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。     

初夏青藏高原低涡发展东移的动力过程

通过对1980—1983年6月青藏高原低涡发展东移和原地生消过程的分析和计算，提出高原300 hPa西南风急流与低涡发展并东移相联系的事实。又指出散度方程中A（平流作用）项和fζ＇（非地转效应）项的作用。而急流的存在直接导致A和fζ＇的增大，构成了低涡发展东移的动力因素。最后用平流变化方程和调整变化方程进一步论述了由于高原300 hPa西南风急流的存在，低涡沿急流轴北侧发展东移的动力过程。     

春季两次东移型西南涡云系的发展演变特征

采用FY-2E和Cloud Sat卫星资料、雷达资料、NCEP再分析资料和常规观测资料,分析2013年春季2次西南涡云型、云系结构和雷达回波演变、环境场特征。结果表明:(1)2次西南涡形成都伴随有高原槽东移和高原东侧偏南低空急流增强,偏南低空急流增强对低涡形成和东移起重要作用;(2)西南涡云系结构与低涡环流密切相关,西南涡形成和东移初期,低涡环流结构呈椭圆形,西南涡云系表现为叶状云系或逗点云系,随着低涡后部冷空气入侵加剧,低涡云系形成典型的"S"型后边界。低涡云系的结构形式和边界形状,对低涡形成和东移、急流发展有指示作用;(3)低涡降水分布与低涡云系结构有一定关系,低涡水平云系分布为叶状云系时,降水中心位于其东南部,低涡云系水平分布为逗点云系时,降水中心位于其逗点云内;(4)受低涡云系结构影响,低涡云系降水可分为2个阶段,第1阶段为低涡暖区降水,回波带呈反气旋弯曲,向东移动并向东北方向旋转;第2阶段中层干冷空气下沉加剧,干冷和暖湿气团交汇形成西南—东北向带状回波,雷达回波上"人"字形回波形成。     

一次西南涡特大暴雨过程中MCS的演变特征

采用常规观测、地面自动观测、风廓线雷达及多普勒雷达资料,结合NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料对2013年6月30日川渝特大暴雨过程中MCS的演变特征进行了分析,结果表明:(1)强降水及MCS均呈现增强—减弱—再次增强的演变特征,在MCS的增强阶段有中气旋和强降水超级单体的活动。(2)MCS生成并维持于西南涡前部次级环流的上升支内,西南涡缓慢东移并持续增强,为MCS的长时间维持提供了有利的背景动力条件。(3)MCS的波动性演变特征与西南涡的持续增强特征并不一致,其波动性演变与中低层西南风或南风急流的变化、低空及地面暖湿入流的变化有关。中低层西南风或南风急流的增强、低空及地面暖湿入流的增强均有利于MCS的增强。     

影响"05.06.25"长江流域暴雨的西南低涡特征

利用NCEP逐日再分析值资料,分析了影响2005年6月25日长江流域暴雨过程的西南低涡结构特征及其移动发展机制。结果表明:25日移出川东影响长江中游的西南低涡是一个显著不对称的斜压系统,其发展过程中始终伴随着强盛的西南低空急流;低涡移动过程中非地转平衡性很强,高层正涡度平流和低层暖平流的共同作用,是低涡移动过程中周围大气维持较大的非热成风涡度,从而造成低涡区域上空强上升运动的重要原因。     

一次西南低涡影响下的川渝地区 暴雨个例分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、卫星以及雷达资料对2015年8月16—18日影响川渝地区的一次持续性大暴雨过程进行了分析。结果表明:在亚洲中高纬和低纬相对稳定的环流背景下,两次高原涡东移、两次冷空气南下侵入四川盆地共同促进了西南低涡生成发展,造成此次大暴雨过程。西南低涡"初生形成"阶段,地面热低压东北侧有冷锋侵入,中心偏北形成暖锋,低涡近于正压;"稳定持续发展"阶段,冷锋南段移至地面热低压南侧,北段与暖锋结合形成准静止锋,低涡斜压性明显且呈近圆形,持续性暴雨主要出现在西南低涡的暖切变线附近和冷槽东侧;"东移变形减弱"阶段,冷空气第二次侵入,冷锋持续增强,西南低涡东移变形减弱。低层辐合、高层辐散、充沛的水汽输送以及不稳定能量的累积为西南低涡的加深、发展和强降水的维持提供了重要条件。西南低涡暖切变线和南侧冷槽附近发展起来的对流云团是暴雨产生的直接原因,强降水主要发生在云团上风方TBB梯度相对较大的区域。此次强降水过程的局地环流有低空急流和低空辐合线或切变线配合,雷达体积速度处理(velocity volume processing,VVP)法反演的风矢图可更直观地判断风向风速、天气系统所处的发展阶段以及判识辐合线或切变线,低空辐合线或切变线的演变以及低空急流的强度和移向对强降水天气产生的动力条件、维持时间和回波外推预报具有重要的指导意义。     

一次特大暴雨过程中涡度与急流的影响分析

利用自动气象站雨量资料,常规观测资料,FY-2D TBB云图资料以及NCEP再分析资料,对2013年6月30日～7月2日高原低涡东移和西南涡耦合形成的遂宁地区特大暴雨过程进行研究。主要分析了高原低涡和西南涡的耦合对此次强降水的影响以及低空急流演化和强降水的关系。结果表明:当高原涡和西南涡发生耦合时会使得高空低涡发展加强,并激发遂宁暴雨天气的产生。急流为高空低涡的发展提供不稳定能量。超低空急流和低空急流对强降水有提前2小时的指示意义,低空急流指数增大的过程和降水量的强度成正比关系。      

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。     

涡度收支与潜热释放对西南低涡形成的作用

利用中尺度WRF模式对2008年6月30日—7月1日生成于川东南地区的一个西南低涡的发生发展过程进行了数值模拟研究。模拟结果显示低涡首先出现在850 h Pa上,几个小时后700h Pa上才有低涡生成,850 h Pa低涡的形成与西南低空急流有着密切的联系。通过ω方程的诊断分析表明,涡度的水平平流项和辐散项对850 h Pa低涡的形成起主要作用,而潜热释放对850 h Pa低涡的形成作用不大;潜热加热是700 h Pa气流不断辐合从而形成低涡的主要因子。干敏感性试验研究进一步证实了潜热释放对850 h Pa低涡的影响不明显,但是会导致700 h Pa上气旋性的切变加强辐合从而形成低涡。     

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。      

2012年春季河南一次区域暴雨的诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°间隔6 h再分析资料,采用天气学诊断分析方法,对2012年4月23-24日河南省一次春季暴雨的形成机制进行分析,结果表明:高纬冷空气沿贝加尔湖低涡后部偏北气流南下,在河套西部形成深厚低槽,低槽携带冷空气东移,在河南境内与强盛的西南急流汇合,是本次暴雨过程的天气背景。冷空气的侵入有利于西南涡的加强,而南支槽前的正涡度平流促使西南低涡沿切变线向东北方向移出,使得切变线南侧西南低空急流加强,为暴雨的发生提供了有利的动力与水汽条件。短时强降水发生前,低层能量场出现明显辐合,当低层能量场转为辐散时,能量释放,有利于短时强降水的出现。高层辐散、低空辐合的动力条件配置,使得大范围垂直上升运动加强,特别是高层散度场的下伸,利于降水释放潜热,增加大气的不稳定,进而利于强降水的发生。850 h Pa垂直螺旋度中心大值区域能很好地反映切变线、急流等与低涡相联系的天气系统,其中心强度的迅速变化能较好地指示降水的落区和强度。     

浙江省春季至夏初飑线分型及对比分析

根据大尺度背景场的差异,将影响浙江省的七次飑线过程分为两种类型:冷涡类西北气流型和槽前西南急流型。通过环境场和雷达结构特征提炼异同点,结果表明:飑线系统发生在高空槽配合地面低压发展的有利环境场,对流层中高层相对干冷的平流叠加在低层暖湿气流之上,在对流发展区建立显著的条件不稳定层结。西北气流型由东亚大槽后干冷平流的强迫作用及925 hPa至地面辐合线触发产生,生命史长、强度强是主要特点;西南急流型飑线多发生在江淮低压冷锋南下型的地面形势场,西北东南移向的飑线主要由锋前低压系统内的冷暖交汇加上锋面抬升触发,而西南东北移向的飑线由西南急流强迫产生,低层西南急流脉动或风速辐合、地面辐合线等为触发抬升条件。T_850-500大于27 ℃,可以较好表征雷暴大风天气的环境场,B_li、B_CAPE等指示意义显著,而K指数和S_i指数对西北气流型飑线无指示意义。强的环境风垂直切变有利于飑线回波的组织化及回波垂直结构的倾斜;径向速度场的大风速区和MARC特征是飑线的共同特征,大风速区能直观地判断大风的位置和强度;阵风锋易出现在自北向南的强对流系统中,和阵风锋相交的回波强度强,持续久,易产生冰雹;冰雹回波在径向速度图上通常存在强的切变辐合或中气旋等共同特征。      

2003年夏季梅雨期一次强气旋发展的位涡诊断分析

通过位涡诊断和回推轨迹分析, 对2003年夏季梅雨期间一次强江淮气旋的发展过程进行了研究。结果表明: 气旋发展初期, 非绝热加热在气旋的低层发展中起了主要作用, 随后由于高层水平平流的增强, 通过垂直平流使高低层大值位涡耦合在一起, 从而使气旋迅速发展。从中、 高、 低层对位涡柱形成所起的作用来看, 低层主要是非绝热加热, 中层是垂直平流, 而高层主要是水平平流; 从构成气旋的气流来说, 在气旋迅速发展阶段, 低层主要以西南暖湿气流为主, 高层 (500 hPa以上) 主要以沿急流轴下降的高层干冷气流和对流层底层流向气旋东北部并迅速上升的暖湿气流为主。高低层冷暖空气的相互作用主要发生在600 hPa及以上层次, 因凝结加热引起的垂直运动通过垂直平流可能在冷暖气流相互作用和上下大位涡的垂直耦合中发挥了重要作用。     

引发四川盆地西南地区暴雨的高原涡特征分析

为进一步认识高原涡对盆地西南地区暴雨过程的影响,总结该区域暴雨预报经验,本文利用2001～2011年高原涡切变线年鉴、MICAPS实况天气图、盆地西南地区气象站日降雨量资料以及NCEP再分析资料,对引起盆地西南地区暴雨过程的高原涡特征进行总结分析,得到结论:1)引发盆地西南地区产生暴雨量级以上降雨的高原涡过程多发生在每年7月;高原涡东移将对盆地西南地区产生明显降雨;48小时后大部分高原涡减弱消失,少数继续东移或东南移;2)引发盆地西南地区产生暴雨的高原涡通常是暖性高原涡,高原涡东移48小时后有明显的冷平流入侵转变成斜压性低涡;这一类高原涡常常与高原切变、西南低涡、副高、低空急流以及南亚高压等影响系统相配合,共同作用产生一次暴雨过程;3)引发的盆地西南地区暴雨的高原涡过程的温湿场特征为:500hPa高原东部到盆地上空的大气高温高湿的特征明显,700hPa和850hPa盆地高温高湿,同时垂直上升运动旺盛且随高度向北倾斜。      

副高边缘暴雨的多普勒雷达回波特征

利用常规观测资料和多普勒雷达探测资料，对2003-2004年湖南省4次副高边缘暴雨的天气形势和雷达回波特征进行了分析研究。结果表明：4次暴雨过程的副高位置适当，高空有低槽，中低层有低空急流和低涡切变线，地面上有冷锋。在基本反射率图上，低槽暴雨有S-N向的窄带回波特征、冷式切变线暴雨有准W—E向的积层回波特征、暖式切变线有NE—SW向的积层回波特征，但每一次暴雨过程不尽相同。在多普勒速度图上常出现低空急流、冷暖平流、冷锋、逆风区以及高层大风核等特征，并常是几种特征同时出现，有利于强降水产生。     

2019年6月桂林三次强降水天气成因对比分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP再分析资料,对桂林2019年6月6-12日接连3次强降水天气过程的环流背景、影响系统与形成原因进行了对比分析。结果表明:(1)3次过程按影响系统分属暖区暴雨、低涡暴雨和锋面暴雨过程,均发生在高空急流右侧辐散、低空急流左侧辐合叠加区。(2)3次过程均受500 hPa短波槽和地面中尺度辐合线影响,但第1次过程中西南急流及地形等、第2次过程中低涡切变线、第3次过程中冷锋也起到重要作用。(3)3次过程的触发系统不同,第1次暖区暴雨过程迎风坡地形对其起触发作用,西南急流使得后向传播的对流云带维持;第2次低涡暴雨过程的触发系统为低层位于贵州一带的西南涡,西部冷空气侵入与西南急流加强是低涡对流云团维持较长时间的原因;第3次锋面暴雨的触发系统为冷锋,锋面配合锋前暖湿气流使对流云带加强。(4)第1次过程暖区暴雨MCS模态主要为线状后向扩建类,极端强降水出现在线对流中后端;第2次过程低涡暴雨MCS模态为涡旋类,极端强降水出现在涡旋中心附近;第3次过程锋面暴雨MCS模态由前期后部层云区线状对流转为层状云包裹对流系统,强降水发生在线对流弯曲或中心强回波处。     

由台风低压倒槽引发的山东暴雨过程研究

2004年8月26-28日发生在山东省的大到暴雨过程主要是由"艾莉"台风减弱的低压和西风带冷空气远距离相互作用造成的,台风倒槽的发展与低空东南气流的加强及台风低压外围热量和动量的向北输送密切相关.采用双向三重嵌套网格非静力模式MM5对这一过程进行了数值模拟,研究了台风倒槽的中尺度结构特征,并通过涡度收支探讨了台风倒槽及中尺度低涡发生发展的物理过程.结果表明,强降水是在台风倒槽顶部强风中心与弱风中心之间的强辐合作用下触发的,台风倒槽的增强和中尺度低涡的形成是低空急流及其动力作用的结果,降水的非绝热加热也起着重要作用.涡度方程的收支诊断表明,对流层低层的散度项、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,在同一等压面上散度项和水平平流项的作用是相反的.对流层中层铅直输送项的贡献为正,扭转项为负贡献,涡度变化的总趋势是它们相互作用的净结果.等压面上相对涡度的变化趋势并不是均匀的,中尺度低涡的东南象限相对涡度局地变化较强,这是强降水发生在此的重要原因.低层正涡度的增加是由水平辐合引起的,而高层正涡度的增加是涡度由低层向高层垂直输送的结果.因此台风倒槽的发展和中尺度低涡的形成主要是由于低层的涡度制造,另一方面来自中低层涡度的垂直输送.     

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。     

四川盆地“8.11”暴雨过程中低空急流作用分析

利用高空探测、地面加密区域自动气象站、NCEP1°×1°再分析、FY-4A红外云图、多普勒天气雷达和风廓线雷达等资料,分析了2020年8月11~13日四川盆地一次区域性暴雨过程的降水时空分布、环流背景和风暴系统演变等特征,并重点探讨了低空急流在此次过程中的作用。结果表明:（1）此次过程发生在“东高西低”的环流背景下,主要影响因子为500 hPa低槽、副高和西南涡。（2）低空急流的出现有利于正涡度柱的形成和上升气流支的建立,盆地西北部地形作用可以使上升辐合增强。（3）低空急流为暴雨区带来水汽和不稳定能量。（4）急流对降水风暴系统的影响主要分两个阶段。第一阶段以东南急流为主导,一方面引导对流系统向西北方向移动和增强,一方面在四川盆地西北部山前激发强对流回波带。第二阶段以西南涡西北象限的东北急流为主导,一方面在急流出口左侧形成强动力辐合,一方面将低涡南部的暖湿空气向MCS输送。整个影响过程中,急流主体下边界由3000 m下降到600 m,主导风向由东南风转为西北风。（5）低空急流增强时,MCS维持在代表站上游地区,呈准静止后向传播特征;低空急流减弱时,MCS的准静止状态被打破,对流系统迅速移向代表站,带来短时强降水。（6）龙泉山脉使近地层东北急流气旋性弯曲增大,水平辐合增强。当MCS经过时,龙泉山为地形辐合带,激发新生单体在山麓西侧形成并沿山脉向东北方向移动。      

长江流域不同区域暴雨发生机理的比较研究

对发生于1998年7月21日长江流域不同区域同时次的两个暴雨个例发生的机理进行了比较研究。结果表明：长江上游的贵州思南暴雨受西南涡、低空急流及南亚高压的影响，雨区位于低空急流的左中侧，水汽主要来源于孟加拉湾。而长江中游的武汉暴雨不受西南涡的影响，主要是边界层偏南风急流、低空西风急流、高空西风急流三者上下耦合的结果，其水汽来源主要是南海，暴雨区上空低层为非热成风的对流不稳定，高层为非热成风的对称不稳定。