Mechanisms governing the evolution of a long-lived northwest vortex that caused a series of disasters in Northwest China

西北涡是我国西北地区一类发生频率较高的中尺度涡旋,其所引发灾害的强度与西南低涡,高原涡相当,但相关研究却远远少于前两种涡旋.为了深化对西北涡的认识,本文利用水汽与环流收支对一次长生命史西北涡(其在西北地区引发了一系列暴雨过程,导致了严重的输电线路故障与城市内涝)进行了研究,发现,东海与渤海是此西北涡引发暴雨的主要水汽来源,东风与东南风则是主要的输送气流.辐合所引起的垂直伸展是西北涡发展的主导因子,而涡旋由较强背景涡度区向较弱背景涡度区的移动则一定程度上延缓了涡旋的发展.

西北涡与西南涡共同作用引发秦巴区域大暴雨的成因分析

利用常规观测资料、ERA-5再分析数据、FY-4A卫星资料,对2021年9月3-4日一次西北涡与西南涡共同作用引发的秦巴区域大暴雨过程进行了研究,探讨了两涡作用导致大暴雨的中尺度环境场特征,并对西南涡的形成过程进行诊断分析。结果表明:秦巴区域的大暴雨是在西北涡与西南涡共同作用下由中尺度对流复合体(Mesoscal Convective Complex,MCC)引起的,强降水位于MCC云顶亮温冷中心及后部偏冷空气一侧的亮温梯度大值区。西南涡生成前,西北涡后部的偏北气流与西南气流形成了中尺度切变线,在秦巴区域触发对流不稳定而激发出中尺度对流云团而产生降水;西南涡生成后与西北涡共同作用,使秦巴区域水汽的输送加强,对流层低层形成强烈辐合,正涡度和垂直上升运动加强,使MCC强烈发展并具有较长生命史,同时伴随β和γ中尺度的对流云团发展,加强了该区域的强降水,从而造成大暴雨。该过程中西南涡是由500 hPa低涡产生的正涡度和高位涡向下传递强迫,使西北涡后部偏北风与西南气流气旋性运动加强从而形成涡旋环流,西南涡与500 hPa低涡的垂直耦合使其发展为强大的涡旋系统,从而加强水汽的辐合上升运动以加强降水。

1980-2010年西北涡发生频数的时空分布特征

利用1980-2000年夏季(5-9月)的历史天气图、2001-2010年MICAPS资料,分析了西北涡和东移西北涡频数的时间变化及空间分布特征.结果表明,在1980-2010年,西北涡频数减少趋势明显,其季节变化以5月最多,6月次之,9月最少;东移西北涡频数也呈明显的减少趋势,季节变化特征与西北涡一致.西北涡与东移西北涡的日变化特征相反,西北涡08:00出现的频数低于20:00,东移西北涡的变化则相反.西北涡的空间分布以(37.5°N,95°E)为中心,频数高的西北涡主要出现在柴达木盆地东南区域,出现位置不集中;低频次西北涡主要出现在柴达木盆地西北区域,出现位置相对集中.

西北区域几次暴雨过程中的自组织现象

通过涡旋自组织动力学方法对西北地区几次暴雨过程进行了分析,得到了一些暴雨过程中降水云团自组织预报的判据和指标:(1)产生暴雨的云团发展演变大都经历了由无组织到有组织、由不规则云形到有规则云形的过程;(2)造成甘肃暴雨过程的降水云团一般由2～4个范围在35km×35km左右的小云团合并而成,合并过程一般为两两合并,范围在110km×110km左右的小云团合并时间一般为3～4h,范围在200km×200km左右的云团合并时间一般为9～10h,而范围>220km×220km的云团一般不会自组织成功;(3)能够自组织成功的小云团中心TBB一般在220K左右;(4)甘肃降水云团TBB中心值基本在220K左右,强度较我国南方降水云团强度偏弱,且降水对流体移动较快;(5)几个降水较大的测站基本位于TBB等值线密集带附近,云团西面的TBB等值线密集,东部较稀疏。通过分析发现,涡旋自组织也是造成干旱半干旱地区暴雨等灾害性天气形成的重要原因之一。

西北涡与登陆台风相互作用个例的诊断分析

利用常规高空、地面观测资料以及每日4次的1°×1°NCEP/NCAR再分析全球格点资料,以2010年7月23日发生在陕西、甘肃东部以及陕西南部与四川交界地区一次区域性大暴雨过程为例,对远距离台风与西北涡相互作用对西北涡发展和暴雨发生的影响及其原因进行了诊断分析。结果表明:(1)远距离台风和西北涡相互作用,改变了西北涡的斜压结构、温湿结构和动量结构,也增强了西北涡附近对流不稳定程度和动力抬升作用;(2)西北涡中心强度及其附近环境场的改善对暴雨的发生和发展起到正反馈作用,即延长了由台风和西太平洋副热带高压建立起来的水汽通道,增强了暴雨区低层的动力抬升,这在一定程度上增大了暴雨强度和暴雨范围;(3)西北涡和台风远距离相互作用与低空急流的建立是同时的,这对大范围短时强降水的发生位置与强度变化具有一定的指示意义。

西北涡东移的大尺度环流特征分析

利用气候预报系统再分析资料1980-2010年5月的数据,分析了东移西北涡的环流形势.结果表明,在西北涡东移过程中,东亚大槽和南支槽共同起作用.槽尾或槽后脊前产生的迴流东风提供了冷空气,起激发作用;南支槽前的西南气流向北输送水汽和热量,冷暖气流汇合,出现较大的温度梯度,导致低涡移动.受北极涛动影响,西伯利亚高压及东亚大槽的强度变化存在超前(滞后)的相关,即北极涛动负位相时,西伯利亚高压的加强早于东亚大槽的发展.对东亚大槽与南支槽之间的相关性分析显示,东亚大槽的发展早于南支槽的发展.

“7.21”北京特大暴雨的湿位涡诊断分析

为了探讨湿位涡场的特征与北京"7.21"暴雨关系,利用NCEP/NCAR再分析资料集,对"7.21"北京特大暴雨过程进行湿位涡诊断分析。结果表明:对流层中高层的MPV1高值中心的冷空气叠加在对流层中低层负的MPV1之上,对北京上空位势不稳定能量的储存和释放十分有利,为北京暴雨的发展提供了有利的条件。北京强降水与MPV1的负值中心和MPV1的密集带密切相关。北京强降水期间与MPV2正值区相对应,其降水区的移动方向与MPV2正值中心的移动方向一致,而负MPV2的向下伸展程度,可能与北京降水强度也密切相关。MPV2的负值区走向还与锋面走向非常一致。暴雨区大气不稳定形成的机制是高低空系统的耦合配置下,暖湿空气的上升运动触发了对流层低层暴雨区对流不稳定能量释放,使得上升运动得到加强,虽在对流层中高层为大气对流稳定层结,却满足条件对称不稳定层结,从而使气流继续倾斜上升到对流层上层,维持了北京强降水的发生。

近五十年中国西北地区夏季降水场变化特征及影响因素分析

利用中国气象局信息中心提供的西北地区1951～2005年夏季月平均资料集和1958～2002年ERA40资料,分析近五十年来西北地区夏季降水场的主要变化特征,及与之相关的大尺度水汽输送和环流场变化,讨论大尺度环流指数如涛动、极涡、赤道太平洋Ni～no3.4区海温与西北地区夏季降水的相关性。结果表明,近五十年西北西部尤其是南疆的降水增多,与西伯利亚(50°N～60°N,40°E～70°E)上空位势高度增加和伊朗高原(35°N～42.5°N,60°E～75°E)上空位势高度减少有很大关系。1987年后,西北西侧水汽辐合也是该区降水增多的一个重要因素。西北东部降水受海温影响大。此外,北大西洋涛动、极涡面积可以反映近几十年来西北降水西增东减的年际波动。极涡面积大小与西北降水第一模态相关性尤其突出,可以作为考察西北降水变化的一个重要指标。

一次持续大暴雨过程新一代天气雷达回波特征分析

为探讨西北地区东部的持续大暴雨过程成因及预警指标,利用2010年7月22～23日500～700 hPa大气环流背景及天气影响系统和西峰新一代多普勒天气雷达回波资料分析,结果得到：500hPa西太平洋副热带高压外围河套地区环境场的演变高压外围低涡发展及维持,是这次持续性大暴雨过程的大气环流背景和影响天气系统,700hPa强盛的水汽场输送场与汇聚作用为这次持续性大暴雨过程提供了充沛的水汽条件,随着500hPa河套地区低涡-切变辐合系统的准静止维持造成这次持续性大暴雨过程;大暴雨前1.5～9.7km垂直方向上,存在明显的东南风场与西南风场的切变,风向随高度顺转,对应持续的暖平流;天气雷达强度回波反射率因子≥40dBz,暴雨期间维持少变;径向速度回波的水平辐合和气旋性涡旋运动与河套低涡切变天气系统对应一致;垂直液态水含量≥35kg.m2的雨团范围大、持续时间长;云顶回波高度维持在8km以上,对监测预警持续大暴雨天气具有一定指示意义.

一次东移西北涡暴雨过程的诊断分析

利用常规高空、地面观测资料以及NECP的1°×1°FNL资料,对2016年8月17—18日西北涡东移发展造成的暴雨过程进行诊断分析,探讨了西北涡东移演变及其引发强降水的物理机制。结果表明:西北涡是造成此次暴雨的直接影响系统。西北涡在东移过程中强度先后有两次增大衰减,两次峰值对应东西两个强降水中心。西北涡第一次增强的重要原因是台风"电母"远距离输送水汽与能量。第二次增强的原因为西北涡从内蒙古高原移至华北平原时等熵面倾斜,垂直风切变或湿斜压增加导致倾斜涡度发展。研究发现,纬向型西北涡由燕山山脉南下发展垂直涡度增强,一定条件下可以在河北地区诱发大暴雨。

有无台风影响下陕西西北涡暴雨特征对比分析

基于2010—2020年地面日降水量资料、高空观测资料以及ERA5(0.25°×0.25°)逐小时再分析资料,对影响陕西的西北涡暴雨天气过程进行统计,并对有无台风影响下西北涡暴雨天气特征进行对比分析。结果表明:陕西西北涡暴雨多发生在7—8月,陕北为暴雨多发区,西北涡暴雨夜雨特征明显;有台风影响时暴雨强度更强,落区比无台风影响时偏北2个纬度。造成陕西暴雨的西北涡位于西太平洋副热带高压脊线北侧7~8个纬度处,西北涡具有低层辐合、高层辐散的动力特征,地形强迫抬升加强了西北涡上升运动,低层水汽输送和水汽辐合为西北涡暴雨发生提供了有利条件。台风影响时,副热带高压偏西偏北,台风外围水汽、能量随着西南低空急流向西北涡输送,西北涡低层呈对流不稳定,高空槽前正涡度平流及高空急流右侧强辐散促使西北涡发展加强,低涡东侧和南侧强上升运动触发不稳定能量释放,在陕北形成强锋区,锋生进一步增强了低涡东侧与南侧垂直运动,造成该区域大暴雨;无台风影响时,副热带高压偏东偏南,西南风风速较小,水汽输送较弱,高原槽前西南风将孟加拉湾和南海水汽向陕西输送,西北涡低层大气层结稳定,低涡中心南部为强上升运动区,冷暖空气在陕西中南部交汇,产生分散的弱锋区,造成低涡中心南部暴雨天气。

远距离台风影响陕北突发性暴雨成因分析

该文对2002年7月4～5日发生在陕西子长县受远距离台风影响而产生的突发性暴雨进行了诊断分析.结果表明:子长特大暴雨是由于β-中尺度强对流云团在子长重复出现而产生的.中低纬度系统的相互作用形成了有利于中尺度强对流云团在子长生成、发展和重复出现的水汽条件、不稳定条件、动力条件和天气尺度环流背景.湿位涡诊断分析表明:当台风向西北方向行进时,(1)暴雨区对流层低层MPV1负值发展的同时伴随对流高层MPV1正值的发展,为对流层低层不稳定能量的充分积累创造了条件;(2)暴雨区形成有利于中尺度强对流云团生成发展的湿位涡正压项、斜压项垂直结构配置;(3)850 hPa等压面上MPV2等值线密集区和MPV1=-2 PVU中尺度强对流不稳定核心区形成耦合,耦合区对下游中尺度强对流云团发生发展指示意义明显.当台风向北偏东方向行进时,暴雨区对流层低层和高层形成双层不稳定;850 hPa MPV2等值线密集区东移,暴雨区MPV2正值发展,积累的对流不稳定能量在子长形成集中猛烈释放.

低涡与晋中夏季暴雨

对晋中 1 974～ 2 0 0 0年 6～ 8月暴雨个例进行了分析 ,指出 70 0hPa上形成于 34～ 37°N、95～ 1 0 3°E附近的西北涡或 2 8～ 34°N、93～ 97°E附近的西南涡是晋中夏季暴雨的最原始触发机制 ,与之相配合的高低空形势不同 ,所产生的暴雨的范围不同 ,水汽输送通道和切变线位置是判断暴雨落区的重要因素。

引起陕北暴雨的西北涡特征分析

利用2010-2019年地面自动站资料、探空资料和NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,对陕北地区西北涡暴雨个例进行统计和合成分析。结果表明:陕北暴雨有1/3以上是由西北涡引起,基本都发生在7-8月;西北涡多于青海西部生成,一般东移36~48 h后可造成陕北地区暴雨天气;陕北西北涡暴雨是在高空急流、高空槽、西太平洋副热带高压、700 hPa西北涡以及低层偏南偏东气流共同作用下产生的。对西北涡的结构研究表明,一方面700 hPa正涡度中心东南侧由于高层辐散、低层辐合的共同作用造成显著上升运动,这一区域正好对应暴雨落区;另一方面陕北处于高能高湿区中,并有偏南和偏东两条水汽通道将充沛的水汽输送至陕北并在此辐合上升,为暴雨的产生提供了有利的不稳定能量和水汽条件。

运城市两次暴雨过程对比分析

通过对2011年9月两次暴雨天气过程的降水形势、环流特征、主要天气系统、卫星云图等进行了重点对比分析.结果表明:两次暴雨天气过程具有相似的基本特征,其共同点是高纬度冷空气以短波槽形式频繁南下,提供了暴雨发生的环流背景条件;低涡切变东移和辐合区的持续存在是提供动力抬升的有利条件;西南急流和相对稳定的环流背景是影响系统长时间维持的一个重要原因;近地层气温较低,层结稳定,不利于强对流的发展,暴雨为稳定持续的强降水过程.两次暴雨的不同点是在暴雨发展过程中,冷空气路径、低涡切变等影响系统的位置、以及其它物理量,决定着暴雨的降水强度.

承德市一次西北涡暴雨成因分析

文章利用常规气象观测资料和NECP再分析资料,对2013年7月1日河北省东部的暴雨与大暴雨过程进行分析。结果表明：（1）高纬阻塞形势维持,有利于青海地区西北涡生成,西北涡沿着副热带高压外围引导气流向东北方向移动时,暴雨落区与对应的地面倒槽北部象限的路径非常一致;（2）雷达回波的＂列车效应＂、逆风区以及卫星云图上MCS的小断过境是导致承德南部降水较大的主要原因;（3）凝结函数、比湿的垂直分布与移动,对于大气湿层厚度的变化具有很好的指示作用：（4）高低空急流的有利配置以及燕山迎风坡的空气质量堆积引发的斜升气流为强降水天气的发生提供了动力条件;（5）∑θse（500、700、850hPa）的梯度大值区持续维持在承德市南部上空为暴雨天气提供了充沛的能量条件;（6）欧阳位温曲线在对流层顶存在明显的超低温层,为提前6-12h预报暴雨天气提供了重要依据。

近40年来西北低涡的统计

为了研究西北低涡的长期变化特征,利用CFSR 1日4次再分析资料,采用常规的统计方法,对1979-2016年夏季(6-8月)西北低涡的中心位置、移动情况、维持时间长短等方面进行统计,主要结果有:(1)从气候学上讲,夏季西北低涡中心位置主要位于两个区域,一个位于37.5°N～38.5°N,97.5°E～99°E,占总数的22.4%;另一个则位于35°N,97.5°E～100.5°E,占总数的15.5%。(2)近38年来,夏季共出现1306例西北低涡,平均每年34.4个,低涡次数呈减少趋势。(3)在夏季3个月中,6月西北低涡的出现次数最多,7月次之,8月最少,而且西北低涡白天出现的概率大于夜间。(4)在所有西北低涡中,有41.2%的低涡属于移出型。(5)西北低涡的维持时间较短,2/3以上的西北低涡维持在1 d以内,维持时间超过2 d的低涡多在7月出现,且91%属于移出型低涡。(6)38年来,夏季西北低涡维持时间超过1 d以上的移出型低涡主要向东南方向、正东方向、偏南方向、东北方向移动,其中东南移向的低涡个数最多,东北移向和正东移向中主要由维持时间在1 d以上的西北低涡所构成。