江苏一次大暴雨高低空急流的数值研究

本文运用我国新一代中尺度数值模式(GRAPES)对2004年6月23—25日长江中下游地区大暴雨过程进行了数值模拟研究,数值模拟和诊断分析结果表明,暴雨的落区和强度与高低空急流的位置及强度密切相关,低空急流位置北(南)移,垂直上升运动中心的位置也随之北(南)移,对应暴雨的落区也随之移动,暴雨中心强度与垂直上升运动的强度变化趋势一致,上升运动中心强,对应暴雨中心的雨量大。因此,改变高低空急流位置及强度,实际上是改变高空辐散和低空辐合区的位置及强度,改变了高低空急流耦合的位置,主要是影响了垂直上升运动的位置和强度,进而影响了暴雨的落区和强度。高低空急流耦合及上升运动加强,是暴雨发生和雨量增幅的一种重要物理机制。

高低空急流在云南大范围暴雨过程中的作用及共同特征

通过对1980—1991年出现的46次云南全省性大范围暴雨过程的主要影响系统进行分型,找出云南暴雨的主要影响系统,利用美国国家环境预测中心NCEP再分析资料,对暴雨出现次数最多的11次冷锋切变型全省性大范围暴雨过程进行合成分析,揭示了在冷锋切变环流形势下云南大范围暴雨发生前后对流层高低空急流或强风速带的演变特征及其与大范围暴雨发生之间的关系,找出了它们的共同特征,并提取造成云南暴雨的强信号,以期对今后的暴雨预报提供依据。

高低空急流与水汽凝结过程对暖锋环流演变的影响

利用包括水汽凝结过程的原始方程模式模拟了高空西风急流和低空南风急流中暖锋环流的演变以及凝结的发生。计算结果显示，水汽凝结过程对暖锋环流有非常重大的作用，是暖锋锋区产生强中尺度深对流的重要机制。与干模式大气中高空西风急流对暖锋环流的影响远大于低空南风急流的结论相反，在含有水汽凝结过程的湿大气中，低空南风急流的作用远大于高空西风急流，它是暖锋锋区中产生强中尺度降水的更重要因子；高低空急流的共同作用，对湿暖锋锋区中多重中尺度雨带的形成具有重要作用。

两次夏季暴雨期间高低空急流相互作用的诊断分析

利用ERA-Interim数据,计算扰动能量方程,分析了2012年7月21日北京暴雨和2010年7月12日江苏暴雨期间高低空急流相互作用的能量特性。结果表明,与高层急流有关的扰动动能的产生主要由斜压过程和非地转风位势通量散度决定,而低空急流的扰动动能主要由后者决定。当中低空对流层扰动位势为负时,高层急流引起的次级环流的下支通过非地转位势通量矢量将高层的扰动动能输送到低空急流附近,使低空急流增强。上述两次暴雨过程中,能量通过直接(间接)环流自高层向低层的输送方式存在明显不同。

郑州“7·20”极端暴雨过程中水汽和高低空急流作用机制的数值模拟

针对郑州“7·20”特大暴雨过程,使用CMA-MESO区域模式对此次极端强降水过程中水汽与高低空急流的影响进行了数值试验分析。结果表明,此次暴雨过程较为成功地被中尺度模式模拟再现;暴雨过程中水汽来源主要为台风“烟花”北侧的东南急流携带的来自西太平洋与印度洋的水汽以及台风“查帕卡”北侧东南气流携带的来自南海的水汽;降水及水汽输送对水汽含量十分敏感,水汽含量微小的变化便会使郑州上空气流辐合区强度减弱,水汽累积减少,降水范围向河南北部缩小,降水强度大幅度减弱;低空急流对应的气流辐合区是郑州上空出现强垂直上升运动中心的主要机制,低空急流减弱后,水汽辐合减弱,降水减少,降水中心位置偏西南,高空急流对降水的影响与低空急流相比较小。

南亚高压和高低空急流对2010年浙江梅汛期暴雨的影响

利用常规气象站资料和美国NCEP/NCAR再分析资料,分析了2010年浙江梅汛期降水特征及南亚高压和高低空急流对梅汛期暴雨的影响。结果表明:(1)2010年浙江入、出梅偏晚,梅期明显偏长;降水偏多,强降水集中在浙江西南部,并逐渐向南北阶梯递减;暴雨过程频繁,降水集中,阶段性明显;(2)梅汛期间南亚高压主体偏强,加强中南北振荡和东西进退明显。高压脊线的南北振荡与强雨带南北摆动有一定的相关性。南亚高压在稳定状态或变化时都可能产生暴雨,暴雨多发生于变化时,且高压的西退与南撤同步,东进与北抬同步;(3)梅汛期高低空急流的演变具有较好的一致性,且与暴雨时空对应较好。暴雨带多处于高空急流的右侧和低空急流轴的左侧,暴雨带随高低空急流的位置变化而南北摆动,同时,低空急流轴到急流北缘与暴雨带有不同程度重叠。高低空急流强度与降雨强度有较密切的关系,高低空急流的水平距离对高低空急流耦合作用有重要影响,进而影响垂直运动发展和降水强度。因此,高低空急流的配置对梅汛期暴雨落区和强度预报有很好的指示意义。

高低空急流耦合对内蒙古东部持续性暴雨的触发作用

为了研究内蒙古东部地区暴雨特征,防范暴雨引发的洪涝灾害对农业产生的影响,利用NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料,对2011年7月24日—28日内蒙古东部地区持续4天暴雨天气过程进行分析和总结。结果表明:(1)此次暴雨天气过程是在鄂霍茨克海阻塞高压坝阻挡华北低槽东移形成的稳定大尺度环流背景下,伴随副热带西风锋区高低空急流耦合作用共同产生的;(2)200 hPa高空急流与850 hPa偏南低空急流的长时间维持和稳定配置产生的耦合作用,为内蒙古东部地区持续暴雨天气的形成提供了有利的动力和热力条件,触发了暴雨天气。

一次高低空急流脉动与短时强降雨的关系

该文利用黔东南CD型新一代天气雷达提供的风廓线产品（VWP）资料，对黔东南2013年5月25日夜间—26日早晨暴雨到大暴雨天气过程强降雨时段的高低空风场进行详细分析。得出：高、低空急流的加强和向近地面扩展，动量下传，使低层辐合扰动增强，触发不稳定能量强烈释放，导致强降雨发生；暴雨期间近地层0．9km超低空西南风急流的加强和维持，使低层大气层结不稳定状态和水汽输送得以较长时间维持，是暴雨产生的重要原因，降雨强度与超低空急流风速脉动有一定的对应关系；降雨强度随着高、低空急流指数的增大而增大，随着高、低空急流指数的同步减小而减弱，最大降雨强度集中时段出现在低空急流指数最大值维持阶段；短时强降雨在高、低空急流加强并向下扩展到最低点1—2h后发生，这对短时临近预报预警有一定指示意义。

中国西部地区暴雨过程高、低空急流耦合影响机制的个例研究

高、低空急流对中国暴雨有重要影响,但是其对中国西部地区暴雨影响的深入研究缺乏,其耦合过程及机制的研究更少。本文利用常规观测、加密自动气象站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,借助数值模拟,研究高、低空急流耦合效应对2018年7月8~11日中国西部一次特大暴雨过程的影响及其发生机制。结果表明:(1)此次暴雨过程是在中高纬东移冷涡低槽与副高西伸北抬的有利背景下产生的,高、低空急流耦合有利于暴雨的发展。(2)高、低空急流耦合主要通过次级环流和动量下传得以实现:高空急流加强高层辐散下沉,同时低空急流加强低层辐合上升,促使高、低空急流之间形成次级环流,其下沉支引导高层高值位涡向下层传播,形成动量下传,与中层高值位涡区相衔接,高、低空急流在中层耦合。(3)高、低空急流的耦合,加强了中层不稳定能量的聚集,促使低空急流加强发展;进而增强了辐合强度,促使上升运动加强,从而增强了降水强度。通过增减高、低空风速的敏感性试验发现,高低层风速的增减能够改变中低层最大位涡的增减,其基本对应了强降水时段,且位涡值越大降水强度越强。(4)高、低空急流强度共同对降水强度有重要影响:数值模式敏感试验表明,当同时增加高低空急流强度,降水强度将增强,而仅增加高空或低空急流,降水强度变化不大,但减弱高空或低空急流强度,降水强度均会减弱。

印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响

利用地面气象观测数据、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年10月18—19日青藏高原西部暴雪过程进行综合分析,研究印度北部低涡对强降雪天气的贡献。结果表明:本次强降雪过程在南支槽东移和印度低涡异常活跃的背景下产生,南支槽前高空急流和印度北部东西向两个低涡为高原西部强降雪提供了有利的环流背景;降雪期间,印度北部至喜马拉雅山脉以南地区东南风低空急流大爆发,建立了一条由孟加拉湾向西输送的水汽通道,使得孟加拉湾水汽能够向西输送;生成于印度西北地区的对流层低涡系统一方面阻挡水汽继续向西输送,有利于孟加拉湾的水汽在低涡东部聚集,另一方面增强低涡东部偏南气流与高原大地形之间的强迫作用,使得大量水汽能够源源不断地从对流层低层沿高原南坡陡峭地形向上爬升至高原,为强降雪天气提供充足水汽条件;高空位涡侵入是印度西北地区的低涡系统生成发展的重要原因。总的来看,印度北部的低涡系统在此次高原西部降雪天气中起了重要作用,在高原地区降雪预报业务中,有必要加强对低纬度地区对流层低层低涡系统的跟踪监测。

内蒙古中西部一次暴雪过程中急流的特征

利用常规观测资料,分析2017年2月20日08时-22日08时,内蒙古中西部一次大范围的暴雪天气过程中急流的特征。结果表明:500 hPa高空槽、700 hPa、850 hPa切变线及河套地面倒槽相互配置,是此次暴雪天气发生的关键天气系统;此次暴雪天气区发生在高低空急流相交的有利区域,高空急流可以作为预报低空急流形成和发展的关键;高低空急流的耦合产生强烈的抽吸作用,从而产生强烈的上升运动,为暴雪天气提供动力条件;低空偏南风急流输送水平和垂直方向上水汽,建立水汽输送通道;高低空急流耦合有利于建立和触发不稳定能量,增加降雪强度;(6)高低空急流耦合形成的次级环流,触发潜在不稳定能量的释放,为暴雪天气的强度和持续起到了重要的作用。

2023年6月一次北部湾低压极端暴雨过程天气气候特征

利用逐日再分析资料,对2023年6月7-10日北部湾低压持续性极端暴雨过程的天气气候特征进行研究。结果表明,(1)持续性极端暴雨前期和期间,副热带高压异常偏北偏西,位置稳定。孟加拉湾-南海-菲律宾一带热带辐合带活跃,南海西部有低压系统生成,并移入北部湾。(2)季节内振荡(MJO)处在第2、3位相,受其东传影响,中高纬度环流形成的槽脊位置有利冷空气南下影响广西。中层500 hPa我国东北地区附近有东北低涡维持,低涡后部强盛偏北风引导冷空气南下,受偏北偏西的副高阻挡,有小股冷空气渗透南下影响广西。(3)低层850 hPa印度洋越赤道气流和西南季风强盛但活动偏南,印度洋-中南半岛-南海的西南风急流受台风“古超”阻挡转向成南风,使气流在北部湾形成气旋性弯曲。广西西北部有弱东北风,增强北部湾周边气流的气旋性辐合。(4)广西南部和北部湾一带位于200 hPa东亚副热带高空急流右侧与850 hPa西南风低空急流左侧,高空辐散和低层辐合,1000~300 hPa水汽通量辐合区水汽条件充沛。中、低纬度天气系统的协同作用,为这次持续性极端暴雨提供有利的稳定大尺度环流背景,以及充分的热力、动力条件。

两次副热带高压北侧暖锋暴雨动力热力诊断

使用常规观测资料、自动气象站降水量以及NCEP FNL再分析资料,对黑龙江省两次副热带高压(简称副高)北侧暖锋暴雨过程(简称"0801"和"0803"过程)进行动力热力机制诊断分析。结果表明,两次暖锋暴雨过程,均有台风活动,造成副高西伸北抬,副高外围的西南低空急流向北输送大量高动量的暖湿空气。两次暴雨过程与高低空急流关系密切,"0803"过程中高低空急流均更强,暴雨区位于高低空急流耦合形成的垂直次级环流的上升支。"0801"过程,暴雨发生前大气对流不稳定,辐合抬升及次级环流上升气流的共同作用触发对流,促使不稳定能量释放,形成强降水。"0803"过程,暴雨期间大气对流稳定,锋区中层的CSI有利于降水强度的增强及维持,锋面强度更大,由锋面辐合抬升形成的上升运动范围更广,造成更大范围的强降水天气。在暴雨区上空由于凝结潜热释放而引起广义位温高值区向下伸展,强暖平流促使中低层湿斜压性显著增大,利于暖锋锋生。水汽散度通量和水汽垂直螺旋度能够较好地描述强降水过程,强降水区与水汽散度通量正值区及水汽垂直螺旋度负值区相对应。

陕北两次不同强度的区域性暴雨过程特征对比

利用ERA-5逐小时再分析资料、雷达资料、地面加密站和常规探空资料,对2019年7月21日和2020年8月4日陕北地区两次不同强度的暴雨过程进行对比分析。结果表明:(1)强降水的持续性是造成“0804”过程累计降水量大于“0721”过程的直接原因。(2)“0804”过程中,陕北上空层-积混合云回波在夜间的走向和移动方向一致,“列车效应”使低质心暖云降水长时间维持。(3)两次过程降水强度的区别与高低空急流、低涡路径和水汽有密切联系。与“0721”过程相比,“0804”过程中200 hPa高空急流更为稳定,700 hPa西南急流强度更大,强雨带更靠近低涡中心,动力抬升和水汽辐合均偏强。(4)两次过程对流触发机制存在差异,“0804”过程前期地面较强的偏东风更有利于地形抬升。

2020年7月一场梅雨暴雨的异常空间分布及形成机制

利用GPCP逐日降水资料、NCEP/NCAR和ERA5再分析资料,研究了2020年7月17—19日长江梅雨大暴雨异常空间分布及成因。结果表明,强降水主雨带在长江下游呈纬向分布,与长江干流位置重合、走向一致、长江中游雨带为西南—东北走向。中高层大气环流出现“两脊一槽”的异常大气环流型,南亚高压主体强盛东伸,副高西北侧水汽通道持续维持,为暴雨的形成和维持提供了有利环流背景。17—18日高空西风急流呈纬向分布、副高控制华南、低空西南急流持续加强并东移;19日高空西风急流转为“V”型分布,江淮气旋形成,长江中下游位于高空急流入口区南侧、副高的西北侧和低空西南急流出口区北侧。“两脊一槽”和“V”型大气环流配置结构使得上层的“抽吸”作用和下层的抬升活动相重叠,伴有江淮气旋的辐合作用,导致强烈的上升运动,易产生大暴雨。过程内高低空急流和副高位置和形态的变化是暴雨空间分布出现变化的主要原因。诊断结果显示,热力因子对抬升活动起主要作用,位涡垂直输送和非绝热加热随气压变化项均有利于位涡增强,假相当位温在500 hPa与850 hPa之差的峰值、强上升运动和位涡高值区与强降水中心重合为本次大暴雨形成提供了有利的热力与动力条件。假相当位温在500 hPa与850 hPa之差的谷值具有较好前期预报指示意义。

急流次级环流对局地持续强风暴天气的作用

利用天气图、雷达回波和地面风场资料对1994年6月28日陕西中部发生的一次罕见的长时间局地大风、冰雹、暴雨天气进行诊断分析。结果表明:这次过程出现在500hPa槽前和700hPa低涡暖式切变线附近;强风暴发生在高空急流入口区右侧辐散和低空急流左前侧辐合重叠区,与地面中尺度气旋活动紧密相关;证实了地面中尺度气旋是由高低空急流耦合产生的次级环流引起,次级环流控制着中尺度系统发展变化。

用数值预报产品分析2001年盛夏副高活动与辽宁暴雨的关系

应用常规天气资料和日本数值预报产品 ,揭示了 2 0 0 1年盛夏副高活动与辽宁暴雨的关系 ,并验证日本数值预报产品对辽宁暴雨强度与落区的预报能力。

浙江省梅汛期两次暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、衢州S波段双偏振雷达产品资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量资料、NCEP GDAS/FNL 0.25°×0.25°再分析资料,对浙江省2020年梅汛期两次暴雨(6月30日和7月7日)进行热力动力机制诊断,结果表明:(1)“0630”暴雨由东北冷涡后部冷空气与西南暖湿气流交汇形成的东北—西南向冷切缓慢南压配合低空急流东移引发,“0707”暴雨由东亚大槽后部弱冷空气与副高北侧暖湿气流交汇形成的稳定的东西向切变配合低空急流东移而造成。(2)锋生函数诊断分析表明“0630”过程锋生作用更强,冷暖气流交汇更显著,锋区斜压性更强;水汽通量辐合区和大气可降水量大值区偏北是“0707”暴雨落区偏北的重要原因。(3)“0630”过程对流层低层存在条件对称不稳定,“0707”过程为对流不稳定层结。(4)两次过程的集合动力因子信号与降水强度相关性具有以下特征:共性为湿热力平流参数和广义Q矢量散度与降水相关性最高,其大值区与未来6 h强降水区对应较好;特性为广义对流涡度矢量垂直分量在“0630”过程中与降水相关性较好,说明对流系统更为深厚,中尺度系统活动更为活跃;水汽散度垂直通量在“0707”过程中与降水相关性更佳,是由于该过程的降水主要和天气尺度系统作用下引起的强辐合上升运动相关。

安徽沿江一次连续性暴雨过程中急流特征分析

利用国家自动气象站和ECMWF-interim再分析资料,从高低空急流的角度对2016年7月1—4日安徽沿江地区的连续性暴雨的成因进行了探讨。研究表明,7月1—4日,高空急流出现明显的北跳、强度增强,低层西南急流强度则达到2016年最大值。伴随着高低空急流的异常变化,在安徽沿江地区上空形成了强烈的高空辐散和低空辐合,同时高低空急流耦合激发形成次级环流,使得旺盛的上升运动一直延伸至对流层上层。高低空急流耦合在1—2日比较强烈,3日起耦合强度逐渐减弱,导致小时雨强进一步减弱。另一方面,低空急流的增强也使得孟加拉湾的水汽源源不断的输送至安徽沿江地区,近地面至3 000 m高度上南风输送为沿江地区连续性暴雨提供了充沛的水汽。

沂沭泗流域2020年一次致洪暴雨天气特征及其成因分析

本文利用ERA5(European centre for medium-range weather forecasts re-analysis 5)逐小时资料、中国地面降水日值数据集(V2.0)和中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集(1.0版),对比分析沂沭泗流域2019年1909号台风“利奇马”和2020年8月13日特大暴雨2次致洪暴雨过程的时空特征。2次过程前期降水存在较大差异,“利奇马”过程降水持续时间长,影响区域广,过程雨量大,沂沭泗流域面雨量达1978年最强,但前期流域降水异常偏少五成以上。而8.13致洪暴雨过程前期沂沭泗出现多次强降水,降水异常偏多,降水较常年偏多八成,前30日累计降水总量为1978—2020年历史最大值。分析造成2020年前期降水异常偏差成因:7月20日~8月15日副热带高压强度异常偏强,脊线偏西,且贝加尔湖-蒙古地区冷涡不断有冷空气分裂南下,冷暖空气在江淮-黄淮地区对峙,沂沭泗流域有利于出现连续性强降水。此外,分析8.13致洪暴雨天气尺度和中小尺度系统可知,降水区处于东北冷涡底部和副高边缘,副高呈东北-西南走向,形成高压坝,有利于降水系统稳定少动;低层西南暖湿气流强盛、切变线维持。高、低空急流耦合作用使得低层辐合、高层辐散加剧,降水区垂直运动得以加强和维持。沂蒙山区地形不仅有利于流域坡面汇流,而且造成风场迎风坡辐合,对降水有一定的增强作用,并影响降水落区。最后,研究相对风暴螺旋度与强降水落区发现,两者具有较高的相关性,螺旋度对降水预报提前量超过4 h,且螺旋度中心值越大,雨强越大,螺旋度中心强度的维持预示着强降水的持续,因此相对风暴螺旋度在沂沭泗流域暴雨的预报中可作为重要的参考因子。