四川盆地一次暴雨过程中的穿透性对流形成机理分析

2019年8月18~22日,高原东侧到四川盆地西部发生的一次暴雨过程,其与穿透性对流的发生发展密切相关。为揭示此次穿透性对流的形成机理和过程,本文利用欧洲中心再分析资料ERA5以及高分辨数值模式(WRF)的模拟结果进行了分析。结果表明,此次穿透性对流过程发生在中国沿海地区大范围对流层顶折叠导致盆地以东的上空出现平流层位涡(PV)下传的特殊天气背景下。穿透性对流的形成主要分为三个阶段:(1)中低层对流的触发。由于大陆高压西伸,四川盆地附近气压梯度加强引起低空急流发展,在其左侧产生气旋性切变,同时引起与高原东南侧大地形正交的抬升气流分量增强。地形动力抬升叠加气流辐合抬升在不稳定层结下触发对流。(2)对流层高层上升运动发展。这主要与湍流扩散导致的平流层持续下传的PV气团在非绝热加热作用下的发展有关。盆地西侧对流发展引起的非绝热加热作用导致高层净增温垂直梯度增强,进而导致了高层局地正PV的加强。高层东风气流背景下,正PV异常的右侧为上升运动,使得300 hPa以上至下平流层上升运动的发展增强。(3)盆地附近的高中低层上升运动垂直耦合叠加,形成穿透性对流。中尺度对流系统层状模态的发展以及干燥环境下水汽的蒸发冷却导致300 hPa至600 hPa出现下沉运动。下沉运动造成的局地干冷侵入,既加强了上空“下湿上干”的不稳定层结,也加强了中低层的气流辐合,导致原中层300~600 hPa附近的下沉运动转为上升运动。低层由于正涡度倾斜发展,上升运动得以维持。由此,四川盆地上空的上升运动出现整层的垂直叠加耦合,表现为从对流层低层到平流层底的一致性上升运动,穿透性对流形成,导致后期降水增强。

冬、夏季热带及副热带穿透性对流气候特征分析

文中利用热带测雨卫星(TRMM)搭载的测雨雷达(PR)1998～2007年的探测结果,就热带及副热带地区穿透性对流的频次、条件降水强度及垂直廓线等特征进行了分析。研究结果表明:深对流和穿透性对流都主要发生在热带辐合带(ITCZ)、南太平洋辐合带(SPCZ)、亚洲季风区、20°N以南的非洲以及美洲等地区,它们的空间分布具有明显的地域性和季节变化特征,而且陆地深对流更容易发展成为穿透性对流,但绝大部分地区的穿透性对流频次不超过0.2%。对穿透性对流条件降水强度的分析表明,热带及副热带大部分地区的穿透性对流条件降水强度在10mm/h以上,且洋面的条件降水强度要比陆地大,但由于其频次较小导致其对总降水的贡献并不大。尽管深对流和穿透性对流降水廓线的外形比较相似,但相同的高度,深对流的降水强度要比穿透性对流偏小,而且这种差异随海陆和纬度的不同而有所区别。此外,热带地区(15°S～15°N)冬、夏季深对流和穿透性对流降水廓线都只存在较小差异,并没有显示出明显的季节变化。

基于CloudSat、FY-2E资料的中国海域及周边地区深对流和穿透性对流特征

深对流在地-气系统的物质和能量交换中起着至关重要的作用,伴随而来的暴雨、雷电、冰雹等天气会对人类社会产生影响。利用CloudSat/CALIPSO和FY-2E卫星观测数据,研究了中国海域及周边地区非穿透性对流(DCwo)及穿透性对流(CO)的海-陆分布、云顶红外亮温和云团特征(包括对流系统(CS)和对流单体(CC)的面积、活跃性对流比、偏心率、最低亮温、平均亮温梯度)。结果发现:穿透性对流比非穿透性对流的云顶红外亮温更低,垂直高度上的雷达反射率更高;从发生次数来看,非穿透性对流/穿透性对流在海洋比陆地多,低纬度比高纬度多,夏季比其他季节多,冬季海陆差异最大;从云顶亮温的分布来看,海洋比陆地、穿透性对流比非穿透性对流集中分布区间的亮温值更低,穿透性对流的分布区间比非穿透性对流集出现较大面积的对流系统/对流单体,海洋穿透性对流的活跃性对流比相对较高;偏心率在0.5以上的发生频率较高,对流系统形状更偏向于圆形,在海洋上更加明显;穿透性对流在海陆上的最低亮温集中分布区间为190—195 K,比非穿透性对流的分布更集中,平均亮温梯度在0.1 K/km以下的发生频率较高。

副热带东亚季风区一次穿透性对流过程影响下平流层成分变化的个例分析

穿透性对流是导致北半球夏季平流层低层南亚高压内水汽极值形成的重要机制之一,关于副热带东亚季风区穿透性对流是否对平流层低层水汽等物质分布存在影响目前尚不清楚。本文选取2016年的武汉暴雨事件,采用Cloudsat和Aura Microwave Limb Sounder(MLS)卫星数据,分析了东亚季风区的穿透性对流活动对上对流层/下平流层物质分布的影响。利用CloudSat卫星资料云分类产品和Aura MLS卫星数据联合分析武汉暴雨过程中捕捉到1次穿透性对流事件,该事件发生于2016年7月4日05时(协调世界时)的穿透性对流,中心位于海上梅雨带区域。分析表明,这次对流穿透事件对上对流层/下平流层物质分布有显著影响,穿透性对流活动影响到对流层顶以上的物质分布,具体表现是:首先,穿透性对流显著减少了局地对流层顶附近的臭氧含量,较之气候态对流层顶臭氧含量偏少32.53%;其次,穿透性对流能够增加局地对流层顶附近的水汽混合比含量,它通过更多的云冰粒子蒸发来增强局地平流层水汽含量,同时通过更强的垂直水汽输送来直接加湿平流层。此次穿透性对流事件对水汽变化影响较之对臭氧含量变化的影响更为显著,它使得对流层顶水汽混合比增加近乎一倍(98.15%)。因此,副热带东亚季风区的穿透性对流活动对于对流层向平流层的物质输送起着重要的作用。

卫星Tbb资料揭示的南中国海穿透性对流云系(Tbb≤-62℃)的分布特征

利用日本气象研究厅提供的1980年到1997年共18年3小时一次的Tbb资料,采用统计Tbb≤-62℃出现频率的方法,研究了南中国海穿透性对流云系活动的区域统计分布特征,包括南中国海的全年穿透性对流云系分布特征、日变化特征、季节分布特征和季节变化特征。

深对流云向平流层的水汽垂直输送问题研究进展

水汽是一种比CO2温室效应更强的温室气体,在平流层中为光化学反应提供氢氧自由基,凝结成冰晶后还能为臭氧的消耗提供非均相化学反应界面,从而加速臭氧的消耗,因而对气候有重要影响.深对流云对水汽的垂直输送是平流层水汽的重要来源之一,因此研究深对流云向平流层的水汽输送可以为研究气候变化提供参考.回顾了近年来关于深对流云向平流层的水汽垂直输送问题的研究进展,包括水汽垂直输送到平流层的证据、穿透性深对流云的识别方法、水汽被深对流云垂直输送到平流层的机理以及穿透性深对流云对平流层湿度作用的影响因子4个方面,并进行了小结和展望.