一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析

基于观测资料和NCEP再分析资料,并结合中尺度数值模拟,对2012年1月14—15日我国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定(conditional symmetric instablility,CSI)进行诊断分析。结果表明,南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动,在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程,构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景;来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必须的水汽条件,异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。在降水过程中锋面附近有多条中尺度雨带活动,锋生函数分析表明,14日夜间广西境内锋生明显增强,在潜热释放的影响下CSI开始发展,相应的锋生次级环流也有所发展,锋前暖区中的上升运动随之增强,导致广西北部形成较强的中尺度降雨带。分析表明,锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程(Sawyer-Elissen方程)在不同稳定性条件下的解,锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。

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。

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981~2010年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定(CSI)与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南(4~6月)先北跳到江淮(5~7月),再到华北(7~8月)的季节性进程,特别是7~8月强降水距平场具有'北多南少'分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞(4~6月)、然后移到江淮(5~7月),最后到达华北(7~8月)。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925~600 hPa,而6~8月抬升到700~600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风(垂直风切变)作用对倾斜对流有效位能(SCAPE)的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项(CAPE)占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数(CMF index)可指示雨带强降水异常区。

2003-06-29暴雨过程条件性对称不稳定分析

利用中尺度模式MM5的部分产品 ,采用二元法 ,对 2 0 0 3年 6月 2 9～ 30日淮河流域上游暴雨天气过程中的条件性对称不稳定 (CSI)进行了诊断分析 ,结果表明 :此次过程中CSI区出现在对流层中上层 ,CSI区与对流稳定性大气层结条件下的强降水天气有很好的对应关系 ;利用MM 5输出产品对物理量进行诊断分析 ,能够较好地解释局地强降水出现的物理机制。

一类符号反对称结构系统的稳定性及其应用

结合矩阵论中的可反对称条件,提出一种稳定的具有符号反对称结构的系统,并将其作为非线性系统的镇定控制目标.面向符号反对称结构系统的控制方法存在递推构造法和直接设计方法两种:递推构造法面向具有上三角结构的系统,包括已有逆推控制和逆推自适应控制,并可具有更多的可调参数;直接设计法适用于低维系统,对于一些系统可以设计出更简单的控制器.对于Lorenz混沌同步系统的仿真说明了面向反对称结构系统直接设计法有效性.

河西走廊中西部一次特强沙尘暴的对称不稳定诊断分析

2007年4月13日在河西走廊中西部发生了特强沙尘暴,极大风速25m/s,最小能见度50m。用风云2号卫星红外云图对下沉急流云头进行跟踪,并用NCEP(1°×1°)6h再分析数据对高速下沉急流到达冷锋云带前后的静力不稳定、条件不稳定、条件对称不稳定等进行了诊断分析。结果表明:这次强沙尘暴由高速下沉急流引起,急流头部触发了锋区附近强对流发生;凝结潜热释放先在对流层中层发生,然后向下发展,使对流层中下部转为条件不稳定层,700hPa附近的条件不稳定能量释放使边界层对流环流迅速增强,引发了这次特强沙尘暴。

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。

一次华北锋面带状降水过程中的对流-对称不稳定诊断分析

本文用GRAPES_Meso中尺度区域模式模拟了2015年8月2—4日的一次华北锋面带状降水过程,在模拟结果与实况比较吻合的情况下,用高分辨率模式输出资料对降水过程中的对流稳定度、惯性稳定度和条件性对称不稳定(CSI)进行了分析,并诊断出降水过程中的条件性对称不稳定区域。个例分析的结果表明:(1)带状降水过程中CSI的发展伴随着对流不稳定的减弱和惯性不稳定的增强。(2)根据不稳定量的变化情况,把降水过程分为3个阶段:在第一个阶段,降水区域上空-?θ_e/?p<0,降水主要受对流不稳定的影响;在第二个阶段,对流不稳定、惯性不稳定与CSI发展增强,此阶段的降水受3种不稳定量的影响;在第三个阶段,3种不稳定能量均逐渐减弱,但仍然影响着降水的持续。(3)发展旺盛阶段的CSI在平面上呈带状分布,与雨带、对流不稳定区域平行,在剖面上CSI主要活跃在对流层低层。(4)用湿位涡结合对流稳定度与惯性稳定度诊断CSI区域的方法比M-θ_e剖面图方法更准确有效。

两类不稳定条件下的西南涡发展及其暴雨触发机制

利用地面自动站观测数据、欧洲中心ERA5再分析数据和FY-2G卫星相当黑体温度数据,对四川盆地的两次不同不稳定条件下西南涡发展以及暴雨触发机制进行湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)诊断分析。结果表明:两次暴雨过程均与长生命史的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)维持有密切关系。过程一是典型“东高西低”环流形势,有冷空气影响,MCS属于锋面云团,对流系统在冷暖空气交汇区维持加强;干冷空气沿等熵面向下入侵,?θse/?p<0,MPV<0,大气满足条件性对称不稳定,产生倾斜对流,是降水强度增大的重要原因;MPV1正异常值的出现和MPV2负异常值的增长共同反映出条件性对称不稳定增强,|MPV1|<|MPV2|说明MPV2在条件性对称不稳定层结下对西南涡和暴雨发展和维持的贡献较大。过程二是副高控制的暖区暴雨,斜压性弱,MCS为暖性云团,对流系统在中低层增暖增湿的环境下发展;?θse/?p>0,MPV<0,大气被对流不稳定机制主导,斜压性弱,MPV1“下正上负”的偶极子垂直结构有利于涡度增加,深厚的垂直上升运动与低空急流共同造成水平风垂直切变增强是西南涡和暴雨发展的重要原因。两次暴雨过程中MPV2负值增加与低涡发展和降水强度增大均有良好对应关系,MPV1对降水的指示性较差,但较好地反映了大气不稳定性。

北京“7.21”暴雨的不稳定性及其触发机制分析

本文利用WRF模拟的高分辨率资料对2012年7月21日北京特大暴雨过程的对流不稳定和条件对称不稳定性及其触发和维持机制进行了诊断分析.分析结果表明：（1）在临近暴雨发生时刻及暴雨初期,大气低层主要以对流不稳定为主,随后对流触发,不稳定性减弱,而低空急流和湿斜压性的增强,使得条件性对称不稳定加强,维持和加强了暴雨的不稳定性.（2）分析表明,在暴雨过程中主要由于较强的水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量异常,从而导致条件性对称不稳定的产生.（3）本文分别对暴雨发生过程中的对流不稳定与条件对称不稳定的触发机制进行了分析,主要结论如下：暴雨初期对流性降水阶段,切变线上有利的垂直上升环境与地形的强迫抬升相互配合,触发了对流性降水.另外,北京上空的干冷空气入侵,也增强了大气的对流不稳定性,更易触发对流;对称不稳定导致的降水阶段,主要是由于北京上空冷暖空气的长期对峙,冷空气逐渐深入到暖湿空气下方,使得暖湿气团沿冷气团爬升,从而触发对称不稳定,造成持续性降水.此次暴雨过程中0900～1300 UTC时刻暴雨增幅的重要原因是0900 UTC北京风向突变,转为偏东风,且风速骤增,北京西北侧的喇叭口状的地形的强迫抬升作用,与上空750 hPa移来的切变线上的垂直运动相互叠加,形成中尺度涡旋,产生了强烈的上升运动,触发不稳定,产生大暴雨.

伊犁河谷“7.31”极端暴雨过程不稳定性及其触发机制研究

2016年7月31日至8月1日新疆伊犁河谷发生了一次极端强降水事件,多站突破降水极值。利用NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品及国家基本地面观测站逐时降水资料,通过天气研究和预报(WRF)数值模拟和诊断分析强降水期间大气的不稳定性及其触发机制,证实了不同尺度系统相互作用以及复杂地形的影响是干旱、半干旱地区极端暴雨形成的重要因子,并得出以下结论:(1)降水前河谷低层高对流有效位能积累,低层锋面东移触发对流有效位能释放,造成河谷第一阶段短时强降水天气;前期对流性降水释放湿对流不稳定能量,低层大气对称不稳定性逐渐增强,在对称不稳定作用下维持和加强了伊犁河谷第二阶段强降水天气。(2)第一强降水阶段期间大气低层为对流不稳定性层结,降水初期和第二阶段强降水期间大气均为条件对称不稳定性层结,对称不稳定的产生主要来自于湿位涡斜压分量(Mpv2),其中降水初期低层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,第二阶段强降水低层Mpv2变化主要由大气湿斜压性造成。(3)第一阶段强降水期间,低层锋面和地形抬升,垂直运动迅速发展,造成河谷南、北部山前降水;河谷东侧中尺度气旋在地形阻挡下稳定少动,是东部地区短时强降水天气发生的直接启动机制。第二阶段强降水期间,中、低层锋区叠加爬坡,冷锋锋生,中、低层风场辐合区叠加,河谷东北部形成垂直环流圈,上升运动进一步发展,是造成河谷第二阶段暴雨的重要原因。

可逆不对称的氧化还原滴定的林邦滴定曲线方程及其化学计量点E_(sp)值的计算

用物料平衡式、副反应系数和条件稳定常数等知识,推导出可逆不对称的氧化还原滴定的林邦滴定曲线方程并用其推导出化学计量点Esp值的计算公式。

2024年2月17—23日中国大范围强寒潮雨雪冰冻强对流过程涉及的若干问题

2024年2月中下旬我国出现一次多灾种高影响天气过程。这是一次几十年一遇的过程,出现了大范围强寒潮雨雪冰冻天气并伴随强对流发生,涉及到强寒潮、沙尘、降雨、降雪、冻雨,以及强对流和伴随的大冰雹和雷暴大风,多种高影响天气在一次过程中都有所呈现,其过程之复杂异常罕见。本文针对此次过程中值得深入探讨的问题、高影响天气发生发展可能机理、相应的预报挑战等进行简要梳理,为后续对此次过程的细致和深入分析研究做一个引子。

不同粒度存查煤样稳定性与最优存放时间关系探究

不同粒度存查煤样在常规储存条件下存放一定时间后,其性质发生一定的改变后影响煤质的稳定性,但存查煤样的稳定性对煤质分析结果的二次分析起至关重要的作用,因而需探究不同粒度存查煤样的稳定性与最优存放时间的关系,以期为现场煤样存储工作提供合理化的指导建议。实验选取不同粒度条件下特低灰、神混、石炭3种系列煤的存查煤样,研究灰分、挥发分和发热量随时间的变化规律,分析3种系列煤的最优保存粒度和最长存放期限。结果表明:特低灰煤的存查煤样最长存放时间为60 d,神混系列煤的存查煤样最长存放时间以不超过60 d为宜,石炭系列煤的存查煤样在120 d内无明显变化,建议3种系列煤均以标称最大粒度为3 mm的煤样作为存查煤样。

不同天气尺度强迫下陕西暴雨的成因对比

选取常规高空观测资料、地面加密观测资料和ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2020年8月4—7日陕西持续性暴雨过程进行诊断分析,并探讨了暴雨发生发展的物理机制。结果表明:暴雨过程分为两个阶段,分别是5日陕北区域暴雨和7日陕西中南部暴雨,二者的环流背景差异显著;5日暴雨的主要影响天气系统是高空槽、低空急流和低涡,中低层急流强且维持时间长,系统涡度大、辐合强,天气尺度强迫强;7日暴雨的主要影响天气系统是短波槽和低层切变,中低层大气风速小,系统涡度小,辐合相对弱,天气尺度强迫较弱。4—5日中低层大气水汽输送强,水汽输送较气候态偏大3~4σ;700 hPa西南急流和850 hPa东南急流给陕北带来充沛的水汽,中低层大气存在明显低涡,大气湿斜压性强,同时低涡南侧有明显锋生,次级环流增强上升运动,水汽在低涡中心及右侧强烈辐合抬升,强降水得以维持;800~700 hPa存在条件对称不稳定,进一步增强上升运动,异常充沛的水汽供应和偏强的低涡造成持续的上升运动是本阶段产生极端大暴雨的主要原因。6—7日陕西中南部水汽输送较弱,水汽辐合强度较小,但本地可降水量大;暴雨区为暖湿大气控制,对流不稳定较强,对流有效位能大,切变线辐合抬升触发对流,降水对流性更强;本阶段强降水较为分散,但雨强大且持续时间短,与地形关系密切。

“21·11”极端暴雪过程多系统结构演变及热动力机制

利用多种实时观测资料和ERA5再分析资料,对造成2021年11月6—8日华北、东北极端暴雪过程多系统的结构特征及热动力机制进行分析。结果表明:此次过程先后由500 hPa高空横槽、河套西风槽及高空冷涡接力影响,其上空的高空急流不断加强并呈现“S”型弯曲,同时低空偏南风急流形成与加强,并在东北地区与高空急流耦合。此次过程阶段性特征明显,其影响系统的结构特征和水汽输送存在差异。回流冷锋形成的冷垫锋面较为浅薄,暖湿气流在其上倾斜上升。寒潮冷锋则较为陡立,上升气流随高度西倾。而锋面气旋结构较为深厚直立,使得气流呈垂直上升运动。随着斜压强迫的不断增强,850 hPa切变线由准东西向分布转为南北向分布,再演变为低涡切变结构。对应的水平涡度由弱转强,其上空正涡度垂直分布也逐渐加强,由弱倾斜上升运动逐步演变为较强垂直上升运动区,并在系统东侧形成次级环流下沉支。此次过程的发生发展与锋生作用密切相关,降雪落区和强度与锋区走向及锋生函数大小较为一致。假相当位温锋区在降雪3个阶段逐渐加强,垂直锋区和低层锋生函数由倾斜状态演变为近乎直立结构;湿位涡诊断表明,3个阶段降雪落区均发生在湿位涡正压项>0而斜压项<0配置的区域,条件性对称不稳定是此次过程的主要动力机制。

暖干背景下的河南春季极端雨雪天气成因分析

过渡季节的春季极端雨雪天气一直以来都是预报中的难点。利用常规地面观测、探空、多普勒天气雷达等观测资料和ERA5再分析数据,对2023年3月16日发生在河南省的一次极端雨雪天气成因进行了分析,重点关注了其极端降水及复杂雨雪相态转换成因。主要结论如下:此次过程是一次发生在暖干背景下,由高空槽东移配合低涡切变线北抬造成的极端雨雪天气,具有转折性强、降雪强度大、强降雪时段长等特点,降雪时地面气温始终维持在0℃附近,雨雪相态转换复杂;异常偏强的极端动力强迫是此次过程小时降水强度大的重要因素,这与对流层低层异常偏强的低空急流所伴随的热、动力强迫有关。另外,条件对称不稳定也在一定程度上加剧了其垂直上升运动的发展,低涡移动缓慢、回波系统走向与移向夹角较小是其降水持续较长时间的关键;过程前期气温异常偏高,15日冷空气降温为雨雪相态转换提供了可能,但河南省中、东部边界层气温仍未达到雨转雪标准,过程开始阶段对流层低层存在明显干层,与此相伴随的由降水粒子蒸发等相变过程造成的降温,是其雨转雪的重要降温机制,干层的存在及降水的持续发展,成为边界层气温能否降到0℃附近的关键,大气趋于饱和之后,固态降水粒子的融化降温在降雪相态维持中也起到了十分重要的作用。

塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征

利用地面自动站逐小时观测、多普勒天气雷达及WRF模式高分辨率数值模拟,分析2016年7月塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征。结果表明:阵风锋前沿较强的辐合抬升运动不断触发多个对流单体,其中大部分单体与其后方的对流系统合并且进一步发展,使得强对流天气不断发展和维持。在对流系统快速发展阶段,阵风锋前沿水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量显著增强,从而增强局地的条件对称不稳定,为对流系统的发展和维持提供了重要的不稳定能量。不稳定能量释放需要的锋生强迫作用主要是由阵风锋前方的辐合辐散项和倾斜项决定,而阵风锋前沿附近的水平形变项及其上方的非绝热加热项贡献相对较弱。

广西初春双对流强降水带过程诊断分析

2023年3月25日20:00至26日08:00,广西出现一次双对流强降水带过程,与以往双雨带存在显著差异,主、客观预报均出现明显偏差。利用多源实况以及ERA5再分析资料,对此次过程进行了Rossby波能量频散、湿位涡及水平锋生强迫等诊断分析。结果表明:该过程发生于大尺度环流调整背景下,中高纬地区源自极涡以及黑海的两支Rossby波列共同促进了东北地区的横槽在东移过程中逐渐转竖,引导冷空气补充南下。低纬地区南支槽在此期间逐渐东移,为广西地区冷垫之上的气层抬升提供动力条件,同时也促进低层冷暖空气在广西交汇。随着冷空气补充南下、惯性振荡促使偏南风向北推进,冷暖空气在广西一带交汇增强,大气湿斜压性增强使得湿位涡发展,导致出现条件对称不稳定层结。暖湿空气自南向北倾斜爬升至700 hPa附近条件对称不稳定区后与高空槽前正涡度平流相配合触发高架对流,使得北支对流带发展。冷空气深入南下后受广西特殊地形影响,等θ_(se)线与流场的有利配置形成拉伸变形效应导致锋生强迫,使得越南东北部南支初始对流触发。北部湾中部低层较大θ_(se)纬向梯度以及强垂直风切变造成较强湿斜压性,促进南支对流系统途经时组织化发展,并由于中层干空气夹卷形成弓形回波。预报中需重点关注数值模式对中层低槽的预报以及冷垫上的热力条件,以捕捉北支锋后高架对流发生发展的关键信息。

一次东北暖锋锋生暴雨的中尺度特征分析及成因初探

使用常规观测资料、卫星云图、雷达回波资料、自动气象站降水量以及0.25°×0.25°的NCEP/NCAR再分析资料,对2017年8月1日发生在黑龙江南部的暖区暴雨过程的中尺度特征及成因进行了分析。结果表明:暴雨发生在副高加强西伸北抬及有台风活动的背景下,副高外围的水汽输送为暴雨提供了充沛的水汽条件;低层西南风的增大导致暖锋锋生,暖锋的辐合抬升作用加强,造成较大范围的暴雨天气;锋生区附近存在CSI,锋生作用及CSI的释放,加强了沿着锋面倾斜向上的斜升气流及锋面次级环流,CSI导致的斜升气流的发展进一步触发对流不稳定,导致大范围的垂直上升运动,降水显著加强;暖锋云带内部探空分析显示大气处于不稳定状态,有利于以短时强降水为主的对流发展。暴雨是由云团的后向传播造成的,强降水以暖云降水为主,降水效率高,雨强大,暖锋稳定少动,由暖锋锋生所致的对流单体在同一区域重复新生,并沿暖锋自西向东传播,形成列车效应,暴雨中心一直有最大反射率因子超过45 d Bz且降水效率高的强回波活动,持续时间超过4 h,导致强降水持续时间长,降水累积量大。