秋行夏令:2021年10月初北方致灾性持续暴雨及水汽极端性分析

2021年10月3—6日,我国北方地区经历了历史罕见的持续性极端强降水过程,暴雨中心稳定维持在陕西中部、山西、京津冀、辽宁等地南部和山东北部,给上述地区造成了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。基于台站观测降水、NCEP/NCAR和ERA5再分析资料诊断了本次降水过程的极端性。结果表明,本次暴雨过程无论是降水强度、持续时长还是经向水汽输送均表现出典型北方夏季暴雨和大气环流配置特征。上述五省二市区域平均的过程累计雨量强度远远超过秋季其他暴雨个例,即使在夏季也位列第二。本次过程的极端性与强降水中心稳定在上述地区密切相关。上述五省二市区域平均降水连续4日均超过15 mm,这在秋季历史上从未出现过。除过程的极端性强外,9月山西等地降水异常偏多对10月初秋涝也起到了叠加作用。本次秋涝对应的大气环流呈现出典型的北方夏季主雨季环流型,表现为西太平洋副热带高压（副高）偏西偏北,副高西侧的经向水汽输送异常强盛,同时10月4—6日北方地区发生一次强冷空气过程,冷暖气流交汇在上述地区。水汽收支计算表明,本次过程的经向水汽输送强度为秋季历史之最,甚至超过了盛夏时期北方大部分暴雨过程水汽输送强度。上述分析结果表明,即使在仲秋时节亦可产生有利于北方极端持续暴雨的环流形势和水汽输送,并导致秋涝发生。     

"99.6"梅雨锋暴雨模拟资料的诊断分析

利用非静力中尺度模式MM5V3的模拟资料对"99.6"梅雨锋暴雨过程进行了对流动量输送(CMT)和视热源视水汽汇分析。CMT诊断分析表明,水平动量残差在切变低涡发展的不同阶段的作用是不同的,在中尺度低涡发生初期对流层低层动量残差X主要是加速西南气流的北上;在对流层中层动量残差在槽后加速冷空气南下,在槽前加速西南暖湿气流北上,非常有利于东亚大槽的发展。在低涡切变线强烈发展时,850hPa的X方向与发生阶段相反,此时西南气流受到了强烈的减速作用,同时500hPa东亚大槽的前部和后部出现了减速气流的动量残差,槽后冷空气和槽前的暖湿气流都已经受到减速作用,此后低涡切变线逐渐衰减。低涡切变线发展到最强的阶段,强X矢量几乎总是与强烈上升运动区相对应,能量转换E的水平分布表明,大尺度系统与中尺度系统之间的能量转换非常复杂,并不是简单的能量串级过程,但能量主要是从大尺度向次网格尺度转换。200hPa动能转换E的带状分布非常清楚,E的正负大值中心分布在高空急流的2侧,表明高空急流在能量转换的过程中起到非常重要的作用。视热源和视水汽汇的诊断分析显示,强凝结潜热的释放与低涡的发展相伴随,但视热源只与β中尺度系统有明显的对应关系,视水汽汇有和视热源非常相似的分布特征。     

基于仿生材料的沙漠地区水汽收集研究进展

沙漠地区空气中有宝贵的水资源,如何进行有效的水汽收集与输送是沙漠中生物生存面临的主要问题。选择沙漠中常见的甲虫、蜘蛛、仙人掌、针茅等生物为例,归纳了不同生物的水汽收集特点及原理,总结了主要的仿生材料。以仿生物结构法为基础,分析了具有天然材料相似功能的仿生超级亲水和超级疏水材料的应用,介绍了多种仿生材料结合的新型水分收集方式。基于仿生原理的干旱沙漠地区空气中水汽收集研究成果,对仿生材料水汽收集未来的发展趋势进行了展望。     

过量氘新的定义及其在极地地区的应用综述

水汽中过量氘主要受蒸发过程中非平衡动力分馏控制,而水汽冷凝过程一般认为同位素发生平衡分馏,平衡分馏过程对降水及水汽中过量氘影响较小,因此理论上可以利用冰芯过量氘记录进行水汽源区环境条件的定量重建。在极地地区,较低的温度导致水汽的冷凝程度较高,氢(δD)与氧(δ~(18)O)稳定同位素的斜率受与温度有关的平衡分馏系数显著影响,因此极地降水中过量氘实际上还受平衡分馏系数影响;此外,随着水汽冷凝程度的升高,水汽中δD/δ~(18)O值越来越低,δD和δ~(18)O之间的非线性关系越来越明显,这导致传统线性过量氘(定义为d_(excess)=δD-8δ~(18)O)的值还受同位素值本身的影响。因此,上述线性过量氘定义的不足使得利用极地冰芯过量氘记录进行水汽源区环境条件定量重建的精度受到了很大的限制。为了弥补传统线性过量氘定义的不足,近年来一些研究者提出了过量氘的对数定义和指数定义。本文旨在说明传统线性过量氘定义的不足,详细介绍两种过量氘新定义的基本原理与优势、最新研究进展及其在极地地区的应用前景。     

地震后水汽异常变化初探

研究东日本地震、汶川地震和玉树地震震中及其附近区域在地震前后的水汽时间序列变化。首先分析震中MODIS水汽序列和震中附近探空站点水汽序列在地震前后的变化;然后基于GNSS ZTD与水汽之间的高相关性,以GNSS ZTD代替GNSS水汽,讨论震源区周围IGS站点的ZTD序列变化。研究发现,震后震中及其附近区域水汽值变化出现异常,且距离越近所受影响越大;水汽不断聚积,达到峰值后发生降水。     

华南两次强台风暴雨过程的水汽与湿位涡对比分析

【目的】探讨不同季节但路径相似的台风暴雨的相关特征,为不同季节的台风暴雨落区预报提供参考依据。【方法】利用常规的探空和地面资料以及NCEP/NCAR1°×1°全球再分析资料,计算2个强台风的水汽通量散度和湿位涡场。对比分析水汽通量辐合、湿位涡正压项(MPV1)和斜压项(MPV2)的水平和垂直分布特征,以及与暴雨落区的对应关系。【结果】秋季的"彩虹"台风高层副热带高压加强,而中低层冷空气和东南气流的汇合使"彩虹"台风的东侧和北侧获得更有利的动力环境条件;而夏季的"威马逊"台风北侧无冷空气影响,台风南侧外围强盛的西南季风气流卷入。台风"威马逊"期间,强的水汽通量辐合中心始终在台风及其残涡中心的南侧和西侧;台风"彩虹"登陆后60 h内一直持续有2支强盛的气流向台风中心输送水汽,而水汽通量的辐合中心与"威马逊"相反,位于台风中心的北侧和东侧,东南气流的卷入以及维持时间长使暴雨增幅。台风"彩虹"登陆后高层高值MPV1扰动下传,低层MPV2> 0并增强,湿斜压性得以增强,有利于垂直涡度增长,使台风低压得以维持和发展;登陆后48～66 h 925 hPa层MPV1为负值,使对流不稳定能量及潜热能的释放,有利于暴雨的维持。而台风"威马逊"登陆后湿斜压性增强不明显。2个台风强降水中心大致位于925 hPa MPV1正负中心过渡带偏向负中心一侧;"威马逊"过程低层MPV1负值中心在正值中心的左侧,对应着西南季风的汇入区;而"彩虹"过程低层MPV1负值中心在正值中心的右侧,对应着冷空气和东南气流的汇合区。这是2个台风暴雨落区差异的成因之一。【结论】本研究得出的湿位涡诊断结果对台风暴雨落区预报具有较好的指示意义。     

利用气象数据计算局部对流层湿延迟的方法

天顶对流层湿延迟是反演大气水汽含量的重要参数。该文通过研究局部地区垂直剖面气象条件的变化特征,提出了一种利用地表实时观测气象数据及历史资料计算当前时刻局部地区垂直剖面气象参数的方法,进而可利用积分方法精确求得该地区对流层湿延迟。通过与当前精度较高的经验模型对比,证明本文提出的方法能有效削弱局部地区对流层湿延迟误差,RMS和Bias误差可分别降低30%、50%左右;由于观测量仅是温度和湿度,故相较于利用GNSS等空间大地观测台站估计湿延迟的方法,本文方法的成本将小许多。     

青海高原近43年夏季水汽分布及演变特征

通过对青海高原近43年夏季空中水汽分布及演变的研究,结果表明:(1)夏季来自孟加拉湾的暖湿水汽在东亚夏季风的驱动下向东北方向输送,与沿中纬度的西风环流输送的水汽在青海高原会合,但受高原大地形阻挡,到达该区的水汽含量较源区大大减小;(2)青海高原水汽通量场自西界向东界增加,水汽通量高值区基本分布在青海东部的边坡地带;(3)近43年青海高原净水汽通量收支有正有负,但整体上却呈增加趋势;(4)旱年青海高原水汽通量比平均状况偏少10~40 kg.m-1.s-1;涝年偏多10~20 kg.m-1.s-1;无论旱涝年,青海高原空中净水汽通量均呈正值,但旱年比平均状况偏少21.88%,涝年偏多53.99%。     

1961—2016年中国西北地区陆地水分收支的年代际变化特征

利用观测气象数据集（CN05.1）、地表水文数据集（VIC-CN05.1）以及大气再分析数据（JRA55）分析了我国西北地区1961-2016年暖季（5-9月）陆地水分收支的长期和年代际变化特征。通过对陆地水分收支（Land Water Availability,LWA）时间序列作Mann-Kendall突变检验,将1961-2016年划分为3个时段进行进一步分析（P1：1961-1978年;P2：1979-2008年;P3：2009-2016年）。主要结论如下：在1961-2016年间西北地区LWA呈上升趋势,区域平均的LWA时间序列具有明显的年代际特征。三个时段的LWA距平百分率分别为-5.45%、-0.46%和13.99%,总体表现为"减少-不变-增加"的特征,尤其是近些年地表水资源增加明显。三个时段的LWA距平百分率空间分布差异显著,尤其在新疆中部、甘肃东部和陕西。西北地区总体上水汽通量输送和垂直速度与降水年代际变化特征基本一致,且区域特征明显。西北地区蒸发受降水、向下长波辐射通量和风速变化影响显著。     

季风低压诱发2018年8月广东特大暴雨过程分析

利用NCEP/FNL再分析资料和中尺度数值模拟方法探讨2018年8月27日—9月1日季风低压环境下广东特大暴雨过程的形成成因。利用扰动天气图方法分析发现,季风低压和西南急流为此次广东暴雨过程提供了有利的水汽条件和能量条件。熵变零线位置与降水落区位置有较好的对应,零线处能量有最大累积,有利于暴雨的发生发展,对预报暴雨降水落区有一定的指示意义。为进一步验证季风低压的影响机制,构建不同季风低压尺度的敏感性试验,即通过滤去季风低压环流中的扰动分量来改变季风低压的强度。结果表明：暴雨强度与季风低压尺度和强度存在密切的关系。当季风低压强度较强时,暴雨过程总雨量强;当季风低压强度较弱时,降水大为减少甚至无降水。诊断分析指出,能量螺旋度指数能够较好反映出不同情形下降水发生发展,在季风低压背景下,暴雨区能量螺旋度指数较大,降水强度较强。反之,随着季风低压强度减弱,能量螺旋度指数减小,降水减弱。