2012年夏季西南涡加密观测科学试验

在2010、2011年西南涡加密观测科学试验的基础上,中国气象局成都高原气象研究所又成功实施了2012年我国西南涡加密观测科学试验。本文总结了2012年西南涡加密观测科学试验的总体方案,重点介绍了这次西南涡加密观测科学试验在西南区域天气预报业务、数值天气预报中的具体应用,最后指出:西南涡加密观测科学试验的实时业务应用,对于提高灾害性天气预报能力具有重要作用。     

2011年夏季西南涡加密观测科学试验

本文总结了四川省2011年西南涡加密观测科学试验,包括在2010年试验基础上,2011年科学试验的基本特点、总体目标、具体方案等,并且,重点阐述了这次西南涡加密观测科学试验的主要成果及其业务应用,尤其是对改进数值天气预报业务能力的有益作用。     

四川盆地特殊地形下基于加密观测的一次低涡暴雨水汽结构分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测资料以及汛期西南涡加密观测资料,分析了2012年7月7~10日由西南涡引发的四川暴雨天气过程。结果表明:结合加密观测资料能更好表现四川盆地复杂地形下低涡附近的水汽来源及其与实际降雨的关系,由于地形阻挡作用,气流在大巴山以南堆积,引发了四川、陕西交界处的暴雨。运用西南区域数值预报系统(SWCWARMS),与控制试验(不同化观测资料)相比,同化试验(同化西南涡加密观测资料)可使预报降雨与实况更为接近。通过同化加密观测资料,初始时刻四川北部出现了偏南气流,这有利于西南涡的初生,对比试验中的西南涡范围与强度也比控制试验更大更强,并且,试验验证了盆地东北部的水汽堆积现象。因此,西南涡加密观测资料在天气诊断及数值预报业务应用中都具有重要作用。      

高原天气研究若干进展——基于中国气象局成都高原气象研究所相关研究

主要回顾了近5年成都高原所围绕高原天气研究中的高原天气系统(包括高原涡、西南涡、高原切变线)活动,特别是东移出高原后的高原低涡活动,低涡暴雨机理以及西南涡加密观测资料在天气预报与分析中的应用等方面的研究成果,在此基础上指出研究存在的不足,如多尺度天气系统相互作用研究不多,高原天气系统的发展维持机理、加密观测资料的应用等还有待深入,以此推动高原天气研究向深入开展。     

汛期西南涡暴雨的数值模拟研究

利用西南区域数值预报模式系统SWCWARMS,结合全国汛期高空加密观测资料,对2013年6月29—30日的一次西南涡暴雨过程进行数值模拟和敏感性试验。结果表明,与控制试验相比,同化试验模拟的降雨与实况更为接近,并成功模拟出四川东部的强降雨中心,对于西南涡的模拟,同化试验西南涡出现时间更早,强度更强。并且,通过两组试验初值差异对比发现,同化试验初值在四川盆地对流层中低层表现出更强的低压,更强的涡度以及更强的旋转风扰动,四川盆地西部边坡也存在更强的上升气流,这都有利于西南涡的发生、发展。另外,同化汛期高空加密观测资料对强降雨中心单站的预报改进也较明显。因此,加强汛期加密气象观测,有利于揭示西南涡的发生、发展及其降雨天气影响,也有助于提升数值预报业务技术水平。     

基于西南涡加密探空资料同化的一次奇异路径耦合低涡大暴雨数值模拟研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,引入业务探空资料和西南涡加密探空资料,对一次四川盆地奇异路径低涡耦合大暴雨过程进行了数值试验,对比检验不同同化试验对本次过程降水和低涡移动路径的模拟能力,分析了加密探空资料同化对西南涡结构及其降水演变的影响。结果表明:在同化业务探空资料的基础上,引入西南涡加密探空资料能改善模式对本次降水和低涡移动路径的模拟,而仅同化业务探空资料对模拟结果的改善作用有限;引入西南涡加密探空资料,一方面能在初始风场上产生气旋式扰动,增加初始高原涡和西南涡的强度,另一方面通过调整初始四川盆地上空大气温、湿度结构,使模式在积分初期就能产生出实况量级的降水;西南涡加密探空资料的同化试验揭示了仅靠高层的高位涡不足以激发和维持700 hPa的西南涡,需要通过低层水平辐合引起正涡度增加并向上输送来增强700 hPa的气旋式环流,进而促进西南涡的移动和发展,而模拟初期降水的潜热释放也起重要作用,加深了对西南涡及其降水成因的认识。      

西南涡研究和观测试验回顾及进展

西南涡是我国最主要的灾害性天气系统之一,对西南涡及其影响的研究和预报,一直是天气学领域的重点和难点。从西南涡研究和观测试验的回顾及10年来的进展两个方面,系统总结了国内外关于西南涡系统及其降水影响的主要成果;重点讨论了西南涡研究与应用存在的基础数据、中尺度特征、演变机理、天气影响和预报技术等主要问题;并且,强调了深入开展西南涡中尺度分析研究,尤其是其观测布局试验的重要性;最后,指出了基于与西南涡结构、演变和影响尺度匹配的观测系统、多源数据、分析技术和研究理论,加强西南涡及其影响的中尺度气象学观测、试验、理论和应用的综合研究是其未来的重要发展方向。     

空间加密探空观测资料对西南低涡暴雨天气过程数值模拟的影响

本文基于AREM（Advanced Regional Eta Model）模式,结合中国气象局成都高原气象研究所西南低涡加密观测科学试验得到的探空观测第一手资料,通过对2012年7月3～4日四川区域性暴雨天气过程（20120703过程）进行数值模拟分析,结果表明:（1）降水雨带的分布主要取决于西南低涡移动路径,不同初值会使得低涡路径在磨合协调期产生强摆动,稳定后则在此基础上,随着环境流场继续移动发展。（2）引入4个加密探空站点资料会对整个大气物理量场造成一定影响,最大差值分布在这些站点附近,热力和动力物理量场最大偏差中心并不重合。时间演变直观地说明了初值对局地大气状态的影响时段有限,主要集中在前期,与模式自身调整期相重叠。（3）初始的大气状态必然会随着模式的磨合过程进行调整,不同初值在调整期能对中小尺度低涡系统的位置及强度产生影响,形成各自稳定的低涡系统初态。（4）低涡中心所对应的散度、涡度、垂直速度关系非常密切,但三者强度和发展高度的演变并非完全一致。     

一类低涡切变型华南前汛期致洪暴雨的分析研究

采用2008年我国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)加密资料和NCEP再分析资料、 FY－2C卫星TBB资料以及常规观测资料对广西致洪暴雨进行了研究。研究发现, 西南涡是此次暴雨过程的直接影响系统, 对流和降水主要发生在低涡的中部及其东南方。中高纬切断低压和副热带高压稳定维持, 500 hPa短波槽沿高原东侧南下, 诱导西南涡向东南移入广西, 这种情况并不太常见, 这是由于槽后冷空气活跃, 但路径偏西。受副热带高压西伸影响, 低槽与西南低涡移动缓慢。在移入广西前西南涡一度减弱, 但由于有明显的中、 低纬系统相互作用存在, 季风槽为本次暴雨输送了充沛的水汽, 致使西南涡再度加强, 引发暴雨。暴雨过程中中尺度对流云团活动频繁, 强度大, 降水强, 有大约11个中尺度雨团缓慢移动。桂林的探空资料表明, 暴雨区中低层温度层结多为中性, 这可能是对流混合的结果, 西南涡过境后, 低层风场有明显变化, 大气抬升凝结高度显著降低, 对流有效位能 (CAPE) 由于释放而降低。在上述研究的基础上, 本文提出了一类华南前汛期低涡切变型暴雨概念模型。     

西南涡加密资料同化对西南区域模式降水预报的影响

本文基于2017年西南涡加密观测试验的四川省11个观测站的探空资料,利用西南区域9km和3km分辨率数值天气预报模式系统,开展了数值预报同化试验。同化试验每日06和18UTC各进行一次,持续40天。西南区域9km分辨率数值预报系统(SWC-WARMS)的模拟结果表明,加密探空观测资料对四川高空观测起到了补充。同化后可以改善模式初始场,有助于提升24小时降水预报的ETS评分,对小雨到大雨量级的BIAS评分也有一定的改善。西南区域3km分辨率系统得益于分辨率的提升,相比SWC-WARMS减小了大暴雨空报面积。同化加密探空观测可以提升降水预报的ETS评分,但空报面积也有所增加。      

高原涡、西南涡研究的新进展及有关科学问题

简要回顾了青藏高原天气研究的历史,重点综述了进入21世纪后的近十年来青藏高原天气研究领域中有关高原低涡、西南低涡的若干重要进展,总结了相关研究取得的主要成果,在此基础上归纳出了当前高原天气研究存在的主要问题和需要加强的研究方向,以期有助于更好地梳理青藏高原天气影响的科学问题,推动青藏高原大气科学试验及研究的有序开展。     

西南低涡研究综述

西南低涡是影响我国降水的重要天气系统之一。最初对于西南低涡的研究可以追溯到20世纪40年代前后。文章主要回顾近半个世纪以来有关西南低涡活动及结构特征,西南低涡形成维持机制,西南低涡发展东移机制等方面的研究成果。在此基础上,指出研究存在的不足,如对西南低涡的云系特征和雷达回波特征的认识,不同尺度系统之间的相互作用对西南低涡发生发展的影响,大气边界层过程如何影响西南低涡发生发展,西南低涡活动异常机理的研究等,以便进一步深入开展西南低涡的研究,提高对此类天气影响系统的认识。     

初生阶段西南涡发展与消亡的物理机制

采用涡旋运动稳定性方法,结合大尺度环境场和积云对流潜热释放,研究初生西南涡发展与消亡的物理机制。结果表明:（1）在稳定层结和不稳定层结条件下,当大气扰动频率超过对应的临界频率时,初生西南涡均可以维持并向成熟涡转变;当大气扰动频率未超过临界频率时,初生西南涡要么因频散而消亡,要么在维持一段时间的纯涡结构后消亡,不能发展为成熟西南涡。（2）初生阶段,大尺度场的辐合辐散是西南涡发展和消亡的主要因素,辐合才有可能使得初生西南涡发展,辐散只能导致初生西南涡消亡;小尺度的潜热加热则决定着稳定层结下的扰动临界频率,进而影响稳定层结下初生西南涡的发展及向成熟西南涡的转变。      

一种新型西南低涡逐步订正识别方法

西南低涡是形成于青藏高原东侧的特殊天气系统,国内学者目前对于西南低涡的识别没有统一的标准。通过分析西南低涡的主要特征,结合高度场、涡度场、风场,设计了一种适应于西南低涡的HVW识别方法,将其应用于2014年6—8月GRAPES-MESO高分辨率格点分析资料,对比与西南低涡天气图实况的差异。通过对西南低涡的识别、低涡生成和消亡时间、低涡中心位置以及低涡中心强度这几方面的具体分析,得到以下几点结论:1)HVW识别方法能够有效识别出高精度格点资料中的西南低涡过程,与格点实况的吻合率达到87.5%;对于天气图和格点资料都能够再现的西南低涡个例,HVW识别方法的准确度能够达到90.9%,说明HVW识别方法能够有效捕捉西南低涡。2)以天气图实况资料为西南低涡生命时长检验标准,HVW识别方法能够合理分析低涡的生成和消亡时间。3)对西南低涡中心位置偏差进行分析发现,HVW识别的西南低涡中心位置不仅位于西南低涡气压低值附近,更位于风场辐合中心。4)对西南低涡中心强度的评估发现,格点实况与HVW识别方法分析的西南低涡强度差异几乎可以忽略,充分说明了HVW识别方法包含了格点实况的高度场信息,也说明该识别方法的西南低涡中心强度可以用来代替格点实况结果。通过对2014年6—8月西南低涡过程的具体分析,验证了HVW逐步循环定位方法的可行性、合理性以及准确性。     

移动型与源地生消型西南涡的气候特征

利用ERA5再分析资料与TMPA V7降水资料,对2010～2019年移动型和源地生消型两类西南涡的时空分布、移动和降水特征进行统计分析,结果表明:源地生消型和移动型西南涡年均分别为69和20例,移动型西南涡的主要源地为四川盆地,源地生消型西南涡的主要源地为九龙和四川盆地;两类西南涡均为春夏多、秋冬少,但移动型西南涡的...     

一次西南低涡降水雷达回波结构和演变特征分析

基于新一代天气雷达三维组网等多源气象数据分析了2009年7月30～31日的一次西南低涡触发的强降水天气过程以及主要降水时段雷达回波三维结构及演变特征,研究发现:(1)西南低涡降水与低涡强度发展存在不一致性,强降水出现在低涡强度达到最强之前;(2)中尺度对流系统的发生、发展是此次低涡降水的重要影响因素,西南低涡与中尺度对流系统既相互独立又相互影响,降水是两者共同作用的结果;(3)最强组合反射率因子同样出现在西南低涡发展到最强盛之前,西南低涡能显著影响盆地内降水雷达回波的强度与类型。      

一次西南低涡东移引发长江中下游暴雨的诊断研究

利用常规观测资料和NECP再分析资料,对2013年6月6—7日西南低涡东移加强发展造成长江中下游大暴雨过程进行了诊断分析,重点探讨了西南低涡东移和发展维持的物理机制以及最强降水的变化特征。结果表明,沿着700 hPa高空切变线东移的西南低涡是造成此次长江中下游地区暴雨的直接影响系统,西南低涡沿着700 hPa切变线东移发展,深厚阶段正涡度柱伸展到400 hPa高度,自下而上呈近垂直结构。西南低涡附近低层辐合与高层辐散的大尺度环境条件、西南低涡与西南低空急流耦合发展动力结构、低空暖平流和高空槽前正涡度平流输送等条件是导致西南低涡东移到长江中下游后加强发展的主要因子。与西南低涡相伴随的强降雨区主要位于低涡南部3个纬距以内,该处的西南季风和副高西南侧东南气流两支水汽输送的汇合为暴雨发生提供了充沛的水汽和对流不稳定能量,而对流层中低层携带的冷空气侵入低层低涡的后部,不仅加强了低涡的斜压性,也促进了上冷下暖不稳定层结的产生和发展,为强降水的发生提供了不稳定对流触发条件。     

GRAPES-REPS西南低涡预报检验评估

利用2015年6—8月GR APES-REPS(Global/RegionalAssimilation and Prediction System-Regional Ensemble·Prediction System)区域集合预报资料,并设计西南低涡格点资料客观识别方法对西南低涡中心位置进行定位,首先评估GRAPES控制预报对西南低涡的预报准确性,之后挑选出四次生命史较长的西南低涡过程,分析评估GRAPES-REPS对西南低涡发生、发展、移动及降水过程集合预报性能。结果表明:(1)GRAPES模式对西南低涡预报的命中率较高,空报率略大于漏报率。(2)GRAPES-REPS对西南低涡发生和发展的预报效果较好,绝大部分集合预报成员能预报西南低涡发生和发展过程,但对西南低涡发生时间预报总体偏早。(3)GRAPES-REPS对西南低涡移动路径在24 h预报时效内比较合理,且集合预报平均明显优于控制预报,24 h之后东移型西南低涡移动路径明显偏北。(4)GRAPES-REPS对西南低涡强度预报总体偏强,表现为中心正涡度值偏大,位势高度值偏低。(5)24 h预报时效内,西南低涡触发的小雨到大雨量级的降水概率评分均有较好表现,且落区与实况接近,而暴雨落区个别略有偏北,但基本吻合。24 h之后,由于东移型西南低涡移动路径偏北导致模式预报降水落区偏北。可见,模式对西南低涡强降水有一定预报能力,因此,提高GRAPES-REPS中尺度集合预报能力,将有助于改进西南低涡强降水预报。     

热带气旋与西南低涡相互作用的个例研究 Ⅰ.诊断分析

通过对1989年7月8～11日西南低涡与活动于南海的强热带气旋发生远距离相互作用的诊断分析,揭示出中低纬系统相互作用在促进西南低涡发展和暴雨发生中所起的一些重要作用.