四川“8.11”暴雨的视热源和视水汽汇特征分析

基于NCEP再分析资料与WRF-ARW高分辨数值模拟资料,利用视热源和视水汽汇方程,诊断分析了2020年8月10~12日四川盆地一次暴雨过程的大气热力和降水特征。结果表明:暴雨发生初期,对流中低层聚集了大量水汽,为暴雨来临准备了丰富的水汽;暴雨强盛时期,视热源和视水汽汇在对流中高层显著增加,使得对流层中高层出现深厚的加热和加湿层,表明此次降水积云对流活跃,以对流性降水为主;暴雨发生发展过程,视热源和视水汽汇中垂直项起主要作用,充分说明了强烈的上升运动可以带来丰沛的水汽,有利于暴雨的发生发展。

北京一次大暴雨过程视热源和视减湿特征分析

应用高分辨 TBB亮温资料和逐 6小时一次的 NCEP/ NCAR再分析资料 ,分析了 1 998年 7月 5日北京地区发生的一次大暴雨天气过程。结果表明 :北京地区雨量分布不均是由于西部山区出现两次对流活动而东部平原地区仅为一次 ,TBB低值区右前方下沉区有利于其后部对流的发展 ;暴雨阶段视热源 ( Q1 )的视减湿 ( Q2 )局地变化项和平流项均非小项 ,两者具有反位相变化特征 ,垂直输送项是视热源和视减湿的主要贡献者 ;Q1 和 Q2 的高度 -时间演变与暴雨的出现是一致的 ,暴雨发生时段对应着 Q1 和 Q2 的高值区。视热源加热中心出现在 5 0 0 h Pa高度 ,而视减湿中心主要在70 0 h Pa附近。

北半球夏季风区大气视热源和视水汽汇的低频振荡

利用１９８６年５～９月ＥＣＭＷＦ／ＷＭＯ资料计算非洲季风区、印度季风区、南海季风区和副热带季风区的视热源（Ｑ＿１）和视水汽汇（Ｑ＿２）。结果表明非洲季风区和印度季风区Ｑ＿１、Ｑ＿２的准４０天周期显著；南海季风区准双周振荡明显；副热带季风区盛行８天左右的周期；准４０天周期振荡也是南海季风区和副热带季风区的重要信号，印度季风区Ｑ＿１、Ｑ＿２的准４０天周期振荡比其他季风区的更为显著；非洲季风区Ｑ＿１振荡位相超前于Ｑ＿２振荡位相，其他季风区在夏季Ｑ＿１和Ｑ＿２振荡几乎呈同位相关系；对流层低层Ｑ＿２和纬向风的低频振荡在印度季风区和南海季风区呈纬向偶极子分布，当季风区低频季风活跃（不活跃）时，Ｑ＿２低频分量对应为潜热源（汇）或视水汽汇（源）。

青藏高原冬季积雪关键区视热源特征与中国西南春旱的联系

利用1955-2010年地面气象站积雪深度、降水资料和NCEP再分析资料,采用统计相关,异常指数与相关矢等计算方法,对2010年西南春旱区域性特征、青藏高原积雪视热源特征进行了综合分析,研究了西南春旱典型区域,获得了影响西南地区春季降水的青藏高原积雪视热源关键区。对高原积雪关键区积雪深度与该区域大气视热源的相关性进行了综合分析,发现青藏高原积雪关键区2月的视热源代表性最好。重点分析了青藏高原积雪关键区2月大气视热源与后期西南严重春旱区降水的异常指数年际变化及其相关关系,结果表明,冬季青藏高原积雪关键区积雪浅、整层大气视热源偏高,有利于西南地区春季出现干燥的偏北气流,导致我国西南地区春雨异常偏少。青藏高原积雪关键区视热源对我国西南春旱预测具有明显的指示意义。

1982年东亚及太平洋地区视热源及视水汽汇的分布

本文对１９８２年东亚及太平洋地区逐月的视热源（Ｑ１）及视水汽汇（Ｑ２）进行了计算。发现视热源及视水汽汇的分布不仅存在明显的季节性变化，而且在１９８２年这一强厄尔尼诺年，视热源及视水汽汇分布和强度也有相应的异常变化。在１９８２年５～６月，厄尔尼诺开始时，印度尼西亚表现为视热汇及视水汽源，而赤道中太平洋为较强的视热源及视水汽汇。随着ＥＮＳＯ事件的发展，这一现象有增强的趋势。赤道太平洋的强视热源及视水汽汇也进一步向东发展。南海、西太平洋副热带及赤道东太平洋等区域强视热源和强视水汇的垂直分布相差很大；

青藏高原夏季大气视热源与中国东部降水的关系的年代际变化

基于1979~2017年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim逐日再分析资料和热力学方程,本研究估算了大气视热源,分析研究了青藏高原夏季大气视热源的异常与中国东部降水关系的年代际变化,以及青藏高原大气视热源影响我国东部夏季降水的物理机制。结果表明:(1)高原热源东、西部反相变化模态的重要性发生了年代际转变,表现为由1994年之前方差贡献相对小的第二变异模态变为1994之后方差贡献明显增大而成为第一主导变异模态。(2)青藏高原夏季大气视热源的东、西反相变化模态与中国东部降水的关系存在年代际变化。1993年之前和2008年之后,高原大气视热源的异常分别仅与长江下游降水和长江中游降水异常存在密切的联系;而在1994~2007年,其对长江流域及附近区域和华南地区的夏季降水的影响显著,具体表现为,当高原夏季大气视热源异常表现为东强西弱(东弱西强)时,长江中上游、江淮地区的降水偏多(少),华南地区降水偏少(多)。(3)高原大气视热源显著影响我国东部夏季降水主要是通过经高原上空发展加强的天气系统东移过程影响长江流域及附近地区的降水,以及通过垂直环流影响华南地区的降水。

基于热源作用的青藏高原东坡一次夜间暴雨的诊断分析

利用ERA5再分析资料、CMORPH融合降水资料和山地通量观测资料对2020年6月26日发生在四川冕宁一次夜间致灾暴雨进行综合诊断分析。结果表明:本次夜间暴雨发生前,白天地面热源存在明显的正异常变化,地面热源的正异常区与降水有很好的对应关系。同时大气热源(视热源和视水汽汇)与暴雨的关系密切且相互影响,降水释放凝结潜热,加热大气,使得视热源也随之增加。在暴雨发展强盛阶段,视水汽汇的垂直输送项达到最大,而视水汽汇的局地变化项能很好指示整个暴雨过程中区域水汽的净输送状况。

1980年黄河中下游干旱期的热源和热汇的诊断分析

计算了1980年6—9月逐日(12GMT)黄河中下游干旱期的视热源(Q_1)和视水汽汇(Q_2)的分布。结果表明,在典型干旱期(7—8月)内,对流层大气中基本上为热汇,且以对流层高层最强。在典型干旱期的前、后时段(6月、9月),对流层低层大气中为弱的热源。必须指出,Q_1、Q_2各项中最大的是垂直平流项,其次是水平平流项。

一次东北移西南涡的结构特征分析

利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料对一次东北移西南涡活动特征进行诊断分析,得到以下结论:本次西南涡是在稳定的“东高西低”环流形势下生成和发展,高原涡诱发西南涡生成,在高原气流的引导下向东北方向移动,西南涡在向东北移动的过程中和高原涡耦合促使西南涡进一步发展。西南涡东北移过程中均有低空急流配合。西南涡初生阶段较为浅薄,动力特征较弱;东移发展过程中动力作用增强,正涡度发展至对流层顶,正涡度柱内“低层辐合-高层辐散”的特征显著,高层辐散大于低层辐合,强的高空抽吸作用促使低层辐合增强。涡度平流项、垂直输送项和拉伸项对西南涡的发展起到主要作用。视热源和视水汽汇在低涡发展阶段,中低层暖湿空气的加热使空气增温,从而使地面减压,有利于西南涡的发展;中高层凝结潜热和感热加热,使得对流层高层增温,促使高层出流加强,进一步增强西南涡的发展。

非ENSO事件次年大西洋海温异常对夏季青藏高原大气热源准双周低频活跃度的影响

夏季青藏高原大气热源准双周低频活动明显,并存在显著年际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,定义夏季高原区域内大气热源准双周分量的标准化方差为该年的低频活跃度,其对中国东部天气变化有一定指示意义,高原低频活跃度较大时,中国东部夏季存在"旱涝并存"和"旱涝急转"现象。通过诊断分析,发现多个海温关键区都对低频活跃度有一定影响,不同年份的主导影响因素不同。ENSO事件次年,主要是太平洋海盆区域内海温异常影响青藏高原夏季低频活跃度;非ENSO事件次年,大西洋海盆区域内的三极型海温异常起主要影响作用。在非ENSO事件次年,前期冬春季大西洋三极型海温异常能够激发出异常的类EU波列,影响高原区域上空的大气环流。在同样的触发机制下,正位相时的类EU波列有利于云辐射反馈的发展,负位相时的类EU波列不利于云辐射反馈的发展,从而影响夏季高原热源低频活跃度。

河南“21.7”极端暴雨过程天气尺度系统发展维持机制分析

利用实况资料和ERA5再分析资料对“21.7”河南极端暴雨过程的锋生作用、大气非绝热加热和水汽净收支进行了深入分析,揭示此次过程天气尺度系统发展维持机制。结果表明:本次极端暴雨过程中,河南位于西北太平洋副热带高压(副高)和大陆高压之间的鞍型场中,低层辐合高层辐散的配置有利于500 hPa低压系统的发展和维持;锋生作用主要发生在对流层低层且与θ_(se)密集区有较好的对应关系,水平散度项和水平变形项起主导作用,两者的贡献基本相当;视热源(Q_(1))和视水汽汇(Q_(2))水平分布与强降雨落区较为吻合,二者的垂直分布有明显差异,Q_(1)最强加热作用在对流层中高层,而Q_(2)垂直分布较为均匀但强度明显小于Q_(1),Q_(1)中位温垂直输送项起主导作用,而Q_(2)中比湿水平平流项发挥着主导作用,这表明本次河南极端暴雨中,区域性强凝结潜热的释放对降水有正反馈作用。伴随来自台风烟花(2106)北侧偏东气流的不断加强西进,强风速切变及地形抬升引发异常强盛的边界层水汽辐合,总水汽收支主要受到东西向水汽净流入的主导,偏东路径边界层极强的水汽输送对极端暴雨过程的维持和加强起到十分关键的作用。

四川盆地西部连续两次特大暴雨过程的西南涡特征分析

针对两次四川盆地西部特大暴雨过程中西南涡发展与演变特征,利用欧洲中心ERA5逐小时再分析资料和FY4A卫星云顶相当黑体温度资料进行诊断分析。结果表明:两次过程的西南涡均生成于低槽东移和副高西伸的有利环流背景下。过程一的西南涡在高能高湿的环境下生成和发展,低层的感热和潜热加热作用更为显著,正涡度随高度向西倾斜发展且高度达到400 hPa,涡度拉伸项和扭转项对西南涡的发展起主要作用。过程二的偏南气流更为强盛,对流层高层的辐散抽吸作用更强,热力条件弱于过程一,西南涡范围内为高湿状态,对流层高层强的感热和凝结潜热加热使得高层增温,从而增强西南涡的发展,其正涡度发展至对流层顶,正涡度柱随高度垂直延伸,动力作用强于过程一,涡度拉伸项、扭转项和垂直输送项对西南涡的发展起主要作用。

“98.5”华南前汛期暴雨中尺度系统发生发展的动力、热量和水汽收支诊断

为进一步了解华南暴雨的形成机理,利用MM5模式输出的高时空分辨率资料,对“98.5”华南暴雨的总涡源、视热源和视水汽汇进行了诊断分析。诊断结果表明:总涡源场与涡度场对应一致,高值中心位于降水上空,正的总涡源柱中心预示了涡度柱将继续发展;在组成总涡源各项中水平绝对涡度平流项和扭转项是负贡献,垂直涡度平流项和散度项为正贡献;降水区与视水汽汇和视热源高值区对应一致,视水汽汇和视热源有峰值相伴,说明凝结潜热给系统提供了发展的能量;地面涡动通量和各层的次网格尺度涡动使高层冷却,低层加热,有利于降水系统中对流发展;在组成视热源和视水汽汇各项中均为垂直项起主要作用,充分说明了在暴雨发生过程中强上升运动具有重要作用;强烈的垂直上升运动将水汽带到了高层,云水场的发展与视水汽汇有着一致性,在视水汽汇达到极值时,除冰晶外,云水场各物理量中心高度达到极值,部分物理量的强度也达到最大。

青藏高原热力强迫对中国东部降水和水汽输送的调制作用

从4个方面综述了有关青藏高原大地形热力"驱动"对中国东部雨带和水汽输送特征及其年代际变化的影响作用的研究进展:(1)中国三阶梯大地形热力过程变化与季风雨带季节演进;(2)青藏高原地-气过程热力"驱动"及其季风水汽输送结构;(3)青藏高原积雪冷源对中国东部水汽输送结构及其雨带分布的影响;(4)青藏高原视热源变化与雨带年代际变化相关特征及其可能调制。其主要研究结论是:(1)中国西部高原特殊三阶梯大地形结构强化了海-陆热力差异,尤其是高原大地形使地-气热力差异季节变化有由青藏高原向东北方向大地形区域延伸变化趋势,且其与季风雨带由东南沿海移向西北朝青藏高原与黄土高原边缘同步演进,两者似乎存在类似季节内演进的一种"动态的吸引"。(2)中国东部雨带时空变化特征和季风强弱变化趋势均与青藏高原热源强弱异常变化相对应。青藏高原热源异常影响低纬度海洋向陆地的水汽传输路径和强度,进而调制中国东部降水时空演变。在青藏高原热源强和弱年,中国降水变率空间分布特征分别为"北涝南旱"和"南涝北旱"。青藏高原视热源强(弱)异常变化"强信号"将对东亚与南亚区域的季风水汽输送结构,以及夏季风降水时空分布的变异具有"前兆性"的指示意义。(3)长江中下游地区作为独特南北两支水汽流的汇合带,该地区夏季青藏高原热源与水汽通量相关矢特征呈类似于青藏高原多雪与少雪年水汽通量偏差场中水汽汇合区显著特征差异,揭示了冬季青藏高原积雪冷源影响中国东部夏季长江流域梅雨水汽输送结构特征。(4)中国降水的年代际变化基本型态为中国东部呈"南涝北旱趋势",西北区域呈现出"西部转湿趋势"。但基于近10年青藏高原春季视热源出现"降后回升"趋势,中国东部"南涝北旱"的降水格局已出现转折趋势。

1998年夏季青藏高原东南部降水30～60d低频振荡特征

根据地面观测站的逐日降水资料及NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了1998年夏季青藏高原东南部地区的低频降水特征,并重点讨论了30～60 d低频降水正、负位相期间相关要素场低频分量的异常分布及传播特征。结果表明:(1)1998年高原东南部降水存在10～20、20～30以及30～60 d周期的低频振荡,其中30～60 d振荡的正(负)位相基本对应着降水的盛(间歇)期。(2)在降水正(负)位相期间,高原南侧存在一个低频气旋(反气旋),而日本海上空维持着一个异常低频反气旋(气旋),受高原南侧低频气旋(反气旋)东北侧的偏南(北)气流以及日本海上空低频反气旋(气旋)西南侧的偏南(北)气流的共同影响,高原东南部为明显的低频水汽辐合(散)区。(3)在低频降水正位相期间,高原地区经孟加拉湾至中南半岛到南海均为低频热源区;负位相,热源、汇低频分量的分布与正位相基本相反。(4)1998年夏季存在从西太平洋经长江中下游西传至高原地区的30～60 d整层积分水汽通量辐合(散)和100 hPa低频辐散(合),且西传至高原东南部时基本与高原东南部30～60 d低频降水的正(负)位相对应。

1991年江淮暴雨时期的能量和水汽循环研究

通过对 1991年 5～ 7月江淮暴雨期全球范围的水汽输送和不同降水过程中江淮暴雨区及其临近区域的水汽收支和视热源和视水汽汇的计算分析得到了以下结论 :( 1)从水汽输送的机制来看 ,一方面 ,有大量的水汽以定常涡动的方式从孟加拉湾及南海输送到中国江淮地区 ;另一方面 ,江淮地区的瞬变涡动水汽向北输出 ,这可能与江淮地区频繁活动的α和β中尺度系统有关 ,它们将江淮地区汇集的充沛的水汽除了大部分以降水形式降下外 ,剩余部分继续向水汽较少的高纬地区输出 ,以维持全球水汽的平衡。( 2 )在降水过程中 ,局地蒸发项在水汽的供应中或再循环中十分重要 ,其数值一般为降水量的 13 ～ 12 ,这与1998年的降水情况相似。( 3 )在降水过程中 ,暴雨区的水汽主要是从南边界和西边界流入的 ,东边界和北边界则流出 ,并且水汽的流入、流出主要在中低层进行。 (a)在流入边界上 ,水汽通量的垂直分布存在差异 ,暴雨区西边界和南边界的水汽流入的垂直差异可能与其所在的地理位置有密切关系。 (b)对于暴雨区 ,不同强度的降水过程水汽的主要来源有所不同。( 4)在 5次降水过程中 ,视热源和视水汽汇的较大值对应降水的大值区 ,表明了水汽凝结加热对大气加热所起的主要作用。梅雨期降水 ,以对流性降水为主 ,对流活动随季节变化?

1998年武汉大暴雨过程的切变涡度及非绝热加热垂直结构分析

文中通过比较 1 998年武汉大暴雨期间相对涡度、切变涡度和纬向切变涡度 (ζs1) ,发现ζs1中心与暴雨中心位置有更好的对应关系 ,其在时序上高空负纬向切变涡度发展要超前强降水出现约 1 d。暴雨发生前高空反气旋性涡度增强 ,且与此同时 ,低层要求有正涡度发展。暴雨发生时段对应着 Q1,Q2 的高值区 ,并具有强上升运动 ,且 Q1,Q2 两者之间存在较强的耦合。视热源中心在 45 0 h Pa,而水汽汇中心主要在 6 0 0 h Pa附近。Q1,Q2 局地变化和平流变化是反位相分布的 ,共同的作用是减小对加热的贡献。Q1中局地变化可省略 ,但 Q2 中局地变化在第2次强降水时段可达 4K/d左右 ,因此不能省略。垂直输送项在 Q1,Q2

“98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断

1998年 7月 2 0～ 2 3日 (“98.7”)发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程 ,不仅与70 0hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关 ,而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。利用非静力模式MM5 .V2 .1 2成功模拟提供的高分辨输出资料对这次特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支进行了诊断。结果发现 :当有强对流发生并伴有强降水时 ,就会有强的视热源Q1 和视水汽汇Q2 出现 ,而强的Q1 与Q2 和强降水区基本是对应的 ;Q1 随高度增高而增大 ,最大加热位面基本上都在 486.1hPa(σ =0 .5 4 )附近 ;在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生、发展的一种重要热力机制 ;在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件 ,积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气 ,而且向高层输送 ,加热高层的环境大气 ;在暴雨初期 ,Q2 的双峰结构与低空层积云及中空积云对流凝结变干有关 ;Q2 的中空峰值大体与Q1 的峰值相应 ,Q2 的深厚变干层与Q1 的深厚加热层非常一致。诊断结果表明 ,用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q1 和Q2 进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q1 和Q2 的诊断 ,可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线?

中尺度对流系统影响西南低涡持续性暴雨的诊断分析

利用加密自动站降水资料、FY-2E卫星云顶相当黑体温度TBB资料和NCEP再分析资料,对2010年7月16-18日四川盆地持续性暴雨天气过程中的西南低涡及伴随发展的中尺度对流系统(MCS)进行了分析。结果表明,500 hPa高空槽、700 hPa中尺度切变线和暖湿气流为MCS的发生提供了良好的环境条件;地面降水时空分布具有明显的中尺度特征,MCS是造成暴雨的重要原因;暴雨中心集中在TBB冷云区或边缘梯度密集带。在西南低涡发展过程中,MCS有利于激发上升气流,中低层的上升气流和正涡度配合利于热量和水汽垂直输送,高层的辐散进一步促使MCS的发展。水平涡度平流和涡度垂直输送项的配置影响上升气流和涡旋系统的发展,MCS对西南低涡的移动有一定的引导作用。有无MCS伴随发展时,对流活动对热量和水汽的输送能力迥异。

特殊大地形背景下塔里木盆地夏季降水过程及其大气水分循环结构

对塔里木盆地夏季降水过程和复杂的大气水分循环结构进行了分析,采用常规气象观测、探空及其不同网格NCEP等再分析数据,通过塔里木盆地视热源、水汽汇、涡度、散度三维动力结构以及相关小波周期分析、水汽输送通道相关矢量场及其Fluxpart轨迹模型等各类方法,综合剖析该区域大气热源与夏季降水过程及其水分循环结构特征。计算分析结果表明塔里木盆地沙漠边界层辐射强日变化叠加上周边C型大地形"山谷风"效应,导致高山环抱盆地及沙漠区的独特水、热过程与局地环流特征。