2021年6月东北冷涡暴雨降水物理过程观测与模拟研究

本文针对2021年6月2~3日发生在辽宁和吉林两省的东北冷涡暴雨过程,利用多源观测和再分析数据,首先开展综合观测分析,进而利用WRF模式对此次暴雨过程的主降水时段开展高分辨率数值模拟,并结合三维降水诊断方程,开展宏、微观物理过程和暴雨形成机理模拟诊断研究。结果表明,此次暴雨过程降水范围广、局地雨强大、对流性突出;暴雨过程期间,东亚大气环流相对稳定,东北冷涡缓慢东移,携带冷空气南下,与偏南暖湿气流汇合,触发涡旋云系发展;两省位于高空急流核出口区左前方和偏南低空急流前侧,低层辐合—高层辐散的动力结构有助于强降水系统发展。伴随水汽辐合加强,云物理过程旺盛发展,水凝物含量显著升高,其中霰粒子通过融化成雨滴等云物理过程,对强降水起到重要贡献。云滴通过水汽凝结过程迅速增长,但同时由于云微物理转化过程而被大量消耗,用于云系发展和降水发生。降水强度受水汽收支和云收支过程共同影响,强降水前期,伴随强盛水汽输送与辐合,区域上空水汽含量显著增加,降水系统发展;强降水后期,伴随冷涡云系逐步东移,区域内辐合减弱,局地大气内水汽明显消耗,以继续支撑较强降水。伴随水汽局地辐合,水凝物旺盛发展(尤其是冰相水凝物)。过程初期,液相水凝物动力辐合与微物理转化过程共同支撑降水云系快速发展;降水峰值时段,上述两过程仍然活跃,但由于强降水显著消耗,水凝物含量局地变化不明显。整个暴雨过程期间,液相水凝物持续辐合,而冰相水凝物于初期短暂辐合之后,逐渐减弱为弱辐散,这一演变特征与局地热、动力结构及其演变有关。

2021年6月东北冷涡暴雨水汽来源和源区贡献分析

本文针对2021年6月2~3日发生在东北地区的冷涡暴雨过程,首先利用传统欧拉方法,初步分析了此次初夏东北冷涡暴雨过程的水汽输送与辐合特征,进而利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART和水汽来源与源区定量贡献分析方法,揭示出此次暴雨过程的水汽源地和源区定量贡献。结果表明:此次初夏冷涡暴雨过程期间,副热带高压偏南,东北地区主要受东北冷涡和其下游日本海弱高压脊影响,但对流层低层,副高主体与日本海弱高压脊之间存在气旋性切变流场,促成一支低空急流沿我国沿海地区北上,有利于东北地区南侧水汽向北输送,与东北冷涡后部干冷空气在辽宁和吉林省交汇,触发强降水。拉格朗日轨迹追踪显示,60%以上的目标气块来自降水区西侧和西北侧的亚欧大陆地区,这些气块初始位置高度较高,途径我国东海、黄海一带时,高度显著降低,并汇入偏南暖湿气流,进而流入目标降水区;还有部分气块来自贝加尔湖及其以东地区以及我国南海和中南部大陆地区,气块初始位置及行进过程中高度均较低。水汽源区对目标降水区的水汽定量贡献显示,东海—黄海至西北太平洋地区贡献最大(贡献率37.04%),中国大陆中东部紧随其后(贡献率30.05%),显著的水汽摄取和较低的沿途损失,使得上述两区域水汽贡献显著,而降水区局地摄取水汽的贡献排在第三位;此外,贝加尔湖及其以东地区和亚欧大陆中西部亦有一定贡献(尽管亚欧大陆中西部的水汽摄取总量亦较大,但绝大部分水汽在远距离输送过程中损耗),而印度半岛至中国南海地区水汽贡献最小。相对于传统的欧拉方法,拉格朗日方法可以更清晰地给出暴雨过程主要的水汽源地及其贡献。

贵州一次短历时极端暴雨的形成过程及机理分析

利用地面常规观测及加密自动站观测资料、FY-4A卫星云图、多普勒天气雷达和风廓线雷达产品、ERA5再分析资料,对2022年5月29日贵州中南部的一次打破历史记录的短历时极端暴雨过程,从其形成过程和形成机理等方面进行了分析。结果表明:(1)此次短历时极端暴雨是在典型的低槽冷锋形势下,由中-β尺度低涡和地形的共同作用造成;对流发生前,异常高的整层可降水量、低层强烈的水汽辐合、显著的水汽垂直递减率为短历时强降水提供了有利的水汽条件。(2)最强降水发生在MCC的形成和维持阶段,TBB的强度变化与降水强度变化一致,TBB最低值和10 min最强降水在同一时段发生;暴雨中心区受“人”字形回波和多个低质心的强回波单体重复影响,形成短历时极端强降水。(3)对流单体沿锋面及锋生区生成发展,锋前静力不稳定层结、低层辐合、高层辐散的有利配置使得对流移经时得到维持和增强,中-β尺度低涡、冷池和地形的共同影响也提供了维持条件,而对低涡、冷池和地形作用的把握不足是造成预报偏差的主要原因。

Analysis of the Regional Heavy Rainstorm Caused by A Cooling Shear Line

By using the conventional data,the rainfall data in the automatic weather station and so on,a regional heavy rainstorm which happened in the northwest and north central region of Shandong Province during May 9-10,2009 was analyzed.The results showed that the cooling shear line in low altitude was the main system which caused the heavy rainstorm.The rainstorm mainly happened on the left front of jet stream in low altitude,the right of cooling shear line in low altitude and the northeast quadrant of vortex.The southwest jet stream in the west of subtropical high established a water vapor passage from the South China Sea to the center of North China.It not only provided warm and wet air and energy for the development of heavy rainstorm,but also was the necessary condition which shear line in low altitude stagnated for a long time.Ground frontal cyclone was the trigger mechanism of rainstorm.The northeast wet and cold air joined with the southwest warm and wet air in Shandong after the front,which prompted the development of convection and the release of instable energy to form the rainstorm.

2020年8月28日~29日青海东部一次大到暴雨天气过程分析

针对2020年8月28日~29日青海省东北部一次大到暴雨天气过程,利用常规观测站资料、加密自动站资料、雷达资料、模式预报资料等分析造成此次天气过程的主要成因,结果表明:(1)此次降水过程范围广、强度强,暴雨降水落区集中,降水对流性质明显;(2)高低层配置有利于产生大到暴雨天气,500 hPa短波槽、700 hPa低涡、200 hPa高空急流为降水提供了有利的水汽条件和动力条件,低层偏东南气流输送水汽,中层西南暖湿气流输送孟加拉湾水汽,西南暖湿气流与冷空气交汇于青海省东北部造成此次大到暴雨天气;(3)中小尺度地面辐合线持续东移,为降水提供了触发机制;(4)降水大值区位于山谷之中,地形辐合对降水增幅作用明显。分析结果对今后预报类似大降水天气过程具有重要的参考意义。

一次东北冷涡过程暴雨及强对流天气分析

利用高空、地面等常规气象资料和多普勒雷达资料,对2022年6月4—7日影响吉林省辽源市的东北冷涡暴雨过程进行诊断,结果表明:此次冷涡降水主要发生在冷涡的发展与成熟阶段,类似于中间涡暴雨形势特征。冷涡降水具有日变化特征,午后极易发生强对流天气。暖锋的发展为短时强降水提供了初始扰动。干空气下摆侵入,增强不稳定层结,促使风雹天气发生。VIL值的跃增和减小与冰雹的出现和消散相对应。VIL高值不能说明大冰雹是否出现,还应与VIL高值维持时间相联系,维持时间越短,越不利于大冰雹的产生,这对冰雹直径的预报具有一定的指示意义。

一次东北冷涡暴雨的成因分析

利用常规观测资料、MICAPS资料、NCEP/NCAR1°×1°逐6 h再分析资料,从热力动力条件、层结条件等方面,对2022年6月4—5日内蒙古东南部地区的一次东北冷涡暴雨过程进行诊断分析,得出产生暴雨的天气尺度和中尺度系统特征。结果表明:此次暴雨是由东北冷涡前部暖湿切变造成的,鄂霍次克海阻塞高压阻挡,使冷涡移动缓慢,冷涡系统影响时间长、降水量增大。暖湿空气在切变处强烈辐合,与高低空急流耦合产生的次级环流上升支重合,地面中尺度切变线为暴雨云团的发展与维持提供了有利条件。低层强辐合区与高层强辐散区重合,为暴雨产生提供了动力条件;低空偏南急流为暴雨提供了充沛的水汽条件,同时低层增温增湿使大气层结不稳定。

齐齐哈尔两次暴雨天气过程对比分析

利用多种资料对发生在齐齐哈尔的两次暴雨进行对比分析。结果表明:(1)这两次暴雨都发生在副热带高压位置最北期间,都是副热带高压、高空冷涡和地面低压大尺度环流造成的;“8.3”暴雨比“8.6”暴雨副热带高压位置更偏西,地面低压中心值更低。(2)“8.6”暴雨过程齐齐哈尔地区水汽输送量更大、辐合更强、低层上升运动更明显、造成暴雨范围更大。(3)“8.3”暴雨雷达回波强度更强,55 dBz以上强回波排列紧密,呈现带状;“8.6”暴雨雷达回波,甘南县境内存在“列车效应”,且径向速度场零速度线呈“S”型结构,有明显的暖平流。

东北暴雨的研究

系统性研究东北暴雨将提高对东北灾害性天气的认识,有利于加深对中国暴雨的全面研究。对我国气象工作者在东北暴雨研究方面的工作进行了综述,并回顾了影响东北暴雨的几类主要天气系统,分别为气旋、台风、冷涡,着重回顾了在过去几十年中东北冷涡暴雨方面研究的进展。指出目前待解决的问题是:影响东北地区台风暴雨强度、分布及转向问题;东北冷涡的内部结构特征及其发生发展的物理机制、东北冷涡下中尺度对流系统的结构特征与暴雨的关系;引发东北地区强暴雨过程的水汽源地等问题。这些问题需要通过今后深入和细致的加密观测分析研究,以及利用长时间卫星遥感观测资料和雷达资料的论证才能逐渐认识清楚。

一次东北冷涡暴雨的水汽输送特征和位涡分析

通过对2010年7月27-29日吉林省一次较大范围的冷涡暴雨、大暴雨过程进行诊断分析，建立了此类暴雨的天气概念模型：200hPa呈现“两脊一槽”型，高空急流呈辐散状位于吉林省上空，急流中心最大风速≥60m／s；500hPa东北冷涡强烈发展，鄂海阻高稳定维持是此次强降水发生的重要天气系统，中心最大风速〉120m／s的偏西风急流带横穿吉林省中部；850hPa风速≥12m／s的3条急流带在吉林省中东部地区交汇，形成低层辐合、高层辐散的气旋性涡度柱，较强的垂直上升气柱一直向上伸展到500hPa附近，极有利于对流的发展和强降水的维持。通过计算整层水汽通量与吉林省逐6h平均降水量的相关矢量场，结果表明：偏西、偏南及偏北3条水汽通道在吉林省中南部汇集是此次强降水发生的重要条件，暴雨落区与整层水汽通量汇合区密切相关，水汽输送以经向（南北方）水汽流入为主。暴雨期间具有较好的动力、热力及能量条件，特别是湿对流有效位能明显偏强，强降水出现在对流有效位能（CAPE）值由极大值开始下降的过程中。干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一，≥1Pvu（位涡单位）的高位涡舌在下降的过程中，同时南移，与中部地区强降水落区自北向南移动相吻合。

东北冷涡的最新研究进展

本文系统性回顾2010年以来关于东北冷涡的气候特征、暴雨特征、强对流特征、冷涡的结构和发生发展机制、冷涡与平流层相互作用等方面的最新研究成果。这些研究的范围不仅包括直接受冷涡控制的东北地区,还包括冷涡外围地区,如华北、华中、华东、华南、西北和西南地区,这有利于加深对东北冷涡天气系统的全面认识,从而提高冷涡天气的预报水平。并且展望了东北冷涡未来研究的重点方向,即采用新理论方法和较高分辨率资料,不局限于研究其内部结构、发生发展机制,以及冷涡产生的中尺度对流系统结构、运动特征、发展和触发机制,还应探讨冷涡与其他天气系统相互作用的物理机制,特别是冷涡外围地区。另外,冷涡与平流层的相互作用也值得进一步关注。

东北冷涡诱发的一次连续强风暴环境条件分析

从深对流发展必须满足的对流层低层有足够强的湿层、层结不稳定和足够强的触发机制出发，对2002年7月11～15日由东北冷涡诱发的一次连续强风暴生成的环境条件进行了诊断分析。结果表明：低层暖湿条件是冷涡强对流预报的关键．强大的冷涡由于冷性层结深厚难以诱发强的对流性天气，而其分裂的次涡度中心或弱的冷性低涡配合低层暖湿气流常常产生突发性强对流性天气；强的风垂直切变引发的斜压不稳定和垂直运动是强对流触发和维持的重要条件，风暴发生前边界层到500hPa风向随高度顺转超过90°，随着对流性天气的发展，850hPa以上风垂直切变逐渐减小，而850hPa以下可能受低层冷丘产生中高压的影响，切变有增大的趋势；冷涡诱发的强对流性天气常常位于高空急流出口区左侧，但在实际预报业务中需要配合散度场来进行综合判断。

2011年“7·31”东北冷涡外围中尺度涡旋暴雨分析

利用地面、高空、卫星、雷达等常规观测资料及NCEP再分析资料,对2011年7月31日黑龙江省西南部暴雨进行了成因分析。结果表明:该次暴雨是由东北冷涡外围中尺度涡旋自南向北移动,在黑龙江省再度发展加强,并维持较长时间造成的。水汽主要来自黄渤海、日本海海面,以及西北太平洋台风外围。暴雨落区出现在850 hPa风切变处,与地面中尺度涡旋紧密相连。从动力热力条件分析可见,高层涡先于低层涡,并诱使低层涡发展;高层辐散低层辐合耦合是暴雨产生的动力条件。从卫星云图可见,强降水落区位于向湿区伸出的干舌边缘干湿交界处,并且与TBB等值线的大梯度区重合。从雷达图可见,这种形势下的强降水是层积混合性降水。

一次东北冷涡衰退阶段暴雨成因分析

东北冷涡暴雨一般发生在冷涡发展阶段,冷涡衰退阶段发生暴雨的几率不高,在日常业务预报中往往容易忽视冷涡衰退阶段暴雨的预报,容易出现漏报的现象。作者结合观测资料和数值模拟结果,对2005年6月21日发生在吉林省中东部地区的一次暴雨过程进行分析。结果表明:这次暴雨发生在东北冷涡衰退阶段,强降水区处于非常弱的对流不稳定区,低空不同层次上急流的耦合与脉动,在时间和空间上形成"接力"之势,给雨区带来特定的水汽配置并在雨区上空形成合适的不稳定环境,导致雨区上空湿位涡的强烈增长,在弱对流不稳定和条件对称不稳定的共同作用下,层状云中形成对流并发展,产生了暴雨天气。重力惯性波是暴雨产生的可能触发机制。

2013年7月2-4日东北冷涡暴雨天气分析

使用NCEP 1°×1°再分析资料和地面降水量资料,对2013年7月2-4日东北冷涡引发的黑龙江省暴雨天气进行了分析。结果表明:1)在东北冷涡影响期间,黑龙江省逐小时雨量大都小于10 mm,但持续时间长,累积雨量大,中西部地区出现大范围暴雨天气。2)东北冷涡发展期,强上升运动与下沉运动的耦合,为暴雨提供了很好动力条件。3)从黄海、日本海到黑龙江省的低空急流为暴雨提供了充足水汽和能量,强降雨区水汽通量达到8 g·s-1·cm-1·h Pa-1,水汽辐合强于2×10-5g·s-1·cm-2·h Pa-1,850 h Pa的θse高于332 K。4)湿位涡变化显示,冷涡影响期间,降雨区上空有对流不稳定条件,有利于强降雨发生。正MPV1位涡舌从对流层高层下伸、东移与暴雨落区东移相吻合;东北冷涡发展期的大气斜压性强,降雨强。维持期、减弱期大气斜压性弱,降雨弱。对流层低层MPV2小于-0.2 PVU区域易出现强降雨。

2014年10月大气环流和天气分析

2014年10月大气环流特征如下:北半球高纬地区极涡为单极型,中高纬地区为5波型分布,南支槽偏北,西太平洋副热带高压与常年相当。10月,全国平均降水量29.5 mm,较常年同期(35.8 mm)偏少17.6%;全国平均气温11.2℃,较常年同期(10.3℃)偏高0.9℃。甘肃南部、东北东部和京津冀等地共有51站发生极端日降温事件,东北地区共有17站发生极端连续降温事件。月内共有3次强降水过程,其中,10月27-31日,海南及四川盆地、贵州至长江中下游一带出现大到暴雨天气过程,局地大暴雨到特大暴雨。10月,冷空气势力较弱,有两次主要冷空气过程影响我国。我国中东部出现4次大范围雾霾天气。江西、湖南南部和东部、广东大部、福建南部和西部、广西东部等地存在中度气象干旱。

2011年6月江淮梅雨暴雨主要影响系统特征

利用江淮梅雨期逐日降水资料与NCEP/NCAR的FNL分析资料,对2011年夏季江淮梅雨主要影响系统及环流特征进行了分析。结果发现,与典型梅雨期阻塞形势不同,2011年梅雨期中高纬阻塞形势有移动性特征,冷空气由于中高纬环流的发展导致极涡分裂南下而至;中高纬弱阻塞形势引起的切断槽提供了梅雨暴雨的动力条件;西北太平洋副热带高压脊线的变动是梅雨暴雨发展的决定性因素。同时分析了梅雨锋面系统、急流及其引发的高低空次级环流和干冷空气的侵入对暴雨的影响机制。

冷暖空气入侵对西南低涡发生发展影响研究

本文采用WRF模式模拟了2008年7月20～22日四川省一次由西南涡活动引发的大暴雨过程,并分析了对流层中层至中低层冷/暖空气入侵在西南涡发生发展过程中的作用,研究结果表明:冷/暖空气从北部入侵会改变对流层中、低层流场,当降低模式北边界温度,增强西北气流南下,致使四川省上空没有形成西南涡,取而代之为一深槽,同时雨区内上升运动减弱、低层辐合减弱,对流层中层温度增加、比湿略减小,雨区集中在深槽附近,雨区范围和强度都显著减弱且小于控制试验。增加模式北部温度引起北部东北气流向南输送,低值系统南移,增温促进了周围空气向降水中心辐合,增强了中低层大气的辐合上升运动,对流层中、中高层增温,雨带南压,雨区强度显著增强且大于控制试验。降低或增加模式西边界温度对流场、低涡强度和位置影响相对较小,降温使得低涡位置偏北、对流层风速增强与减弱区交替分布;增温使得低涡偏东、对流层中层至中低层风速减弱高层风速增强,二者对降水落区影响亦较小,对大暴雨中心强度有不同程度影响。

一次东北冷涡过程的结构特征与降水关系分析

利用FNL1°×1°逐6 h再分析资料、常规实况观测资料对近10年来一次最强典型东北冷涡区域性暴雨过程在东北冷涡环流演变不同阶段中的动力、热力、水汽条件及不稳定能量与降水的关系进行诊断分析。根据冷涡系统的环流特点,将冷涡过程划分为初生、发展、成熟和减弱等阶段。冷涡初生阶段,降水主要分布在垂直运动较强的位置,降水强度不大;发展阶段,斜压性较强,冷涡前部有大范围高层干冷平流、低层暖湿平流叠加,降水主要分布在冷涡前部切变辐合最强的位置,降水强度与低层辐合中心强度及垂直速度成正比;成熟阶段,冷涡演变为准正压结构,垂直上升运动的强度和范围都达最大,广泛分布在冷涡中心及前部,降水中心向冷涡中心移动,强度与发展阶段接近,该阶段降水与不稳定能量分布及中高层干冷空气入侵关系更为密切,但与动力因子相关程度下降;减弱阶段,降水变得分散,强度迅速减弱,与环流及物理量之间关系的规律不再显著。在冷涡演变的整个过程中,偏南、偏西及偏东的水汽通道对水汽的输送和集中是此次强降水得以发生发展的必要条件,其中偏南气流带来的水汽净流入是此次降水过程的主要水汽来源,降水区水汽净收入与降水强度之间存在明显的正相关关系。

初夏昆明罕见大暴雨分析

１９８６年６月６—７日，云南昆明出现了１９５１年以来一次最大暴雨。天气学与诊断分析表明，初夏云南可产生单点局地大暴雨，量级与盛夏、秋季相当。５００ｈＰａ干冷糟东移，７００ｈＰａ双涡吸引旋转西移，地面弱冷空气诱发静止锋锋生，强垂直风切变，昆明上空出现正反环流圈是该次过程的主要特征，与低纬高原地区区域性大一暴雨特征不同。