贺兰山东麓两次暴雨过程湿位涡特征分析

选用宁夏贺兰山东麓512个自动气象观测站逐小时降水量数据和ERA5再分析资料及常规气象探测资料,对比分析该地区2018年7月22日特大暴雨和2020年8月11日大暴雨过程的湿位涡特征,探讨两次暴雨发生发展机制。结果表明:两次暴雨过程均发生在“东高西低”的环流形势下,西太平洋副热带高压西侧的偏南气流、高低空急流配置以及台风为暴雨过程提供了有利的水汽和动力条件;暴雨发生前3~6 h,对流层低层700~850 hPa存在湿位涡正压项(MPV1)负值中心和湿位涡斜压项(MPV2)正负中心过渡的等值线密集带,其移动发展及持续时间同暴雨发生发展有较好的对应,对暴雨预报有一定指示作用。对流层低层MPV1负值区和MPV2正值区相叠加的位置是强降水易发区,且MPV1、MPV2强度越强、持续时间越长,降水越强,当MPV1和MPV2趋于零时,大气层结稳定,降水过程逐渐结束。

两次北上相似路径台风导致的暴雨湿位涡诊断分析

利用2012年8月28—29日和2019年9月7—8日水平分辨率为0.25°×0.25°的ERA5再分析资料、地面观测资料和中国气象局热带气旋最佳移动路径数据,对两次北上相似移动路径的台风“布拉万”和“玲玲”导致东北地区暴雨天气过程的湿位涡进行诊断分析。结果表明:台风导致的强降水与假相当位温的密集带对应较好,降水主要位于假相当位温密集带偏暖一侧,锋区越强,降水量越大。两个台风过程均在降水前期存在对流不稳定层结,为台风降水提供初始能量积累。初始时刻出现湿对称不稳定,是台风中心西北侧暴雨出现的主要因素。降水增强时刻,大气对流不稳定再次参与,说明低层对流不稳定提供了降水快速增强的主要能量。低层湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)的绝对值均出现先增大后减小再增大的趋势,强降水主要分布在两个极值中间过渡时段。两次北上台风引起的吉林省中部暴雨带均与低层850 hPa的MPV2负值区和MPV1的正值区有较好的对应关系。

改进湿位涡倾向方程的分解和应用

对改进湿位涡倾向方程做了理论分析和讨论,并通过一次台风过程做了验证,所得主要结论有:该方程可分解为干、湿分量倾向方程。在无摩擦和干绝热情况下,改进湿位涡的干分量具有保守性,该方程即为Ertel位涡倾向方程。在某些中小尺度天气系统中,湿物质梯度项对改进湿位涡的个别变化会有较明显影响,故该倾向方程更适用于该天气系统的诊断分析。利用改进湿位涡分解得到的干、湿位涡倾向方程,可得到显含湿物质梯度项的升级虚位涡方程、升级湿位涡方程,而这使得位涡诊断更加精细。本文对各类位涡倾向方程中凝结加热的作用做了分析,发现Ertel位涡倾向方程存在高估凝结加热的情况,使用改进湿位涡倾向方程对其进行部分凝结潜热扣除,应该有较好的诊断效果。改进湿位涡倾向方程减去经典湿位涡倾向方程后的结果能够合理反映凝结加热的作用,故用于梅雨锋暴雨和热带气旋等以凝结加热为主的天气系会有更佳的诊断效果。

湿位涡及其不可渗透性在江淮流域一次暴雨过程中的应用

为了对暴雨天气进行更准确地分析和提前预报,结合常规观测资料、NCEP1°×1°再分析资料,利用湿位涡正压项（MPV1）、斜压项（MPV2）及其不可渗透性原理,分析了2011年6月13日～15日发生在中国长江流域的一次暴雨过程.研究结果表明：暴雨区邻近850hPa上MPV1的零线,即正值与负值的过渡区,这对暴雨落区有指示作用.且湿位涡在850hPa上满足MPV1＜0同时MPV2＞0的条件,这种配置有利于强降水的产生,因此可作为预报暴雨的一个有效辅助工具.在850hPa上,湿位涡高值区与地面降水落区对应良好,根据湿位涡不可渗透性原理,若将MPV异常高值区与等θe线结合起来,能在长江流域的暴雨预报中起到良好的指示作用.

“98．5”华南前汛期暴雨的湿位涡异常诊断:质量和热力强迫的数值分析

利用MM5输出的高分辨率资料对“98．5”华南暴雨的湿位涡进行了诊断分析,分析了质量强迫和热力强迫引起的湿位涡异常。结果揭示：降水区位于负湿位涡的下方,负湿位涡的趋势走向与降水区的一致。造成本次暴雨的成因中包括湿对称不稳定和对流不稳定两种机制,湿位涡MPV(moist potential vorticity)的分量MPV2对MPV起主要作用,其中主要是MPV2v的贡献。质量强迫和热力强迫共同作用引起湿位涡异常变化,它们的作用大小相当,在研究暴雨时,不可忽略因降水造成的质量强迫。

一次爆发性气旋的发展与湿位涡关系的研究

通过对一次陆地爆发性气旋的数值模拟与湿位涡的诊断分析发现 ,气旋的爆发与湿位涡的平流关系密切 ,气旋的发展并不是在湿位涡中心位于气旋上空时才开始 ,而是当湿位涡中心位于气旋的后部 ,并在 2 0 0 h Pa以下有明显的倒圆锥形下伸区时 ,才有利于气旋的发展。当湿位涡中心位于气旋上空时 ,气旋发展开始减慢。湿位涡局地变化的大小与水平方向位涡梯度的大小有关。湿斜压位涡负值区的上下贯通与气旋发展也有明显的关系。

大气湿位涡影响夏季江淮降水异常的机理分析

利用欧洲中心再分析资料(ERA-40)中1958—2001年气象场资料(世界时00时),分析了降水异常年850 hPa湿位涡及其分量差异的原因。结果表明,降水异常年湿位涡和湿位涡正压部分的差异主要是由水汽的垂直分布差异引起稳定度的变化所致,而相对湿位涡和湿位涡斜压部分的差异,分别主要是由垂直涡度及纬向风的垂直切变和暖湿气流的经向切变所致。另外,还利用湿位涡的正压部分和斜压部分讨论了江淮夏季850 hPa大气性质的变化,结果表明,近50年来,大气对流不稳定减弱,而斜压不稳定增强。

台风“美莎克”引发暴雨过程的湿位涡诊断分析

利用NCEP FNL 1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,对北上深入内陆,发生变性并直击吉林省引发暴雨天气的2009号台风“美莎克”的湿位涡(MPV)和假相当位温(θse)的垂直分布特征进行了分析,重点讨论了湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)的正负值变化特征。结果表明:“美莎克”沿引导气流北上与西风带系统发生相互作用,冷空气向东移动增强了大气的斜压性,斜压位能释放导致降水增幅。“美莎克”变性后再加强过程与高层正值MPV下传和热带气旋低压环流相互作用有关。925hPa等压面上MPV1负值区和MPV2正值区与暴雨区有较好的对应关系。暴雨区上空对流层低层存在MPV1为负值MPV2为正值的配置。MPV1负值和MPV2正值均增强,对应降水增幅;MPV1负值和MPV2正值均减弱,降水逐渐减弱。对流层低层的对流不稳定和对流层中层的湿对称不稳定共同存在是此次台风暴雨维持与发展的重要机制。

相当湿位涡异常与梅雨锋暴雨分析

基于位涡异常与中尺度对流系统发展密切相关的分析事实,以及中尺度天气的发生发展的过程中水汽的重要作用,在引入水汽变化方程的基础上,导出了非均匀饱和大气中的相当湿位涡方程,进而分析了引起相当湿位涡异常的主要因子。依据相当湿位涡包含动力因子、热力因子和水汽因子的特点,利用相当湿位涡及增量对一次梅雨锋暴雨进行诊断和模拟分析,初步揭示了相当湿位涡及其增量对梅雨锋强降水的指示意义,相当湿位涡及其增量大值区对未来1-3小时的强降水具有较好的指示作用。针对梅雨锋暴雨,可以将梅雨湿度锋与相当湿位涡相结合作为强降水短时临近预报的一个指标。

“7.21”北京特大暴雨的湿位涡诊断分析

为了探讨湿位涡场的特征与北京"7.21"暴雨关系,利用NCEP/NCAR再分析资料集,对"7.21"北京特大暴雨过程进行湿位涡诊断分析。结果表明:对流层中高层的MPV1高值中心的冷空气叠加在对流层中低层负的MPV1之上,对北京上空位势不稳定能量的储存和释放十分有利,为北京暴雨的发展提供了有利的条件。北京强降水与MPV1的负值中心和MPV1的密集带密切相关。北京强降水期间与MPV2正值区相对应,其降水区的移动方向与MPV2正值中心的移动方向一致,而负MPV2的向下伸展程度,可能与北京降水强度也密切相关。MPV2的负值区走向还与锋面走向非常一致。暴雨区大气不稳定形成的机制是高低空系统的耦合配置下,暖湿空气的上升运动触发了对流层低层暴雨区对流不稳定能量释放,使得上升运动得到加强,虽在对流层中高层为大气对流稳定层结,却满足条件对称不稳定层结,从而使气流继续倾斜上升到对流层上层,维持了北京强降水的发生。

湿位涡方程及其应用

本文在湿绝热、无摩擦条件下，推导了湿位涡方程及其近似表达式。然后通过尺度分析得到了大尺度条件下湿位涡守恒的性质，其形式与于位涡一样。由于考虑了水汽的作用，使用它较干位涡更为方便。最后，我们把湿位涡用于江南岭北３月有无连阴雨的分析，其结果与预报员经验是一致的。

华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析

利用MM5模式对发生在 1 998年 5月 2 3～ 2 4日华南暴雨和中尺度对流系统(MesoscaleConvectiveSystem ,简称MCS)模拟的模式输出资料 ,根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析了暴雨和MCS形成和发展的原因。结果表明 ,暴雨和MCS发生在倾斜湿等熵面具有弱对流稳定性的下陷区 ,沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升并具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减小的过程 ,导致暴雨和MCS发生发展区域有气旋性的涡旋发展。对流发展区域的上空满足条件对称不稳定发生的条件 ,MCS中上升气流呈倾斜状态。由于湿等熵面倾斜 ,在暴雨和MCS的发展过程中 ,水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展 ,使暴雨和MCS得以维持。最后 ,给出了华南地区湿等熵面上暴雨和MCS发生发展的一个物理概念模型。

强暴雨系统中湿位涡异常的诊断分析

从动力上推导了热力、质量强迫下的湿位涡方程 ,阐明了在暴雨系统中引起的强降水会造成热力、质量强迫下的湿位涡异常。并用NCEP 1°× 1°的分析资料对 1 999年 6月 2 3日到6月 2 6日引起长江流域暴雨的对流系统进行了湿位涡诊断分析 ,分析结果表明湿位涡异常高度主要出现在 70 0～ 5 0 0hPa之间 ,中心最大值可超过 1 .4PVU。从动力和资料诊断两个方面均揭示出湿位涡异常区与强降水区有很好的对应关系。

影响山东的台风暴雨天气的湿位涡诊断分析

应用湿位涡理论 ,对发生在山东境内由台风和台风减弱的低压引发的两场大暴雨过程进行诊断。结果表明 :这两场暴雨都产生在θe 陡立密集区附近 ,θe 陡立密集区附近易导致湿斜压涡度发展 ;对流层中低层MPV1 <0 ,850hPa上MPV2 >0 ,综合反映了暴雨区对流不稳定和斜压不稳定的发展 ;对流层高层高值湿位涡下传 ,有利于位势不稳定能量的储存和释放 ,使降水增幅。

Winnie(1997)和Bilis(2000)变性过程的湿位涡分析

9711号台风Winnie和0010号台风Bilis均在中国大陆发生变性,但前者变性后再度加强,而后者变性后减弱消亡。从湿位涡理论出发,对比分析两者的变性过程,结果表明:作为变性台风,Winnie和Bilis均在北上过程中与中纬度西风槽发生作用,但前者与高空槽发生耦合,后者仅接近高空槽底部,没有发生耦合;Winnie变性加强过程表现为一个温带气旋在低层锋区上的强烈发展过程,主要与高层正位涡扰动下传、低层锋区及热带气旋低压环流之间的相互作用有关。mP湿斜压项增长引起的倾斜涡度发展是登陆热带气旋变性加强的主要因子。在Bilis变性过程中,高层无明显的正位涡扰动下传,热带气旋低压环流内无锋区面出现,大气斜压性弱且变化不明显。

敦煌致洪暴雨的广义湿位涡分析

利用高空、地面定时观测资料、区域站降水资料、FY-2E红外云图和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月15-16日甘肃敦煌、阿克塞和肃北的一次历史罕见暴雨天气过程的影响系统、水汽条件、广义湿位涡及其倾向变化进行了分析。结果表明,这次暴雨是中高纬天气系统与低纬天气系统相互作用的结果。暴雨水汽来源于700hPa新疆东部偏西气流输送和600hPa附近河西走廊西部偏东气流输送。广义湿位涡正异常主要集中在850～750hPa广义位温线密集区,这与实际大气水汽主要集中在低层是一致的,在一定程度上反映出暴雨期的水汽分布和水汽集中特征。800hPa上广义湿位涡的正异常区基本与暴雨区一致,与湿位涡相比,广义湿位涡能更好地诊断出这次暴雨落区。广义湿位涡正异常大值区出现在绝对涡度异常大值区与大的相对湿度梯度相重叠的区域。单点广义湿位涡倾向异常值的负正、正负转换及峰值变化与降水开始、结束和雨强变化相一致。广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生、发展的动力变量外,还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点,在暴雨分析中有一定的优势。

西北区东部一次大暴雨过程的湿位涡诊断与数值模拟

利用绝热、无摩擦大气湿位涡守衡理论和NCEP（1°×1°）再分析资料，对我国西北区东部2005年7月1～2日大暴雨过程进行了分析。结果表明：700hPa上副热带高压西侧强西南气流北上，在西北区东部与东移南压的西北冷空气形成强辐合，是造成西北区东部这次强降水的主要影响系统。在700hPa等压面上湿位涡与辐合区域相对应的是，在西北区东部存在一个湿位涡正压项MPV1的正值区和湿位涡斜压项MPV2的负值区域，它们准确地指示了辐合区的范围及变化，暴雨出现在辐合区中或MPV1和MPV2的等值线密集区边缘上；对流层高低层正值MPV1可以指示对流稳定的冷空气的变化，而对流稳定度小的暖湿气流表现为小的正值（高层）或负值（低层），等值线密集带指示了降水的后界。用模式输出的高时空分辨率资料诊断暴雨发生期间各个暴雨中心的等熵面结构，表明用湿位涡理论可以很好地解释这次暴雨发生的局地特征。

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。

一次暴雨的湿位涡分析及EVAD技术应用

利用NCEP/NCAR再分析资料和实测资料对2004年6月24—25日的一次江苏暴雨过程进行了分析,并且根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论,对这次暴雨过程中的湿位涡进行了诊断分析,结果表明:此次暴雨由中尺度低涡、切变线直接触发产生;西南低空急流的稳定维持为这次暴雨的发生提供了重要的水汽条件;当负湿位涡向上的扰动高度增加、强度增强,高低空正负湿位涡区配合较好时常会出现强降水。另外,利用EVAD技术由多普勒雷达基数据定量计算了这次过程的平均散度场,通过分析其演变情况,发现:低层散度场由辐散逐渐向辐合过渡、高层散度场由辐合逐渐向辐散过渡时,预示着强降水将要发生,如果出现相反的变化趋势,则降水减弱或停止;低层由辐散向辐合、高层由辐合向辐散的转折出现时间早于强降水出现的时间,对强降水产生有预示作用,对预报员准确作出短时临近预报预警具有重要实际应用价值。

湿位涡守恒条件下西南涡的发展

运用高分辨率数值预报模式 (HIRLAM)模拟了一次中国西南地区在多种活跃天气系统影响下 ,西南涡的发展过程。分析了东亚季风、青藏高压、地形等多种尺度与不同高低空环流形势配合以及在湿位涡守恒条件下对流发展时 ,潜热及不稳定能量的释放 ,对中尺度涡旋和强对流发生发展的作用 ,探讨了西南涡和局地降水增强与消亡的成因与理论 。