“ 1998 年汛期特大暴雨成因及机理分析研究 ” 973-01 课题结题报告 （研究期限：1999.4-2001.2）

1. “1998年汛期特大暴雨成因及机理分析研究”973-01课题结题报告（研究期限：1999.4-2001.2）“1998年汛期特大暴雨成因及机理分析研究”973-01课题结题报告（研究期限：1999.4-2001.2） 王建捷 国家气象中心 2003年11月10日

2. 报告内容 • 研究目标 • 研究计划执行情况 • 主要研究成果 • 研究水平与创新性 • 研究成果对解决国家重大需求问题的意义 • 课题组织管理、研究队伍的工作状态 • 存在的问题 • 课题经费使用情况 Wangjj

3. 研究目标 • 揭示’98梅雨暴雨中β尺度系统结构特征和暴雨发生发展的可能机理 • 揭示’98汛期特大暴雨的大尺度环流特征和西太平洋副热带高压短期变动机理 • 认识和理解’98汛期特大暴雨不同尺度系统的相互作用 Back Wangjj

4. 研究计划执行情况 分解为3个专题（6个子专题） • 1998年汛期特大暴雨过程的中尺度动力学分析研究 （王建捷、刘致远） • 1998年汛期天气尺度和大尺度环流背景异常变化机理分析研究 （庄世宇、姚学祥） • 1998年汛期暴雨过程多尺度相互作用的动力学分析研究 （闫之辉、王继志） Wangjj

5. 1999年4-6月 任务分解、合同书填写、研究方案设计 • 1999年下半年 全面启动课题研究工作。完成了各类资料的搜集整理和初步诊断分析，同时确定1998年第一阶段梅雨的大暴雨过程为本课题深入研究的对象 • 2000年1-12月 课题深入研究阶段。围绕’98汛期中高纬阻高和副热带高压的异常变化特征和机理、梅雨暴雨天气尺度环境场特征、中尺度对流系统的结构及暴雨物理过程和发生发展机理等进行了较为深入的分析研究 • 2001年1-2月 课题成果提炼阶段。参与组织和撰写了《’98夏季中国暴雨的成因、机理和预报研究》专著； 文章发表 研究按计划进度执行，完成了合同规定任务 Back Wangjj

6. 主要成果——大尺度环流异常特征和机理(1) 东亚阻高 • 夏季阻塞(乌山/贝湖/东亚)日数有显著年际变化 平均 9.7/6.8/18.5天； 98年 21/10/49天（过去20年之最） • 东亚阻高异常的环流特征 “正负正”—东亚阻高盛行 “负正负”— 东亚阻高稀少 98年为“正负正”— 典型的东亚阻高盛行环流型 • 东亚阻高异常与太平洋海温异常的关系 SVD 第1藕合模态高度场 “正负正” 距平分布 第1藕合模态海温场表现出与ElNino事件时类似分布 两者的时间变化趋势一致（相关系数为0.82 ） Wangjj

7. 主要成果——大尺度环流异常特征和机理(2) 西太平洋副高 • 副高短期变异的主要特征 总体偏强、偏西，南北进退显著异常（南退、停留） 南撤过程由中太平洋向西传播 • 副高南落与副热带急流强风核位置及南海大气加热的变化有密切关系 东亚副热带急流的位置和强度变化是7月中旬副高突然大幅度南撤的重要原因 （数值试验结果的支持） SVD分析，热源/水汽汇超前1-5天及副高异常的时间演变趋势一致 • 副高短期变异的物理图像——垂直经圈环流起作用 热带加热减弱 → 低纬垂直经圈环流减弱，特别是20°-30°N下沉支减弱、变窄、南移→副高减弱偏南维持 Wangjj

8. 主要成果——’98暴雨时期的梅雨锋结构(1) 水平结构 • 强烈的湿度对比非温度对比；低层为正涡度和辐合带(风/水汽) ，高层为辐散带 • 两支低空气流输送水汽，汇合于江南（主支来自孟加拉湾，另一支来自南海南部） • 青藏高原东部地区不断有对流云团生长，并有一些云团通过不断生长移出高原、汇入到梅雨锋中，对梅雨暴雨起到诱发与加强作用 Wangjj

9. 主要成果——’98暴雨时期的梅雨锋结构(2) 垂直结构 • 900hPa以下弱不稳定、 900-400hPa气层是潮湿中性层结 • 从近地面可伸展到600hPa层（一般认为存在于800hPa以下），近乎垂直；弱的垂直风切变，强的水平风切变 • 与’98梅雨锋相联系，存在一支横越低空急流的经向垂直反环流（细节特征与’91致洪梅雨暴雨有差别） • ‘98梅雨长江中下游的双锋耦合结构 位于副高边缘与梅雨锋对称；为北湿南干的“无脚锋” 强降水时的梅雨锋是介于温带锋面和ITCZ结构之间的副热带锋系结构 Wangjj

10. 主要成果——梅雨暴雨中尺度特征(1) 观测特征 • ‘98梅雨暴雨突发性强，“二度梅” 比第一阶段梅雨暴雨的突发性和局地性显得更强 • 逐时的TBB资料和红外云图分析发现，中α云系中存在着明显的中尺度对流云团的活动 • 强梅雨暴雨发生前，最大对流有效位能可达到2600J/kg 处于相似大尺度环流背景之中的测站，由于其所处的中尺度环境不同，导致了其降水强度的差别 Wangjj

11. 主要成果——梅雨暴雨中尺度特征(2) 中尺度对流系统结构 • 动力场特征 表现为低层辐合高层辐散、伴有强烈上升运动（米/秒量级）的正涡柱;各量随时间的变化并不是完全同步的。 水平风垂直切变小、水平变化大（对流层中下层） • 温度/湿度场特征 中部暖而上下部冷(与凝结释热作用有关)；高湿气柱；近乎对流中性 • 云物理特征 云厚分布不均匀，中云系中有多个中尺度降水云塔（在低空连成一片，在对流层上部是分开的，云塔的垂直高度达150 hPa）,雨水含量的大值中心出现在450-400hPa Wangjj

12. 主要成果——梅雨暴雨中尺度特征(3) 中β尺度对流系统空气运动图象 • 中心和边缘气流运动特征不同 • 中心： 垂直（略向东倾斜）上升，伸展到对流层高层（200hPa），向东南一侧水平流出 • 边缘： 上升后在约400hPa高度向外（东南/东北）水平流至约150km处下沉，在700-800hPa层回流（沿东北/东南），即构成南北两个非闭合、似呈螺旋式运动的中尺度垂直环流 Wangjj

13. 主要成果——不同尺度相互作用与暴雨机理 (1) • 暴雨物理过程（数值敏感性试验） • 地形不是梅雨暴雨发生的关键，但对梅雨暴雨有加强和增幅作用 • 凝结释热是梅雨暴雨发生发展的至关重要的物理过程 • 诊断扰动动能与平均动能之间的转换 • 先是中尺度系统在对流层中低层从大尺度得到动能 • 中尺度系统又通过其发生发展将动能在高层输送给大尺度 • 在降水即将结束的时候，整个对流层内不同尺度间的动能转换明显减弱，深厚层次内（800-200hPa）主要表现为中尺度向大尺度输送动能 Wangjj

14. 主要成果——不同尺度相互作用与暴雨机理 (2) 暴雨发生发展机理 • 在有利的梅雨大尺度环流背景下,500hPa冷槽触发天气尺度上升运动 • 梅雨锋上暖湿空气上升，产生水汽凝结,尤其是在有强正CAPE的局部区域（中尺度），水汽凝结显著 • 显著的凝结潜热释放可加热中尺度对流区相当深厚的大气层，凝结过程造成的温度场变化引起风场的改变，在中尺度对流区激发出附加垂直环流，与环境场之间产生正反馈相互作用，通过类似于第二类条件不稳定的机制使暴雨得到发生和发展 Wangjj

15. 专题 编号 专题名称 已发表 论文 学术会议 报告 获得专利 出版专 著 人才培养① 国际 国内 其中SCI收录 其中EI 收录 国际 国内特邀 博士后 博士 硕士 优秀中青年人才 特邀 一般 01 1998年汛期特大暴雨过程的中尺度动力学分析研究 4 1 1 1合 02 1998年汛期暴雨过程的天气尺度和大尺度环流背景异常变化机理分析研究 1 1合 03 1998年汛期暴雨过程的多尺度相互作用的动力学分析研究 6 1 3 1合 合计 11 1 4 1 1 主要成果——论文、专著 Wangjj

16. 专题编号 类别① 作者 论文题目 杂志名称 年份 卷期 页码 是否责任作者① 作者单位② 01 G 王建捷李泽椿 1998年一次梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断分析 《气象学报》 2002 10 (2) 146-155 是 国家气象中心（1） 01 G 王建捷陶诗言 ‘98梅雨锋的结构特征及形成与维持 《应用气象学报》 2002 13 (5) 526-534 是 国家气象中心（1） 01 Q 王建捷马学款 ‘98汛期长江中下游一次梅雨暴雨过程的数值模拟分析 《国家气象中心科技年报》 1999 A 105-112 是 国家气象中心（1） 01 Q 张红亮赵俊英王建捷 ‘98汛期中HLAFS模式在青藏高原南侧大降水中心产生的原因分析 《国家气象中心科技年报》 1999 A 95- 100 是 国家气象中心（1） 02 G 毛恒青李月安姚学祥 1998年夏季东北亚阻塞高压异常的大尺度环流特征及成因初探 《南京气象学院学报》 2001 24 (2) 221-227 是 国家气象中心（1） Wangjj

17. 03 S 王继志杨元琴徐祥德 A Monitoring Study of the 1998 Rainstorm along the Yangtze River of China by Using TIPEX Data ADVANCES IN ATMOSPHERIC SCIENCES 2003 20 (3) 425-436 是 国家气象中心（1） 03 G 徐夏囡 98.7武汉及其附近地区特大暴雨中若干观测事实的分析 《应用气象学报》 2001 12 (3) 327-336 是 国家气象中心（1） 03 G 闫之辉田 华 1998年6月下旬长江中下游强降水过程成因分析 《应用气象学报》 2002 13 (6) 680-687 是 国家气象中心（1） 03 Q 闫之辉田 华 1998年6月下旬长江中下游一次强降水过程的成因分析 《国家气象中心科技年报》 1999 A 113-129 是 国家气象中心（1） 03 Q 王继志杨元琴 1998年中国暴雨大尺度环流的 综合观测研究 《台风暴雨监测预报研究成果业务化和推广应用的研究技术文集》 2001 气象出版社 67- 75 是 国家气象中心（1） 03 Q 王继志杨元琴 1998年长江流域特大暴雨系统 的跟踪分析 《台风暴雨监测预报研究成果业务化和推广应用的研究技术文集》 2001 气象出版社 105-112 是 国家气象中心（1） Wangjj Back

18. 研究水平 • 与国内其他（973暴雨项目除外）关于‘98暴雨的分析研究相比，本研究所做的工作比较系统、更细致深入和侧重物理机理研究 • 研究结论的形成基于丰富资料（常规气象观测和1998年四大气象科学试验的加强观测、卫星TBB观测、20年再分析等资料）的综合分析和多种研究方法（统计分析、观测和动力诊断分析、数值模拟等）的结合 • 研究的技术路线具有同类研究的国际先进性 • 对’98梅雨暴雨有新的认识和理解 Wangjj

19. 研究的创新性(1) • 将’98副高的短期突发性异常变化与东亚大气环流的异常调整（特别是高空急流变异）相联系，并辅以数值敏感性试验加以佐证，思路新颖 • 给出了副高短期变异的物理图像，即解释了热带季风区加热的减弱是通过低纬经圈环流的减弱来影响副高短期变异的机制 Wangjj

20. 研究的创新性(2) • 对梅雨暴雨时期的梅雨锋结构特征有了新的、进一步的认识，首先指出： • 出现强降水时的梅雨锋结构是介于温带锋面结构和ITCZ结构之间的副热带锋系结构 • 在长江中下游表现为“双锋”耦合的锋系特征 • 采用较好的4维资料同化技术融合“四大试验”加密高空和地面观测资料，这在同类研究中是有特色的 Wangjj

21. 研究的创新性(3) • 较早地给出了梅雨暴雨中尺度对流系统的热力、动力、云物理结构特征的细致诊断和分析，这在国内同类研究中不多见，对其他同类研究有启发作用 • 首先提出了强烈发展的梅雨中β尺度对流系统的空气运动图像，该图像所描述的中β尺度对流系统中心和边缘气流明显不同的运动特征与后来有人用1999年雷达观测反演出的一次梅雨暴雨对流系统的风场结构特征是比较相似的 • 对’98梅雨暴雨的发生发展给予了物理解释。 Wangjj Back

22. 研究成果对解决国家重大需求问题的意义 国家需求——防灾减灾——致洪暴雨预报 • 研究重点放在了梅雨暴雨研究的薄弱环节/梅雨暴雨预报的一些难点问题，研究成果的科学意义在于： • 从一个不同角度对副高短期突发性变异加以理解和认识，拓展了对副高研究的视角 • 揭示了梅雨暴雨时期的梅雨锋结构的一些新特征，对进一步完善梅雨锋研究及其认识有添砖加瓦的作用 • 所揭示的梅雨暴雨中尺度对流系统的结构特征和运动图像，是进一步搞清和完善梅雨暴雨中尺度对流系统发生发展机理的研究积垫 • 对副高、阻高、梅雨锋和梅雨暴雨中尺度系统等的理解和认识，对梅雨暴雨预报思路的改进有指导意义 Back Wangjj

23. 组织管理、研究队伍的工作状态 • 不定期组织课题内部的交流与讨论 • 加强联系与沟通，督促研究进展，因为专题和子专题是课题的重要组成部分 • 及时调整研究方向，以形成整体性科研成果。尽量使研究自主性和科研思想的发挥能够较好地与课题目标统一 • 参研人员年纪相对较轻，主要在业务岗位工作 • 参加大型国家级研究项目的经历和经验不足 • 善于学习、敢于探索，研究思想比较活跃 • 参研收获 • 在研究思路和能力方面均得到了很好的锻炼和提高 • 在一定程度上影响和带动了一些年轻业务人员进行科研总结、以科学研究指导业务实践的兴趣和行动 Back Wangjj

24. 存在的问题 • 因个别主要研究人员出国留学，课题不得不重新调整人员，但难以保证原有研究工作的延续性 • 个别子专题未能将成果及时投送发表 • 研究经费不足在一定程度上影响了部分参研人员的研究积极性 Back Wangjj

25. 课题经费使用情况 973项目资助总额 37 万元 开支符合财务规定 Wangjj

26. 谢谢各位专家! Wangjj

27. 夏季东亚阻塞高压与厄尔尼诺的对应关系         82.9--83.9 86.10--8.3 91.5--92.11 93.4--94.1 94.5--95.2 97.5--98.5 Wangjj Back

28. 90N 50 10 0 60 120 180E d 1998年夏季500hPa高度距平场“正负正”分布 +   + Back Wangjj

29. +  +  + + 海 温 高 度 Back Wangjj

30. - + - - + - - - + + 850 hPa 相对涡度 850 hPa 散度 850 hPa 水汽通量散度 250 hPa 散度 Wangjj

31. J 大 J a b c 98年6月16-17日平均的850hPa se(a)水汽通量(b)和高空急流分布(c) Wangjj

32. Back Wangjj

33. 1998年6月16-17日平均的se（） 和比湿（g/kg）沿116E的经向垂直分布 （粗实、虚线分别为梅雨锋区和副高边缘副热带锋区的上下界） Wangjj

34. 1998年6月16-17日平均的东西风（彩色,m/s）和比湿（黑线,g/kg）1998年6月16-17日平均的东西风（彩色,m/s）和比湿（黑线,g/kg） （a）南北风（彩色,m/s）、温度（虚线,C）（b）沿116E的经向垂直分布 图中红线为垂直速度（10-4hPa/s） Back Wangjj

35. Wangjj

36. B E 51725 距暴雨中心区最近 距最强/次强中心约110-150km 51665 距暴雨中心区最远 距最强/次强中心约440-600km 1998年6月16-17日测站的CAPE（J/kg） A: 16日08时B: 16日14时C: 16日20时D: 17日02时E: 17日08时 Wangjj Back

37. 200hPa ULJ 南亚高压 500hPa 副高 850hPa LLJ Back Wangjj

38. 平均动能与 扰动动能之间 的相互转换 <0平均动能向 扰动动能转换; >0扰动动能向 平均动能转换 Back Wangjj

39. 有利的梅雨大尺度环流背景 （高层辐散、中层冷空气、副高） 高层副涡度加强并向中层扩展抑制正涡柱的发展（高空急流核移近暴雨区过程中，环境场发生变化） 梅雨锋上暖湿空气上升，产生水汽凝结 500hPa 冷槽 抬升 触发 在强正CAPE的局部区域有显著水汽凝结 凝结释热激发出附加的中尺度垂直环流 低层辐合 高层辐散 上升运动 正涡柱 更强的 辐合辐散 上升运动 更多的 凝结释热 Wangjj

40. 3.4 8.4 3.7 9.7 -14.1 -6.2 N S N S T U 1998年6月17日02时经过暴雨中心的T（C） 和U（m/s）南北向垂直剖面. =控制试验-“干”试验 Wangjj

41. 暴雨点涡度高度-时间剖面 暴雨点 比湿高度-时间剖面 Wangjj Back