中国中东部强对流天气的天气形势分类和基本要素配置特征

本文通过对2000年以来中国近百次强对流天气个例的环境场进行分析,并查阅大量文献资料,综合考虑强对流天气形成的热力不稳定、动力抬升和水汽这三个基本条件出发,从强对流的不稳定条件和主要触发条件的角度,提出中国强对流天气5种基本类别:冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类,并给出了基本解释。高空冷平流强迫类的典型特征是500hPa以上的中高层强干冷平流加强并移到边界层内暖性的辐合带中。暖平流强迫类的主要特征则是不稳定发展主要源于低层强烈的暖湿平流。斜压锋生类的特征是中低层冷暖空气强烈交汇产生的深厚对流,即斜压锋生造成的强对流往往表现为高空干冷平流和低空暖湿平流都很强烈。准正压类多发生在夏季副热带高压外侧或内部、温度梯度较弱的地区,流场上的动力强迫和和地面局地受热不均起主要作用。高架对流类的特征是700~500 hPa强的西南急流在边界层内的冷垫上被抬升,不稳定能量是来自700 hPa以上。通过从形成机制的差异性进行分类,有助于更好地把握各种强对流过程中不同的天气特征、系统配置、动力热力特征及其短期潜势分析重点,为进一步提高该类天气的预报预警水平提供更多的技术支持。     

一次热带低压伴随中尺度锋生的暴雨天气过程分析

利用地面观测资料和NCEP/FNL再分析资料,对福建省东北部2018年8月24—25日热带低压影响下的暴雨天气过程进行分析,以揭示中尺度锋生对局地强降水的作用。结果表明：此次暴雨天气过程具有降水集中、局地性强、强度大、持续时间长、存在2个明显降水阶段的特征。强降水过程伴随中尺度锋生现象,且在第二阶段明显强于第一阶段,为第二阶段强降水提供有利动热力条件。热带低压移动缓慢,降雨持续时间长,配合中纬度槽带来的弱冷空气,是此次极端降水的原因之一。2个降水阶段都有较好的水汽供应,第二降水阶段水汽通量弱于第一阶段,说明水汽供应不是造成2个阶段降水强度差异的主要原因。由于低层风速较大,地形抬升比水汽供应具有更重要的作用。     

2011年冬季贵州低温雨雪冰冻天气的成因分析

利用常规观测资料和NCEP 1°×1°及2.5°×2.5°格点再分析资料,对贵州2011年初的低温雨雪冰冻过程的天气成因进行了初步分析。结果表明：东亚地区500 hPa高度距平场＂北高南低＂分布以及中高纬阻塞高压的稳定维持,有利于引导冷空气频繁南下影响贵州,是持续低温的主要原因。滇黔准静止锋也是重要的影响系统,它的长期存在有利于阴雨天气维持;而大范围的冻雨（雪）天气则是伴随着东移的南支槽以及向上伸展的水汽辐合。由于西太平洋副高较弱和中亚地区低值系统不活跃,没有稳定持续的水汽向贵州输送,所以过程表现出短暂的间歇性,尤其是距离滇黔准静止锋区相对较远的贵州东部地区,受灾程度远不如2008年严重。因为有偏北路径的冷空气入侵,贵州中西部地区冰冻强度超过2008年;垂直结构的差异是影响范围最大强度最强的两次过程（第1和第4次）降水相态不同的重要原因;冰冻的形成与增长是多种气象因子综合影响的结果,在一定的降水条件下,日平均气温是影响冰冻强度的重要因子。     

秦岭大巴山地形对陕南强降水的影响研究

2021年4月23日陕西东南部出现了大范围暴雨天气,共有18站日降雨量超过4月日雨量极值,较为罕见。利用常规高空、地面观测资料及ERA5再分析资料(0.25°×0.25°)对该暴雨过程成因及极端性进行诊断,结果表明：500 hPa高原槽前强西南气流带来的正涡度平流有利于低空急流的增强以及低涡的发展和维持。该过程有两支强水汽输送带,一支为偏南风水汽输送带,另一支为热带气旋外围的偏东风水汽输送带,700 hPa切变线以及850 hPa西南低涡给陕南带来显著的水汽辐合,持续充沛的水汽供应及辐合使得强降雨维持较长时间,从而形成暴雨。探空上有明显锋面逆温,锋区由南向北呈倾斜结构,锋生主要由辐合项和水平变形项贡献,其中水平变形项以伸缩变性项为主。西南暖湿气流沿着层冷垫爬升,中低层大气的风速、风向切变以及锋生造成强烈水汽辐合上升,同时偏南急流沿着秦岭和大巴山迎风坡的强迫抬升进一步增强了降水。标准化异常(SD)诊断显示,700 hPa、850 hPa超过3σ的异常偏强偏南风水汽输送以及850 hPa超过3σ异常偏强的偏东风水汽输送,造成陕西整层水汽含量异常偏大,同时由于中层辐合加上锋生造成的垂直环流,使得陕西东南部上升运动较气候态异常偏强3σ,造成4月份陕西极端暴雨过程。

     

Effects of surface drag on low-level frontogenesis within baroclinic waves

Using a three-dimensional nonhydrostatic mesoscale numerical model (MM5), the evolution and structures of baroclinic waves with and without surface drag in case of dry and moist atmosphere are simulated, with special emphases on the effects of surface drag on the low-level frontal structure and frontogenesis. There are two different effects of surface drag on the low-level frontogenesis in the dry case. On one hand, the surface drag weakens the low-level frontogenesis and less inclined to develop the baroclinic wave due to the dissipation. But on the other hand, the surface drag induces a strong ageostrophic flow, which prolongs the low-level frontogenesis and finally leads to the enhancement of cold front. Compared with the no surface drag case, the surface drag increases the frontal slope espe- cially in the boundary layer, where the front is almost vertical to the surface, and then enhances the prefrontal vertical motion. All these conclusions expanded the analytical theory of Tan and Wu (1990). In the moist atmosphere, the influence of surface drag on frontal rainbands is also obvious. The surface drag weakens the convection, and reduces the energy dissipation near the surface when the initial relative humidity is relatively weak. At this time, the confluence induced post-frontal updrafts moves across the cold front and reinforces the prefrontal convection, which is beneficial to the maintenance of the rainband in cold sector. Given the enhancement of relative humidity, the moist convection domi- nates the low-level frontogenesis while the retardation of surface drag on energy dissipation is not obvious, therefore the effects of surface drag on the low-level frontogenesis and precipitation are re- duced.     

一次秋季暴雨天气成因分析

利用常规气象资料、山东济南WSR-98D雷达资料等,分析了2003年10月9～12日的高空环流形势、地面气压场,物理量场、单站降雨量随时间的演变、组合反射率与基本速度图等。结果表明：（1）稳定的500hPa环流形势是造成暴雨的必要前提：（2）暴雨区内的水汽供应主要是边界层内的水汽通量辐合造成的;（3）地面中尺度气旋的徘徊打转使气旋北部长时间维持强烈辐合运动,与高层辐散形成的“抽吸作用”．造成暴雨区强烈的上升运动;（4）沧州站每小时降水量的两个峰值分别与两支低空急流的交汇、地面中尺度气旋强烈发展时刻相对应。     

2011年1月湖南罕见持续性暴雪天气成因分析

应用常规观测资料和NCEP再分析资料,对2011年1月湖南发生的罕见大范围持续性暴雪天气过程进行了详细分析。结果表明：乌拉尔山阻塞高压和孟加拉湾南支槽稳定维持,“南低北高”环流形势有利于冷暖气流在长江中下游地区一带汇合,是持续性暴雪发生的大尺度环流背景;700hPa西南急流的建立和加强为暴雪区带来源源不断的水汽供应和不稳定能量,持续而强盛的水汽输送和水汽辐合对暴雪维持和加强至关重要;青藏高原有两次明显的正涡度向东传播至我国东部地区,正涡度东传有利于垂直上升运动维持和加强;暴雪期间湖南上空维持较强的锋生区,准静止锋稳定少动,锋区强度逐渐增强,其最强阶段与暴雪最强阶段一致,而高空急流和锋面的耦合加强了湖南区域的上升运动,是暴雪天气持续的主要原因;锋前干冷空气在对流层中层形成的干层加强了暴雪过程的对流性不稳定,而锋后干冷空气作为“冷垫”锲入暖湿气流下方,促进锋生和暖湿空气的抬升和凝结,是不稳定能量释放的触发机制。     

Submesoscale-enhanced filaments and frontogenetic mechanism within mesoscale eddies of the South China Sea

Submesoscale activity in the upper ocean has received intense studies through simulations and observations in the last decade, but in the eddy-active South China Sea (SCS) the fine-scale dynamical processes of submesoscale behaviors and their potential impacts have not been well understood. This study focuses on the elongated filaments of an eddy field in the northern SCS and investigates submesoscale-enhanced vertical motions and the underlying mechanism using satellite-derived observations and a high-resolution (~500 m) simulation. The satellite images show that the elongated highly productive stripes with a typical lateral scale of ~25 km and associated filaments are frequently observed at the periphery of mesoscale eddies. The diagnostic results based on the 500 m-resolution realistic simulation indicate that these submesoscale filaments are characterized by cross-filament vertical secondary circulations with an increased vertical velocity reaching O(100 m/d) due to submesoscale instabilities. The vertical advections of secondary circulations drive a restratified vertical buoyancy flux along filament zones and induce a vertical heat flux up to 110 W/m2. This result implies a significant submesoscale-enhanced vertical exchange between the ocean surface and interior in the filaments. Frontogenesis that acts to sharpen the lateral buoyancy gradients is detected to be conducive to driving submesoscale instabilities and enhancing secondary circulations through increasing the filament baroclinicity. The further analysis indicates that the filament frontogenesis detected in this study is not only derived from mesoscale straining of the eddy, but also effectively induced by the subsequent submesoscale straining due to ageostrophic convergence. In this context, these submesoscale filaments and associated frontogenetic processes can provide a potential interpretation for the vertical nutrient supply for phytoplankton growth in the high-productive stripes within the mesoscale eddy, as well as enhanced vertical heat transport.     

急流加速产生的高空锋生和低空锋生

本文用数值模拟方法证实了曾庆存提出的一种锋生机制,即高空急流加速或高空动量输入通过地转适应过程造成高空锋生.我们采用二维非弹性数值模式模拟了五种急流加速分布产生的锋生过程:三个低空锋生,分别由中尺度地面、中尺度低空和次天气尺度低空急流加速产生;二个高空锋生,分别由高空次天气尺度和天气尺度急流加速产生.模拟的结果表明:(1)通过地转适应产生的位温梯度的大小依赖于急流的空间结构以及Rossby变形半径和急流扰动尺度的比值,比值越大,适应锋生越强.(2)在相同的尺度条件下急流加速产生的高空锋生比低空锋生更强.(3)地转适应过程将加速的高空急流动量向下层传输,使锋区变陡并向对流层中、下层延伸,这种对流层高低层的非地转耦合可能是低空急流形成的另一种机制.(4)在模拟的五个过程中急流振荡的主频率约是惯性频率的1.7倍.     

我国热带气旋研究十年进展

使用中国气象局热带气旋年鉴、FY-2云顶亮温资料、常规观测资料及NCEP/NCAR再分析资料,对两个路径相似北上深入内陆,发生变性并直击黑龙江省的1215号超强台风“Bolaven（布拉万）”和1913号超强台风“玲玲（Lingling）”特征和降水差异进行对比分析。结果表明：（1）两次台风暴雨过程均与中尺度锋生有关。较强冷空气侵入促使“布拉万”西北侧锋区强烈锋生,深厚的上升运动形成中尺度对流区,降水强度大,使其变性快,移动慢。（2）“玲玲”北上到相同纬度时具有更大的强度,更深厚的湿层和低层更大的比湿,但由于仅有扩散南下的弱冷空气侵入台风环流,使其变性慢,移动快,台风中心北侧锋生作用弱,降水强度和范围均较小。（3）对流结构和降水强度有较大差异,“布拉万”云系东侧减弱消散,西侧和北侧与冷空气相互作用触发对流;“玲玲”云系结构基本维持不变,中尺度对流云团出现在台风中心及中心北部。（4）“布拉万”过程,大气具有强对流不稳定性,暴雨区域内对流活跃,强降水持续时间长。“玲玲”北上时,仅在低层有弱对流不稳定,对流较弱,强降水持续时间较短。暴雨区低层对流不稳定、中层湿对称不稳定,有利于强降水的维持和发展。