暴雨天气系统及其诊断分析

• 转换：
– 高空环流形势维持基本纬向稳定
• 消失：
– 常伴随着高空形势由纬向环流转变为经向环流
低空低涡
• 多存在于离地面2~3公里的低空，如生成于四 川的西南涡，生成于青海高原的西北涡，生成 于西藏的高原涡等 • 上述低涡形成于青藏高原及其附近地区，与高 原地形的作用是分不开的 • 当它们东移后，对我国东部广大地区的降水都 有影响
热带环流
• 除直接造成暴雨外，它与中纬度系统的相互作 用，对我国夏季西风带的降水有密切的关系。
热带辐合带（ITCZ）、东风波
• 环流形势及 作用机制
高空急流
+ζ
CON DIV
J
CON
―ζ
入口 出口
• 急流轴的左侧风速气旋性切变处对应为 正的相对涡度 • 急流轴的右侧风速反气旋性切变处对应 为负的相对涡度 • 入口区 左侧辐合 右侧辐散 • 出口区 左侧辐散 右侧辐合
江淮切变线的形成、移动、转换和消失
• 形成：副热带高压脊和西风带小高压之间 • 移动：比较缓慢
– 冷式 南移 暖式 北移 – 当有低涡沿切变线东移时，涡前切变线北抬，涡后切变线南压，每 东移过去一个低涡，切变线就南北摆动一次 – 当高空槽加深，地面气旋发展时，处于槽后的切变线南移 – 随副高进退
• 西南涡的天气
–在源地时，可以产生一些阴雨天气 –当低涡移出时，无论低涡是否发展或是否有 地面锋面配合，绝大部分（95.5%）都有降 水
• 雨区主要分布在低涡的中心区和低涡移向的右前 方 ；低涡天气有日变化
高空冷涡
• 高空冷涡是大尺度的环流系统，从低空 到高空都有表现，是比较深厚的系统， 如东北冷涡、华北冷涡
dq q q V q dt t p
假设大气不可压，
dq q (qV ) (q) dt t p
• 同时可有：
dq q c K q 2 dt z
2
C是单位质量水汽凝结率（相当于降水率）， 第二项是单位质量空气由于湍流扩散而引起的 水汽输送，Kq是水汽的湍流扩散系数。它说明 一个运动的单位质量湿空气块，其比湿的变化 等于凝结率及湍流扩散率之和
• 行星尺度天气系统的变动，大致决定了 雨带发生的地点、强度和持续时间。影 响我国暴雨的行星尺度天气系统有西风 带长波大槽、阻塞高压、西太平洋副热 带高压、热带环流和高空急流等
西风带长波槽
• 巴尔喀什湖大槽 • 贝加尔湖大槽 纬向型环流 • 太平洋中部大槽 经向型环流 • 青藏高原西部低槽 副热带锋区 ，有小槽分裂
• 对长江流域持续暴雨过程中连续发生的 低涡研究，发现低空急流和水汽输送为 扰动的发展提供了丰富的“燃料”，而 高空急流的“耦合”及动量下传对低涡 的进一步发展至关重要。同时动力过程 在扰动发生阶段有重要贡献，而热力作 用在低涡发展阶段具有更为重要的作用。
• 原因：
–左前方是急流所在层次的水汽强烈辐合上升
类型
• 冷锋式切变线（或称冷式切变） • 暖锋式切变线（或称暖式切变） • 准静止锋切变线
–江淮切变线
江淮切变线
江淮切变线的特点和天气
–在850、700百帕上活动于25—350N之间的近东西走 向（亦有少数南北走向）的具有气旋式风切变的不 连续线 –在风场上，江淮切变线一般北侧是偏东风，南侧是 偏西风，具有明显的气旋式风切变 –在气压场上，江淮切变线位于西风带小高压和伸向 我国东南沿海的西太平洋副热带高压脊之间的近于 东西走向的弱槽内 –从流场形势来看，江淮切变线可分为冷式、暖式和 准静止锋式三种。一般江淮切变线是准静止锋式的
• 江淮切变线是造成江淮流域夏半年（4—9月） 降水，特别是暴雨的重要天气系统之一 据湖北省统计，在夏半年由于江淮切变线而 产生的暴雨，占全部暴雨日数的41%；就整个江 淮地区统计，有暴雨的切变线过程，占全部切 变线过程的76%，而6、7月更甚，达90%以上。 • 雨区往往分布在700百帕切变线以南和地面锋线 北侧之间，而较大的降水区往往集中在850百帕 切变线附近
类型： • 中尺度切变线（或辐合线）、中尺度低 压、中尺度高压（或雷暴高压） • 重力波 (稳定大气) • 活动方式：
–移动性 ：暴雨区中低层的风 –停滞性 ：地形因素
作用：
• 直接造成降水； • 对积云对流活动有明显的组织和增强作 用
探测研究手段
时空加密 雷达 卫星 中小尺度数值模拟
• 西南涡的移动
–据有关资料统计，西南涡移出的平均频数约 占其总数的41% 移动路径
• 向东南移动，经贵州、湖南、江西、福建出海， 有时还会影响到广西、广东 • 沿长江东移出海 • 向东北方向移动，经陕西、华北地区出海，有时 甚至可以进入东北地区
• 西南涡的发展
–西南涡在源地发展不大，只有在东移过程中 才能发展
暴雨天气系统及其诊断分析
2013-7-28
概述
• 暴雨是一种中尺度天气现象 ,但降水持续 时间较长。 • 暴雨的定义：24h 50mm • 若干次中小尺度系统的不断影响 ,要求行 星尺度系统的稳定性和天气尺度系统的 重复出现 。
• 事实表明，西太平洋副热带高压脊、长波槽、 切变线、静止锋和大型冷涡等大尺度天气系统 的长期稳定是造成连续几天暴雨的必要前提。 • 暴雨是多时空天气尺度系统相互作用的产物， 尤其是特大暴雨或持续性暴雨都是出现在有几 种尺度的天气系统（行星尺度、天气尺度、中 小尺度）有明显相互作用的情况下。 • 数学：非线性 突变
水汽条件的诊断分析
• 来源
–南海、孟加拉湾 –东海、黄海、渤海 西南气流 偏东气流
• 降水形成过程
1. 水汽由源地水平输送到降水地区 (水汽条件)
2. 水汽辐合上升 ,绝热膨胀冷却凝结成云 (垂直运动)
3. 云滴增长变为雨滴而下降 (云微物理)
1. 水汽方程
• 表示水汽输送和变化的基本方程 • 比湿的个别变化（P坐标）
西南涡
• 一般是指形成于四川西部地区、700（或850）百帕上 具有气旋性环流的闭合小低压，其直径一般在300~400 公里左右。
• 西南涡的形成
–地形因素 –500百帕有高原槽东移。槽前正涡度平流所生成的 低层减压 –700百帕上有能使高原东南侧的西南气流加强，并 在四川盆地形成明显辐合气流的环流形势
暴雨预报分析要素
强度 时间 落区
暴雨天气系统分析
行星尺度系统 尺度：2000KM以上 如：西风带长波大槽、阻塞高压、西太平洋副热带高 压、热带环流和高空急流等 天气尺度系统 尺度：300~~2000KM 如：锋面、气旋、高空低槽、高空冷涡、切变线、低 涡、低空急流，以及台风和其它热带天气系统等 中小尺度系统 尺度：300~~500KM以下 如：中尺度切变线（或辐合线）、中尺度低涡、中高 压（或雷暴高压）、重力波 等
• 急流两侧存在着很强的风速切变，最大切变与 科里奥利参数 f 同量级。 高层辐散（合），低层辐合（散） • 入口区急流轴以下气层中，相应的垂直环流为 正环流（暖侧上升气流，冷侧下沉气流） • 出口区急流轴以下气层中，相应的垂直环流为 逆环流（暖侧下沉气流，冷侧上升气流）
高空急流中心对暴雨和强对流重要作用机制： 是通过与它相联系的非地转风的作用，在急流 中心附近强迫引起二级环流。在二级环流的上 升支中导致潜在不稳定的释放。
梅雨锋中尺度暴雨结构研究的数值模拟和TRMM卫星资料
暴雨系统诊断分析
暴雨形成条件
• 充分的水汽供应 • 强烈的上升运动 • 相对较长的持续时间（一般在12小时以 上）
基 本 要 素 场 分 析
• 风场、湿度场合成
2007年7月13日08时 700百帕
暴雨分析诊断内容
水汽条件 垂直运动 大气不稳定能量 相关动力、热力不稳定因子或参数
梅雨锋环流形势(示例)
低空切变线
• 出现在低空（850或700百帕）风场上具 有气旋式切变的不连续线 • 在我国各地区、各个季节都可出现，会 引起不同程度的降水过程，尤其在夏季
–我国南方的切变线多为东西向 –北方切变线多为南北向
切变线是我国主要的降水天气系统之一。 春季，副热带高压脊线一般位于20º N以南地区， 这时切变线一般活动在华南地区，称之为华南 切变线。 从6月到7月初副热带高压脊位置移到22— 25°N，这时切变线多位于江淮流域，称之为 江淮切变线。 从7月中旬到8月，副热带高压脊线位置北移到 30—35 °N，切变线常常出现在华北地区，称 为华北切变线 。
二、天气尺度系统对暴雨的作用
制约和影响造成暴雨的中尺度系统的活 动 供应暴雨区的水汽 天气尺度系统的活动可使暴雨形成和加 强
–当天气尺度系统强烈发展或停滞摆动时，易 于造成较强而持续的暴雨； –各种天气尺度系统的叠加，使降水量加大。
• 产生大范围暴雨的天气尺度系统有
锋面、气旋、高空低槽、高空冷涡、 切变线、低涡、低空急流，以及台风和 其它热带天气系统鄂霍茨克海阻高 • 贝加尔湖阻高
阻高环流分型：
单阻型、双阻型、三阻型
副热带高压
• 副热带高压呈东西带状时，副热带流型多呈纬 向型，造成东西向的暴雨。 • 副热带高压呈块状时，副热带流型多呈经向型， 造成南北向或东北-西南向的暴雨。常发生于副 高位置偏北的时候。
–实际水汽来源：边界层急流的水汽通量辐合
• 超低空急流的存在: 900百帕以下
–急流左前方--西南涡的右前方
三、中小尺度系统对暴雨的作用
• 直接造成暴雨的天气系统 • 水平尺度：10-300公里
• 生命期：数小时 ~十多个小时
暴雨与强对流环境条件差异
大气潜在不稳定差异 强对流是在中低层有较强的潜在不稳定条件下发生的。 暴雨是在较弱潜在不稳定下发生。 水汽垂直分布差异 强对流的发生要求湿层浅，上干下湿； 暴雨要求湿层厚，上下都潮湿。 垂直切变差异 强对流要求垂直切变大，一般3-6*10-3s-1； 暴雨要求垂直切变小，一般1-3*10-3s-1。 涡度、散度、垂直速度和水汽辐合垂直分布差异 暴雨: 低空正涡度区和辐合区,高空负涡度区和辐散区,850以下有很 强的水汽辐合; 强对流:低空的正涡度较暴雨弱,高空负涡度较暴雨强,低层水汽辐合 较暴雨弱很多。
低空急流的成因
• 海陆地形影响
– 东亚、东非和北美东部大尺度、准定常的低空急流
• 地转偏差的作用
– 西南低压生成，东南侧有较大变高梯度
• 动量下传
– 通过小尺度对流向下输送；强风中心下移
• 环流形势与维持机制
–存在于副热带高压西侧或北侧 ，左侧经常有低空 切变线和低涡活动 –多位于高空西风急流入口区的右侧或南亚高压东部 脊线附近 ，高空位臵有正的涡度平流和气流的辐 散 –低空西南急流、西南涡、高空急流、经向垂直环流 和暴雨等系统构成一个相互联系相互作用的整体
–东北冷涡是指在我国东北附近地区具有一定 强度（闭合等高线多于两条），能维持3~4 天、且有深厚冷空气（厚度至少达 3000~4000米）的高空气旋性涡旋。东北冷 涡一年四季都可出现，以5，6月份为最多， 而以8月和3，4月份最少
低空急流
• 指位于600~900百帕之间水平动量集中的气流 带，风速在12米/秒或以上 • 日常业务中常把700或850百帕上风速≧12米/ 秒的西南风极大风速带称为低空急流。
• 低空急流结构特征
– 有明显的水平和垂直风切变 – 低空急流有很强的超地转特性 – 急流轴常与湿舌相配合 – 强度存在明显的日变化 – 边界层低空急流
• 低空急流与暴雨
– 统计：在江淮梅雨期有70%以上的天数出现低空急流，其中 79%的低空急流伴有暴雨；83%的暴雨伴有低空急流 – 落区：低空急流的左侧200公里以内，其中多数又降落在低空 急流中心的左前方 – 风速的脉动：急流轴上风速突然加大，下游会有较大强度降 水。说明其中存在着中尺度甚至更小尺度的扰动，并且暴雨 区随之移动。
一、行星尺度天气系统对暴雨的作用
制约天气尺度系统的活动 主要表现是 1. 行星尺度系统可以影响天气尺度系统的 移动速度或强度变化； 2. 使影响暴雨的天气尺度系统能重复出现； 3. 造成不同尺度间天气系统的相互作用

决定大范围雨区的出现范围；
决定暴雨区的水汽来源或水汽通道； 我国暴雨的水汽来源 1. 南海、孟加拉湾 2. 东海、黄海地区