高、低空急流耦合对山东“利奇马”台风暴雨增幅影响的诊断研究

受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数据、山东省自动气象站逐时降雨量、常规观测资料、中国风云二号地球静止气象卫星(FY-2G)0.1°×0.1°逐小时云顶相当黑体亮温和美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h再分析等资料,主要运用纬向风局地变化方程与大气动能方程,诊断分析降雨明显增幅与高、低层风场变化的关系。结果表明:(1)暴雨主要影响系统有高低空急流、500 hPa西风槽、850 hPa台风倒槽及“利奇马”本体环流等。10日200 hPa中纬度大尺度西南风急流东南移影响鲁西北,当天08:00(北京时,下同)850 hPa因双台风活动而形成的大尺度东南风急流突然北伸越过山东省。台风倒槽对流云与本体环流对流云先、后北移经鲁中,累积效应造成该地区10日夜间雨量最大。(2)10日20:00850 hPa章丘站东北侧出现了过程最快东风增幅,纬向运动方程诊断结果表明,东风平流是东风增加最主要原因,地转偏向力项则不利于东风增加。(3)10日20:00章丘站200 hPa西南风风力明显加大形成急流,10日08:00至11日08:00青岛站850 hPa维持东南风低空急流。同时位于高空急流右后侧与低空急流左前方是鲁中附近10日夜间降雨增幅的重要原因。章丘200 hPa与青岛850 hPa都是在最大风力之前12 h动能增加最快。动能方程诊断表明,最有利于鲁西北高空急流形成的是位能平流项,最有利于鲁东南低空急流形成的是动能垂直通量散度项。(4)10日20:00至13日08:00“利奇马”本体环流一直在影响山东,暴雨期间山东中部地形的动力作用也一直存在,而降雨的峰值是出现在10日夜间,说明10日20:00前后高、低空急流的耦合可能是山东暴雨增幅的主要影响因子。其主要作用至少有加强山东中部的垂直运动、整层水汽输送与静力不稳定度等方面。

2008年“7.22”襄樊特大暴雨的天气学机理分析及地形的影响

利用常规观测、地面逐时降水、NCEP再分析资料和卫星雷达资料,对2008年7月22日发生在鄂西北襄樊的特大暴雨过程从对流层高层一直到地面的天气形势特征进行了较为系统的分析,结果表明,对流层高层稳定的辐散系统、近地层稳定的辐合系统以及中低层发展深厚的西南低涡、不断加强的低空急流是造成这次特大暴雨的主要影响系统。重点分析了200hPa强辐散中心形成的原因及其在降水中心上空稳定、停滞、加强的机制,认为高空急流右后侧的风速辐散区与西风槽和南亚高压反气旋环流之间的风向开口区两种辐散作用的叠加是造成强降水中心上空强辐散中心的主要原因,而高层西风槽在东移过程中突然停滞并加深,从而导致强辐散中心一度稳定、停滞则是强降水持续发展的重要机制。在近地层,由一个已经发展的对流云团外围出现的强偏北下沉冷出流沿浅薄地形河谷区侵入襄樊附近,当偏南暖湿气流不断加强北进时,一方面受到冷出流的横向阻挡,另一方面又受到大巴山地形的纵向阻挡,两种阻挡作用交汇于襄樊上空,使低层出现强辐合中心并稳定维持,在高层强辐散的共同作用下出现深厚的上升运动。地面低压倒槽和准静止锋的稳定维持以及边界层内大气斜压性的增强也有利于中尺度对流系统在该区域的维持和发展。中低层发展深厚的西南低涡和不断加强的低空急流为强降水中心输送了充足水汽,从西南低涡的东北侧不断分裂出β中尺度对流云团和强回波单体,并沿低层切变线移动到襄樊上空后叠加在高空强辐散、低层强辐合的有利动力作用下而得到进一步发展,并最终形成特大暴雨。

两次西行热带气旋影响云南降水对比分析

利用常规观测资料、中国气象局上海台风研究所(CMA-STI)热带气旋最佳路径数据和FY-2C卫星云图观测资料,以0608台风派比安和0809强热带风暴北冕两个西行热带气旋影响云南降水为例,通过其路径、降水量、移动速度、环境场和物理量场的对比分析,结果表明:两次台风源地、移动路径及登陆地点、影响时段、最大降水落区相同,但影响时间长度、影响范围和造成的灾害程度后者强于前者;西南季风与热带辐合带(ITCZ)较活跃,副热带高压西伸增强,并有低空急流、辐合区配合台风低压环流共同作用是热带气旋导致云南强降水的重要天气背景;云图中尺度分析发现,多种系统的共同作用,导致台风环流持久不消,进而易激发多个α-中尺度对流系统(MαCS)和β-中尺度对流系统(MβCS)云团生成并持久维持,是台风低压强降水发生的直接原因;物理量场的诊断分析表明,活跃的季风系统,使孟加拉湾和南海构成强大的水汽通道,伴随低空急流的建立和增强,致使大量不稳定能量和水汽向云南输送,在云南形成条件性对称不稳定(CSI)和深厚斜压性的正反馈机制,是导致云南强降水的重要物理机制。

秦岭近邻地区秋季暴雨的天气动力学分析

对2005年10月1～2日秦岭近邻地区连阴雨中的暴雨天气的成因进行分析,结果表明:暴雨发生在500 hPa东亚稳定的东高低环流形势下;低空西南急流为雨区提供了大量热量、动量及水汽,而高、低空急流的次级环流以及锋面次级环流之间的耦合加大了低层辐合和高层辐散,使暴雨区产生了强烈上升运动,为产生暴雨的中-α尺度系统形成提供了有利的大尺度环流背景场,秦巴山区复杂地形对产生暴雨中-α尺度的形成和发展也有一定的激发作用;螺旋度强度变化对暴雨发生发展有一定的指示意义,暴雨发生前对流中底层有较大螺旋度值,且呈下正上负的垂直结构,暴雨一般发生在对流层低层螺旋度正值中心的前方.

江南丘陵和云贵高原地形对一次西南涡暴雨影响的数值试验

运用MM5数值模式对1998年7月22-23日一次由西南涡引发形成湖南大暴雨的个例进行了数值试验。模式中设计了全地形、去掉江南丘陵地形、去掉江南丘陵和云贵高原地形三种方案。对比试验表明：在去掉江南丘陵和云贵高原后，由于地形的狭管作用消失，南北热力差异减弱，低空急流随之减弱；由于低空急流对西南涡和切变线的正涡度平流输送减弱，以及500hPa高空槽引导切变线向南移与西南涡结合，造成西南涡增强，切变线减弱、消失。同时，本文还对三种模拟试验中地形作阶梯化处理，进一步验证江南丘陵、云贵高原对偏南风存在狭管作用，对低空急流的形成有促进作用。

南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究

南海夏季风爆发与东亚地区的局地经向环流密切相关。本文利用线性局地经向环流诊断模式,定量诊断分析了1979~2003年5月1~15日的局地经向环流及其在夏季风爆发早晚年的差异,分析找出了在该关键时段对经向环流异常有正贡献的主要因子,从而确立影响季风爆发的相应天气过程及贡献机制。结果表明,在季风爆发早年期间,局地经向环流异常呈现为＂Hadley环流＂形态：上升运动（下沉运动）影响南海中北部（江淮地区）,低空非地转南风（北风）影响南海中南部（华南和江南地区）。季风爆发晚年的情况则与季风爆发早年相反。对造成经向环流异常的各个因子进行定量分析发现,经向分布不均匀的潜热加热的贡献作用最大,其次是温度平流和西风动量输送过程,与越赤道气流有关的边界效应则对南海中南部的低空南风有一定贡献。相应的天气学分析表明,季风爆发偏早年的副热带高空急流强度偏强且位置偏南,其动量输送过程导致对流层上层出现非地转南风、急流轴南侧（北侧）的华南（华北）地区出现高空辐散（辐合）和低层辐合上升（辐散下沉）。与此同时,中纬度西风带扰动的南下和副热带高压脊从南海地区的撤出,中低层温度平流导致华中地区冷却和南海中北部增暖,进一步加强低纬地区上升、中纬地区下沉的经向环流异常。华南地区异常的非地转北风与南海中南部异常的非地转南风,显著加强了南海中北部的低空水汽辐合和对流潜热释放,从而激发出强烈上升运动。由此可见,中低纬天气系统配置能有效调节中国东部及南海地区的潜热加热和冷暖平流的南北分布,从而引起与季风爆发对应的局地经向环流的显著变化。

2008年华南前汛期异常降水的大尺度环流特征及成因分析

利用NCC/CMA资料分析了2008年5月下旬至6月中旬华南降水异常事件的成因。研究表明:2007年7月至2008年2月赤道西太平洋海表温度异常偏低,以及2008年前冬今春青藏高原积雪面积偏大是华南异常降水事件的前期气候背景;2008年5月下旬至6月中旬东亚阻塞高压的异常强大及乌拉尔山长波槽的异常发展,促进了经向环流异常增强;偏强冷空气以阶梯槽的形式频繁入侵华南,为异常降水事件提供了动力条件。此外,副高较常年偏强、偏北,强劲的季风潮为华南地区输送了巨大的水汽和热量,冷暖空气在华南上空频繁交汇是深圳异常降水事件的直接成因。上述多种因素的异常并同时出现,共同导致了华南异常降水事件的发生。

2008年6月深圳异常降水大尺度环流特征及成因分析

利用NCC/CMA资料分析了2008年6月深圳降水异常事件的成因。结果表明,2007年7月—2008年2月赤道西太平洋海表温度异常偏低、2008年前冬今春青藏高原积雪面积偏大是深圳异常降水事件的前期气候背景;2008年6月东亚阻塞高压的异常强大及乌拉尔山长波槽的异常加深发展,促进了经向环流异常增强;偏强的冷空气以阶梯槽的形式频繁入侵华南,为深圳异常降水事件提供了动力条件。副高西段较常年偏南、西伸脊点偏东,强劲的季风潮为深圳地区输送了巨大的水汽和热量,冷暖空气在深圳繁交汇等,是深圳异常降水事件的主要成因。上述多种因素的异常共同导致了深圳异常降水事件的发生。

2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨对比分析

应用多种常规观测资料、加密自动气象站资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨过程进行了对比分析。研究表明:"尤特"台风暴雨直接由台风环流引起,具有锋前暖区降水的特点;而"天兔"台风暴雨由台风低压倒槽与西风带天气系统相互作用引起的,其降水属于典型的锋面降水。"尤特"由东风带进入西风带,其与副高相对位置的变化是导致其登陆后路径北翘的主要原因。"尤特"低压环流与南海季风相互作用,充沛的水汽输送对台风低压环流的长时间维持以及湘东南暴雨的形成和发展起到了重要的组织和促进作用。而"天兔"登陆后南海季风位置偏南,不利于"天兔"的长时间维持以及向暴雨区的水汽输送。低层暖式切变线附近强辐合与高层强辐散耦合、低层强正涡度与高层负涡度的耦合为"尤特"台风暴雨的发生发展提供了动力条件。由中低层冷空气入侵导致的锋生强迫和高低空急流耦合形成的次级环流,加强了"天兔"低压倒槽内冷暖气流的辐合,是触发倒槽内中尺度对流发展和暴雨产生的重要动力机制。

高、低空急流中的锢囚锋环流

利用原始方程模式探讨了高空西风急流和低空南风急流中锢囚锋环流的演变和增强机制。数值结果显示 ,在干大气中 ,高空西风急流的存在使锢囚锋非地转环流和锋区上升速度迅速变化、增强 ,并有利于重力内波的垂直传播 ;低空南风急流对锋区环流型的变化影响较大 ,但环流较为平直 ,对锋区上升速度的增强作用不大 ,产生的锋区上升速度比高空西风急流中小得多 ;高低空急流的同时存在 ,对锢囚锋环流的作用比较复杂 ,其影响比高低空急流各自作用的叠加要大。

湖北省西南气流型暖区暴雨相关特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和其他常规观测资料,对湖北省西南气流型暖区暴雨相关特征进行分析,结果表明:该类暖区暴雨主要发生在鄂东南地区,容易形成极端暴雨;低空急流是最主要的一个影响系统,低层强烈暖平流配合中层小股弱干冷空气,形成上干冷下暖湿层结,是本类暖区暴雨主要的不稳定建立机制;主要水汽输送通道有3条,水汽输送高度主要位于850 hPa附近,水汽辐合高度则位于850 hPa以下;暴雨发生过程中,0~1 km和0~3 km垂直风切变增长明显,其中0~3 km垂直风切变平均值可达11.6 m/s以上,对暴雨区的指示作用更显著;主要动力启动机制是低层风速辐合,而动力加强机制则来自于高低空急流耦合,在这个过程中,高空辐散加强,次级环流形成,从而形成强烈上升运动。

关中北部一次暴雨水汽条件及不稳定分析

2019年9月13-14日关中北部出现暴雨天气,这次暴雨开始时关中北部地区位于冷锋后地面冷高压中和700 hPa横切变线的北侧,探空图上中低层是锋面逆温稳定层结,中低层以下是深厚的冷垫,地面能量较低,没有对流不稳定,低层水汽不足,短期时效内暴雨漏报。为了研究此次过程中的水汽条件和不稳定机制,为今后此类暴雨预报提供有价值的预报思路,利用常规地面高空观测、欧洲中心细网格模式预报等资料对其水汽条件和不稳定进行诊断分析,结果表明:较强降水期间关中北部水汽的大值区集中在700 hPa,700 hPa随时间而增强的偏南风为其提供了充沛的水汽,700 hPa比湿大值区、切变线随着增强的偏南风北移至关中北部,这为关中北部暴雨提供了较强的水汽辐合条件,因此,为关中北部提供充沛水汽的偏南风能否随时间而增强是其暴雨能否发生的关键。而偏南风增强与高低空急流的耦合和凝结潜热释放有关,暴雨区高低空急流耦合形成的次级环流上升支有利于暴雨区中低层减压,西太平洋副热带高压和暴雨区之间的气压梯度加大,这将使西南低空急流加强并向东北方向移动,移动后的低空急流在其前方辐合上升造成新的暴雨区,这将形成低空急流和暴雨的正反馈,西南低空急流随着时间向东北方向移动,造成关中南部地区出现低空急流和关中北部偏南风增强;暴雨区凝结潜热释放有利于上升运动,使得中低层减压,这同样造成关中南部形成偏南风急流、关中北部偏南风增强。可见,高低空急流耦合和凝结潜热释放通过影响偏南风而间接影响关中北部暴雨区水汽条件。关中北部暴雨的不稳定机制是条件性对称不稳定。700~600 hPa关中北部暴雨区有着较强的垂直地转风切变和向北的水平地转风切变使得等地转绝对动量倾角较小,偏南暖湿气流输送水汽和能量使得等饱和相当位温面倾角较大,这一区域存在条件性对称不稳定即等饱和相当位温面的坡度大于等地转绝对动量坡度的区域。当冷锋上空偏南气流沿着锋面爬升至关中北部暴雨区辐合上升至700~600 hPa条件性对称不稳定区域,产生倾斜对流,使得降水强度增大,这也是造成关中北部暴雨天气的原因之一。在西太平洋副热带高压南撤东退及地面冷高压的形势下,暴雨预报需考虑西太平洋副热带高压的走向,高低空急流耦合、凝结潜热释放对低空急流及偏南风的影响,有可能出现的条件性对称不稳定机制,结合数值模式,综合考虑暴雨的可能性。

陶诗言先生在中国暴雨发生条件和机制研究中的贡献

作者在1998年庆贺陶诗言先生八十华诞的文集中曾专题阐述和评价了陶先生对中国暴雨研究的贡献。至今十五年过去了,陶诗言先生虽已于2012年仙逝,但其深邃的科学思想依然闪烁着智慧的火花。他在中国暴雨研究中留下的宝贵遗产不但深刻影响过去和现代两代人的暴雨研究和业务发展,而且也将继续影响将来的中国暴雨研究。本文是对陶诗言先生在中国暴雨的研究中所作的贡献并结合现代研究的成果作进一步介绍和评价。主要集中在暴雨发生的动力和热力条件与机理方面。全文内容包括六个方面:(1)季节突变对中国梅雨爆发的影响;(2)暴雨发生的多尺度相互作用;(3)暖湿季风输送带对北方大暴雨的影响;(4)高空急流对暴雨的作用;(5)暴雨和强对流发生的物理条件;(6)

急流加速产生的高空锋生和低空锋生

本文用数值模拟方法证实了曾庆存提出的一种锋生机制,即高空急流加速或高空动量输入通过地转适应过程造成高空锋生.我们采用二维非弹性数值模式模拟了五种急流加速分布产生的锋生过程:三个低空锋生,分别由中尺度地面、中尺度低空和次天气尺度低空急流加速产生;二个高空锋生,分别由高空次天气尺度和天气尺度急流加速产生.模拟的结果表明:(1)通过地转适应产生的位温梯度的大小依赖于急流的空间结构以及Rossby变形半径和急流扰动尺度的比值,比值越大,适应锋生越强.(2)在相同的尺度条件下急流加速产生的高空锋生比低空锋生更强.(3)地转适应过程将加速的高空急流动量向下层传输,使锋区变陡并向对流层中、下层延伸,这种对流层高低层的非地转耦合可能是低空急流形成的另一种机制.(4)在模拟的五个过程中急流振荡的主频率约是惯性频率的1.7倍.

08.6广西连续暴雨的大尺度环流和物理条件分析

利用常规观测资料、自动站资料和每6h一次的NCEP1×1分析资料,对2008年6月8日～18日广西连续暴雨过程的大尺度环流和物理条件进行了分析。结果表明:副热带高空急流右侧维持强辐散场,500hPa中、低纬广西维持低压槽区,中、高纬东亚大槽和其后部阻塞高压形势维持,贝加尔湖以西宽广的槽区不断有小槽分裂东移,低空西南急流不断为暴雨区提供了大量的水汽和不稳定能量,是本次连续性暴雨过程产生的有利大尺度环境背景;连续暴雨由3次连续高空槽引导低层低涡切变东移产生,由3个加强期和2个减弱期组成,暴雨的增强和减弱受暴雨区大气动力、热力、水汽条件变化的影响,高空辐散和低空辐合耦合增强、垂直上升速度增大、低层水汽的辐合、不稳定能量累积,强降水发展加强,反之,强降水减弱。

华南锋面与暖区暴雨个例对比分析

2005年6月17-24日,华南地区发生了连续多日的暴雨天气过程,其显著特征是存在着南北两条雨带,北支雨带（福建中北部）由准静止的梅雨锋造成,南支雨带（广东中东部）发生在锋前暖区之中,这种连续多日共存的双雨带现象引起了气象学家的广泛关注。为了探究锋面和锋前暖区暴雨的成因,加深这两类不同性质暴雨的认识,利用NCEP每6h一次的1°×1°经纬度再分析资料以及华南地区加密观测的逐小时地面降水等资料,以此次连续多日维持的双雨带降水过程为例,详细分析了锋面附近与锋前暖湿区内暴雨系统的主要物理差异。结果发现：梅雨锋暴雨和锋前暖区暴雨不仅在中尺度雨团活动、系统动力结构、大气不稳定机制和大气加热结构等存在明显的差异,而且在水汽输送、中尺度环境以及与暴雨有关的垂直环流之间也存在着不同点,这些差异可能是造成锋前暖区暴雨难以模拟和预报的主要原因。

梅雨期江淮季风暴雨过程分析

本文对梅雨期间江淮流域出现的一次典型的热带季风暴雨过程进行了分析。发现此次暴雨过程与中纬度环流的经向发展和一次南海台风登陆越南的过程有关，中纬度高原槽前暖气流的东进，其暖平流效应吸引台风外围的低空急流北上、加强。热带季风的深入大陆，其湿过程效应促使１００ｈＰａ层上强辐散中心及其相应的上升运动中心迅速形成，从而导致大暴雨产生。

沃克环流上升区赤道低空强西风带的分析

采用ＴＯＧＡ／ＣＯＡＲＥ国际合作考察期间（１９９２年１０月─１９９３年２月）获得的２６７次定点（２°Ｓ，１５５°Ｅ）定时高空大气探测资料，进行计算分析，发现１９９２年１２月─１９９３年２月低空存在一支西风急流，有两次分别持续半月之久，而１９９２年１１月的两次赤道西风急流，因无赤道高空急流配合，仅持续２ｄ便消失。本文还指出：（１）赤道低空西风急流是各种海－气指数产生ＥＮＳＯ异常的重要信息；（２）赤道高空急流有滞后赤道低空急流２ｄ左右的响应关系；（３）赤道低空急流是纬向水汽输送的狭窄通道。

冀中暴雨预报分型研究

从能量角度对冀中地区近十年暴雨天气特征进行了分型研究,得出4种典型暴雨天气学概念模型,即暖切变类(暖平流类)、冷切变类(冷平流类)、低涡类、冷涡类,并对这4种模型进行了详细解析。

2011年梅雨期长江中下游地区两次暴雨过程数值模拟对比分析

基于WRF数值预报模式,对2011年梅雨期6月9—10日和14—15日长江中下游地区两次暴雨过程(分别简称"6·10"过程和"6·14"过程)进行数值模拟,重点对比分析了暴雨期间西南涡的活动与高低空急流耦合配置之间的关系。结果表明:1)西南涡的活动和高低空急流耦合配置与暴雨活动关系密切,是造成两次暴雨过程范围和强度差异的重要因素。2)"6·10"过程中,一个浅薄的西南涡系统受青藏高原浅槽东移北缩减弱影响,向东北方向移动,同时西南低空急流位置偏北,导致暴雨区位置偏北;"6·14"过程中,一个深厚的西南涡系统受高空浅槽东移发展加深影响,沿长江缓慢东移,伴随西南低空急流位置偏南,降水缓慢向东移动,导致暴雨区位置偏南。3)两次过程的强降水中心均位于高低空急流耦合区,"6·10"过程中,在长江中下游地区形成的高低空急流耦合区范围偏小且强度偏弱,因此辐合上升运动偏弱,不利于形成大范围的强降水;"6·14"过程中,在长江下游地区形成大范围高低空急流耦合的环流形势,强烈的辐合上升运动配合充足的水汽供应,最终形成大范围强降水。