天津一次夜间极端短时强降水的中尺度特征及成因探究

为研究天津夜间极端短时强降水的中尺度特征及成因,利用加密自动气象站资料、分钟降水资料、多普勒天气雷达资料、风廓线资料及ERA5再分析资料,对2022年7月3日夜间发生在天津的一次极端短时强降水进行了分析。结果表明:此次强降水发生在500 hPa无明显低值天气系统、低层也无天气尺度低空急流背景下,主要由中小尺度天气系统强迫造成,具有明显的局地性、突发性、极端性。造成降水的β中尺度对流系统以组织性较高的多单体风暴形式呈现,其由零散回波组织合并形成,呈现出大陆强对流型回波特征。高温高湿环境下,边界层暖式切变线的增强与地面中尺度辐合线相配合,加之中层干冷空气入侵导致不稳定性增强,对流得以触发。初始对流形成的冷池与环境风构成清晰且不规则的出流边界,冷池强迫作用导致出流边界前侧有γ中尺度涡旋形成。夜间边界层惯性振荡导致的非地转风顺转以及逐渐形成的逆温层结,促使来自海上的东南暖湿气流不断加强为边界层急流,并造成0.1~2.5 km垂直风切变相应增大,低层风切变与逐渐增强的冷池之间相互作用并达到短暂平衡,因而使得出流边界前侧涡旋不断增强并自下而上发展,与涡旋相伴随的强动力辐合直接导致分钟级雨强快速增长并持续数分钟,最终导致了极端短时强降水的出现。研究结果为预测华北地区夜间局地短时强降水并探索其发生发展机制提供了一定的参考依据。

北京“23·7”极端强降雨特征和成因分析

利用北京地区加密气象站、补盲的北京市规划和自然资源委员会雨量站、双偏振雷达、风廓线雷达、GPS水汽等观测数据和ERA5再分析数据,对北京“23·7”极端强降雨阶段性特征和成因进行了分析。结果表明:“23·7”极端强降雨累计降水量(331 mm)和单点最大降水量(1025 mm)均打破历史纪录,最大雨强(126.6 mm·h^(-1))排名历史第二位,具有显著的极端性。强降雨可分为5个阶段,其中第Ⅱ和第Ⅳ阶段降水量分别占过程累计降水量的37.1%和39.7%,第Ⅳ阶段雨强更大,对应急流更强,高温、高湿特征也更明显。地形对降雨的增幅作用显著,降水量在海拔100~300 m山区迅速增加,极大值出现在海拔约400 m的山区,第Ⅱ(第Ⅳ)阶段山区平均降水量和小时雨强分别是平原的2.1(3.0)倍和2.0(2.7)倍;第Ⅱ阶段主要为地形对急流的直接抬升,第Ⅳ阶段为地形绕流辐合和直接抬升共同作用。7月31日上午(第Ⅳ阶段)边界层急流出口区与低空急流入口区耦合导致低层上升运动增强,促使西部山前β中尺度对流系统由块状发展成线状并有γ中尺度涡旋产生,该β中尺度对流系统北上时形成短暂的列车效应,引发了西部山区8个站次100 mm·h^(-1)以上的极端短时强降水。

长江中游一次β中尺度低涡的数值模拟

利用PSU/NCAR的中尺度数值模式MM5,对1999年6月29日的一次东移低涡过程进行了数值模拟,结果表明:在东移的a中尺度低涡的东南部边界层激发出一个β中尺度的涡旋,该β中尺度涡旋与一强暴雨区相伴移动,稠密的实况降水资料证实了这一暴雨雨团的存在和移动过程。模拟分析揭示β中尺度涡旋出现在停滞的α中尺度低涡南侧偏西气流与暖区偏南气流相遇处及中尺度山脉的背风坡;在中尺度山脉背风坡的地面和近地面层分别有中尺度低压和增强的东南气流存在,由此产生或加强了近地面的强涡度和强辐合,有利于对流系统的发生发展。

2011年“7·31”东北冷涡外围中尺度涡旋暴雨分析

利用地面、高空、卫星、雷达等常规观测资料及NCEP再分析资料,对2011年7月31日黑龙江省西南部暴雨进行了成因分析。结果表明:该次暴雨是由东北冷涡外围中尺度涡旋自南向北移动,在黑龙江省再度发展加强,并维持较长时间造成的。水汽主要来自黄渤海、日本海海面,以及西北太平洋台风外围。暴雨落区出现在850 hPa风切变处,与地面中尺度涡旋紧密相连。从动力热力条件分析可见,高层涡先于低层涡,并诱使低层涡发展;高层辐散低层辐合耦合是暴雨产生的动力条件。从卫星云图可见,强降水落区位于向湿区伸出的干舌边缘干湿交界处,并且与TBB等值线的大梯度区重合。从雷达图可见,这种形势下的强降水是层积混合性降水。

梅雨锋致洪暴雨的β中尺度涡旋机理的分析

利用模式高分辨率资料 ,对 β中尺度涡旋系统发生和发展的机理进行探讨 ,发现在湿中性条件下 ,中尺度气旋得到强烈发展是与物理量的中尺度输送和集中及局地区域产生急剧陡峭的上升运动有关。用辐散风动能转换函数诊断分析了暴雨不同时期β中尺度涡旋系统发展的能量来源 ,得出能量转换与涡散场相互作用的物理图像。这种能量转换增强与涡散场发展相互促进的正反馈过程是系统发展增强的主要因素 ,同时使得强烈上升运动不致很快消失 ,是暴雨生命史维持 1 0

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究。结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80km的小涡旋,两个初始分离的半径为500km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离。(2)在试验2中引进了一个半径为80km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋。这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果。(3)试验3—8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用。它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的。

1998年7月22日长江中游中β低涡的数值模拟及分析

文中使用非静力的MM5中尺度模式,模拟1998年7月22日鄂东沿江发生的中β尺度突发性大暴雨。分析模式是高分辨输出,结果发现,中心分别位于庐山和黄石的两个中β低涡产生了上述突发性暴雨,一个中β低涡是非及地的,另一个是及地的;还发现:不仅中β低涡的结构和中α低涡有显著差异,而且非及地的中β低涡和及地的中β低涡结构上也有很大差异。非及地的中β低涡低层为冷干区,中高层为暖湿区,发展强盛时低层存在下沉辐散气流;及地的中β低涡由地面到中高层均为暖湿区,低层也不存在下沉辐散气流。探讨了两个中β低涡的形成原因,低空急流的扰动,经过幕阜山时,水平风速明显加强,在低层产生强质量辐合的同时,850hPa流场发生气旋性弯曲,移出幕阜山时,形成了稳定少动、中心位于庐山附近的中β低涡;庐山低涡在发展强盛时,通过次级环流诱发了黄石附近中β低涡的形成。

一次江淮切变线暴雨过程的数值模拟与诊断分析

采用非静力中尺度模式WRFV3.3对2010年7月12-13日一次江淮切变线暴雨过程进行数值模拟,分析了暴雨形成的大尺度环流条件、中尺度气旋演变,并对涡旋与变形场的相互作用指数VDI与降水之间的关系进行了探讨。结果表明:本次暴雨过程为典型的切变线降水过程,是在高层200 hPa强大的南亚高压稳定少动,中层500hPa短波槽生成东移、西太平洋副热带高压维持的背景下,由低层700 hPa和850 hPa切变线上中尺度低涡以及地面梅雨锋扰动的共同作用造成的。WRFV3.3较好地模拟了本次暴雨过程的雨带和暴雨中心。中尺度气旋发生于长江中下游呈东北-西南走向的切变线上,暴雨发生于700 hPa切变线南侧、低空急流轴的左侧,急流轴上的大风速中心与1 h雨强有较好的对应关系。中尺度涡旋与大风速中心之间存在着明显的相关性,风速增强,涡旋增强。VDI指数对降水中心和强度有较好的指示性,有助于在实际预报业务中对降水中心和强度做出正确判断。

“93.5”黑风暴期间中尺度涡旋发生发展的涡源诊断

１９９３年５月４日～６日（“９３．５”），在我国西北地区发生了一次极具破坏力的“黑风暴”．为了诊断这次黑风暴中尺度涡旋发生发展的涡源，使用了具有高分辨ＰＢＬ参数化的ＭＭ４对该例控制模拟的输出资料和涡源方程．诊断结果表明：“９３．５”黑风暴的发展与一个中尺度气旋性涡旋的发生和发展直接相关；总涡源的产生、发展及柱状垂直结构的形成和演变与黑风暴中尺度涡旋发展的涡度垂直结构和演变是一致的．该结果揭示，该中尺度涡旋急剧发展的动力机制主要受控于总涡源；对大气总涡源的区分结果指出，与强波扰气流有关的扰动涡源对总涡源的贡献最大；大、中尺度系统间非线性相互作用涡源的贡献次之；与地形强迫有关的时间平均涡源的贡献最小．

山东半岛南部一次沿海强降雨成因分析

利用常规气象观测资料、区域自动站观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和雷达探测等资料,对2012年9月21日山东半岛南部沿海强降雨过程的成因进行了天气学诊断分析,结果表明:1强降雨是在500hPa第1个西风槽过后第2个西风槽逼近的过程中产生的,850hPa以下为偏南的向岸风,且风速随时间增大,形成偏南的超低空急流,持续地向沿海输送水汽和能量,造成水汽辐合、湿度增大、对流有效位能升高。产生强降雨的水汽和不稳定能量条件远小于内陆地区。2在向岸的超低空急流的左侧产生中小尺度的涡旋和辐合上升,海岸地形抬升作用使得上升运动加强,触发对流不稳定能量释放,造成强降水。3在雷达回波中,小尺度的对流单体沿海岸线向西南方向发展,后期在日照附近的沿海形成弓状回波,向东南海区移动。

暴雨中尺度涡旋系统发生发展的诊断

从位涡方程出发,导出描述三维涡度强度变化方程,分析大气层结及其变化等对三维涡度强度变化的影响。在此基础上,通过对垂直涡度变化的分析,揭示了大气层结变化、水平能量锋演化、垂直风切变等有利于涡旋系统发展的动力机制。针对湿中性层结特征(θse/p≈0),讨论了降水反馈对中尺度系统发展的影响,并揭示湿中性层结下凝结潜热的垂直非均匀分布与垂直涡度的耦合强迫作用可能是暴雨中尺度系统发展的动力机制。

“98.7”暴雨β中尺度低涡生成发展结构演变:双向四重嵌套网格模拟

用非静力中尺度模式MM5.V3全物理湿过程和双向四重嵌套网格技术及四维资料同化分析张弛方法,对1998年7月20～22日(简称“98.7”)鄂东武汉沿江地区特大暴雨进行了36 h数值模拟,结果大大改进了原二重和三重嵌套网格的模拟,特别是水平分辨率为2 km的嵌套子域D04能更正确地模拟出暴雨的落区及雨强中心,进而揭示了强暴雨β中尺度系统发生和发展的结构及演变。其主要结果包括:(1)β中尺度切变线在鄂东沿江低空强烈发展及辐合中心的出现与其β中尺度低涡的形成和发展直接关联。(2)β中尺度切变线强烈发展的垂直结构:强辐合层和强辐散层复式迭置并与强上升运动耦合发展;强涡度层和强位涡度层与强辐合层互伴发展;低空湿位温中心与中空饱和水汽带共存。(3)β中尺度低涡生成的垂直结构:散度和上升运动均呈双支柱状发展;涡度和位涡度均呈单支柱状发展;高湿能柱呈双支耦合发展,水汽通道呈阶梯斜升状。(4)β中尺度低涡发展的垂直结构:V字型散度柱和上升运动柱互耦发展;涡度和位涡度呈双支柱状;双支高湿能柱强烈发展,阶梯斜升水汽通道变宽增厚。至此低涡发展达最强,其结构具有典型性。模拟结果还指出,发展时空分辨率更高的多重嵌套网格模拟技术和应用四维资料同化方法,将有助于更细致的了解β中尺度强对流系统发生和发?

一次秋季大暴雨过程动力机制的数值分析

利用中尺度大气非静力模式MM5对2003年10月9～12日发生在冀东南和鲁西北的大暴雨过程进行了数值模拟。基于合理的模拟效果,着重分析了产生此次暴雨的动力、热力机制及中尺度天气系统之间的相互作用。结果表明:蒙古高压前部与西南低压外围在华北平原西部形成东北西南走向的锋面,冷暖空气相遇,在锋前形成大范围静力不稳定区;生成于河南西南部的中α涡旋向东北方向移动过程中引起地转平衡局地破坏,质量场向风场的调整过程中激发出惯性重力波,而惯性重力波的频散加强了西南风低空急流中急流核的移动,将水汽和能量向锋前输送;位于锋前的冀东南和鲁西北地区的大气层结不稳定度最大,重力波传播到此迅速发展,触发了该地不稳定能量释放,造成了此次局地大暴雨。

中尺度涡旋的雷达探测和分析

应用单部多普勒天气雷达观测资料对出现在京津冀地区的中尺度涡旋进行了分析 ,分析结果表明 :发展较强的中小尺度天气系统往往与风场的旋转或辐合辐散有关 ,气旋性涡度场对积云对流活动有明显的组织和增强作用 。

“987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟

１９９８年７月２０～２３日（简称“９８７”），发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的。该过程与 ５００ ｈＰａ短波槽和 ７００ ｈＰａ低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相关。对该过程采用非静力ＭＭ５的二重网格双向嵌套进行了全物理过程的数值模拟，其中，可分辨尺度降水采用Ｒｅｉｓｎｅｒ混合相微物理显式方案，次网格尺度降水采用Ｇｒｅｌｌ积云参数化方案。双向嵌套的细网格模拟结果揭示，武汉周边地区的特大暴雨与 ７００ ｈＰａ上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联。该低涡具有明显的动力－热力结构特征：特强上升运动与饱和气柱互耦，超强散度柱与强涡柱耦合发展，湿静力不稳定与湿对称不稳定共存，深对流湿气柱内云团发展的微物理场结构比较典型。细网格域内前 ３６ ｈ的降水分布和雨强与观测的大体相应，扩展域细网格的降水模拟明显改进了原细网格的模拟，特别是雨带。这一结果还表明，对持续时间较长的大暴雨，大尺度过程对中尺度系统的影响是重要的。

一个β中涡对双台风相互作用影响的物理过程

利用高分辨率f平面正压拟谱模式,分析一个β中尺度涡对双台风相互作用影响的物理过程。结果表明:β中涡的存在可以使原本排斥的两个DeMaria型台风涡旋合并;β中涡改变双台风相互作用终态的物理机制是:初始时段处于某一台风涡旋正影响区内的β中涡,构成了非对称涡度场,进而在该台风涡旋内部产生指向另一个台风涡旋的气流。该气流如果足够强,则会使两个台风的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内,触发双涡合并过程的发生。

云南一次切变线上中尺度低涡扰动的结构分析

利用η中尺度数值模式模拟的时空高分辨输出、常规资料、GMS红外云图及TBB资料,对2002年6月25日切变线上中α尺度低涡扰动的结构、形成过程及冷空气来源进行研究,结果表明,低涡环流的尺度属于中α尺度,持续时间7小时左右,低涡成熟阶段,700hPa正涡度中心与低涡环流中心相重合,低空急流及强辐合中心位于低涡的东南象限;低涡环流由三股气流构成;低涡区上空存在超强散度柱、倾斜涡柱、深厚的上升运动区及特强垂直上升运动,超强散度柱与特强垂直上升运动互耦,强辐合、辐散中心发生在南、北风辐合、辐散且有强的v分量垂直梯度处,低层正涡度中心的上方,存在一负涡度中心;最大的水汽辐合位于700hPa及550hPa;低涡区冷空气来自500hPa的滇缅高压;大暴雨中心位于低涡中心的东侧。

山东“99·8”大暴雨维持机制的数值模拟

利用中尺度大气非静力模式 MM5对山东 1 999年 8月 1 1～ 1 2日的大暴雨过程进行了数值模拟。将模拟的气压场、风场、相对湿度场、降水与实况进行对比检验 ,在模拟效果比较合理的情况下 ,着重对大暴雨的维持机制进行了研究。结果表明 :位于我国东北、渤海和山东上空的东北西南向的锋面系统、位于锋面西南端山东江苏上空的苏鲁中 -α涡旋及其诱发出的位于其北部的中 -β涡旋是影响山东大暴雨的天气尺度系统和中尺度对流系统 ;中 -α涡旋的东支气流—东南风为中 -β涡旋输送水汽 ;锋面系统抬升了中 -β涡旋北部的东南暖湿气流 ,形成垂直上升运动 ,并形成雷暴云团 ,同时激发出新的对流单体 ;雷暴云团在西移的过程中 ,受到泰沂山区的抬升作用 ,在山前也形成强烈的垂直上升运动 ;因此 。

2021年吉林中部一次极端雷暴大风的中尺度成因分析

基于常规观测资料、地面加密自动气象观测站、多普勒天气雷达和ERA5再分析资料等,对2021年9月9日上午发生在吉林省中部一次罕见的极端雷暴大风的中尺度成因进行了详细分析。结果表明:产生雷暴大风的飑线系统是在深厚的东北冷涡配合大尺度锋生作用在冷锋尾部激发形成的。中层较强干空气和逆温层以下接近干绝热的温度递减率有利于极端雷暴大风产生。干暖盖的存在导致低层暖湿空气迅速增强,临近时刻CAPE值超过1600 J·kg~(-1),层结在短时间内变为极不稳定结构,夹卷层平均风达到20 m·s~(-1)以上,动量下传有利于地面风速增强,极端雷暴大风发生在断裂后飑线尾部前沿γ中尺度涡旋附近,但涡旋附近2个站点极端雷暴大风形成原因明显不同,其中农大站极端雷暴大风发生时气压陡降,气温陡升且分钟降水量弱,是由飑线前侧强下沉辐散气流(冷池出流)在较强的偏南风气流作用下加速流入涡旋内部、辐合上升气流迅速增强导致,与其附近农博园站和长春站由降水粒子拖曳作用形成的强下沉辐散气流导致的极端雷暴大风明显不同。

梅雨锋致洪暴雨β中尺度涡旋的数值试验和结构分析

运用 PSU/NCAR的 MM5 V2的嵌套模式 ,对 1 998年 7月的武汉致洪暴雨过程作了成功的数值模拟。并运用模式输出的高分辨率资料对引起此次特大暴雨的 β中尺度涡旋系统的结构作了诊断分析。分析了涡旋系统在 3个不同时期的三维结构特征 ,特别是得到与暴雨雨团相联系的β中尺度垂直环流分布特征。指出涡旋系统的水平范围在 90 km左右 ,涡旋环流只在对流层中层 ( 85 0 h Pa～ 65 0 h Pa)比较明显 ,与涡旋相伴的是一个在狭窄区域内物理量高度集中 ,并向垂直方向发展的暖心正涡度柱。