汛期西南涡暴雨的数值模拟研究

利用西南区域数值预报模式系统SWCWARMS,结合全国汛期高空加密观测资料,对2013年6月29—30日的一次西南涡暴雨过程进行数值模拟和敏感性试验。结果表明,与控制试验相比,同化试验模拟的降雨与实况更为接近,并成功模拟出四川东部的强降雨中心,对于西南涡的模拟,同化试验西南涡出现时间更早,强度更强。并且,通过两组试验初值差异对比发现,同化试验初值在四川盆地对流层中低层表现出更强的低压,更强的涡度以及更强的旋转风扰动,四川盆地西部边坡也存在更强的上升气流,这都有利于西南涡的发生、发展。另外,同化汛期高空加密观测资料对强降雨中心单站的预报改进也较明显。因此,加强汛期加密气象观测,有利于揭示西南涡的发生、发展及其降雨天气影响,也有助于提升数值预报业务技术水平。     

一次西南低涡诱发四川盆地持续性暴雨的诊断分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°日4次再分析资料,针对2011年7月3—6日四川盆地持续性暴雨过程的影响系统和各物理量作了分析研究。结果表明:暴雨过程中不断有低压短波槽东移南下,西太平洋副高西伸至高原边缘,形成了有利的大尺度环流背景。对流层高层的强辐散与中层低涡的配合,低层强劲的南风暖湿急流与北风干冷气流在四川盆地内交汇,促使西南低涡发展和维持。高低层辐合辐散、对流运动强烈,持续强劲的水汽输送为暴雨维持起到了重要作用,暴雨持续期间产生不稳定能量释放从而又造成强烈的对流活动。螺旋度对暴雨落区及维持有较好的指示意义,暴雨落区与该地区上空中低层正、高层负局地垂直螺旋度中心有较好的对应关系。     

2011年夏季西南涡加密观测科学试验

本文总结了四川省2011年西南涡加密观测科学试验,包括在2010年试验基础上,2011年科学试验的基本特点、总体目标、具体方案等,并且,重点阐述了这次西南涡加密观测科学试验的主要成果及其业务应用,尤其是对改进数值天气预报业务能力的有益作用。     

2010年夏季西南涡加密观测科学试验

本文总结了四川省2010年西南涡加密观测科学试验的总体情况,包括科学试验的重大意义、总体目标、具体方案,预期成果和组织领导等,并且,重点阐述了这次西南涡加密观测科学试验取得的基本成果及其在业务中的实时应用,以及对于今后西南涡观测试验、科学研究和业务应用的重要价值。      

一次西南涡暴雨的位涡分析

利用NCEP提供的FNL再分析资料对2013年5月25—26日发生在我国中东部西南涡暴雨过程的初期阶段进行了位涡分析,结果表明:高原槽附近异常高位涡,促进了低层西南涡前期的发展,这对西南涡前期的预报有很好指导意义;西南涡发展前期,强降雨中心湿位涡正压子项自低层至高层呈现出"负—正"的分布特征,湿位涡斜压子项在中低层有强负值中心,反映出低层对流不稳定和垂直风切变对于对流性降水的促进作用;西南涡发展阶段,湿位涡正压子项正值中心呈现出倾斜漏斗状,斜压子项在降雨中心低层出现了强负值中心;强降水中心与低层扰动湿位涡负值有较好的对应关系,对于强降雨落区的预报提供了一种参考。     

一次西南低涡造成华南暴雨过程的FY-2卫星观测分析

2008年6月11-13日华南发生了一次西南涡暴雨天气过程,其中,广西区有6个台站11日20时至12日20时的降水打破6月雨量历史纪录,分别为东兰306mm、环江218 mm、灵川270mm、桂林251 mm、柳城177mm和田林163 mm.采用FY-2卫星云图资料、NCEP再分析资料、常规观测资料及地面降水资料,对这次强降水过程的暴雨云团及其影响系统和环境场作了分析研究.结果表明:(1)红外和水汽图像配合,可以反映西南低涡发展东移过程中低层辐合带云系、高空扰动云系和弱冷空气的不同作用,云图的演变过程可以刻画强降雨发生时低层辐合、高层辐散的气流结构.(2)本次广西特大暴雨过程可分为两个阶段,第一阶段主要是西南涡东南侧的暖区降水,对流云团分布范围较广,中尺度对流系统具有涡旋状云系结构;第二阶段有弱冷空气南下,在边界层辐合线的组织下,中尺度对流系统组织成线状云带,南移消失.过程中,无论是红外云顶亮温随时间的演变,或者是红外与水汽亮温差的时间演变均可以反映云团的演变过程,并与强降水有较好对应关系.在局地要素满足暴雨发生的必要条件下,监测多通道亮温的急剧下降,可作为重要指标提前2～3 h预警强降雨的发生.(3)西南低涡暴雨云团出现在西南涡东南和南侧的南风盛行区域,云团发展伴有低空急流加强,同时,云系发展与500 hPa正涡度平流的贡献有关.     

2012年夏季西南涡加密观测科学试验

在2010、2011年西南涡加密观测科学试验的基础上,中国气象局成都高原气象研究所又成功实施了2012年我国西南涡加密观测科学试验。本文总结了2012年西南涡加密观测科学试验的总体方案,重点介绍了这次西南涡加密观测科学试验在西南区域天气预报业务、数值天气预报中的具体应用,最后指出:西南涡加密观测科学试验的实时业务应用,对于提高灾害性天气预报能力具有重要作用。     

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.     

一次高原低涡东移引发四川盆地暴雨的机制分析

利用T213L19资料以及地面和高空观测资料,对2008年7月20～25日一次高原低涡东移引发四川盆地暴雨的机制进行了分析,结果表明:降水的发生、发展与湿位涡的时空演变有很好的对应关系,湿位涡高低层正负区叠加的配置是低涡暴雨发展的有利形势,MPV1负值中心和MPV2正值中心及其包围的密集区是暴雨产生的警戒区。中低层z-螺旋度水平分布对降水落区和强降水中心的分布有较好的指示性,z-螺旋度垂直分布能反映暴雨发生时大气的动力特征,雨区上空高层负涡度、辐散与低层正涡度、辐合相配合,是触发暴雨的动力机制;相对螺旋度与降水落区及降水中心亦配合较好,并与未来6h的降水落区和强度分布存在较好的正相关,这对降水落区及强度分布的预报有一定参考价值,强降水中心通常出现在相对螺旋度梯度的高值一侧。     

基于西南涡加密探空资料同化的一次奇异路径耦合低涡大暴雨数值模拟研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,引入业务探空资料和西南涡加密探空资料,对一次四川盆地奇异路径低涡耦合大暴雨过程进行了数值试验,对比检验不同同化试验对本次过程降水和低涡移动路径的模拟能力,分析了加密探空资料同化对西南涡结构及其降水演变的影响。结果表明:在同化业务探空资料的基础上,引入西南涡加密探空资料能改善模式对本次降水和低涡移动路径的模拟,而仅同化业务探空资料对模拟结果的改善作用有限;引入西南涡加密探空资料,一方面能在初始风场上产生气旋式扰动,增加初始高原涡和西南涡的强度,另一方面通过调整初始四川盆地上空大气温、湿度结构,使模式在积分初期就能产生出实况量级的降水;西南涡加密探空资料的同化试验揭示了仅靠高层的高位涡不足以激发和维持700 hPa的西南涡,需要通过低层水平辐合引起正涡度增加并向上输送来增强700 hPa的气旋式环流,进而促进西南涡的移动和发展,而模拟初期降水的潜热释放也起重要作用,加深了对西南涡及其降水成因的认识。      

西南低涡东移引发重庆暴雨的综合诊断

利用NCEP/NCAR Reanalysis 1°×1°格点资料和MICAPS实时观测资料,使用水汽散度垂直通量、湿螺旋度等新型诊断物理量,对2009年8月2~4日发生在重庆地区由西南低涡东移引发的暴雨做了综合分析。结果表明:水汽主要在大气低层850hPa附近积聚,上升运动强,水汽的辐合上升区域与降水大值区较吻合。500hPa湿z-螺旋度负值区水平分布与相应时段降水落区和强降水中心的分布对应较好,垂直分布上:暴雨区低层正涡度、水汽辐合旋转上升与高层负涡度、水汽辐散相配合,是触发暴雨的有利动力机制。      

中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究

由观测和数值模拟结果分析发现,2019年8月5～6日中国西南部的东移型致灾暴雨事件中存在三涡（南北双高原涡、西南涡）相继发展并导致暴雨加强和移动的现象。借助数值试验,研究了多尺度地形因子（青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形）各自对涡旋演变的作用。结果表明,横断山脉对西南涡的形成起关键作用,四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡（南侧高原涡）的移动,四川盆地地形只影响涡旋强度演变,但不会改变高原涡的移动路径。一旦横断山脉被移除,高原涡的东移现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响发现,发现坡度越陡,高原涡移动速度越快,且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论,解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响：随着坡度变陡,倾斜涡度发展系数沿涡旋下滑路径快速减小,对垂直涡度局地倾向的强迫作用,加剧了涡旋的快速加强。     

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。     

高原涡和西南涡影响的两次四川暴雨过程的对比分析

为了进一步研究高原涡、西南涡对西南地区暴雨的影响,本文用中国气象局自动站与CMORPH降水数据融合的逐时降水资料、国家卫星气象中心的逐时FY-2E卫星的云顶亮温（TBB）资料、欧洲气象资料中心（ERA-interim）的再分析资料,通过天气学诊断分析方法以及拉格朗日轨迹模式HYSPLITv4.9,对发生在四川盆地的有高原涡东移影响西南涡发展引发暴雨的两次过程进行对比分析,发现:（1）两次暴雨过程的降水强度和分布有明显区别,并且TBB活动特征显示在过程一中有MCC（Mesoscale Convective Complex）的产生和发展,过程二则没有。（2）对于过程一,500 hPa上,高原涡逐渐减弱为高原槽并伸展到四川盆地上空,850 hPa上,在鞍型场附近有MCC的产生和发展,200 hPa上,高原涡在南亚高压北部偏西风急流下方的强辐散区内,位于南亚高压东南侧急流区下方稳定少动,偏东风急流北部有辐散中心,有利于西南涡的加强。对于过程二,500 hPa高原涡东移在四川盆地上空与西南涡耦合,形成一个稳定且深厚的系统,这也是过程二的暴雨强度比过程一强的最主要原因。200 hPa上,四川盆地始终位于南亚高压东侧的西北气流中,“抽吸作用”明显。（3）在过程一中,位涡逐渐东传且位涡增加的地方对应强降水区与MCC发展区,反映了暴雨和位涡的发展基本一致。在过程二中,中层位涡高值区从高原上东移并下传至盆地上空,两涡耦合使得上下层打通,位涡值比耦合之前单独的两涡强度更强。 MCC产生的必要条件是中层大气要有强正涡度、强辐合和强上升运动,在未产生MCC前,过程一与过程二在盆地上空的动力条件甚至是相反的;从热力条件看,过程一中有明显的干冷空气入侵,增强不稳定条件,有利于MCC的产生并引发强降水;另一方面,本文也应证了二阶位涡的水平分布与暴雨落区有较好的对应关系。（4）通过拉格朗日方法的水汽轨迹追踪模式和聚类分析方法分析可得两次暴雨过程的水汽输送源地和通道也有明显区别,过程一主要有两条水汽通道,通道一来自阿拉伯海和孟加拉湾洋面的底层,通道二来自四川南部750 m以下高度;而过程二的主要水汽输送通道有三条,通道一来自西方地中海、黑海和里海上空1500～2500 m高度附近,通道二来自阿拉伯海和印度洋的底层,通道三的水汽从孟加拉湾低层绕过云贵高原直接输送到四川盆地。     

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。     

华北一次西南涡暴雨过程的诊断分析

利用一日4次1°×1°的NCEP再分析资料和常规观测资料,分析了2010年7月19日发生在华北地区的西南涡暴雨过程。结果表明：此次暴雨过程是不同尺度系统共同影响的结果,低空急流将水汽源源不断地向暴雨区输送,云水含量大值区与强上升运动和强降水时段有较好的对应关系,高、低空急流的耦合作用促进了上升运动,暴雨期间对流层低层有自南向北发展的高能舌维持,存在对流性不稳定层结,上升运动自低层向上发展,将低层的暖湿空气向上输送,使得大量的不稳定能量释放,为暴雨区提供了持续的能量。     

一次低涡影响造成的暴雨分析

通过对2011年5月广西出现的全区性暴雨过程前后低涡的发展、结构及雷达回波特征进行分析,发现暴雨的落区、强度和持续时间受低涡的发展、移动速度和方向的影响,通过低涡附近的各物理量场、层结特征及雷达回波特征可对暴雨预报有很好的指示作用。