“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。

一次河北大暴雨的华北低涡结构和涡度收支分析

利用Micaps系统下常规资料、云图资料和NCEP全球再分析资料,对2004年7月11—12日发生在河北省中南部的一次局地大暴雨个例进行了诊断分析。结果表明:200 hPa西风槽、500 hPa华北低涡和中低层偏东风,是这场暴雨的直接影响系统,该过程中的华北低涡为低层冷心、高层暖心结构,具有随高度向西北倾斜的特征,涡度场特征明显,暴雨区对应着深厚的正涡度区,散度场结构零乱,非高层辐散、低层辐合的配置,暴雨区上空上升运动较强。冷空气来源于500 hPa以下的东北地区,水汽的源地来自渤海,低层偏东风可能是暴雨区所需水汽的主要携带者。水平涡度平流项和水平涡度辐散项作用相反,水平涡度辐散项对总涡度起直接作用且为正贡献,而垂直平流项对总涡度贡献比较小。

华北地区两次低涡暴雨过程降水特征和成因对比分析

本文利用多种观测资料和ERA-5再分析资料对2021年7月11~13日(过程1)和2016年7月19~21日(过程2)华北地区两次低涡暴雨过程的降水特征和成因进行了对比分析。结果表明:这两次暴雨过程均发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中纬度西风带低涡系统东移北上发展、下游高压坝稳定维持的环流背景下,但过程1的累计雨量、降雨强度、影响范围、持续时间和极端性均不及过程2。两次过程的低空急流差异明显,过程1以低涡南侧的西南急流为主,过程2不仅西南急流更强,低涡北侧的偏东风急流同样显著,低层偏东风在太行山东麓地形的作用下产生了更明显的强降水。两次过程的低涡强度、结构及路径存在明显差别,过程1的低涡发展较为浅薄,仅在对流层中低层存在明显的正涡度,且在过程后期移动速度较快,一路沿太行山北上并最终在河北北部消散;而过程2的低涡更为深厚,后期在河北西南部稳定少动直至消散。两次过程的阶段性发展特征也存在一定差异,在第一阶段,过程1的低层辐合主要出现在低涡中心附近的山西南部至河南北部,而过程2的辐合主要出现在低涡北侧偏东风急流与地形交界处的河北西部地区;在第二阶段中,两次过程均出现了类似于台风螺旋雨带结构的低涡螺旋型对流雨带,但过程1主要出现在低涡东侧,而过程2主要发生在低涡北侧,这可能是由于水平涡度旋度、差动垂直涡度平流、暖平流以及非绝热加热的分布差异导致的;在第三阶段,过程1的低涡已移至华北北部,低涡中心附近的强辐合配合不稳定层结和地形抬升产生了较强降雨;而过程2的低涡仍然位于河北西部,低涡东北侧的暖切变辐合不及过程1,但对流不稳定层结更深厚,从而产生了更强的垂直上升运动及更强的降雨。上述结论有助于理解两次暴雨过程的时空分布和强度差异及可能成因。

“91.7”暴雨低涡发展结构和暴雨机制中尺度数值模拟

对１９９１年７月４日至７日（“９１．７”）发生在江淮流域的一次低涡切变线特大暴雨过程进行了高分辨行星边界层参数化的中尺度数值模拟。控制模拟结果揭示“９１．７”江淮暴雨过程与中尺度暴雨低涡的生成和发展以及特有的动力和热力结构密切相关；气旋性涡柱，强上升运动与深厚湿舌三位一体的共存结构是暴雨低涡持续发展并产生对流云系和持续暴雨的强耦合条件；西南低空急流的发展和维持。

“7.20”华北特大暴雨过程中低涡发展演变机制研究

利用中国地面加密自动站观测资料、北京地区雷达探测资料、NCEP(1°×1°)FNL资料、ECMWF ERA Interim(0.125°×0.125°)逐日再分析资料等,对造成2016年7月19—20日华北极端暴雨中的低涡系统发展演变的结构特征和加强机制进行了研究。华北地区这次特大暴雨过程出现了3个阶段降水,其中与低涡系统强烈发展对应的第2阶段降水是本次华北暴雨过程的主要降水阶段。针对该低涡的分析表明:(1)850 hPa以西南低涡为中心的低压带中,在河南西北部新生低涡系统,并且其在向华北地区移动过程中显著加强,该低涡系统在空间结构上,从倾斜涡柱逐渐发展成近乎直立的、贯穿整个对流层的深厚低涡系统;(2)中低层低涡系统快速发展过程与高低空系统构成耦合作用有关:低层低涡系统显著加强之前,对流层上层(300—200 hPa)首先出现高空槽异常加深并向南发展,该高空槽发展的开始阶段与其本身冷暖平流造成的斜压发展过程对应;而后,随着高纬度平流层高位涡沿等熵面向南运动,造成华北地区对流层上层涡度增强,形成正位涡异常区;当这一正位涡异常区叠加在对流层中低层锋区上空时,造成对流层中低层气旋快速发展并向下伸展,诱发河南西北部的新生气旋;低涡系统的发展进一步强化了低空暖平流,促使低空气旋向东北方向发展"移动"(本质上是暖平流前端造成的气旋发展),这一动力学过程反过来使高层的涡度增强;这一正反馈过程形成的耦合环流不仅造成了整个涡度柱强度增强,而且垂直结构上逐渐由倾斜涡柱演变为近乎于直立的涡柱;(3)随着低涡系统增强,极大地加强了垂直上升运动并触发了对流,形成大范围的强降水,大量的凝结潜热释放,造成了低层低涡系统在强降水开始阶段的快速发展和增强;20日00时(世界时)以后,虽然对流活动显著减弱,但低涡系统的加深维持了大范围强降水过程的持续。强降水与低涡发展的正反馈过程是这次华北暴雨得以长时间维持的重要机制之一,这一过程形成的持续性潜热释放也是对流层中上层低涡系统热力结构发生改变的重要原因。

夏季青藏高原低涡研究进展述评

高原低涡是造成我国暴雨的重要天气系统之一。本文在简要介绍第一次青藏高原科学试验及以前研究工作的基础上,重点介绍了第二次青藏高原科学试验及近年来的一些主要研究成果,包括高原低涡的活动特征、高原低涡发展东移的机理、高原低涡发展东移的大尺度条件及高原低涡的结构特征等,并指出了目前高原低涡研究的局限性和待改进的方向。

华北“7·19”暴雨中低涡系统演变及多尺度相互作用机制研究

为探究华北暴雨的维持及中尺度系统演变机制,利用NCEP/NCAR的GFS资料、地面自动站观测资料等,借助数值模拟、涡度收支分析和尺度分离等方法,对2016年7月19日前后一次华北暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。(1)本次极端降水过程与东移低槽切断形成的深厚低涡密切相关。低涡与副高脊线形成“东高西低”形势且雨区始终处于高层辐散低层辐合的动力配置下,有利于对流维持。涡旋与低空急流的配合使来自西南侧和东侧的水汽在华北辐合,并使雨区处于能量锋区,对流层中低层形成深厚逆温层,为暴雨维持提供水汽和能量保障。(2)低涡系统总体呈增强趋势,中心涡度最高达55×10-5 s-1以上。成熟阶段呈现贯穿对流层的直立正涡度柱,但涡度变化集中在500 hPa以下,中心维持在850 hPa附近。涡度增长主要受正涡度区与辐合中心重合产生的拉伸效应以及干侵入等因素的促进作用。(3)低层辐合中心由三种不同尺度系统叠加而成,其中中尺度系统对中心的强度和位置影响最大,而大中尺度风场间的辐合也使辐合区更大、强度更强。低层涡旋增长与风场辐合加强之间形成正反馈调节,有利于低涡和降水的维持。

2016年7月20—21日赤峰、通辽地区暴雨特征分析

利用高、低空观测资料、地面加密观测资料、NCEP1°×1°再分析资料,对2016年7月20—21日内蒙古东南部区域性暴雨过程进行诊断分析。针对这次过程中低涡发展演变及热动力形成机制分析表明:(1)前期副热带高压稳定,形成明显的阻挡形势,同时中高纬长波脊与副热带高压脊同相叠加,形成阻塞形势并维持,从东北至河套为深厚的低槽或切变线,低空急流不断把南方的暖湿空气向内蒙古东南部输送,这是造成此次赤峰、通辽地区区域性暴雨的主要环流形势;(2)850hPa低涡及地面气旋东移北上过程中,850hPa低涡中心强度、地面气旋强度逐渐加强;(3)异常深厚的急流将充沛的水汽从南海、东海、黄海、渤海向京津冀地区输送,然后在赤峰、通辽地区产生了异常强烈的水汽通量辐合;(4)偏东风与赤峰、通辽地区的强降水关系密切,这种偏东风若和地形有利配合,则有利于抬升辐合使降水增强。