东北冷涡背景下两次强降水干侵入特征对比分析

东北冷涡背景下的强对流天气具有局地性强、预报难度大的特点,冷空气的入侵往往对强对流天气的触发具有指示性意义。本文利用加密自动气象站地面观测数据、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5(ECMWF Reanalysis v5)再分析资料及风廓线雷达资料,分析2016年6月30日和2020年8月3日2次冷涡强降水天气的形势及动力、热力特点,重点对比分析了2次过程的干侵入特征。这2次强降水过程地面均为蒙古气旋配合,从地面至高空动力条件较好。降水发生前,上午天空晴好,对流层中高层有冷空气渗透,近地层湿度大,形成上干冷、下暖湿的不稳定层结。强降水发生前,中层干区自西向东侵入,高层高位涡区向下伸展,增强对流不稳定发展,中层位涡接近1×10^(-6)m^(2)·K·s^(-1)·kg^(-1)可以作为进入强降水时段的指标。干侵入指数呈偶极分布特征,可反映干冷空气和暖湿空气的相互作用,暴雨常发生在干侵入指数的密集带。当中高层干侵入指数正值区向中低层发展时,触发不稳定能量的释放,干侵入指数对强降水的落区及暴雨的增幅有较好的指示意义。

基于人工识别的1961—2020年东北冷涡活动特征分析

利用吉林省气象科学研究所人工识别建立的1961—2020年东北冷涡活动日历,统计分析东北冷涡活动特征,结果表明:1961—2020年累计发生东北冷涡活动过程1466个(约24个/a),共6537 d(109 d/a),东北冷涡活动的平均寿命约为4.5 d;东北冷涡活动天数最多的是6月、5月和1月;月、季、年东北冷涡活动天数均存在明显的年际和年代际变化特征;东北冷涡的高发期Ⅰ段与华南前汛期、梅雨期、东北和华北雨季在时间上吻合较好,在一定程度上反映了中高纬度环流系统与江南、华南雨季进程的联系;5月、6月和夏季累计东北冷涡活动天数均呈现显著的上升趋势,且通过了0.05的显著性检验;夏季东北冷涡闭合最内圈位势高度呈上升趋势,冬季东北冷涡冷中心强度呈下降趋势,二者均通过了0.05的显著性检验;冬季东北冷涡闭合最内圈位势高度呈下降趋势,且通过了0.1的显著性检验。

一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论:(1)两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。(2)此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。(3)12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。(4)13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。

东北冷涡分类及其对内蒙古东部降水的影响

利用1981—2022年6—8月内蒙古119个国家气象观测站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析东北冷涡年际、年代际变化特征及东北冷涡分类对内蒙古东部降水的影响。结果表明:东北冷涡发生频次在1992年之前,较常年值显著偏多,之后显著偏少,2003年以后有增多的趋势,近十年发生频次偏多。将东北冷涡分为10类,中涡东北移是致使东部降水偏多最异常的冷涡类型,中涡东移是次异常的冷涡类型。东亚地区呈现“北高南低”环流型,内蒙古东部位于负位势高度距平区,中心位于东部偏南地区,乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞高压偏强,副热带高压偏强,内蒙古东部地区受气旋性环流控制,低层水汽通量辐合,配合越赤道气流共同作用引导的西太平洋水汽输送到东部地区,是东部降水异常偏多的主要环流配置型。

近20年冷涡背景下北上台风的分布及降水特征分析

利用中国台风最佳路径数据集、吉林省气象科学研究所的东北冷涡活动日历、CN05.1逐日降水资料、吉林省和辽宁省站点逐小时降水观测资料,统计近20年来冷涡背景下影响东北地区的北上台风及强降水分布特征。结果表明:2001—2020年6—9月北上的44例台风中有39例(冷涡背景下14例)明显对东北地区降雨有影响,18%的台风过境吉林省,其余为外围水汽影响;夏季冷涡背景下引发强降水的北上台风有10例,日降水量达到暴雨及大暴雨级别的各有3例,达到短时强降水级别7例;冷涡背景下北上台风路径密度大值区主要分布在130—140°E,21—30°N区域内;冷涡背景下引发强降水的北上台风路径可分为直接北上偏北类、北上西折类、北上偏东北类、北上偏东类4类,其中北上偏北类台风最多(超过半数),该类台风平均降水量级较其他路径类型台风稍弱,北上偏东类台风降水量级最大。

东北冷涡背景下三类区域性强对流天气过程时空分布和环境特征对比分析

东北冷涡是造成中国暖季强对流的重要天气尺度系统之一。为对比东北冷涡与不同类型强对流过程的时空关系及其环境特征差异,基于欧洲中期天气预报中心第5代大气再分析数据和中国国家气象信息中心提供的逐时大风、降水观测资料,筛选了2017—2021年4—9月东北冷涡背景下9例雷暴大风型、9例强降水型以及8例混合型强对流天气过程,通过动态合成开展了分析研究。结果表明:(1)三类强天气过程相对于冷涡的时空分布差异明显:雷暴大风型过程,超过70%的雷暴大风出现在冷涡中心的西南部或南部;而混合型过程,超过70%的大风出现在冷涡中心的东南部或南部;混合型和强降水型过程中,短时强降水均主要出现在冷涡中心南部或东南部,但后者发生在冷涡东南部的比例更高;雷暴大风型和强降水型过程主要出现在东北冷涡的发展和成熟阶段,而混合型过程主要发生在东北冷涡的成熟阶段。(2)三类强天气过程的环流形势和环境条件差异显著。雷暴大风型过程多出现在5—6月,一般对应的东北冷涡更深厚,等温线更密集,大气环境偏干,存在气温垂直递减率大和强风垂直切变条件,雷暴大风多发生在冷涡南侧的锋区附近,对流层中、高层受干冷空气控制,叠加在低层比较浅薄的暖湿空气之上有利于大气层结条件不稳定的增强,降水粒子蒸发降温形成的下沉气流和地面冷池,叠加锋区辐合更有利于形成区域性地面强风;而强降水型过程多集中在7—8月,对应的东北冷涡强度较弱,等温线较稀疏,强降水一般出现在锋前靠近暖区一侧的强层结不稳定区域内,对应水汽充沛、整层暖湿的环境条件,中低层温差较小,风垂直切变较弱。混合型过程对应的月份和冷涡强度与强降水型过程更接近,水汽、高低层温差以及风垂直切变等环境条件介于上述两类过程之间,但下沉对流有效位能在三类过程中表现为最大。总体来看,相较于中国中、低海拔地区雷暴大风和短时强降水的环境特征而言,东北冷涡背景下的强天气过程对应更强的深层风垂直切变,具有更强的天气尺度动力强迫。

南海北部冷涡增强混合的个例研究

海洋作为一个多尺度非线性系统,中尺度能量可以通过小尺度的湍流混合耗散,明晰中尺度涡对湍流混合的影响对于提高对跨尺度能量传递的认识和改进气候模式模拟具有重要作用。基于Thorpe-scale和细尺度参数化方法,利用2015年水下滑翔机在南海观测的水文数据对湍流混合空间结构进行重建与分析。结果表明,在冷涡边缘、冷暖涡交汇和暖涡区域出现混合增强现象,冷涡(暖涡)的扩散系数最高可达O(10^(-3) m^(2)/s)[O(10-4 m^(2)/s)],平均扩散系数约为9.0×10^(-5) m^(2)/s(6.2×10^(-5) m^(2)/s),是无涡状态下的4(2.8)倍。冷涡边缘、冷暖涡交汇处和暖涡区域出现理查森数小于0.25的海水水团,表明该处发生剪切不稳定有利于增强湍流混合。并且较小的理查森数大量出现在冷涡及冷暖涡交汇处,这也是冷涡处的扩散系数比暖涡处大的原因。

2021年6月东北冷涡暴雨降水物理过程观测与模拟研究

本文针对2021年6月2~3日发生在辽宁和吉林两省的东北冷涡暴雨过程,利用多源观测和再分析数据,首先开展综合观测分析,进而利用WRF模式对此次暴雨过程的主降水时段开展高分辨率数值模拟,并结合三维降水诊断方程,开展宏、微观物理过程和暴雨形成机理模拟诊断研究。结果表明,此次暴雨过程降水范围广、局地雨强大、对流性突出;暴雨过程期间,东亚大气环流相对稳定,东北冷涡缓慢东移,携带冷空气南下,与偏南暖湿气流汇合,触发涡旋云系发展;两省位于高空急流核出口区左前方和偏南低空急流前侧,低层辐合—高层辐散的动力结构有助于强降水系统发展。伴随水汽辐合加强,云物理过程旺盛发展,水凝物含量显著升高,其中霰粒子通过融化成雨滴等云物理过程,对强降水起到重要贡献。云滴通过水汽凝结过程迅速增长,但同时由于云微物理转化过程而被大量消耗,用于云系发展和降水发生。降水强度受水汽收支和云收支过程共同影响,强降水前期,伴随强盛水汽输送与辐合,区域上空水汽含量显著增加,降水系统发展;强降水后期,伴随冷涡云系逐步东移,区域内辐合减弱,局地大气内水汽明显消耗,以继续支撑较强降水。伴随水汽局地辐合,水凝物旺盛发展(尤其是冰相水凝物)。过程初期,液相水凝物动力辐合与微物理转化过程共同支撑降水云系快速发展;降水峰值时段,上述两过程仍然活跃,但由于强降水显著消耗,水凝物含量局地变化不明显。整个暴雨过程期间,液相水凝物持续辐合,而冰相水凝物于初期短暂辐合之后,逐渐减弱为弱辐散,这一演变特征与局地热、动力结构及其演变有关。

2021年6月东北冷涡暴雨水汽来源和源区贡献分析

本文针对2021年6月2~3日发生在东北地区的冷涡暴雨过程,首先利用传统欧拉方法,初步分析了此次初夏东北冷涡暴雨过程的水汽输送与辐合特征,进而利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART和水汽来源与源区定量贡献分析方法,揭示出此次暴雨过程的水汽源地和源区定量贡献。结果表明:此次初夏冷涡暴雨过程期间,副热带高压偏南,东北地区主要受东北冷涡和其下游日本海弱高压脊影响,但对流层低层,副高主体与日本海弱高压脊之间存在气旋性切变流场,促成一支低空急流沿我国沿海地区北上,有利于东北地区南侧水汽向北输送,与东北冷涡后部干冷空气在辽宁和吉林省交汇,触发强降水。拉格朗日轨迹追踪显示,60%以上的目标气块来自降水区西侧和西北侧的亚欧大陆地区,这些气块初始位置高度较高,途径我国东海、黄海一带时,高度显著降低,并汇入偏南暖湿气流,进而流入目标降水区;还有部分气块来自贝加尔湖及其以东地区以及我国南海和中南部大陆地区,气块初始位置及行进过程中高度均较低。水汽源区对目标降水区的水汽定量贡献显示,东海—黄海至西北太平洋地区贡献最大(贡献率37.04%),中国大陆中东部紧随其后(贡献率30.05%),显著的水汽摄取和较低的沿途损失,使得上述两区域水汽贡献显著,而降水区局地摄取水汽的贡献排在第三位;此外,贝加尔湖及其以东地区和亚欧大陆中西部亦有一定贡献(尽管亚欧大陆中西部的水汽摄取总量亦较大,但绝大部分水汽在远距离输送过程中损耗),而印度半岛至中国南海地区水汽贡献最小。相对于传统的欧拉方法,拉格朗日方法可以更清晰地给出暴雨过程主要的水汽源地及其贡献。

东北暖季冷涡降水日变化的聚类分析

使用2017~2022年5~9月逐小时三源融合实况格点降水(CMPAS)资料,采用K-均值聚类算法对东北暖季冷涡降水日变化分类,分析其特征及空间分布,结果显示:1)东北暖季冷涡降水多年平均降水量空间分布从西北到东南增加,降水频次的空间分布与其相似,降水强度大值区集中在辽东半岛附近。2)东北地区冷涡背景下降水量、降水频次和降水强度暖季平均日变化均呈双峰型,降水量的下午主峰值主要源于降水频次,而夜间次峰值与降水频次和降水强度均关系密切。3)聚类后冷涡降水量、降水频次的日变化表现为单峰型和双峰型特征,且单峰型格点占比较大,降水强度的日变化表现为单峰型。依据峰值出现时间及日变化形态间差异,降水量、频次与强度均可划分为4类不同的日变化类型。4)各类日变化空间占比统计结果显示,冷涡降水量、降水频次日变化存在下午峰值的格点均占比最大,夜间峰值次之,两者聚类后区域特征明显,与地形关系密切且分布相对规整;冷涡降水强度日变化下午单峰型格点占比最大,聚类后空间分布较为零散。

1961—2021年黑龙江省春播期东北冷涡气候影响特征

选用1961—2021年黑龙江省62站逐日地面降水、气温资料及NCEP/NCAR再分析资料,统计分析黑龙江省春播期间持续时间3 d及以上的东北冷涡活动特征及其对春播期气候要素的影响。结果表明:61 a春播期发生东北冷涡过程233次,共958 d,发生频次及日数均为增大趋势,发生频次与单次冷涡持续时间为显著负相关。东北冷涡的降水贡献率约为43.29%,冷涡过程中出现大雨及暴雨日的频率较大,分别为48.66%和59.46%;东北冷涡对春播期气温影响不显著。500 hPa位势高度场,东北冷涡与贝加尔湖至鄂霍茨克海阻塞高压存在较好的正相关,超30%的冷涡活动与鄂霍茨克海阻塞高压相伴发生。鄂霍茨克海阻塞高压对冷涡降水有显著的增强作用,而对冷涡过程低温的影响不显著。

西风流场切变分歧及其对东北冷涡形成的影响机制的初步分析

本研究运用多尺度变换和摄动法简化正压准地转涡度方程,分析了西风流场切变对具有非线性Shrödinger孤子特征的包络Rossby孤立波的影响,并分析了具有这类波形的西风流场的拓扑结构。结果表明:(1)西风流场切变存在一临界值,当切变小于这个临界值时,流场的拓扑结构无奇异点,只有退化的中心结构,对应的西风流场为纬向流场;大于这个临界值时,流场的拓扑结构存在奇异点,西风流场则有涡旋产生。(2)流场奇异点出现位置不同,西风流场呈现不同的涡旋流型,当奇异点仅出现在系统的北部时,则西风流场呈Ω型阻塞流场;当奇异点仅出现系统的南部时,则西风流场呈倒Ω型切断流场;当奇异点在南北部均出现时,则西风流场呈偶极子型阻塞流场。(3)倒Ω型流场和偶极子型阻塞流场中,均有切断低压出现,如果切断低压在乌拉尔山附近形成,向下游运动到我国东北地区,则为东北冷涡。研究从东北冷涡的源头阻塞形势为切入点,结合阻塞的全局思想与局地特征,探讨东北冷涡的形成机制,深化了对东北冷涡形成的认识。

吉林省两次典型的冷涡暴雨天气成因对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、FY-2系列卫星及常规气象资料,从环流背景、环境场特征、中尺度对流系统等方面,对比分析了2010年7月27—28日(过程1)和2016年6月18—19日(过程2)两次东北冷涡降水过程的特点及成因。结果表明:过程1受块状副热带高压影响,冷涡处于发展阶段,位置稳定少动,暴雨区水汽丰沛;过程2受带状副热带高压影响,冷涡相对较为孤立,处于减弱阶段,不易形成有组织的对流云系。过程1暖云厚度为过程2的两倍左右,且在水汽辐合方面的优势更为突出。两次过程的中小尺度特征存在显著差异,过程1发生大范围暴雨的主要原因为“列车效应”,过程2则是受MαCS影响产生的局地暴雨。因季节不同而导致的副热带高压位置不同是上述差异的主要原因,但相似的东北冷涡位置为暴雨发生提供了有利的环境条件。过程2冷涡和地面气旋减弱,与处于发展阶段冷涡相比,近地面风力相对较小,一定程度上减弱了水汽的蒸发作用。

长白山麓东北冷涡天气系统降水云系特征

利用2020年中国气象局吉林云物理野外科学试验基地微波辐射计数据,结合小时降水量数据、ERA5(ECMWF reanalysis version 5)再分析数据等对长白山麓东北冷涡降水云系进行统计分析,将东北冷涡降水划分为强降水、中等强度降水和弱降水3类。结果表明:在长白山麓东北冷涡降水发生前6 h首先出现中高云,水汽、云液态水含量对东北冷涡强降水的发生与维持至关重要。东北冷涡强降水发生前5 h,6 km高度以下水汽出现跃升,1.0 km高度以下水汽密度增加至12~14 g·m^(-3);5~6 km高度温度层结为-5℃至-10℃,云液态水含量为1.0~1.6 g·m^(-3),有助于冰雪晶的形成;在温度层结-6℃至-16℃内存在中高云,云底高度从5.5~7 km陡降至地面,出现干冷空气侵入现象,相对湿度急剧下降,这些特征一直持续至强降水发生;在东北冷涡中等强度降水和弱降水发生前6 h,云系为中云,5~6 km高度的云液态水含量为0.4~0.8 g·m^(-3),但并未出现水汽跃升、相对湿度下降的特征。

浙北一次高空冷涡后部雷暴大风的成因分析

利用区域自动气象站资料、NCEP/FNL再分析资料、多普勒天气雷达产品等,对2020年4月12日出现在浙江北部的区域性雷暴大风天气成因进行综合分析。结果表明:(1)此次雷暴大风过程属于高空冷平流强迫类型。强烈的高低空温度差动平流为雷暴大风提供了有利的热力条件,强垂直风切变有利于对流风暴的维持和发展。(2)雷达回波PPI图上,两个β中尺度对流风暴分别呈弓形和带状回波;径向速度图上的强烈MARC特征、1 km高度以下出现20 m·s^(-1)以上的速度大值区、VWP产品的大风速核下降,都可作为雷暴大风临近预警的参考。(3)降水拖曳和蒸发冷却形成地面冷池和辐合线,辐合线有利于对流云团的维持和发展;对流云团后侧入流急流增强了1 h正变压,同时促使地面辐合线逐渐远离回波主体;在冷池密度流和变压梯度共同作用下形成地面大风,地面8级以上大风主要分布在地面冷池移动前方和1 h正变压中心附近。

冷涡背景下江苏强对流天气特征分析

冷涡背景下的强对流天气常错报和漏报。为了提高此类强对流天气的预报准确率,利用2013—2022年常规地面和高空观测资料以及地面区域自动站资料,运用统计分析方法,对江苏地区116次冷涡强对流的天气特征进行分析。结果表明:冷涡强对流类型主要有短时强降水、雷暴大风和混合型,其中,混合型发生频率最高(90%),最大小时雨强主要集中在30~49.9 mm/h和50~79.9 mm/h,雷暴大风风力大多为8~9级(48%),其次是10级以上(36%);对流触发时间呈双峰型分布,主要分布在夜间和午后,最高峰为00—02时;不同类型冷涡下的强对流天气既有共性特征,也存在一定的差异性;短时强降水和雷暴大风比较容易发生在沿淮、淮北地区和沿江、苏南地区这两大区域,冰雹落区则相对比较分散。

一次冷涡背景下强对流过程中风廓线雷达的应用

该文利用南通市兴东国家站风廓线雷达提供的资料,通过统计方法分析2017年8月7日南通出现的一次强对流天气过程。结果表明,此次强对流天气发生在冷涡背景下,处在副高边缘,本地水汽条件较好。风廓线雷达在强对流发生前能够清晰地体现冷暖平流的分布,风向风速的变化,对强对流过程的预报预警有很好的指示意义。垂直速度和信噪比与对流发生趋势较为一致,能够较好反映对流的变化。大气折射率结构常数能够很好地反映强对流的发生和结束。垂直风切变在强对流发生前60 min出现明显增大。

冷涡背景下一次阵风锋与海风锋碰撞触发强对流的观测分析

利用常规观测资料、NCEP/FNL再分析资料、多普勒雷达资料等,对2023年8月16日厦门市的雷暴天气进行分析,结果表明:此次雷暴天气发生在冷涡后部西北气流中,高低空温度差动平流加强了不稳定层结,高CAPE值和0~6 km弱垂直风切下,在阵风锋与海风锋碰撞区域形成脉冲风暴,具有爆发性强对流的典型特征。触发的新生对流沿着海风锋自东北向西南发展加强给闽南地区带来较大范围、较长时间的强降水天气;通过此次雷暴个例分析可知,沿海地区的预报员加强地面辐合线推移和演变的监测,一定程度上可以提前判断出多条辐合线碰撞触发新生对流,由此对此类强对流天气提前作出预报决断。Using conventional observation data, NCEP/FNL reanalysis data, Doppler radar data, etc., an analysis was conducted on the thunderstorm weather in Xiamen on August 16, 2023. The results showed that the thunderstorm occurred in the northwest airflow behind the cold vortex, and the high and low altitude temperature differential advection strengthened the unstable stratification. Under high CAPE values and weak vertical wind shear of 0~6 km, a pulse storm was formed in the collision area between the gust front and the sea breeze front, with typical characteristics of explosive strong convection. The newly triggered convection develops and strengthens along the sea breeze front from northeast to southwest, bringing large-scale and long-term heavy precipitation weather to the southern Fujian region. Through the analysis of this thunderstorm case, it can be seen that forecasters in coastal areas can strengthen monitoring of the movement and evolution of ground convergence lines, which can, to some extent, predict in advance the collision of multiple convergence lines triggering new convection, and thus make forecast decisions for such severe convective weather in advance.

山东半岛一次冷涡背景下暖区暴雨漏报成因分析

利用常规观测数据和ERA5 (Fifth Generation of ECMWF Reanalysis) 0.25˚ × 0.25˚再分析资料,对2022年6月14日山东半岛一次预报失败的局地大暴雨过程进行了综合诊断分析。结果表明:1) 暴雨发生在冷涡槽前暖湿气流中,低空急流的两次建立为暴雨提供了持续充足的水汽和不稳定能量条件;2) 低层暖湿切变线、地面海陆风中尺度辐合线是触发对流的主要机制,沿岸热力差异和山地地形强迫作用使局地对流强度增强;3) 雨带分布与两个阶段的中尺度对流系统(MCS)发展演变有关,沿岸对流系统合并与列车效应造成了局地大暴雨;4) 降水发生前,数值预报模式对低空急流和地面中尺度辐合线预报较差,预报员对于暖区降水的认识不足是暴雨漏报的主要原因。

一次冷涡影响的济南市区域强对流天气分析

本文使用观测资料、雷达资料和数值模式资料,对2022年6月13日午后至夜间的冷涡背景下的两次影响济南的强对流过程进行分析。结果表明,地面辐合线与冷池的复杂相互作用在对流回波发展加强过程中起到了重要的作用,尤其是造成了第一次对流降水强度强、移动迅速,发展为超级单体和弓形回波。根据环境参数的实况分析和模式预报,可以较准确地判断2次对流过程的强度。环境条件较弱是造成第二次对流未发展加强的主要原因。在临近预报业务中,预报员需要利用多种实时加密观测数据,结合对流发展条件和中尺度模式预测对流天气的发生发展情况。