皖南山区一次暴雪过程地转适应锋生条件分析

地转适应是形成皖南山区地形静止锋且区别平衡锋的另一种锋生机制,而地形静止锋常造成皖南山区局地灾害性天气。因此,开展地转适应锋生条件分析研究对于认识山地地形如何造成灾害性天气有重要意义。以2022年2月22日地形静止锋导致皖南山区暴雪过程为例,利用地面气象观测资料、新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)基数据资料及欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料,采用雷达三维风场反演技术,计算此次暴雪过程的锋生函数。结果表明:(1)此次锋生过程,东北气流入流增强,流函数梯度增大,造成皖南山区背风坡山脚(30.5°—31.0°N)之间流体密度不连续,在其前沿狭窄区内出现地转适应锋生,随即出现了尺度小、呈纬向分布的局地暴雪天气;地转适应锋生和暴雪天气均发生在中低层为稳定大气层结的湿对称不稳定区内。(2)分析锋生函数及相关因子可见,垂直运动倾斜项对地面锋生贡献占主导作用,水平变形项和辐合项锋生贡献相对很小,说明此次地转适应锋生主要是地面上升运动位温垂直输送作用的结果,非风场形变引起。(3)雷达反演的中尺度风场可见,在风场非平衡状态向地转平衡状态调整的过程中,地形强迫下坡风抬升激发锋区上空1.5~3.0 km高度上的大气中低层出现很强的次级环流,导致在地面冷区冷平流增强降温,地面暖区上空因暴雪降水凝结潜热释放的非绝热加热导致增温,使得锋区位温梯度增大,出现锋生现象。

一次暴雨过程的锋生特征及风场演变分析

本文利用ECMWF ERA-INTERIM(0.25°×0.25°)再分析资料和FY-2H卫星云顶亮温资料,通过计算锋生函数、非地转风、水平风切变强度的分布与暴雨的关系,对2020年7月5—7日江苏一次暴雨过程的成因进行了诊断分析。结果表明,强降水区中低层锋生、中高层锋消。850 hPa锋生变化能反映出对暴雨的影响,散度项、变形项对锋生为正贡献,变形项、倾斜项与总锋生变化趋势基本一致,散度锋生始终伴随整个降水过程,暴雨最强阶段是由倾斜锋生叠加在水平锋生上作用的结果。锋生加强了风场的非地转性,并强迫出锋面次级环流,非地转风的散度形成次级环流上升支。对流层低层,锋生强度随急流发展同步增强。200 hPa高空急流经向v场变化与暴雨强度演变趋势正相关:暴雨开始阶段,v场增大,降水增强;当高空急流v场最大时,暴雨最强;暴雨减弱结束阶段,高、低空v场减小,北风增大,高空西南风急流右后方次地转现象消失,转为超地转西南风。

宜昌市一次倒槽锋生气旋混合型对流天气特征分析

2023年4月2~3日宜昌市出现一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气,过程以冰雹、短时强降水、大风等对流天气为主,且不同类型强对流天气出现的时段及对流特征差异较大,有必要对其开展精细分析。利用高空地面观测、天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料,分析了此次混合型对流天气特征,并初步分析了数值模式预报的偏差。结果表明:①此次对流天气分为以短时强降水为主的暖锋锋生阶段和以短时强降水、冰雹、大风为主的冷锋锋生阶段,局部累计雨量超过100 mm,极大风速达9级。②随着高空槽和冷空气逼近,700 hPa以下西南急流和前侧底层暖倒槽强烈发展,随着冷空气侵入暖倒槽,强斜压性气旋形成并发展。③天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料能够捕捉到不同类型强对流天气时空特征。④大尺度模式对环流背景场、中尺度模式对强降水落区预报均具有一定指示意义,但在地形对降水增幅作用上估算不足。

变形场锋生对0108登陆台风温带变性和暴雨形成作用的诊断分析

文中利用MM5模式对0108(桃芝)台风温带变性特征及暴雨的发生发展机制进行了诊断分析。分析表明0108(桃芝)台风登陆后其大风区向外扩展,中心区以外的气压仍有下降。由于锋面的斜压作用其温度场结构发生了明显变化,由对称的暖心结构演变为半暖半冷的温带气旋非对称结构,相对应的高度场、流场特征亦表现出非对称结构。通过计算变形向量、锋生函数及非地转风的分布,发现在锋生函数中变形项所起作用比散度项和倾斜项要早、要大,对台风温带变性有重要的作用。而锋生结果加强了风场的非地转性并强迫出锋面垂直次级环流,造成强烈的辐合上升运动,引起台风暴雨的增幅。

利用锋生函数对2008年年初昆明准静止锋生消过程的诊断分析

利用ERA-Interim 0.125°×0.125°高分辨率逐6小时再分析数据,选取昆明准静止锋2008年1～2月长时间维持过程诊断分析了锋生函数及其各分项在锋面生消过程中的作用与贡献,并结合2016年1月20～27日锋面增强西进过程和1979年1月14～20日锋面减弱东退过程进行了比较分析。结果表明:(1)非绝热加热项对锋面生消作用较小,但存在显著的日变化。在辐射作用下,非绝热加热项日间表现为锋消,夜间为锋生。(2)西移冷气团在被高原大地形抬升过程中存在局地地形迫使冷气团下沉的情况,并导致垂直运动倾斜项表现为锋生。由于地形固定不变,局地锋生形成次级锋生带。次级锋生带与昆明准静止锋的形成、维持和东西摆动有密切的联系。(3)辐合辐散项和水平形变项是锋生函数变化的主要贡献项,其中水平形变项中的切变变形作用以锋生为主,而伸缩变形项在纬向产生锋生,在经向产生锋消。

地转适应与锋生

地转适应过程是大气中的一个重要过程。对地转适应问题及其在锋生动力学中的应用作了简单回顾 。

陇东南汛前期2次斜压锋生类短时强降水过程动力特征对比

2019年4月19—20日(简称“4·19”)和4月26—27日(简称“4·26”)陇东南出现2次区域短时强降水天气过程,利用常规气象观测资料和ERA5再分析资料,通过诊断锋生函数、温度平流、垂直风切变等物理量对2次过程的动力特征进行对比分析。结果表明:(1)2次过程均存在高空冷平流、低层冷暖气流交汇,地面分别有明显的冷锋和冷式切变辐合线,属于斜压锋生类强对流。(2)在同样显著的斜压大气环境条件下,2次过程动力特征存在明显差异,“4·19”过程冷空气较为深厚,中、低层强冷平流驱动低层锋生,对流发生在锋面强迫抬升的动力不稳定条件下,呈现出锋面降水特征;“4·26”过程低层及近地层有冷空气扩散,对流发生在近地层锋生与低空急流共同作用下,由热力不稳定主导,对流性降水特征显著。(3)700 hPa和850 hPa锋生函数可分别定量描述低层和近地层影响系统的时空分布和演变特征,由于近地层触发系统受地形影响难以界定,尤其“4·26”过程低层及近地层冷空气路径复杂,锋生函数可作为近地层触发系统判定的物理量指标。

我国东南沿海地区海岸锋生的数值模拟

本文用ＰＳＵ／ＮＣＡＲ中尺度模式ＭＭ４对黑潮暖流海域海洋边界层大气的斜压性对我国东南沿海地区局地环流及天气影响的数值模拟分析表明：在有利的大尺度背景风场向岸东风的作用下，我国东南沿海地区夜间可以有海岸锋生成，黑潮暖流影响锋生强度，并使沿海岸一带区域夜间降水增大。

“94·7”北京大暴雨的能量锋及能量锋生

首先利用温静力温度Ｔσ分析了１９９４年７月１２—１３日北京地区台风低压和西来槽共同影响的强降水过程的能量场，其次利用能量锋锋生方程组，并进行能量锋锋生分析。结果表明：此次降水过程对流层低层对应有明显的Ｔσ水平能量锋区，且Ｔσ能量锋区与同时次６小时降水相对应。能量锋生方程组计算出的Ｔσ水平锋生是地转变形项和倾斜项共同作用的结果，而瓦垂直锋生主要是倾斜项的作用。同时，水平锋生对降水具有指示意义。

锋生作用对2011年梅汛期湖北暴雨的影响

利用常规气象资料、湖北人工气象站和自动气象监测站雨量资料、NCEP再分析0.5°×0.5°等资料,对锋生函数在2011年6月中上旬梅雨期三次暴雨过程中的作用进行了诊断分析。结果表明:(1)2011年湖北梅雨在单阻型环流场形成和维持的过程中,先后出现了三种不同特征的暴雨过程。三次过程均在中层出现锋生。(2)中层锋生主要由垂直锋生造成,有利于对流不稳定的发生。低层锋生主要由水平锋生造成,有利于水汽输送和辐合抬升。当中层和低层均有锋生,且中层为垂直锋生、低层为水平锋生时,有利于降雨强度的加强。(3)先出现中层锋生后出现低层锋生可能为短时降雨,先出现低层锋生后出现中层锋生可能为长历时降雨。(4)低层的垂直锋消与水平锋生完全抵消说明低层水平辐合不够强,且对流稳定,不利于强降雨的发生。

北京“7.21”暴雨过程中变形场引起的锋生与倾斜涡度发展诊断分析

从变形场驱动锋生及通过锋生引起倾斜涡度发展的角度对变形场在北京"7.21"暴雨发生、发展过程中的可能作用机制进行了初步探讨。诊断结果发现:北京地区降水产生时,变形向量与等位温线走向一致或有较小夹角,北京地区有较强的变形场局地锋生过程。锋生函数分析发现,变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献。锋生能够引发大气动力、热力结构的调整,伴随大气锋生过程的高空急流加强和转竖使得北京地区处于高空急流入口区右侧的辐散区中,其带动低层空气辐合,有助于暴雨的加强维持。分析还发现,"7.21"暴雨过程中,垂直涡度存在爆发性发展,尤其是锋面降水阶段,而大气斜压度的增长趋势与垂直涡度增长趋势十分一致。分析全型涡度方程中与变形场有关的斜压度个别变化项发现,与变形场相关的垂直涡度驱动项异常正值区与垂直涡度爆发性增长区相对应,表明变形场在北京"7.21"暴雨过程中对垂直涡度发展有重要贡献。基于变形场沿其压缩轴方向气流汇合的特点,进一步分析了加入水汽作用的水汽通量变形场与暴雨发生、发展的关系。分析结果发现,低层水汽通量变形场的正值区与暴雨具有很强的相关,且水汽通量变形场包含两部分,一部分为比湿平流,其对未来暴雨区位置有很好的指示意义;一部分为变形场项,其对水汽通量变形场分布起主要贡献。

一次暴雪过程的锋生函数和急流—锋面次级环流分析

2008年1月25～28日一次远离地面准静止锋的锋后暴雪突破了武汉百年气象史的多项纪录。利用NCEP再分析资料、MICAPS常规观测资料和FY-2CTBB资料诊断分析了这次暴雪过程。结果表明,这次暴雪与华南准静止锋关系密切,锋生、锋消变化与降雪天气的出现和停止一致;锋生函数各项在不同时段对锋生、锋消的贡献不同;水平变形项表现在总变形向量E上,水平辐散项表现在水平辐散场上,在锋生显著时期,伸长变形场与散度场大值带都与锋区重合。高低空急流的加速和有效配置诱发了急流—锋面次级环流产生,其对锋生、锋消变化具有一定的平衡作用,同时也与暴雪的出现和停止相关:反环流上升支不仅为暴雪天气提供了有利的动力条件,而且"逗点状"水汽输送也起了重要作用;正环流的出现使武汉上空出现下沉运动,水汽大幅度减少,暴雪天气相应停止。武汉的持续上升运动是在高低空急流有效配置、锋面的强迫抬升、急流—锋面次级环流的上升支,以及局地斜压大气力管环流上升支的支持、对称不稳定和位势不稳定层结综合作用下维持和发展的。

华南局地锋生及对流系统发展的模拟分析研究

2009年3月28日一条东西向的锋面出现在华南25°N附近。伴随着锋面的活动,对流降水回波午后开始在广西的梧州附近发展,并在随后几小时向东移动,组织发展成为中尺度对流系统(MCS),为广东中西部及珠三角地区带来了雷暴、暴雨、冰雹等灾害天气。应用地面自动站、雷达回波、卫星云图以及NCEP-FNL再分析资料和WRF模式的模拟结果,对锋面暴雨形成的天气特征进行了诊断分析,考察了中尺度对流系统的发展演变过程及其与局地锋生的相互关系。结果表明,锋面对流系统形成发展于一个东西向水平尺度约200km的地面中尺度辐合线附近,对流起始发展于具有较大对流有效位能(CAPE)和较小对流抑制位能(CIN)的区域。伴随着对流的发展,锋面强度增强。锋生函数的计算发现,非绝热项和倾斜项分别在由对流引起的次级环流的上升运动支和下沉运动支起锋生作用,是引发中尺度锋生的主要影响因子。而相对来说,水平辐合项和形变项的作用却比较小。这与大尺度的锋生过程不同,中尺度锋生更主要的是由热力直接触发的非地转环流所驱动。涡度场的演变分析还发现,沿着850hPa锋区大的正涡度区与500hPa的强上升运动区对应良好,对流系统发展与中尺度锋生之间存在着类似于第二条件不稳定机制的相互作用,对流增强了锋生过程,锋面则对中尺度对流系统的发展起组织作用。中尺度锋生对对流组织发展的作用作为此类灾害天气形成的原因值得关注。

一次副热带高压边缘突发性暴雨的锋生及水汽特征分析

针对2010年7月31日夜间山西西南部一次业务模式出现较大预报偏差的西太平洋副热带高压(下称副高)边缘突发性暴雨天气过程,利用常规和降水加密观测资料、FY-2E卫星TBB数据以及中尺度模式WRF高分辨率数值模拟结果,诊断分析了暴雨的发生发展、锋生及锋生过程中的水汽演变特征。结果表明:此次突发性暴雨是由高空槽后干冷空气推动副高边缘暖湿气流所导致的一次锋生型强降水,β中尺度对流系统(meso-βcircular convective system,MβCCS)是造成暴雨的直接影响系统,低层β中尺度涡旋的形成和发展为MβCCS的维持提供了有利的水汽辐合条件,地面冷锋及其附近中尺度辐合线是对流触发因子。锋生诊断表明,低层辐合、中层辐散的垂直结构导致对流层低层水平锋生、中层水平锋消,而低层强烈的上升运动使得强不稳定层结高度升高,从而引起对流层中层强垂直锋生发展,垂直锋生与水平锋生同时产生,且垂直锋生较水平锋生大一个量级,中低层强锋生和次级环流圈的出现与强降水的发生时间和位置对应较好,比较而言,倾斜项对总锋生贡献最大,辐合项贡献最小。中低层锋生的加强有利于低层水汽的辐合抬升,锋生过程中深厚的水汽饱和层的出现以及水汽含量向高空的凸起,对局地强降水的预报有明显的指示意义。另外,高空冷空气的强度、移动路径以及MβCCS的发展对判断此类强降水的发生和暴雨落区具有重要作用。

一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析

基于观测资料和NCEP再分析资料,并结合中尺度数值模拟,对2012年1月14—15日我国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定(conditional symmetric instablility,CSI)进行诊断分析。结果表明,南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动,在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程,构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景;来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必须的水汽条件,异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。在降水过程中锋面附近有多条中尺度雨带活动,锋生函数分析表明,14日夜间广西境内锋生明显增强,在潜热释放的影响下CSI开始发展,相应的锋生次级环流也有所发展,锋前暖区中的上升运动随之增强,导致广西北部形成较强的中尺度降雨带。分析表明,锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程(Sawyer-Elissen方程)在不同稳定性条件下的解,锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。

变性台风Winnie(9711)环流中的锋生现象

基于T106一日四次1.125°×1.125°格点资料,采用非地转湿Q矢量对登陆台风Winnie(9711)变性加强过程中环流内的锋生现象进行诊断分析。结果表明,Winnie变性加强与其环流内的中尺度锋生过程密切相关,其低层环流中可发现包围台风中心的环状锋生现象。其中,北侧锋带与西侧锋带在结构、性质上有所不同,北侧锋具有暖锋特征,而西侧锋具有冷锋特点。台风残余低压环流中心位于两条锋带的交汇处,其变性加强过程类似于一个温带气旋在地面锋上的发展过程。Winnie变性加强过程中,北侧暖锋锋生强,锋面次级环流明显,降水区主要出现在该锋带附近。西侧冷锋锋生弱,无明显锋面次级环流,降水不明显。强锋生区首先在台风上空高层产生,随后增强下传,加强了低层锋生过程。中低层锋生强度以及锋上垂直运动与凝结潜热作用有密切关系。

一次梅雨期暴雨与中层锋生、β中尺度小高压的关系

利用实况资料和中尺度WRF模式对2007年7月9—10日一次江淮梅雨期暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。结果表明,此次过程中,在雨带的北部有β中尺度小高压的维持及破坏过程。在小高压维持时,暴雨相对较小,被破坏时,降水加强,同时中层有明显的锋生过程。β中尺度高压产生与消失的原因与高空急流的非地转质量调整有关。小高压存在时有利于梅雨锋切变线的维持,但其南部的偏东气流,没有为暴雨提供较强的辐合场,且阻挡了北方的冷空气南下,因此不利于强降水的产生。当其减弱消失时,使得北方的动量直接指向暴雨区,有利于辐合上升运动的加强,从而强降水发展加强。最强锋生、降水以及有效位能出现在小高压被破坏后。利用锋生函数计算得出,暴雨时,中层的水平辐散项与变形项对锋生的影响明显。通过湿位涡的计算发现其对低层锋生和降水的预报有着一定的指示和预报意义。

锋生及其次级环流对北京2012.7.21最大降水增幅和最大降水的影响

利用常规观测、加密站逐时的降水、NCEP/NCAR再分析资料和卫星资料,使用天气动力学诊断方法,分别分析了锋生及其次级环流对北京7.21暴雨过程中最大降水增幅和最大降水的影响。结果表明,北京地区的降水增幅和最大降水发生时刻并不一致。21日14时为北京最大降水增幅时刻,而次大降水增幅时刻的19时却为北京降水最大时刻。北京降水不论是增幅最大还是降水最大都与锋生处于北京的具体位置有关。21日14时,伴随着锋生函数正值区伸展到北京地区,其总锋生函数开始增大,此时高空急流导致的次级环流的上升支与冷锋前的上升支重合,使得地面锋前形成一深厚的上升运动,北京地区出现最大降水增幅;但在北京降水最大时刻,锋生函数大值中心移动到北京上空,其总锋生函数达到最大,在急流-锋系所产生的次级环流中,主要表现为在暖区一侧有强烈的上升运动,这和经典的急流-锋系所揭示的次级环流并不相同。同时,来自孟加拉湾从高原西侧经过河套地区到达北京的准"s"型异常水汽通道,则为北京7.21最大降水增幅时刻提供了良好的水汽条件。而北京最大降水时刻,南海水汽通道成为主要水汽来源,来自孟加拉湾的水汽输送则明显减弱。

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。

低层锋生型暴雨特征合成分析

应用湖北省县级以上84个气象观测站点24 h降水资料,统计分析了2008—2011年5—8月低层锋生类型10场暴雨的雨量特征,对天气系统和各种物理量特征进行合成分析。结果发现:低层锋生型暴雨主要是由于低层锋生强迫触发不稳定能量的释放,同时形成跨锋面的次级正环流,其上升支与高层次级反环流的上升支在暴雨区上空叠加,形成深厚的上升运动区,触发位势不稳定能量的释放。在中层槽前正涡度平流、低层西南急流风速辐合以及锋面倾斜导致倾斜涡度发展等共同作用下,中尺度低涡发生发展。中尺度低涡中心区域和低涡移向的右前方动力水汽辐合最强烈,是暴雨发生的主要区域。