近十年我国涡旋系统的研究进展

近年我国暴雨和强对流等中小尺度灾害性天气频发,涡旋是产生这些灾害天气的重要天气系统之一。为了不断提高对我国涡旋及其产生的暴雨和强对流天气发生发展机理的认识和预报准确率,本文对容易引发长江流域沿线灾害天气的三类涡旋(高原低涡、西南低涡和大别山涡)及对北方地区暴雨、强对流天气有重要影响的东北冷涡、中亚低涡的主要研究成果进行了梳理。主要回顾了近十年这些涡旋的识别方法、时空分布统计特征、三维结构以及产生的暴雨、强对流天气机理。最后,对与涡旋系统以及相关天气的研究与预报中的问题、未来发展方向进行了简要讨论和展望。

近十年高原低涡与中亚低涡研究进展

高原低涡是青藏高原地区特有的天气系统,作为青藏高原地区夏季的主要降水系统,其发生发展和移动对高原周边及其下游广大地区的天气气候具有重要的影响。而中亚低涡是引起青藏高原西北新疆暴雨、短时强降水、冰雹、持续低温等灾害性天气的重要系统之一,同时也显著影响其周边甚至我国东部和南部地区的天气气候。高原低涡和中亚低涡是位于不同纬度、范围,主要在500 hPa等压面活动的低涡系统,与青藏高原及其周边地区密切联系,且都位于我国西部上游,其对下游广大地区的天气气候影响深远。目前,在高原低涡和中亚低涡基本定义、活动特征和天气影响等多方面都已取得了大量成果,但对于两低涡之间的可能关系及其影响却鲜有涉及。本文在回顾已有研究成果的基础上,总结了近10年关于高原低涡与中亚低涡研究的主要进展并指出了存在的问题,强调了开展高原低涡与中亚低涡两者关系的分析研究是未来的重要方向之一。

一次中亚低涡中期过程的能量学特征

中亚低涡是中期时间尺度(4天以上)的对流层深厚切断低压系统,也是造成新疆暴雨(雪)、持续低温天气的重要影响系统之一,对其形成、维持和减弱的能量特征还不十分清楚。利用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)2.5°×2.5°逐日再分析资料和有限区域能量循环方程,对1996年7月10—20日造成新疆区域两次暴雨过程的中亚低涡系统进行分析,以揭示低涡持续活动11天的能量循环和转换特征。分析结果表明,中亚低涡活动具有明显的阶段性能量学特征。这次低涡发展和减弱过程处于斜压不稳定状态,扰动动能来源于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展,同时区域内部非绝热加热制造的一部分扰动有效位能向外输出,在减弱期扰动有效位能向外输出大于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,因此低涡逐渐减弱。低涡成熟期处于正压不稳定状态,系统内部的能量转换很小,扰动动能来自于外界扰动位能输入,支出项为向开放边界的扰动动能输出。低涡过程各个时期纬向平均动能向扰动动能的转换都很小,即正压不稳定造成的能量转换较弱。低涡活动过程中,在对流层中、高层扰动动能很强,表明中亚低涡是主要在对流层中、高层活动的天气尺度系统,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送主要发生在中、高层,扰动位能和扰动动能的变化很好地反映低涡的强度变化和发展阶段,且能量的垂直输送对低涡系统的发展也有一定促进作用。

中亚低涡背景下新疆阿克苏地区一次强对流天气形成的干侵入机制

利用风云卫星资料、地面自动站资料、NECP/NCAR(0.25°×0.25°)再分析资料,对2017年6月7日一次中亚低涡背景下新疆阿克苏地区强对流过程的干侵入特征进行分析。结果表明:(1)此次强对流天气发生在稳定的"两脊一槽"环流形势下,产生于中亚低涡底部西北气流中。强对流过程伴随着α-中尺度对流云团的发展和低层α-中尺度涡旋的活动,强对流天气发生在α-中尺度对流云团TBB梯度最大处和低层生命史较短的α-中尺度涡旋配合切变线活动期间。(2)干侵入增强了大气的位势不稳定,为对流发展储备充沛对流有效位能,为α-中尺度对流云团和α-中尺度涡旋的发生、发展提供有利的环境条件。(3)应用湿位涡对干侵入过程诊断分析发现,低层湿位涡的垂直分量(MPV1)负值带(湿位涡的水平分量(MPV2)正值带)的分布和移动代表了低层对流(斜压)不稳定区和辐合区的分布和移动,强对流发生在MPV1负值中心(MPV2正值中心)附近。中低层负的MPV1、正的MPV2有利于低层气旋式涡旋发展,涡旋演变为切变线,将水汽和能量向上输送,产生强对流天气。

中亚低涡背景下新疆连续短时强降水特征分析

利用新疆2005-2014年5-9月经过整编的105个气象站逐小时地面降水资料、美国国家环境预测中心和大气研究中心 NECP/NCAR的空间分辨率为2.5毅伊2.5毅逐日再分析资料,提出了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水定义, 分析了中亚低涡背景下新疆连续短时强降水的时空分布特征,中亚低涡不同发展阶段新疆连续短时强降水的环流特征.结果表明： （1）中亚低涡背景下新疆连续短时强降水呈现北部多于南部、 西部多于东部、 山区多于平原和盆地的分布特征, 4个高频中心分别位于塔城北部、 伊犁河谷、 中天山、 南疆西部山区, 海拔在 1800耀2000m的站点出现次数最多. （2） 近 10 a5-9 月,中亚低涡背景下新疆连续短时强降水具有明显的日变化, 呈单峰分布型, 主要发生在14-04时, 约占76豫, 峰值在18-22时. 连续短时强降水有明显的年变化, 7月最多, 达 0.9次/a, 8月次之, 为 0.8 次/a, 5 月最少, 只有 0.1次/a. （3） 中亚低涡发展期低涡西南部强锋区造成短时强降水, 成熟期分为长时间和短时间持续短时强降水环流型.长时间环流型低涡前部强西南气流造成短时强降水, 短时间型分低涡前强西南气流和低涡底部强锋区造成短时强降水, 消亡期低槽后部西北气流和低槽前部西南气流均可造成短时强降水.

中亚低涡造成新疆北部区域暴雨成因分析

利用区域自动站、常规观测、EC细网格、卫星云图TBB及FNL资料,对新疆北部2013年6月20—21日区域性暴雨天气成因进行分析,并与前期南疆暴雨进行对比。结果表明,中亚低涡是该过程主要影响系统,暴雨由对流层中低层及地面中尺度系统直接造成,云图及自动站风场均监测到γ中尺度系统。受阿尔泰山脉西北段高东南段低及沙尔巴斯套北高南低的地形作用,中尺度低涡及850 hPa沿山前西北上的气旋性涡旋在暴雨区旋转、滞留、增强,使散度低层辐合、高层辐散结构与垂直上升运动在同一时次达最强,助推暴雨增幅。此次暴雨过程与南疆发生的暴雨存在一些差异。

一次中亚低涡造成的新疆暴雪天气过程分析

利用实况观测资料、EC/T639数值模式预报资料和NCEP1°×1°再分析资料,对2012年2月一次由中亚低涡造成的冬季新疆西部地区典型暴雪天气过程的环流特征和物理量场进行了综合分析。结果表明:此次暴雪天气过程属欧洲脊发展、中亚低涡东移造成的新疆西部及天山北坡的降雪过程。200 hPa西南急流使高层辐散,起到"抽气机"作用;500 hPa偏南气流与700 hPa东风急流为暴雪提供了水汽和热量的输送,同时加强了抬升运动;高层辐散、低层辐合以及较强的上升运动是暴雪发生的动力条件,上升运动的强盛发展阶段对应降雪强度最大时段;水汽的垂直输送导致局地比湿显著增大,深厚的湿层和强烈的水汽辐合为暴雪提供了充沛的水汽条件;云图上"干侵入"出现的时间与位置可以大致判断强降雪出现的时间和位置。

“96·7”中亚低涡持续活动能量转换和频散特征

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了1996年7月11—22日中亚低涡持续活动发展、维持和减弱过程中三维结构及其能量转换和频散特征。结果表明:(1)中亚低涡在对流层中高层发展并向高层和低层延伸,最大正涡度中心始终位于中高层,存在300h Pa以下为冷心、以上为暖心结构的气旋性深厚天气尺度系统,其发展—成熟—减弱过程最大正涡度中心由低涡中心西侧逐渐移至东侧,并对应低层辐合、中高层辐散的强上升运动。(2)扰动动能(KE)变化定量地反映中亚低涡强度变化和发展阶段,对流层中、高层KE强,同时,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送也主要发生在中、高层。低涡发展过程KE来源于扰动位能(AE)的转换和区域开放边界的扰动动能输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展。低涡成熟期系统内部的能量转换很小,KE来自于外界扰动位能输入,消耗项为向开放边界的扰动动能输出。(3)此次低涡持续活动过程平均而言,东北大西洋反气旋式异常环流中心是罗斯贝(Rossby)波能量的频散源地,波能量向东欧—乌拉尔山频散,东欧—乌拉尔山正异常环流成为向中亚地区能量频散的"中继站",此地重新激发罗斯贝波向中亚地区频散使得中亚低涡持续活动了12d。(4)中亚低涡不同发展阶段罗斯贝波能量频散路径有所不同。发展和稳定维持期,东北大西洋正异常环流向东欧—乌拉尔山地区的能量频散过程显著,使得东欧正异常环流强盛发展并作为能量"中继站"向中亚地区频散能量,从而导致中亚低涡快速发展和稳定维持;减弱期,东北大西洋罗斯贝波能量向东南方向频散在地中海东部地区进入亚洲副热带西风急流,然后沿亚洲急流向东频散,使得中亚低涡维持,这阶段东欧—乌拉尔山地区不再出现向中亚地区的能量频散。

一次中亚低涡的动力热力结构及演变特征

利用NCEP再分析1°×1°资料对2009年9月4-7日造成新疆西南部一次暴雨过程的中亚低涡的动力热力三维结构及演变特征进行了分析,并初步探讨了低涡的发生、发展机理。结果表明:此次中亚低涡具有明显的冷心结构且较为深厚,首先在对流层中高层发展(300 h Pa高度上低涡中心及演变特征最为明显),随时间向低层延伸,其发展—成熟—减弱过程是一个斜压—正压—斜压的过程。成熟期,300 h Pa之下均为冷异常,冷中心与高度中心相重合,轴线趋于垂直;低涡中心附近对流层整层均为正涡度区,在其东西两侧300 h Pa高度上存在对称的正涡度中心;低涡中心附近对流层低层辐合、中高层辐散的结构有利于上升运动及中亚低涡的维持发展。减弱期,冷中心强度明显减弱,轴线向西倾斜,低涡中心附近对流层中高层出现负涡度区,无明显辐散辐合和上升运动。此次过程中,上升运动与充足的水汽相互配合,引发强降水。对流层"上干下湿"的空间结构、冷空气向下传递以及高位涡的侵入和向下传递对低涡的发展演变有重要意义。

南疆西部一次罕见大暴雪过程分析

利用高分辨率卫星资料、多普勒雷达产品、常规观测和再分析资料,分析了2011年2月25-28日南疆西部一次历史罕见大暴雪天气过程的多尺度特征和物理量配置。结果表明:中亚低涡是此次大暴雪天气过程的主要影响系统,强降雪期间高、低空风场配置与夏季南疆西部典型暴雨过程类似。冬季低空偏东急流中心最大风速超过20 m·s^(-1)较为罕见。南疆西部三面环山,低空偏东急流先于高空西南急流12 h在南疆盆地东部建立,有利于将南疆盆地东部的水汽向西输送并在南疆西部汇合;受地形影响低层气流向西汇合过程中也有利于垂直上升运动的生成。大暴雪过程中存在偏西、偏东和偏南三支异常水汽输送,其中偏东水汽输送最为重要。两个β中尺度云团是造成大暴雪的主要系统,强降雪出现在云团内部局地增强阶段。大暴雪过程中以层状云雷达回波为主,局地回波强度梯度较大、边界清晰,具有一定短时弱对流特征。

新疆及周边中亚地区中亚低涡背景下云中液态水分布研究

利用2003—2014年5~9月中亚低涡发生时的AIRS Version 6 Level 2卫星资料,分析中亚低涡活动规律以及云中液态水空间分布。结果表明:(1)北涡型中亚低涡共发生97次,南涡型共88次。中亚低涡中心更易向南移动。(2)整体来看,云中液态水呈现山区多盆地少的趋势,在帕米尔高原、天山和昆仑山脉的山区以及咸海附近均大于100×10-6 kg·m-2。在准噶尔盆地、哈密盆地和塔里木盆地东部地区小于1×10-6 kg·m-2。(3)中亚低涡发生路径越偏南,云中液态水柱越低。关于云中液态水柱,北涡路径较南涡路径更多。研究结果将为进一步认识中亚低涡强降水天气系统提供参考。

1971-2010年中亚低涡活动特征

利用1971—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,对中亚低涡的活动规律及不同移动路径对新疆天气的影响进行分析。结果表明:40年共出现305次中亚低涡过程,低涡成熟期维持日数共1166 d;中亚低涡随纬度分布有两个高频活动区域:47.5°～55°N(北涡)和35°～47.5°N(南涡),北涡表现出明显的季节变化,夏季所占比例最大为52%,而南涡活动四季差别不明显。中亚低涡的成熟期生命史2～3 d占56%,4～5 d占27.5%,5 d以上占16.5%。低涡活动具有明显的月、季节、年际和年代际变化,且呈显著的年代际增加趋势。南、北涡均出现东北、偏东和东南向移动路径,并影响新疆不同区域的天气。中亚低涡可造成新疆出现低温大风天气(干涡)和强降水天气(湿涡),干涡占60%,且季节分布比较均匀;湿涡占40%,季节分布差异大,其中,夏季最多占57%,秋、春季次之。

中亚低涡背景下中天山地区一次短时强降水过程中尺度特征

利用常规气象观测资料、区域自动气象站观测资料及卫星、多普勒天气雷达、风廓线等非常规探测资料和美国气象环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)逐日4次的1°×1°再分析资料,对2015年6月27—28日中天山地区一次短时强降水过程的中尺度对流条件和对流系统特征进行分析。结果表明:此次中天山地区强降水天气过程是中亚低涡前部的东北—西南向气旋式切变和深厚的西南暖湿气流共同作用引发的,低层切变和气旋式辐合的动力抬升、地面中尺度辐合线是此次强对流天气的直接触发因子。里海和咸海南侧的水汽沿着中亚低涡底部的偏西气流和前部的西南气流输送至强降水区,为此次短时强降水过程提供了充沛的水汽条件。大气可降水量的跃变和风廓线产品的垂直变化特征与短时强降水的开始、加强及减弱具有较好的对应关系;红外云图反映了中天山地区短时强降水发生在对流云团云顶亮温(Temperature of Black Body,TBB)梯度最大处;短时强降水由低质心和高效率的降水回波造成的,降水强度与回波顶高度存在较好的正相关关系。

中亚低涡及其对新疆强降雨影响研究进展

中亚低涡是中亚干旱气候和独特地理结构背景下形成的具有区域特色的切断低涡系统,是影响中亚天气气候的重要天气系统。从20世纪60年代开始我国气象学者就关注并对其天气学特征进行了初步研究,直到2000年以后随着观测资料不断丰富和气象学理论发展,学者对中亚低涡定义、分类、活动特点、形成机制及其对新疆强降雨的影响进行了深入研究。本文梳理和总结了近20 a中亚低涡系统活动特征及其对新疆降雨影响研究,以及中亚低涡背景下典型暴雨天气环流配置和水汽特征、与暴雨和短时强降水相关的中尺度系统、暴雨多尺度天气系统协同作用等方面的进展,并提出需要进一步深入研究的科学问题。

中亚低涡背景下阿克苏地区一次强降水天气分析

为了加强对新疆暴雨过程的中尺度系统发展机理的认识,利用美国环境预测中心的FNL、欧洲中期数值预报中心的全球再分析资料、中国气象局提供的地面自动气象站观测资料、中国国家卫星气象中心提供的卫星辐射亮温(TBB)资料及WRF高分辨率数值模拟对2013年6月17-18日发生在新疆阿克苏地区的一次暴雨天气过程进行分析。结果表明,此次降水过程是发生在中高纬度"两脊一槽"的环流形势下,中亚低涡为这次暴雨的发生提供了有利的天气尺度动力及水汽条件;中亚低涡环流与天山南脉特殊地形造成的气流绕流叠加生成的中尺度辐合线是此次强降水的重要中尺度影响系统,山谷地形热力性质差异造成的下坡风推动辐合线移动,辐合线上发展的强对流引发了阿克苏地区的强降水。WRF模拟结果能够基本再现本次天气过程的降水落区、强度以及风场演变等。结合观测以及模拟资料进行的初步分析显示,西天山的阻挡导致偏南风在西天山南坡山谷附近产生堆积和辐合,山谷附近有局地的地形辐合线形成。同时,随着大尺度环流形势的调整,中亚低涡移动至阿克苏地区附近后,低涡南部的偏西气流一部分直接越过西天山变为西北风,另一部分穿过伊犁河谷转为东北风,这两支气流共同加剧了天山南脉阿克苏地区的偏北气流,促进了西天山南坡山谷附近中尺度辐合线的加强。辐合线以东的偏东气流带来的水汽在天山南脉前堆积,随着夜间山谷下坡风的增强作用,中尺度辐合线在向东南方向推进过程中不断发展加强,配合山脚堆积的水汽和辐合抬升,不稳定能量释放,对流发展,为阿克苏地区带来强降水天气。

中亚低涡背景下南疆西部两次强冰雹环境场对比分析

利用常规资料、14：00 加密探空、NCEP1毅伊1毅再分析资料, 对比分析2013 年6月18日和2014年6月23日南疆西部两次强冰雹环境场及物理机制, 表明两次冰雹环境场有相同之处：在环流经向度较大的中亚低涡背景下,前期有明显降水,傍晚前后由中亚低涡后部西北气流下产生,高空干冷平流、低层暖湿环境、较大的垂直温度递减率及低层辐合线或切变线为冰雹天气提供了强不稳定层结和动力触发条件,为冷平流强迫类型.但两次冰雹中亚低涡位置、强度、物理机制变化等有所不同：“6 ·18” 中亚低涡压至南疆西部,低涡强,西北风大,而“6· 23”中亚低涡在巴尔喀什湖附近, 位置偏北, 低涡较弱, 西北风较小; 6· 18”偏西北气流、风 （垂直） 切变、强回波伸展高度、层结不稳定、水汽及动力等变化均较“6· 23”明显偏强;“6· 18”的0益层和-20 益层的高度均比“6·23”的低 300~400m;“6·18”低层南疆盆地偏东风日变化明显, 即傍晚到夜间增强, 山前东西风辐合促使上升运动发展, 并有明显的中尺度垂直环流圈,而“6 ·23”低层为西北风风速辐合及与偏东风的切变.

近10a新疆短时强降水湿度层结及大气能量结构特征分析

为更好地把握中亚低涡造成新疆短时强降水天气过程的机理特征,利用温度露点温度廓线图(T-lnP图)和大气位温-风矢能量图(V-3θ图)研究了中亚低涡背景下新疆短时强降水的湿度特征和大气能量结构特征。主要结论有:(1)根据对短时强降水T-lnP图及湿度特征的分析统计,将短时强降水分成三类:对流层高低层干而中层湿度大型、对流层中层干燥型、对流层整层湿度都显著型。其中第一类最多,占短时强降水总个例的60%;而第二类和第三类分别占27.5%、12.5%。(2)一般在短时强降水天气发生前V-3θ图特征为:三条θ曲线呈曲折增长;有"顺滚流"结构存在;有"蜂腰"形构造;有较为浅薄的超低温层存在。

近10 a中亚低涡背景下新疆短时强降水环境场分析

为更好地把握中亚低涡造成新疆短时强降水天气过程的机理特征,为新疆短时强降水预报预警提供参考和依据,利用FNL资料、探空资料等,运用天气学原理、动力诊断分析方法等,研究了中亚低涡系统不同部位发生的三类短时强降水的环境场特征及环流配置。结论表明:(1)短时强降水发生在500 h Pa中亚低涡前部西南气流下为最多。(2)A指数在新疆地区短时强降水降水预报中意义不大。(3)中亚低涡背景下新疆短时强降水天气的配置一般属于高空冷平流强迫类。(4)三类短时强降水形势配置的共性:在低涡背景下,对流层中高层都有显著气流存在,低空有切变线存在,近地面往往有辐合线,700 hPa左右往往有湿舌。异性:第I类短时强降水湿度条件较好,第Ⅱ类短时强降水高低空温差较大,第Ⅲ类短时强降水垂直风切变较强。

乌鲁木齐7·17暴雨的天气尺度与中尺度特征

新疆位于半干旱地区,2007年7月13—18日新疆沿天山一带多站出现暴雨。利用每分钟与小时降水资料、常规地面与高空观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、静止卫星云图资料与雷达资料进行分析,重点考察2007年7月16(?)17日乌鲁木齐暴雨过程(7·17暴雨)的天气尺度及中尺度特征,并与1996年同期暴雨过程以及我国东部暴雨过程进行对比。结果表明:该降水是一次大尺度斜压过程,中亚低涡是该暴雨过程的主要影响系统,但其位置、形态与强度均不同于1996年过程;干冷空气侵入加强了大气的对流性不稳定,对暴雨的加强和发展起重要作用;该暴雨过程的水汽主要来自于青藏高原东部—甘肃西部一线以及南疆北部;该暴雨过程中有明显的γ-中尺度对流雨团发生,径向速度辐合可能是γ-中尺度对流雨团的重要触发机制。

南疆西部暴雨过程的动力热力结构分析

利用常规气象观测资料和ECMWF提供的ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析资料,通过对2012年5月21~23日和2013年5月26~29日南疆西部两次暴雨过程中等熵面特征的对比分析,得到暴雨过程中的动力热力结构模型。结果表明:南疆西部暴雨过程是在中亚低涡系统影响下,高、中、低空急流耦合并叠加地形强迫的综合作用下形成的。中亚低涡前部中高层向东输送的冷空气翻山后下沉,与低层南疆盆地东部向西输送的冷空气汇合抬升,与中层暖空气交汇,同时上升运动加强促使水汽辐合凝结,是降水的重要原因,短时强降水时冷空气强度弱于暖空气,持续性降水时反之。中低层等熵面位涡与降水关系密切。