地面加热与高原低涡和对流系统相互作用的一次个例研究

本文利用NCEP-FNL再分析资料、FY-2E卫星TBB数据、CMORPH降水资料,通过热力学和动力学诊断分析并结合中尺度天气模式WRF的数值模拟试验,研究了2012年6月下旬青藏高原一次东移对流系统的生成发展机制以及与地面加热相互作用的物理过程。结果表明,高原中西部地面感热加热是高原低涡生成、发展和东移的主导因子。而东移的高原低涡通过加强偏北、偏南气流形成的辐合带,进而触发高原东部对流系统的生成。同时,高原对流系统降水产生的凝结潜热释放也加强了东移高原低涡的强度,这表明地面加热与高原低涡和对流系统之间存在一种正反馈机制。数值试验结果进一步表明,除了适当的背景环流外,高原地面潜热通量能够增强中低层大气的不稳定性,为对流系统的发生发展积累能量,造成有利于对流降水的热力环境。     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征

从能量角度分析了发生于2010年7月21~25日的一次高原低涡天气过程及降水特征。定量讨论了高原低涡发展不同阶段显热能、潜热能和对流有效位能(CAPE)的时空分布特征以及各能量分量变化的原因。发现:(1)显热能在高原低涡生成初期是总能量变化的主导因素,潜热能则在高原低涡东移下坡之后对总能量的变化起主要作用;(2)潜热能的空间分布证实高原低涡在成熟阶段出现与台风类似的螺旋结构;(3)标准化对流有效位能(NCAPE)在高原低涡发展最强盛时呈现明显的空心结构;(4)高原低涡的降水主要分布在低涡中心的东南侧或南侧,这与高原低涡的环流以及能量分布特征有密切关系。     

大气热源对高原低涡不同发展阶段的影响——2013年7月个例分析

高原低涡是夏季青藏高原（简称高原）及其下游地区的主要降水系统。本文利用ERA5逐小时再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温逐小时数据和TRMM 3 h降水资料,对2013年7月19～21日活动于高原的一次低涡过程进行了诊断分析。此低涡在高原期间的活动时间长达56 h,将其分为初生、发展及移出高原前三个阶段,着重分析了高原大气热源在低涡不同阶段的关键作用和机理。结果表明：此低涡在发展过程中表现为阶段性增强的特征,位势涡度倾向方程诊断发现非绝热加热的垂直梯度是造成低涡发展增强的主要因素,即非绝热加热极值所在高度的下方和上方分别有正的和负的位涡制造,从而加强了低层的气旋和高层的反气旋。进一步分析可知大气热源在低涡发展过程中也表现出阶段性增强的特征,最大值出现在正午时段,且在低涡移出高原前阶段最强。低涡的生成与地面暖中心有关,这归因于地表感热加热的作用;而低涡的后续发展则主要依赖于凝结潜热加热,加热高度位于对流层中层,这主要是由垂直运动将低层的水汽集中到中层,产生水汽凝结所致。     

一次东北移西南涡的结构特征分析

利用欧洲中心ERA5 逐小时再分析资料对一次东北移西南涡活动特征进行诊断分析,得到以下结论：本次西南涡是在稳定的“东高西低”环流形势下生成和发展,高原涡诱发西南涡生成,在高原气流的引导下向东北方向移动,西南涡在向东北移动的过程中和高原涡耦合促使西南涡进一步发展。西南涡东北移过程中均有低空急流配合。西南涡初生阶段较为浅薄,动力特征较弱;东移发展过程中动力作用增强,正涡度发展至对流层顶,正涡度柱内“低层辐合-高层辐散”的特征显著,高层辐散大于低层辐合,强的高空抽吸作用促使低层辐合增强。涡度平流项、垂直输送项和拉伸项对西南涡的发展起到主要作用。视热源和视水汽汇在低涡发展阶段,中低层暖湿空气的加热使空气增温,从而使地面减压,有利于西南涡的发展;中高层凝结潜热和感热加热,使得对流层高层增温,促使高层出流加强,进一步增强西南涡的发展。     

黄河气旋暴雨过程发展演变成因分析

2016年7月19-21日华北地区出现了一次影响范围广、累积雨量大、持续时间长、局地雨强大的极端强降水过程,强度仅次于1963年8月8-9日极端降水事件,河北多地及北京的降水总量和持续时间超过2012年"7·21"特大暴雨。本文利用地面自动气象站、气象卫星以及NCEP再分析等资料对导致此次特大暴雨的环流配置尤其是黄河气旋的发生发展等特征进行分析。结果发现,深厚的华北低涡、与低涡相联系的西风槽、副热带高压以及低涡诱发的黄河气旋是此次暴雨的直接影响系统。副高的阻挡使得气旋移动缓慢,且移动过程中两次呈现逆时针旋转路径。地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层正涡度平流之差较大的区域移动。同时,由于降水产生的凝结潜热释放和上升运动产生的正反馈作用,引导气旋向上升运动强的地方移动。强降水造成的潜热反馈对低层位涡增长起了重要的作用,有利于地面黄河气旋系统生成。同时,高空高位涡沿等熵面下传与低空系统耦合,并与地面气旋上空的暖平流成正反馈作用,进而导致地面黄河气旋迅速发展。卫星水汽图像水汽暗区的干带具有高位涡特征,将其与高层位涡场结合分析,有助于在水汽图像上对高空动力特征的发展演变进行判断,为温带...     

移出与未移出青藏高原的高原低涡涡源区域的地面加热特征分析

利用1998—2016年NCEP/DOE逐日的日平均地面感热通量和地面潜热通量、MICAPS历史天气图资料、青藏高原低涡切变线年鉴,对高原低涡涡源区与高原地面加热特征进行统计分析,对比研究了移出青藏高原的高原涡(移出涡)、未移出青藏高原的高原涡(未移出涡)的涡源与高原地面加热的季节变化特征,及移出涡、未移出涡涡源区的地面加热特征及高原地面加热与低涡生成的相关性。结果表明,高原涡、未移出涡、移出涡的涡源分布季节变化特征相似,由冬到春到夏,初生区域逐渐扩大,由夏到秋到冬正好相反,不同的是移出涡涡源区明显比高原涡、未移出涡小,初生中心位置的季节变化也不同;高原地面感热、地面潜热、地面热源分布的季节变化特征相似,由冬到春到夏经历了明显增强的过程,由夏到秋到冬经历了减弱的过程,不同的是热源的快速增强、减弱程度及其发生季节差异大,地面潜热由春到夏增强特别明显,这与移出涡生成个数的明显增加相一致;未移出涡、移出涡春、夏、秋季主要涡源区所处的地面热源值域不同,移出涡夏季的值比未移出涡高,移出涡生成对高原区域地面热源依赖要比未移出涡强一些;夏季移出涡、未移出涡的涡源区都处在与高原地面热源正相关区内,它们与地面潜热的显著正相关区比高原地面感热的大,尤其是移出涡,高原地面潜热在高原涡生成中有重要作用,对移出涡生成影响更大。     

青藏高原地表温度对一例高原涡影响的数值模拟

基于FNL再分析资料、FY-2D气象卫星黑体亮温数据以及多源融合降水数据,运用WRF模式模拟了2015年6月9～11日的一次高原涡过程,通过对比控制试验和6组青藏高原地表温度敏感性试验的差异,从高原涡生成位置、结构、强度、移动路径等多个方面研究了地表温度对其的影响,并探讨了相应的物理机制。结果表明：模式能够较好地模拟出高原涡生成、发展和成熟各阶段的位置、结构、移动路径、500 hPa环流形势以及降水情况;青藏高原地表温度对高原涡强度和降水有一定影响,对高原涡生成和移动影响不大;地表温度对高原涡的影响主要是通过改变地表感热通量和地表潜热通量来实现的。     

2014年7月14日高原低涡降水过程观测分析

利用第三次青藏高原大气科学试验的多种雷达、雨滴谱仪以及MODIS卫星观测资料、常规气象站地面和高空观测资料,针对2014年7月14日发生在青藏高原中部那曲地区的一次降水过程,研究了降水的时空变化特征,触发不同阶段降水的天气尺度和中尺度环流系统以及相关的云降水物理特征。从降水演变特征看,这次降水过程包括3个阶段,即发生在下午的强降水阶段和夜间的两个弱降水阶段。从影响系统看,下午的降水主要由天气尺度的高原低涡发展引起,此时那曲位于低涡中心前部的中尺度辐合线上;发生在晚上的降水主要与高原低涡前部的暖湿东南气流爬越地形有关,东南气流为产生降水提供了有利的水汽、大气不稳定和浅薄的动力抬升条件。从云降水微物理特征看,高原低涡降水初期,低涡前部的上升运动深厚,对流发展明显,而后期的对流性减弱。东南气流爬坡引起的地形降水表现出层状云降水的特征,高原低涡降水的雨滴谱分布较宽（0.3~4.9 mm）,而夜间降水过程的雨滴谱分布较窄（0.3~2.1 mm）。     

2010年6月6-7日柴达木盆地大降水天气综合分析

本文针对发生在2010年6月6-7日海西州大范围大降水天气,从环流形势、影响天气系统、物理量场反应等方面进行了分析,结果表明:造成大降水的内在机制是一次大环流形势调整后高原低涡在柴达木盆地的长时维持而形成的降水系统,同时中尺度天气系统的发展为大降水提供了水汽、能量和动力条件。     

一次西南低涡发生发展的涡度收支及潜热释放诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料、地面自动站降水资料,对2010年7月8~10日发生在重庆地区的大暴雨过程进行涡度收支及潜热释放诊断分析。结果表明:(1)再次发展的850 h Pa西南低涡中心与持续发展的700 h Pa低涡中心的耦合发展对此次暴雨过程的发生发展有重要作用;(2)在暴雨过程中,涡度的垂直输送项和水平辐合辐散项对850 h Pa低涡的再次发展及700 h Pa低涡的维持发展起主要作用;(3)降水与低涡基本同步发生,降水带来的潜热释放使得对流中心附近的上升运动不断加强,凝结潜热释放也随之增多,引起非绝热作用增强,导致局地位涡增加和低涡中心附近的正涡度逐渐加大,风场气旋性弯曲显著,低涡环流逐渐形成。     

一次高原涡东移引发江淮强降水的动热力机制分析

利用ERA5(0.25°×0.25°)逐小时再分析资料,TRMM卫星降水资料和FY-2E卫星黑体亮温（TBB）资料等,探讨了2017年7月7-9日的一次移出高原涡形成发展的环流背景和移动特征,以及引发江淮流域强降水的动热力机制,并应用HYSPLIT4模式追踪江淮流域强降水的水汽源地。结果表明：此次高原涡生成于高原中部,先向东南方移动,到达四川中部后转为东北向移动,生命史为39 h。200 hPa南亚高压和高空急流强度较强,低涡位于高空急流入口区右侧的辐散区,促使低涡形成和发展。500 hPa低涡前部的负变高中心以及西太平洋副热带高压边缘的西南气流引导低涡的东移和转向。低涡移出高原后处于高空槽前正涡度平流造成的减压区,加之大地形背风坡有利于气旋性涡度增强,低涡得以发展。低涡下高原后沿江淮切变线移动,槽后的冷空气与携带孟加拉湾和南海水汽的偏南气流汇合,在锋生作用下低涡发展为江淮气旋,降雨量迅速增强达到大暴雨标准。高低空急流的耦合和低层对流不稳定的发展加强了动力抬升作用,有利于江淮强降水的形成。强降水的水汽源地主要为南海和孟加拉湾,降水最强时段对应辐合上升运动最强,对流云发展旺盛使降水得以维...     

西南涡发生发展机制中热力强迫作用的数值试验

利用WRF模式对2011年6月16—17日由西南低涡触发的一次四川盆地强降雨过程进行模拟分析,从边界层内的热力学特征角度分析西南涡发生、发展成因。结果表明:如不考虑地面热通量,虽然能模拟出西南涡,但西南涡的强度和位置与实际情况相差较大,且模拟结果基本没有再现降水;地面加热在西南涡的发展过程中起维持作用,西南涡的发展主要受降水凝结潜热的加热作用,降水凝结潜热的释放在很大程度上决定西南涡能否形成。     

贵州南部两次局地大暴雨过程对比分析

利用自动站观测资料、探空资料及NCEP再分析资料,对2006年6月12日夜间和2008年5月27日夜间贵州南部局地大暴雨天气过程进行对比分析。结果表明,两次过程均发生在西高东低、东北低涡稳定维持的有利环流形势下,700 hPa巴塘低涡东移是造成贵州西南部强降水的主要影响系统,巴塘低涡和低空西南急流在贵州东南部维持对贵州西南部暴雨起重要作用,同时不稳定能量在贵州南部积聚为暴雨发生提供了有利条件,但相对于后一过程,前一过程在贵州水汽辐合区更大,其大雨量级以上降水范围更广;地面中尺度辐合线生成发展是两次局地大暴雨发生发展的可能触发原因,暴雨中心位于辐合线南侧暖区中;前一过程西太平洋副热带高压较强且位置偏西(西脊点到达110°E),南支槽东移有利于引导700 hPa低涡移动,弱冷空气与暖湿空气交汇形成能量锋锋生,引起低涡强烈发展、涡旋环流增强,而后一过程副高偏弱且位置偏南、偏东,500 hPa上无高原槽影响,以及地面贵州南部为低压控制且无冷空气影响,是前一过程比后一过程降水强度更大的原因。     

高原横切变线与高原低涡关系的初步研究

基于大气运动方程组及散度方程,对高原横切变线上扰动稳定性问题以及切变线诱发高原低涡的动力学机制进行了理论分析并用欧洲中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料对其进行验证。得出高原横切变线是高原低涡产生的重要背景场,切变线以南的水汽输送与辐合对于低涡的诱发作用是大气处于不平衡状态而引起散度场调整的结果,辐合增强区有利于高原低涡生成,低涡中心对应非平衡正值中心,低涡外围为非平衡项负值区。非平衡项负值大值与水汽辐合带的重叠区对降水落区有较好的指示意义。当高原南部的西南风带向东或东北方向移动或当低涡下游出现非平衡项负值中心时,低涡亦同向移动。若高原出现气旋式环流并且环流中心与非平衡项正值中心对应时,有利于低涡生成;进一步,当低涡中心与非平衡项正值中心对应且正值中心数值不断增大时,低涡趋于发展加强。     

东移西南低涡空间结构的气候学特征

对1991～2004年夏季（6～8月）西南四川盆地的低涡活动进行统计分类,比较分析了移出型和停滞型两类西南低涡生成初期的合成环流场,总结出影响低涡东移的三维环流结构的气候学特征：东亚中纬度地区对流层中高层的冷空气入侵造成中高层气温偏低,位势高度降低,伴随冷偏差中心南侧20°N～30°N由对流层顶至850 hPa都出现偏强西风,最大的西风偏差位于长江下游地区上空200 hPa。一方面,高层风速差异的纬向梯度加强了长江中游地区的高空辐散,在西南低涡东部形成有利于降水和气旋性环流发展的动力抬升机制。另一方面,对流层低层的西风偏差在青藏高原南麓至我国东部长江以南形成一条异常的水汽输送带,加强了低涡南侧的偏西风水汽输送作用,为低涡东部的降水潜热反馈作用提供了充足的水汽。西南低涡在这样有利的环流形势和水汽条件下更容易移出盆地。     

凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟

利用WRF模式对2009年7月29日的一次高原低涡个例进行数值模拟,研究了凝结潜热加热及其与对流活动的反馈在高原低涡发生发展过程中的作用及影响机制。通过模拟结果与实况资料的对比分析,发现WRF模式能够较好地模拟此次低涡的移动路径、中心强度和降水场分布。不考虑凝结潜热加热效应的敏感性试验结果中,模式模拟的低涡移动迟滞,降水量减少,并在移动至高原中部后迅速减弱消失。进一步分析高原低涡的结构发现,凝结潜热加热使得低涡中心附近的上升运动延伸至高层,并产生较强的对流活动,而更为深厚的上升运动又释放出较多的潜热,从而形成一种正反馈机制。位涡收支诊断分析表明,低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移,位涡垂直通量散度项与凝结潜热加热垂直梯度项引起的位涡变化趋势相反。在高原低涡的形成和发展阶段,由于凝结潜热加热与对流活动间的正反馈机制,潜热加热垂直梯度项引起的正位涡增强,凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用,有利于高原低涡的增强与东移;低涡进入成熟阶段后,凝结潜热的贡献减小,位涡水平通量散度项与位涡垂直通量散度项对位涡的变化起主要作用。     

云南一次城市极端强降水事件成因分析

利用云南乡镇自动站降水资料、短时强降水监测资料、FY2G卫星资料、高空地面常规观测资料和NCEP再分析资料,从天气学角度分析了2020年夏季昆明一次城市极端强降水事件的成因。结果表明：受滇缅高压脊作用,高原槽东移后在云南东北部形成高原低涡,高原低涡沿着两高辐合区南移影响昆明,高原低涡和切变线是本次昆明极端强降水的主要影响系统,昆明极端强降水发生在高原低涡和切变线附近水汽辐合程度大的区域;此次强降水过程的不稳定机制为对流不稳定和对称不稳定并存,其中对称不稳定使倾斜对流得以维持;边界层辐合线触发近地层垂直上升运动和中尺度对流系统的生成,700 hPa切变线和500 hPa低涡使中尺度对流系统发展,垂直上升运动增强,触发不稳定能量的释放,引发强降水;涡生参数正值区对高原低涡的产生和移动方向的预测有指示意义。     

600hPa高原低涡生成机制的个例探讨

本文通过对１９８６年７月１６－１７日一次６００ｈＰａ高原低涡生成的数值试验得出，高原涡的生成与高原短波辐射加热密切相关，地面感热对高原涡的生成起主要作用，高原可减缓北部的冷空气向南运动，该冷空气与副高西侧的偏南气流相遇，在青藏高原特殊下垫面的影响下，极易产生对流性不稳定，低涡扰动与降水。     

基于TRMM资料的高原涡与西南涡引发强降水的对比研究

利用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星探测结果结合NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料, 对2007年7月17日四川、重庆地区的一次西南涡强降水系统和2008年7月21日四川东部的东移高原涡强降水系统的三维结构特征、雨顶高度以及降水廓线特征进行对比分析研究。结果表明:(1)两次降水过程均是发生在西南—东北向的水汽辐合带中, 且降水云群均位于低涡的东南方。(2)两次强降水在水平结构上均表现为由一个主降水雨带和多个零散降水云团组成, 高原涡强降水过程比西南涡强降水的降水强度和范围都要大。降水雷达探测到的两个中尺度降水系统均以降水范围大、强度弱的层云降水为主, 但对流性降水对总降水量的贡献较大, 其中西南涡降水中对流降水所占比例比高原涡的大, 对总降水率的贡献也大。(3)垂直结构上:两次强降水的雨顶高度均是随地表雨强的增加而增加, 且最大雨顶高度接近16 km, 但西南涡强降水中的雨顶高度比高原涡更高, 说明西南涡降水过程中对流旺盛程度强于高原涡。(4)两次强降水中雨滴碰并增长过程以及凝结潜热的释放主要集中在8 km以下, 但8 km以上西南涡降水变化大于高原涡, 且前者在8~12 km高度层的降水量对总降水量贡献百分比大于后者。