2019年5月湖北东部一次大暴雨过程诊断分析

利用NCEP 1°×1°格距逐6 h再分析资料、FY-2F逐时云顶亮温(TBB)资料、国家气象站常规探空和地面气象观测资料、湖北省区域气象自动站资料,对2019年5月25日湖北省东部一次大暴雨过程进行诊断分析。结果表明:500 hPa中高纬低槽不断分裂南下,盆地低槽稳定维持,中低层低涡扰动,切变线和低空急流维持,是本次大暴雨的有利天气背景;有西南向的水汽输送通道并在暴雨区强烈辐合,水汽辐合中心位于900～950 hPa,500 hPa以下整层温度露点差都在4℃以下;暴雨区在150 hPa以下为正平均涡度;400 hPa以上为正平均散度,其下为负平均散度,最强降水时段高层辐散低层辐合的配置明显向对流层下层压缩,高层负涡度低层正涡度的配置催生了高层辐散低层辐合的散度配置,有利于垂直上升运动加强;暴雨区上升运动从1 000 hPa延伸到200 h Pa,整层以上升运动为主,在最强降水时段上升运动中心明显下移;有明显的上冷下暖层结结构,形成低层暖平流高层冷平流的温度平流配置,有利于产生对流不稳定;降水云顶亮温TBB≤-50℃区域与降水区对应,近似圆形的中尺度对流系统对湖北东部强降水十分有利。     

一次河北大暴雨的华北低涡结构和涡度收支分析

利用Micaps系统下常规资料、云图资料和NCEP全球再分析资料,对2004年7月11-12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了诊断分析。结果表明：200hPa西风槽、500hPa华北低涡和中低层偏东风,是这场暴雨的直接影响系统,该过程中的华北低涡为低层冷心、高层暖心结构,具有随高度向西北倾斜的特征,涡度场特征明显。暴雨区对应着深厚的正涡度区,散度场结构零乱,非高层辐散、低层辐合的配置,暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500hPa以下的东北地区,水汽的源地来自渤海,低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。水平涡度平流项和水平涡度辐散项作用相反,水平涡度辐散项对总涡度起直接作用且为正贡献,而垂直平流项对总涡度贡献比较小。     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是：暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1〈0同时MPV2≥0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是：在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是:暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1<0同时MPV2≧0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是:在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。      

冬季西伯利亚高压动力结构的研究

本文研究了冬季西伯利亚高压建立时期的动力结构。研究得到,在高压建立前期,对流层中以正涡度为主。低层和高层有弱的辐合,中层是辐散;相应在700hPa以下是上升,以上是下沉。但当反气旋发展时,高层为正涡度和辐合气流,低层为负涡度和辐散气流,整层为下沉运动。这表明对流层中、上层的强质量辐合是导致西伯利亚高压发展的一个重要因子。涡度方程的诊断表明,西伯利亚高压区负涡度的出现和加强是对流层中、上层负涡度平流和低层散度项的作用。 另外,西伯利亚高压热平衡计算表明,对流层有深厚的冷却层(热汇)。这种非绝热冷却将在对流层中导致深厚的下沉运动,从而引起中高层的辐合,低层的辐散,有利于高压的加强。因而西伯利亚高压是在动力和热力因子共同作用下形成的。     

影响华南地区西南低涡的频数及移动特征分析

利用中国气象局提供的MICAPS观测资料以及空间分辨率为1 °×1 °的ERA-Interim再分析资料,对1991—2010年3—8月影响华南地区的西南低涡的生成和移动进行统计分析。结果表明,影响华南地区的西南低涡在6、7月出现频率较高;随着月份推移其维持时间逐渐增加,3月的维持时间最短（48小时）,8月最长（105小时）;将影响华南地区的西南低涡按不同移动路径分为四类:东移型、东南移型、南移型和停滞型。在频数方面,东移型西南低涡出现次数最多（33个）,东南移型次数最少（12个）;在维持时间方面,停滞型西南低涡的维持时间最短（54小时）,南移型维持时间最长（86小时）。四类移动路径西南低涡所对应的大尺度环流场表明,停滞型西南低涡其对流层中高层槽脊不明显且辐散运动较弱,下游地区对流层低层有冷平流及辐散运动,不利于西南低涡的发展和移出,而其他三类移出型的西南低涡在对流层中高层有明显的槽脊系统及较强的辐散运动,同时在对流层低层,不同移动路径的西南低涡在各自移动方向上均有风场辐合带和暖平流区与之对应,有利于西南低涡的移动和发展。      

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。     

东北冷涡发展过程的位涡收支分析

从位涡收支的角度对一次东北冷涡发展过程进行了诊断分析,研究了位涡趋势方程中各趋势项对冷涡发展的贡献。结果表明,在对流层低层东北冷涡的发展过程中,非绝热加热率、水平平流位涡以及非平流的位涡趋势对低层位涡的增强做正贡献,有利于低层冷涡的发展,也充分说明了非绝热加热对低层冷涡的发展所起的重要作用;而垂直平流位涡刚好相反,对低层位涡的增强做负贡献,不利于低层冷涡的发展。从垂直结构看,水平平流位涡主要是在对流层低层和高层对位涡发展有正贡献;而垂直平流位涡是在中层促使位涡增强;非平流引起的位涡变化主要是在低层;由平流和非平流引起的总位涡趋势增大,促使冷涡加强发展。     

一次春季江淮气旋形成发展特征及暴雨诊断分析

利用NCEP/NCAR的再分析资料,对2013年5月25-27日一次江淮气旋的形成发展及其引发的暴雨过程进行了诊断分析。结果表明:高空明显的正涡度平流、低层暖平流以及与辐合辐散区相对应的垂直运动是导致气旋发展的重要物理因子。气旋发展过程和湿位涡正压项及斜压项有很好的对应关系,气旋的增强阶段伴随对流层低层mpv_1的增大及mpv_2值的减小;高层湿位涡下传;使近地面大气斜压性增强,从而在低层诱生出气旋性环流。气旋的形成发展过程与对流层正涡度柱的形成相对应,与湿位涡的空间结构及其演变有密切的联系。气旋引发的暴雨位于气旋移动路径的左前方(东北象限),该区域低层强辐合中心和正涡度中心的耦合,加剧水汽和能量的辐合,为暴雨维持提供了条件。     

两次高原切变线诱发低涡活动的个例分析

使用NCEP/NCAR再分析格点资料,对2007年7月4～6日切变线在高原上发展,并诱发两次高原低涡造成高原中部大雨的活动过程进行了诊断分析。通过涡度收支等物理量计算,结果表明,垂直输送项和水平辐合辐散项对两次高原低涡的发展增强都起主要作用,在低涡不同发展阶段,二者贡献各有不同;在低涡二消亡阶段,水平平流项贡献增大。视热源和视水汽汇分析表明,这次降水过程以对流性降水为主,垂直运动的负值中心与视热源、视水汽汇中心对应,变化趋势基本一致,表明在降水过程大气加热是与大气上升运动密切相关,对流层中层的加热引起对流层低层抽吸作用会促进高原涡的发展,大气热源主要是降水过程的凝结潜热释放,水汽凝结起决定性作用。     

A Study on a Heavy Rainfall Event Triggered by an Inverted Typhoon Trough in Shandong Province

A heavy rainfall event that occurred in Shandong Province in 26 28 August 2004 was caused mainly by Typhoon Acre and cold air activities related to a westerly trough. The event was triggered by an inverted typhoon trough, which was closely associated with the intensification of the low-level southeasterly flow and the northward transport of heat and momentum in the periphery of the typhoon low. A numerical simulation of this event is performed using the nonhydrostatic mesoscale model MM5 with two-way interactive and triply-nested grids, and the structure of the inverted typhoon trough is studied. Furthermore, the formation and development mechanism of the inverted typhoon trough and a mesoscale vortex are discussed through a vorticity budget analysis. The results show that the heavy rainfall was induced by the strong convergence between the strong and weak winds within the inverted typhoon trough. Dynamic effects of the low-level jet and the diabatic heating of precipitation played an important role in the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex. The vorticity budget analysis suggests that the divergence term in the low troposphere, the horizontal advection term, and the convection term in the middle troposphere were main contributors to positive vorticity. Nonetheless, at the same pressure level, the effect of the divergence term and that of the adveetion term were opposite to each other. In the middle troposphere, the vertical transport term made a positive contribution while the tilting term made a negative contribution, and the total vorticity tendency was the net result of their counteractions. It is found that the change tendency of the relative vorticity was not uniform horizontally. A strong positive vorticity tendency occurred in the southeast of the mesoscale vortex, which is why the heavy rainfall was concentrated there. The increase of positive vorticity in the low （upper） troposphere was caused by horizontal convergence （upward transport of vorticity from the lower troposphere）. Therefore, the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex were mainly attributed to the vorticity generated in the low troposphere, and also the vertical transport of vorticity from the low and middle troposphere.     

一次引发暴雨的东北低涡的涡度和水汽收支分析

对2005年7月25～29日引发较大范围持续性暴雨的东北低涡的结构、涡度和水汽收支进行了分析研究,结果表明:1)东北低涡是一个较深厚的冷性涡旋.初期,气旋性涡度出现在对流层中层,然后向中低层及高层伸展.而低涡加强阶段,气旋性涡度在对流层高层增加得最快,并逐渐向中低层传播,诱发地面气旋的发展;由于高低空锋生的相互作用,在低涡南部形成了深厚的近乎垂直的低层略前倾的"弓形"锋区.2)对涡度收支的计算表明,水平涡度平流项和水平辐散项对低涡的发展、加强起到最主要的作用.但在不同阶段,这两项的作用和大小各不相同.3) 对流层高层位涡大值区在低涡东部向下传播,有利于低涡的发展加强,与低涡暴雨的落区位置较为接近.此外对卫星云顶亮度温度(TBB)的分析,发现低涡暴雨典型的涡旋云带中对流活动旺盛的地区与局地暴雨的位置对应.4) 低涡暴雨的水汽初期主要来自北部,随着低纬地区西南季风的增强,沿副高西侧从低纬到中高纬建立起一条较强的水汽输送带,东北地区水汽收支以南北向的辐合为主.5)将2005年和1998年夏季6～8月的东北低涡暴雨个例的天气形势配置进行逐月比较,发现持续的较大范围的低涡暴雨过程与亚洲中高纬的阻塞形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有密切的关系.     

一次桂北暴雨过程中低涡的发展维持机制

利用常规观测、卫星数据及ERA5再分析数据,从动力和热力角度对引发2020年5月24-25日广西北部暴雨过程的低涡发展维持机制进行了诊断分析。结果表明：低涡在滇黔桂交界一带生成,随后逐渐发展东移,对流云团及降水落区主要分布在低涡东侧及南侧。涡度方程诊断表明,低涡的发展维持主要受涡度平流项和水平散度项影响。水平风场对涡度的输送使得局地涡度减小,而水平风场的辐合效应使得局地涡度增大。将原始风场分解为地转风和非地转风分量后发现,非地转风分量主导了局地涡度的变化,非地转风水平散度项正贡献最大,扭转项次之,两者是造成低涡发展维持的主要原因。在热力作用方面,低涡发展移动过程中对流层中层附近的潜热加热正反馈也有利于低层低涡的发展维持。     

RELATIONSHIP BETWEEN THE VARIATION IN HORIZONTAL VORTICITY AND HEAVY RAIN DURING THE PROCESS OF MCC TURNING INTO BANDED MCSS

Using real-time data and the WRF mesoscale model,a heavy rain event in the process of Mesoscale Convective Complex(MCC) turning into banded Mesoscale Convective Systems(MCSs) during 18-19 June 2010 is simulated and analyzed in this paper.The results indicated that the formation and maintenance of a southwest vortex and shear line at 850 h Pa was the mesoscale system that affected the production of this heavy rain.The low-vortex heavy rain mainly happened in the development stage of MCC,and the circular MCC turned into banded MCSs in the late stage with mainly shear line precipitation.In the vicinity of rainfall area,the intense horizontal vorticity due to the vertical shear of u and v caused the rotation,and in correspondence,the ascending branch of the vertical circulation triggered the formation of heavy rain.The different distributions of u and v in the vertical direction produced varying vertical circulations.The horizontal vorticity near the low-vortex and shear line had obvious differences which led to varying reasons for heavy rain formation.The low-vortex heavy rain was mainly caused by the vertical shear of v,and the shear line rainfall formed owing to the vertical shear of both u and v.In this process,the vertical shear of v constituted the EW-trending rain band along the shear line,and the latitudinal non-uniformity of the vertical shear in u caused the vertical motion,which was closely related to the generation and development of MCSs at the shear line and the formation of multiple rain clusters.There was also a similar difference in the positively-tilting term(conversion from horizontal vorticity to vertical positive vorticity) near the rainfall center between the low-vortex and the shear line.The conversion in the low vortex was mainly determined by бv/бp0,while that of the shear line by бu/бp0.The scale of the conversion from the horizontal vorticity to vertical vorticity was relatively small,and it was easily ignored in the averaged state.The twisting term was mainly conducive to the reinforcement of precipitation,whereas its contribution to the development of southwest vortex and shear line was relatively small.     

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。     

2013年初夏湖北两次低涡暴雨对比分析*

利用NCEP提供的高时空分辨率的GFS(Global Forecast System)0.5o×0.5o再分析资料和常规气象资料,对2013年初夏湖北两次低涡暴雨进行了对比分析。结果表明：（1）两次暴雨落区不同,5月暴雨由湖北西部向东北方向发展,主要位于湖北西部和中北部;而6月暴雨由湖北西南部向东发展,强降水主要位于湖北中部和东部。（2）两次暴雨落区不同是由于低涡移动的路径不同造成的,而低涡的移动路径受高低空配置的影响,不同的高低空配置导致这两次低涡暴雨的差异。（3）500hPa正的涡度平流使低涡移动发展,对低涡暴雨的发展和移动有很好的指导意义,而6月暴雨500hPa存在强正涡度平流中心,使低涡东移发展加强;另外,对流层低层温度平流对低涡的移动有引导作用。（4）边界层水汽辐合为低涡造成的强降水提供了充足的水汽条件。     

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。      

高层冷涡的不同结构对台风运动的影响

通过对不同水平和垂直结构的高层冷涡在台风移动中的作用的对比试验，发现高层冷涡的水平和垂直结构变化会影响台风的运动。对总涡度倾向分布和强度的比较分析，发现正压过程主导台风运动的方向，而斜压过程在某些情况下对台风移速有很大影响。通过各动力项对总涡度倾向贡献的讨论，发现涡度平流对总涡度倾向正中心的贡献主要来自引导气流对非对称涡度场的平流。散度场贡献主要来自行星涡度和非对称散度相关场。最后还得到预报性的结论:台风朝对流层上层的辐合中心或对流层中下层辐散中心方向移动。     

2008-2011年湖北省暖干类暴雨特征分析

选取2008-2011年湖北省7个暖干类暴雨个例,利用GFS 0.5°×0.5°再分析资料进行合成分析。结果表明：湖北省暖干类暴雨过程中,正涡度平流不是大范围出现,而是以正涡度平流核的形式出现并随着风场流转,使暴雨区各层涡度平流的配置快速发生变化,容易引起上升运动的突然加强;暖平流从中高层扩展至整层,强暖平流中心出现在临近暴雨发生时的边界层,热力强迫导致低层强辐合,950 hPa上下强暖平流中心与暴雨点位置较一致,对暖干类暴雨的预报有较好的指示意义;中层干空气和低层暖湿空气的侵入是暴雨区对流不稳定增长的主要影响因子,均与副热带高压的西伸发展有关。