二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式。模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数，并具有最优协调分辨率，弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷。数值试验表明：模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力、在条件性对称不稳定条件下，扰动发展呈现为强倾斜环流特征，垂 直速度场有狭窄的强倾斜上升运动，与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展。诊断分析表明： 在扰动发展演化过程中，条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在。

2003-06-29暴雨过程条件性对称不稳定分析

利用中尺度模式MM5的部分产品 ,采用二元法 ,对 2 0 0 3年 6月 2 9～ 30日淮河流域上游暴雨天气过程中的条件性对称不稳定 (CSI)进行了诊断分析 ,结果表明 :此次过程中CSI区出现在对流层中上层 ,CSI区与对流稳定性大气层结条件下的强降水天气有很好的对应关系 ;利用MM 5输出产品对物理量进行诊断分析 ,能够较好地解释局地强降水出现的物理机制。

一次暴雨的湿位涡及条件性对称不稳定分析

[目的]分析广西一次前汛期暴雨的湿位涡及条件性对称不稳定。[方法]利用常规观测资料、自动站降水资料和NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,对广西一次前汛期暴雨过程进行了湿位涡(MPV)及条件性对称不稳定(CSI)分析,探讨当地暴雨发生前后MPV各分量的特征及CSI对暴雨的作用。[结果]925 hPa MPV1正值区(MPV2负值区)东南侧等值线密集带、剖面图倾斜MPV1正值柱(MPV2负值柱)下方以及θe等值线密集带下方与强降雨落区有较好对应关系;在系统发展旺盛后,MPV1、MPV2梯度和强度的增强预示着暴雨增幅。强降雨暴发初期,850～650 hPa对流不稳定与CSI共存,对流不稳定和垂直运动起主要作用;在强降雨中后期,高空弱冷空气的进一步往南入侵,触发不稳定能量释放,迫使原来倾斜的θe密集带变得陡峭,有利于倾斜涡度发展,大气逐渐转为对流中性状态,CSI和斜升运动起主要作用,从而使暴雨得以持续。[结论]该研究为MPV和CSI理论应用到当地日常业务提供理论依据。

一次春季暴雪天气不稳定机制及相态成因分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料和FY-2G TBB资料,对2020年4月19—21日内蒙古一次降雪天气过程的不稳定机制及相态成因进行分析。结果表明:(1)本次天气过程降雪量大、降水相态复杂,多站降雪刷新了4月降水量历史极值;(2)500hPa高空冷涡及地面气旋是本次天气过程主要影响系统;(3)850hPa至地面的东北气流为本次降水提供冷垫,使得上层暖湿气流沿着冷垫爬升,属于一次冷季高架对流过程,条件性对称不稳定导致的倾斜对流造成了极端降雪的发生;(4)地面温度≤0℃、925 hPa气温≤0℃,850 hPa的气温≤-3℃可以作为本地极端降雪相态发生转变的预报指标值;(5)降水相态分界线与700 hPa暖式切变线位置密切相关,随切变线的南压而南压;(6)冷空气自北向南入侵,0℃层下降是此次天气过程降水相态发生变化的原因之一。

关中北部一次暴雨水汽条件及不稳定分析

2019年9月13-14日关中北部出现暴雨天气,这次暴雨开始时关中北部地区位于冷锋后地面冷高压中和700 hPa横切变线的北侧,探空图上中低层是锋面逆温稳定层结,中低层以下是深厚的冷垫,地面能量较低,没有对流不稳定,低层水汽不足,短期时效内暴雨漏报。为了研究此次过程中的水汽条件和不稳定机制,为今后此类暴雨预报提供有价值的预报思路,利用常规地面高空观测、欧洲中心细网格模式预报等资料对其水汽条件和不稳定进行诊断分析,结果表明:较强降水期间关中北部水汽的大值区集中在700 hPa,700 hPa随时间而增强的偏南风为其提供了充沛的水汽,700 hPa比湿大值区、切变线随着增强的偏南风北移至关中北部,这为关中北部暴雨提供了较强的水汽辐合条件,因此,为关中北部提供充沛水汽的偏南风能否随时间而增强是其暴雨能否发生的关键。而偏南风增强与高低空急流的耦合和凝结潜热释放有关,暴雨区高低空急流耦合形成的次级环流上升支有利于暴雨区中低层减压,西太平洋副热带高压和暴雨区之间的气压梯度加大,这将使西南低空急流加强并向东北方向移动,移动后的低空急流在其前方辐合上升造成新的暴雨区,这将形成低空急流和暴雨的正反馈,西南低空急流随着时间向东北方向移动,造成关中南部地区出现低空急流和关中北部偏南风增强;暴雨区凝结潜热释放有利于上升运动,使得中低层减压,这同样造成关中南部形成偏南风急流、关中北部偏南风增强。可见,高低空急流耦合和凝结潜热释放通过影响偏南风而间接影响关中北部暴雨区水汽条件。关中北部暴雨的不稳定机制是条件性对称不稳定。700~600 hPa关中北部暴雨区有着较强的垂直地转风切变和向北的水平地转风切变使得等地转绝对动量倾角较小,偏南暖湿气流输送水汽和能量使得等饱和相当位温面倾角较大,这一区域存在条件性对称不稳定即等饱和相当位温面的坡度大于等地转绝对动量坡度的区域。当冷锋上空偏南气流沿着锋面爬升至关中北部暴雨区辐合上升至700~600 hPa条件性对称不稳定区域,产生倾斜对流,使得降水强度增大,这也是造成关中北部暴雨天气的原因之一。在西太平洋副热带高压南撤东退及地面冷高压的形势下,暴雨预报需考虑西太平洋副热带高压的走向,高低空急流耦合、凝结潜热释放对低空急流及偏南风的影响,有可能出现的条件性对称不稳定机制,结合数值模式,综合考虑暴雨的可能性。

一次华北锋面带状降水过程中的对流-对称不稳定诊断分析

本文用GRAPES_Meso中尺度区域模式模拟了2015年8月2—4日的一次华北锋面带状降水过程,在模拟结果与实况比较吻合的情况下,用高分辨率模式输出资料对降水过程中的对流稳定度、惯性稳定度和条件性对称不稳定(CSI)进行了分析,并诊断出降水过程中的条件性对称不稳定区域。个例分析的结果表明:(1)带状降水过程中CSI的发展伴随着对流不稳定的减弱和惯性不稳定的增强。(2)根据不稳定量的变化情况,把降水过程分为3个阶段:在第一个阶段,降水区域上空-?θ_e/?p<0,降水主要受对流不稳定的影响;在第二个阶段,对流不稳定、惯性不稳定与CSI发展增强,此阶段的降水受3种不稳定量的影响;在第三个阶段,3种不稳定能量均逐渐减弱,但仍然影响着降水的持续。(3)发展旺盛阶段的CSI在平面上呈带状分布,与雨带、对流不稳定区域平行,在剖面上CSI主要活跃在对流层低层。(4)用湿位涡结合对流稳定度与惯性稳定度诊断CSI区域的方法比M-θ_e剖面图方法更准确有效。

贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3．6模式对2004年5月29～30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟，模拟结果与实况基本一致。在此基础上，用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析，以解释强降水发生的物理机制。结果表明，这次降水是由多种尺度系统相互作用，高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的；高层辐散区发展、低层辐合加强，形成“抽气机”效应，低层正涡度和高层负涡度加强，垂直涡度发展，激发出次级环流；对不稳定性的分析表明，降水开始为对流不稳定能量触发，降水加强后对流不稳定层次降低，对流不稳定能量减弱；中层锋区附近以面陡立，有倾斜涡度发展，继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展，降水加强。

1215号“布拉万”台风暴雨及降水非对称性分布的成因分析

利用中尺度非静力模式WRF对2012年第15号台风"布拉万"在中国东北地区造成的暴雨过程进行了数值模拟,结合观测资料对模拟结果进行了验证,利用模式输出的高分辨率资料,对"布拉万"台风造成的强降水及其非对称性分布的成因进行了诊断分析。结果表明,模式很好地再现了台风登陆过程中的路径、强度变化和降水分布,受中纬度西风槽带来的干冷空气影响,"布拉万"台风登陆后的降水和环流结构具有明显的不对称性,降水主要集中在台风中心西北侧的能量锋区附近。水汽散度通量和水汽螺旋度能够较好地描述强降水过程的发生、发展及其非对称性分布的时空特征,在强降水区,水汽散度通量表现为正值强信号,而水汽螺旋度表现为负值强信号,在非降水区和弱降水区,两者均表现为弱信号。等熵位涡分析显示,对流不稳定只是此次台风暴雨前期和初始阶段的不稳定条件,而湿位涡(MPV)的湿斜压项(MPV2)则是暴雨增强和出现非对称性分布的主要机制。在暴雨形成过程中,由于冷空气侵入造成了在台风环流西北侧湿等熵面的陡立倾斜和水平风垂直切变的增强,导致了气旋性涡度的显著增强,气旋性涡度增强造成的强烈上升运动将降水区东南侧输送过来的暖湿空气向上输送,从而导致了暴雨的发生,这其中条件性对称不稳定是降水得以加强的一种重要不稳定机制。

2011年长江中下游旱涝急转及汛期暴雨的对流条件研究

利用ERA-Interim及雨量和土壤水分观测资料,对比诊断了2011年5—6月长江中下游梅汛前极旱期急转为梅汛期洪涝的极端天气事件的对流条件(水汽、不稳定、抬升作用)差异及特征,并研究条件性湿位涡垂直通量(CMF)指数与暴雨之间的定量关系。结果表明:在极旱期,干冷的东北气流控制,西太平洋副热带高压偏东,低层水汽通量弱且以偏北风输送为主,中低层为下沉气流,无低空急流,等θse线稀疏,边界层抬升机制缺乏,是干旱加剧的主要因子;在梅汛期,西南气流增强,西太平洋副热带高压西伸,低层气流在长江地区辐合,低层水汽通量增加且转为西南和东南风输送为主,伴随高低空急流耦合和深厚的上升运动,等θse线密集形成梅雨锋,增强不稳定暖湿空气强迫抬升和垂直输送,造成暴雨频发,引起区域性洪涝。暴雨中心600 hPa以下为负湿位涡的不稳定层,对流不稳定与条件性对称不稳定共同作用是强降水发生的不稳定机制。CMF指数与旱涝变化、暴雨过程演变非常一致,在极旱(梅汛)期,CMF指数低(高),变化平缓(剧烈),CMF指数在暴雨开始时逐步剧增,结束时迅速减小。

云南两次灾害性特大暴雨不稳定机制的对比分析

将NCEP 1°×1°格点资料作为初始场,应用MM5(V3.6)中尺度数值模式对位于我国低纬度高原云南的两次典型的局地特大暴雨个例进行了数值模拟。使用模式输出的高时空分辨率资料绘制了T-ln P图,计算了LI指数、CAPE指数、CIN指数、相当位涡(EPV)等物理量,对云南两次局地特大暴雨个例的条件不稳定性、对流不稳定性以及条件性对称不稳定性进行了分析。研究表明:两次局地特大暴雨个例的不稳定机制各不相同,当层结稳定、对流稳定或弱不稳定时,条件性对称不稳定也会引发强降水。

登陆台风外围极端降水过程的中α尺度系统特征

采用全国多普勒雷达反射率因子拼图、山东省自动气象观测站数据,结合ERA50.25°×0.25°再分析资料,分析台风“利奇马”造成山东极端暴雨的中α尺度系统特征。结果表明:台风北侧东南急流与西风槽后偏西气流的切变引发的中α尺度辐合区是直接造成极端降水的中尺度系统;对流始于800~750 hPa,随后沿西风槽向高层发展,再伸展到低层,在台风北侧低层切变附近强烈发展;初始对流由低空急流触发,后高空出流迅速增强,促进上升运动发展,高低空急流上下耦合的正反馈作用促进了中α尺度辐合区深度发展,是极端降水发生发展的重要原因;初始对流发生在对流不稳定环境中,凝结潜热释放造成的湿斜压性和中低层垂直切变形成的条件性对称不稳定增长,使对流发展为有组织而长时间维持的深对流;水平风场将水汽汇集向暴雨区,上升运动将水汽向中高层输送,湿层逐渐增厚,当水汽通量15 g/(cm·hPa·s)等值线向上伸展到500 hPa时,降水强度超过20 mm/h;鲁中山区地形是影响降水中心落区的重要因素。

对一次台风暴雨的位涡与湿位涡诊断分析

利用中尺度模式WRF对台风卡努模拟所输出的高分辨率资料,借助等熵位涡及湿位涡的方法进行诊断分析,揭示台风暴雨过程中的中尺度系统演变特征以及探讨台风暴雨发展与维持的机制。结果表明:等熵面位涡图的分析清楚地揭示了台风低压及周边环境的位涡演变特征。暴雨区落在低层等熵面位涡高值中心的东北侧,或者在高层等熵面位涡高值中心右侧最大位涡梯度处;等位温面向正位涡异常中心收拢,高层的高位涡值下传,高位涡的干冷空气加强了低层的扰动,引起低层暖空气的抬升,这些条件促使对流不稳定能量与潜热能的释放,有利于暴雨增幅;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次台风暴雨发展与维持的重要机制,暴雨区内中尺度系统的发展符合倾斜涡度发展理论。

梅雨锋中尺度切变线雨带的动力结构分析

利用密集的地面观测网资料以及中尺度数值预报模式输出产品 ,分析了 1 991年 7月 8～ 9日江淮地区梅雨锋中尺度切变线雨带的中尺度动力结构。发现沿切变线走向有一条中尺度涡管 ,位于对流层中低层 ,高度呈波状起伏。波峰处有较强经向环流 ,强降水位于波峰附近的经向垂直环流之下。降水强度与涡管强度密切相关 ,涡管增强时降水增强。涡管强度与中低空的条件性对称不稳定有关。

西安地区一次罕见秋季冷锋后暴雨过程分析

利用常规地面高空观测、西安多普勒天气雷达观测、欧洲中心细网格模式预报等资料对2017年9月27日西安暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明,暴雨发生在秋季连阴雨结束前,距地面冷锋后部300~400 km,暴雨发生前地面气温较低,不利于高温高湿能量的积累,西安地区850 hPa、700 hPa均为偏北风,无法为其带来水汽,但500 hPa西风槽为西安地区暴雨提供了有利的天气形势;通过诊断饱和相当位温、地转绝对动量表明西安暴雨的不稳定机制是条件性对称不稳定。冷锋锋面自南向北逐渐倾斜,陕南地区西太平洋副热带高压外围700 hPa有一支偏南风带来暖湿气流,暖湿气流被锋面强迫爬升至西安条件性对称不稳定区域,产生倾斜对流。大气有着较强的斜压性,中等强度的垂直风切变有利于地转绝对动量维持较小的坡度,中高层暖湿气流使得中高层饱和相当位温有着较大的坡度,从而使中高层形成条件性对称不稳定。降水回波呈现出平行带状,与0~6 km风切变矢量西西南风平行。条件性对称不稳定区域与倾斜上升运动及回波高度有着较好的对应关系。

一次暴雨与特大暴雪并存的华北强降水过程分析

应用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料,对2012年11月3—4日华北地区产生大范围雨雪天气的成因和降水相态进行分析。结果表明:深厚的低涡和地面气旋是本次过程的直接影响系统,东南风低空急流带来东部海上的充沛水汽,使得暴雨雪区整层大气可降水量远高于当月平均值;低涡和气旋等低层辐合系统与高空辐散叠置,为强雨雪天气提供了持久强烈的上升运动,暴雨区、暴雪区分别为对流不稳定、条件性对称不稳定大气层结,而锋生作用更有利于暴雪产生;雪花形成和增长的环境条件与雪花下降过程是否融化在判断降水相态方面同等重要,二者兼具才能保证地面降雪的出现。

2016年初冬陕西一次高架雷暴天气过程分析

利用常规地面高空观测资料、西安和安康多普勒天气雷达观测资料、欧洲中心细网格模式预报等资料对2016年11月22日发生在陕西地区的一次雷暴过程进行诊断分析,结果表明:陕西中南部雷暴区位于地面冷锋后350～500 km的区域内,雷暴区3 km以下是深厚的冷垫,同时中低层存在明显的逆温层,低层是绝对稳定的大气层结,这说明此次雷暴天气为高架雷暴。通过诊断饱和假相当位温、假相当位温、湿位涡和绝对涡度表明不同地区不稳定机制是不同的。西安地区不稳定机制为条件性对称不稳定,安康地区不稳定机制为条件性不稳定。在条件性对称不稳定区域,降雪回波呈现出数个平行带状回波,与0～6 km风切变矢量(西西南风)平行;在条件性不稳定区域,降水回波为小尺度的块状回波。强垂直风切变表明大气斜压性强,中高层暖湿气流增强了大气的湿斜压性,从而使中高层形成条件性对称不稳定,产生倾斜对流;中低层偏南气流输送暖平流和水汽,使得大气较为暖湿,中高层温度平流较弱,大气较干,形成位势不稳定,锋面抬升中低层暖湿大气使其饱和,位势不稳定转化为条件性不稳定,产生垂直对流。不稳定与上升运动及回波高度有着较好的对应关系。

一次暴雨过程降水强度“双峰”结构成因分析

利用LAPS再分析高分辨率资料,对2008年6月9—11日浙、赣、皖地区一次具有"双峰"结构的暴雨过程进行了诊断分析。结果表明:中低层切变线和低空急流是此次暴雨过程的直接影响系统,为暴雨形成提供了良好的动力抬升机制。暴雨过程中暴雨中心区域水汽一直比较充沛且变化较小。对不稳定机制的分析表明,10日03时降水第一峰值可能是由低层对流不稳定和中层条件性对称不稳定机制的共同作用下形成,而条件性对称不稳定可能是10日09时降水出现第二峰值的主要成因,而绝对动量距平调整,则是条件性对称不稳定形成的可能机制。

“049”川渝暴雨的Q矢量与湿位涡分析

采用NCEP/NCAR再分析资料对"049"暴雨过程的准地转Q矢量及湿位涡进行诊断分析,揭示了暴雨期准地转Q矢量散度场、涡度场以及锋生函数的分布特征以及与暴雨之间的时空配置关系,指出了Q矢量散度与垂直运动有很好的配置关系,低层Q矢量辐合有利于上升运动的发展和维持,Q矢量对此次暴雨过程具有一定作用;暴雨区对流层中低层的对流不稳定与条件性对称不稳定对此次暴雨过程起了关键作用,而且很可能是中尺度对流系统发生发展的重要条件之一。

高强度降水过程形成和发展的一种机制分析

应用Sawyer Eliassen次级方程诊断分析了一次高强度降水过程中的湿球位涡场,结合诊断结果探讨了高强度暴雨形成和发展的原因。分析表明:条件性对称不稳定是这次强降水发生的不稳定机制之一。由强盛的西南低空急流输送的水汽在雨区低层辐合,地转动量近似下的锋生强迫形成的锋面次级环流促使暖湿空气向上输送,使聚集在其内的不稳定能量得以释放,导致强降水发生。

陕西一次远距离台风持续性暴雨的成因分析

利用MICAPS实况观测、卫星云图TBB、地面气象自动观测资料,对2010年7月16—18日陕西一次持续性暴雨天气过程进行诊断分析,结果表明:500 hPa大陆高压,副热带高压稳定维持使得两高之间低值系统稳定少动,宽广的低压底部不断有短波槽携带冷空气东移南下,与两高之间的低值区合并,Conson台风在登陆和减弱的过程中在南海及附近地区维持较长的时间,低层从台风东侧至陕西建立了温湿能通量的能量输送通道,把台风东侧的温湿能沿副热带高压外围偏南风向陕西输送,暴雨位于低层温湿能等值线密集处;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次暴雨发展与维持的重要机制,高层湿位涡大值区向下伸展,对暴雨起到增幅的作用。暴雨产生在地面湿静力温度线密集区略偏向于高能中心一侧。