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。      

重庆低涡影响下贵州铜仁两次暴雨过程分析

利用区域自动站观测、卫星、NCEP(1.0°×1.0°)再分析以及EC细网格等资料,对2019年6月发生在铜仁的2次暴雨天气过程进行分析,结果表明:(1)2次暴雨天气过程高空500 hPa青藏高原和四川有高空槽东移,贵州处于槽前西南气流中。地面从青海—甘肃南下的冷空气,分两路南下在遵义东部交汇,迫使该地暖空气抬升,在重庆附近形成"Ω"形势,凸起的中心位于重庆中部,形成锢囚气旋。(2)对应在850 hPa有贵州偏南气流与四川偏北气流交汇,在毕节东部形成气旋性环流,随着南风持续加强,北风继续南下补充,逐渐在重庆西北部形成低涡(即重庆低涡)。(3)与低涡对应的对流云团,起初触发于毕节与遵义附近,并沿着低涡切变线移动、发展,最强时形成MCS,云顶温度-70℃,暴雨发生在对流云团强中心附近。(4)从垂直结构看,低涡伸展高度在850 hPa以下,低涡附近前侧低层为暖湿、中高层干冷,而低涡后侧则整层为干冷,同时近地层偏东风气流也表现为暖湿特性,则利于对流降水在低涡前侧不稳定的暖湿气流里激发。(5)铜仁处于重庆低涡影响的形势下,物理量特征能较好地反映降雨的起止时间和降雨落区。     

2012年夏季秦巴山区暴雨过程的地形作用诊断

利用NCEP/NCAR的1°×1° FNL再分析资料对2012年7月3—4日发生在陕西南部秦巴山区暴雨过程的成因及地形对暴雨的作用进行了诊断研究,同时利用中尺度模式WRFV331模拟了暴雨过程,结果表明：500 hPa高原槽、700、850 hPa的低涡切变线和副高外围西南气流是暴雨的主要影响天气系统。700 hPa副高外围的西南气流从云贵高原推进到秦岭南坡并沿坡爬升,同时还与山前的偏东气流汇合而形成气流辐合区,致使气旋性涡度增大,辐合抬升作用造成强垂直上升运动,低层低涡切变线得以发展和维持,秦岭南坡产生了大暴雨,秦巴山区地形对暴雨有显著的增幅作用。高原槽中冷空气从秦岭以北向南侵入,大巴山以南的西南暖湿气流向北推进,在冷暖空气的交汇地带形成斜压锋区;地形的辐合抬升作用加强中低层大气锋生,增大大气斜压不稳定性,触发不稳定能量的释放,有利于暴雨的发生。暴雨发生期间秦巴山区在垂直方向上,雨水、云水、冰晶的大值中心相互对应,存在“播撒—供给”效应,有利于雨水粒子增多,导致山区出现了强降雨。     

引发川东暴雨的“鞍”型大尺度环流背景及西南涡发展的诊断验证

本文在已有研究基础之上,利用2004年9月1～6日川东地区暴雨过程的观测资料,从大尺度环流、水汽输送和温度平流,并利用湿位涡的垂直和水平分量（Pm1和Pm2）以及相当位温诊断分析并验证川东暴雨发生的＂鞍＂型大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程,其结果表明如下：（1）在此次暴雨发生期间,仍存在显著＂鞍＂型大尺度环流配置;（2）在＂鞍＂型场大尺度环流背景下,强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地,而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部,受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带,同时,由于两支气流输送着大量的水汽,暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区;（3）在＂鞍＂型场作用下,盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气,而在高层有两股冷干空气侵入,从而导致了盆地内低涡系统强烈发展,由湿位涡的诊断表明了在暴雨发生期间,在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵,引起了垂直对流不稳定,即Pm1〈0,并向盆地东北部发展,从而使此区域气旋性涡度不断加强,即低涡强烈发展;并且,在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用,正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性,这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域;（4）＂鞍＂型场大尺度环流背景、孟加拉湾及南海水汽输送辐合、川北冷空气侵入,西南低涡发展是川东暴雨发生的共同特征。     

高原涡诱生西南涡特大暴雨成因的个例研究

利用多途径探测与再分析资料,通过诊断分析、数值模拟和敏感性试验,对2008年7月20～21日一次高原涡东移诱生西南涡并引发川中特大暴雨的天气过程进行了初步分析,探讨了西南涡特大暴雨发生的中尺度环境场特征,特殊地形和非绝热物理过程在高原涡东移诱生西南涡特大暴雨中的作用。结果表明,高原涡形成后沿高原东北侧下滑,在四川盆地诱生出西南涡,川中特大暴雨在西南涡形成过程中由强中尺度对流系统(MCSs)的活动造成。高原涡东移诱生的低层偏东气流在川西高原东侧地形的动力强迫抬升作用下,释放对流有效位能激发出MCSs产生强降水,降水凝结潜热加热反馈驱动西南涡快速发展。地形的动力作用仅能形成浅薄的西南涡,降水凝结潜热的加入才能使西南涡充分发展。高原涡的发展主要受地面热通量影响,它的发展与否在很大程度上决定西南涡能否形成。盆地周边高大山脉对西南涡的位置分别有不同程度的影响,而盆地周边高大山脉上叠加的中小尺度地形对西南涡和暴雨带的整体位置影响不大,在一定程度上影响暴雨的落区。     

高原涡与西南涡相互作用暴雨天气过程的诊断分析

利用动力诊断方法,对2008年7月20~22日高原低涡与低层西南低涡相互作用引发西南低涡强烈发展和四川大面积特大暴雨天气发生机理进行了诊断分析。分析表明：高原涡与西南涡涡心之间的纬向距离在5个纬度的时候,两者上升气流都在500 hPa以下,当两者继续东移,在经向上耦合的时候,二者同时得到发展,西南涡中心的上升气流达到300 hPa,而高原涡中心的上升气流突破200 hPa;西南涡在低层出现初期,在一定程度上制约了高原涡的发展,随着两者在经向方向发生耦合,上下涡度平流不同造成垂直差动,将激发500 hPa以下的上升运动与气旋性涡度加强,使得500 hPa与700 hPa涡心正涡度值的增大近1倍。并且涡前的正涡度变率使得高原涡发展并东移,待垂直耦合后,高原涡与盆地涡相互强迫作用促使气流上升运动加强也是导致高原低涡与西南低涡共同发展的一种机制。     

在“鞍”型大尺度环流配置下西南低涡发展的物理过程及其对川东暴雨发生的作用

利用2005年7月6～9日川东地区暴雨过程的观测资料，从大尺度环流、水汽输送和温度平流，并利用湿位涡的垂直和水平分量(Pm1和Pm2）以及相当位温，分析诊断了此次暴雨发生的大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程, 其结果表明如下:(1)在此次暴雨发生期间，四川盆地北部由于受中高纬长波东移调整的影响, 不断有低压槽分裂出来并影响此地区, 在盆地的西南方向的孟加拉湾季风槽比较活跃, 南海季风向北输送由于受到西风输送的作用在四川盆地东南部也出现弱的横槽, 并且西太平洋副高西伸到四川盆地东部以及存在于高原中部的高压共同作用, 从而形成明显“鞍”型大尺度环流配置; (2)在此“鞍”型场大尺度环流背景下, 强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地, 而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部, 受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带, 同时, 由于两支气流输送着大量的水汽, 暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区; (3)在此“鞍”型场作用下, 盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气, 而在高层有冷干空气侵入, 从而导致盆地内低涡系统强烈发展; (4) 由湿位涡的垂直分量和水平分量的诊断表明了在暴雨发生期间, 在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵, 引起了垂直对流不稳定, 即Pm1<0, 并向盆地东北部发展, 从而使此区域气旋性涡度不断加强, 即低涡强烈发展; 并且, 在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用, 正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性, 这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域。     

中尺度对流系统影响西南低涡持续性暴雨的诊断分析

利用加密自动站降水资料、FY-2E卫星云顶相当黑体温度TBB资料和NCEP再分析资料,对2010年7月16-18日四川盆地持续性暴雨天气过程中的西南低涡及伴随发展的中尺度对流系统(MCS)进行了分析。结果表明,500 hPa高空槽、700 hPa中尺度切变线和暖湿气流为MCS的发生提供了良好的环境条件;地面降水时空分布具有明显的中尺度特征,MCS是造成暴雨的重要原因;暴雨中心集中在TBB冷云区或边缘梯度密集带。在西南低涡发展过程中,MCS有利于激发上升气流,中低层的上升气流和正涡度配合利于热量和水汽垂直输送,高层的辐散进一步促使MCS的发展。水平涡度平流和涡度垂直输送项的配置影响上升气流和涡旋系统的发展,MCS对西南低涡的移动有一定的引导作用。有无MCS伴随发展时,对流活动对热量和水汽的输送能力迥异。     

2020年“6·26”冕宁致灾暴雨成因观测分析

利用多源观测数据，结合ERA5再分析资料，从环流背景、水汽条件、局地探空特征、对流系统演变以及地形影响等方面，分析了“6.26”冕宁暴雨的可能成因。结果表明：（1）暴雨期间，500 hPa环流形势相对稳定，伴随中纬度槽东移和副热带高压西进，二者间西南气流显著增强，影响四川地区；盆地低涡北部非地转风风向随时间顺时针变化，使夜间向低涡中心辐合的气流增强，促进低涡发生、发展；盆地低涡西部的偏北气流和攀西高原的西南气流同时增强，使局地环流发生变化，改变降水区低层动力和水汽条件，决定降水起止。（2）冕宁暴雨过程分为两个阶段：前期，受地形和冷池出流抬升影响，以及叠加其上的中层辐合的接力抬升作用，西南暖湿气流冲破对流抑制，在灵山寺西南侧山前形成强对流单体，强对流单体随引导气流向东北移动到灵山寺站，带来强降水；后期，受山前地形阻挡和山后源自盆地的冷空气的共同作用下，西南暖湿气流辐合上升运动的强度和伸展高度同时增加，灵山寺站附近不断有质心（回波强度超过50 dBZ）高度较低的强回波单体生消，降水强度显著增强。     

宁波一次特大暴雨过程的诊断分析

利用常规观测资料、NCEP1°×1°格点资料,对2008年9月5日宁波地区出现的暴雨天气过程进行综合分析。分析表明:冷空气、西南暖湿气流及东南气流的交汇,为宁波地区暴雨的发生提供了有利的天气背景条件。暴雨一般出现在θse最陡峭密集区内,该区内气旋性涡度发展最强。垂直螺旋度中心向低层移动,将会导致地面降水强度明显增强。湿位涡正异常中心能较好的反映高空冷空气的活动。中低层湿位涡的湿斜压项(mpv2)负中心强度变化对降水强度有一定指示作用。大气湿斜压不稳定的增强对暴雨的贡献不容忽视。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8~10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛(冷云中心TBB最低)时。     

青藏高原东坡两次暖区强降水的对比分析

利用常规观测资料、加密自动站降水资料和NCEP 1°×1°再分析资料对比分析了2010年8月12～13日(简称“8·12”过程)和2012年8月16～17日(简称“8·16”过程)青藏高原东坡发生的两次暖区强降水过程,探讨两次暖区强降水发生发展的天气学异同条件。结果表明:两次暖区强降水发生前及过程中均受副高的影响,地面有热低压发展和维持,利于能量的积累、不稳定层结和非绝热加热形成,进而引起上升运动;过程期间低层均有垂直于青藏高原东坡的偏东南气流的建立与增强,地形强迫上升运动和低层暖平流引起的上升运动增大和维持。主要差异在于,“8·16”过程中台风“启德”外围的偏东南风持续时间更长,影响区域更偏北,其降水持续时间更长,累计雨量更大。两次暖区强降水过程显示,低层垂直于青藏高原东坡地形的偏东南气流的建立、增强、持续及减弱在此类暖区强降水发生、发展及消亡过程起中着关键性作用。      

江南丘陵和云贵高原地形对一次西南涡暴雨影响的数值试验

运用MM5数值模式对1998年7月22~23日一次由西南涡引发形成湖南大暴雨的个例进行了数值试验。模式中设计了全地形、去掉江南丘陵地形、去掉江南丘陵和云贵高原地形三种方案。对比试验表明:在去掉江南丘陵和云贵高原后,由于地形的狭管作用消失,南北热力差异减弱,低空急流随之减弱;由于低空急流对西南涡和切变线的正涡度平流输送减弱,以及500 hPa高空槽引导切变线向南移与西南涡结合,造成西南涡增强,切变线减弱、消失。同时,本文还对三种模拟试验中地形作阶梯化处理,进一步验证江南丘陵、云贵高原对偏南风存在狭管作用,对低空急流的形成有促进作用。     

一次高原低涡诱发西南低涡耦合加强的动力诊断分析

利用2013年6月29日—7月2日期间逐6 h的NCEP 0. 5°×0. 5°全球预报场再分析GFS (Global Forecast System)资料,对一次引发特大暴雨的西南低涡和高原低涡耦合贯通加强过程进行动力诊断分析,结果表明:西南低涡和高原低涡耦合区上方在不同阶段均维持正涡度柱,呈现低空辐合和高空辐散的特征,并伴有强烈上升运动。垂直运动在耦合开始阶段最强,正涡度柱在耦合强盛阶段显著增强,高原低涡和西南低涡耦合贯通后,改变了涡度的垂直特征。西南低涡发展维持的涡动动能主要源于水平通量散度项和涡动动能制造项,摩擦耗散项和垂直通量散度项是其主要消耗项。高原低涡发展维持的涡动动能主要源于垂直通量散度项和区域平均动能与涡动动能之间的转换项,涡动动能制造项出现负值是其涡动动能减弱的主要原因。耦合期间强烈垂直运动将西南低涡的涡动动能向高原低涡输送,西南低涡对高原低涡发展维持有重要动力作用。     

2020年8月10日四川芦山夜发特大暴雨的动热力 结构及地形影响

由特殊喇叭口地形促成的四川雅安暴雨久已有名,研究颇多,而这一地区的暖区暴雨、夜发性暴雨的研究在业务预报和防灾减灾迫切需求的推动下也应加强。利用ERA5再分析资料,结合地面加密观测资料及中国气象局信息中心提供的三源融合近实时降水资料,对造成2020年8月10日四川雅安芦山的特大暴雨过程的动热力结构演变、触发机制和地形影响进行了诊断分析,揭示了弱天气尺度强迫及特殊地形影响背景下暖区暴雨的水汽、动热力结构演变及触发机制。研究得出:（1）此例暴雨属于500 hPa无明显影响系统、低层无急流背景下的东南风型暖区暴雨。在雅安“迎风坡”、“喇叭口”地形和芦山西南向“?”型峡谷地形的影响下,配合西太副高西进、东南暖湿气流加强和850 hPa弱低涡辐合气流的共同作用而诱发产生,此次降水时间短,强度大。（2）降水开始到强盛期间,始终有边界层地形作用产生的抬升速度、气旋式涡度和水平辐合与系统性垂直上升运动、涡度和散度叠加,增强了低层辐合,加剧了垂直上升运动,促使降水加强。（3）差动θ_se平流使得暴雨区对流不稳定度增强。对流抑制能量为零的高能高湿环境中,500 hPa θ_se弱冷平流也是暖区暴雨触发的因素之一;傍晚地形冷平流触发了初始对流并沿海拔高度1500米地形线分布;暴雨区上游强降水造成雷暴冷池出流叠加山风在“?”型峡谷西侧形成γ中尺度辐合线,并移至“?”型谷地内维持;冷性气流在快速下山后亦以冷池形式维持在“?”型峡谷东侧山脉附近,形成强温度梯度,这些因素触发并维持了芦山夜间特大暴雨。     

夏季青藏高原低涡研究进展述评

高原低涡是造成我国暴雨的重要天气系统之一。本文在简要介绍第一次青藏高原科学试验及以前研究工作的基础上,重点介绍了第二次青藏高原科学试验及近年来的一些主要研究成果,包括高原低涡的活动特征、高原低涡发展东移的机理、高原低涡发展东移的大尺度条件及高原低涡的结构特征等。并指出了目前高原低涡研究的局限性和待改进的方向。     

青藏高原及邻近地区低涡系统结构研究进展

青藏高原及邻近地区低涡系统(西南涡、高原涡)是造成我国暴雨等灾害性天气的主要系统之一,也是高原天气学的重点研究对象。过去十多年,关于西南涡、高原涡的研究已取得了大量有意义的成果。因此,本文重点针对高原低涡天气系统,总结了西南涡、高原涡的结构特征及其演变机制研究现状,评述了其取得的主要进展,指出了一些有待于深入研究的科学问题,在此基础上,展望了高原低涡天气系统未来的主要发展方向。     

“6·30”川渝特大暴雨过程中西南低涡发展机制模拟分析

利用地面加密自动站、NCEP(1°×1°)再分析及WRF-ARW数值模拟资料,对造成2013年6月29日至7月1日川渝地区特大暴雨过程的西南低涡的演变特征及热动力机制进行了诊断分析。此次特大暴雨过程分为三个阶段,其中与西南低涡发展相关的第二阶段为主要降雨时段。结果表明:(1)西南低涡生成后,呈现增强-减弱-再次增强的波动性演变特征,在6月30日上午和夜间分别经历了两次显著的涡度发展过程,并在第二次发展过程中达到最强。(2)低空辐合是西南低涡最主要的涡源,由低空辐合导致的正涡度增加近乎贯穿于整个西南低涡的生命史。在西南低涡的第二次发展过程中,中层辐合和涡度的垂直输送显著增强,也是西南低涡的重要涡源。(3)负值非平衡动力强迫激发了低空辐合的增长,在非平衡动力强迫的各项中,位势高度的拉普拉斯项为非平衡动力强迫提供了主要的负贡献来源。(4)非绝热加热先于西南低涡而增强,两者间的正反馈作用可能是西南低涡波动性发展的重要机制。在关闭了微物理过程中的潜热和地面潜热及感热通量的敏感性试验中,西南低涡及降雨的模拟均有不同程度的减弱。     

1979—2016年夏季西南涡活动及其与降水的关系

利用1979-2016年ERA-Interim一日四次高度场、风场再分析资料,根据源地的不同将西南涡细分为九龙涡、盆地涡和小金涡,对1979-2016年夏季（6-8月）不同涡源的西南涡的活动规律及其降水特征进行统计分析。结果表明,夏季西南涡平均年发生频数为11.6 a^-1,其中生成的盆地涡最多（9.3 a^-1）,九龙涡次之（1.9 a^-1）,小金涡最少（0.4 a^-1）。就移动频率而言,盆地涡移出率最高（44.2%）,其次为小金涡（30.8%）,九龙涡最低（29.73%）。38 a中夏季高影响型西南涡共有140例,只有105例能移出源地。生命史超过36 h的高影响型西南涡都会带来降水,并且超过88%的概率会造成大雨及以上的降水。高影响型九龙涡和盆地涡产生大雨及以上天气的概率分别是83%、91%,远远高于小金涡。     

滇西北横断山脉一次持续强降水过程特征及成因分析

【目的】分析滇西北横断山脉2020年5月24—27日持续性强降水天气过程特征和成因。【方法】利用ERA5再分析资料和怒江州气象观测站雨量数据,基于HYSPLIT模式及天气学诊断分析。【结果】（1）中高纬环流的调整使南支槽稳定在青藏高原南部,上游风速增大使中高层形成西风急流,低层西南气流辐合,93～98°E、26～28°N区域维持大于20 m·s-1的纬向风且扩大东移。（2）贡山站过程累积雨量历史排行第二,暴雨持续日数达历年最高,具有一定的极端性。最大小时雨量9.9 mm,长时间降水的维持是引起此次过程的重要条件。（3）过程期间大气低层强辐合、中高层强辐散,抽吸作用明显,降水强盛期前97～99°E区域低层强辐合中层强辐散中心与强降水落区相对应,中高层上升气流加强时期与降水集中时段对应较好,物理量的变化对降水趋势变化有指示意义。（4）低层水汽辐合强且向中高层输送,大于90%的相对湿度伸展至高层。水汽主要来源于孟加拉湾及阿拉伯海,部分水汽来自喇叭口地形作用及天气系统。【结论】加深对此类过程的了解和认识,为开展预报预警服务提供参考。