中尺度暴雨过程中地形抬升作用分析

利用精细的地形数据、自动气象站和局地同化资料,对湖北2008年汛期10次暴雨过程中的地形抬升作用进行了统计分析。结果表明,地形抬升对暴雨的作用十分重要,一方面可使湿空气的凝结加强,降水强度加大;另一方面,在有利的大尺度环流背景下,可成为不稳定能量释放的触发机制,激发中尺度暴雨。同时指出,在这10次暴雨过程中并非每个出现暴雨的站点都有地形抬升作用,地形抬升只是其触发和增强的充分条件,而非必要条件。但在有利的大尺度环流背景下,地形抬升作用与多种中尺度特征物理量场的友好搭配是强降水短时临近预报的途径之一。

青藏高原西北缘地形抬升速率与地质年代的关系

基于数字高程模型数据和地质数据,首先对青藏高原西北缘西昆仑山脉的山脊线和山麓线进行地形剖面及其地面组成物质形成的地质年代分析,据此获取了从西北到东南的5座典型山峰:昆盖山、慕士塔格山、塔什库祖克山、慕士山和托库孜达坂山的相关数据;然后以公格尔山为例,探讨了山峰区域典型地形剖面线的获取方法;最后对5座山峰进行了典型地形剖面获取及其对应山体组成物质形成的地质年代分析,计算了每座山峰在不同地质年代的组成物质下的地形抬升速率。研究结果表明:西昆仑山脉从西北到东南的5座典型山峰,地形抬升速率在两端较大,中间部位则相对较小,在塔什库祖克山最小,呈近似"V"形;从西北部的昆盖山到东南部的托库孜达坂山,山体组成物质形成的地质年代数量为3-4-5-4-3,呈现先增多后减少的变化趋势,呈"Λ"形;因此,地形抬升速率与地质年代数量之间呈现负相关的关系。

地形影响下海河流域北系强降水成因分析

利用区域自动站观测和NCAR/NCEP 1°×1°再分析资料,对比2012-2014年海河流域北系4次强降水过程成因,重点分析地形对强降水过程的影响。分析结果表明,4次强降水过程均属于低槽类暴雨,高空槽是影响流域北系强降水的主要影响系统,副热带高压、低层辐合系统对暴雨强度、位置及持续时间存在明显影响。此外,除能量及水汽的积聚外,地形对海河流域北系降水强度有明显增幅作用。风场与地形相配合的地形抬升是降雨增幅的动力因子。在水平方向上,呈"V"形分布的上升运动区,对应燕山山脉迎风坡坡度较大地区;在垂直方向上,地形强迫引起的低层上升运动中心与天气系统抬升引起的中高层上升运动中心逐渐合并加强。地形阻挡导致的水汽通量辐合也是迎风坡降雨增幅的重要因子,低层地形引起的水汽辐合明显强于中层天气系统引起的水汽辐合。

六盘山地区大气水汽的时空差异与驱动因子分析

为有效开发六盘山地区空中云水资源,提高人工增雨的科学性,需掌握该区域大气水汽的时空分布特征及其原因。利用1989—2018年六盘山地区国家基本站降水观测资料和同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),分析该区域大气可降水量、比湿、相对湿度、水汽通量等大气水汽要素的时空变化,并从水汽输送、地形作用、浮力频率的影响等方面分析六盘山不同地区水汽条件及降水差异的原因。结果表明:一年中绝大多数时间六盘山山顶及东坡大气水汽条件均优于西坡,大值区主要集中在六盘山系主峰附近,并具有明显的季节变化特征。六盘山东坡,受地形抬升作用引起500 hPa辐散、700 hPa辐合的动力场,在夏季最明显,冬季最弱;浮力频率冬季最高,夏季最低;东坡更高的浮力频率及更陡峭的地形,使重力波效应更为明显,具备更有利的垂直上升扩散条件及更大的降水潜力。

“7·12”红安特大暴雨地形作用及雷达回波分析

利用GFS0.5°×0.5°再分析资料以及卫星、多普勒雷达等观测资料,对2012年7月12日红安特大暴雨过程进行分析。结果表明,大别山复杂地形对降水有显著增幅作用,地形影响气流理论很好地解释了此次特大暴雨降水分布,大别山地形迫使西南气流抬升,"指状云团"在大别山迎风坡不断生成,有效地促成后向传播系统,延长了强降水的时间;雷达径向速度场的变化表明,大别山与桐柏山中间的冷暖空气通道对中尺度系统的形成和发展起了重要的作用;雷达回波特征分析表明,0℃层以下>45 dBz回波垂直伸展厚度、垂直液态含水量(VIL)大小与雨强有非常好的一致性。

风洞试验与数值模拟方法微地形风场研究

大风通过微地形区域时,风速和风向均会发生较大的变化,对送电线路的安全造成影响。微地形风速修正系数的确定向来是难题,修正系数偏小会造成断线、倒塔等事故,偏大不利于线路的经济性。本文选取典型微地形中的抬升地形,使用风洞试验和数值模拟两种方法分析风速变化规律,比较两种方法模拟结果的异同,验证数值模拟方法的可靠性。

定量研究雅安地形坡向坡度对降水分布的影响

利用四川省雅安市30m分辨率基础高程数据,提取栅格的坡向和坡度参数,将雅安307个区域自动站在2017年汛期(6—9月)共50次的降水天气个例,分为16次大尺度降水和34次中小尺度降水,使用对应时次的欧洲中心细网格0.25°×0.25°再分析风场资料,根据不同的站点地形高度将风场合成平均风场,和各站点地形的坡向和坡度计算出其动力抬升作用,同时使用当天日照和天文太阳辐射值来计算地形的热力抬升作用,与对应降水过程的降水分布进行多元线性回归,根据回归的标准系数的大小确定各自变量对降水分布的影响,得出以下结论:(1)中小尺度降水中,地形的热力抬升作用对降水分布的影响作用最大,其次是海拔高度,地形的动力抬升作用在三者中对降水分布的影响最小;(2)在大尺度降水中刚好相反,地形的动力抬升对降水的分布影响作用最大,海拔次之,热力抬升作用在三者中影响作用最小;(3)日降水量最大值的站点海拔高度基本位于1000m左右,与抬升凝结高度对应较好;(4)从长期的统计来看,地形的动力作用和地表的植被情况对降水分布的影响最大。在实际预报工作用,根据不同的降水类型,关注不同的动力和热力作用对于判断降水分布大值区的位置有较好的参考作用。

崇礼赛区地形影响降水特征分析

利用崇礼赛区4个气象观测站点地面气象资料、微波辐射计资料、NCEP再分析资料和赛区地形资料等,分析了赛区地形对降水的影响。结果表明,引起崇礼赛区降水的天气类型有低涡型、低槽冷锋型和西北气流型;降水次数、总降水量、降水增加率和小时最大降水量均随海拔高度升高而增加;西北气流型降水地形抬升能力最强为23.9%,低涡型降水量地形抬升能力最弱为6.5%;云顶3号站在低涡型和西北气流型中地形抬升能力强于越野3号站,西南气流型两者相近;地形抬升降水量云顶3号站均大于越野3号站。

黄山地区短时强降雨的地形增幅机制

应用黄山地区191个地面自动观测站资料,统计分析了201 5年发生在黄山地区短时强降雨时空分布。统计发现:发生短时强降雨过程次数在午后及傍晚(14和18时)时段中明显增多;黄山山脉及其附近是短时强降雨多发生的中心地带,发生短时强降雨次数分布与山脉形态一致、和地形高度相关,短时强降雨与地形关系密切。分别利用三个典型个例分析了山脉地形动力阻拦和热力对短时强降雨的增幅作用,结果表明:(1)山脉地形迎风坡处因地形抬升速度与地面辐合线相配合降雨增强,水汽收支方法诊断计算降雨增量可达6成;(2)锋面过境山脉时垂直扰动增强水平位温梯度增大锋生,在背风坡处地面涡度、上升运动增强,导致降水增幅;(3)山脉西南区域因地面感热通量差异形成热低压,在该区域增暖增湿,大气不稳定增强,受冷平流影响形成强对流天气,导致山区降水增幅。

黄山山脉地形对暴雨降水增幅条件研究

利用103个自动气象站、6个人工观测站资料和5km×5km局地分析预报系统LAPS资料,分析了黄山山脉的日雨量和短时雨量极值分布,发现日雨量极值分布与地形关系密切。运用凝结函数、水汽收支和增幅系数方法诊断并计算了暴雨的地形增量,结果表明,降水系统经过黄山山脉时,扰动加强是降雨增幅的主要原因。扰动风场辐合与地形高度有利配合形成的地形抬升速度是降雨增幅的主要动力因子,地形抬升导致的水汽垂直通量和水平通量辐合是降雨增幅的直接原因。

夏季北京地区强地形雨中尺度结构分析

利用卫星、雷达资料,分析了2002年6月24日北京地区大暴雨的降水云团演变特征,结果表明:中α尺度对流系统减弱过程中经历了中β尺度云团的发展过程,中β尺度对流云团是北京西部局地暴雨的影响系统;在观测分析的基础上进行了数值模拟分析:低层东风气流向西移动遇太行山东坡辐合抬升,黄土高原低层偏西风向东移动,受太行山脉强迫倾斜上升,与太行山东坡的地形抬升叠加,在太行山及其东坡产生强烈的上升运动,并形成垂直次级环流圈,同时,低层的偏南气流在燕山南坡上升,而冷空气偏北气流在燕山南坡半山腰下沉,该次级环流圈是北京西部山区强降水产生和维持的主要物理机制。

锦州地区复杂地形下暴雨发生发展特点

通过整理2003—2016年锦州地区不同地形下的暴雨资料,对锦州市复杂地形下暴雨发生发展特点进行系统分析。结果表明:台风倒槽对沿海地区暴雨发生具有重大影响;医巫闾山与松岭山脉的地形抬升作用对东西部山区暴雨发生发展起到了增幅的作用;当底层风为偏东风,西部丘陵地区有风向辐合时,会导致东部平原地区发生暴雨。

上升运动在暴雨宏观物理条件中的作用

暴雨过程的发生要同时满足两个最基本的物理条件:一是有较长的持续时间;二是强烈的上升运动;三是有充沛的水汽。暴雨是多种尺度的天气系统(行星尺度,天气尺度,次天气尺度,中尺度,小尺度)及高低层、上下游、中低纬天气系统相互作用形成的,持续的强烈上升运动与各种尺度的天气系统及高低层天气系统的相互配置密切相关。从天气学角度认为它的形成原因如下:(1)不同尺度系统的叠加作用;(2)上下层系统的叠置作用。(3)下游系统的阻塞作用。(4)地形的强迫抬升作用。

汕头地区地形对强对流天气的影响探讨

本文利用汕头地区详细的地形资料对地形的强迫抬升作了定量的计算，并将计算结果应用于１９９６－１９９８年对强对流天气过程分析，得到了一些有意义的结果和预报线索。为在强对流短时定量客观业务预报中考虑地形对强对流天气的影响提供了新的途径。

青岛机场一次台风外围暴雨天气分析

利用多普勒雷达资料、葵花8卫星云图、常规观测资料和自动站数据,分析了2020年8月25—26日处于台风外围的青岛机场出现的一次大暴雨天气过程。发现台风外围环流背景是青岛机场出现此次暴雨天气的主要因素。虽然台风外围环流带来的暖湿空气和冷空气交汇于山东中部地区,形成大范围长时间的主雨带,但青岛地区受台风倒槽的影响,持续有对流云团生成,并且在向西北方向移动的过程中加强发展。由于青岛崂山山区地形造成的迎风坡效应,同时26日青岛地区水汽条件较好,尤其是水汽通量散度达到-26 g/(cm2·hPa·s)有利于青岛地区出现持续性的强降水天气,使得包括青岛机场在内的青岛城阳区和即墨区局地出现大暴雨,甚至特大暴雨天气。

目击:暴雨侵袭后的京津冀

7月28日,今年第5号台风“杜苏芮”登陆福建。随后继续北上,直逼京津冀。在华北北部“高压坝”拦截和山脉地形抬升等共同作用下,7月29日至8月1日,京津冀地区出现一轮极端暴雨过程。气象部门将这轮暴雨的极端程度总结为:累计雨量大、持续时间长、影响范围广。区域降水强度更是超过华北历史上三次极端暴雨(1996年“96·8”、2012年“7·21”和2016年7月18日至20日),为历史罕见。

一次突发性暴雨的机理分析及短期预报思考

2015年9月4日白天,天津出现突发性暴雨过程,利用多种观测资料对此次过程进行分析,结果表明:偏南气流与高压底部东北风相遇,在蓟州山区以南形成辐合,触发雷暴发展;雷暴形成后,回波形成"后向传播"机制,配合中低空的南风脉动,在天津北部形成南北向的"列车效应",导致北部强降水的发生;上游的高空槽降水在近地面形成冷池,其向东辐散气流与偏东风相遇,在降水区下游触发新的雷暴,使得雨带快速东移,且当辐散气流与偏东风相遇后,出现小尺度辐合性气旋式环流,导致下游强降水增幅;当高空槽降水云团主体移过城区后,在γ中尺度辐合流场作用下,触发小尺度对流云团的生成和发展,影响天津城区再次出现强降水。在短期预报过程中,预报员在大尺度模式环境场分析的基础上,对于中尺度模式仅参考了其降水预报,而忽略了对中尺度环境场的分析,分析表明,虽然中尺度模式对此次过程的降水时段预报存在偏差,但其中尺度环境场预报,可以为此次暴雨过程在短期时效内(24h)的预报订正提供参考。

“21·7”河南极端强降水特征及环流异常性分析

基于国家自动站及区域自动站降水观测资料、欧洲中心大气再分析资料(ERA5)分析了河南“21·7”过程的降水特征及环流和物理量的异常性,并对比1981年以来郑州和鹤壁50 mm以上强降水过程的物理量特征。结果表明:1)“21·7”强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性,过程累计降水量超过400 mm的站点集中分布在太行山东麓沿山地区和伏牛山东侧迎风坡一侧,与地形关系十分密切。2)南亚高压增强东伸,副热带高压异常偏强偏北,低纬度地区活跃的低值系统等大气环流异常,导致了水汽稳定持久向河南输送,太行山和伏牛山沿山一带水汽辐合偏离气候态最强超过-10σ,表现出显著极端性。3)“21·7”过程中,动力条件的异常特征十分显著,200 hPa的辐散中心分别位于伏牛山和太行山东麓沿山一带,相较历史气候态偏离度达到2σ~5σ;伏牛山沿山一带850 hPa涡度偏离气候态程度较太行山东麓一带更大,达6σ;而700 hPa上升运动则是太行山东麓一带极端性更强,标准差达-3σ~-5σ。4)与1981年以来同区域暴雨过程相比,“21·7”过程中,850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的标准差为历次过程最大(最小)或次大(次小)者,对暴雨极端性有指示意义,地形附近历次暴雨过程物理量统计显示,伏牛山和太行山东麓的850 hPa辐合及700 hPa垂直速度平均偏离气候态超过3σ(-3σ),且偏离程度与日雨量呈正相关。

一次春季冰雹过程的成因分析

从不稳定条件、水汽条件、抬升触发条件出发,利用高时空分辨率的LAPS局地再分析系统资料和地面加密自动站信息,对2009年4月15日湖北省西部大范围降雹过程进行了分析。结果显示:当高层有干冷空气,低层暖湿气流发展,垂直温度递减率明显增大,配合对流层低层切变带来的动力抬升作用,易形成降雹;冰雹天气主要不稳定能量来源于地面到对流层低层,地面干线(露点不连续线)及锋面是不稳定能量释放的主要触发条件;冰雹落区主要位于对流层低层及地面高能区重合区域,且易发生在靠近露点及温度的不连续线一侧;垂直风切变越大,越有利于产生尺寸较大的冰雹。

一次局地大暴雨过程中两个不同MCS成因分析

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、雷达资料、湖北地形资料及NCEP、ECMWF再分析资料,针对一次数值模式漏报的局地大暴雨过程进行分析,结果表明:高空槽前,低层切变线北侧,地面弱冷空气侵入暖倒槽是本次过程的大尺度天气背景。边界层强辐合中心和订正后高对流有效位能在预报中值得关注。两个大暴雨中心分别由两个不同的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)造成的,其演变形式和加强维持机制明显不同。松滋地区MCS受阵风锋触发,加强于边界层强辐合中心附近,在局地锋生作用下演变为中尺度涡旋结构,雷达上表现为人字形回波形态,大暴雨中心位于人字形回波交点处,50 mm/h雨强维持3 h。长阳地区MCS在边界层辐合区边缘,受边界层辐合气流触发,由加强的偏东气流在迎风坡上产生较强的地形强迫抬升而增强,最大雨强达102 mm/h。