非地转湿Q矢量分解在暴雨分析中的应用

利用非地转湿Q矢量对山东省春秋季两次罕见的暴雨天气进行了诊断分析。分析结果表明:暴雨期间都有较强的非地转湿Q矢量辐合,产生上升运动,形成暴雨。这一结果也表明凝结潜热加热对暴雨的产生有着重要的作用。本文进一步把非地转湿Q矢量分解为平行于等位温线和垂直于等位温线两部分。揭示在这两场暴雨过程中,虽然都有中尺度和大尺度辐合上升运动作用的叠加,但在春季暴雨的个例中,垂直于等位温线的非地转湿Q矢量的辐合与总的非地转湿Q矢量的辐合相接近,暴雨以中尺度上升运动为主。而在秋季暴雨的个例中,平行于等位温线的非地转湿Q矢量的辐合与总的非地转湿Q矢量的辐合在形状上相似,在强度上偏强,暴雨的上升运动以大尺度为主,中间夹杂着中小尺度的上升运动,降水以混合型为主。

一次暴雨过程中的湿Q矢量诊断分析

在非地转Q矢量的基础上,考虑大气系统发展的主要热力强迫因子—非绝热加热作用,引入非地转湿Q矢量(Q)的概念,并应用这一理论对1999年6月23日至24日的一次暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明,Q辐合区是暴雨发生的有利区域;Q的垂直分布反映了次级环流的方向和强弱,暴雨落区位于次级环流的上升支附近。从而说明Q对暴雨天气系统的诊断和预报是一种十分有效的工具;其散度负值区可以作为预报降水落区的重要指标,为暴雨的预报提供了更广阔的思路。

云南一次持续性暴雨过程的非地转湿Q矢量分析

应用非地转湿 Q矢量 (Q* )理论 ,对 2 0 0 1年 5月 3 1日至 6月 2日发生在云南的持续性暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明 ,非地转湿 Q矢量辐合区是暴雨发生的有利区域 ;非地转湿 Q矢量的垂直分布反映了次级环流的方向和强弱 。

非地转湿Q矢量在北上台风“桃芝”造成山东大暴雨中的应用

利用非地转湿Q矢量方法诊断分析了北上台风"桃芝"减弱后的低压造成的山东半岛2001年8月1日的大暴雨过程。结果表明:非地转湿Q矢量散度负值区与暴雨落区有很好的对应关系,低层925hPa非地转湿Q矢量散度对未来6～12h的强降水有较好的指示意义,明显优于常用的诊断物理量散度、水汽通量散度。925hPa层次增温、增湿明显,可能是非地转湿Q矢量在这次台风暴雨中925hPa层次比850hPa具有指示意义的部分原因。可见非地转湿Q矢量是预报山东暴雨的一种有效工具,在山东暴雨、大暴雨天气过程预报分析中具有较高的应用价值,为山东的暴雨预报提供了一个新的思路。

圣帕台风暴雨的非地转湿Q矢量的诊断分析

利用WRF中尺度模式模拟了台风“圣帕”登陆舌减弱成热带低压造成湖南省大暴雨的过程，使用模拟输出的高分辨率资料，借助非地转湿Q矢量对这次暴雨过程做了详细的诊断分析。结果表明：非地转湿Q矢量能比较清楚地揭示此次暴雨演变过程，尤其700hPa的非地转湿Q矢量散度场对降水预报具有较好的指示意义，其散度辐合区域对应着降水的落区，散度辐合强度变化指示着降水强度的变化趋势，并且非地转湿Q矢量散度辐合强度的大小可预示着未来3～6h降水的强弱，是具有预报价值的；非地转湿Q矢量散度是非地转ω方程的强迫项，并与地形条件共同作用激发了地面中尺唐系统的发展与次级环流的形成．暑此．次暴雨得以发展与维持的机制.

非地转湿Q矢量的改进及其应用

在完全考虑非绝热加热项作用的前提下,从原始方程出发,推导出改进后的非地转湿Q矢量(Qq),以及用其散度作强迫项的ω方程,将其应用于一次梅雨锋暴雨诊断分析,结果表明:改进后的非地转湿Q矢量对同时刻地面降水的反映能力较岳彩军改进的湿Q矢量(QM)、原非地转湿Q矢量(Q*)、非地转Q矢量(Q#)有显著的提高;在整个梅雨锋暴雨过程中,500hPa高度上的Qq矢量散度辐合场的辐合强度及其辐合中心位置对同时刻的降水强度及雨区位置有非常好的指示作用;Qq矢量的垂直分布揭示了次级环流的方向和强弱,暴雨位于次级环流的上升支附近。

各非地转Q矢量之间的定量比较

结合“海棠”台风在2005年7月19日08：00～20日08：00再次登陆福建省24h期间所造成的降水过程，在WRF模式成功地模拟了此次降水过程的基础上，利用模式模拟输出结果，通过计算900～600hPaQ矢量散度的气柱平均值、Q矢量散度强迫产生的降水场，定量比较分析了非地转干Q矢量、非地转湿Q矢量及改进的湿Q矢量的诊断能力差异，结果表明：（1）非地转干Q矢量、非地转湿Q矢量及改进的湿Q矢量散度辐合场，对同期模拟雨区都具有一定指示作用，同时，非地转湿Q矢量和改进的湿Q矢量的散度辐合强度都较非地转干Q矢量散度辐合强度强，且改进的湿Q矢量散度辐合强度强于非地转湿Q矢量散度辐合强度，尤其是在主雨区表现的更为明显。相对来讲，改进的湿Q矢量散度辐合场对雨区的反映能力最强。（2）非地转湿Q矢量散度与改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水范围几乎相同，且明显较非地转干Q矢量散度强迫产生的雨区范围大，相对来讲，与同期模拟降水场的雨区更接近。改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水强度最强，非地转湿Q矢量散度强迫次之，非地转干Q矢量散度强迫产生的降水强度最弱。三种Q矢量散度强迫产生的降水强度都明显弱于同期模式模拟的降水强度，相对来讲，改进的湿Q矢量散度强迫产生的降水强度更接近于模拟的降水强度。（3）三种Q矢量散度场以及强迫产生的降水场之间的差异，充分表明此次台风降水过程中伴有大量的大尺度稳定水汽凝结潜热和对流水汽凝结潜热释放，考虑了水汽凝结潜热加热作用的非地转湿Q矢量与改进的湿Q矢量，对降水反映能力均较非地转干Q矢量有所改进，尤其是后者。

非地转湿Q矢量在台风“云娜”暴雨过程中的分析应用

应用非地转湿Q矢量理论,对2004年8月12-15日台风“云娜”登陆后造成的大范围持续暴雨过程进行诊断分析。结果表明,非地转湿Q矢量能比较清楚地揭示台风暴雨的演变过程,非地转湿Q矢量的散度负值区和流场辐合区与未来12小时的强降水落区有较好的对应关系；非地转湿Q矢量的散度的垂直分布能够反映台风外围对流发展的深度,对判断台风在陆地上的维持有一定的意义。

登陆强台风“凤凰”暴雨成因分析

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°6 h再分析资料、NCEP/NCAR地表潜热通量一日4次再分析资料以及TBB资料等,对2008年第8号强台风"凤凰"登陆引起的暴雨进行了深入的机理分析。结果表明,充沛的水汽以及层结不稳定为暴雨的发生提供了有利的水汽和热力条件;高层有明显的辐散,低层有明显的辐合,且从低层到高层伴随着很强的垂直上升运动,为暴雨的发生提供了有利的动力条件;螺旋度的大值中心的演变基本反映了台风中心的移动方向,而强降水一般发生在正螺旋大值中心的右侧,且梯度大的一侧比梯度小的一侧降水强度更大;非地转湿Q矢量辐合中心对应未来12 h强降水的发生区,对判断台风在陆上的运动、维持也有一定的意义;地表潜热通量在此次暴雨过程的各个时段均为正值,其向上输送和强弱变化对台风强度的维持有一定的指示意义。

湘北一次暴雨过程的天气学诊断分析

利用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2007年5月24日发生在湘北的一次大暴雨天气过程进行了天气学诊断分析。结果表明:这次大暴雨过程的主要影响系统是低涡切变线。暴雨区中低层为对流不稳定层结,并且具有良好的水汽输送和水汽辐合,而低空急流是对流不稳定能量的建立者和不稳定能量释放的触发者。暴雨出现在湿Q矢量散度负值中心激发的次级环流上升气流区,且其辐合区对未来6 h暴雨的强度及其落区具有较好的指示作用,而低层湿Q矢量锋生函数的正值区与同时刻暴雨区有较好的对应关系。

地面资料在侦测暴雨天气过程中的应用

利用地面常规观测资料和自动站加密温度资料以及卫星云图资料,分析了2005年7月6—7日和7月9—10日发生在江淮流域及其附近的两次暴雨过程的地面要素分布特征,发现强降水带分布在非锋性斜压带和斜压槽附近。然后利用NCEP再分析资料,用第二类热成风螺旋度和非地转湿矢量诊断解释了非锋性斜压带和斜压槽产生强降水的动力机制,结果表明在地面非锋性斜压带和斜压槽处易发生锋生和斜压现象,从而诱发强降水。

2008年1月一次强雨雪过程的诊断分析

采用NCEP 1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,对2008年1月25-29日发生在长江中下游地区的强雨雪过程进行诊断分析,结果表明,低空急流与强雨雪有着密切关系,强雨雪的发生需具备一定的温度条件以及水汽场与动力场的耦合机制。对强雨雪过程的湿Q矢量诊断分析表明,700 hPa湿Q矢量辐合区以及850 hPa锋生函数正值区与强雨雪区对应较好,对雨雪天气的发生有着很好的指示意义。湿位涡特征分析表明,此次强雨雪过程发生在层结稳定的大气中且垂直涡度发展较强。

2019年7月上半月中国南方降水异常偏多成因分析

7月上半月我国南方地区降水异常对我国双季稻生产和社会经济有着重要影响。利用1981—2010年及2019年7月中国区域约2400个国家地面气象站逐日降水量资料、美国国家环境预报中心和大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Re⁃search,NCEP/NCAR)提供的分辨率为2.5°×2.5°的逐日及分辨率为1°×1°的逐6 h再分析资料,利用非地转湿Q矢量诊断分析2019年7月上半月我国南方降水异常的成因。结果表明:2019年7月上半月南方地区的异常持续性降水发生在高层南亚高压偏南偏东、中层西太平洋副热带高压偏强偏南偏西、低层江南华南地区位势高度场偏弱(气旋性环流异常)的环境下;用非地转湿Q矢量对上升运动进行诊断发现2019年7月上半月南方地区异常持续性降水对应的上升运动主要由非绝热加热造成,且强盛的非绝热加热又主要由中低层强盛的水汽通量辐合造成;赤道西太平洋较大的海温水平梯度有利于越赤道气流的加强,在赤道以北形成一个类似Walker cell的纬向环流,其下沉支有利于孟加拉湾至菲律宾一带出现反气旋环流异常,增加孟加拉湾和南海向北的水汽输送。对2019年7月上半月我国南方地区异常降水的研究发现,赤道西太平洋的海温水平梯度变化会通过影响越赤道气流来影响我国南方地区风场及水汽通量,进而影响我国南方地区7月上半月的降水。

台风登陆后非对称降水的非地转湿Q矢量研究

利用NCEP再分析资料和热带降水测量卫星资料,采用改进后考虑非绝热加热的非地转湿Q矢量理论,对"0907"号热带风暴"天鹅"登陆后非对称降水特征进行研究。结果表明:(1)台风登陆后雨带出现断裂,降水呈现明显非对称性特征,强降水主要位于第二象限;(2)非地转湿Q矢量散度分布较好描述了台风登陆后降水的非对称性,与降水的分布有较好的对应关系,强降水主要位于湿Q矢量散度梯度的大值区;(3)沿台风移动方向上,非地转湿Q矢量辐合、辐散交替分布构成雨区内的垂直环流结构,其中倾斜上升支的非对称结构,造成了降水的非对称性;(4)经过台风中心存在纬向的次级环流,对降水起抑制作用,其东西向的不对称结构有利于降水的非对称性发展;(5)非绝热加热项有利于加强降水的非对称性特征。

非地转湿Q矢量对0505号“海棠”台风特大暴雨过程的诊断研究

利用NCEP和地面雨量资料,应用非地转湿Q矢量三维结构对2005年"海棠"台风在浙江造成的特大暴雨过程进行诊断研究,结果表明:大暴雨和特大暴雨发生地区上空非地转湿Q矢量在低层存在强烈辐合,辐合区的垂直伸展深度和随高度的变化倾向能预示未来降水的强度和移动趋势;多数大暴雨和特大暴雨发生地850hPa高度的非地转湿Q矢量辐合极大值与降水极大值存在12h的滞后相关,大暴雨和特大暴雨发生地的辐合值往往在50×10hPas和150×10hPas以上,平均辐合极大值分别达到了121.89×10hPas和237.65×10hPas;850hPa的非地转湿Q矢量散度水平分布对未来12h台风强降水的落区有较好指示意义,大暴雨和特大暴雨的落区常位于强辐合区附近;850hPa非地转湿Q矢量流场的中尺度辐合线的活动与强雨区的移动相对应,两者走向也基本一致,能预示出后期台风大暴雨和特大暴雨落区演变的一些细致特征。

“15·8”川东西南涡暴雨的Q矢量分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料和常规地面观测资料,应用非地转湿Q矢量（Q＊）的理论,对2015年8月16-18日一次川东地区持续性暴雨进行了分析。500h Pa高空槽、700h Pa西南低涡（SWV）和850h Pa低空急流为造成此次持续性暴雨的主要系统。结果表明：（1）Q＊散度的辐合区与未来6小时雨带相对应,能较好地诊断未来6小时雨带的分布,西南涡中心位于辐合区西偏南侧,强降水中心位于辐合区中心南部;（2）西南涡中心和未来6小时雨带分别位于Q＊正涡度区东南侧和西侧,但Q＊涡度诊断能力不如Q＊散度;（3）在西南涡发展阶段,大尺度强迫占主导地位,在西南涡成熟阶段则是中小尺度强迫占主导地位;（4）Q＊散度垂直分布能较好地反映出西南涡的垂直结构,西南涡位于Q＊矢量散度辐合垂直带的西南侧。

2005年6月湖南大暴雨过程的天气动力学诊断分析

利用NCEP分析资料和实测资料,对2005年6月初湖南大暴雨过程进行了天气动力学诊断分析。结果表明:暴雨区中上升运动和水汽辐合均大于周围区域,中低层为对流不稳定层结。暴雨区位于非地转湿Q矢量辐合强迫的次级环流上升支中,其南北两侧为非地转下沉气流,下沉气流的补偿有利于暴雨系统的维持。非地转湿Q矢量辐合区对6小时暴雨落区预报有指示意义。暴雨区位于700hPa湿位涡和850hPa湿相对位涡负值中心附近偏暖湿气流一侧。低层暖湿平流和强上升运动致使低层湿空气辐合补偿、热量上传,利于高层辐散增强,抽吸作用加强低空辐合,促使暴雨发展。

2013年7月冀中特大暴雨的中尺度系统特征和环境条件分析

利用常规探测资料、NCEP最终分析资料、自动站、FY一2E卫星以及多普勒雷达资料,分析了2013年7月1日发生在河北中部的大暴雨天气过程。结果表明：（1）河北中部的暴雨天气分为暖区暴雨和切变线暴雨两个阶段,暖区暴雨发生过程中,低层水汽通量辐合急剧增强。（2）非地转湿Q矢量强辐合早于暖区暴雨的发生,其对暖区暴雨有较强的预报能力。非地转湿Q＊矢量散度对流凝结加热强迫项大值区在暖区的位置可以用来判断暴雨落区,其在暖区暴雨上空非地转湿Q矢量辐合中发挥了决定性作用。（3）暖区暴雨在地面中尺度涡旋的影响下,由暖区中β中尺度对流云团在初生和发展阶段造成,而切变线对流云团与暖区对流云团合并而成的PECS（持续拉长状中尺度对流系统）,配合地面辐合线再次引发强降雨。（4）雷达回波显示β中尺度气旋式流场东南部负速度区中的γ中尺度辐合线为带状强降水多单体风暴持续在四芝兰出现创造了有利的动力条件。

河南省两次春季暴雨过程的对比

利用常规观测资料和NCEP1°×1°再分析资料对2008和2009年春季河南出现的两次区域暴雨过程进行了诊断对比分析。结果表明:500 hPa低槽、中低空切变、地面气旋是这两次过程共同的影响系统。Q矢量辐合和上升运动为两次春季暴雨的发生提供了有利的动力条件。两次过程的水汽均集中在800 hPa以下,主要是低层和边界层的水汽辐合,强的水汽输送和水汽辐合对暴雨的产生有非常重要的贡献。两次过程的大气层结均表现为对流稳定,这点与夏季暴雨有明显的区别。

“莫兰蒂”台风暴雨的湿Q矢量和垂直螺旋度分析

利用NCEP FNL再分析资料和中国自动站与CMORPH融合降水资料对1614号台风"莫兰蒂"进行了非地转湿Q矢量和垂直螺旋度诊断分析。对比非地转湿Q矢量散度和垂直螺旋度的三维结构可见,低层正垂直螺旋度与台风移动和强度变化相对应,可作为台风演变的动力因子。而综合考虑了动力和热力作用的非地转湿Q矢量在台风暴雨预报中作用更突出,其中低层700 hPa上的非地转湿Q矢量散度辐合值大于20×10^-16/(hPa·s^3)可作为台风暴雨落区和强度预报的重要参考量,其所对应的辐合区变化与台风暴雨落区变化有较好的对应关系,此外,湿Q矢量散度的三维结构反映了台风内部存在明显的中尺度对流系统,中尺度对流云团不断生消使得台风暴雨维持。