引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

2006年7月2日陕北南部大暴雨成因分析

利用常规资料、新一代天气雷达观测资料和1°×1°NCEP资料对2006年7月2日发生在陕北南部的一次区域性暴雨、局地大暴雨过程诊断分析。分析表明：该次区域性暴雨、局地大暴雨天气过程发生在西太平洋副热带高压持续西伸北抬后缓慢撤退的过程中,低空气旋性环流及其前部的暖湿切变线是形成暴雨的直接影响系统。低空急流为暴雨提供了源源不断的暖湿气流和不稳定能量,地面辐合是触发对流发展和释放不稳定能量的中尺度条件,有利的涡度散度场耦合、垂直运动的强烈发展和水汽输送及辐合形成了暴雨天气。     

北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。     

2009年7月8-9日泰安市暴雨成因分析

2009年7月8-9日发生在泰安的暴雨天气过程主要是在副高西进北抬、副高边缘西南暖湿气流与高空低槽东移南压相结合的大尺度环流下,由黄河北部的低层中尺度切变线和鲁中地区的小低涡以及低空西南急流共同作用造成的.低空西南急流为大暴雨的产生输送了充足的水汽,低涡加大了辐合上升运动和水汽辐合.850 hPa低空大气散度辐合中心正处于泰安,垂直速度强上升区也在鲁中地区,为暴雨产生提供了足够的动力条件,低层850 hPa假相当位温θse＞75 ℃的高能舌为这次暴雨提供了不稳定能量.     

持续拉伸型中尺度对流系统发生发展与江苏暴雨分析

利用自动气象站、卫星探测资料,NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料等,从环流特征,动力、热力和水汽条件等对发生在江苏地区的两次梅汛期大暴雨过程的中尺度对流云团的发生、发展进行了分析。结果表明:这两次中尺度对流云团中均存在持续伸长型的中尺度对流系统(PECS),大暴雨区与T_BB<-70 ℃区域有较好的对应关系,有利的环境场形成的高空辐散、低空辐合和强烈的上升运动是PECS发生发展的重要条件。PECS云团处于200 hPa高空急流入口区右侧、西南低空急流左侧(切变线南侧),呈西南—东北向线状排列,低层暖湿不稳定气流诱发中尺度云团的产生,气旋性涡度场对积云对流活动具有组织和增强作用。当正涡度向垂直方向发展时,附近产生强烈的垂直上升运动,对应着中尺度PECS云团的强烈发展。强烈的对流不稳定有利于中尺度对流系统的发展,也有利于触发暴雨产生。     

西南低涡生成过程中形成"7.8达州大暴雨"的机理分析

本文利用高空实况资料和地面自动站资料对2005年"7.8"四川盆地东北部致洪大暴雨天气过程中西南低涡活动特征进行了中尺度诊断分析,分析发现大暴雨出现在西南低涡控制下的地面辐合线北侧,西南低涡右前方低空急流左侧的强上升运动中心和强水汽辐合中心对中尺度大暴雨的产生作用明显.     

黄河中游一次大暴雨的观测分析与数值模拟

利用常规观测资料、FY-2E TBB资料、地面加密自动气象站资料等,对2013年7月9日黄河中游地区(山西)暴雨过程进行了观测分析,利用WRF中尺度模式输出结果分析了低层切变线及其附近中尺度扰动的演变特征、动热力结构及水汽特征,以及低层偏东北气流的性质和作用等。结果表明:暴雨大暴雨是由700 h Pa切变线附近激发的4个中尺度对流云团直接造成的;低层稳定的切变线附近形成的中尺度扰动低涡,与地面中尺度露点锋和中尺度辐合线共同作用,触发了中尺度对流云团的发生、发展。受来自低层西路和东北路两支冷空气夹挤,暴雨区暖湿空气沿东南—西北向被迫抬升,形成一个狭窄的沿西路冷空气爬升的倾斜上升气流区,在其两侧形成两个方向相反的次级环流圈。水汽辐合中心在边界层附近,但这不是造成暴雨大暴雨的主要原因。低层辐合上升运动持续增强,偏南风入流将水汽向暴雨区集中,而次级环流的上升支将水汽向高层输送,使得暴雨区上空局地整层可降水量持续增加,以及对流不稳定和对称不稳定共存,加强了涡层不稳定,水汽在强不稳定的环境中沿倾斜上升气流抬升凝结,并高效率下降,可能是此次暴雨大暴雨的重要原因。低层偏东北气流为干冷与暖湿的一个倾斜交界面,该面上各种气象要素并不均匀,但在其中心区域低层为温度的零平流区,以及垂直速度、涡度和散度等物理量的零线区;围绕该支气流形成一个反气旋式的次级环流圈;该支气流两侧均存在较大垂直风切变,随着该支气流的南压和向河套地区的深入,低层暖湿气流的上升辐合作用不断加强,下沉支也逐渐活跃,是中尺度对流系统发生发展的重要触发机制之一。     

引发四川盆地东部暴雨的西南低涡结构特征研究

利用1951-2008年四川盆地(27°-32°N,105°-110°E)54个地面气象观测站网监测的日雨量资料,分析了四川盆地东部暴雨发生的气候特征。结果表明,四川盆地东部暴雨(或伴有雷雨大风、冰雹大风等)多发生在6-9月,川东北和渝东北是单站暴雨的高发区,重庆西部是大范围暴雨的多发区;引发四川盆地东部(宜宾、南充和重庆西部)暴雨的主要天气系统是西南低涡。对2007-2010年6次西南低涡暴雨过程进行了合成分析,分析表明,西南低涡热力结构特征具有200hPa存在明显增暖现象,对流层中低层则由暖转冷;西南低涡初期大气对流性不稳定明显;西南低涡动力结构特征具有200hPa西风急流在36°N附近,500hPa低槽东移,槽前正涡度加强,从对流层底垂直伸展到300hPa以上,正涡度中心随高度向西倾斜,850～500hPa平均正涡度大值区与低涡中心对应,对流层中低层北风大值区与南风大值区在低涡中心附近形成强水平风切变,同时低涡中心附近的垂直风切变也较明显。促使西南低涡发展的水汽主要来自南海,低空急流由南向北输送水汽,将对流层低层到大气边界层内的水汽输送到低涡中心附近。西南低涡发生、发展过程中在红外卫星云图上具有MCC等中-α尺度特征,发展强盛的西南低涡在多普勒天气雷达回波上有"列车效应"和中气旋特征。     

西南低涡生成过程中形成“7．8达州大暴雨”的机理分析

本文利用高空实况资料和地面自动站资料对2005年“7．8”四川盆地东北部致洪大暴雨天气过程中西南低涡活动特征进行了中尺度诊断分析，分析发现大暴雨出现在西南低涡控制下的地面辐合线北侧，西南低涡右前方低空急流左侧的强上升运动中心和强水汽辐合中心对中尺度大暴雨的产生作用明显。     

2000年7月西南涡暴雨过程的分析和数值模拟

对2000年7月1～8日西南涡暴雨过程进行了大尺度分析,并利用中尺度暴雨模式MRM1对这次过程进行了数值模拟,结果表明,这次西南涡暴雨过程分为两个阶段,分别对应着两次冷空气南下。暖切变线的南北摆动是发生大暴雨的一个重要原因,而西南急流核的向北传播导致雨区向北传播。模式成功地模拟出了中-α尺度的低涡、切变线,沿暖切变线的强烈倾斜上升气流、中尺度正涡度以及水汽通量散度辐合柱状结构,这些对暴雨的发生提供了动力和水汽条件;而沿低空急流轴的狭长暖湿舌,其北部的干冷区构成的南北向能量锋区,以及较强的中低空不稳定层结是这次暴雨持续发生的重要条件。     

四川盆地2020年“8.11”特大暴雨过程中尺度系统演变特征

针对2020年8月11—12日四川盆地西部特大暴雨过程中尺度系统演变特征和维持机制,利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料以及FY-4A的云顶相当黑体温度TBB资料进行诊断分析。(1) 本次过程发生在500 hPa巴湖长波槽分裂短波和高原低槽东移发展在四川盆地停滞,副高加强西伸形成阻挡的形势下,同时200 hPa有南亚高压和高空分流区配合。(2) 在上述有利的背景条件下,中尺度系统活动经历了中尺度辐合扰动-西南涡生成发展-低空急流影响-西南涡再次发展增强等4个阶段,西南涡两个阶段的发展对降水影响最大,初生发展阶段雨强最强,再次发展阶段强降雨范围最大。(3) 西南涡在暖区内初生发展,对流不稳定性强,地面潜热和感热加热以及500 hPa层以下水汽凝结潜热加热均十分显著,在较强暖湿平流作用下,配合低层涡度拉伸项和扭转项的动力作用加强,西南涡迅速发展,但低层辐合相对较弱,正涡度柱高度仅发展至500 hPa。(4) 西南涡再次发展阶段冷平流入侵,大气斜压性增强,中高层感热和凝结潜热加热作用加大,“低层辐合-中高层辐散”的动力机制显著加强,配合垂直向上输送正涡度和涡度拉伸项的动力发展作用,西南涡发展旺盛,正涡度柱中心强度和发展高度较初始发展阶段均明显增强。      

西北涡与西南涡共同作用引发秦巴区域大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、 ERA-5再分析数据、 FY-4A卫星资料,对2021年9月3-4日一次西北涡与西南涡共同作用引发的秦巴区域大暴雨过程进行了研究,探讨了两涡作用导致大暴雨的中尺度环境场特征,并对西南涡的形成过程进行诊断分析。结果表明：秦巴区域的大暴雨是在西北涡与西南涡共同作用下由中尺度对流复合体（Mesoscal Convective Complex, MCC）引起的,强降水位于MCC云顶亮温冷中心及后部偏冷空气一侧的亮温梯度大值区。西南涡生成前,西北涡后部的偏北气流与西南气流形成了中尺度切变线,在秦巴区域触发对流不稳定而激发出中尺度对流云团而产生降水;西南涡生成后与西北涡共同作用,使秦巴区域水汽的输送加强,对流层低层形成强烈辐合,正涡度和垂直上升运动加强,使MCC强烈发展并具有较长生命史,同时伴随β和γ中尺度的对流云团发展,加强了该区域的强降水,从而造成大暴雨。该过程中西南涡是由500 hPa低涡产生的正涡度和高位涡向下传递强迫,使西北涡后部偏北风与西南气流气旋性运动加强从而形成涡旋环流,西南涡与500 hPa低涡的垂直耦合使其发展为强大的涡旋系统,从而加强水汽的辐合上升运动以加...     

四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统分析

利用ERA5再分析资料、新一代雷达拼图资料,探究了2017年5月初四川盆地东北部一次突发性暴雨事件的影响系统及动力影响因子。结果表明:此次暴雨事件的主要影响系统有中纬500 hPa东移低槽、西伸的西太平洋副热带高压、对流层中低层的西南低空急流以及低层切变线。大尺度的低空急流与中小尺度的山区低空急流的叠加使四川盆地东北部形成正涡度柱和低层强辐合柱的动力耦合,低空急流最大风速出口辐合上升区与地形的辐合抬升作用叠加形成盆地东北部强烈的垂直上升运动,成为山地暴雨突发的动力触发条件,因低空急流建立的位势不稳定层结构成暴雨的热力条件。冷空气自低层逐渐向高层侵入是暴雨第二阶段增幅的主要原因。盆地东北部地形是本次暴雨的另一个增幅因子,其对暴雨过程中垂直上升运动有加强作用,秦巴山脉迎风坡的抬升作用对暴雨第一阶段的降水量贡献较大,青藏高原东麓背风坡的辐合效应对第二阶段降水量贡献较大。此外,盆地东北部山地对东移的中尺度对流系统有阻挡作用,使其停滞并旺盛发展。     

一次暴雨过程中两个降水阶段的差异分析

利用NCEP格点再分析资料和WRF模式输出的高分辨率资料、自动站降水资料、雷达资料对2010年8月14 16日发生在重庆的一次大暴雨过程进行了数值模拟和诊断分析。结果表明:此次暴雨过程分为两个阶段,降水系统主要有两个:第一阶段的主要降水系统是低空切变线;第二阶段的主要降水系统是低空切变线和850 h Pa西南低涡,并且第二个阶段内的降水量较大、持续时间也较长。风垂直廓线的时间演变表明,暴雨发生、发展过程中,中低层强西南风风速的下传和低层切变辐合的存在对中尺度对流系统的增强有着重要的作用;数值模拟分析显示,第一阶段,弱的冷平流影响暴雨区,在低空切变线的作用下,引起气团在水平方向辐合,触发中尺度对流系统的发生、发展;第二阶段,中高层强的冷空气倾入降水区,850 h Pa低涡生成后东移至重庆东北地区,其低涡附近的垂直上升运动与700 h Pa切变线附近的上升运动相耦合,强迫抬升中低层暖湿空气并再次触发降水区域的中尺度对流系统。     

"2003.8.28"长江上游特大暴雨的成因分析

应用中国气象局T213客观分析资料,对四川盆地2003年8月28日～9月1日发生区域性特大暴雨的成因进行了分析.结果表明,南支低空急流的建立为该次暴雨提供了充沛的水汽输送与水汽辐合,中低层冷平流与低空急流的风速脉动是该次暴雨过程的触发机制,西南低涡是暴雨开始后才生成的,但大气低层辐合、高层辐散产生的抽气机效应促使上升运动加强,而上升运动区与正涡度区的耦合又使西南低涡得以发展和维持,给四川盆地带来更强的降水.     

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。     

渤海西岸偏东风对天津局地大暴雨的影响分析

利用加密自动气象站、多普勒天气雷达和风廓线雷达等高时空分辨率资料,分析2017年7月6日天津一次局地大暴雨过程的中尺度对流系统发展演变特征,讨论渤海西岸边界层偏东风的垂直结构、温湿特性及其对局地大暴雨的作用。结果表明:局地大暴雨由两个暖区中尺度对流系统和一个低涡切变线系统造成,偏东风作用下的暖区第二个中尺度对流系统主导了局地大暴雨的形成。大暴雨中心两侧的温湿特征均呈“东高西低”分布,偏东气流具有暖湿特性,为暖区对流暴雨的发生发展提供了有利的环境条件。由于海陆地形差异,偏东气流自渤海向内陆推进过程中呈现明显的风速扰动特征,不仅导致水汽辐合,同时有利于上升运动发展。其中,0.6 km以下偏东风的中尺度扰动对局地大暴雨的触发和维持起重要作用,风速辐合强迫产生的上升气流是γ中尺度对流单体的重要触发机制,而强降水冷池出流与不断增强的暖湿偏东人流相互作用形成地面中尺度辐合线,使对流系统得以稳定维持,40 dBz以上强降水回波持续近3 h,平均6 min降水量达6.8 mm。此外,局地大暴雨的雨强变化与东风急流波动关系密切,急流的建立、发展、减弱和消失分别对应降水的陡增、峰值、减弱和陡降四个阶段。     

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。     

一次台风远距离作用下的西南低涡大暴雨个例分析

利用2009年8月2—5日发生在川渝地区一次远距离台风暴雨的实况降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究了远距离台风作用下的水汽和温湿能输送特征;利用25点平滑算子方法研究了台风"天鹅"对此次暴雨影响系统——西南低涡作用下的中尺度特征。结果表明,此次大暴雨过程是在有利的环流背景下发生的,东移的高空槽耦合了西南低涡,远距离的台风"天鹅"使得西南低涡在川渝地区长时间维持,台风"天鹅"倒槽对低涡系统暖湿结构具有重要作用;在台风倒槽偏东气流驱动下,其携带的水汽和能量与西南低空急流输送的暖湿水汽汇合,构建了输送到低值系统附近的水汽和能量通道,增强了强降水区水汽和能量积聚效应,这种积聚效应促使低涡系统物理结构的维持;在台风倒槽顶部偏东气流动力作用下,促使低涡系统中低层正涡度增强,进一步促使垂直涡度增长,对低涡系统动力结构维持起到积极作用,进而促使低涡系统长时间维持,最终导致长时间强降水的发生。     

低空冷式切变线引发区域性大暴雨成因分析

应用常规资料、自动站雨量资料、卫星云图及雷达资料,对2009年5月9-10日发生在鲁西北和鲁中北部的一次区域性大暴雨进行分析。分析发现,低层冷式切变线是引发大暴雨的主要系统,暴雨主要产生在低空冷式切变线右侧、西南低涡的东北象限以及低空急流的左前方,也是高低空急流耦合区。副高西侧的西南急流建立起从南海到华北中部的水汽通道,为大暴雨的发生发展提供暖湿空气和能量,使得低涡辐合加强,是低层切变线长时间停滞的必要条件。地面锋面气旋则是暴雨开始的启动机制,锋后东北冷空气与西南暖湿空气在山东上空交汇,促使对流发展和不稳定能量释放产生暴雨。在低层辐合、高层弱辐散的情况下,暴雨区低涡的涡动作用使得水汽块运动加强。多个对流单体合并形成的中尺度对流系统(MCS)经过大暴雨区,雷达回波表现为层状云为主的混合回波带,说明对流并不旺盛。