 500 hPa高空小槽以及700 hPa、 850 hPa低层鞍型流场均是西南低涡产生和维持的重要条件； 西南低涡上层为暖性结构； 在暴雨过程中有20个雨团接连发生, 中尺度系统是这次暴雨的直接影响系统；对水汽收支的计算表明, 水汽可能来自于低纬度热带地区。本文还对西南低涡与东北低涡的异同作了比较。     

在“鞍”型大尺度环流配置下西南低涡发展的物理过程及其对川东暴雨发生的作用

利用2005年7月6～9日川东地区暴雨过程的观测资料，从大尺度环流、水汽输送和温度平流，并利用湿位涡的垂直和水平分量(Pm1和Pm2）以及相当位温，分析诊断了此次暴雨发生的大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程, 其结果表明如下:(1)在此次暴雨发生期间，四川盆地北部由于受中高纬长波东移调整的影响, 不断有低压槽分裂出来并影响此地区, 在盆地的西南方向的孟加拉湾季风槽比较活跃, 南海季风向北输送由于受到西风输送的作用在四川盆地东南部也出现弱的横槽, 并且西太平洋副高西伸到四川盆地东部以及存在于高原中部的高压共同作用, 从而形成明显“鞍”型大尺度环流配置; (2)在此“鞍”型场大尺度环流背景下, 强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地, 而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部, 受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带, 同时, 由于两支气流输送着大量的水汽, 暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区; (3)在此“鞍”型场作用下, 盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气, 而在高层有冷干空气侵入, 从而导致盆地内低涡系统强烈发展; (4) 由湿位涡的垂直分量和水平分量的诊断表明了在暴雨发生期间, 在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵, 引起了垂直对流不稳定, 即Pm1<0, 并向盆地东北部发展, 从而使此区域气旋性涡度不断加强, 即低涡强烈发展; 并且, 在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用, 正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性, 这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域。     

青藏高原东侧陡峭地形对一次强降水天气过程的影响

利用高分辨率中尺度模式分析资料,研究了青藏高原东侧陡峭地形对一次暴雨天气发生发展的影响。结果显示,青藏高原地形对大气环流的动力阻挡作用形成了本次暴雨过程的水汽输送通道,青藏高原东侧陡峭地形结构造成了四川西北部和黄河上游的强水汽辐合中心,并使低层高能舌和能量锋区位于海拔较低的四川盆地,在四川盆地对流层低层建立起位势不稳定层结。青藏高原东侧陡峭地形结构引起了低层偏东气流强烈的垂直上升运动,最强的垂直上升运动出现在东西风垂直切变与陡峭地形交汇处,激发不稳定能量释放,促使强对流猛烈发展,暴雨过程中高原东侧还有一个中尺度涡旋的发生发展相伴。青藏高原东侧暴雨区最显著的热力特征是高温高湿区域仅出现在对流层低层,最显著的动力特征是强涡度柱也仅出现在对流层低层。     

四川盆地一次暴雨过程的初步分析

利用NCEP1°×1°再分析资料、结合多种数值预报产品对2007年7月27-29日发生在四川盆地的大范围暴雨过程进行了分析。结果表明：这次暴雨环流不同于四川盆地常见的四种基本类型,主要表现为500hPa中高纬度为两槽一脊并在贝加尔湖南侧伴有大范围阻塞高压,西太平洋副热带高压588线西端位于114°E附近,同时河套附近的冷涡为此次降水的发生补充了冷空气。大气低层伴有西南低涡,云南、贵州、四川一带维持一支8-12m／s的西南急流;高层辐散、低层辐合的垂直配置及暴雨区维持的垂直环流是此次暴雨发生的动力条件;暴雨区的降水中心变化,与垂直环流的上升区域位置变化有密切关系：欧洲数值预报产品对此次暴雨发生的环流形势预报效果较好,具有很好的预报参考价值,但数值预报产品对降水量级的预报误差较大。     

青藏高原热力对四川盆地西部一次持续性暴雨影响的数值模拟

通过对四川盆地西部一次持续性暴雨过程的半理想数值模拟,研究了青藏高原热力作用对四川盆地持续性暴雨过程的影响。研究表明,高原的热力作用对于下游地区有着显著的影响,主要表现为:（1）关闭高原地面感热和潜热后,高原地区和四川盆地西部的降水明显减弱,而盆地中东部降水却有所加强,且四川盆地降水的日变化特征稍有减弱;（2）500 hPa青藏高原上的短波槽减弱,位于四川盆地中西部的背风槽强度、范围有所减弱,但低层盆地东部的气旋性涡旋加强;（3）涡度收支的定量分析发现,关闭高原热力作用后,盆地东部对流层低层垂直风切变的增强使得夜间倾斜项的正贡献增强,从而使该区域涡旋发展加强,盆地东部降水增强。     

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。     

一次沿川西高原东麓地带的强降雨过程分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和地面加密自动站资料及卫星资料,对2012年8月16~18日盆地西北部沿龙门山脉的连续特大暴雨的形成机制进行探讨,此次暴雨过程出现在青藏高原东侧陡峭地形向盆地的过渡带,具有突出的地域特点。重点分析了青藏高原切变线东移期间,副高西北侧暴雨区内的对流触发机制和地形作用。分析表明:副热带高压前期的维持稳定与高原低值系统东移是产生强降雨的环流背景,在强降雨区域低层具有明显的风速风向辐合,东北—西南向的龙门山带即青藏高原东侧陡峭地形引起了盆地低层东南气流强烈的垂直上升运动。青藏高原东侧暴雨区最显著的热力特征是低层具有明显的高温高湿和大气不稳定层结。此次强降雨具有典型的“上干下湿,上冷下暖”的结构,正是强对流天气形成的有利条件。      

Winnie(9711)台风变性加强过程中的降水变化研究

热带气旋变性过程是其结构、强度及其风雨分布发生显著变化的过程,常导致预报失败。基于T106格点分析资料、日本气象厅TBB资料以及MM5V3数值模式结果,对9711号台风Winnie变性加强过程中的降水变化特征及其机理进行研究。结果表明,Winnie台风变性加强过程中降水分布非对称性明显,强降水带首先出现在台风环流北部,之后向南弯曲,其强降水中心绕台风中心从北部顺时针转向东北和东南部。这种降水变化一方面与Winnie与西风带高空槽相互作用过程中环境风垂直切变明显增大,且其指向顺时针旋转有关。此间台风垂直结构发生明显倾斜,变性前期涡旋环流随高度增加先向北倾斜,发展到最强时又趋于垂直,之后又向东南倾斜。强降水区出现在垂直切变的下风方、台风气柱倾斜方向一侧。另一方面还与台风环流内冷、暖平流活动紧密相关,强降水落区与低层暖平流输送位置关系密切。对流涡度矢量垂直分量反映了Winnie台风环流内中尺度锋区与风垂直切变的相互作用,800 hPa上的大值区对其强降水落区有较好的指示意义。     

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。     

一次强降水超级单体风暴的动力特征分析

利用NCEP/NCAR(0.25°×0.25°)逐6 h再分析资料、常规观测资料、多普勒雷达资料对2018年9月19日晚发生在四川盆地东北部的强降水超级单体风暴进行诊断分析。研究表明：此次强降水超级单体风暴发生在较强的不稳定能量、很低的抬升凝结高度、低层深厚湿层、较弱的对流抑制能量及中等到强的垂直风切变的背景条件下,低层冷空气的侵入最终触发了本次过程。在强降水超级单体风暴发展演变过程中,中低层较强垂直风切变的重要作用是产生水平涡管。水平涡管又在上升气流的作用下抬升为垂直涡管,最后产生垂直涡度。而通过对大气垂直涡度方程的分析发现：垂直涡管在随高度增加的上升气流的拉伸作用下,不断加强,致使上升气流更强烈旋转,水平旋转又反过来加强了上升气流。上升气流与水平涡旋持续不断的正反馈机制是形成中气旋的重要原因。