“23·7”华北极端暴雨精细特征和天气学成因分析

2023年7月29日至8月1日,华北京津冀地区遭受极端特大暴雨袭击,导致区域性洪涝灾害,造成重大经济损失和人员伤亡。为探明此次“23·7”华北极端降水过程的基本特征和形成原因,基于地面自动气象站分钟级降水资料、风廓线雷达和雨滴谱仪观测资料及ERA5再分析数据,揭示了“23·7”华北极端暴雨的精细特征和天气学成因。结果表明:(1)此次降水过程持续时间长、累计雨量极大,特大暴雨落区、突破降水量历史极值的国家级观测站站点密集分布在京津冀太行山近山地区,降水呈现显著极端性、区域性差异和阶段性变化。河北和北京太行山东侧迎风坡地区出现持续性、强度相对稳定的强降水过程,雨滴谱分布偏向于高雨滴数密度、小雨滴直径的海洋型对流降水;京津冀平原地区过程雨量明显小于山区,但中尺度对流雨带活跃,降水阵性、对流性特征明显。(2)在“杜苏芮”台风残涡、西太平洋副热带高压、大陆高压等天气系统协同作用下,中层位势高度场出现罕见的“北高南低”+“西低东高”的稳定天气形势。北上台风“杜苏芮”残涡在高压坝以及太行山、燕山地形影响下移动缓慢,残涡中心北侧的地形障碍流与低空东南风之间形成稳定倒槽,京津冀地区出现持续性低层辐合,同时配合来自南海季风和东部洋面台风“卡努”的双路水汽输送,导致京津冀地区出现长历时、区域性极端暴雨过程。(3)在阶段性降水发展过程中,与台风残涡相关的倒槽、暖切变线、低空急流等精细结构调控了中尺度对流系统的组织和发展特征,7月31日早晨至上午京津冀地区出现超过22 m/s的超低空东南风急流,配合对流和地形抬升等因素影响,降水强度明显增强,北京西部山前出现超100 mm/h的极端雨强。此次极端降水事件中的地形影响、中小尺度特征以及极端暴雨可预报性等问题尚待更深入研究。

沂沭泗流域2020年一次致洪暴雨天气特征及其成因分析

本文利用ERA5(European centre for medium-range weather forecasts re-analysis 5)逐小时资料、中国地面降水日值数据集(V2.0)和中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集(1.0版),对比分析沂沭泗流域2019年1909号台风“利奇马”和2020年8月13日特大暴雨2次致洪暴雨过程的时空特征。2次过程前期降水存在较大差异,“利奇马”过程降水持续时间长,影响区域广,过程雨量大,沂沭泗流域面雨量达1978年最强,但前期流域降水异常偏少五成以上。而8.13致洪暴雨过程前期沂沭泗出现多次强降水,降水异常偏多,降水较常年偏多八成,前30日累计降水总量为1978—2020年历史最大值。分析造成2020年前期降水异常偏差成因:7月20日~8月15日副热带高压强度异常偏强,脊线偏西,且贝加尔湖-蒙古地区冷涡不断有冷空气分裂南下,冷暖空气在江淮-黄淮地区对峙,沂沭泗流域有利于出现连续性强降水。此外,分析8.13致洪暴雨天气尺度和中小尺度系统可知,降水区处于东北冷涡底部和副高边缘,副高呈东北-西南走向,形成高压坝,有利于降水系统稳定少动;低层西南暖湿气流强盛、切变线维持。高、低空急流耦合作用使得低层辐合、高层辐散加剧,降水区垂直运动得以加强和维持。沂蒙山区地形不仅有利于流域坡面汇流,而且造成风场迎风坡辐合,对降水有一定的增强作用,并影响降水落区。最后,研究相对风暴螺旋度与强降水落区发现,两者具有较高的相关性,螺旋度对降水预报提前量超过4 h,且螺旋度中心值越大,雨强越大,螺旋度中心强度的维持预示着强降水的持续,因此相对风暴螺旋度在沂沭泗流域暴雨的预报中可作为重要的参考因子。

辽东半岛一次湿下击暴流过程分析

2020年9月11日辽东半岛南部发生了一次强对流天气,并出现了湿下击暴流,大连金州得胜站地面最大阵风达到21.7 m·s^(-1)。本文利用常规气象资料、大连多普勒天气雷达资料、欧洲中期天气预报中心第5代全球再分析资料和高分辨率中尺度数值模拟资料,对此次湿下击暴流天气过程的环流背景、对流风暴发生发展环境及其回波特征等进行分析。结果表明:(1)此次强对流天气发生在北上台风变性形成的高空冷涡东部西南风与东南风的切变线上,地面辐合线和低空急流是触发初始对流的直接系统,初始对流在高空辐散耦合作用下发展加强;对流系统西移登陆至地面冷池与其东部暖空气之间形成锋生带上,辐合抬升作用加强,促使对流系统组织化程度更高、强度更强。(2)高温、高湿、对流不稳定层结是对流系统发生发展的有利环境条件。强对流发生前,探空曲线“上干下湿”、呈“V”型分布,抬升凝结高度明显下降;湿下击暴流发生时,径向速度垂直分布为中层径向辐合、低层辐散;瞬时大风出现前后,大连多普勒天气雷达在高、低仰角均探测到超过45 dBZ强反射率因子缺口,高仰角强反射率因子缺口先于低仰角出现,通过监测高仰角强反射率因子的变化,对湿下击暴流有一定的预警作用。

浙江省梅汛期两次暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、衢州S波段双偏振雷达产品资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量资料、NCEP GDAS/FNL 0.25°×0.25°再分析资料,对浙江省2020年梅汛期两次暴雨(6月30日和7月7日)进行热力动力机制诊断,结果表明:(1)“0630”暴雨由东北冷涡后部冷空气与西南暖湿气流交汇形成的东北—西南向冷切缓慢南压配合低空急流东移引发,“0707”暴雨由东亚大槽后部弱冷空气与副高北侧暖湿气流交汇形成的稳定的东西向切变配合低空急流东移而造成。(2)锋生函数诊断分析表明“0630”过程锋生作用更强,冷暖气流交汇更显著,锋区斜压性更强;水汽通量辐合区和大气可降水量大值区偏北是“0707”暴雨落区偏北的重要原因。(3)“0630”过程对流层低层存在条件对称不稳定,“0707”过程为对流不稳定层结。(4)两次过程的集合动力因子信号与降水强度相关性具有以下特征:共性为湿热力平流参数和广义Q矢量散度与降水相关性最高,其大值区与未来6 h强降水区对应较好;特性为广义对流涡度矢量垂直分量在“0630”过程中与降水相关性较好,说明对流系统更为深厚,中尺度系统活动更为活跃;水汽散度垂直通量在“0707”过程中与降水相关性更佳,是由于该过程的降水主要和天气尺度系统作用下引起的强辐合上升运动相关。

中国西部地区暴雨过程高、低空急流耦合影响机制的个例研究

高、低空急流对中国暴雨有重要影响,但是其对中国西部地区暴雨影响的深入研究缺乏,其耦合过程及机制的研究更少。本文利用常规观测、加密自动气象站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,借助数值模拟,研究高、低空急流耦合效应对2018年7月8~11日中国西部一次特大暴雨过程的影响及其发生机制。结果表明:(1)此次暴雨过程是在中高纬东移冷涡低槽与副高西伸北抬的有利背景下产生的,高、低空急流耦合有利于暴雨的发展。(2)高、低空急流耦合主要通过次级环流和动量下传得以实现:高空急流加强高层辐散下沉,同时低空急流加强低层辐合上升,促使高、低空急流之间形成次级环流,其下沉支引导高层高值位涡向下层传播,形成动量下传,与中层高值位涡区相衔接,高、低空急流在中层耦合。(3)高、低空急流的耦合,加强了中层不稳定能量的聚集,促使低空急流加强发展;进而增强了辐合强度,促使上升运动加强,从而增强了降水强度。通过增减高、低空风速的敏感性试验发现,高低层风速的增减能够改变中低层最大位涡的增减,其基本对应了强降水时段,且位涡值越大降水强度越强。(4)高、低空急流强度共同对降水强度有重要影响:数值模式敏感试验表明,当同时增加高低空急流强度,降水强度将增强,而仅增加高空或低空急流,降水强度变化不大,但减弱高空或低空急流强度,降水强度均会减弱。

双低空急流对“21·7”河南极端暴雨的影响

利用全国自动气象站降水观测资料和欧洲中期预报中心(ECMWF)的ERA-5再分析资料,分析了2021年7月19~22日河南极端暴雨过程中双低空急流对降水的影响。结果表明,此次降水过程中,天气尺度低空急流(SLLJ)随低涡的发展自西南向东北移动,风向由东南风转为偏南风;边界层急流(BLJ)存在偏东向东南风的偏转,且其强度具有夜间强白天弱的日变化特征。降水过程存在两类耦合方式,第一阶段[19日20时(北京时,下同)至20日18时]为偏东风BLJ(E-BLJ)与东南风SLLJ(SE-SLLJ)的耦合形势,第二阶段(20日18时至22日08时)为东南风BLJ(SE-BLJ)与偏南风SLLJ(S-SLLJ)的耦合形势,降水均发生在BLJ的出口区和SLLJ的入口区。E-BLJ与SE-SLLJ耦合时,E-BLJ出口处的强辐合叠加山脉的动力抬升作用使降水区域对流层低层大气辐合,SLLJ入口区和天气尺度低涡系统使对流层中层大气辐散,为中尺度对流的发展提供了强有力的抬升触发机制。由于E-BLJ的范围较小、强度较弱,因此E-BLJ和SE-SLLJ的耦合作用相对较弱,降水主要受SLLJ的显著影响。SE-BLJ与S-SLLJ耦合时,SE-BLJ出口区的辐合与SLLJ入口区的辐散增强了对流层低层的上升运动,对流层中层的中尺度辐合与高空急流入口区右侧的辐散进一步增强了对流层中高层的上升运动。受双低空急流的共同影响,中尺度对流系统的强度和高度强烈发展,促进了强降水的发生。两种耦合方式下,双低空急流的水汽输送对强降水均具有重要作用,第一阶段SLLJ的水汽输送作用明显,而第二阶段BLJ的作用更加显著。

一次云南干季极端暴雨成因分析

利用NCEP再分析资料、常规及非常规气象观测资料,综合分析2015年1月9日云南干季极端暴雨天气过程.结果表明:深厚的南支槽、低空切变线及地面冷锋共同作用导致此次过程;强位相热带季节内振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)处于“湿窗口”期,对水汽输送及对流发展有指示作用;南支槽前西南低空急流输送充沛水汽,暴雨落区与水汽强辐合区基本一致;高低空急流耦合,云南处于高空急流次级环流上升支,受锋面抬升,锋区次级环流上升支与高空急流次级环流上升支叠加,形成极强的上升运动;西南低空急流输送不稳定能量,滇西南暴雨区以强对流天气为主,滇中暴雨区以稳定性降水为主;结合稳定度参数的综合分析,有助于判断云南干季强对流天气落区.

印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响

利用地面气象观测数据、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年10月18—19日青藏高原西部暴雪过程进行综合分析,研究印度北部低涡对强降雪天气的贡献。结果表明:本次强降雪过程在南支槽东移和印度低涡异常活跃的背景下产生,南支槽前高空急流和印度北部东西向两个低涡为高原西部强降雪提供了有利的环流背景;降雪期间,印度北部至喜马拉雅山脉以南地区东南风低空急流大爆发,建立了一条由孟加拉湾向西输送的水汽通道,使得孟加拉湾水汽能够向西输送;生成于印度西北地区的对流层低涡系统一方面阻挡水汽继续向西输送,有利于孟加拉湾的水汽在低涡东部聚集,另一方面增强低涡东部偏南气流与高原大地形之间的强迫作用,使得大量水汽能够源源不断地从对流层低层沿高原南坡陡峭地形向上爬升至高原,为强降雪天气提供充足水汽条件;高空位涡侵入是印度西北地区的低涡系统生成发展的重要原因。总的来看,印度北部的低涡系统在此次高原西部降雪天气中起了重要作用,在高原地区降雪预报业务中,有必要加强对低纬度地区对流层低层低涡系统的跟踪监测。

2019年9月12—14日陇南市持续性暴雨天气成因分析

本文对2019年9月12—14日陇南市出现的一次持续性暴雨天气过程的成因进行了分析。结果表明:此次强降水天气过程中副热带高压外围有较强的西南气流稳定维持,同时700 hPa存在明显的强风速带的辐合,低层强烈辐合为暴雨的发生、发展提供了动力条件;对物理量场分析发现,这次持续暴雨过程中,中低层有明显的湿层及水汽辐合,为降水提供了充足的水汽条件;对流云团演变特征表明,此次持续性强降水是在青海东南部的对流云与四川北部的对流云系东移合并加强后逐渐减弱的过程中发生的,具有明显的局地性。

A NUMERICAL STUDY ON THE INFLUENCE OF WIND FIELDS AT UPPER LEVELS IN THE MEIYU PERIOD ON THE DEVELOPMENT OF LOW LEVEL JET AND MESOSCALE SYSTEMS

Using a mesoscale model,a numerical study on a heavy rainfall case occurring in the Changjiang-Huaihe River Basin is made in this paper.The influence of the intensity of northeasterly wind in front of the Qinghai-Xizang high at upper level on the low level wind field and development of mesoscale systems as well as heavy rainfall is investigated.The model well reproduced the heavy rainfall process and the weather systems associated.And it indicates that the strong northeasterly flow around the high at upper troposphere will bring about not only the strengthening of low level southeasterly wind,but also the appearance of shear-line and mesoscale vortex at low level.The coupling of northerly wind at upper level and southerly wind at lower level constructs a vertical indirect circulation which is most favourable for the development of convective motions.Its ascending branch in the shear-line area is very strong and shows a pronounced mesoscale characteristic.

低空切变线与低空急流共同影响下浙江梅汛期暴雨落区分型

基于国家和区域自动气象站实况雨量资料、ERA5再分析资料、MICAPS常规观测资料,筛选出2015—2021年浙江地区12次梅汛期暴雨天气过程,对其暴雨落区进行分型,并对每一型暴雨影响系统的配置与变动情况进行分析总结。结果表明:浙江梅汛期暴雨落区与西太平洋副热带高压的变动、低空切变线的类型与强度、低空急流的强度和变动、高低空系统之间的相互配置密切相关,可以分为3类,即低空急流附近型、低空切变线附近型、低空急流与低空切变线之间型。

台风“暹巴”变性引发的铁岭地区暴雨过程分析

利用常规气象观测资料,从环流背景、天气影响系统、物理量场、数值预报模式等方面,采用天气学分析方法,对2022年7月6—7日铁岭地区区域性暴雨、局部大暴雨天气过程进行分析。结果表明:台风“暹芭”变性后的温带气旋、副热带高压的位置和低空急流的配合,为此次区域性暴雨提供了有利的条件;此次暴雨过程存在南北2条大暴雨带,与气旋发展、移动路径及低空急流的强度和位置密切相关;实况与数值模式对比检验分析对大暴雨落区的预报起到重要作用,具有一定指示意义。

低空急流在副高西北侧连续性暴雨中的触发作用

利用NCEP1°×1°再分析资料、常规高空及地面资料,对2008年9月22—26日四川盆地西北部连续性暴雨的形成机制进行探讨。结果表明:此次暴雨产生在副高异常强盛和强台风黑格比登陆西进的环流背景下,过程期间500hPa无低值系统影响,暴雨的主要触发系统是副高和台风外围持续强劲的东南风低空急流,持续的东南风低空急流为暴雨区输送了源源不断的水汽和不稳定能量,急流最大风速出口区辐合及地形抬升为暴雨形成提供了辐合上升的动力条件,过程期间暴雨区位于一个稳定正环流的上升支中。另外,冷空气在此次过程中也起到了重要的作用。

夏季长江中游大暴雨过程中天气系统的共同特征

通过对长江中游 8次大暴雨过程的合成分析研究 ,揭示了长江中游大暴雨发生前后 ,对流层高空急流轴和低空SW急流的演变特征及其与大暴雨发生发展之间的关系 ,并进一步探讨了暴雨发生前 ,西太平洋副高的增强西伸与高空急流轴的东移之间存在的可能联系。

对流、湿度锋与低空急流的耦合——持续性暴雨维持的一种可能机制

根据暴雨发生和持续依赖于对流层低层水汽辐合的事实,重点针对持续性暴雨维持机制这一重要问题,从天气学和动力学方面分析了1989年7月9～10日四川盆地东部持续性暴雨维持机制。分析结果发现,大气运动非平衡强迫、凝结降水的非均匀分布与强烈垂直风切变的耦合作用、“湿度锋”与低空急流的耦合相互作用通过促进低空辐合流的维持,导致了对流云团和暴雨天气的持续。

高低空急流耦合对长江中游强暴雨形成的机理研究

对 1 998- 0 7- 2 2 T0 8— 1 4发生于武汉附近的一次强暴雨过程的分析发现 ,这次强暴雨发生于南方暖区与北方冷空气脱离的孤立系统中 ,副热带经圈环流上升支是暴雨发生的大尺度背景场 ,它的低空入流和高空出流对大尺度雨区的生成与维持具有重要作用。边界层南风急流、低空西风急流和高空西风急流上下的耦合作用是强暴雨发生的重要原因。 92 5h Pa上边界层偏南风急流是暴雨区所需水汽的最大提供者和暴雨区对流不稳定能量释放的触发者 ,850 h Pa上低空偏西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区中低空的对流不稳定 ,2 0 0 h Pa上中纬高空西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区高空的条件对称不稳定 ,三者上下耦合使得中低空对流上升运动得以向上发展和加强 ,从而产生强暴雨。

云南一次持续性风雹过程中低空急流的若干特征

本文分析了１９９７年３月１５～１９日滇南一次持续性风雹天气过程中低空急流的动力、热力特征及其与昆明准静止锋的关系。结果表明，大风冰雹出现在急流轴左侧具有较强正涡度及风场气旋式切变的区域内；当低空急流区伴随强的辐合上升运动且低层有冷气活动时，有利于风雹天气的发生；风雹地区具有较强的斜压不稳定层结。

2010年辽宁主汛期暴雨过程副高、急流及层结特征分析

利用辽宁逐日降雨量、NCEP/NCAR逐日再分析资料、副热带高压等资料,对2010年6—8月西太平洋副热带高压脊线、北界、西界和高、低空急流及层结结构的特征与6次暴雨过程的起止时间、降雨强度、降雨性质的关系进行了分析。结果表明:2010年7—8月110°～130°E平均副热带高压脊线在81%的时间较常年同期偏北,平均副高脊线位置较常年偏北了2.7°;6次暴雨发生期间,副高脊线均位于27°～35°N之间,130°E附近副高588dagpm线北界均位于38°～45°N之间,35°N附近副高588dagpm线西界均位于110°～130°E之间;强降雨主要出现在850hPa低空急流建立下,200hPa高空急流发展到最强后、强度逐渐减弱、急流核逐渐南下的过程中;在分析特征的基础上,凝练预报指标,为今后类似的区域性暴雨预报提供参考。

山东“7.18”致灾暴雨成因分析

利用实况观测资料、中尺度自动站资料和NCEP再分析资料,对2007年7月18日山东省大暴雨过程进行了诊断分析,同时还分析了暴雨致灾原因。结果表明,本次大暴雨是由高空冷涡南部的低槽、底层准东西向切变线、副热带高压西北边缘的暖湿气流以及来自东北南下冷空气共同影响所致。低层前期明显的持续升温为暴雨的产生创造了极好的热力条件,强盛的低空西南暖湿气流输送为此次暴雨提供了充足的水汽,同时山东上空低层高温高湿、能量增大,形成上干冷下暖湿的对流性不稳定层结。沿850 hPa切变线北侧东北气流迂回南下的冷空气与低空西南急流携带的暖湿空气在山东交汇,冷暖空气在对流层低层相互作用,具有明显的暖锋锋生特征,弱冷空气的低层侵入对暖湿空气具有抬升作用,促使对流发展和不稳定能量释放产生暴雨。地面存在中尺度辐合中心或辐合线的生成和发展,是这次大暴雨产生的启动机制,大暴雨的分布与地面辐合线的走向基本一致。降水历时短强度大,特殊的地势地貌是本次暴雨致灾的重要原因。

“21·7”河南特大暴雨水汽和急流特征诊断分析

2021年7月中下旬在河南省发生了一场极端强降水过程,暴雨持续时间长,累计降水量大,落区集中,造成了严重的人员伤亡。基于自动站雨量数据和ERA5再分析数据探讨了多尺度系统、急流和地形对水汽的输送和辐合及降水形成的重要作用和影响机制。结果发现:暴雨发生在远距离台风影响的有利环流背景之下,大量来自西太平洋的水汽从边界层和对流层低层进入河南东侧,来自南海的水汽从南侧对流层中低层进入降水区,在低涡、切变线和辐合线的共同作用下,引发强降水。低空急流与边界层急流的耦合形成低层水汽辐合上升中心,地形起到了动力阻挡抬升和热力抬升作用,并与急流综合作用,使强降水呈带状出现在山前,且20日位于豫中,21日在豫北。