强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

湿热力平流参数在一次华北暴雨模拟诊断中的应用研究

对2011年7月24~25日发生在华北地区的一次暴雨过程进行了分析,并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次华北暴雨的模拟比较成功,基本反映出了本次暴雨过程的降水分布特点。利用湿热力平流参数对本次华北地区的降水落区进行了诊断分析。分析指出,湿热力平流参数纬向平均的垂直剖面图上,湿热力平流参数的高值区及大值中心与地面的强降水雨区对应得较好,其梯度大小及向上延伸高度均可以定性地指示降水的强弱;垂直积分的湿热力平流参数与地面6 h强降水落区具有较好的对应关系,而在示踪弱降水区时效果并不是很好,其大值中心并不与强降水中心完全重叠,而是其梯度大值区与降水中心相对应;垂直积分的湿热力平流参数与6 h累积地面降水的空间分布特征和时间演变趋势比较相似,并且其变化趋势能反映降水的发展和消弱。     

Diagnosis of a Moist Thermodynamic Advection Parameter in Heavy-Rainfall Events

A moist thermodynamic advection parameter, defined as an absolute value of the dot product of hori- zontal gradients of three-dimensional potential temperature advection and general potential temperature, is introduced to diagnose frontal heavy rainfall events in the north of China. It is shown that the parameter is closely related to observed 6-h accumulative surface rainfall and simulated cloud hydrometeors. Since the parameter is capable of describing the typical vertical structural characteristics of dynamic, thermodynamic and water vapor fields above a strong precipitation region near the front surface, it may serve as a physical tracker to detect precipitable weather systems near to a front. A tendency equation of the parameter was derived in Cartesian coordinates and calculated with the simulation output data of a heavy rainfall event. Results revealed that the advection of the parameter by the three-dimensional velocity vector, the covariance of potential temperature advection by local change of the velocity vector and general potential temperature, and the interaction between potential temperature advection and the source or sink of general potential temperature, accounted for local change in the parameter. This indicated that the parameter was determined by a combination of dynamic processes and cloud microphysical processes.     

2011年6月湖南两次暴雨过程的中尺度特征对比分析

针对2017年6月22日-7月2日发生在湖南的一次持续性暴雨过程,利用全球预报系统（GFS）模式分析场资料对湿热力平流参数、热力螺旋度、热力波作用密度等动力因子进行计算和诊断,分析该持续性暴雨过程中物理量的垂直结构特征,降水背景场的动、热力学性质。研究结果表明：（1）该持续性暴雨过程是高低空急流耦合、贝加尔湖阻高和西太平洋副高稳定维持、充足的水汽输送共同作用造成的。（2）各动力因子对此次降水落区诊断效果良好,尤其是水汽通量散度和热力波作用密度与本次持续性暴雨有比较好的相关性。（3）水汽通量散度和热力波作用密度对该持续性暴雨过程的发展演变均具有一定的预报能力。

     

“7.21” 暴雨过程动力因子分析和预报研究

针对2012年7月21～22日发生在我国华北地区的暴雨过程,利用美国全球预报系统资料对湿热力平流参数、对流涡度矢量的垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度和湿斜压涡度等动力因子进行计算和诊断分析,结果表明,该暴雨过程是由高、低空急流、高空槽、副热带高压、冷锋和辐合切变线等多个天气系统共同作用造成的。降水区具有垂直上升运动强烈,垂直热量输送明显,湿等熵面向下伸展和水平风垂直切变显著等动、热力学特征。湿热力平流参数等动力因子综合反映了上述动、热力垂直结构特征,因而与6小时观测降水的发展移动有一定相关性。全球预报系统48小时预报的动力因子高值区在走向和落区上与6小时观测降水区比较接近,代表动力因子对降水落区有一定的指示意义。利用全球预报系统的预报场资料对动力因子暴雨预报方程进行计算,结果表明,在降水中心位置预报方面,动力因子降水预报比全球预报系统本身的降水预报更接近观测实况。ETS（Equitable Threat Score）评分计算表明,对于降水的早期预报,动力因子降水预报评分略高于全球预报系统本身的降水预报评分,说明动力因子暴雨预报方程有一定的降水预报能力,可以应用到实际天气业务预报中。     

一个新动力因子在登陆台风“凤凰”强降水过程中的应用

根据波动和风场辐合辐散与登陆台风强降水密切相关的特点,利用高分辨率的数值模拟资料,采用分别表征强降水区波动特征和辐合辐散特征的两个动力参数——位势散度波作用密度和散度垂直通量,对登陆台风"凤凰"的强降水过程做诊断分析;同时结合波扰动和辐合辐散两特征,发展了一个新的物理量——热力切变散度参数,并据此对台风"凤凰"的强降水过程做进一步诊断分析,结果表明在整个研究时段内,地面雨区被热力切变散度参数的异常值区始终覆盖,二者具有较一致的空间分布和时间演变趋势。基于GFS(Global Forecast System)预报产品的动力释用分析表明,利用数值预报场计算的热力切变散度参数的强信号出现在强降水区,而弱信号出现在非降水区,该参数对强降水落区有较好的指示作用。     

Characteristics of rainfall systems accompanied with Changma front at Chujado in Korea

The rainy season from June to July in the East Asia is called the Changma in Korea, the Meiyu in China, or the Baiu in Japan. The mesoscale convective systems which occur near a front frequently lead to severe weather phenomenon such as localized gust and heavy rainfall. An intensive field experiment was conducted at Chujado (33.95°N, 126.28°E) to find out the characteristics of the precipitating system using information such as the raindrop size distribution, kinematic features during a Changma period between June 21 2007 and July 11 2007. Different characteristics of three identified rainfall cases in a Changma frontal precipitation system occurred from 5 to 6 July in 2007 at Chujado area have been identified. Based on the radar reflectivity and raingage at Chujado, each rainfall system maintained for 7 hours, 4 hours, and 9 hours, respectively. According to the analysis of a total vertical wind shear (TVWS) and a directional vertical wind shear (DVWS), the temperature gradient was the strongest near the surface and both warm and cold advections were occurred in all cases but at different levels. The deep warm advection was related to the longer rainfall lifetime and stronger rainrate, but smaller raindrop size. The unstable atmospheric condition, which has cold advection at the surface and warm advection in higher level, caused the larger size diameter of raindrop. The echo top height of 30 dBZ was around 6 km in the two rainfall systems and around 4 km in the other one. The number concentrations of raindrop has turning point at the drop size of 2 mm in diameter. The stronger (weaker) updraft and downdraft were also related to the decreased number concentration of smaller (larger) size drops and increased that of the larger (smaller) drops.     

一次滇中暴雨中尺度对流系统特征分析

应用MICAPS常规资料、FY-2卫星观测资料及昆明CINRAD-CC雷达回波资料,将诊断分析与探测资料相结合综合分析了2003年7月21日滇中暴雨过程的中尺度对流系统特征,指出：500、700hPa高低层冷暖平流的配置、500hPa低槽、700hPa切变线及地面冷锋是此次暴雨过程的大尺度环境背景;高能高湿的不稳定能量、低层辐合、强的垂直风切疫的存在,利于强对流形成并诱发中尺度对流系统MCS;多普勒雷达上强风暴的发展,与暴雨区范围及强弱对应;多普勒速度图显示,中尺度涡旋、中尺度辐合线、逆风区等多个中尺度系统,是此次滇中强对流暴雨产生的直接影响系统。     

动力因子对2006“碧利斯”台风暴雨的诊断分析

本文利用2006年登陆台风"碧利斯"暴雨过程高分辨率数值模拟资料, 结合湿热力平流参数、广义对流涡度矢量垂直分量、水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量、热力切变平流参数和 Q *矢量散度等8个动力因子, 对"碧利斯"台风暴雨进行诊断分析。结果指出:(1)8个动力因子在"碧利斯"台风强降水区均表现为强信号, 其中, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量等动力因子与降水强度的相关系数均达0.99以上, 与总云水物质的相关系数也均达0.97以上, 而热力切变平流参数与上述二者的相关系数最低, 达0.5左右;(2)8个动力因子中, Q *矢量散度随降水强度先增大后减小, 与"霰融化成雨水造成雨水增长"微物理过程随降水强度的变化相似, 热力切变平流参数随降水强度呈现"增大—减小—再增大"的变化特征, 而其他6个动力因子均呈现单调增长趋势, 与"雨水碰并云水造成雨水增长"微物理过程随降水强度的变化相类似;(3)总体看来, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量4个动力因子与降水强度及雨水收支相关的总的云微物理过程转化率对应更好, 因此, 对降水的指示意义也更好。     

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应用常规气象资料与卫星资料相结合的办法,研究了2005年6月10日午后在黑龙江省中东部发生的暴雨中尺度对流系统(MCSs)的大尺度环流背景、大气层结演变特征、下垫面条件以及中尺度对流系统.结果表明此次暴雨(简称\     

北京地形和热岛效应对一次β中尺度暴雨的作用

针对2010年7月9日北京地区一次典型的β中尺度暴雨过程,利用常规天气观测资料、地面加密自动站资料、风廓线雷达数据以及VDRAS（Variational Doppler Radar Analysis System）提供的精细化分析资料,研究了本次过程中地形、热岛效应以及两者相互作用对暴雨的影响。研究表明：地形的抬升作用对暴雨有明显的增强作用,降水过程中有地形雨带的生成;降水前城区热岛效应明显,由此造成的风场垂直切变和边界层辐合为β中尺度系统提供了有利的触发和加强条件,边界层辐合线的位置对暴雨落区有一定的指示意义;降水在西部山前城区发生后低层偏东风与降水之间形成了明显的正反馈,是β中尺度暴雨得以维持和发展的重要机制。     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。     

Effects of Vertical Wind Shear on the Pre-Summer Heavy Rainfall Budget:A Cloud-Resolving Modeling Study

This study investigates the effects of vertical wind shear on the torrential rainfall response to the large-scale forcing using a rainfall separation analysis of a pair of two-dimensional cloud-resolving model sensitivity experiments for a pre-summer heavy rainfall event over southern China from 3-8 June 2008 coupled with National Centers for Environmental Prediction(NCEP)/Global Data Assimilation System(GDAS) data.The rainfall partitioning analysis based on the surface rainfall budget indicates that the exclusion of vertical wind shear decreases the contribution to total rainfall from the largest contributor,which is the rainfall associated with local atmospheric drying,water vapor divergence,and hydrometeor loss/convergence,through the reduction of the rainfall area and reduced rainfall during the rainfall event.The removal of vertical wind shear increases the contribution to total rainfall from the rainfall associated with local atmospheric drying,water vapor convergence,and hydrometeor loss/convergence through the expansion of the rainfall area and enhanced rainfall.The elimination of vertical wind shear enhances heavy rainfall and expands its area,whereas it reduces moderate rainfall and its area.     

2012年春季河南一次区域暴雨的诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°间隔6 h再分析资料,采用天气学诊断分析方法,对2012年4月23-24日河南省一次春季暴雨的形成机制进行分析,结果表明:高纬冷空气沿贝加尔湖低涡后部偏北气流南下,在河套西部形成深厚低槽,低槽携带冷空气东移,在河南境内与强盛的西南急流汇合,是本次暴雨过程的天气背景。冷空气的侵入有利于西南涡的加强,而南支槽前的正涡度平流促使西南低涡沿切变线向东北方向移出,使得切变线南侧西南低空急流加强,为暴雨的发生提供了有利的动力与水汽条件。短时强降水发生前,低层能量场出现明显辐合,当低层能量场转为辐散时,能量释放,有利于短时强降水的出现。高层辐散、低空辐合的动力条件配置,使得大范围垂直上升运动加强,特别是高层散度场的下伸,利于降水释放潜热,增加大气的不稳定,进而利于强降水的发生。850 h Pa垂直螺旋度中心大值区域能很好地反映切变线、急流等与低涡相联系的天气系统,其中心强度的迅速变化能较好地指示降水的落区和强度。     

集合动力因子暴雨预报方法研究

介绍了广义位温、湿热力平流参数、热力螺旋度、热力散度垂直通量、广义湿位涡、力管涡度、热力力管涡度、二级位涡、对流涡度矢量和波作用密度等宏观物理量的定义及其物理意义。个例分析表明,这些动力因子与降水系统发展演变密切相关,对地面观测降水有一定的指示作用。这主要是因为：（1）这些因子能够描述降水系统的动、热力垂直结构等共性特征;f2）这些因子大部分包含广义位温,而广义位温又与凝结潜热和相对湿度有关,因而这些因子也能描述降水系统的水汽场结构特点。以这些动力因子为基础建立了集合动力因子预报方法,该方法首先建立以GFS预报场资料为基础的单动力因子降水预报方程,然后根据其与观测降水的相关性,定义权重函数,对多个动力因子的降水预报进行权重平均,最后得到集合动力因子的降水预报。该预报方法可以充分发挥多个动力因子的优势,比较全面地反映暴雨过程的共性特征。长时间序列的统计检验表明,集合动力因子的降水预报评分略高于全球预报系统（GFS）模式自身的降水预报评分,表现在降水落区预报方面,集合动力因子的预报效果略优于GFS模式的自身预报,然而,在降水强度预报方面,集合动力因子和GFS模式都略有过度预报。集合动力因子预报方法计算量小,容易移植,可以提供降水预报产品,为预报员做暴雨预报提供支持。     

江西中西部地区一次暴雨过程的地形敏感性试验

利用常规气象观测资料、区域自动站资料、卫星云图和雷达产品及NCEP再分析资料,对2016年7月9日新乡暖区特大暴雨过程成因进行了综合分析。结果表明:该过程强降水持续时间长、强度大、分布不均匀、致灾严重,属暖区极端强降水,500 hPa低涡和700 hPa切变线是其主要影响系统;台风外围东南暖湿气流在太行山迎风坡(新乡西部)辐合抬升使特大暴雨区上空长时间维持深厚湿层,500 hPa低涡南压所携带的弱冷平流与低层暖平流在新乡上空叠加进一步增加了大气层结不稳定,为暴雨发生提供了水汽和位势不稳定条件;200 hPa显著分流区“抽吸作用”、太行山地形抬升和中低层低涡和切变线使新乡上空出现深厚垂直上升运动是暴雨形成的动力机制;华北中南部大范围高湿环境、深厚暖云层和湿层以及异常偏低的自由对流高度和抬升凝结高度与中等偏强的对流有效位能,是导致新乡高降水效率的有利条件;新乡强降水中心由2个孤立的β中尺度对流系统(M_βCS)合并造成,其系统内部若干低质心对流单体则由太行山东侧山前长时间维持的中尺度辐合系统产生;雷达反射率因子反映出低质心暖云降水回波特征,强回波列车效应明显,新乡特大暴雨由积云(对流)为主的积层混合降水回波长时间滞留造成。

     

短时强降水临近预报的思路与方法

从物理机制、预报技术方法等方面,讨论了短时强降水和暴雨的异同。主要结论包括: (1)充沛的大气可降水量是形成暴雨或极端短时强降水的必要条件,但对于非对流大尺度降水(层状云)过程,对流层低层的净水汽平流量或水汽通量辐合的强度是判断降水强度的核心因子,这也是大范围暴雨预报分析过程中的关键因素;对于中尺度层云降水过程,水汽垂直输送量和气柱内水汽的净平流量则同等重要;对于对流过程,如果不考虑蒸发过程,瞬时降水强度主要决定于水汽垂直递减率(而非整层大气可降水量)和低层大气对流有效位能(CAPE)而不是整层大气的CAPE。(2)降水强度与实际有效凝结率(形成地面有效降水)关系密切,而有效凝结率与云的形态结构特征直接联系;从另一角度看,对流云的形态特征由大气层结状态和环境风垂直切变决定。(3)对于天气尺度系统造成的大范围稳定性降水过程,降水的持续时间取决于天气系统的移动速度,更确切地说,是降水区域上空水汽辐合维持时间的长短;对于对流降水过程,降水持续时间则取决于对流系统的尺度、移动速度和传播特征。

     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。     

斜压热动力耦合强迫在暴雨发生维持过程中的动力诊断分析

利用NCEP1°×1°再分析资料,从新型散度方程出发,针对2007年7月16~20日川渝地区一次持续性大暴雨天气过程,通过计算新型散度方程中的各项,诊断本次暴雨过程中正压大气非平衡强迫与斜压热动力耦合强迫在不同强降水时段的大小与作用,并与地面1h、6h降水观测资料和TRMM云顶亮温资料进行对比分析。结果表明:1)强降水主要是发生在区域内大气状态为弱不稳定层结或中性层结的时段。2)在强降水开始时期,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心重合,正压非平衡强迫对强降水的激发作用显著,是本次降水开始的启动机制。3)在降水发展维持时段,正压非平衡负值中心与未来6小时降水中心对应不好,斜压热动力耦合强迫强负值区与强降水落区相对应,对强降水的发展维持起了至关重要的作用,是本次重庆西南部强降水持续的维持机制。4)正压非平衡强迫和斜压热动力耦合强迫对未来6小时强降水发生的区域、降水强度、中心位置的指示意义,有助于提高暴雨预报准确率。     

一次由列车效应引发的暴雨过程分析

利用自动站资料、探空资料、NCEP再分析资料以及雷达资料,对2016年6月26日浙西地区一次暴雨过程的列车效应特征、物理量特征以及中尺度特征进行诊断分析。结果表明:暴雨产生于中低层暖切及地面低压倒槽的背景场中。强降水时段内回波在江西地区生成并沿同一路径东移影响浙西地区,产生列车效应,同时雷达速度场的低层辐合区有利于列车效应中东移回波增强并产生强烈降水。中低层湿度增加、垂直上升速度增大以及暖式切变线的加强有利于水汽辐合抬升的加强,使得列车效应增强,有利于降水的增大。26日11时以后衢州中北部地区列车效应的产生与维持与中低层正涡度和水汽通量辐合在这个区域的持续作用密不可分。Barnes滤波显示中尺度辐合线的维持和移动与列车效应的维持和生消有较好地对应关系,同时地面加密风场中稳定的低压环流有利于列车效应回波源地的维持,实际业务中应加强对地面加密风场和低层中尺度辐合线的分析。