吕梁山两次夜间暴雨的边界层特征及能量来源与转换

利用常规观测、NCEP/NCAR 1°×1°再分析、FY-2E卫星数据等资料,对分别由β-中尺度持续拉长状对流系统(MβECS)和中尺度对流复合体(MCC)造成的两次吕梁山夜间暴雨过程进行数值模拟和粒子后向轨迹追踪,结果表明:过程1受边界层南风急流和西南气流影响,山西西部低空急流偏西分量和晋中盆地边界层西南气流的增强是对流不稳定能量重建的重要因子。过程2则受边界层南风和东风急流作用,南风急流被显著抬升到对流层中高层,形成含有冰晶层的中高层云系,东风急流则供应低空水汽。两次过程边界层(0.8-1.2 km)粒子携带的水汽均明显超过低层(1.5-3 km),是夜间短时强降水所需水汽的最大贡献者。700 hPa及以上非绝热作用产生扰动有效位能,之后向扰动动能的转化是两次过程中短时强降水发生所需能量的主要来源。

北京地区边界层低空急流的时空发展特征分析

利用2018—2019年多普勒激光雷达资料及Micaps数据,探讨了北京地区边界层低空急流的季节变化、日变化及发展演变特征,统计分析了不同天气系统下,边界层低空急流出现的频次。结果表明:(1)北京地区边界层低空急流表现出明显的季节性差异特征。急流在春、夏、冬季每日发生的频率分别为56.2%、52.3%、54.8%,而秋季最高,为79.4%,且四季都存在单日多急流过程的现象;急流轴高度表现为单峰状态,春、冬两季急流发生频率与高度呈反比,秋、冬两季的急流多发生于200~400 m低层峰值内;北京地区全年急流强度多以弱急流为主,主要集中于5~9 m·s^(-1),春、秋及冬季急流强度较弱,夏季急流较强。(2)北京地区边界层低空急流具有明显的日变化特征,近89.5%的急流发生于夜间,日间发生的急流主要集中于上午,发生频率为7.6%,统计发现这部分急流主要为夜间急流的延续。(3)北京地区边界层低空急流按其发展特征可分为5种类型:经典型、抬升型、下沉型、间歇型及弱风速带型。(4)急流多发的天气形势可分为高压控制、高压前部、高压后部、高压底部、高压顶部及均压场6种类型,急流发生频率分别为11.1%、9.5%、7.9%、6.3%、15.9%及38.1%。

一次极端暴雨过程低空急流变化机制分析

2021年7月19~21日河南极端暴雨伴有显著的低空急流活动。本文利用ERA5(Fifth Generation of ECMWF Reanalyses)数据,采用等压坐标系水平运动方程、动能方程和位势高度梯度方程分析影响低空急流发展的关键物理因素。分析表明,低空急流中心首先从郑州附近925 hPa发展起来,然后垂直倾斜地向西北方向发展增强,中心位置先后抬升到850 hPa和700 hPa。低空急流纬向风和经向风局地变化主要受位势高度水平梯度的影响。郑州西侧山区存在位势高度低值系统,郑州东北侧平原地区为位势高度高值区,二者在郑州附近产生显著的纬向梯度力,与纬向东风耦合做功,驱动低空急流动能增长。位势高度这种异常分布主要与地表位势高度和近地层虚位温垂直积分有关。位势高度纬向梯度方程计算表明,垂直速度纬向梯度引起的位温垂直平流和非绝热加热纬向梯度项是导致位势高度纬向梯度局地变化的主要强迫项。总体上,近地面层山区相对低温区和平原地区相对高温区对低空急流发展演变有重要影响。

白鹤滩水电站峡谷地形区的风特征研究

位居世界第二大的白鹤滩水电站地处金沙江下游峡谷区,频繁的大风给水电站建设和运行带来了严重影响。掌握水电站坝区大风变化规律,评估峡谷地形对风速的作用,有利于基于周围风场监测和预警峡谷区大风。根据水电站及周边观测资料,对坝区风的变化特征和峡谷地形作用进行了分析。(1)峡谷区最高频率的风向和最大平均风速的风向均为顺着峡谷的偏南风或偏北风,且偏北风频率达55%以上,峡谷锁定了流经气流。(2)坝区大风多发生在干季11月—次年5月,且夜间至清晨大风频率比日间高。干季峡谷风效应强,尤其在19时—次日08时。雨季峡谷风效应降低,局地山谷风增强,表现为山风比谷风持续时间长,08时和18时是山风和谷风交替时间。对应干季和夜晚大风频繁,说明峡谷风效应是影响大风的关键因子。(3)通过狭管效应分析马脖子和葫芦口大桥两个站之间的风速关系,表明峡谷地形使马脖子站风速加强为葫芦口大桥站的1.27倍。利用多种拟合方法建立的两站风速关系表明,当葫芦口大桥站为5 m·s^(-1)以下低风速,各方法都难以拟合峡谷区的风速,当风速在5.0~11.5 m·s^(-1)时,狭管效应对风速拟合最优,准确率超过70%,对11.5 m·s^(-1)以上强风速,多项式拟合效果较优,准确率接近65%。

塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征

利用地面自动站逐小时观测、多普勒天气雷达及WRF模式高分辨率数值模拟,分析2016年7月塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征。结果表明:阵风锋前沿较强的辐合抬升运动不断触发多个对流单体,其中大部分单体与其后方的对流系统合并且进一步发展,使得强对流天气不断发展和维持。在对流系统快速发展阶段,阵风锋前沿水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量显著增强,从而增强局地的条件对称不稳定,为对流系统的发展和维持提供了重要的不稳定能量。不稳定能量释放需要的锋生强迫作用主要是由阵风锋前方的辐合辐散项和倾斜项决定,而阵风锋前沿附近的水平形变项及其上方的非绝热加热项贡献相对较弱。

冬季东亚中纬度西风急流对我国气候的影响

利用1957-2001年欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料，分析了冬季东亚西风急流与我国气候的关系。首先定义了冬季东亚西风急流强度指数（区域30°～35°N，127．5°～155°E冬季200hPa纬向风u200平均值的标准化值）和切变指数（区域15°～25°N，100°～115°E与区域30°～40°N，100°～115°E的平均u200之差的标准化值），这两个指数能较好地反映冬季东亚西风急流的强度变化和位置的南北移动，二者相关系数为-0．48，通过99％信度检验。西风急流强度与亚洲和西太平洋大范围的大气环流有密切关系，而西风急流位置移动则与印度洋、中东太平洋的大气环流有密切关系，并分析了冬季急流强度指数和切变指数与我国温度和降水的关系。结果表明：当西风急流强度偏强时，西风急流位置偏北，此时在急流人口区左侧由于气流辐合造成低层气压上升，在出口区左侧则由于气流发生强烈辐散，引起低层气压下降，所以西伯利亚地区上空从对流层低层到中层高度值升高，北太平洋高度值降低，东西向气压差加大的形势，同时东亚大槽偏强，海陆气压差加大和东亚大槽偏强，导致冬季风强度偏强，引起我国从北到南的陆面降温，同时30°～40°N低层有下沉气流，使得华北、华中和长江中下游地区降水偏少；当西风急流强度偏弱时，西风急流位置偏南，整个东亚地区存在南风异常，东亚冬季风较弱，在25°N附近有上升气流，此时华南和内蒙古、华北降水偏多，内蒙古地表温度偏高。

低空急流的研究进展与展望

低空急流与强降水事件、空气污染、风能利用、航空安全、沙尘暴、森林火灾及其他诸多天气、气候现象存在着密切的联系,因此自发现之日起便受到人们的广泛关注。在过去的半个多世纪中,中外气象学家围绕着低空急流事件开展了大量的研究并取得了丰硕的研究成果。对这些成果进行了综合回顾,重点对低空急流的分类和定义、分布状况及结构特征,低空急流形成演变机制,低空急流与降水及其他领域的关系等三个方面的研究工作进行了总结。最后通过对比分析中外针对低空急流事件的研究历史和现状,指出了中国现有研究工作中所存在的诸如低空急流选取标准宽松、观测数据缺乏且质量控制不完善、低空急流自身特征与形成演变机制研究数量和深度有限、交叉领域研究工作匮乏等方面的问题,并对未来的研究方向进行了展望。

下击暴流形成机理及监测预警研究进展

下击暴流指对流单体强下沉气流引发的地面或地面附近的爆发性辐散出流,单个下击暴流会导致千米尺度地面强阵风,而下击暴流簇可导致较大范围间断性地面灾害性强阵风,其形成机制亦不限于强下沉气流辐散。文章回顾了下击暴流的界定,然后分为孤立风暴产生的下击暴流和中尺度对流系统内嵌的下击暴流两种情况进行讨论,内容包括对流大风和下击暴流产生的物理机理、风暴结构特征以及基于多普勒天气雷达的预警技术。在上述回顾基础上,对下击暴流形成机理及监测预警难点进行了讨论,提出了与下击暴流相关的亟需研究的问题。

冷空气对高原低涡移出青藏高原的影响

在对1998—2004年冷空气影响高原低涡移出青藏高原(以下简称高原)观测事实分析的基础上,利用NCEP再分析资料对2002年8月12—14日托勒低涡移出高原的位涡进行诊断分析,并通过数值试验揭示了托勒低涡移出高原的冷空气侵入特征和影响机理。结果表明:这次托勒低涡是受我国东北冷空气影响,有高位涡空气伸入低涡区,使冷空气迫近暖湿空气,低涡处在斜压不稳定增强情况下移出高原的。在低涡区域没有冷空气或我国东北不存在冷温度槽情况下,将会使伸向高原东北部的冷空气主力偏东、减弱,使低涡受到我国东北冷空气影响减弱,斜压不稳定减弱,从而使高原低涡移出高原的速度减慢,低涡强度减弱,尤其是我国东北冷温度槽的影响更为明显,在我国东北没有冷温度槽存在的情况下,低涡24 h内西退,在高原边缘徘徊。

梅雨期3类不同形成机制的暴雨

通过对1998—2007年观测资料的分析,根据影响梅雨期暴雨发生、发展机制的不同,将梅雨期暴雨分为外强迫型、自组织型和非组织化局地型3种类型。外强迫型主要包括冷槽推进型、西南涡移出型和北槽南涡型,该类型暴雨主要是由大尺度环流的动力强迫抬升和冷空气侵入形成的不稳定层结共同作用而产生;在3类外强迫型中,高低空急流相互作用和冷槽的影响形式有很大不同。在自组织型中,暴雨对流系统具有较长生命周期,并以合并增长、上下游发展和新生中尺度涡旋等形式而传播、发展,是在切变线、水汽辐合带和低空急流等弱环境强迫下形成的一类暴雨。在非组织化局地型中,主要有山区午后强对流和副热带高压边缘对流不稳定两种形式,局地对流不稳定是暴雨产生的主要原因。不同的形成机制,导致出现了不同类型的梅雨期暴雨,相应地这些不同类型的梅雨期暴雨具有不同的预报难度。

《翁同龢日记》中的冷暖感知记录及其对气候冷暖变化的指示意义

依据清代《翁同龢日记》(以下简称《日记》)中逐日的冷暖感知记录和同时期的器测月均温资料,采用相关分析和线性回归分析等统计方法,以月为基本统计单元,对《日记》中冷暖感知记录反演气候变化的能力进行了分析。结果说明,《日记》中的冷暖感知记录可以用于气候变化研究,但是最佳代用指标因气候变化的时间尺度和季节而异。总体而言,极热、偏热、偏凉、极冷日数对年内月到季时间尺度气候变化的代表性较好,其中尤以偏凉和极冷日数最佳。对于年际尺度上的气候波动,从季节对比来看,冷暖感知日数反演夏季(6—8月份)月均温的能力最差;从冷暖感知类型对比来看,极冷日数是多个月份月均温的最佳代用指标,1、3、5、9和12月份的最佳代用指标均是极冷日数。并且,还可以依据极冷日数的多寡识别极端冷、极端热年。由此可见,古代私人日记中的冷暖感知记录可以用于反演历史时期气候的冷暖变化。

一次弓形回波结构和演变机制的观测分析

基于单多普勒天气雷达观测和双多普勒雷达反演风场,对2009年6月3日河南商丘发生的一次弓形回波的结构和演变机制进行细致分析。系统发生前的环境均具有中等对流有效位能和中等偏弱低空垂直风切变。雷达分析显示,该弓形回波从超级单体开始,经过风暴合并发展而成的经典弓形回波结构,生命史约3 h。在超级单体阶段,具有中纬度典型超级单体的低层钩状回波、中层有界弱回波区和中气旋结构。超级单体减弱后,因强降水拖曳和降水蒸发冷却,引起云内强的下沉运动,将云外干冷空气带到云内,形成中层后方入流,并在地面形成强冷池,触发干冷后向入流,回波逐渐演化成为弓形。弓形回波成熟阶段,风暴相对后向入流急流在对流区后部2 km高度加速下沉,系统前沿增强至20 m·s-1。在中层,系统后侧南北两端形成气旋和反气旋涡旋对,此中层涡旋对后向入流强度贡献约20%。在系统前缘低层(1.5 km)、出流边界附近,存在一气旋式涡旋。受后向入流急流和此低层涡旋的共同作用,在顶点附近产生超过32 m·s-1的最大地面相对风速。至减弱期,低层出流扩展至系统前方20 km,截断了低层暖湿入流,使其快速减弱。

7月东亚高空西风急流变化对我国雨带的影响

分析了7月东亚高空西风急流北跳和急流中心西移时我国雨带的变化特征,发现急流北跳与长江中下游梅雨结束有很好的对应关系;急流中心西移则与长江中下游梅雨结束无对应关系,但急流中心西移相对于急流北跳发生的早晚对雨带北移过程有重要影响:在急流中心西移晚于急流北跳发生年份,雨带北移依次为长江中下游地区—淮河流域—黄淮地区逐渐北推,其他年份雨带则从长江流域直接北跳至黄淮地区。进一步分析表明:(1)急流北跳和急流中心西移引起中纬度大气环流发生显著变化,从而引起西太平洋水汽输送发生显著变化,孟加拉湾水汽输送无变化。(2)急流北跳和急流中心西移时大气环流调整不同,导致来自西太平洋的水汽输送变化不同,进而对雨带北移产生不同的影响。急流中心西移相对于急流北跳发生时间早晚不同,大气环流调整过程和水汽输送调整过程也不同,使得雨带北推进程不同。

两种逐线积分辐射模式大气吸收的比较研究

由于缺乏完整的和精确的实验室测量结果,目前无法判断各种逐线积分方案的最终精度。因此,逐线积分模式精度的比较基本上只能在模式之间进行。比较了作者研制的快速高效逐线积分大气吸收计算方法(简记为ZS2000),与国际上用得较多的LBLRTM(LineByLineRadiativeTransferModel)。得出:二者在长波区间向上和向下辐射通量的相对差别对整层大气均小于3.1%,大气冷却率的绝对差别对整层大气均小于0.13K·d-1,处于ICRCCM(IntercomparisonofRadiationCodesUsedinClimateModels)所得到的差别范围之内。经分析发现,这些差别主要是由于ZS2000在10～530cm-1区间计算的水汽吸收系数与LBLRTM的不同造成的。ZS2000和LBLRTM在近红外区间计算上的一致性较高,二者净辐射通量和大气加热率的最大相对差别均小于2%。由此,可以得出:逐线积分模式ZS2000在长波和近红外区间可以满足各种较为精确的辐射传输计算的需要。

低空急流形成发展的一种可能机制——重力波的惯性不稳定

当斜压大气在高空急流轴附近满足条件 f(f- u/y) <0时 ,非地转运动激发出的重力惯性波将得到进一步的发展。此时 ,斜压大气的地转适应过程无法实现 ,非热成风和垂直环流之间将发生正反馈作用 ,负的非热成风将激发并加强南部上升北部下沉的垂直环流 ,垂直上升流的加强将导致低层低压系统的发展和低层流场的辐合 ,使得低层低压系统南侧的气压梯度力增大 ,结果在辐合区南侧形成低空急流。此外 ,非热成风的分布对垂直环流和低空急流的形成发展也具有非常重要的作用。

梅雨暴雨中高低空急流与西南涡的活动

利用MM5中尺度模式对1991年7月5日00时—6日12时的降水进行了数值模拟。通过对每3 h一次模拟结果的诊断分析,发现高空急流的走向与西南涡的活动关系密切,当我国东部位于西北风急流时,西南低涡稳定少动;位于西风急流时,西南涡快速东移;位于西南风急流时,西南涡加强,移速减慢。暴雨活动与西南涡的东移一致。最初暴雨区稳定少动,之后暴雨区快速东移,后期暴雨区缓慢移动。湿位涡对西南涡的斜压性加大有重要的贡献。在西南涡斜压性未建立之前以及冷锋附近,雨区可位于低层西南风急流左侧的任何位置,当低涡的斜压性加大,出现暖空气的作用时,暴雨区均出现在西南风急流的左前方。

北京城市通量足迹及源区分布特征分析

城市下垫面具有不同于其他下垫面的特殊复杂性,通量的源汇分布十分不均,导致直接测量以及定量的描述城市中水汽、二氧化碳等通量变得非常困难。涡动观测系统在城市通量观测中得到广泛应用,但由于涡动协方差观测系统传感器都架设在一定的高度上,其测量结果只反映特定点下垫面或某部分下垫面的物理过程,不能说明观测结果是否具有下垫面属性的代表性,无法反映观测通量的空间变异性。足迹函数(Footprint)的产生就是为了解决这一问题,其又称源权重函数,是描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间关系的函数。本文采用北京325 m气象塔近1年7层涡动协方差观测数据、超声数据,分析了不同风向、不同稳定度、不同高度下足迹函数所表达的通量贡献区域范围的变化规律。结果表明,在大气稳定条件下时,通量贡献区范围的大小与主风向无显著差异,而不稳定条件下计算结果与主风向无关。在不同高度下所有稳定条件下通量贡献区范围要大于不稳定条件,中性条件则介于两者之间。8 m、16 m高度上的观测结果不能完全代表城市下垫面通量贡献区,47 m以上能够代表城市下垫面通量贡献区,280 m则已经包含了郊区和城区的权重平均。同一大气稳定度条件下,高度越高通量贡献区范围越大,90%通量贡献区范围与观测高度成线性关系,这种线性关系可以预测没有观测高度或者更高处的通量贡献区范围。

中国西南低空急流和西南低层大风对比分析

通过从垂直切变角度对中国低空急流的定义，表明西南低层大风现象有两类：有垂直轴的低空急流和无垂直轴的西南低层大风（简称低层大风），并揭示了二者的气候学和天气学特征差异。分析表明：在江南地区，低空急流主要活动在4～7月850hPa，有明显的日变化，和华南、江淮地区的暴雨期同步；在东北地区，低空急流在全年都有较多活动，多在925hPa，日变化不明显，和降水季节没有同步性。低层大风主要活动在700hPa，日变化不明显，江南地区主要发生在12月至翌年4月，东北地区全年都有少量出现；江南地区低空急流日，从850hPa至500hPa随着高度增加，气压梯度明显减小，风速随高度减小，大风只存在于对流层低层。东北地区低空急流日的气压梯度随高度减弱不明显，低空急流轴浅薄，位于925hPa左右的低层，其上方仍然受高空急流控制。低层大风日，从850hPa至500hPa随着高度增加，气压梯度明显增大，风速随高度增强，大风存在于对流层整层。风场和气压场变化趋势都近似满足地转风关系。江南地区低空急流的水平尺度和垂直厚度比较大，东北地区的低空急流尺度与“狭管”地形相当。江南地区的西南低层大风当其活动高度下降到850hPa以下并和副高西侧西南气流配合时，也有较强的水汽输送作用，伴有明显降水天气。东北地区的低空急流和低层大风，主要是与中高空大风的向下延伸和地形强迫有关，气流一般为西北再转成西南风，水汽输送能力小，不利于产生大的降水天气。总之，低空急流和低层大风有着不同的结构和成因，它们的动力热力学涵义也不同，通过对二者区分，可以更合理地理解中国低空急流与暴雨（雪）天气的关系。

高空急流加速与低层锋生

本文从动力学上找到了低层锋生函数同急流区内纬向平均风加速的关系,指出高空急流加速有利于大气低层锋生,并从天气学的角度给出了高空急流加速同低层大气锋生的环流形态特征。即高空波的动量和热量通量在急流区的辐合,促使高空急流加速,并引起急流入口区上下层之间的质量调整,在急流轴高度以下出现一个反环流,反环流的上升支同其下原有的弱锋前的上滑爬升气流发生耦合,造成上滑气流加强,低层锋面坡度变陡,冷暖对比明显,引起大气低层锋生。

贵州初夏两次暖区暴雨的对比分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°格点再分析资料和FY-2D卫星红外云图云顶亮温TBB资料,对贵州2008年5月25—26日(简称08.05)和2010年6月28—29日(简称10.06)初夏两次暖区暴雨天气过程进行对比分析,探讨两次暴雨发生发展的天气学条件差异。结果表明:暖区暴雨形成时,地面均为热低压控制,地面辐合线加强触发暖区暴雨发生;850 hPa低空急流明显加强,暴雨区位于低空急流左前侧。所不同的是:两次暴雨过程中高层影响天气系统不同,08.05暴雨中层影响系统为高原槽,10.06暴雨中层影响系统为两高切变低涡,高层为南亚高压脊。08.05暴雨过程中,多个β中尺度对流单体独立发展逐渐合并为一个α中尺度对流系统,对流云发展旺盛、伸展高度较高、具有混合相层和暖云层剖面结构,属于积状云为主的混合降水。10.06暴雨,经历了两次β中尺度对流系统的发展和减弱,对流云团呈东北—西南向的带状和椭圆状,对流发展高度较低,具有深厚的暖云层,回波在暴雨区持续时间较长,属于层状云和积状云混合降水。通过对两次暴雨触发机制讨论得出,贵州暖区暴雨预报应着眼于影响贵州的低空急流的建立和加强以及地面低压中辐合线的加强锋生。