江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

梅雨期持续性暴雨过程云—辐射—降水的关系

本文利用站点观测数据以及ERA5再分析资料分析了2006—2020年14次长江中下游地区梅雨期持续性暴雨的基本特征以及过程中云—辐射—降水的关系。结果表明,在梅雨期持续性暴雨过程中,降水呈纬向分布;云量分布随高度向南倾斜,中云分布与降水分布对应良好,高云分布在降水区南侧;降水发生时,梅雨锋北侧中低云增加,南侧高云增加,北侧中低云辐射降温以及南侧高云温室效应和暖平流共同作用造成梅雨锋两侧温差增大,锋面加强使得持续性暴雨得以维持。

“20·6”广西持续性暴雨过程异常气候特征分析

利用广西91个地面气象观测站逐日降水资料以及NECP/NCAR高度场的再分析资料,对“20·6”广西持续性暴雨过程异常特征进行分析。结果表明:(1)欧亚中高纬呈“两槽一脊”环流形势,东亚大槽加深,冷空气南下活跃,有利于广西东北部强降水发生和维持。(2)南海夏季风爆发偏早,南海夏季风活跃,打通来自印度洋和南海水汽通道。(3)副热带高压位置偏北、西脊点位置偏西,来自副热带高压南侧的东风气流与孟加拉湾西南暖湿气流汇合,有利于强降水发生和维持。(4)此次过程前期热带大气低频振荡对流抑制带有明显向东移动,并稳定维持在西太平洋,热带大气低频振荡对流带活跃于印度洋,为广西暴雨发生带来丰富的水汽。以上条件有利于广西持续性暴雨过程的发展和维持。

10—20d和30—60d低频振荡对华南前汛期持续性暴雨的影响差异及机制研究

利用中国气象局发布的《区域性重要过程检测和评价业务规定》中对省级区域性暴雨过程的统计数据,NOAA气候预测中心降水、向外长波辐射(OLR)资料以及ERA-Interim再分析资料,探讨了10—20 d和30—60 d两类低频振荡对华南前汛期持续性暴雨的相对重要性,并基于尺度分离的水汽方程和垂直速度方程诊断了相关物理机制。结果表明,10—20 d准双周振荡对暴雨强度的影响较为显著,而30—60 d季节内振荡与暴雨持续时间相关较高,表明持续性暴雨事件与低频降水的发生和演变关系密切。通过对低频降水的热力和动力过程诊断,发现10—20 d低频降水的水汽来源主要为水汽平流过程,而导致水汽平流正距平的主要原因是10—20 d风场和背景水汽场的相互作用;而对于30—60 d低频降水而言,水汽平流和水汽辐合均为扰动水汽的累积做正贡献,但其中水汽平流更加重要,其主要来源于平均风场和30—60 d水汽场的相互作用。有利于两类低频降水发生的动力条件,即垂直上升运动,其主要源于平均风场和扰动涡度场相互作用引发的垂直涡度平流梯度。以上结果显示,提高模式中低频振荡与季节平均状态尺度相互作用的刻画能力,是改进预报持续性暴雨的关键。

2023年6月22—25日广西持续性暴雨成因及数值预报效果分析

利用常规气象观测资料、ERA5再分析资料和ECMWF、CMA模式预报产品,分析2023年6月22—25日广西持续性暴雨过程系统演变特征和物理量特征,评估分析数值模式预报效果。结果表明,稳定的大气环流背景为持续性暴雨提供有利的形势条件,高、中、低层中尺度天气系统相互耦合影响,为暴雨天气过程提供有利的动力条件;深厚的水汽条件和充足的大气不稳定能量为暴雨天气的出现提供有利的大气环境条件,西南季风稳定维持并在夜间加强为暴雨区持续补充水汽和不稳定能量,并且西南风急流和环境动力条件配置的变化特征与降水强度特征变化相一致。预报业务中可以综合利用大尺度数值模式的强降雨落区预报和中尺度数值模式的降雨量级预报结果,对暴雨预报进行综合订正。

2022年7月18—20日贵州持续性暴雨天气过程分析

利用FNL 1°×1°再分析资料、FY-2H卫星TBB资料及常规气象观测资料,对2022年7月18—20日发生在贵州的一次持续性暴雨天气过程进行分析。结果表明:西太平洋副热带高压的西脊点在112°~116°E之间稳定维持,对850 hPa切变线的南压有阻碍作用,造成中尺度对流系统MCS在切变线附近发展增强,从而形成了此次持续性暴雨天气;强降水区上空700 hPa比湿≥11 g·kg^(-1),850 hPa比湿≥16 g·kg^(-1),且850 hPa水汽通量散度达-7×10^(-5)g·hPa^(-1)·cm^(-2)·s^(-1)以上,从近地面到300 hPa为一致的上升运动,其中心值达-1 Pa·s^(-1),近地面有高能舌存在,其中心值达360 K,同时低层暖平流和中层冷平流的共同作用降低了层结稳定度,为能量和潜热的释放提供了有利条件,进而增强了上升运动;在强降水发生的第Ⅰ阶段MCS呈团状结构,其大范围的云顶亮温TBB<-70℃,表明云体内上升运动发展强烈,是造成第Ⅰ阶段降水强度大的主要原因,当中α尺度对流云团分裂为多个中β尺度时,降水强度达到最强;第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段的MCS呈带状结构,其TBB<-70℃的范围较小,且产生暴雨的区域内TBB大多在-60℃左右,表明此阶段云体内的上升运动强度小于第Ⅰ阶段,降水强度远弱于第Ⅰ阶段,但由于云带在贵州中部一带稳定维持超过14 h,是造成第Ⅲ阶段暴雨影响区域最广,累积降水量最大的重要原因。

多源观测数据逐半小时同化对一次区域持续性暴雨的敏感性试验

利用基于WRF模式(Weather Research and Forecasting model)的逐半小时快速更新预报系统,对2020年8月13—14日鲁南一次区域持续性特大暴雨过程进行逐小时同化和逐半小时同化敏感性试验,以探讨高频资料同化应用问题,其中,逐半小时同化敏感性试验方案包括在半点同时同化地面自动气象站(AWS)观测资料和飞机报(AMDAR)资料及分别“拒绝”其中一种同化资料共三种方案。结果发现:半点同时同化AWS资料和AMDAR资料的试验对此次持续性暴雨24 h累计降水和短时强降水预报较逐时同化试验有显著改进作用,说明提高同化频次以提高高频资料的利用率对数值预报有正效果;在半点增加高频资料同化过程中,同时同化AWS资料和AMDAR资料的试验,均比“拒绝”其中一种同化资料的试验准确;“拒绝”同化AMDAR资料的试验比“拒绝”同化AWS资料的试验预报效果差,说明半小时同化试验中AMDAR资料同化起到了更为重要的作用;快速更新循环同化对初始场的改善是一个逐步调整的过程,不同同化资料和频次的试验对分析场的影响各有不同,同时同化AWS资料和AMDAR资料的半小时同化试验初始场与实况最接近;不同同化方案地面要素场高温高湿区相对辐合线的位置不同和高空冷暖空气强弱及配置不同,造成飑线系统的运动方向不同,是导致各试验区域持续性降水落区存在较大差异的主要原因;而飑线系统位置的差异导致其与西南暖湿气流中的新生系统结合程度不同,造成了未来降水强弱的差异。

湖南6月区域持续性暴雨概率预报模型及应用

利用1979—2016年6月EAR5再分析资料,选取湿热力平流参数、热力螺旋度、散度通量、水汽散度通量和热力波作用密度5个综合因子,采用核密度估计方法,基于TS评分最优为检验标准筛选确立最优因子和权重组合,构建了湖南区域持续性暴雨概率预报模型,并进行了独立样本检验与业务试用。结果表明:2017—2019年独立样本回代检验,平均TS评分达到29.9%,相比于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)细网格(平均TS评分为22.4%)为正技巧。在2021年、2022年汛期两次区域持续性暴雨个例的预报试验中,提前24 h的暴雨预报优于ECMWF、CMA-GFS等大尺度模式和CMA-SH、CMA-GD等区域中尺度模式,对湖南区域持续性暴雨有较强的预报能力。

广西一次持续性暴雨过程中低空急流的作用及其特征

2022年广西遭遇新中国成立以来最强“龙舟水”,其中6月17—22日的持续性暴雨过程累积雨量大、落区重叠,导致洪涝、山洪及滑坡等灾害。利用多源观测资料及欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料,分析了此次持续性暴雨过程中低空急流的影响及其特征,结果表明:(1)夜间低空急流明显增强,对流系统在急流核北侧发展,而日间随着低空急流减弱,对流系统也逐渐减弱,造成强降水主要集中于夜间。(2)夜间850 hPa低空急流左侧正涡度区与925 hPa边界层急流出口区在桂东北一带重合,配合桂北山脉地形阻挡形成深厚的低层辐合,有利于桂东北上升运动增强及对流系统不断发生发展。同时,大气低层对流不稳定迅速增大,为持续性暴雨提供了有利的不稳定层结环境。(3)低空急流的演变可用惯性振荡机制来解释。日间桂中至桂南地区地表被加热导致湍流摩擦逐渐增强,造成急流减速,具有次地转特征。夜间湍流摩擦作用减弱,急流加速并逐渐呈现出超地转特征。科氏力对非地转风的作用是造成急流动量增长的主要原因,而摩擦耗散、垂直输送等过程为急流动量汇。

四川盆地一次持续性暴雨的降雨特征和环流异常分析

利用四川盆地逐小时雨量资料和ERA5再分析资料,分析了2020年8月10~18日盆地西部持续性暴雨过程的降雨特征和大气环流异常情况。结果表明:本次持续性暴雨过程具有总量大、历时长、雨强强的特征,日雨量、小时雨量均表现出显著极端性,强降雨多发生在海拔从500 m陡升至2000 m的迎风坡一侧40 km范围内。偏东、偏强的南亚高压和偏西、偏强的副热带高压稳定少动,高空槽东移南压受阻挡后与高原槽叠加持续影响四川,为持续性暴雨提供了有利环流背景。孟加拉湾是水汽的主要来源地,持续且极端偏强的水汽供应为持续性暴雨的产生提供支持。过程前期大气层结处于对流不稳定状态,热力作用显著;过程中后期热力作用减弱,西南涡发展深厚,动力作用增强,涡度和散度特征较历史同期偏强,强的动力条件使暴雨得以持续。

“20.6”华南西部前汛期极端持续性暴雨特征与成因分析

2020年5月底至6月上旬广西出现了12天的严重致灾持续性暴雨过程,由于其形成的极端复杂性,有必要进行深度剖析,揭示其特征和成因。利用欧洲中期天气预报中心(EC)ERA50.25°×0.25°逐小时再分析及实况资料,对该次过程进行了多尺度综合分析。中期天气预报:(1)该次过程具有强降雨持续时间长、范围广、强度强、累积雨量大、多地24 h雨量破历史记录及灾情特别重等特点。(2)该次过程发生在中高纬度环流、副热带高压、孟加拉湾低槽、低空急流及南亚高压有利配置的环流背景下。南亚高压过渡层与副热带高压不形成稳定对峙,中高纬经向型环流重建向纬向型环流转换,冷空气影响华南地区具有波动式特点,造成冷锋、静止锋及暖区交替影响,从而形成局地性、区域性及全省性暴雨交替,具有与以往持续性暴雨明显不同的特点。(3)大气聚积较大能量,锋面和暖区暴雨前聚积巨大能量,能量聚积及有效释放与最大小时降雨量成正相关。低层大气高温高湿且整层大气湿层深厚及较小的CIN和较低的TCL_P有利于能量的积聚和对流触发,暖区和静止锋暴雨具有更易于触发的环境条件。能量、动力及水汽辐合的极端性造成了降雨极端性。(4)锋面暴雨由地面中尺度锋区、切变线及地形触发,系统的合并及低空环境风场的增强,组织了对流发展。暖区暴雨由边界层急流轴左侧气旋性切变、低空急流出口辐合及地形抬升触发,急流的脉动增强组织对流发展。(5)锋面暴雨为移动性云带,暖区暴雨为少动性云团,云顶亮温越低,最大小时雨量越大,云顶亮温低于200 K可作为最大小时雨量大于50 mm/h判据,最大小时雨量出现在最低云顶亮温达最小值之后。强降雨开始于雷达RCS最大值≥45 dBZ,维持期间≥50 dBZ。锋面为高质心冷云回波,暖区为低质心暖云回波。(6)地形对暴雨触发和维持起重要作用,对暖区暴雨作用更明显。(7)观测与再分析资料对弱冷空气的渗透分析存在差异,前者更容易捕捉到对流触发。

贵州铜仁一次持续性暴雨水汽收支定量分析

基于混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(版本4)(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT4),利用降水观测数据、ERA5和NCEP GDAS(National Centers for Environmental Prediction,Global Data Assimilation System)再分析数据,分析2014年7月13—16日铜仁持续性暴雨过程的水汽输送、收支和各水汽源地的定量贡献。结果表明:(1)东伸的南亚高压和高低空急流的耦合作用增强了低层辐合、高层辐散的动力机制,利于水汽在目标区域辐合上升、凝结,形成降水。(2)500 hPa稳定控制贵州南部以南地区的副热带高压、短波槽和低纬印度半岛的热带气旋协同作用,建立明显的水汽输送通道,使海上的水汽源源不断地输送到暴雨区。(3)后向追踪120 h发现,暴雨区空气块主要来自阿拉伯海、孟加拉湾和南海,所处高度较低;少量空气块来自铜仁以北至欧亚大陆、大西洋,所处高度较高。(4)影响铜仁暴雨的水汽源地为铜仁以南-南海及附近岛屿和海域、印度半岛东部-孟加拉湾、阿拉伯海-印度半岛西部,水汽贡献率分别为48.29%、32.17%和10.47%,铜仁以北至欧亚大陆、大西洋的贡献率为9.07%。(5)850 hPa和700 hPa为主要的水汽输送层,为暴雨区贡献了近3/4的水汽,其余1/4水汽由500 hPa输送。

决策点生成策略探析——以持续性暴雨过程为例

基于2022年5月24日—6月20日福建省持续性极端暴雨过程,分析了长天气过程决策气象服务的特征,并对气象服务中决策点的生成策略进行了研究。结果表明,长天气过程决策气象服务影响要素多、动态属性显著、关键节点判断困难。借鉴军事概念“决策点”以定义决策气象服务过程中的关键节点,并在实际业务中梳理出时间和空间要素、突发状况、特殊需求和人为规则4个决策点的触发要素,引入控制规则“if-then”和模糊数学的方法推演出决策点的生成规则。基于触发要素的决策点具有可预测性和多分支生成的特点,长天气过程的决策气象服务策略应在过程开始前或过程初期尽可能全面地梳理出决策点并适当保留人为选择或调整的机会。进一步引入自然决策理论和案例推理方法,将决策点及其内容的匹配和补充纳入决策经验库,构建快速匹配的决策点生成策略,有利于实现更加科学高效的气象防灾减灾服务。

华南前汛期区域持续性暴雨的分布特征及分型

利用广东和广西两省共175个台站的日降水观测资料,采用计算机检索的方法,对1961-2005年间华南前汛期区域持续性暴雨进行了定义。对南海夏季风爆发前后区域持续性暴雨的气候分布特征的分析发现,季风爆发前持续性暴雨频数从60年代至今呈现出正态分布的年代际变化特征,而季风爆发后的区域持续性暴雨频数变化则几乎相反;广东省前汛期区域持续性暴雨降水明显比广西强。此外,通过EOF方法和相关分析得到了夏季风爆发前后出现频率较高的几种分布雨型,它们能较好地代表季风爆发前后华南降水分布的特点。

“05·6”华南持续性暴雨的成因分析

2005年6月华南出现大范围持续性暴雨过程,造成巨大损失。利用常规气象资料、卫星云图TBB资料及T213分析场资料,对此次持续性暴雨过程的成因进行了分析,结果发现:这次暴雨过程充足稳定的水汽主要源自印度洋,这与“94.6”等以往华南暴雨水汽主要来自于南海不同。高低空急流与切变线是这次强降雨过程的触发系统,低空急流输送了丰沛的暖湿空气,维持了低空对流不稳定形势。冷暖气流在切变线南侧、低空急流左侧交汇,产生强烈辐合上升运动,触发了强降水。对流云系上MCS的不断生消是造成强降雨持续的直接原因。本次过程存在一次高空急流的变化,高空由西北急流转为西南急流,切变线的变化趋势与这一变化过程相呼应;这一特征也是暴雨过程得以维持的重要原因。

基于概念模型及配料法的持续性暴雨短期预报技术探究

通过统计学、天气气候分析等方法,利用2000—2009年10年常规观测资料结合ECMWF 2.5°×2.5°初始场客观分析资料,对桂西北主汛期(5 8月)持续性暴雨进行分析得出:桂西北持续性暴雨的出现有明显的时间窗,主要发生在6-7月,重点在6月上旬;引起持续性暴雨的主要天气系统有高空槽、切变线、锋面、低空急流、副热带高压及台风减弱低压等;根据天气系统的相互配置可将持续性暴雨分为高空槽配合切变线或锋面型、副热带高压边缘配合深槽型、台风减弱低压型、中低空切变配合型4种天气模型,其中以台风减弱低压型的降雨强度最强、影响范围最广。基于概念模型和配料法,建立了各天气型的概念模型和特定阈值的决策树。基于ECMWF和T639产品,建立了预报准确率(TS)达10%以上的桂西北持续性暴雨过程24小时短期客观预报工具。

对流、湿度锋与低空急流的耦合——持续性暴雨维持的一种可能机制

根据暴雨发生和持续依赖于对流层低层水汽辐合的事实,重点针对持续性暴雨维持机制这一重要问题,从天气学和动力学方面分析了1989年7月9～10日四川盆地东部持续性暴雨维持机制。分析结果发现,大气运动非平衡强迫、凝结降水的非均匀分布与强烈垂直风切变的耦合作用、“湿度锋”与低空急流的耦合相互作用通过促进低空辐合流的维持,导致了对流云团和暴雨天气的持续。

广东前汛期持续性暴雨的变化特征及其环流形势

利用1961-2011年广东省86个测站地面观测逐日降水资料及1979-2011年NCEP-DOE第2套分析资料,提出了广东暴雨日的定义指标,分析了近51 a广东前汛期及其各月持续性暴雨的变化特征,进一步诊断了持续性暴雨过程的环流特征和水汽输送来源。结果表明,广东暴雨新指标避免了原指标定义存在的不合理情况和需要人工操作等问题,并且得到的广东暴雨日数及暴雨累积雨量的年际变化更能反映广东的旱涝情况。51 a平均前汛期持续性暴雨过程在4、5、6月分别占10%、29%和61%,20世纪60年代后期至80年代持续性暴雨多发生在5月,而60年代前中期、90年代至2011年持续性暴雨则主要在6月出现,这种年代际变化是由东亚地区中低纬度大气环流系统的变化所造成的。除了过去所认识的"三脊两槽"和"两脊一槽"两种类型天气形势外,广东前汛期持续性暴雨过程的500 hPa中高纬度环流还有一种"高纬阻塞-中纬平缓型"(称为Ⅲ型),Ⅲ型主要出现于6月,占6月持续性暴雨过程的22%,因此,这种环流类型的补充提出,将减少6月持续性暴雨过程的漏报现象。由于气候背景场各月有所不同,无论是三脊二槽型还是二脊一槽型,各区域槽(或脊)的相对强弱和形态也随月份有所不同,例如二脊一槽型,东北亚地区高压脊4、5、6月逐月加强向北扩展,贝加尔湖槽区逐月变宽,中低纬度阿拉伯海以东槽逐月向西移动,孟加拉湾槽、西太平洋副热带高压逐月加强。前汛期持续性暴雨过程的主要水汽来源随月份发生变化,4月热带西太平洋地区水汽来源贡献最大,5月孟加拉湾、西太平洋和中国南海的水汽都有贡献,而6月则主要来源于孟加拉湾的水汽输送。所有类型持续性暴雨过程,广东大部分地区都处于水汽通量辐合区,说明动力辐合作用和水汽来源是暴雨的必备条件,持续性暴雨是各类中高纬度环流型的稳定维持与来源于热带的水汽输送共同作用的结果。

四川盆地西部与东部持续性暴雨过程的对比分析

利用常规观测资料、风云卫星资料和NCEP再分析资料等,探讨了四川盆地的盆西暴雨个例(2013年7月)和盆东暴雨个例(2007年7月)发生的环流背景条件、冷空气和水汽来源、高原对流和西南涡的特征及差异。结果表明:盆西与盆东暴雨过程相比,盆西暴雨200 hPa急流位置更偏北,西风槽位置偏西,副热带高压的位置偏北、强度偏强,西南涡位置也较偏西南;盆西暴雨过程对流层中层有来自青藏高原以西的中亚地区和青藏高原西部的冷空气,低层水汽输送以来自孟加拉湾的西南气流为主,盆东暴雨过程对流层中层只在前期有来自中高纬度的冷空气,中后期在对流层中层无中高纬度地区冷空气影响,主要以来自孟加拉湾和青藏高原南侧的偏西气流为主,低层水汽输送以来自南海的东南气流为主;盆西和盆东暴雨过程的对流活动都有明显的日变化,对流下午在川西高原发展,后半夜至早晨在盆地发展,区别在于盆西暴雨过程有川西高原对流东移与盆地对流合并发展的过程,而盆东暴雨过程中川西高原对流在东移过程中减弱,无与盆东对流合并发展的过程。

1998年嫩江、松花江流域持续性暴雨的环流条件

利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料，分析了 １９９８年夏嫩江、松花江流域持续性暴雨的环流条件及其演变特征。造成１９９８年夏嫩江、松花江流域持续性暴雨的环流条件是：东亚高纬地区的阻塞形势和嫩江、松花江流域上空的低压系统及大的水汽辐合中心，这三个条件长时间的维持造成 １９９８年夏嫩江、松花江流域出现了持续性暴雨。东南风水汽输送通道对嫩江、松花江流域水汽通量辐合的加强有较大的贡献。研究指出：当一个移动性的高空短波槽缓慢地绕着长波脊或阻塞高压移动，尤其是当一个切断低压闯入阻塞高压或在阻塞高压南侧移动时，往往引起暴雨，这种低压系统很可能是暴雨的制造者。