两次西南涡降水的诊断分析

本文对比分析了2009年夏季两场西南涡引发的暴雨天气过程,通过对涡度各个贡献项以及几个热力诊断量的分析认为,促使西南涡发展的主要贡献是大气的辐合,其次是垂直输送,β效应项的贡献是最小的,可以忽略。从几个热力诊断量来看,通常对流有效位能的释放时间都会先于最强降水的出现时间。K指数和总体指数的极值出现时间一般也略早于最强降水的出现时间。对流有效位能和K指数以及总体指数都对降水预报有一定的指示作用。     

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。      

重庆2次西南涡暴雨过程的类比分析

基于AREM模式分别对2010年夏季发生在重庆的两次西南涡暴雨过程进行数值模拟,并利用模拟结果对暴雨过程的动力和热力场演变以及涡度收支变化进行分析。结果表明:1)西南涡造成的降水落区位于低涡中心附近,整个降水过程雨带分布与低涡移动路径相一致;2)整层水汽通量辐合极值出现时间超前于最大降水出现时间,降水增强阶段,整层水汽呈增长趋势,说明存在稳定的水汽输送;3)最强辐合出现时间略早于最大正涡度出现的时间,说明大气辐合能够促进涡度的发展,辐合中心比正涡度中心位置低;4)涡度辐合辐散项对低涡的发展加强起最主要的作用;涡度平流项和涡度辐合辐散项的作用集中体现在中低层大气中,而垂直对流项和扭转项的作用则在中高层更为明显;降水的强弱与涡度变率的大小及伸展高度相对应。     

我国重大天气灾害形成机理及预测理论研究

1 长江流域中尺度暴雨系统的物理模型 分析了梅雨锋上两类低涡的发生、发展过程和动力、热力结构差异,发现边界层对降水模拟有至关重要 的作用。 数值试验表明低空急流和水汽输送为扰动的发展提供了丰富的“燃料”,动力过程可能在扰动发生阶段 有重要贡献,而热力过程可能在低涡的发展阶段作用更为明显。 诊断研究表明降水强弱与对流有效位能大小有较好对应关系;中β尺度环境表现出对流层中部为暖,而     

一次中尺度对流低涡增强阶段的能量诊断分析

本文基于CFSR每日4个时次、水平分辨率为0.5°×0.5°全球预报场资料,美国NCEP中心每日4个时次、水平分辨率为1°×1°FNL全球再分析格点资料,以及华中地区国家基准站逐小时的加密降水资料,围绕2015年6月1日华中地区的一次中尺度对流低涡(mesoscale convective vortex,MCV)天气过程,通过WRF模拟和能量诊断的方法,重点研究了低涡增强期内的能量分布特征及其对低涡发展的影响机制。研究结果表明:此次MCV初生于湖北中部地区,低涡生成后向湖北东北部大别山地区移动且不断发展加强,MCV增强阶段的降水带分布由早期的三中心分布(分别位于宜昌、荆州、随州)演变为后期的纬向型雨带分布。降水产生的凝结潜热释放、对流有效位能的增强、低层暖湿气流的输送以及中层干冷空气的侵入等有利的环境场条件对低涡的增强起到了重要的推动作用。低涡的增强对能量演变有重要影响,具体表现为一方面MCV外围辐合气流随低涡发展而增强,引起对流层低层扰动动能的增加,另一方面MCV外围降水产生的凝结潜热,导致对流层中层扰动有效位能的增加,之后通过垂直气流作用使扰动有效位能向上输送,从而使对流层高层的扰动有效位能增加。另外,此次MCV增强阶段的能量制造项依次为:扰动有效位能向扰动动能的转换,不同高度层的基本气流黏性力作用效果,纬向平均有效位能向扰动有效位能的转换,以及来自系统外部扰动动能的输入。其中,扰动有效位能向扰动动能转换是对MCV发展增强的直接贡献项,对其空间分布特征进一步分析可知,在对流层低层和顶层,扰动有效位能向扰动动能转换,使辐合辐散气流增强;而在对流层中高层,扰动动能向扰动有效位能转换,为低涡发展成熟后的继续维持储备了必要的能量。     

高原东侧一次大暴雨过程动力热力特征分析

2006年7月6~7日高原东侧发生了一次区域性暴雨过程,与以往高原东侧暴雨过程概念模型不同的是,这次暴雨过程中没有出现低空急流,在暴雨强盛阶段伴有全风速增强。本文采用诊断分析方法,从暴雨发生所需的热力、水汽及动力条件入手,采用相当位温、水汽通量、视热源和视水汽汇、湿位涡等几个物理量对这次暴雨过程进行综合分析,以揭示了暴雨发生、发展的机制。西南涡与高温、高湿的大气条件相配合,高低空风的垂直切变及来自孟加拉湾的充沛水汽输送和辐合,为该暴雨过程提供了有利的条件。这次暴雨以对流性降水为主,视热源和视水汽汇的垂直输送作用是加热的主要贡献项,而局地变化项和平流项有相反的变化特征,其共同作用是减小对加热的贡献;该过程中湿斜压性是位涡的主要贡献项,湿位涡的演变与暴雨发展有很好的对应关系,湿位涡最大值与暴雨峰值出现时间一致,位势不稳定对触发暴雨的作用也不可忽视。     

一次暴雨中尺度涡旋发展机制诊断分析研究

中尺度涡旋可以持续激发新对流,是造成局地持续性降水的重要系统。基于经典涡度方程的诊断无法描述热力信息对于涡旋发展的贡献。本文采用Boussinesq近似对涡度方程进行整理,将方程唯一强迫项定义为垂直速度位涡,其形式与位涡类似,利用垂直速度替换位温。进一步在垂直速度位涡倾向方程中,以气压水平梯度的形式引入热力过程的间接作用,定量描述动热力配置的贡献。以2021年6月15日发生在南疆的一次极端暴雨为例,利用高分辨率数值模拟资料,初步分析了低层动热力强迫作用向垂直涡度的传递。结果表明,垂直速度位涡的局地变化主要来自热力强迫项中低层垂直风切变与低层冷池的耦合作用,两者在降水区前侧产生大范围的正值区。该区域与垂直速度位涡的正值区重叠,促进垂直速度位涡的增长,进而维持降水前缘的正涡度,有利于产生较强的上升运动,触发新对流并造成持续性降水。     

基于TRMM资料的高原涡与西南涡引发强降水的对比研究

利用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星探测结果结合NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料, 对2007年7月17日四川、重庆地区的一次西南涡强降水系统和2008年7月21日四川东部的东移高原涡强降水系统的三维结构特征、雨顶高度以及降水廓线特征进行对比分析研究。结果表明:(1)两次降水过程均是发生在西南—东北向的水汽辐合带中, 且降水云群均位于低涡的东南方。(2)两次强降水在水平结构上均表现为由一个主降水雨带和多个零散降水云团组成, 高原涡强降水过程比西南涡强降水的降水强度和范围都要大。降水雷达探测到的两个中尺度降水系统均以降水范围大、强度弱的层云降水为主, 但对流性降水对总降水量的贡献较大, 其中西南涡降水中对流降水所占比例比高原涡的大, 对总降水率的贡献也大。(3)垂直结构上:两次强降水的雨顶高度均是随地表雨强的增加而增加, 且最大雨顶高度接近16 km, 但西南涡强降水中的雨顶高度比高原涡更高, 说明西南涡降水过程中对流旺盛程度强于高原涡。(4)两次强降水中雨滴碰并增长过程以及凝结潜热的释放主要集中在8 km以下, 但8 km以上西南涡降水变化大于高原涡, 且前者在8~12 km高度层的降水量对总降水量贡献百分比大于后者。     

海洋风暴形成的一种动力学机制

文中从观测统计学、瞬变涡动能量学和 MM5中尺度数值模拟角度 ,研究了海洋风暴 (爆发性气旋 )形成的气候特征及其可能的动力学机制 ,揭示了一幅爆发性发展的物理图像。结果表明 ,在冷季大气特别是日本以东洋面上大气特有的热力气候背景下 ,通过同海洋风暴过程相联系的涡动热通量 vθ的向极地输送 (- vθ· θm>0 ) ,将季节尺度的时间平均有效位能向瞬变涡旋时间尺度的涡动有效位能转换 ,是海洋风暴形成的主要动力机制。在该过程中转换来的具有最大贡献的涡动有效位能 ,连同具有次大贡献的积云加热制造的涡动有效位能(q3 )一起 ,通过暖异常区 (α >0 )暖湿空气上升运动 (-ω >0 )的斜压转换 (-ωα) ,促使涡动动能增长。同时 ,补充的涡动有效位能又加强了暖异常区的暖湿空气上升运动 ,进而产生积云对流活动及其潜热释放的正反馈过程 ,最终导致涡动动能急剧增长和海洋风暴的形成。海-气潜热输送的作用是在风暴形成初期提供后来积云尺度对流活动及潜热释放的水汽潜力。研究还表明 ,海洋风暴主要发生在冷季月份 1 3 0°E以东的中高纬洋面上 ,这种对特定季节和特定海域的依赖性是大气和海洋气候背景的动力 /热力共同作用的结果     

大气能量学揭示的高原低涡个例结构及降水特征

从能量角度分析了发生于2010年7月21~25日的一次高原低涡天气过程及降水特征。定量讨论了高原低涡发展不同阶段显热能、潜热能和对流有效位能(CAPE)的时空分布特征以及各能量分量变化的原因。发现:(1)显热能在高原低涡生成初期是总能量变化的主导因素,潜热能则在高原低涡东移下坡之后对总能量的变化起主要作用;(2)潜热能的空间分布证实高原低涡在成熟阶段出现与台风类似的螺旋结构;(3)标准化对流有效位能(NCAPE)在高原低涡发展最强盛时呈现明显的空心结构;(4)高原低涡的降水主要分布在低涡中心的东南侧或南侧,这与高原低涡的环流以及能量分布特征有密切关系。     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8～9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明：8～9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。      

An analysis of heavy precipitation caused by a retracing plateau vortex based on TRMM data

In this paper, we study a persistent heavy precipitation process caused by a special retracing plateau vortex in the eastern Tibetan Plateau during 21–26 July 2010 using tropical rainfall measuring mission (TRMM) data. Results show that during the whole heavy rainfall process, the precipitation rate of convective cloud is steady for all four phases of the plateau vortex movement. Compared with the convective precipitation clouds, the stratiform precipitation clouds have a higher fraction of area, a comparable ratio of contribution to the total precipitation, and a much lower precipitation rate. Precipitation increases substantially after the vortex moves out of the Tibetan Plateau, and Sichuan Province has the most extensive precipitation, which occurs when the vortex turns back westward. A number of strong convective precipitation cloud centers appear at 3–5 km. With strong upward motion, the highest rain top can reach up to 15 km. In various phases of the vortex evolution, there is always more precipitable ice than precipitable water, cloud ice water and cloud liquid water. The precipitating cloud particles increase significantly in the middle and lower troposphere when the vortex moves eastward, and cloud ice particles increase quickly at 6–8 km when the vortex retraces westward. The center of the latent heat release is always prior to the center of the vortex, and the vortex moves along the latent heat release areas. Moreover, high latent heat is released at 5–8 km with maximum at 7 km. Also, the latent heat release is more significant when the vortex moves out of the Tibetan Plateau than over the Tibetan Plateau.     

Distribution of convective energy at upper level in South Korea and the possibility of artificial showery rain caused by activated CAPE

This paper reports a theoretical study on the possibility of inducing artificial showery rain using the convective available potential energy, which is naturally stored in the troposphere. We calculated the environmental parameters (frequency of climatic values, extreme value of stability index, etc.) in the upper troposphere using rawinsonde data from six main stations in Korea from 2001 to 2008 and examined the temporal spatial convective energy according to region. Our results showed that convective available potential energy, which can induce artificial rainfall, existed in the troposphere mainly in summer and were low in other seasons. Its value was found to be highest during late afternoon and in inland regions. We examined the vertical structure of the atmosphere using moisture convergence and vertical velocity (omega) and found that precipitation occurred under strong real latent instability conditions with high convective available potential energy (>3,000?J/kg) in summer and was characterized by moisture convergence at 1,000?C400?hPa, moisture divergence at 400?C300?hPa, and continuous ascending air current at 1,000?C300?hPa (?C??), on average. However, precipitation still did not occur in more than half the cases with high convective available potential energy because, according to the analysis, convective rainfall is affected to a greater extent by the value of convective inhibition than by convective available potential energy. It was also verified that in spite of zero convective inhibition, if the updrafts at a lower level were not sufficient to generate high convective available potential energy at a level higher than the level of free convection, convective rainfall would not occur under real latent instability. Therefore, we suggest it might be possible during the summer to secure the water resources in regions without precipitation by inducing ascending air current artificially under unstable atmospheric conditions to induce showery rain.     

基于指标叠套法的安徽省强对流天气潜势预警研究

对2005-2007年4-9月安徽省冰雹、雷雨大风等强对流天气日数进行统计,分析了基于探空资料计算的不稳定指标与强对流天气发生的关系。结果表明：K指数、A指数、沙氏指数和对流有效位能、归一化对流有效位能和对流抑制能量这几个指标对于强对流天气指示意义较好。基于此结果,挑选K指数、沙氏指数和对流有效位能针对不同季节划分闽值,建立强对流天气潜势预警指标,并利用中尺度模式MM5的数值预报产品计算该指标,对2005—2010年13个强对流天气过程预报结果进行对比检验表明。MM5模式给出的强对流天气潜势预警产品对大多数过程均能起到预警作用。对其中两次强对流天气过程分析表明,模式具备预报强对流发生潜势的能力,预报结果对强对流天气发生的时间、落区有预警意义。     

基于指标叠套法的安徽省强对流天气潜势预警研究

对2005－2007年4-9月安徽省冰雹、雷雨大风等强对流天气日数进行统计,分析了基于探空资料计算的不稳定指标与强对流天气发生的关系。结果表明：K指数、A指数、沙氏指数和对流有效位能、归一化对流有效位能和对流抑制能量这几个指标对于强对流天气指示意义较好。基于此结果,挑选K指数、沙氏指数和对流有效位能针对不同季节划分阈值,建立强对流天气潜势预警指标,并利用中尺度模式MM5的数值预报产品计算该指标,对2005-2010年13个强对流天气过程预报结果进行对比检验表明,MM5模式给出的强对流天气潜势预警产品对大多数过程均能起到预警作用。对其中两次强对流天气过程的进一步分析表明,模式具备预报强对流发生潜势的能力,预报结果对强对流天气发生的时间、落区有预警意义。     

青藏高原那曲地区雨季雷达回波、降水和部分热力参量的统计特征

利用1998年青藏高原地面雷达资料、探空资料和地面降水资料，计算分析了青藏高原的雷达回波、层结热力参量及其降水的统计特征。结果表明，在6月中旬青藏高原雨季来临之后，云中对流活动明显增强，雷达回波强度增大，回波顶高和回波面积增加，层结热力参量明显改变，对流凝结高度下降，气块能量增加，降水量显著增大。     

松嫩平原西部局地暴雨天气成因分析

利用常规气象观测、卫星、雷达和NCEP1°×1°再分析等资料,分析2013年6月27~28日齐齐哈尔市稳定性中雨和龙江县对流性暴雨天气成因,结果表明：龙江短时强降雨出现在850hPa切变线同500hPa槽线或850hPa干线位置近于重合时,层结不稳定,上升运动强;齐齐哈尔降雨发生在低层切变线附近,层结趋于稳定,上升运动弱。地形迎风坡作用有利于龙江降雨强于齐齐哈尔。 单站风、相对湿度和垂直速度时空变化差异以及对流有效位能、大气可降水量和SI指数等物理量可以反映两地上升运动、水汽、层结不稳定条件差异。较好的水汽和大气层结不稳定条件只是对流性短时强降水的必要条件。中尺度对流云团和小尺度对流云回波产生龙江短时强降雨,齐齐哈尔稳定性较大降雨由层状云产生。     

雅安一次极端强降水的超级单体风暴特征及成因分析

2020年8月10日-11日雅安市出现了一次区域大暴雨天气过程,其中芦山县出现了特大暴雨,此次特大暴雨天气过程,持续时间长,最大累积降水量、最大小时雨强较大,均突破了历史极值,具有较强的极端性。通过分析雷达回波可知,此次极端强降水由强降水超级单体风暴的稳定少动造成,本文根据雅安市365个区域自动站雨量数据、micaps实况资料、雷达以及NCEP 1°×1°再分析资料等资料,分析其产生的原因：（1）行星尺度和天气尺度系统稳定少动,低层夜间低层急流发展,输送暖湿平流,有利于对流不稳定层结的建立,为强降水超级单体风暴的发生提供了有利的环流条件。（2）地面到低层的假相当位温异常偏高,有利于对流不稳定的进一步发展,在强对流风暴附近还存在中尺度的假相当位温的密集区,锋区的动力强迫生成的次级环流有利于低层不稳定能量和水汽向高层输送,同时也触发不稳定能量的释放,产生较强的上升运动。（3）强的垂直风切变以及大的对流有效位能有利于强降水超级单体风暴的发生和维持其有组织的程度。（4）水汽条件异常也是此次强降水超级单体风暴的重要原因。（5）极端的高能高湿的大气状态下,边界层的中尺度辐合线是触发此次强降水超级单体风暴的直接原因,并且受地形的阻挡作用,强降水超级单体稳定少动,造成了此次极端强降水的发生。