一次青藏高原低涡和西南涡同步变化过程

青藏高原低涡(简称高原低涡)和西南涡是影响我国降水的重要天气系统,两者同步变化是引发我国西南和东部地区强降水的重要方式,而两低涡同步变化的物理过程和机理目前尚不清晰。为探究高原低涡和西南涡同步变化的物理机制,选取2020年超强超长梅雨期间一次高原低涡与西南涡同步变化过程,利用ERA5逐小时再分析资料及降水观测资料,分析两涡共存时特殊时间节点所对应的强度、结构等演变特征及位涡收支。结果显示:水平位置不重叠的高原低涡和西南涡也可发生同步变化,即强度变化特征大致相似。两低涡在同步变化之前各自的演变机理不同,但同步变化时两者的演变机理基本一致。具体地,未发生同步变化时,高原低涡主要依靠加热场作用维持东移,西南涡则依靠水平位涡通量散度作用得以维持;两涡同步变化时,两者强度变化相似,演变机理一致,两涡维持主要依靠水平位涡通量散度作用,加热场作用次之。

基于气象卫星的青藏高原低涡识别

利用长时间序列气象卫星及多源数据,研究青藏高原低涡综合识别方法,完成低涡数据集并与青藏高原低涡年鉴中低涡位置、路径和分布进行对比分析。研究表明:卫星识别多年平均低涡分布存在两个高值区,分别位于西藏的中北部和青海西南部及青藏高原西部,在有探空站的青藏高原东部(90°E以东),卫星识别低涡高值区和年鉴数据吻合,冬半年,卫星识别低涡活动明显高于年鉴,主要为青藏高原西部低涡活动引起,逐年及2008年低涡路径对比也显示,有探空站区域卫星识别低涡和年鉴具有较好的一致性,表明卫星识别低涡在青藏高原东部地区的可信性;2015年青藏高原中西部新增3个探空站,年鉴中90°E以西低涡约占全年低涡总数量的22%,该区域卫星识别低涡和年鉴一致性较高,表明卫星识别低涡在高原中西部的可信性。因此,卫星识别低涡与年鉴低涡在有探空站区域有较好的一致性,可对年鉴中青藏高原东部低涡源地进行追踪,又可识别青藏高原中西部尤其是活跃于冬半年的低涡,是青藏高原年鉴低涡数据的有效补充。

青藏高原低涡活动的统计研究

利用1980-2004年5-9月逐日08时、20时（北京时,下同）两个时次的500hPa天气图资料，统计分析了夏季青藏高原低涡（简称高原低涡）的活动特征。结果表明：夏季高原低涡的发生频次具有明显的年代际、年际和季节内变化特征，20世纪90年代以后低涡出现频次较之80年代有下降趋势，7月份是夏季高原低涡的活跃期；青藏高原上产生低涡的四个源地分别为：申扎-改则之间、那曲东北部地区、德格东北部和松潘附近；移出青藏高原的高原低涡在青藏高原上主要有四个涡源：那曲东北部、曲麻莱地区、德格附近和玛沁附近，也存在季节内变化，与青藏高原上产生低涡的涡源不同；部分高原低涡形成后，能在高原上生存36h以上并发展东移，移动路径主要有东北、东南和向东三条，其中向东北移动的低涡数量最多；而低涡移出青藏高原后的路径与在高原上的移动路径并不相同，移出高原后的低涡多数是向东移动的，其次才向东北、东南移动；高原低涡移出高原时主要有两条路径：一条为东北路径，主要移向河西、宁夏和黄土高原一带;另一条是东南路径，主要移向四川盆地附近，其中，移向黄土高原的低涡最多；移出低涡也表现出一定的年际变化和季节内变化特征；高原低涡移出青藏高原后，多数在12h内减弱消亡，有些可持续60h，极少数能存活100h以上，最长可达192h，不仅影响我国东部广大地区的降水，甚至可能影响朝鲜半岛和日本；高原低涡在青藏高原上初生时，暖性涡比斜压涡多近两倍，而移出青藏高原后12h内的低涡性质却发生了很大改变，以斜压涡居多；与60、70年代相比，80年代中期以后高原低涡的发生源地、移动路径和性质等特征都有所改变。

青藏高原低涡活动对降水影响的统计分析

利用1998—2004年逐日08:00(北京时,下同)和20:00 500hPa高空图、日雨量和青藏高原低涡(下称高原低涡)切变线年鉴资料,统计分析了冬、夏半年不同生命史的高原低涡对我国和四川盆地东、西部降水的影响。结果表明,冬、夏半年高原低涡以东部涡占多数,6-10月有三分之一的东部涡能移出高原。冬半年高原低涡出现次数少,约占全年的五分之一,但也可造成高原及其周边地区的雨雪天气,特别是生命史超过36h以上的高原低涡有近半数可移出高原,造成高原区域暴雨雪,四川盆地中雨,半数可造成云南大雨雪或暴雨雪。夏半年,随着低涡生命史的增长,高原低涡影响高原及其周边地区和我国其他地区的降水范围和强度在增大,生命史超过60h以上的高原低涡可造成高原暴雨、甘肃中雨以上、四川盆地暴雨或大暴雨及云南大部分地区大雨以上的降水,每年都有1～5次可影响到华中、华东地区产生大雨以上的降水。100°E以东的高原低涡,不论是否移出,均可造成四川盆地中雨以上的降水。影响四川盆地降水的高原低涡以偏东路径为主,但东南路径影响更强。

一类青藏高原低涡异常路径的环境场分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、历史天气图,在分析1998-2015年移出高原后持续活动2天以上的高原低涡(简称持续高原涡)活动情况基础上,分析了在河套地区打转的持续高原涡的对流层中层高度场特征,并且利用WRF3.5.1模式,对2002年7月1-5日在河套地区打转的久治涡活动的环境场进行了模拟与台风或热带低压强度增强、减弱的数值试验。结果发现,在中国大陆以东、140°E以西洋面上台风或热带低压向北活动,会造成持续高原涡在河套地区打转的异常路径;其环流背景,主要是台风或热带低压向北活动,使副热带高压(简称副高)北抬,会使蒙古高压与副高之间的切变环境场或青海高压和副高与蒙古东部高压打通的高压之间的切变环境场持续,从而使持续高原涡处在相对较弱的切变环境场中东移受阻;数值试验表明,热带低压强度变化,会影响副高位置,从而会影响低涡打转活动的切变环境场,造成低涡打转位置与次数的变化。

1998年夏季两例青藏高原低涡结构特征的比较

利用1998年Micaps历史天气图、1998年第二次青藏高原科学试验资料和NCEP/NCAR 1°×1°分辨率的再分析资料,对该年夏季两例移出与未移出高原的低涡活动过程及特征进行了对比分析,结果表明,移出与未移出高原低涡的低涡结构特征差异显著:(1)移出高原低涡,低涡环流呈圆形,厚度有3000 m左右,降水区呈环状分布;未移出高原低涡,低涡环流呈椭圆形,厚度为1500 m左右,降水区在低涡的南、西南方。(2)移出高原低涡,低涡区内绝大部分为上升运动区,并且强度在加强、区域扩大;未移出低涡,涡区内上升运动在减弱,上升运动区在缩小。(3)移出高原低涡,涡区内斜压性强,比未移出的大近一倍。(4)移出高原低涡,涡区内500 hPa有高位涡沿东北方向向上输送位涡平流,未移出高原低涡的有次高位涡沿东南方向向下输送位涡平流。(5)移出高原低涡是下层‘正涡度、暖区’、上层‘负涡度、冷区’;未移出高原低涡是下层‘正涡度、冷区’、中层‘负涡度、弱暖区’、上层‘正涡度、冷区’。

青藏高原低涡移出高原的大尺度条件

利用NCEP再分析资料,计算分析了各类高原涡东移出与未移出高原的对流层中、上层多种合成物理量场。研究指出,高原低涡移出高原是受西风带天气系统与副热带天气系统的相互作用及对流层中层与上层的天气系统相互作用造成的。研究揭示了低涡东移出高原的大尺度条件及物理图像,还揭示了各类高原涡东移出高原的大尺度条件的主要差异。为预报高原涡移出高原的暴雨、洪涝提供了科学依据。

1979—2013年ERA-Interim资料的青藏高原低涡活动特征分析

为分析青藏高原低涡活动特征,利用1979—2013年ERA-Interim再分析资料500 hPa高度场,基于气旋客观识别和追踪算法得到青藏高原及其附近地区低涡路径,同时利用客观分析方法对500 hPa温度场进行分析得到低涡的冷暖性质,从而得到一套青藏高原低涡活动的资料。对高原低涡的频次、强度、持续时间、地理位置和移出高原等特征分析结果表明,35年间青藏高原上活动的系统主要为高原低涡,年均约53个,其中,年均6.7个高原低涡移出青藏高原;高原低涡持续时间从少至多呈指数减少,强度和冷暖性质的出现频次均呈正态分布,初生的高原低涡以暖涡居多,占81%。高原低涡发生且强度较大主要在青藏高原的汛期(5—9月),高原低涡源地主要在西藏那曲地区西部和阿里地区北部,消亡地主要位于源地高频中心东侧的唐古拉山地区和青海西部当曲河流域,高原低涡的消亡可能受地形影响。近35年来高原低涡生成频次呈不显著减少趋势(-2个/(10 a));移出高原低涡数(-1.4个/(10 a))和高原低涡移出率(-2.3%/(10 a))均显著减少。

青藏高原低涡活动特征统计分析

利用1998-2011年《青藏高原低涡切变线年鉴》的资料,统计分析了高原低涡的活动特征。结果表明：14年共出现高原低涡561次,其中高原东部低涡466次,高原西部低涡95次;2000-2009年,高原低涡出现次数逐年升高;高原低涡主要出现在夏季,月变化明显,其中7月出现次数最多,2月出现最少;高原低涡移出高原的影响系统包括低槽类和切变类,分别占28.8%,71.2%。

1979—2016年青藏高原低涡的变化特征研究

青藏高原低涡(Tibetan Plateau Vortex,TPV)是造成我国暴雨的重要天气系统之一。基于1979—2016年ERA-Interim逐日再分析资料,通过客观识别方法,对TPV进行筛选,并以部分年份的TPV与《青藏高原低涡切变线年鉴》(以下简称年鉴)中的TPV进行了对比分析。主要得到如下结果:(1)客观识别TPV与年鉴TPV的平均吻合率为66.2%;其频数和中心位势高度与年鉴TPV的呈显著相关。(2)近40 a的TPV频数呈显著增加趋势,年均56.3个,存在准6 a和准10 a周期。(3)TPV中心位势高度呈正态分布,其持续时间呈指数减少趋势,其频数、持续时间和中心位势高度均呈夏强冬弱。(4)33°—36°N,80°—90°E是TPV出现的高频带,其高频轴线位于35°N附近,那曲地区西部和阿里地区北部是其高频中心;西部涡、中部涡和东部涡分别占TPV总数的32.6%、46.0%和21.4%;东移型、准静止型和西移型TPV分别占TPV总数的61.4%、34.3%和4.3%。(5)基于该识别方法建立的TPV数据集,可为进一步开展TPV研究提供重要参考依据。

青藏高原低涡的演变机理、多尺度变化及其对全球地震活动的制约

本文系统阐述青藏高原低涡的演变东移机理、青藏高原低涡的演变机理、多尺度变化及其对全球地震活动的制约关系。

高原低涡移出高原后持续的对流层中层环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、历史天气图与青藏高原低涡切变线年鉴,在普查和分析1998-2012年持续强影响青藏高原低涡移出高原与持续强盛时的500 hPa环流形势及影响系统的基础上进行了分类,并对不同类型的持续强影响高原低涡在移出高原与持续强盛时的物理场进行了合成与对比分析。结果表明:持续强影响高原低涡以两高切变东阻型对中国降水影响最大,主要影响河套地区,切变线类、热带低压影响型、低槽前部类主要影响地区分别是黄淮流域、西南地区、长江流域;持续强影响高原低涡移出高原后,对40°N以北环流形势依赖性不强,主要是受高原低涡周边对流层中层西风带天气系统、副热带天气系统与热带天气系统相互作用造成的。研究分析还揭示了各类高原低涡移出高原后持续的对流层中层共同的大尺度条件及其主要差异。

风场对高原涡在河套地区打转影响的初步分析

利用NCEP/NCAR 2000,2002和2005年7-8月的再分析资料,对伴有热带低压向北活动的在河套地区打转的3个高原低涡个例,在不同活动阶段的对流层中层风场与涡度收支进行分析。结果表明,热带低压活动可影响持续高原涡的环境风场,环境风场改变了持续高原涡的风场结构,使低涡风场成非对称结构;持续高原涡在河套地区打转活动所伴的正涡度的维持与发展的动力机制主要取决于总涡度变率正值的发生与发展的各贡献项;处在低槽与横向、纵向不同分布的切变环境场中的低涡对涡区正总涡度变率贡献机制是不同的,在低槽与横向切变环境场中活动的低涡的维持与发展的动力机制主要是与辐合流场维持及发展对正涡度变率的贡献密切相关,在纵向切变环境场中活动的低涡的维持与发展的动力机制与环境场中低涡东、西两旁分别为偏南、北气流造成的水平绝对涡度平流输送项对正涡度变率的贡献密切相关;在切变环境场这一较弱的天气系统中的低涡是移向正总涡度变率中心区的。

准平直长路径与多折向路径东移高原涡的环境场特征

利用1998—2018年NCEP/NCAR全球最终分析数据、大气观测资料、青藏高原低涡切变线年鉴,采用合成方法分析了准平直长路径和多折向路径东移高原低涡的环境场特征,探讨了低涡折向的主导因素。结果表明:准平直长路径低涡、多折向路径低涡长时间活动的共同环境场特征是有明显影响低涡活动的天气系统,副热带高压(简称副高)位于高原低涡东南方,高原低涡以北上空伴有东、西段急流;低涡有正涡度平流输入,高原低涡上空为辐散区,高空高位涡下传到低涡。同时,二者环境场特征存在明显差异,多折向路径低涡伴有较强的热带低压活动,是在副高、西风带天气系统、热带低压相互作用的环流背景下,高原涡东移受阻而折向;准平直长路径低涡是在西风带天气系统为主导的环流背景下向东移动;准平直长路径低涡受冷空气、西南气流与高空锋区的影响比多折向路径低涡强,造成了准平直长路径低涡的正涡度平流、位涡、斜压性、高空辐散比多折向路径低涡强。多折向路径低涡折向的主导因素是环境场条件使低涡在减弱、东移受阻的情况下高空高位涡中心在低涡西部上空,高位涡下传使低涡加强的强正位涡异常区出现在低涡西部,低涡移向低涡加强的区域。

一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征研究

利用第三次青藏高原大气科学试验的垂直探测Ka波段毫米波云雷达(Ka-MMCR)、K波段微降水雷达(K-MRR)和地面雨滴谱仪,结合天气雷达、ERA-Interim再分析资料和FY-2E卫星资料,对那曲2015年8月13-14日一次高原涡过境的不同云-降水垂直结构和特征进行了研究和对比.结果表明:随高原涡移动,那曲上空先后出现"深厚强对流云-降水(DSP)-深厚弱对流云-降水(DWP)-浅薄对流云-降水(SP)"三个阶段.DSP时间尺度最短、对流最旺盛、发展高度最高,内部的强上升气流使冰晶与过冷水冻撞形成粒径较大的霰粒子,随后又快速沉降并融化成大雨滴,回波垂直变化表现为随高度从上到下Z_(e)逐渐增大和V_(T)逐渐减小;DWP时间尺度最长、对流强度和发展高度次于DSP,内部主要是冰晶的淞附或聚并增长,随后融化成雨滴,从8 km到融化层Ze的垂直变化幅度较DSP更大,但VT减小的速率仅为-1 m·s^(-1),融化层前后Z_(e)突增和V_(T)的突降现象比强对流云更为显著;SP对流强度最弱、发展高度最低,由尺度非常小的积云紧密排列组成,垂直变化大体趋势与前者一致.三个阶段云-降水观测到的回波亮带明显程度为DWP>SP>DSP,雷达谱偏度也可作为判断亮带的重要指示.三个阶段云-降水雨滴谱的宽度和数浓度量级都表现为DSP>DWP>SP.

涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅰ:PV-Q观点

基于从三维埃尔特尔位涡(PV_e)方程推导出的垂直涡度的拉格朗日变化方程,从位涡和非绝热加热(PV-Q)的观点研究涡旋的发展和移动,阐明了涡旋中非均匀的非绝热加热在垂直和水平方向的非对称分布对涡旋发展和移动的影响。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬一次青藏高原低涡的发展和移动过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑山青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。低涡的垂直涡度发展可分解成由非绝热加热、位涡水平分量(PV_2)和静力稳定度(θ_z)变化引起的3个部分。结果表明,在大多数情形下,非绝热加热对垂直涡度发展起着主导作用;其次是位涡水平分量(PV_2)变化的作用;当稳定大气变得更稳定时θ_z变化起负作用,当大气趋向中性层结时θ_z变化则起正作用。2008年7月22日06—12时(世界时),当青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时,低涡加强主要是由位于涡旋东边的强降水凝结潜热加热引起的。非绝热加热的垂直梯度在非绝热加热的最大中心的下(上)层产生正(负)PV_c制造,正的PV_e制造不仅加强低层涡旋的发展,而且,增强涡旋的垂直范围。非绝热加热的水平梯度对位涡变化的影响取决于加热中心处的水平风的垂直切变,其在该水平风的垂直切变的右(左)边产生了正(负)的PV_e制造。水平风的垂直切变的右边的正PV_e制造不仅加强了该处的垂直涡度,而且,影响着低涡的移动方向。这些诊断结果证实了PV-Q观点的理论结果。