水平螺旋度与沙尘暴的动力学关系研究

应用2002～2006年高空流场和地面观测资料,计算近地面至500hPa水平螺旋度的大小.结果表明:水平螺旋度负值中心值越大,500hPa到近地面风速越大,西风增强,风速垂直切变越大,辐合上升运动越强,形成沙尘暴的强度就越强.水平螺旋度负值中心常常在河西走廊附近最强,导致其下游东南方发生沙尘暴.水平螺旋度负值中心与其下游沙尘暴发生强度有一致的对应关系:当水平螺旋度负值中心≤-200m2/s2时,未来24小时内该区下游将有沙尘天气出现,当≤-600m2/s2时,6小时内该区下游将有能见度小于500m的强沙尘暴天气出现,当≤-1000m2/s2时,6小时内该区下游将有能见度小于50m的特强沙尘暴天气出现.

水平螺旋度在沙尘暴预报中的应用

为了更准确地预报中国北方沙尘暴的强度和范围,应用2002—2010年3—6月逐日08和20时高空流场资料、高空图资料和地面每3 h的天气图资料,计算近地面至500 hPa的水平螺旋度。结果表明,螺旋度负值中心值越大,辐合上升运动越强,风速越大,对应沙尘暴的强度就越强。螺旋度负值中心常常在河西走廊附近最强,沙尘暴发生在螺旋度负值中心附近或下游。在沙尘关键区(40°—48°N,84°—120°E)当出现螺旋度≤-600 m2/s2的负值中心时,6 h内该区或其下游将产生能见度低于500 m的强沙尘暴,螺旋度负值中心与下游沙尘暴发生区有良好的对应关系。通过对中国北方区域性强沙尘暴典型个例、甘肃省河西走廊东部沙尘天气的对比分析,螺旋度有较强的日变化,白天强于夜间,对冬春季中国北方干旱区的冷锋型沙尘暴天气有较强的预报能力。

2020年8月11日至12日阿拉善地区暴雨螺旋度特征分析

利用阿拉善地区地面观测资料和NCEP再分析资料分析2020年8月11日—12日阿拉善地区暴雨螺旋度特征,为今后短时强降水预报及其暴雨量级降水预报提供参考依据。分析结果:暴雨发生前,h_(p)中心值>310×10^(-6) Pa/s~2,h_(xy)强度为100×10^(-2) Pa/s~2,沿40.2°N作垂直螺旋度剖面图可见,700 h Pa在105°E正值中心增大至360×10^(-6) Pa/s~2,400 h Pa附近有负值中心,中心值为-30×10^(-6) Pa/s~2,低层辐合,高层辐散。从散度、垂直速度和相对湿度来看,最强辐合中心位于850 h Pa附近,散度中心值达-14×10^(-9) g/(cm~2·h Pa·s),500~650 h Pa为辐散区,最强上升速度出现在700 h Pa,垂直速度达-8 Pa/s,700 h Pa在104°E相对湿度达到100%。垂直螺旋度变化与强降水发生时段对应,垂直螺旋度正值中心和强度的增强时,降水区雨量也增大。

我国螺旋度的研究及应用

对自20世纪90年代以来至今国内关于螺旋度理论及应用研究工作进行了较系统地总结,将螺旋度归类为垂直螺旋度、水平螺旋度及完全螺旋度,同时又将垂直螺旋度划分为局地垂直螺旋度和积分垂直螺旋度,详细介绍并给出了每一类螺旋度的计算表达式以及其在天气诊断分析中的应用状况,对螺旋度的应用研究现状进行了简单地分析与讨论,最后展望了未来螺旋度研究与应用的发展方向。

“2002．3”华北地区强沙尘暴天气的螺旋度分析

利用MM5非静力中尺度模式和螺旋度计算结果,对2002年3月18—22日华北地区发生的一次强沙尘暴过程进行了分析研究,重点分析了北京及周边地区水平与垂直方向螺旋度和完全螺旋度的结构变化及演变特征,结果表明:螺旋度的演变与强沙尘暴天气的发生、发展有较好的对应关系,将中尺度模式和螺旋度计算结合起来可以有效提高沙尘暴天气的预报准确度。

“09.5”广东特大暴雨过程的螺旋度特征

分析"09.5"广东特大暴雨过程的水平螺旋度和垂直螺旋度分布特征,结果表明:两者的作用有所不同。水平螺旋度有较好的预示性,与天气系统相对应;垂直螺旋度与暴雨的落区和强度有良好的对应,反映了天气系统的维持和发展状况以及天气现象的剧烈程度。螺旋度作为一个重要的物理量,对暴雨的分析预报有一定的指示作用和应用价值。

2011-06-23豫南暴雨成因及完全螺旋度诊断分析

利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月22-23日豫南暴雨过程进行分析,结果表明:此次河南区域暴雨是由高空后倾槽、中低层冷式切变线以及西路冷空气共同影响所致。夏季冷式切变线暴雨的低层有明显北风冷垫作用,水汽主要来源于对流层中低层。水平螺旋度的变化对天气系统的移动和发展具有较好的指示作用;垂直螺旋度的变化对降水的落区和强度预报具有较好的参考价值;暴雨区主要发生在高螺旋度与较高对流有效位能(h垂直>10×10-8hPa.s-2、CAPE<1500 J.kg-1)相配合的环境中。

超强台风“圣帕”(0709)特大暴雨过程的完全螺旋度分析

采用NCEP/NCAR 1°×1°最后分析资料(final analysis,FNL)计算"圣帕"台风螺旋度,探讨各垂直层上水平螺旋度与强降水时间演变的关系、水平螺旋度与强降水落区的关系以及垂直螺旋度时间演变与强降水发生、发展的关系。结果表明,700 hPa螺旋度最能反映强降水时间演变,正螺旋度大值中心附近与暴雨落区一致,同区域内螺旋度中心值的强弱与该区域内降水的强弱关系密切;若垂直方向上高低层的螺旋度同时由负值转为正值,则强降水发生,反之降水减弱、停止;对于预报台风强降水时效,水平螺旋度远比垂直螺旋度、散度、垂直速度具有更多有效预报时间;对于预报台风强降水落区,垂直螺旋度比水平螺旋度更具有优势,若能利用垂直螺旋度对水平螺旋度预报强降水作出订正可能将有助于提高台风强降水预报准确率。

一次暴雪天气过程的螺旋度分析

2009年3月19—20日新疆中天山出现暴雪天气,本文采用NCEP再分析资料计算和分析了这次暴雪天气过程的850～200 hPa范围内的垂直、水平螺旋度和总螺旋度,结果表明:暴雪区上空垂直螺旋度呈上负下正分布,有利于暴雪的发生;暴雪发生在低层水平螺旋度负值中心和整层螺旋度正值中心的东南边缘;总螺旋度强弱的变化反映了暴雪天气系统的趋势。分析表明螺旋度能较好地反映新疆暴雪天气的发展、维持状况及强弱程度,并对暴雪落区的预报有一定的指示意义。

2016年7月24日宁夏中北部暴雨螺旋度特征分析

利用宁夏加密自动站观测资料、欧洲中心格点再分析资料等气象资料,对2016年7月24日宁夏全区性强降水天气过程的螺旋度特征进行分析。结果表明,对流层中低层的垂直螺旋度与强降水的强弱变化有良好的对应关系,强降水区对应600 hPa正垂直螺旋度的强梯度区;正水平螺旋度的发展对强降水有预示性;强降水落区与700 hPa水平螺旋度强度正极值区有较好的对应关系。

广东清远2007年6月连续性暴雨过程螺旋度分析

本文对2007年6月清远发生的连续性暴雨过程进行螺旋度诊断分析,结果表明:垂直螺旋度呈上负下正、正负螺旋度中心基本重合的耦合配置,对暴雨的产生十分有利,螺旋度中心的移动与强降水落区有很好的一致关系;水平螺旋度中心的变化有利于判断影响系统未来的发展移向等变化,水平螺旋度大的地区有利于出现强降水,水平螺旋度的强度变化对未来的暴雨落区有一定的指示作用。

2021年京津冀地区一次典型回流沙尘天气多元资料分析

利用CALIPSO卫星观测资料和ERA5再分析资料等多元观测资料对2021年3月28~30日京津冀地区发生的一次沙尘回流天气进行分析,结果表明:回流阶段沙尘传输高度较强沙尘阶段有所降低,集中在3km及以下,由深达700hPa偏南风输送而来,该阶段沙尘浓度较低,风速较小。与正面传输强沙尘阶段对比,相对涡度、位势涡度、水平螺旋度的极端性较弱,但回流阶段沙尘落区附近同样为负水平螺旋度中心,近地面位势涡度转为正值,相对涡度具有不对称性。

2019年6月17日河北张家口线状对流中的 龙卷环境场与雷达特征

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析资料以及卫星雷达资料,对2019年6月17日发生在张家口的一次与线状对流伴随的龙卷天气进行分析。结果表明:(1)龙卷天气发生在对流层中低层高能中心、强垂直风切变以及中层强风速区的环境中。(2)中低层强的正水平螺旋度、低层强辐合与高层强辐散配置为龙卷发生提供了有利的环境条件。(3)在对流不稳定区,边界层辐合线是对流的触发条件,弧状云线的发展加强和上冲云顶的识别分析有利于判断对流云团的发展趋势,对强对流的短临预警有重要参考意义。(4)通过雷达资料与风场反演分析,线状对流中的龙卷是由γ中尺度涡旋在低层强辐合与上升气流的拉伸下形成的。强辐合区主要位于3 km高度以下。

河西走廊一次特强沙尘暴的热力动力特征分析

使用NCEP再分析资料、高空和地面观测资料对2010年4月24日发生在河西走廊的一次特强沙尘暴天气进行了热力和动力作用诊断分析。结果表明:沙尘暴发生前,感热通量达最大值,湍流运动增强,增加了大气的不稳定性;大风沙尘暴发展和强盛期与动量通量大值区对应,动量通量对沙尘向上输送起了重要作用;在强锋区附近,地转关系被破坏,大风沙尘暴大气主要出现在变压梯度大,即变压风大的区域,变压风是产生地面强风的主要成分;河西走廊这次沙尘暴过程有明显锋生活动,锋生过程使锋面次级环流加强;水平螺旋度负值中心值越大,近地面层风速越大,大风沙尘暴天气主要出现在水平螺旋度负值中心前方与零值线之间;在河西走廊上空,高空急流沿等熵面穿越等位势高度面下滑到2000gpm,形成偏西风低空急流,低空急流的形成和维持在大风沙尘暴过程中起到关健作用。

“2013.3.9”宁夏强沙尘暴天气的热力动力条件分析

利用常规气象观测资料和ECMWF逐6h 0.25°×0.25°再分析资料,对宁夏2013年3月9日强沙尘暴暴天气过程的热力和动力条件进行了诊断分析,结果表明:沙尘暴发生前,宁夏上空伴有地表感热通量、6 h变压和变压风及水平螺旋度负值增大、对流层中低层到边界层有明显锋生活动、对流层高层高位涡随高空急流沿等熵面下传到2 000 gpm并形成低空急流等热力和动力因子的变化;强沙尘暴天气出现在地表感热通量增幅超过250 W·m^(-2)、对流层中低层锋生中心超过20×10^(-10)K·m^(-1)·s^(-1)、6 h变压和变压风超过8 h Pa和8 m·s^(-1)、水平螺旋度低于-500 m^2·s^(-2)的区域。

青海一次强降水过程的物理量预报应用试验

针对强降水业务预报工作的实际需求,利用常规观测站和区域自动站逐小时降水资料及欧洲中心(ECMWF)细网格数值预报产品,采用水平螺旋度、水汽通量及水汽通量散度对2017年7月26—27日发生在青海省的强降水天气过程进行预报应用分析。结果表明:水平螺旋度、水汽通量及水汽通量散度与降水的发生发展和强降水中心有较好的对应关系;500 h Pa正水平螺旋度强度对降水强度的变化有一定的指示性,负水平螺旋度强度偏强时可以很好地指示强降水中心位置;水汽通量大值区内水汽辐合强度越强,降水强度也越强。

双雨带过程中的回流暖区暴雨个例对比研究

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°FNL资料、自动站降水资料,对华南两次双雨带过程中的回流暖区暴雨个例进行了对比分析,结果表明:(1)与暖湿的南到西南气流相比,变性高压脊后部回流的东到东南气流具有一定干冷属性,边界层两支不同性质的气流汇合形成辐合渐近线和边界层锋区。回流暖区暴雨实际是先有回流、预先在东侧形成浅薄的冷池,后有高空槽加深东移、带来边界层西南风,与东南风辐合,形成低层辐合抬升条件,西南风暖平流使边界层锋区加强并缓慢东移,产生的暴雨。回流和高空槽均起到关键的作用;(2)回流暖区暴雨区域在边界层内具有弱对流性不稳定或湿中性层结、而在中低层具有明显对流性不稳定,其发生发展机制有别于锋前暖区暴雨和典型锋面暴雨;(3)边界层较大水平螺旋度与回流暖区暴雨有良好对应关系,对回流暖区暴雨预报有指示意义,是回流暖区暴雨区别于锋面暴雨的重要动力学特征;(4)回流暖区的水汽输送主要集中在850 hPa以下,以925 hPa最显著,北侧锋区的水汽输送主要集中在850~700 hPa;南北两支雨带低层的水汽输送通道可能存在部分重合,当南侧暖区雨带的对流发展起来后,部分水汽可能被南侧辐合系统截留,从而影响北侧的水汽输送强度。这可能是导致北雨带降雨强度不如南雨带的一个原因。

二维非定常中尺度气象过程对黔东南降雹天气的影响

分析了黔东南地区16个地面气象观测站1971-2005年4～5月降雹资料和雹日相对应的14：00地面0cm温度资料，考察了二维非定常中尺度气象过程对黔东南降雹天气的影响。结果表明：在有利的大尺度大气环流背景下，对流不稳定能量、地形抬升作用、低空水平螺旋度和14：00地面0cm温度的梯度变化与降雹有很好的相关关系，这些因子对有无降雹灾害天气提供了较好的预报依据。

2011年6月16日汕头龙卷天气过程分析

利用常规观测资料以及雷达资料、地面加密自动站资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月16日广东汕头龙卷天气的环境场特征及其与地面中小尺度系统的关系进行了分析,并对龙卷成因作了天气动力学探讨。结果表明:此次龙卷天气发生在极其有利的环境场中,其发生地区对流层中低层存在高能中心、强垂直风切变、强风速区(中层),此外中低层强的正水平螺旋度、深厚正涡度区、低层强辐合与高层强辐散配置也为龙卷发生提供了有利的环境条件;龙卷发生是天气尺度、中尺度和对流风暴尺度系统相互作用的结果;在丰富的涡源环境中,雷暴单体上的强回波强度梯度表明雷暴云团中存在强垂直运动梯度,而强垂直运动梯度是导致地面风场气旋性旋转迅速增强而产生龙卷天气的重要原因。

豫北一次强对流天气的物理量场结构特征

通过对2008年6月25日发生在豫北的一次强对流天气过程分析发现:中低层的风切变和冷空气的入侵是造成此次强对流天气的主要原因;大气液态含水量指数、0℃层高度的气压与570 hPa之差、-20℃层高度的气压与370 hPa之差,可以预示未来强对流天气中是否会产生冰雹;大气液态含水量指数、低层水平螺旋度、风的v分量的垂直切变、0℃层高度的气压与570 hPa之差、-20℃层高度的气压与370 hPa之差对强对流的发生、发展以及产生区域有很好的指示意义。