新疆北部暖区暴雪的中尺度模拟及云微物理特征研究

暖区暴雪罕见且易致灾,对其准确预报既是重点又是难点。本文采用WRF中尺度模式中Lin、Thompson、 WDM6和WSM6四种云微物理方案对2016年11月中旬一次典型新疆北部暖区暴雪过程进行数值模拟,评估模式对暖区暴雪过程的模拟能力,遴选最优参数化方案,分析暴雪过程中水凝物粒子垂直分布及演变特征,探讨导致暴雪过程的相关中尺度系统的发生发展规律。分析结果表明:(1)不同云微物理参数化模拟中,Lin方案效果最佳,较为成功地模拟出降雪量级、落区和趋势。(2)云中各种水凝物粒子活跃于对流层中下层,其中以霰和雪最多,自高层向低层分别分布着冰晶、雪、云水、霰粒子,阿尔泰山迎风坡附近为各水凝物粒子浓度大值中心,强降雪区四种云中水凝物粒子高值中心垂直对齐有利于各粒子间的转化。(3)上游高湿系统沿西路移动,低空偏南急流增强时水汽汇合强烈,阿尔泰山脉西麓迎风坡阻挡利于水汽辐合;低空偏南急流使暴雪区低层增温,不稳定条件增强,垂直次级环流发展,次级反环流的增强促进不稳定能量的释放,加剧垂直运动增长,为大暴雪的发展和维持提供较强的动力抬升条件,对暴雪起增幅作用。

2024年1月引发雪崩的阿勒泰极端强降雪天气成因和预报分析

在北疆典型双阻型暖区暴雪天气环流形势稳定影响下,2024年1月6-12日新疆北部阿勒泰出现一次极端强降雪过程,多站突破历史同期极值,导致阿勒泰山区多处出现雪崩,本文基于国家站和区域气象观测站逐小时实况观测资料、ERA5再分析资料、区域模式(CMA-MESO、CMA-TYM)和全球模式(CMA-GFS、ECMWF)预报资料,对此次过程的降雪特征、环流形势、极端性成因及模式预报性能进行分析,结果表明:(1)强降雪过程呈持续时间长、累积降水量大、小时降水量多等极端性特征,根据环流形势演变和降雪特征,降雪过程可分为三个阶段。累积降水量分布呈平原地区向山区递增的特征,强降雪主要集中在第二、三阶段,以上两个阶段阿勒泰北部沿山地区和山区新增积雪大、小时积雪多、雪水比大,满足雪崩形成的关键气象条件。(2)此次过程500hPa强盛极锋锋区不断分裂短波系统先后东移影响阿勒泰,850-700hPa长时间维持暖式切变线,并伴随强暖锋锋生,强降雪发生在300hPa极锋急流出口辐散区、850hPa切变线以北至700hPa切变线附近区域。(3)第二、三阶段阿勒泰北部尤其是北部山区水汽条件异常偏强,叠加地形增幅作用,低层动力抬升作用异常强盛,并长时间维持,是造成极端强降雪的重要原因。(4)区域模式对强降雪预报好于全球模式,但对极端性预报能力仍有限。ECMWF极端预报指数预报产品(EFI)和国家气象中心集合平均异常天气预报产品(EMAF)在中期时效能较好地发现了极端天气信号,强化相关产品的应用,并结合模式定量预报结果作出调整,可进一步提升对极端天气事件的预报预警精细化服务效果。

诱发哈萨克斯坦夏季强降水的环流结构特征

采用FNL1°×1°和CPC0.5°×0.5°再分析资料,通过对比分析夏季哈萨克斯坦不同区域的3次强降水过程的环流特征,揭示了诱发强降水的环流结构。结果表明:哈萨克斯坦各区域出现强降水时,西部和东部的强降水中心位于高空急流带入口区右侧,北部位于出口区左侧,辐散抽吸作用有利于上升运动发展;强降水的影响系统主要为500 hPa低涡,强降水中心位于低涡槽线前部西南气流带上,中层温度平流对强降水发生有促进作用,西部和北部强降水中心位于低层冷平流大值区,东部则位于东北冷平流南侧的气旋性辐合区;除哈萨克斯坦东部强降水受地形影响地面系统尺度较小外,西部和北部强降水时地面有明显的冷锋,并存在气旋性的辐合切变,冷暖汇合形成的辐合线是强降水的主要中尺度触发系统;哈萨克斯坦强降水的水汽源地主要为地中海、黑海、波斯湾和北冰洋,经长途输送在强降水区形成强的水汽辐合,辐合值>40×10^(-6) g·cm^(-1)·s^(-1)。

西天山南麓两次暴雪过程对比分析

利用常规气象观测、FY-4A卫星及ERA5再分析数据,对比分析2021年2月25—27日(过程I)和4月1—4日(过程II)西天山南麓阿克苏地区拜城县2次暴雪过程成因。结果表明:两次暴雨过程均在中亚低值系统影响下发生,300 hPa偏西急流、500 hPa低涡(低槽)、850 hPa偏东急流、地面冷高压冷锋及暴雪区上空垂直环流的发展是形成暴雪的主要动力机制;均有偏西和西南路径的水汽输送,水汽强辐合出现在700 hPa;降雪期间TBB极值、<-30℃的维持时间及>-5℃对降雪量级、持续时间及降水相态预报有指示意义。不同点主要表现在:过程I为中亚低槽快速东移型,偏东急流仅在850 hPa,急流强度较弱且位置偏南;过程II为中亚低涡缓慢东移型,700、850 hPa有明显偏东急流且持续时间长,位置西伸至阿克苏地区北部;过程II上升运动中心更接近暴雪中心,且强度强、伸展高、持续时间长,冷暖交汇更剧烈,偏东水汽输送明显且辐合强度更强、辐合持续时间更长。

南疆西部暴雨的动力热力特征分析

采用NCEP1°×1°再分析资料,对2012年南疆西部3次暴雨过程中的锋生函数和湿位涡特征的对比,分析南疆西部降水的动力、热力条件与降水的关系,结果表明:锋生函数和湿位涡与南疆西部的降水有很好的对应关系,并能较好地反映降水的动力、热力机制。西部翻山的和东部"东灌"冷空气与南疆盆地的暖空气冷暖交汇,形成锋生。低层锋生达6×10^(-9) K·s^(-1)·m^(-1)以上时,低层辐合叠加地形强迫提供动力作用,触发降水。锋生的强度与降水强度成正比。低层辐合,暖气团被抬升,中层锋生强度达4×10^(-9) K·s^(-1)·m^(-1)以上时,冷暖交汇的热力作用和水汽凝结,使降水维持,形成暴雨。暴雨时有>3 PVU的正湿位涡叠加于负湿位涡之上,低层负湿位涡<-3.0 PVU时易出现短时强降水。垂直分布上前倾结构形成对流性降水,后倾结构形成持续性降水。

2016年新疆一次大降水天气过程分析

利用中国气象局MICAPS资料,对2016年7月31日—8月2日新疆一次大范围的大降水天气的形势场、高低空配置、风场、云图、雷达特征及预报检验进行了分析。结果表明,造成这次大降水的主要形势场是南北两支低槽结合,存在高空偏西急流、中层偏南急流和850 h Pa配合有偏东风,3支气流的维持加强,为大降水提供了充沛的水汽条件。降水区雷达回波维持时间长,存在辐合区,位置稳定;短时强降水的时段,有逆风区存在,回波顶高达到12 km。EC细网格预报72 h内在降水落区、降水量级、暴雨落区的位置和范围方面较WRF准确率高,但对伊犁北部降水量预报较实况量级偏小。

新疆北部持续暖区暴雪过程动力特征分析

利用常规观测、地面自动气象站逐小时观测及NCEP/NCAR逐日4次1°×1°再分析等资料,对比分析2016年11月中旬新疆北部暖区暴雪过程中两个强降雪中心裕民与青河的物理量特征,重点讨论暴雪的动力耦合机制,结果表明:此次强降雪为典型暖区暴雪的天气系统配置,500 hPa高度上,新疆北部在西伯利亚低涡底部强锋区内,700 hPa和850 hPa有偏西低空急流和切变线,新疆北部受地面暖低压控制。上升运动和垂直螺旋度主要集中在700 hPa以下,低层辐合、中层辐散是上升运动的动力维持机制。两种情况下可使上升运动增强,降雪强度增大:一是当垂直螺旋度呈"上负下正"结构、垂直螺旋度的绝对值增大时;二是当暴雪区上空湿位涡MPV1呈"上正下负"结构、MPV2<0,且θse密集陡立带向暖区倾斜、垂直涡度增长时。涡度对上升运动的发展亦有正贡献。

1961-2019年乌鲁木齐市暴雪环流分型及其成因分析

利用1961—2019年降雪期乌鲁木齐市5个国家气象站日降水资料、NCEP逐日4次0.25°×0.25°和1°×1°再分析资料,统计分析乌鲁木齐市暴雪特征及大尺度环流形势,归纳出现暴雪的3种典型环流类型,并分别选取典型个例进行诊断和对比分析。结果表明:(1)乌鲁木齐市暴雪发生频率以0.3次·(10a)-1趋势上升,具有准20 a振荡周期,发生次数最多为3月(40%),11月次之(32%)。(2)乌鲁木齐市暴雪分为槽前西南气流型、高空槽东移型和强锋区型,强锋区型比例最高但降雪量小,槽前西南气流型持续时间长且降雪量最大,高空槽东移型最少但影响面积更大且雪强更强。(3)乌鲁木齐市暴雪的主要影响系统为300 hPa极锋急流、500 hPa偏西或西南气流、700 hPa低空偏北急流和850 hPa西北气流。(4)形成乌鲁木齐市暴雪的机制为低层偏北气流遇山堆积迫使暖湿空气抬升形成“冷垫”,并与500 hPa以上西南气流形成强垂直风切变和深厚的锋生区,但因三类过程强锋生维持时间和锋面斜率与伸展高度的不同使产生暴雪的原因有明显差异。(5)暴雪的水汽输送主要为西南、偏西和西北路径,槽前西南气流型和高空槽东移型在西南气流引导下直接输送至暴雪区上空,强锋区型则由水汽的接力输送形成水汽汇合。本研究对乌鲁木齐市暴雪天气系统结构特征进行了分类和归纳,为预报服务提供有效参考依据。

新疆北部夏季大范围极端降水及其环流异常特征

基于1961—2017年夏季新疆北部45个气象站逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用百分位法确定夏季极端降水事件阈值,分析新疆北部夏季不同等级极端降水频数的时间变化特征及雨量与夏季最大日降水量、同月降水量的关系,并通过欧式距离法对12个5级大范围极端降水个例进行聚类分析,重点探讨大范围极端降水分布的环流特征。结果表明:近57 a新疆北部夏季不同等级(4级除外)极端降水频数均呈显著上升趋势,多数站点5级大范围极端降水量为当年夏季最大日降水量,平均占研究区同月降水量的28.6%。夏季大范围极端降水空间分布表现为3种类型,对应200 hPa西亚副热带西风急流轴偏南,40°N以南地区西风加强,500 hPa乌拉尔山高压脊引导冷空气南下,西西伯利亚或中亚地区低值系统活跃,下游贝加尔湖地区高压系统强盛,但系统位置、范围和强度不同,导致大范围极端降水落区不同。同时,中亚地区和新疆东部下游地区分别存在异常的气旋式和反气旋式水汽通量距平,新疆北部异常偏南或偏东的水汽输送为大范围极端降水的发生提供了有利条件。

1970—2019年夏季南疆低空垂直速度与降水量时空变化特征

利用1970—2019年南疆59个气象观测站逐日降水资料及NCEP再分析月平均垂直速度资料,采用Mann-Kendall突变检验、小波分析、EOF分析等方法,分析夏季南疆上升运动和降水量的时空特征及相关关系。结果表明:近50 a夏季南疆降水量由“暖干”向“暖湿”转变,且在1990年发生突变,具有5~10 a年际尺度和21~27 a、14~18 a年代际尺度的周期变化规律,空间上呈现北多南少、西多东少的分布特征。低空上升运动由弱转强,850 hPa上升运动在2004年发生突变,700 hPa无显著突变点,其年际及年代际尺度具有与降水相同的变化周期,空间上巴州及吐鲁番市部分区域上升运动减弱,降水量减少,其它区域上升运动增加,降水量增多,其中克州、喀什地区上升运动增加显著,降水量增加速率最大,达1.0 mm/a。低空上升运动和降水量呈显著正相关,且700 hPa相关性大于850 hPa。

中亚低涡引发的两次南疆西部暴雨中尺度特征对比分析

选取南疆西部区域自动气象观测站逐时降水量资料、气象站常规观测资料、FY-2D云图TBB资料、NCEP再分析资料以及ECMWF和T639客观分析场资料,采用统计分析和滤波方法对2012年5月21~23日和2013年5月26~29日2次发生在南疆西部的暴雨过程进行对比分析。结果表明：2次暴雨过程均为中亚低涡影响形成,暴雨中心一致,但降水范围、持续时间和降水强度明显不同,中尺度系统的差异是其可能原因。2次暴雨过程分别由中-β系统和中-α系统影响形成,过程的影响系统尺度小,则雨强大、降水时间短,反之亦然。地形作用下的中低层抬升和辐合是南疆西部降水形成的重要原因。地面辐合线是南疆西部暴雨的主要中尺度影响系统,是暴雨的重要触发机制。冷空气翻越帕米尔高原进入盆地,与盆地暖湿气团交汇,形成强辐合线,不稳定强烈发展,利于出现对流性降水,降水强度大。

昆仑山北麓两次极端暴雨水汽特征对比分析

使用高空、地面观测资料、地面自动站雨量资料和美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料,通过水汽通量诊断分析、后向轨迹模型等方法,分析了昆仑山北麓和田地区2020年5月5—7日(简称“05·06”过程)和2021年6月14—17日(简称“06·15”过程)两次极端暴雨过程的环流形势、中尺度系统、水汽输送和收支特征。结果表明:(1)两次暴雨过程有共同的特点:影响系统都为中亚低涡,均有来自里海、咸海一带的水汽输送;对流层低层偏东急流作用显著,最强水汽辐合集中在700~850 h Pa。(2)两次暴雨过程也有明显差异:“05·06”过程的南亚高压为带状分布,水汽输送路径为西方和偏东路径,其中西方路径水汽输送最明显,西边界水汽输入贡献占88%;“06·15”过程的南亚高压为双体型,水汽输送路径为北方和偏南路径,水汽来自阿拉伯海和孟加拉湾的偏南气流向北输送,南方路径输送量远远大于其他路径,南边界水汽输入贡献占78%。(3)和田大气可降水量(PW)增大尤其是超过平均状态时,对强降水出现有指示意义,当PW≥20 mm以上时,可能会出现暴雨或极端暴雨天气。

中亚五国暴雨分布及其环流特征

采用NCEP/NCAR全球逐日格点再分析资料,分析了中亚五国暴雨的落区特征,归纳了不同落区暴雨环流形势的天气学特点。结果表明:中亚五国暴雨次数较少,局地性强。暴雨3个相对集中的区域分别为哈萨克斯坦西部、北部和东部。中亚五国暴雨的环流可分为11个环流型。中亚五国暴雨的影响系统主要为东欧低值系统东南伸,西西伯利亚低值系统西南伸,以及中纬度西风带上东移的短波。伊朗脊是控制中亚五国降水的主要天气系统。中亚五国降水主要有3个水汽源地,分别是地中海、大西洋和北冰洋。

塔克拉玛干沙漠南缘两次极端暴雨的气流模型与水汽输送特征

采用区域自动站逐小时降水观测数据、GPS/MET大气可降水量观测数据和NCEP/NCAR提供的FNL0.25°×0.25°分析数据,通过对比塔克拉玛干沙漠南缘和田地区2次落区接近、强度不同暴雨过程的环流和水汽特征,分析了影响极端暴雨产生的急流和水汽因子指标,结果表明:沙漠南缘暴雨时环流配置符合“三支气流”模型,高空急流、中层偏南风、低层辐合切变的强度与降水量正相关,当高层有极涡直接南伸至中亚发展而成的副热带大槽、中层有气旋前部的强偏南或西南气流、低层有偏东风急流明显西伸与西风急流形成强辐合时,有利于出现极端暴雨。沙漠南缘暴雨的水汽源地、输送路径、水汽含量、饱和层厚度与降水量相关,暴雨的水汽源地一般为欧洲和北冰洋,降水区水汽输入以中低层为主,低层比湿>6 g·kg^(-1),饱和层位于700 hPa以上;当中高层有来自阿拉伯海、孟加拉湾的由偏南风输送水汽的加入,低层比湿增加至8 g·kg^(-1)、饱和层扩展至750 h Pa以下时,可能出现极端暴雨。

近20 a塔城地区暖区暴雪环流分型及成因分析

选用2000—2019年11月—次年3月塔城地区7个国家气象观测站逐日降水、温度、常规地面和高空观测资料、美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料,确定近20 a塔城地区暖区暴雪天气过程并进行分析。结果表明:(1)塔城地区暖区暴雪发生于塔额盆地的塔城站、裕民站和额敏站,塔城站出现频次最多;时间分布上,11月和12月出现暖区暴雪的频次最高,且主要集中在11月中旬—12月上旬,1月次之,2月最少。(2)塔城地区暖区暴雪分为3类:低槽前部型、横槽底部型和西北急流型,地面低压为西方和西北路径。低槽前部型是最典型的暖区暴雪形势,主要出现在11月—12月上旬,发生在西西伯利亚低槽前部锋区与南支中纬度短波槽汇合区,地面低压为西北路径;横槽底部型主要出现在11月—次年1月,发生在极锋锋区底部偏西气流和中纬度暖湿西南气流汇合的强锋区中,地面低压为西方路径;西北急流型主要出现在11—12月,发生在极锋锋区西北气流中,地面低压为西北路径。(3)500~300 hPa强西北或偏西急流、700 hPa偏西低空急流、850 hPa暖式切变的叠置区与暖区暴雪落区一致,低槽前部型和西北急流型为锋前暖区产生暴雪,横槽底部型为低压右前部暖锋锋生产生暴雪。(4)低槽前部型和横槽底部型的水汽均为偏西路径,来自地中海、阿拉伯海的水汽经里海、咸海增强后向暴雪区输送;西北急流型有偏西和西北2条水汽输送路径,来自高纬度巴伦支海的水汽与来自中低纬度里海、咸海、地中海、阿拉伯海的水汽在巴尔喀什湖附近汇合后向暴雪区输送,较强的水汽输送伴随低层明显的水汽辐合,强辐合中心位于850~700 hPa之间。