干侵入的研究及其应用进展

利用常规地面气象观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,对2012年7月21日发生在北京地区的一次特大暴雨过程的干侵入效应进行了定量诊断分析。结果表明：干侵入效应在该过程发生前表现明显,干侵入指数对暴雨落区和降水增幅具有一定的指示意义;干侵入指数的偶极分布特征反映了温带气旋发生发展过程中冷暖气流之间的相互作用,强降水区位于干侵入指数等值线密集带靠近其负值区一侧,当干侵入指数正负中心的零线越靠近,降水越趋于增强。在整个暴雨过程中,中高层干侵入指数正值区不断向中层扩展,当垂直方向上干侵入指数由一致的负值变为正负值相间、特别是中层干侵入指数由负值变为正值时,也即形成中层干冷、低层暖湿的不稳定层结时,易激发对流性降水,使得降水增强、暴雨增幅。对该过程使用等熵坐标系表征的干侵入指数同样能全面刻画干侵入过程,中低层等熵面上干侵入指数较高层等熵面上干侵入指数更具指示意义。另外,整层平均干侵入指数对此次特大暴雨过程有提前6~12 h的响应时间。

     

"强降水和黄海气旋"中的干侵入分析

利用GOES-9卫星6.7μm的水汽图像资料、等熵气流、位涡(IPV,MPV1)、sθe等物理量,对2003年梅雨期的一次强降水过程进行了分析,以揭示干侵入在强降水和黄海气旋中的作用。分析结果表明:(1)水汽图像暗区动态对强降水、温带气旋发展有很好的预报指示意义。(2)叠加了相对湿度场的垂直气流的发展、变化特征能清楚地反映干侵入与强降水的关系,对短时预报有一定指示意义,干侵入对强降水起激发作用。中层以上的干区与水汽图像暗区十分吻合。(3)sθe=340K等熵面上的气流能较好地反映对流层中上部的干侵入特征,sθe=330K等熵面上的气流能较好地反映黄海气旋发展特征。沿等熵面高脊区的下滑急流与水汽图像暗区相当一致。IPV大值区的发展变化与气旋快速生成、发展关系较好,IPV分布能较好地反映干侵入特征。(4)等压面上的MPV1空间、时空剖面均能很好地描述干侵入的演变特征。当MPV1≥0.4 PVU的区域向下伸展时,在其以南约2个纬距处出现强降水。(5)对气旋附近的强降水,干侵入起逐渐加强作用;对远离气旋区域,MPV1大值区域与强降水突然出现几乎是同步的,说明MPV1所反映的干侵入特征对强降水的作用在气旋附近与远离气旋区有所不同。强降水出现在sθe陡峭和密集区中。     

梅雨期一次黄淮气旋发展的干侵入特征分析

利用水汽图像、等熵气流、θse等物理量,对2003年梅雨期的一次黄淮气旋发展过程进行了分析,试图揭示干侵入在黄淮气旋发展中的作用。分析结果表明：与干侵入相联系的水汽图像暗区的移动、发展变化与黄淮气旋的发展、加强、减弱对应关系较好。水汽图像暗区前部依气旋的发展加强、维持、减弱而主要出现在黄淮气旋西侧、南侧和东侧。分析垂直环流表明,干侵入来自对流层中上层,与水汽图像暗区有较好的对应关系,在气旋发展强盛期下沉气流区自西向东、自南向北推进。高空动量下传促使地面气旋发展,从而使中、低层大气变得非常干燥。335K等熵面上的流场特征、等熵面陡峭处与水汽图像暗区的对应关系较好。θse的垂直剖面能反映干侵入特征。等熵面在垂直方向的折叠可使对流层中下层出现潜在对流不稳定区。θse=335K位温舌能较好地反映天气系统的三维结构和干侵入特征。自高层向下传递、加强的位涡变化能反映干侵入的动力特征。     

干侵入的研究及其应用进展

全面综述了国外近年来干侵入 (dryintrusion)研究的进展和有关结果 ,概括总结了干侵入的基本理论、结构特征、在天气和次天气系统发展中的作用及其数值模拟结果 ;干侵入研究中有待于继续进行和深入的研究方向。明确了干侵入是源于对流层高层下沉至低层的高位涡低湿空气 ,它在气旋的爆发性发展、暴雨的增幅、位势不稳定的增强、中气旋的产生发展等方面起着重要的促进作用 ,同时 ,它能够影响冷锋的演变及其降水特征。因此 ,对干侵入及其机制的进一步研究具有较大的理论价值和实际天气预报意义。     

干侵入强度指数的表征及其物理意义

综合考虑干侵入的特征、机制和效应,定义了干侵入强度指数(DII)以表征干侵入的强度,并从一个个例进一步揭示干侵入强度指数的物理意义.结果表明,DII是干侵入强度较好的定量描述指标,它与水平温度平流、位涡、假相当位温相关,正的DII表明存在干侵入过程,随着DII的增大,干侵入效应增强,此时可能高位涡异常越强、湿球位温越低、冷平流效应越强;345K等熵面上DII>1PVU/s的正值区与水汽图像暗区较为一致,DII在=三维结构上表现为高层波状下传的特征,在任一特定的等熵面上,低涡西北方向的中高纬度地区是DII正值区的源地;DII体现了水平温度平流效应,低涡降水区西侧为冷平流,东侧为暖平流,冷暖平流一直贯穿于对流层整层,冷平流在西北气流引导下沿等熵面下滑,在冷暖平流交汇处出现降水,随着水平温度平流梯度的增大,对应的降水增强.在实际天气预报业务工作中,DII可用以界定干侵入区域、过程以及强度,具有一定实际业务应用价值.     

一次江淮暴雨过程中干空气侵入的诊断分析

利用中尺度数值模式MM5(V3)，对2003年7月4日20时至5日20时发生在江淮地区的一次梅雨锋暴雨过程进行模拟，并采用模式输出的具有较高分辨率和动力协调性的网格资料，就干空气侵入及其对暴雨过程的作用进行了诊断研冤。结果表明，此次暴雨过程中有明显的干空气侵入，且干空气侵入对暴雨过程产生重要作用：干空气侵入将对流层高层高位涡带入低层，促进了对流层低层气旋及对流运动的发展，继而引起降水的增强。     

一次短时强降水过程中的干侵入作用

以2012年7月15日凌晨榆林地区一次短时强降水过程为研究对象,利用NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2E卫星资料及常规气象观测资料,通过卫星水汽图像和大气动力场相结合的方法揭示冷涡影响下降水过程中干侵入的特征及其对短时强降水发生、发展的作用机制。结果表明:此次短时强降水过程中干侵入特征明显,卫星水汽图像上的黑体亮温高值区与干冷区相对应,干冷区的伸入使得对流云团边缘亮温梯度增大,同时对流云团发展;干侵入与对流层高层的下沉运动、高值位涡以及干冷区相对应,因干冷空气叠加在暖湿气流之上,在强降水区上空出现了对流不稳定层结,为短时强降水的发生创造了有利的环境条件。另外,此次降水过程水汽条件主要集中在对流层低层,风场辐合带来的短时间水汽辐合为短时强降水集聚了一定的水汽条件。在地面中尺度辐合线的触发作用下,将不稳定层结中包含水汽的气块抬升,从而形成降水。     

干侵入对2005年8月16日华北暴雨的作用

利用NCEP／NCAR再分析资料、自动站观测资料以及中尺度数值模式MM5V3．7输出结果,对2005年8月16—17日发生在华北的一次暴雨过程的成因做了诊断分析。结果表明：在暴雨产生过程中有干冷空气的入侵,对这次暴雨过程的发生、发展有重要作用,高层干冷空气的侵入有利于低层中尺度气旋的发展,使暴雨过程得以维持和加强。     

北京“7·21”特大暴雨中的干侵入分析研究

利用中尺度数值模式WRF V3.2模拟分析2012年7月21日发生在北京特大暴雨过程的天气形势与中尺度系统特征,并结合干侵入理论分析了暴雨过程中的干冷空气活动及其对暴雨的影响。结果表明,此次暴雨过程发生在高空槽引导冷空气南下与强盛的西南暖湿气流在华北一带剧烈交汇的天气形势下,西太平洋副热带高压阻碍了高空槽东移,使北京地区的降水过程维持较长时间。暴雨过程伴随着明显的中尺度对流复合体MCC活动,MCC的持续活动与降水中心在时空上具有一致性。WRF模式对暴雨过程有较好的模拟能力,降水发生之前的24 h内不断有来自35°N对流层顶附近的高位涡、低湿的干冷空气,沿着倾斜向北向下的路径侵入大气中低层39°N附近的700 h Pa高度。干侵入在降水开始前24 h到降水前10 h强度变化不大,随后略有减弱,在降水开始之后迅速减弱消失。干侵入对暴雨的影响主要通过在降水开始前及降水初期影响北京地区的大气热力与动力环境来完成。干侵入可以增大暴雨落区大气的位势不稳定,为对流发展储备充沛的对流有效位能,为MCC的发生、发展提供有利的环境条件。同时,干侵入增大了大气中低层的气旋性涡度,有利于中低层空气辐合上升运动,是引发北京地区局地的强对流天气,如MCC及其伴随的暴雨过程可能的触发机制。     

东北冷涡的结构及其演变特征的个例综合分析

利用NCEP再分析资料、FY-2C、CloudSat云探测卫星和实况观测等资料对2009年6月27—30日出现的东北冷涡的热力动力结构、三维流场和云系演变特征进行了分析,并初步探讨了冷涡的发生、发展机理。结果表明:该冷涡冷心结构最初始于高层,随后逐渐向下伸展。成熟阶段的冷涡,对流层整层为冷心结构,冷中心位于对流层中高层,其上即平流层低层为暖心结构,中心东西两侧上升气流随高度向外倾斜,经向风趋于对称。发展初期温度槽落后于高度槽,且轴线向西倾斜,斜压性特征明显;至成熟阶段,温度中心与高度中心趋于重合,轴线近于竖直,显示出正压的特征;到减弱阶段,由于低层偏北风减弱明显,轴线又略向西倾斜。冷涡云带的产生与低层辐合带密切相关。CloudSat云探测卫星资料分析结果表明,冷涡环流内多中小尺度对流云团发展,且分布极不均匀。此次个例的研究结果揭示出冷涡的形成和发展跟对流层中上层切断低压的生成发展与对应的地面低压逐步耦合的动力学过程紧密相关,其中,冷暖气流呈旋转式下沉和上升,在冷涡中心形成偶极;对流层高层的干冷空气总是沿着等熵面从高层穿越等压面向下侵入到冷涡中心附近,干侵入使冷涡加强发展并维持其冷心结构。干侵入机制实际就是高位涡的侵入和下传,对预报冷涡的发展演变具有重要指示意义。     

Analyses of dry intrusion and instability during heavy rainfall event occurred in Northern China

The 1°×1° National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research （NCEP/NCAR） data and mesoscale numerical simulation data are analyzed to reveal a mechanism for the formation of heavy rainfall in Northern China; this mechanism is the non-uniformly saturated instability induced by a dry intrusion. The dry intrusion and the accompanying downward transport of air with a high value of potential vorticity （PV） are maintained during the precipitation event. As the dry air intrudes down into the warm and moist sector in the lower troposphere, the cold, dry air and the warm, moist air mix with each other, and, as a result, the atmosphere becomes non-uniformly saturated. On the basis of this non-uniform saturation, a new Brunt-Vaisaila frequency （BVF） formula is derived and applied to the precipitation event. It is shown that, compared to the conditions of either a dry or a saturated atmosphere, the BVF in a non-uniformly saturated, moist atmosphere （BVF） may be more appropriate for depicting the atmospheric instability in rainy regions.     

一次台风远距离暴雨中的干侵入分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,对2008年7月17—19日发生在山东地区的台风远距离暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。结果表明:降水期间有来自中高层的干冷空气的侵入,主要有两种表现形式:对流层顶附近向下的干空气侵入和对流层低层由西北向南的干空气侵入。干侵入存在于300~600 hPa之间,高层略微落后于低层,不利于对流不稳定的发展。但干冷空气侵入使得等相当位温面倾斜,有利于条件性对称不稳定的发展。干侵入使原来不饱和湿空气出现饱和,有利于降水增幅,雨区始终位于500 hPa干区前沿。高层正位涡扰动沿相当位温密集带向低层输送,500 hPa位涡高值区与降水有较好的同位相关系,对降水的发展和移动有一定的指示意义。     

一次强风雹天气的干侵入作用及雷达回波特征分析

利用0.25°×0.25°NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料和多普勒雷达资料等,对2018年6月13日发生在河南省北部地区的一次风雹天气过程进行诊断分析,结果表明:(1)此次强风雹天气发生在华北冷涡后部西北气流中,强天气发生前大气整层较为干燥,冷涡后部横槽南下,自上而下带来干冷空气,低层水汽辐合与午后地面高温共同作用,形成上干冷下暖湿的不稳定层结;(2)地面辐合线和弱冷锋是此次风雹天气的触发机制;(3)对流单体在干侵入的一侧首先发展加强,随后在地面辐合线附近不断产生小的对流单体,对流单体合并后进一步加强,逐渐形成弓形回波带,大风出现在回波带前地面辐合线附近,冰雹出现在中气旋左侧区域;(4)对流单体的移动方向与地面辐合线一致,地面辐合线稳定有利于对流系统的增强,地面辐合线断裂后对流系统迅速减弱、消亡。     

2012年7月中旬一次安徽梅雨锋暴雨过程的干侵入分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,着重对2012年7月13—14日发生在安徽中南部的一次梅雨锋暴雨过程中干侵入的特征及作用机制进行了诊断分析。结果表明,此次强降水是在高空低槽和低空冷式切变线共同作用下产生的。暴雨过程中,从对流层高层到低层有明显的干侵入。在整个对流层上均存在干侵入,但是对流层中高层较强,低层较弱,干侵入主要来自对流层中高层。高低空急流耦合产生次级环流,其正环流圈下沉支为干冷空气侵入提供了动力条件。低湿、高位涡的干冷空气具有沿假相当位温密集带（即锋面）下传的特征。     

2009年6月河南一次飑线过程的成因分析

利用地面观测资料、NCEP1°×1°再分析资料和雷达探测资料,从能量、动力和触发机制等角度,对2009年6月3日发生在河南东部地区的一次飑线过程进行综合分析。结果表明:东北冷涡是此次飑线过程的主要影响系统,涡后冷空气南下与低层暖湿空气叠加造成对流不稳定,高层的干冷空气侵入增强了对流不稳定;低层辐合、高层辐散为飑线强对流天气的发生发展提供了强烈上升运动的动力条件,地面维持并加强的干线所激发的次级环流可能是这次飑线系统发生发展的重要机制之一;中低层的垂直风切变稳定维持、加强、迅速减小与飑线强对流天气发生发展前后对应较好,其演变特征对此次飑线过程有很好的指示意义。     

A double-index method to classify Kuroshio intrusion paths in the Luzon Strait

A double index (DI), which is made up of two sub-indices, is proposed to describe the spatial patterns of the Kuroshio intrusion and mesoscale eddies west to the Luzon Strait, based on satellite altimeter data. The area-integrated negative and positive geostrophic vorticities are defined as the Kuroshio warm eddy index (KWI) and the Kuroshio cold eddy index (KCI), respectively. Three typical spatial patterns are identified by the DI: the Kuroshio warm eddy path (KWEP), the Kuroshio cold eddy path (KCEP), and the leaking path. The primary features of the DI and three patterns are further investigated and compared with previous indices. The effects of the integrated area and the algorithm of the integration are investigated in detail. In general, the DI can overcome the problem of previously used indices in which the positive and negative geostrophic vorticities cancel each other out. Thus, the proportions of missing and misjudged events are greatly reduced using the DI. The DI, as compared with previously used indices, can better distinguish the paths of the Kuroshio intrusion and can be used for further research.