北京“23·7”极端强降雨特征和成因分析

利用北京地区加密气象站、补盲的北京市规划和自然资源委员会雨量站、双偏振雷达、风廓线雷达、GPS水汽等观测数据和ERA5再分析数据,对北京“23·7”极端强降雨阶段性特征和成因进行了分析。结果表明:“23·7”极端强降雨累计降水量(331 mm)和单点最大降水量(1025 mm)均打破历史纪录,最大雨强(126.6 mm·h^(-1))排名历史第二位,具有显著的极端性。强降雨可分为5个阶段,其中第Ⅱ和第Ⅳ阶段降水量分别占过程累计降水量的37.1%和39.7%,第Ⅳ阶段雨强更大,对应急流更强,高温、高湿特征也更明显。地形对降雨的增幅作用显著,降水量在海拔100~300 m山区迅速增加,极大值出现在海拔约400 m的山区,第Ⅱ(第Ⅳ)阶段山区平均降水量和小时雨强分别是平原的2.1(3.0)倍和2.0(2.7)倍;第Ⅱ阶段主要为地形对急流的直接抬升,第Ⅳ阶段为地形绕流辐合和直接抬升共同作用。7月31日上午(第Ⅳ阶段)边界层急流出口区与低空急流入口区耦合导致低层上升运动增强,促使西部山前β中尺度对流系统由块状发展成线状并有γ中尺度涡旋产生,该β中尺度对流系统北上时形成短暂的列车效应,引发了西部山区8个站次100 mm·h^(-1)以上的极端短时强降水。

城市边界层过程在北京2004年7月10日局地暴雨过程中的作用

从大量的观测事实入手,结合简要的理论分析,揭示发生在北京城区的一次相对孤立的β中尺度对流暴雨系统的启动机制以及城市边界层在这次局地暴雨过程中的作用。研究结果表明:(1)2004年7月10日北京暴雨前后,局地水汽和天气尺度低空水汽输送条件是非常有利的,但是天气尺度系统的垂直运动对这次北京局地暴雨是存在抑制作用,至少没有明显的帮助。这一点与区域性降雨带中出现的中尺度暴雨中心具有明显区别。(2)暴雨发生在偏南暖湿气流中,首先,可能是位于北京西南的河北涞水和易县附近强雷暴群激发的重力波传播,触发对流不稳定能量释放,形成线形分布、孤立的γ中尺度对流单体,这些对流单体在城市中尺度的风场辐合线的组织下,形成β中尺度对流系统。这一对流系统激发的重力波,再次形成一系列γ中尺度对流单体,当这些单体又一次被组织成β中尺度对流系统时,由于对流不稳定能量减弱,北京城区出现的第二个降水峰值明显减弱。(3)城市与郊区下垫面物理属性造成的热力差异,不仅形成城市中尺度的低空风场辐合线,它的存在对对流单体具有明显的组织作用。同时,这种热力差异还可能造成边界层内中心城区风场垂直切变加强,郊区低空风速加大,这种强迫有利于暴雨中心区强烈的上升运动得以维持,保证了低空水汽在较大范围内向对流体中流入,维持对流降水的持续。

对引发密云泥石流的局地暴雨的分析和诊断

20 0 2年 8月 1日晚北京东北部密云县发生了降雨量达到 2 80 .2mm的局地短历时特大暴雨 ,并引发了洪水和泥石流。卫星云图分析表明 ,它是由一个中 β尺度对流系统在北京北部山区停留造成的。TBB图的等值线密集区和上冲云顶对暴雨落区有指示意义。大尺度环流诊断表明 ,暴雨前一天存在较深厚的下沉运动 ,其伴随的逆温层抑制对流的发生 ,使不稳定能量得以积累。各种稳定参数的计算结果证实了这一能量的积累过程。暴雨当天 ,下沉运动转为微弱的上升运动 ,使对流的发生成为可能。大尺度水汽场的诊断表明 ,北京处在西太平洋副热带高压边缘的高温高湿气流的控制下 ,有很强的水汽输送。地面中尺度分析表明 ,中尺度低压和辐合线是对流的触发系统 ,北京地区北部处于中尺度低压东部暖湿气流的辐合区中 ,在有利的地形条件下使密云县西部山区产生了局地特大暴雨。

北方一次暖区大暴雨强降水成因探讨

2012年7月7日黄淮出现一次典型暖区大暴雨过程,降水持续时间长、强度大和强降水范围集中,中尺度特征明显。本文通过常规和非常规观测、NCEP分析资料对该次黄淮暖切变线引发的豫东北、鲁南和苏北等地大暴雨天气过程的成因进行探讨,结果表明:整层高湿环境有利于降低暖区暴雨对抬升条件的要求、提高降水效率和局地不断产生中尺度对流系统;低层垂直风切变和超低空急流在对流触发和维持中可能有重要作用;次天气及以下尺度的抬升条件,如地面辐合线、925和850 hPa切变和低空急流出口区的风速辐合等均可导致强降水,降水落区一般位于低层多层风速辐合的叠置区;暖区暴雨的雷达回波具有明显的后向传播、列车效应和热带降水型特点。

北京“7·21”特大暴雨中的干侵入分析研究

利用中尺度数值模式WRF V3.2模拟分析2012年7月21日发生在北京特大暴雨过程的天气形势与中尺度系统特征,并结合干侵入理论分析了暴雨过程中的干冷空气活动及其对暴雨的影响。结果表明,此次暴雨过程发生在高空槽引导冷空气南下与强盛的西南暖湿气流在华北一带剧烈交汇的天气形势下,西太平洋副热带高压阻碍了高空槽东移,使北京地区的降水过程维持较长时间。暴雨过程伴随着明显的中尺度对流复合体MCC活动,MCC的持续活动与降水中心在时空上具有一致性。WRF模式对暴雨过程有较好的模拟能力,降水发生之前的24 h内不断有来自35°N对流层顶附近的高位涡、低湿的干冷空气,沿着倾斜向北向下的路径侵入大气中低层39°N附近的700 h Pa高度。干侵入在降水开始前24 h到降水前10 h强度变化不大,随后略有减弱,在降水开始之后迅速减弱消失。干侵入对暴雨的影响主要通过在降水开始前及降水初期影响北京地区的大气热力与动力环境来完成。干侵入可以增大暴雨落区大气的位势不稳定,为对流发展储备充沛的对流有效位能,为MCC的发生、发展提供有利的环境条件。同时,干侵入增大了大气中低层的气旋性涡度,有利于中低层空气辐合上升运动,是引发北京地区局地的强对流天气,如MCC及其伴随的暴雨过程可能的触发机制。

0679香山局地大暴雨的中小尺度天气分析

利用Doppler雷达、地面自动站、Profile垂直风廓线及GPS水汽分布等多种新型探测资料,对2006年7月9日夜间发生在北京西郊香山附近的局地大暴雨天气的影响系统和γ-中尺度强降雨落区形成的动力机理进行了精细分析。对雷达等本地多种探测资料的精细研究表明:地形辐合回波带是造成这次过程的主要影响系统。地形辐合回波带上中气旋回波块的滚动更迭是大暴雨落区形成的直接原因;近地面辐合对大暴雨落区强降雨的发生具有重要作用。大暴雨落区形成阶段近地面3种辐合同时存在:平原东南风与山区偏北风风向切变辐合、平原东南风在山脉阻挡作用下的抬升辐合、大暴雨落区中心的γ-中尺度气旋性辐合。研究还表明:山前近地面地形辐合扰动,向上传播,引发边界层扰动的动力过程是香山大暴雨落区形成的主要动力源,而来自东南方向近地面层的暖湿平流为大暴雨提供了有效的水汽和能量。

一次冷锋南侧对流性暴雨诊断分析

利用常规气象观测资料、NCEP资料、卫星、雷达和地面加密观测等资料,对2008年5月27—28日江西北部一次冷锋南侧(冷锋前)对流性暴雨过程进行天气动力学诊断分析和中尺度分析。结果表明:(1)对流性暴雨出现在冷锋前的主要原因是:各层槽线位置近于垂直,锋面陡峭,并出现前倾槽结构;冷锋前低层暖湿气流异常强盛,下暖湿上干冷使对流不稳定能量增强;当冷锋移近、气旋波发展东移和低空急流加强,触发了冷锋前对流不稳定能量释放。(2)本次暴雨具有明显中小尺度特征,共有4个β中尺度对流系统沿地面冷锋南侧发展东移,850hPa的中尺度辐合线、地面中低压和中尺度辐合线、云顶亮温低值区、强回波区及雷达速度图上逆风区等均揭示中小尺度扰动系统存在,且中小尺度扰动系统与暴雨雨团对应很好。

2013年7月四川盆地一次特大暴雨的中尺度系统演变特征

利用常规观测资料、地面加密资料、卫星观测资料和NCEP再分析资料等,对2013年7月8日四川盆地西部大暴雨过程的天气背景、水汽来源、地面环境场特征、中尺度云团活动等进行了分析并开展了数值模拟研究。这次过程发生在中纬度"东高西低"的环流背景下,西风槽与西太平洋副热带高压稳定的同时有高原东部小槽东移,孟加拉湾低槽槽前西南暖湿气流在盆地转为偏东风,输送充沛水汽。地面偏东风与偏北风形成的中尺度辐合线上有对流云团发展加强,为此次大暴雨的发生提供了有利的中尺度辐合条件。模拟结果表明,在川西高原地形阻挡影响下,偏东气流被迫抬升,配合中低层低涡发展形成的辐合上升,形成有利于对流系统发生和维持的环境条件。近地层辐合线北侧偏北冷空气的侵入促使对流不稳定能量释放,对对流的触发和维持有一定作用。

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。

北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。

一个高空槽前中尺度对流系统发生发展过程和机制研究

2008年7月6日20时—7日14时,高空低槽前云系产生了一条从广西南宁市到环江县东西宽约80km、南北长达350km的暴雨带,槽前云系南段一个中尺度对流系统在上林县产生了降雨量达265.0mm的特大暴雨。使用常规资料和FY-2C卫星云图、多普勒天气雷达和自动气象站等非常规观测资料进行分析。当高空槽移过青藏高原后,从卫星云图和等熵面分析图上可以检测到槽后有干空气东南下,干空气经云贵高原下沉到桂西和越南北部后,在槽底附近转折向东侵入到桂中,在上林县附近形成一个中尺度涡旋和中尺度负变压中心,中尺度对流系统在中尺度涡旋及中尺度负变压中心上空发生、发展并产生了强降雨,而中尺度涡旋和中尺度负变压中心的出现超前于强降雨约2h。研究表明,中尺度对流系统发生、发展的有利条件是:(1)槽前偏南暖湿气流向桂中暴雨区输送充足的水汽并形成了位势不稳定,为中尺度对流系统的发生发展提供了环境条件;(2)在上林县附近形成的中尺度涡旋辐合上升运动抬升暖湿气流触发对流而形成了中尺度对流系统;(3)对流单体沿低空切变线传播发展并入中尺度对流系统,使中尺度对流系统得以发展和维持。给出了中尺度对流系统发生发展机制的二维概念模型。

2003年江淮梅雨期一次特大暴雨的研究--中尺度对流和水汽条件分析

本文对2003年7月4日—5日江淮梅雨期间的一次特大暴雨过程进行了多尺度的详细分析。环流背景、中尺度对流云团和水汽条件分析表明,这次特大暴雨是在典型梅雨的有利环境背景形势下,由梅雨锋上的中尺度对流系统造成的,地面低压、低层切变线及西南低空急流与这次特大暴雨过程有着密切的关系。强降水中心与中尺度对流云团的关系十分密切,中β尺度云团的生成合并增强,和其中中γ降水系统的存在,导致了降水强度的局地性差异。江淮流域主要表现为经向水汽通量的辐合区,强水汽通量舌与低层高sθe的舌区一致,暴雨过程中水汽的快速集中主要是通过风场散度项造成的,局地风场的辐合在水汽快速集中起主要作用。低层充沛的水汽则通过气旋性涡度柱中的强上升气流输送到对流层的中高层。

一次短历时特大暴雨系统的高分辨率卫星图像

利用水平分辨率为1.25km的FY2-C地球同步卫星的可见光云图,对2005年8月14日发生在北京北部山区一次百年一遇的短历时特大暴雨进行了云图分析,发现高分辨率的可见光云图可以在一个多小时前就识别出水平尺度只有几公里的初始对流,并可利用它在地面上的阴影判别其垂直发展的强度。暴雨发生前水平尺度发展到数十公里,其云顶上的暗影表明强烈的对流已突破对流层顶。

江西一次特大暴雨中尺度对流系统特征对比分析

利用FY-2E云顶亮温(TBB)资料,雷达回波资料以及非静力中尺度数值预报模式WRF的模拟结果,对比分析了2010年6月19日江西特大暴雨过程中TBB低值接近但地面降水量差异显著的两个中尺度对流系统(MCS)。结果表明:MCS1为新生对流在有利的水汽、动力和热力条件下迅速发展形成的强盛中尺度对流系统,中低层辐合高层辐散、气旋性涡旋发展旺盛,对流云柱内强上升运动将辐合的大量低层水汽输送至中高层,云水、云冰含量增加,两者重叠层加厚,水物质总量增加,造成地面出现强降水;MCS2尾随层云区的弱辐合仅出现在中层,水汽辐合量和液态水物质含量显著偏小,对应地面弱降水,但是由于高层云冰含量与MCS1对流云区相当,高层雷达回波强度相当,导致卫星云图上TBB出现与MCS1相同的低值。

北京2006年夏季接连两场暴雨的观测对比分析

利用北京地区高时空分辨率的地面自动站资料、多普勒雷达数据、卫星图像、风廓线数据以及6小时一次的NCEP再分析资料等,对2006年7月31日和8月1日接连发生在北京地区的两场暴雨做观测对比分析。结果表明:(1)7月31日降水为典型的华北强低槽锋面影响下的北京大范围强对流降水,8月1日降水为该华北低槽东移变为低压后的一次飑线影响下的北京部分地区强对流降水;两场暴雨大尺度环境条件相似,但与7月31日相比8月1日贯通南北的远距离水汽输送以及干冷空气与暖湿空气在北京地区的对峙已明显减弱,即形成全北京范围扰动的环境条件已经减弱。(2)两场暴雨的中尺度对流系统在形状、强度、移动路径等方面均有不同,但两场暴雨的中尺度对流系统的发展都与地面中尺度辐合线的发展有密切联系。(3)两场暴雨发生前北京局地对流层低层风场短时间变化特征不同,但低层偏东风和近地面东南风的出现,对于北京这两场暴雨的产生是比较关键的,预报中应该加以关注。

华南沿海2011年7月15-18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用

应用NCEP FNL再分析资料及位涡分离反演等方法,对华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中季风槽与中尺度对流系统的相互作用进行了研究.主要针对暴雨发生期间季风槽气旋性涡度向上发展的机理及其对季风槽维持发展和中尺度对流系统活动的影响进行分析。结果发现,季风槽的中尺度对流系统发展于弱斜压性环境中,大多在槽东西两端涡度中心区发展最强。南侧盛行的西南低空急流为对流反复发生提供了对流发展的"可维持性"条件,是对流得以组织发展成为中尺度对流系统的重要原因。涡度收支诊断表明,季风槽气旋性涡度生成主要由中尺度对流系统低层辐合引起。位涡分离反演结果证实,季风槽气旋性环流增强主要由与中尺度对流系统潜热加热相关的扰动位涡造成,并随着中尺度对流系统加热峰值高度升高而向上发展,是大尺度环流对中尺度对流系统潜热加热动力响应的结果。在季风槽东西两端,由于中尺度对流系统发展强烈且持续,具有更高的加热效率,引起的气旋性涡度向上发展最为明显。其结果可引起中尺度对流系统西南一侧向北非地转风发展,并在地转偏向力作用下增强西风,维持低空急流的发展,为对流反复发生提供条件。这些都说明季风槽大尺度环流与中尺度对流系统相互作用在中尺度对流系统和持续暴雨形成过程中有重要作用。

辽宁长历时暴雨中尺度对流系统特征分析

选取发生在辽宁的3次典型长历时暴雨过程,利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析、FY-2E黑体亮温TBB、多普勒天气雷达和自动气象站等资料,分析了降水实况、天气形势背景、卫星红外云图、雷达回波的结构和强度变化的代表性特征。结果表明:辽宁长历时暴雨是在有利于产生暴雨的大尺度环流背景下,异常稳定的形势场导致冷暖空气在某一地区长时间相互对峙而形成的。该型暴雨的降水实况具有雨强变化小、强降水无明显阶段性特征和雨强变化大、强降水具有明显阶段性两种特征。一般性对流云团、暖云和深对流云团均可造成该型暴雨,其中一般性对流云团的云顶亮温变化幅度小,在-47～-36℃,暖云的云顶亮温在-8～3℃,深对流云团的云顶亮温-68～-50℃且强降水发生在云顶亮温低值中心偏向温度梯度大值区一侧。该型暴雨的雷达反射率因子强回波质心较低,表现为上游回波同一方向连续移入形成的"列车效应"、本地生成回波并不断加强以及不同方向的强回波先后移入影响三种类型,小时平均回波强度及其变化对降水强度和趋势有较好的指示意义。需要特别关注副热带高压西侧低层高能高湿、凝结高度低、整层近乎饱和且又具有局地地形抬升触发条件地区的暖云强降水的分析和监测。

一次梅雨锋附近“列车效应”致灾大暴雨过程观测分析

2016年7月6日在武汉发生了一次造成城市严重内涝的暴雨过程。本文利用多普勒天气雷达、逐小时地面加密观测资料和EC 0.25°×0.25°细网格模式数据,对这次梅雨锋附近极端暴雨的降水特征、中尺度对流系统演变和暴雨成因等进行了细致分析,结果表明:(1)本次大暴雨是在典型梅雨期环流形势下发生的,副热带高压西北侧的高温、高湿区配合江淮切变线稳定少动,暴雨则出现在西南低空急流风速辐合区,925 hPa西南低空气流的进退有利于东北路冷空气南下,这与雨带的落区和维持有密切联系。(2)梅雨锋狭长雨带上的降水量分布呈现不均匀性,强暴雨主要集中在几个中心,降水中心的分布与梅雨锋附近低层风场扰动有关,梅雨锋雨带上产生大暴雨是一个典型的中尺度对流系统(MCS),沿着西南一东北走向的引导气流移动,湖北特殊地形促使"列车效应"进一步加强。(3)列车线主要由江淮切变线或边界层辐合线附近的中尺度系统扰动形成,地面中尺度气旋性辐合及低空西南急流长时间维持,是形成"列车效应"的主要原因。(4)MCS在雷达回波上有三个明显特征,第一个是MCS在雷达回波形态上属于带状对流,由层状云和列车线共同组成,雨带与西南气流走向一致;第二特征是层状云和列车线移动方向几乎一致,MCS移动方向与列车线走向平行,垂直于列车线的分量很小;第三个是对流单体在列车线上游新生、加强,并向下游移动,对流单体的传播方向和列车线方向相反。(5)西南急流向近地面扩展、"牛眼"结构及风随高度顺转等中尺度系统,促使近地面扰动加强,诱发强降水。

“98·7”北京大暴雨的中尺度分析

对“９８７”北京大暴雨过程中的雨团、雷达回波、地面风场（流场）及气压场进行了分析。分析结果表明：大暴雨过程具有明显的中尺度特征，偏东风的中尺度切变线。

一次局地特大暴雨的成因分析

在卫星云图分析的基础上，结合常规气象资料和Ｔ１０６数值产品分析了北京地区１９９８年７月２３日局地特大暴雨的成因和中尺度系统在ＩＲ云图中的特征。中尺度系统是在有利的天气尺度背景下。