Impacts of Polar Vortex,NPO,and SST Configurations on Unusually Cool Summers in Northeast China.Part I:Analysis and Diagnosis

This study unveils the evolution of two major early signals in the North Pacific atmosphere-ocean system that heralded abnormal high-pressure blockings and cold-vortex activities across Northeast China, based on an analysis of the configurations of major modes including the polar vortex, the North Pacific Oscillation （NPO）, and SST in the preceding winter and spring and atmospheric low-frequency disturbances in Northeast China. We analyzed these aspects to understand the atmosphere ocean physical coupling processes characterized by the two early signals, and here we explain the possible mechanisms through which dipole circulation anomalies affect the summer low-temperature processes in Northeast China. We further analyzed the interdecadal variation background and associated physical processes of the two early signals.

Analysis on a Regional Heavy Rainstorm Process in North Henan

[Objective] The research aimed to analyze a regional heavy rainstorm process in North Henan.[Method] Based on routine weather chart,rainfall station in county and town,satellite cloud chart,etc.,by using synoptic diagnostic method,formation reason of the regional heavy rainstorm weather in North Henan during 18-19 August,2010 was analyzed initially from large-scale circulation background,influence system,physical quantity field and terrain influence.[Result] The strong precipitation had obvious meso-scale characteristics.The main influence systems were ground meso-scale convergence line,shear line at the middle and low layers,low-level southwest jet.The low-level southwest jet transported sufficient water vapor for generation of the heavy rainstorm.The ground converge line increased convergence ascending movement and water vapor convergence.Atmospheric divergence convergence center at the low layer was just in North Henan.Strong rise zone of the vertical velocity was also in North Henan.It provided sufficient dynamic condition for rainstorm generation.Generation,development and movement of the ground meso-scale convergence line had good indications for occurrence times and falling zones of the rainstorm and short-time strong precipitation.The big-value zones of K index and θse at the low layer both presented Ω distribution at the vertical direction,which had indicative significance for strong precipitation forecast.The strong precipitation center corresponded with fork horn terrain,and orographic rain characteristics were obvious.[Conclusion] The research provided reference basis for forecast of this kind of rainstorm.

The Mid-Term Model Forecast Test of North China Rainstorm from July 19th to 20th, 2016

Heavy rain is a kind of severe weather, often causing floods and serious soil erosion, leading to engineering losses, embankment rupture and crop flooding and other significant economic losses. Especially for some low-lying terrain areas, rainwater cannot quickly vent caused by farm water and soil moisture being too saturated, so it will cause more geological disasters. This article combines live and forecast data, aiming at the results of the mid-rainstorm forecast in North China during the period of 7.19-2016, and compares with the actual situation of rainstorm. We carry out the mid-term forecast of the rainstorm. The atmosphere is a kind of medium with various fluctuation phenomena, and its physical properties and changes are studied by the analysis of volatility which is an important research method. It is important to improve the accuracy of such severe weather forecasting rainstorms and to take precautionary measures in a timely manner to minimize the losses caused by rainstorms.

NUMERICAL SIMULATION OF EXTREMELY HEAVY RAIN AND MESO-β SCALE LOW VORTEX IN INVERTED TYPHOON TROUGH

Large-scale and mesoscale analyses are made for extremely heavy rain (EHR) and meso-β scale low vortex (MSLV) in Jiading District of Shanghai Municipality during 6-7 July 2001.It is shown that the EHR forms in the situation of northern westerly trough linking together with southern inverted typhoon trough at northwest side of the West Pacific Ocean subtropical high. Numerical simulation is made using a 21-layer improved REM (regional η coordinate model) for this course.The results show that the precipitation forms earlier than MSLV.and the strong convergence in wind velocity mate (WVM) triggers the strong precipitation.The formative reasons of WVM.especially the weak wind velocity center are discussed,and the formative mechanisms of the MSLV and EHR are discussed using high spatial and temporal resolution model- output physical fields.The results show that the heavy rain releases latent heat and warms the air column,and enhances the low level positive vorticity that existed before.Then it causes the formation of MSLV.There is a positive feedback mechanism between low vortex and precipitation,so CISK must be an important mechanism.

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。

地理经纬双向过渡带和复杂地形下气候的过渡性和特异性--以宜昌市为例

宜昌处在我国地形第二、第三级阶梯的过渡地带,又位于我国南北过渡带秦巴山地南麓的中低纬度过渡带,长江中上游结合部,山地河谷平原并存,地形复杂,垂直高差大。气候资料分析和文献调研表明,宜昌天气气候因特殊地理环境具有过渡性和特异性:(1)年平均气温主要随地形高度递减,年总降水量主要随纬度升高减小。(2)年暴雨日数、连阴雨天数,在中西部随纬度升高而递减,等值线近似纬向排列;东部随地形升高而递增,等值线近似经向排列。(3)山地平原过渡带地形的阻挡滞留、辐合抬升等对极端短时强降水有明显加强作用,这种作用在秦岭与黄淮过渡带、太行山与华北平原过渡带有相似的天气气候效应。(4)宜昌位于江淮梅雨的西界、华西秋雨的东界,具有天气气候“分水岭”特征。(5)宜昌是暴雨雨团、西南涡移动的主要通道之一。

华北冷涡背景下山东两次强对流天气过程对比分析

基于地面和高空观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料及多普勒雷达等资料,对发生在山东两次相似环流形势的华北冷涡背景下,造成不同类型的强对流天气进行对比分析。结果表明:(1)2016年6月14日发生的强对流天气(“6·14”过程)以雷暴大风和短时强降水为主,发生在低层弱的垂直风切变环境中,对流层中下层(400~900 hPa)存在较为深厚的暖湿平流,水汽输送充沛,同时造成0℃、-20℃层高度抬升,有利于短时强降水而不利于冰雹产生;2018年6月13日发生的强对流天气(“6·13”过程)以雷暴大风和冰雹为主,发生在较强的条件不稳定层结和强的低层垂直风切变环境中,400~500 hPa冷平流以及低层暖平流的同时增强,有利于对流层中层的温度垂直递减率进一步增大,造成-30~-20℃层进一步下降,促成了大冰雹的发生环境。(2)“6·14”过程是由地面辐合线触发,“6·13”过程是由锋面触发。(3)“6·14”过程强反射率因子高度低,无明显高悬强回波结构,利于出现短时强降水;“6·13”过程具有单体结构密实和明显高悬强回波结构特征,因此,“6·13”过程对流强度更强,更容易出现冰雹。

The 2009 Summer Low Temperature in Northeast China and Its Association with Prophase Changes of the Air-Sea System

Under the background of global warming, summer （JJA） low temperature events in Northeast China had not occurred for about 15 yr since 1994, but one such event took place in 2009. By using the NCEP/NCAR reanalysis data, the 100-yr station temperature data at Harbin and Changchun, and the Hadley Center sea surface temperature （SST） data, this paper intends to reveal the cause, circulation background, and influencing factors of this event. Analysis of both horizontal and vertical circulations of a low-value system over Northeast China in summer 2009 during the low temperature event shows that anomalous activities of the Northeast China cold vortex （NECV） played the most direct role. A decadal cooling trend of - 0.8℃ （10 yr）-1 over 1999-2008 at Changchun and Harbin was found, which is obviously out-of-phase with the linear warming trend （0.2℃ （10 yr）-1） over 1961-2000 for Northeast China in response to the global warming. The previous winter North Pacific polar vortex （NPPV） area index, significantly positively related to the observed summer temperatures of Harbin and Changchun, was also in a significantly declining tendency. These provide favorable decadal backgrounds for the 2009 low temperature event. Different from the average anomaly field of 500-hPa height for summer 1994-2008 in Northeast China, in the summer of 2009, the Arctic Oscillation （AO） showed a strong negative phase distribution, and significant negative height anomalies dominated Northeast Asia, Aleutian Islands, and North Atlantic. Furthermore, the negative phase of North Pacific Oscillation （NPO） in the winter of 2008 was obviously strong, and it maintained in the spring of 2009. Meanwhile, the SSTA in the equatorial eastern-central Pacific Ocean in the winter of 2008 showed a La Nina phase, but the strength of the La Nina weakened obviously in the spring of 2009. The abnormally strong activities of NECV in June and July of 2009 were related to the disturbances of stationary waves that replaced the original ultra-long waves over the North Pacific region in April and May 2009. The singular value decomposition （SVD） and harmonic analysis results suggest that the anomalous phase of NPO is an important precursor for summer temperature variations over Northeast China, and also a stable planetary-scale component that can be extracted from the atmospheric circulation in addition to the chaotic components on the synoptic scale.

华北地区两次低涡暴雨过程降水特征和成因对比分析

本文利用多种观测资料和ERA-5再分析资料对2021年7月11~13日(过程1)和2016年7月19~21日(过程2)华北地区两次低涡暴雨过程的降水特征和成因进行了对比分析。结果表明:这两次暴雨过程均发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中纬度西风带低涡系统东移北上发展、下游高压坝稳定维持的环流背景下,但过程1的累计雨量、降雨强度、影响范围、持续时间和极端性均不及过程2。两次过程的低空急流差异明显,过程1以低涡南侧的西南急流为主,过程2不仅西南急流更强,低涡北侧的偏东风急流同样显著,低层偏东风在太行山东麓地形的作用下产生了更明显的强降水。两次过程的低涡强度、结构及路径存在明显差别,过程1的低涡发展较为浅薄,仅在对流层中低层存在明显的正涡度,且在过程后期移动速度较快,一路沿太行山北上并最终在河北北部消散;而过程2的低涡更为深厚,后期在河北西南部稳定少动直至消散。两次过程的阶段性发展特征也存在一定差异,在第一阶段,过程1的低层辐合主要出现在低涡中心附近的山西南部至河南北部,而过程2的辐合主要出现在低涡北侧偏东风急流与地形交界处的河北西部地区;在第二阶段中,两次过程均出现了类似于台风螺旋雨带结构的低涡螺旋型对流雨带,但过程1主要出现在低涡东侧,而过程2主要发生在低涡北侧,这可能是由于水平涡度旋度、差动垂直涡度平流、暖平流以及非绝热加热的分布差异导致的;在第三阶段,过程1的低涡已移至华北北部,低涡中心附近的强辐合配合不稳定层结和地形抬升产生了较强降雨;而过程2的低涡仍然位于河北西部,低涡东北侧的暖切变辐合不及过程1,但对流不稳定层结更深厚,从而产生了更强的垂直上升运动及更强的降雨。上述结论有助于理解两次暴雨过程的时空分布和强度差异及可能成因。

20世纪90年代华北大暴雨过程特征的分析研究

首先对1960～1999年的华北夏季暴雨过程进行了统计分析,之后,又进一步对1990～1999年造成夏季特大暴雨过程的天气形势进行了分型研究.结果表明,从20世纪60年代到90年代夏季每10年发生的暴雨和大暴雨次数基本相当,40年中山西和河北的北部暴雨发生次数在20次以上,沿海地区暴雨发生次数为60～100次.1990～1999年的6～8月华北地区发生大暴雨共39天,大体可分为5型:1型为台风与低槽(低涡)远距离相互作用;2型为低涡(登陆台风)与西风槽相互作用;3型为登陆台风北上受高压阻挡停滞;4型为低涡暴雨;5型为暖切变暴雨.其中,台风和低涡是主要影响系统.最后,对北京夏季的暴雨过程也进行了统计和分型研究.40年中有7年未发生暴雨,而最多的年份发生了5次,存在很明显的年变化.研究表明,尽管北京暴雨具有华北暴雨的共同特征,但也有北京地区的特点,如以暴雨频次而言,最多的是低涡暴雨,其次是台风与低槽(低涡)相互作用型.另外,低槽冷锋暴雨也是一类值得关注的系统.

西南低涡研究的一些新进展

西南低涡是我国重要的暴雨天气系统, 有关西南低涡的形成、发展、结构与降水等方面的研究工作又取得了新的进展。本文在简要总结近10年来取得成果的基础上, 指出了存在的问题, 对深化西南低涡的研究工作具有积极意义。

2008年“7.22”襄樊特大暴雨的天气学机理分析及地形的影响

利用常规观测、地面逐时降水、NCEP再分析资料和卫星雷达资料,对2008年7月22日发生在鄂西北襄樊的特大暴雨过程从对流层高层一直到地面的天气形势特征进行了较为系统的分析,结果表明,对流层高层稳定的辐散系统、近地层稳定的辐合系统以及中低层发展深厚的西南低涡、不断加强的低空急流是造成这次特大暴雨的主要影响系统。重点分析了200hPa强辐散中心形成的原因及其在降水中心上空稳定、停滞、加强的机制,认为高空急流右后侧的风速辐散区与西风槽和南亚高压反气旋环流之间的风向开口区两种辐散作用的叠加是造成强降水中心上空强辐散中心的主要原因,而高层西风槽在东移过程中突然停滞并加深,从而导致强辐散中心一度稳定、停滞则是强降水持续发展的重要机制。在近地层,由一个已经发展的对流云团外围出现的强偏北下沉冷出流沿浅薄地形河谷区侵入襄樊附近,当偏南暖湿气流不断加强北进时,一方面受到冷出流的横向阻挡,另一方面又受到大巴山地形的纵向阻挡,两种阻挡作用交汇于襄樊上空,使低层出现强辐合中心并稳定维持,在高层强辐散的共同作用下出现深厚的上升运动。地面低压倒槽和准静止锋的稳定维持以及边界层内大气斜压性的增强也有利于中尺度对流系统在该区域的维持和发展。中低层发展深厚的西南低涡和不断加强的低空急流为强降水中心输送了充足水汽,从西南低涡的东北侧不断分裂出β中尺度对流云团和强回波单体,并沿低层切变线移动到襄樊上空后叠加在高空强辐散、低层强辐合的有利动力作用下而得到进一步发展,并最终形成特大暴雨。

影响华南持续性强降水的西南涡分析和数值模拟

基于AREM模式对发生在华南地区的3次西南涡暴雨过程进行了数值模拟,并利用模拟结果分析了暴雨过程中西南涡的演变特征,结果表明:高层200 h Pa西风急流入口区、中层500 h Pa西太平洋副热带高压位置、中纬度短波槽、东北亚强冷涡的适当配置,中低层孟加拉湾和南海暖湿气流的持续输送,是有利于西南涡东移发展,从而造成华南地区持续性强降水的典型环流形势;降水落区与低涡位置密切相关,一般集中在西南涡中心南侧,雨带延伸方向与低涡移动路径一致;而其强度则与低涡中心区域位势高度等值线梯度及低层大气风场强度息息相关。西南涡中心低层为东风和弱北风,中层以南风为主,高层为强西风和弱北风,低层辐合、高层辐散及正涡度结构特征显著。涡度平流项和辐合辐散项的作用集中体现在中低层大气,涡度对流项、扭转项的作用则在中高层更为明显,而涡度辐合辐散项对西南涡的发展加强起最主要的作用。

2010年5—6月南方持续性暴雨的成因分析

2010年5月5日至6月27日我国江南至华南地区出现11次持续性暴雨过程,引起华南和江南洪涝灾害。利用NCEP日再分析资料,初步分析了持续性暴雨的成因。结果表明,2010年5—6月11次持续降水期间乌拉尔山阻塞高压和贝加尔湖大槽较常年偏强且稳定维持,副热带高压异常偏强,位置稳定偏南,为华南持续暴雨天气建立了有利的稳定大尺度环流背景;强盛的季风气流不断地将暖湿水汽输送至江南至华南地区并在那里和来自中高纬度的干冷空气汇合;高原上多低值系统东传是暴雨发生发展过程中重要的中尺度对流系统。中纬度相当位温锋面南侧不稳定大气层结属性气流造成强烈的上升运动,并与强烈的水汽通量辐合为持续性致洪暴雨提供了非常有利的动力热力条件。

“03.8”辽宁地区暴雨过程成因的诊断分析

对2 0 0 3年8月5～6日辽宁地区暴雨过程的环流形势及雷达回波进行了分析。并利用中尺度MM5模式对这次暴雨过程的模拟结果进行了诊断分析,探讨了过程中主要影响系统———华北气旋在渤海西岸生成后迅速发展加强的原因。结果表明,中纬度短波槽的充分发展引导贝加尔湖冷空气的南下、副高的稳定与加强和低空急流的建立输送大量暖湿气流是华北气旋生成的重要条件。而“干侵入”则是造成此次华北气旋迅速发展加强的重要原因。

2000—2009年5、6月华南暖区暴雨形成系统统计分析

利用2000—2009年5月和6月的NCEP 1°×1°再分析资料和气象台站常规资料,对产生华南暖区暴雨的500 hPa及以下的环流特征进行统计分析,并将影响暖区暴雨的环流系统划分为三大类型,即切变线型、低涡型和偏南风风速切变辐合型(简称偏南风型)。切变线型在南海夏季风爆发前以冷式切变为主,季风爆发后以暖式切变为主;低涡型在季风爆发前的发生次数远少于季风爆发后,在低涡中心的东北-东南方向最易产生暖区暴雨;偏南风型总体以西风风速切变辐合为主,而南风风速切变辐合在季风爆发后的比例有所增加。对影响暖区暴雨的高空槽分析发现,高原槽对暖区暴雨影响明显,其次为南支槽。低涡型最易受高空槽影响。对各种类型暖区暴雨的合成分析发现,各类型暖区暴雨500 hPa高空槽的位置特点均不相同,暴雨辐合中心均在850hPa以下的低层,副高脊线距雨区约6～8纬距是产生华南暖区暴雨的重要天气形势。

云南一次切变线上中尺度低涡扰动的结构分析

利用η中尺度数值模式模拟的时空高分辨输出、常规资料、GMS红外云图及TBB资料,对2002年6月25日切变线上中α尺度低涡扰动的结构、形成过程及冷空气来源进行研究,结果表明,低涡环流的尺度属于中α尺度,持续时间7小时左右,低涡成熟阶段,700hPa正涡度中心与低涡环流中心相重合,低空急流及强辐合中心位于低涡的东南象限;低涡环流由三股气流构成;低涡区上空存在超强散度柱、倾斜涡柱、深厚的上升运动区及特强垂直上升运动,超强散度柱与特强垂直上升运动互耦,强辐合、辐散中心发生在南、北风辐合、辐散且有强的v分量垂直梯度处,低层正涡度中心的上方,存在一负涡度中心;最大的水汽辐合位于700hPa及550hPa;低涡区冷空气来自500hPa的滇缅高压;大暴雨中心位于低涡中心的东侧。

1998年松嫩流域东北冷涡大暴雨过程的诊断分析

利用 １９９８年 ６～ ８月松嫩流域 ９５个测站的逐日降水和 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ逐日再分析资料，通过诊断分析方法，对 １９９８年松嫩流域东北冷涡大暴雨的形成过程及其大气环流背景，暴雨过程的降水性质与水汽输送特征，大气低频振荡与持续性降水的关系，以及东北冷涡暴雨随季节变化的特征等问题进行了探讨。结果表明，１９９８年松嫩流域较长的冷涡雨季中所发生的多次东北冷涡暴雨过程是很有代表性的，它们是大气环流由春末夏初到盛夏过渡不同进程中的产物，因而具有不同的环流背景和降水性质，且在洪涝灾害的形成中起着不同的作用，特别是亚洲季风水汽输送以及东亚大气 ３０～５０ ｄ和 １０～２０ ｄ低频振荡对降水的持续性和阶段性变化均有至关重要的影响。

2010年5月我国南方持续性暴雨过程分析

使用NCEP日再分析资料和常规降水观测资料,对2010年5月5—23日我国南方地区持续性暴雨过程雨情及影响系统特征进行了初步分析。结果表明:乌拉尔山阻塞高压和贝加尔湖低压大槽异常偏强并稳定维持、副热带高压偏强偏南且维持在20°N以南是有利于持续性暴雨发生的稳定环流型;旺盛的水汽输送及其辐合带维持在江南至华南北部为南方持续性暴雨发生提供了充足的水汽条件;高原东侧或东移、或停滞的西南低涡和切变气流中频繁活动的涡旋是造成江南至华南持续性暴雨过程的重要中尺度对流系统。

2008年6月广西锋前暖区暴雨过程分析

利用常规观测资料、卫星TBB和NCEP再分析资料,对2008年6月8-13日持续性暖区暴雨的环流特征、影响系统及物理量变化进行了诊断分析,结果表明:本次暴雨过程是在高层200hPa出现环流型调整、500hPa贝加尔湖至新疆地区为弱阻高形势和地面锋面低槽的环境下产生的,主要影响系统有低层切变线和低涡;低空急流迅速建立、北抬,使低层风速辐合加强是产生锋前暖区暴雨的有利因素;广西的中尺度环境存在南北明显差异,可能是形成双雨带的主要原因;在切变线和低涡切变锋区上垂直运动结构有明显差异,低涡切变上低层辐合高层强辐散,上升运动更强烈;暴雨前相对湿度明显增大,湿层深厚,中高层相对湿度在降水减弱时率先出现下降趋势;水汽通量中心的出现与暴雨发生时段和暴雨落区较为对应;夏季风向北推进,华南地区发生经向风扰动,出现了季风涌,使南海的水汽和能量源源不断地传送到华南地区,为这次持续性暴雨提供有利条件。