中昆仑山北坡极端暴雨对流—对称不稳定性及其触发机制分析

本文利用ERA-50.25°×0.25°再分析资料,通过计算2020年5月6~7日中昆仑山北坡极端暴雨天气过程中湿位涡和锋生函数,给出暴雨过程大气不稳定性演变特征,明确锋面系统在对流触发中的作用,并得出以下结论:(1)本次中昆仑山北坡暴雨期间,200 hPa高空两支急流造成辐散叠加区,500 hPa中亚低涡、高原北部切变线缓慢移动过程中,配合低层700 hPa地形辐合抬升、地面高压前冷气团与塔里木盆地暖气团交汇,为中昆仑山北坡浅山区云团发展提供有利的动力、热力条件。(2)暴雨分为两个阶段,第一阶段(EP1)于田至且末一线降水期间,对流层低层暴雨区为对流不稳定大气层结;第二阶段(EP2-1)策勒地区短时强降水期间,策勒对流层低层逐渐由对流不稳定大气转为条件对称不稳定大气层结,对流层低层Mpv2变化由大气的湿斜压性和低层水平风的垂直切变所造成;受前期降水和凝结潜热释放影响,第二阶段(EP2-2)策勒至洛浦一线低层增暖增湿,对流层低层转为对流不稳定大气层结。(3)地形辐合抬升是第一阶段降水中尺度云团生成的主要原因,低层冷锋锋生触发对流不稳定能量释放,且末附近云团迅速发展,同时塔里木盆地气流沿地形爬坡至高原北部,在500 hPa附近冷锋锋生,与高原北侧暖锋短时间对峙形成冷式锢囚锋,锋面附近垂直运动增强使得对流云团快速发展,与且末附近对流云团合并加强,造成第一阶段(EP1)于田至且末一线降水天气;第二阶段(EP2-1)策勒短时强降水期间,对流层低层700 hPa冷锋锋生,云团移动方向暖湿入流气流与云下蒸发和云后入流冷气团相遇,暖气团沿底层冷池进一步爬升,使得云团迅速发展至成熟阶段,造成策勒地区出现短时强降水天气;随着中亚低涡逐渐进入研究区,对流层低层—中层冷锋锋生,进一步加强了上升运动的发展,是第二阶段(EP2-2)策勒至洛浦一线持续性降水天气的重要原因。

基于气块法的对称不稳定探究

采用“气块法”,分析斜压大气中对称不稳定判据,结果表明:在斜压大气中,斜升气流的不稳定,不同于经典的惯性不稳定、静力不稳定。对称不稳定的必要条件是等熵面的倾斜度大于等绝对动量面的倾斜度,其判据不仅与环境大气的等熵面、等绝对动量面之间的倾斜差异分布有关,还与斜升气块的路径斜率有关;斜升气流的倾斜度小于等绝对动量面或大于等熵面的倾斜度,仍有可能发生对称不稳定。在饱和湿斜压大气中,存在关于条件对称不稳定的类似结论,但判据比对称不稳定的复杂得多。

“96.1”高原暴雪过程湿对称不稳定的诊断分析

利用对“96.1”青藏高原东北部暴雪过程一次较成功模拟的 MM4中尺度模式输出资料 ,根据条件对称不稳定 (CSI)的线性和非线性理论判据对这次暴雪过程进行了诊断分析 ,结果表明 ,“96.1”暴雪的发生发展过程与条件对称不稳定密切相关 ,不稳定区位置在 M-θe和σ2垂直剖面图上较其它判据更接近于实际情况 .非线性 CSI判据的动力学诊断分析指出 ,“96.1”暴雪是在低空对流不稳定和高空对称不稳定的相互作用下发生发展的 ,说明非线性对流—对称不稳定是其发展机制 .

关于业务上应用条件对称不稳定相关问题的讨论

条件对称不稳定(CSI)理论常常被用来作为倾斜对流的发展机制之一,在业务上常用来解释与锋面相联系的一条或多条中尺度雨带、雷达图像上观测到的带状雨带的成因等。条件对称不稳定的诊断包括CSI斜率判据、斜升对流有效位能(SCAPE)、湿对称不稳定(MSI)、相当位涡(EPV)等判据。业务预报人员存疑较多的问题是这些方法是否具有一致性并在业务上如何使用。针对上述问题,首先通过与业务预报人员较熟悉的条件不稳定类型作类比,来说明条件对称不稳定两种判据与条件不稳定两种判据的相似性。但在业务使用上,判别条件对称不稳定时多使用CSI斜率判据,即等动量面的坡度大于等位温面坡度而小于等湿球位温面坡度。由于条件对称不稳定通常出现在大气处于几乎饱和的情况下,此时的CSI斜率判据则演变为湿对称不稳定判据,即等动量面坡度小于等湿球位温面坡度。为判别相当位涡与湿对称不稳定判据是否具有一致性,文中的推导和实例分析均表明,二维相当位涡实际上是湿对称不稳定判据的另一种表现形式,但是湿对称不稳定判据需主观去比较等相当位温面与等动量面斜率大小,而二维相当位涡则可通过其是否小于0进行客观判断。需注意的是,在与推导条件对称不稳定斜率判据相同的二维坐标下,相当位涡与湿对称不稳定判据才具有一致性,将相当位涡扩展到常规坐标下使用三维相当位涡作为湿对称不稳定判据是不可取的。

一次高原强降雪过程三维对称不稳定数值模拟研究

利用一次较成功地模拟了“９７．１２”青藏高原东南部暴雪过程的ＭＭ５中尺度模式输出资料， 用非纬向非平行基流中的对称不稳定模式， 对“９７．１２”暴雪发生发展过程的动力学机制进行了三维基流中二维非线性对称不稳定数值模拟试验。结果表明： ％ψ场和ｗ％场的三维配置在降雪发生前和发生初期与暴雪带基本一致， 说明非线性对称不稳定是这次高原暴雪启动的一种动力学机制。

1992年Andrew飓风眼壁区倾斜上升运动发展的可能机制──非线性对流对称不稳定

在１９９２年Ａｎｄｒｅｗ飓风数值试验输出高分辨资料的中尺度扰动结构分析基础上，对眼壁区倾斜上升运动进行了动力分析，指出存在一种非线性对流－对称不稳定的发展机理。梯度风不平衡是涡旋大气中提供对称不稳定的物理基础，并用模式资料诊断研究了倾斜上升气流存在的这种发展机理的可能。

对称不稳定理论的天气分析与预报应用研究进展

锋面降水、暴雨、暴雪、台风、飑线和爆发性气旋等灾害性天气的预报预警和倾斜对流发生发展机理的研究密切相关.在此研究领域,近年来国际间逐步发展起来的对称不稳定理论正在引起国内外气象学者的广泛关注.本文在介绍了对称不稳定理论的概念、天气学特征及计算分析方法的基础上,综述了国内外关于对称不稳定理论的研究和应用进展情况,提出了引起带状云和降水的倾斜对流发生发展机理和对称不稳定理论相关联的研究进展和存在问题.

一次罕见的山东暴雪天气的对称不稳定分析

采用对称不稳定判据 ,对发生在 2 0 0 1年 1月 6～ 7日的一次罕见的山东暴雪天气过程进行了分析 ,结果表明 :暴雪产生在对称不稳定大气中 ,低空急流促使对流层低层暖湿气流辐合上升 ,触发对称不稳定能量释放 ,产生暴雪天气。江淮气旋和暴雪区有向对称不稳定区移动的趋势。

“96.1”高原暴雪过程三维条件性对称不稳定的数值研究

利用“96 .1”青藏高原东北部暴雪过程的较成功的中尺度模拟的输出资料 ,用非纬向非平行基流中的对称不稳定模式 ,对“96 .1”暴雪发生发展过程的动力学机制进行了三维基流中二维非线性对称不稳定数值模拟试验。结果表明 ,ψ场和w场的三维配置与切变线的演变过程相当一致 ,说明用三维基流中二维非线性对称不稳定可能能较好地描述SI在切变线东伸南移过程中所起的作用。

“96.1”高原暴雪过程湿对称不稳定的数值研究

利用一次较成功地模拟了“96 .1”青藏高原东北部暴雪过程的MM4中尺度模式输出资料 ,根据条件对称不稳定 (CSI)的非线性理论判据对这次暴雪过程进行了诊断 ,结果表明 ,CSI是“96 .1”暴雪发生和发展的一种动力机制。在诊断的基础上 ,用非线性对称不稳定和非纬向非平行基流对称不稳定模式对“96 .1”暴雪发生发展过程的动力学机制进行了数值试验 ,结果指出 :用两种方法进行数值模拟时 ,都会出现对称环流 ,不仅Ψ′场和w′场彼此协调 ,而且与观测分析的结果大体一致 ,进一步揭示了对称不稳定确实是这次暴雪发生发展的一个动力学机制 ,尽管非线性模拟中的上升支位置在移动过程中落后于切变线的位置。

一次江淮暴雨的MPV及对称不稳定研究

根据湿位涡（MPV）理论分析了1991年7月5～6目的暴雨过程中700hP高度上的湿位涡垂直部分MPV1和水平部分MPV2。结果显示，MPV1和MPV2的分布特征同对流层低层造成暴雨的天气系统──中尺度气旋的发展演变有很好的对应关系；MPV1＞0，MPV2＜0且｜DMPV1｜≥｜DMPV2｜的环境大气有利于对称不稳定出现；计算表明，这次过程的对流层中低层确有对称不稳定区域存在，它对暴雨及其系统的发展起了重要作用。

一次四川暴雨过程的非线性对流-对称不稳定分析

以NCEP/NCAR再分析资料和区域加密观测资料为背景场对2004年9月3—5日四川省一次特大致洪暴雨过程进行数值试验。在对降水模拟有较好结果的基础上,用模式大气资料分析了暴雨过程的非线性对流—对称不稳定,结果表明,近地面层条件性不稳定和地形强迫的共同作用触发了对流,而中高层的条件性对称不稳定促进对流的进一步发展,由此引发的深厚湿对流形成了持续大暴雨。

副高外围对流雨带中的对流-对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压（简称副高）西北外围对流雨带的云图特征进行了分析，利用WRF3-3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟，在模拟较成功的基础上，利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明：副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成，单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系，东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层（700hPa以下）的对称不稳定区，700～500hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展，700~500hPa的对流不稳定度明显减弱，而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区，中高层为垂直上升区，左侧对应下沉气流，呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征，体现了对流-对称不稳定的作用。对流层低层（750hPa以下）锋生的存在提供了对流一对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500-800hPa等厚度线基本平行，而与500hPa等高线存在明显的交角，雨带中的对流单体随环境气流移动，雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。

对称不稳定对梅雨锋暴雨影响的数值模拟

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,在引入MM5模式后,对1999年6月发生在长江流域的一次大尺度带状强降水过程进行了数值模拟及敏感性试验。结果表明:在模式中引入倾斜对流参数化方案,可有效改进模式模拟的降水强度和位置,加快形成锋面附近的垂直环流并使之得到增强,模拟结果更接近实况。同时也表明,在模拟和预报具有对称不稳定的天气系统时,在模式中考虑倾斜对流参数化方案是必要的。

圆形涡旋中的惯性重力内波不稳定和对称不稳定

用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似下的轴对称径向二维柱坐标系中的线性扰动方程组，讨论了圆形大气涡旋系统中扰动的惯性重力不稳定和对称不稳定。在环境为正压情形时，惯性重力内波不稳定的条件为（μｊ／Ｒ０）２Ｎ２＋ｎ２Ｆ２＜０；当环境为斜压时，具有平行型扰动特征的惯性重力波发展的条件为Ｒｉ＜１－［（３／２）＋ｍ］－２，此时表现为对称不稳定。可见，惯性重力内波不稳定和对称不稳定都可作为台风、气旋一类圆形涡旋中扰动形成和发展的机制。

中尺度对称不稳定的诊断应用

通过个例诊断分析，讨论了黄土高原上暴雨的对称不稳定性及其判据的分布特征，结果表明对称不稳定层结在此类天气过程中具有重要作用。计算表明，暴雨区的判据值是小于零的。

“93.5”黑风暴的对称不稳定诊断分析

利用一次较好地模拟了“９３．５”黑风暴的ＭＭ４中尺度模式三个时次的输出资料，应用线性和非线性对称不稳定的判据对这次强沙尘暴天气过程进行诊断分析。结果表明，线性理论判据中的湿对称不稳定为这次过程的一种可能机制。非线性理论的分析结果表明，这次飑线过程不但与条件对称不稳定和尖点突变有关，且其移速较线性理论更符合实际过程。

一次梅雨期苏北大暴雨的时空结构及其非线性亚临界对称不稳定

利用WRF V2.2模式对2006年6月30日00时—7月1日12时（世界时）江苏宝应地区的大暴雨过程进行数值模拟,并利用从模拟结果提取出的环境风场和中尺度扰动风场对此次大暴雨过程的时空结构,尤其是风场的垂直切变和非线性亚临界对称稳定性进行分析,结果表明：整层大气平均风垂直切变矢量转为西南偏西风后其南风分量随时间增大到最大值,对暴雨的发生有提前5-4 h的指示意义,相应时刻绝对水平螺旋度亦达到极值;暴雨发生前3 h首次出现强烈的整层垂直上升气流,预示大暴雨发生;在暴雨发生前9 h,高层200 hPa涡度、散度两波呈π/2位相差,对应强烈地转不平衡重力波,随时间向下传播,至暴雨发生前3 h下传到800 hPa;中尺度扰动风场的加强与降水的加强关系密切,在暴雨发生前3 h,出现中尺度非线性亚临界对称不稳定,激发暴雨发生,并对大暴雨的发生有重要的指示意义。

对流对称不稳定的发展演变和环流特征

利用1999年6月一次典型梅雨锋暴雨过程和敏感性试验的数值模拟结果分析了对流对称不稳定的发展演变和环流特征。结果表明:条件对称不稳定是大气稳定状态和条件不稳定状态之间的中间纽带,大气由稳定向不稳定或者由不稳定向稳定的演变均通过条件对称不稳定来实现;对流对称不稳定环流的形成与不稳定层的配置有关,当低层为条件不稳定而高层叠加深厚的条件对称不稳定时,对流对称不稳定环流低层出现垂直上升气流,高层出现范围较广的倾斜上升气流,对称不稳定能量释放产生中尺度云带。当低层和高层出现条件不稳定,中间呈条件对称不稳定或弱稳定度层结时,从低层到高层出现较深厚的垂直上升气流,湿重力不稳定能量的释放导致了云带的形成。

条件性对称不稳定与梅雨锋暴雨

通过江淮地区一次梅雨期暴雨的诊断分析,探讨了梅雨锋暴雨的一种可能机制。指出条件性对称不稳定或等M面上的位势不稳定、锋生次级环流以及次天气尺度气旋的发展是形成暴雨的重要因子。