近十年我国涡旋系统的研究进展

近年我国暴雨和强对流等中小尺度灾害性天气频发,涡旋是产生这些灾害天气的重要天气系统之一。为了不断提高对我国涡旋及其产生的暴雨和强对流天气发生发展机理的认识和预报准确率,本文对容易引发长江流域沿线灾害天气的三类涡旋(高原低涡、西南低涡和大别山涡)及对北方地区暴雨、强对流天气有重要影响的东北冷涡、中亚低涡的主要研究成果进行了梳理。主要回顾了近十年这些涡旋的识别方法、时空分布统计特征、三维结构以及产生的暴雨、强对流天气机理。最后,对与涡旋系统以及相关天气的研究与预报中的问题、未来发展方向进行了简要讨论和展望。

1981~2020年华南地区区域性极端降水事件研究

基于华南地区176个国家级自动气象站资料以及1981~2020年ECMWF ERA5再分析资料,采用区域性极端事件的客观识别方法(OITREE)、合成分析等方法,本文研究了华南地区区域性极端降水事件的时空分布特征,并分析了事件偏多年及偏少年的大尺度环流特征。主要结论如下:区域性极端降水事件的频次在年际尺度上的周期变化较为明显,并具有较明显的月变化特征,高发时段为5~6月;在极端强度及影响范围上,华南地区大部分区域性极端降水事件强度约130 mm d^(-1),较少事件强度超出320 mm d^(-1),且区域性极端降水事件的影响范围呈显著上升趋势(约310 km^(2)a^(-1));在事件的综合强度上,综合指数Z呈现显著的上升趋势[0.05(10 a)^(-1)],表明事件强度呈现显著增加的趋势;在大湾区及广东北部,区域性极端降水事件的累计降水及其对总降水的贡献呈显著上升趋势,而在广西南部地区,两者呈下降趋势;在事件偏多年,华南地区存在显著的西南风水汽输送及整层水汽通量强辐合的特征,而在事件偏少年,华南地区具有整层水汽通量辐合偏弱的特征;一般降水日,850 hPa上华南地区位于弱偏东南风区,区域性极端降水事件降水日,华南地区位于气旋性环流的东南部,受到明显的西南风风速大值带影响。

梅雨期青藏高原东移对流系统影响江淮流域降水的研究

利用GOES-9和FY-2C卫星TBB资料、1°×1°的NCEP再分析资料以及常规地面观测资料对2003和2007年梅雨期内青藏高原东移对流系统影响重庆、四川以及江淮梅雨锋地区降水的主要方式作了研究。结果表明,2003和2007年梅雨期内,青藏高原东移对流系统影响下游地区降水主要存在4种方式:(1)高原上的动力辐合中心伴随高原对流系统东移,影响所经地区的降水,该种影响方式较为常见,持续时间较长,影响范围较广。(2)高原对流系统移出高原后在四川盆地引发稳定少动的西南低涡,触发一系列暴雨过程,此种影响方式持续时间较长,主要影响地区为四川和重庆(往往会造成强度很大的暴雨),当西南低涡以东盛行较强西南风时,向梅雨锋的动能输送较强,这十分有利于梅雨锋地区对流活动和降水的加强。(3)高原东移对流系统在四川盆地触发西南低涡,西南低涡生成后,在引导槽的作用下沿梅雨锋东移,沿途引发一系列暴雨,此种影响方式持续时间最长,波及范围最广。(4)对流系统东移出青藏高原后直接影响下游地区,此种影响方式最为常见,但其影响时间最短,强度最小。对环境场的分析表明,高原强对流往往发生在500hPa影响槽槽区附近的上升运动区,当200hPa高空急流位置偏南且青藏高原东侧500hPa上有低槽向东移出时,高原对流系统较易移出高原。

一次引发强降水的东北冷涡的演变机理及能量特征研究

采用NCEP CFS 0.5°×0.5°的再分析资料,中国气象局常规地面观测资料和FY-2E卫星TBB资料对2013年7月上旬的一次引发强降水过程的东北冷涡典型个例进行了深入分析和诊断,研究表明:(1)本例冷涡的发展期是其降水和对流活动的最活跃时期,其对应的最小TBB在-60℃以下,最强6 h降水可达124 mm,南海、黄海和日本海是冷涡降水的主要水汽源地。(2)本例东北冷涡是一个深厚的斜压涡旋系统,其最强斜压区和动能大值区主要位于涡旋外围;冷涡的冷心结构主要位于对流层中高层和对流层低层。(3)涡度收支表明,与对流活动密切相关的垂直涡度平流是本次冷涡产生的主导因子;涡度垂直输送和辐合作用是冷涡快速发展的主导因子;而辐散作用则最终导致了冷涡的消亡。(4)能量收支表明,旋转风动能制造是冷涡生成过程中动能的主要产生方式,而冷涡发展期,旋转风动能输送是冷涡动能维持的主导因子。

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究1

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球。大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于"横槽转竖型",其中200hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件。(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱。(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持。寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持。

一类低涡切变型华南前汛期致洪暴雨的分析研究

采用2008年我国南方暴雨野外科学试验(SCHeREX)加密资料和NCEP再分析资料、FY-2C卫星TBB资料以及常规观测资料对广西致洪暴雨进行了研究。研究发现,西南涡是此次暴雨过程的直接影响系统,对流和降水主要发生在低涡的中部及其东南方。中高纬切断低压和副热带高压稳定维持,500hPa短波槽沿高原东侧南下,诱导西南涡向东南移入广西,这种情况并不太常见,这是由于槽后冷空气活跃,但路径偏西。受副热带高压西伸影响,低槽与西南低涡移动缓慢。在移入广西前西南涡一度减弱,但由于有明显的中、低纬系统相互作用存在,季风槽为本次暴雨输送了充沛的水汽,致使西南涡再度加强,引发暴雨。暴雨过程中中尺度对流云团活动频繁,强度大,降水强,有大约11个中尺度雨团缓慢移动。桂林的探空资料表明,暴雨区中低层温度层结多为中性,这可能是对流混合的结果,西南涡过境后,低层风场有明显变化,大气抬升凝结高度显著降低,对流有效位能(CAPE)由于释放而降低。在上述研究的基础上,本文提出了一类华南前汛期低涡切变型暴雨概念模型。

2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征

本文采用观测和NCEP分析场资料对2012年7月21日发生在北京地区的特大暴雨过程的天气形势、水汽来源和中尺度对流系统的特征进行了研究。结果如下:"7.21"北京暴雨过程是高低空与中低纬系统共同配合的结果,暴雨发生在"东高西低"的环流形势下,低涡、切变线、低槽冷锋和低空急流为此次过程的主要影响天气系统;孟加拉湾至西太平洋地区热带辐合带(ITCZ)活跃,其中热带气旋的活动有利于水汽向东亚大陆输送,此次暴雨过程中华北地区的水汽源地包括孟加拉湾和我国东部的渤海、黄海等,低层的水汽主要来自东部,中层的水汽主要来自孟加拉湾;北京的强降雨有两段,第1段降雨虽然发生在冷锋前,但有明显冷空气的侵入,并与地形和东风的作用有关,第2段降雨对流的组织和增强与冷锋强迫相关。在有利环境下,中尺度对流系统频繁发生发展,持续时间长,且稳定少动是此次特大暴雨形成的重要原因。

中国暴雨的科学与预报:改革开放40年研究成果

总结了改革开放以来中国学者在暴雨科学与预报领域取得的重要研究进展和主要成果。其中,暴雨机理研究成果从重要天气系统、中国主要区域的暴雨、台风暴雨等3个方面分别进行综述,而暴雨预报技术研发与应用则从中国数值天气预报发展和暴雨预报客观方法两方面进行归纳。

区域西风指数对西北地区水汽输送及收支的指示性

利用1951—1999年NCEP/NCAR(2.5°×2.5°)再分析逐月资料,分析了我国西北地区的水汽输送和收支的平均状况.结果表明:我国西北地区的水汽输送主要集中在夏季,西风气流是西北地区水汽输送的主要载体,大西洋、北冰洋、黑海和里海是西北地区水汽输送的主要源地;西风气流输入到西北地区的大部分水汽继续向东扩散,最后从东边界输出.选择夏季,根据设计的区域西风指数研究了区域西风指数对西北地区水汽输送以及收支的指示性,经检验,区域西风指数对西北地区的水汽输送和收支有良好的指示性,夏季区域西风指数异常强(弱)年份西风气流输入西北地区的水汽量大(小),同时水汽净收支大(小),有(不)利于降水的形成.

金塔绿洲的辐射平衡特征和地表能量研究

利用2005年5月23日～7月8日在甘肃省金塔绿洲开展的"绿洲系统能量与水分循环过程观测实验"所取得的资料,分析了金塔绿洲不同天气条件的辐射平衡、地表能量收支和土壤温度的日变化规律,并将研究时段内各量的平均值与晴天进行了对比。结果表明:不同天气条件下,辐射平衡和地表能量平衡各分量昼间变化差别较大,夜间也存在一定的差异;土壤温度随净辐射能的变化而变化,随着深度的增加,土壤温度受太阳辐射的影响变小;观测期间辐射平衡、地表能量和土壤温度平均的变化形态与晴天比较接近,云和降水的扰动削弱了除潜热通量外的其它量。

江淮流域持续性强降水过程的多尺度物理模型

本文对江淮流域持续性暴雨事件(PHREs)的多尺度物理模型和能量转换特征以及青藏高原东部对流系统东移影响下游地区降水的研究成果进行了总结。从欧亚大陆Rossby波列能量频散的角度揭示了江淮流域PHREs中纬度系统槽脊稳定的机制,定量分析了冷暖空气的源地和输送路径,提出了江南型和江北型PHREs的多尺度物理模型。从天气尺度和次天气尺度之间的能量转换角度呈现了不同尺度系统相互作用的物理图像,指出背景场的能量供给是直接触发暴雨的次天气尺度系统维持的最重要因子,尤其是在对流层的低层,动能的降尺度级串(即能量由背景场传递给次天气尺度系统)最强。研究表明青藏高原东部对流系统东移影响江淮流域的降水是一系列天气系统配合和活跃的结果,主要由青藏高原和四川盆地、二级地形和东部平原之间的热力环流、西南涡、二级地形以东中尺度涡旋和对流系统的共同影响。除了本文总结的内容,还有一些影响PHREs的因子值得深入研究,多尺度相互作用中的Rossby波源及其波列如何影响天气系统,中尺度系统对其背景场的能量反馈等。

2010年秋季一次海南东海岸特大暴雨的中尺度分析

综合利用NCEP再分析资料、地面加密观测、多普勒雷达观测和卫星观测等常规和非常规资料,对2010年10月5日海南琼海特大暴雨过程的天气背景、环境场特征以及中尺度云团的活动特征进行分析。这次过程发生时热带辐合带(ITCZ)异常活跃,热带低压在海南岛附近活动,为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景,偏东气流在海南岛的东岸特殊地形的影响下形成中尺度切变线。切变线上有中尺度对流系统自南向北移近琼海,并发展加强。采用WRF模式的精细模拟结果,进一步研究了造成琼海特大暴雨的中尺度对流系统形成和维持的主要原因。结果表明,在海南岛东岸稳定维持的β中尺度对流带及其上活跃的对流系统是造成特大暴雨的直接影响系统。新的对流系统不断地沿对流带尾部生成,并沿对流带自南向北移动发展可能是造成琼海地区强降水持续的直接原因。该模拟阶段雨强的发展加强,伴随着偏东风急流的发展和北抬。急流的扰动不仅增强垂直风切变,还通过倾斜项的作用将水平涡度转化为垂直涡度,同时,在海南岛中尺度地形的抬升和阻滞下,并有水平平流及热力条件的配合,使对流在迎风坡的上游发展加强,造成此次特大暴雨。

“7·20”华北和北京大暴雨过程的分析

本文对2016年7月19—21日华北及北京的特大暴雨作了研究和讨论。研究表明,该次暴雨为诸多有利因素所致:前期副热带高压呈带状稳定维持,中旬末东退,后呈"东高西低"分布,华北处于槽前辐合上升区,有利对流发生。高空西来槽停滞加深(并切断)与低层江淮暖性倒槽叠加,快速发生发展成为一深厚的气旋,出现了高低空系统的耦合。有一支暖(湿)输送带自南向北推进至关重要,源地可追踪至南中国海等低纬度地区,水汽通量辐合大值区先后经长江、黄淮至华北,有明显的中低纬度系统的相互作用。2016年的"7·20"暴雨和2012年"7·21"暴雨均存在明显的多尺度特征,但其具体特征有所不同。前者强烈对流活动稍弱于后者,降水趋势平稳,然而由于其大尺度强迫持续时间长,累积降水量仍然较大。本文主要集中于一些事实的分析,对于该次暴雨的机理尚需作进一步研究。

冬季一次引发华北暴雪的低涡涡度分析

利用NCEP FNL 1°×1°再分析资料和WRF模式,模拟了2010年1月2～3日我国华北地区的一次由涡旋造成的冬季降雪过程,并采用位涡和涡度方程对引发暴雪的涡旋发展机制进行了诊断分析。结果表明,这次降雪过程中,对流层中层高空浅槽东移、加深及发展,并引导低空和地面系统自西向东移动,高空位涡的下传强迫加强了对流层中低层涡旋的发展。平均通量和涡旋区域的辐合、辐散作用对涡旋涡度的增长贡献最大,扰动通量和类倾斜项的作用较小。在中层涡旋成熟期,环境场的风速小于中层涡旋的移动速度时,环境场相对于涡旋区域为辐散,涡旋涡度减小;当环境场风速大于涡旋的移动速度时,环境场相对于涡旋区域为辐合,涡旋涡度增加。在涡旋衰减期,向涡旋外输送的绝对涡度通量使得涡旋涡度逐渐减弱。这次过程中,高空位涡强迫、低空辐合和涡旋边界平均气流对扰动涡度的输送是涡旋发展的主要机制。

2004年9月川渝大暴雨期间西南低涡结构及其环境场的分析

采用NCEP再分析资料、常规观测资料、卫星云图资料及地面降水资料，对2004年9月2日～8日发生在川东和重庆的大暴雨的影响系统及其环境场作了分析研究。结果表明，此次暴雨分为三个阶段，降水系统主要有两个：第一、三阶段的主要降水系统是低空切变线；第二阶段的主要降水系统是西南低涡，而西南低涡影响期内的雨量最强、范围最大。西南低涡开始时为一口中尺度系统，最后发展达α中尺度系统。其影响时间从4日00时到6日06时（国际协调时），持续了54小时。本文对此次暴雨过程所做的研究表明，川东地区的特殊地形，500hPa高空小槽以及700hPa、850hPa低层鞍型流场均是西南低涡产生和维持的重要条件；西南低涡上层为暖性结构；在暴雨过程中有20个雨团接连发生，中尺度系统是这次暴雨的直接影响系统；对水汽收支的计算表明，水汽可能来自于低纬度热带地区。本文还对西南低涡与东北低涡的异同作了比较。

夏季长江流域两类中尺度涡旋的统计与合成研究

利用2000～2013年夏季6 h一次、水平分辨率为0.5°（纬度）×0.5°（经度）的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析资料,对产生于四川盆地的西南涡和产生于大别山地区的大别山低涡进行了识别,统计出西南涡和大别山低涡的发生频数、初生时段、移动路径、三维结构等气候特征;在此基础上根据涡旋生成前的地面气压场和降水特征,对西南涡和大别山低涡分别进行了分类与合成研究,并细致对比了两类涡旋的异同点,主要结论如下：（1）西南涡在7月上旬最活跃,而大别山低涡则在6月上旬发生频数最高。凌晨时段是两类涡旋的高发期;西南涡日间的生成数目多于夜间,而大别山低涡则与之相反。（2）绝大多数西南涡和大别山低涡维持时间少于12 h;绝大多数西南涡维持准静止,而大别山低涡则主要向东北方向和偏东方向移动。（3）两类涡旋均为对流层中低层的低压系统,其中大别山低涡的垂直伸展层次较西南涡更低。相比于西南涡,由于水汽条件更优,大别山低涡所引发的降水更强,强降水的凝结潜热释放使得大别山低涡的平均生命史比西南涡更长。（4）产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡而言,对流层高层南亚高压的强度更强、辐散更显著;对流层中层与500 h Pa西风带短波槽的配置条件更好;对流层低层涡旋中心附近的辐合更显著、切变更强;并且对流层中低层的上升运动更强。这些都是有利于降水发生与维持的有利条件,而与降水凝结潜热密切相关的热力强迫使得产生前有降水的西南涡/大别山低涡相比于产生前无降水的西南涡/大别山低涡拥有更长的生命史长度,更大的水平半径和更大的涡旋生命史内降水量。

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能,首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程,然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟,最后对金塔绿洲、戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明:RAMS模式对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好,基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势,较好地模拟出了绿洲—沙漠环流引起的绿洲"冷岛效应"和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的"逆湿"现象;RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况,而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量,三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近;同MM5模式的模拟结果比较,RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。

“21·7”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征

2021年7月17日至22日河南省遭遇了罕见特大暴雨过程,特别是郑州市在7月20日出现了极端降水事件。本文首先分析了有利的大尺度环流背景,然后采用多源高分辨率观测和再分析资料深入分析了此次特大暴雨过程中不同阶段的水汽来源以及中尺度系统的活动特征。此次特大暴雨过程主要分为三个阶段,其主要的中尺度系统包括:黄淮气旋、中尺度对流系统(MCS)以及与MCS伴随的中尺度对流涡旋(MCV)。第一阶段(7月17~18日)主要为分散性降雨,水汽主要来自于南海、东南沿海、西北太平洋、长江中游地区的近距离水汽输送和河套地区。影响河南地区的中尺度系统为黄淮气旋,其于7月15日11时(协调世界时,下同)生成河南的东北部,18日23时在河南西南部消亡,垂直伸展最大高度为1000~350 hPa,维持时间约为89小时。第二阶段(7月19~20日),随着西太平洋副热带高压的北抬和台风“烟花”的西进北移发展,西北太平洋的水汽贡献也逐渐增多。由于黄淮气旋中心移动到河南西南部,其北部东南气流影响河南大部分地区。二级地形(伏牛山)东部的局地对流发展为MCS。由于地形的抬升作用,对流系统中强上升运动的维持有利于低层气旋性切变的增强,从而诱发了对流层中低层(750~600 hPa)MCV的生成。MCV的增强发展又进一步促进了MCS的维持以及偏南气流的增强。偏南气流输送大量水汽有利于午后分散性强对流单体的生成,分散对流单体与原有河南中北部MCS的合并后增强发展,从而造成了郑州极端小时降雨的出现。第三阶段(7月21~22日),暴雨过程的水汽主要来自于西北太平洋地区,其主要影响系统是MCS。低层气流受到二级地形(太行山)的阻挡,地形东部边界强的水汽通量辐合有利于MCS不断与新生对流单体合并发展,从而在河南、河北交界区域产生较强的降雨中心。

青藏高原东移云团研究进展

青藏高原对流云团东移常造成长江流域暴雨等灾害性天气发生,当前这类暴雨是业务预报上难点之一。开展高原云团东移特征及其演变机理研究具有重要意义,结合已有研究成果,针对高原东移云团的相关研究进行回顾和总结,包括高原东移云团引发长江流域暴雨的观测事实、东移云团的活动特征及其环流条件,凝练了高原云团东移的物理模型,最后针对地形影响对流降水发展的经典研究成果进行了简要的概述。

长江流域雨季中尺度对流系统研究——国家自然基金重点项目(40930951)成果简介

长江流域产生暴雨的中尺度对流系统(Mesoscale convective systems,MCS)是雨季强降水的重要影响系统,深入研究它的组织结构、活动规律及其发生发展机制,对提高暴雨的预报能力有重大意义。近3年来依托国家自然基金重点项目对中尺度对流系统展开了一系列研究,包括对长江流域产生暴雨的MCS进行组织形态分类、分析了不同线状MCS的结构特征、合成分析了各线状MCS产生的环境条件;我国三阶地形对降水的影响,尤其是山地—平原环流对梅雨锋夜间降水的影响;中尺度地形对对流降水的影响;湿斜压热动力耦合强迫激发MCS发生发展的影响;最后总结了长江流域产生暴雨的MCS的物理概念模型。