两种温室气体排放情景下中国汛期江淮暴雨低涡特征研究

本文基于一个水平分辨率为50 km的区域气候模式Reg CM4(Regional Climate Model,version 4.0)的模拟与预估结果,对我国汛期江淮暴雨低涡在气候变化背景下的统计特征与合成结构进行分析,进一步对两种温室排放情景下未来中国汛期的江淮暴雨低涡特征进行预估。结果表明:Reg CM4模式对环境要素及低涡都具有一定的模拟能力,低涡的伸展高度、生命期及暴雨位置模拟结果与观测较为接近,但模拟的低涡个数、最大暖区高度以及温、湿要素分布均比实际略偏低,而风速和低涡的强度模拟则偏强;在未来两种温室排放情景预估方面,RCP4.5(Representative Concentration Pathways,简称RCP)典型浓度排放情景下,暴雨低涡数量比例减少,强度减弱,但低涡发展高度仍以850 h Pa为主,生命期多为2 d以内,低涡雨区分布及最大暖区高度均与历史时段相近;RCP8.5情景下,暴雨低涡比例明显大于RCP4.5情景,低涡发展高度以700 h Pa为主,生命期达3 d的增多,强度增强,最大暖区厚度范围显著伸展。两种情景下均有低涡中温度锋区减弱,而湿度锋区增强,但RCP8.5情景减弱与增强更显著,显示更高的温室气体排放将导致未来出现更强的暴雨低涡,造成伴随暴雨的低涡灾害性天气的增加,因此应进一步深化对低涡暴雨灾害性天气发展趋势的研究。

江淮暴雨低涡的演变特征分析及预估

利用欧洲中心ERA-interim再分析资料与区域气候模式RegCM4(Regional Climate Model,version 4.0)的模拟与预估结果,对当代(1995—2005年)气候背景下江淮暴雨低涡的时间变化进行对比分析,同时对未来(2020—2030年)2种温室排放情景下(RCP 4.5和RCP 8.5)典型的江淮暴雨低涡演变过程特征进行预估及对比。结果表明,未来2种情景下低涡移动路径相似,主要为东北路和东路;但移动速度略有差别,RCP 4.5情景下的低涡的初始移动缓慢,后期移速加快,而RCP 8.5情景下的低涡移动速度则较为均匀。RCP 4.5情景下的暴雨低涡强度缓慢增长,而RCP 8.5情景下的暴雨低涡个例低涡强度变化呈现的是平稳维持、增长、减弱维持3个阶段的变化趋势;就低涡暴雨过程中的降水量和降水范围来说,RCP 4.5情景下的低涡个例均明显小于RCP 8.5情景。研究结果显示更高的温室气体排放将导致未来出现更强的低涡暴雨,因此应进一步深化对低涡暴雨灾害性天气发展趋势的研究。

基于逻辑回归法的浙江省低涡型暴雨落区预报研究

大气低涡是造成我国南方地区暴雨洪涝的重要天气系统,大气低涡背景下的暴雨突发性、局地性强,其发生时间、强度和落区一直是气象预报业务的难点。为提高浙江省暴雨预报准确率,本文利用1979—2020年浙江省逐日格点降水观测数据和美国国家环境预测中心气候预测系统再分析数据集,首先分析了浙江省内近42 a由大气低涡造成的区域性暴雨事件(以下简称低涡型暴雨)的气候特征;然后将850 hPa垂直速度、水汽通量散度、速度散度、低空急流、切变线以及700 hPa垂直速度作为预报因子,基于“配料法”并结合逻辑回归方法构建了低涡型暴雨落区预报模型;最后基于该模型利用2021年欧洲中期天气预报中心预报产品进行暴雨落区预报,并使用同期实况降水进行了系统性检验和天气过程检验。结果表明,该模型总体性能较好,提前24 h和12 h时效的暴雨预报能力均有提升,可将12%的准确率和20%左右的命中率分别提升至14%和40%附近,漏报率从75%以上降至60%附近,但存在着一定程度的空报。

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。

河北夏季低涡暴雨的统计研究

对河北省22个国家基准站和基本站及北京、天津1991-2000年10年的夏季低涡暴雨个例进行了统计与合成分析,划分了河北夏季低涡暴雨的天气概念模型,对燕山南麓及太行山东麓的低涡暴雨特征进行了研究。对高空形势场、低空风场、暴雨落区及强度等方面的分析表明,造成该地区暴雨的低涡系统主要为西北涡,其次为东蒙冷涡,影响最小的是西南涡。西北涡主要影响太行山南部地区,东蒙冷涡主要影响燕山南麓,以7、8月份较多;西南涡暴雨仅发生在7月份。70%的西北涡暴雨,南方有台风或热带气旋出现。经向型西北涡的水汽源地主要是黄海和东海;纬向型西北涡和经向型东蒙冷涡的水汽源地主要是南海和孟加拉湾。500 hPa中纬度经向型的环流形势更有利于低涡暴雨的持续性,降雨强度也更大;暴雨区一般出现在700 hPa低涡暖切变附近,最大风速区的左侧。

西南低涡暴雨的边界层诊断分析

应用有限元方法，诊断分析了１９８２－１９８６年西南涡暴雨天气，重点是１９８３年５－９月四川６次西南涡暴雨天气的边界层动力特征。得到：行星边界层与西南涡暴雨具有密切关系；成都边界层东北风对应西南涡暴雨过程；边界层内正涡度、辐合、上升运动的出现、增强、减弱与西南涡暴雨的发生、发展、结束相联系；与青藏高原地形相关的边界层风场的动力作用，是西南涡暴雨产生的一个重要原因。

引发暴雨的低涡发生发展机制分析

应用位涡理论对2013年5月25-26日发生在我国中东部大范围的低涡暴雨过程进行分析,结果表明:位涡的引进可以追踪高层扰动,可以根据扰动位涡的变化来判断系统的发展,这为分析高层扰动提供了方便;高层位涡异常使其下方的气旋性涡度加强并向低层发展形成气旋性涡柱,涡柱移动到西南涡上空时使其东移发展,当气旋性环流作用到静止锋上锋生形成江淮气旋;西南涡发展与气旋的生成加剧了低层辐合而产生强降雨,强降雨出现在低层扰动湿位涡负中心移动方的前侧,负值越大降水越强,强降雨释放凝结潜热使位涡和气旋性涡柱爆发性增长。

山西一次低涡暴雨过程的成因分析

采用地面、高空常规观测资料和NCEP全球再分析资料(空间分辨率1°×1°),对2005年7月1日20时至2日20时(北京时)发生在山西的一次低涡暴雨过程从环流形势、物理量场方面进行了初步的分析,发现这次暴雨过程是受5OOhPa高空槽、副热带高压以及中尺度低涡等天气系统共同作用产生的。利用数值模拟输出的高时空分辨率资料探讨了此次暴雨过程的发生发展特征和机理,指出中低层中尺度涡旋是造成这次过程的主要天气系统,低涡的时空演变与暴雨中心的移动和雨强的变化有着较好的对应关系。湿位涡诊断表明:强降水发生时,暴雨区上空低层是不稳定区,湿位涡负中心出现在暴雨中心附近,且对流不稳定性远大于湿斜压性。地形的敏感试验进一步揭示了地形对暴雨的增幅作用。

西南低涡暴雨的中尺度特征

本文用综合方法,分析了对流层各层合成西南低涡所对应的大中尺度流场,并给出其物理图象。应用每小时雨强、雷达回波和卫星云图资料,揭露了西南低涡的某些中尺度特征。这对进一步了解西南低涡的形成、发展及其内部的结构是有用的。

青岛区域性低涡暴雨的气候特征及预报

对青岛1961～2002年的区域性暴雨个例(3个以上基本测站出现≥50mm降水)进行了分析,指出西南涡、西北涡以及切变涡是造成青岛区域性暴雨最主要的影响系统,其路径不同,所产生暴雨的区域及范围不同,急流的位置及动向和切变线位置是判断暴雨落区的重要因素。

一次低涡暴雨过程的诊断分析

利用FNL再分析资料和中尺度数值模式输出的高分辨率资料,分析了2016年6月30日~7月1日发生在重庆的一次低涡暴雨过程的环流背景、水汽输送特征和收支状况、云物理降水机制。结果表明:受500hPa短波槽和700hPa低涡共同影响,以及孟加拉湾和南海的暖湿气流持续输送,为此次低涡暴雨的发生、发展提供了有利的条件;南边界的水汽输入通量对整个暴雨过程中水汽的贡献最大,东边界次之。另外,降水发展不同区域不同时段,云物理降水机制都存在显著差异。渝西降水前期和后期,均为混合相降水;渝东北降水前期云系以冷云为主,后期以暖云降水为主。

西北涡暴雨的湿位涡诊断分析

利用常规的探空和地面观测资料、NCEP格点资料以及中尺度MM5模式,对2000年7月4～5日发生在华北南部的一次西北涡大暴雨过程的湿位涡场特征进行了诊断和分析.结果表明,中尺度低涡暴雨的发生发展与湿位涡的时空演变有很好的对应关系,湿位涡'正负区叠加'的配置是低涡暴雨发展的有利形势.强降雨区发生在对流层低层正压项的正值区南侧零线附近,斜压项的最大负值区对暴雨的落区和移动有指示作用.

山西晋城“7·11”暴雨过程雨滴谱特征

利用降水现象仪观测资料,对2021年7月11日山西晋城一次暴雨过程的雨滴谱特征进行分析。结果表明:雨滴数浓度、雨强和谱宽随时间变化趋势基本一致;雨滴直径等级频数百分率和质量百分率分布均呈明显的双峰或三峰结构;此次过程以直径D<1 mm的小雨滴为主,其对雨强R的贡献率仅为7.46%,而1 mm≤D<3 mm的大雨滴对R的贡献率达到了77.44%;雨滴落速主要集中在2~5 m/s。当R≥20 mm/h时,Gamma分布参数N0、μ和λ随时间的起伏变化相对平缓,平均变化率分别为6.2%、46.7%和18.0%;lg N_(W)-D_(m)分布显示,此次低涡暴雨过程既非大陆性对流降水,亦非海洋性对流降水;μ-λ之间存在较好的二项式函数关系,相关系数为0.901。幂函数对于降水动能参数关系Et-R和Ed-R的拟合性能更优,二项式函数拟合对于Ed-Dm效果更好。采用最小二乘法得到Z-R拟合关系,在R≥20 mm/h时,估测效果优于经典Z-R关系。

20世纪90年代华北大暴雨过程特征的分析研究

首先对1960～1999年的华北夏季暴雨过程进行了统计分析,之后,又进一步对1990～1999年造成夏季特大暴雨过程的天气形势进行了分型研究.结果表明,从20世纪60年代到90年代夏季每10年发生的暴雨和大暴雨次数基本相当,40年中山西和河北的北部暴雨发生次数在20次以上,沿海地区暴雨发生次数为60～100次.1990～1999年的6～8月华北地区发生大暴雨共39天,大体可分为5型:1型为台风与低槽(低涡)远距离相互作用;2型为低涡(登陆台风)与西风槽相互作用;3型为登陆台风北上受高压阻挡停滞;4型为低涡暴雨;5型为暖切变暴雨.其中,台风和低涡是主要影响系统.最后,对北京夏季的暴雨过程也进行了统计和分型研究.40年中有7年未发生暴雨,而最多的年份发生了5次,存在很明显的年变化.研究表明,尽管北京暴雨具有华北暴雨的共同特征,但也有北京地区的特点,如以暴雨频次而言,最多的是低涡暴雨,其次是台风与低槽(低涡)相互作用型.另外,低槽冷锋暴雨也是一类值得关注的系统.

两次大暴雨过程天气形势与物理量场对比分析

使用常规天气图、NCEP1×1°的再分析资料,针对2010年5月13日和5月21日江西2次大暴雨天气过程,从天气形势场、影响系统和物理量场等方面进行对比分析,结果表明:2次暴雨天气过程具有相似的基本特征,其共同点是高纬度冷空气以短波槽形式频繁南下,提供了暴雨发生的环境背景条件;低涡切变东移和辐合区的持续存在是提供动力抬升的有利条件;西南急流和中低层强大的水汽通量以及水汽通量辐合中心建立,提供了有利的水汽条件;2次暴雨的不同点是在暴雨发展过程中,低涡切变等影响系统的位置、螺旋度的强度以及其它物理量,决定着暴雨的降水强度;5月13日大暴雨过程中各项物理量指标均比5月21日大暴雨过程强而典型,但降水量却小于5月21日,表明锋前暖区中强对流性降水是产生大暴雨的重要条件。

中尺度集合预报对川渝地区“8.16”暴雨过程的分析

利用ARPS和WRF模式,基于不同的物理过程参数化方案建立了一个多初值、多物理过程的中尺度集合预报系统,并对2015年8月16—18日发生在四川盆地的西南低涡暴雨过程进行试验分析。结果表明:建立的中尺度集合预报系统对此次暴雨过程有较好的预报能力,与确定性预报相比,降水集合平均以及概率预报等产品对暴雨的预报有一定的指示意义。初值扰动的集合预报对暴雨及以下量级的预报较优;物理过程扰动的集合预报对大暴雨及以上量级的预报较好;同时考虑2种扰动的集合预报总体上好于单因子扰动的集合预报,使降水预报效果得到明显改善。对天气系统(高空槽、低涡、切变线)以及气象要素(风场、水汽)的预报差异是造成"好"、"坏"成员预报效果差异的主要原因,且低层形势场(尤其是风场的预报)对初值及物理过程的扰动比高层要敏感。集合预报对大雨及以上量级预报技巧的提高有明显正贡献,但是对特大暴雨的预报不确定性很大,还有较大的改进空间。

习水南部一次秋季最强降水中的地形作用

该文利用习水107个站点的降水观测数据、高空和地面形势实况资料、习水双偏振雷达数据、ERA5全球再分析资料,通过天气学统计方法,分析2021年9月12日习水强降水过程成因,并解释了地形对此次强降水的增强作用。分析结果表明:(1)此次过程发生在双台风夹击的背景下,主要影响系统有对流层中层高空槽、低空低涡切变线;(2)高空槽东移迫使低涡切变线发展加强,为此次过程提供了抬升条件,14号超强台风“灿都”外围的偏东气流减缓了低涡切变线东移速度,使得其在习水停留时间变长,同时,低空偏南气流和偏东气流的辐合为强降水的发生发展提供了热力不稳定和水汽条件;(3)雷达回波是以积云为主的混合降水回波,多对流单体活动,并有明显的“列车效应”现象;(4)由于大娄山南侧地形对对流层的气流有辐合抬升作用,对流单体在山脉南侧移速减慢、合并增强,导致降水强度和范围增大,从而形成此次强降水过程。

2019年6月桂林三次强降水天气成因对比分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP再分析资料,对桂林2019年6月6-12日接连3次强降水天气过程的环流背景、影响系统与形成原因进行了对比分析。结果表明:(1)3次过程按影响系统分属暖区暴雨、低涡暴雨和锋面暴雨过程,均发生在高空急流右侧辐散、低空急流左侧辐合叠加区。(2)3次过程均受500 hPa短波槽和地面中尺度辐合线影响,但第1次过程中西南急流及地形等、第2次过程中低涡切变线、第3次过程中冷锋也起到重要作用。(3)3次过程的触发系统不同,第1次暖区暴雨过程迎风坡地形对其起触发作用,西南急流使得后向传播的对流云带维持;第2次低涡暴雨过程的触发系统为低层位于贵州一带的西南涡,西部冷空气侵入与西南急流加强是低涡对流云团维持较长时间的原因;第3次锋面暴雨的触发系统为冷锋,锋面配合锋前暖湿气流使对流云带加强。(4)第1次过程暖区暴雨MCS模态主要为线状后向扩建类,极端强降水出现在线对流中后端;第2次过程低涡暴雨MCS模态为涡旋类,极端强降水出现在涡旋中心附近;第3次过程锋面暴雨MCS模态由前期后部层云区线状对流转为层状云包裹对流系统,强降水发生在线对流弯曲或中心强回波处。