致洪大暴雨期間的多尺度動力學分析第五屆全國中尺度氣象學論壇N

U

I

S

T>>>1.

研究的背景與意義2.

研究資料與方法3.

基本研究內容與結論4.

不足與展望CONTENTS第一部分

Part.1

N

U

I

S

T

>>>研究背景與意義Research

Background

&

Significance2021年7月19日至22日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨。鄭州5號地鐵12人遇難，總計398人死亡研究背景已有的研究通過數值模擬分析了雙臺風

“煙花”和“查帕卡”對21?7

特大暴雨的遠距離影響（Yu等人，

2022；Xu等人，

2022；Zhang等人,

2023

）

，以及雙臺風與周圍大尺度環流的相互作用

對河南地區中尺度對流的可能影響（Deng

，

2022)。21?7

特大暴雨是由中低緯度地區的多尺度天氣系統共同作用造成的

，包括異常偏北的西太平洋副

熱帶高壓、西移的臺風“煙花”、北移的臺風“查帕卡”和對流層上部槽（冉令坤等，

2021；梁旭東等

，

2022；

張霞等

，

2021

；Yu

et

al.,

2022;Xu

et

al.,

2022;

Deng

et

al.,

2022;Wei

et

al.,

2023;

Luo

and

Du,

2023;Zhang

et

al.,

2023;

Hu

et

al.,

2023

國內外研究進展

?

定性分析：?

數值模擬：

國內外研究進展

暴雨的發生和強度預報進展緩慢

，究其原因是我們對暴雨強度變化的理論認識有限：暴雨是多尺度系統相互作用的產物

，

涉及到非線性過程

，是一個包含突變的復雜過程（丁一匯，2014）

→定量分析不同尺度系統之間的相互作用仍然是一個具有挑戰性的問題Barnes濾波法（Barnes，

1964）Lanczos帶通濾波器（Duchon，

1979）Butterworth濾波器（Hamming，

1989）……常用作分析多尺度動力過程

國內外研究進展

暴雨是空間上高度局地化、時間上瞬時變化的天氣系統Liang

et

al.

(2007,

2016)新發展了瞬時局地的多尺度子空間變換

（Multiscale

Window

Transform,

MWT）以及基于MWT的局

地多尺度能量和渦度分析

（localized

Multiscale

Energy

andVorticityAnalysis,

MS-EVA）方法

，解決了這一難題。傳統的時空平均的能量診斷方法并不適用于暴雨事件的分析

研究內容?提出問題：已有的研究成果定性分析了本次持續性大暴雨的形成原因，

但此次天氣過程中多

尺度環流及其相互作用的定量分析還有待研究。解決方案：運用局地瞬時能量學診斷工具：

多尺度子空間轉換（MWT）

和基于MWT的能量

和渦度分析

（MS-EVA）

，

進一步研究此次河南省持續性暴雨的成因、

能量來源與輸送

，

由

此定量研究不同尺度氣象要素對這次持續性大暴雨演變的貢獻。第二部分

Part.2

N

U

I

S

T

>>>研究資料與方法Research

data

and

methods

研究資料

?逐小時降水數據來自中國氣象局國家氣象信息中心提供的全國1893個觀測站數據。?歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）制作的全球氣候第五代再分析數據集（ERA5），

時間分辨率為6

小時

，水平分辨率為0.25°

×0.25°

,垂直方向分為37層

，用于繪制天氣形勢距平圖。?使用美國氣象環境預報中心（NCEP）

的逐6小時FNL（Final

Operational

Global

Analysis）數據進

行MWT和MS-EVA分析

，該數據水平分辨率為1.0°

×

1.0°

,

垂直方向共21層

，使用五個變量u、v、w、gp、t

，選取范圍（－5.0°–80.0°

N,

50.0°–160.0°

E）。?時段：

2021年3月23日00時至12月3日18:00時

，總計1024(210)時次

，用以進行MWT分析?

19日20時到20日20時

（北京時）

，鄭州的最大降水量超過480毫米/天?紅色框

代表區域

（34.0°

-36.5°

N,112.0°

-114.5°

E）

，

用于基本天氣形勢與天氣系統的分析

站點資料降水場OBSFNLERA5重構場（濾波場）變換系數時間序列T

t

尺度子空間訂時間步長nT

t

=

T～0

t

+

T～1

t

+

T～2

t

+

?0

1

2

…T

T

T

研究方法多尺度子空間變換

(MWT)(Liang&Anderson,2007)

能量在不同尺度

之間傳輸守恒尺度子空間訂上時間步長n的能量

∝正則傳輸(Liang,

2016)

研究方法將時間尺度劃分為三個子空間：天氣尺度子空間（0-8天）季節內振蕩子空間（8-64天）基本氣流子空間（64天及以上）(34.0-36.5。N,

112.0。-114.5。E)700

hPa

垂直速度的小波分析第三部分

Part.3

N

U

I

S

T

>>>研究內容與結論Research

content

and

results1基本天氣形勢場的判斷

3.1.2850

hpa距平風場、500

hpa和200

hpa位勢高度距平場7月20日7月19日850

hPa500

hPa200

hPa?

臺風煙花和查帕卡

的外圍氣流、副熱

帶高壓的東風和東

南氣流穩定輸送水

汽?

嵩山和伏牛山附近

的輻合中心顯著

3.1.3水汽輸送條件2基于MWT的多尺度重構場

3.2.1

基本氣流子空間(>64天)850

hPa200

hPa500

hPa7月19日7月20日

3.2.2

季節內振蕩子空間(8-64天)850

hPa200

hPa500

hPa7月19日7月20日

3.2.3天氣渦旋子空間

(<8天)850

hPa200

hPa500

hPa7月19日7月20日3天氣尺度子空間的能量演變過程

3.3.1

動能及有效位能演變方程

3.3.2能量收支方程各項隨時間的演變A仃

收支方程各項K仃

收支方程各項

3.3.3暴雨發生前12h與暴雨發生時能量收支方程各項的垂直廓線分布K仃

收支方程各項A仃

收支方程各項暴雨發生前12h暴雨發生時

3.3.4各尺度間的能量傳輸過程ΓA1→

2

+

Γ

→

2K1ΓA0→

2

+

Γ

→

2K0ΓA1→

2Γ

→

2K1ΓA0→

2Γ

→

2K0

小結

通過應用MS-EVA診斷，我們發現在鄭州特大暴雨發生之前和期間，都存在由浮力項表示的APE到KE的持續能量轉換，而壓力梯度力所做的功可以忽略不計。

暴雨前，潛熱是APE的重要來源，

500hPa以上的KE向下能量串級過程（正壓不穩

定）是除浮力項外的KE的重要來源。

暴雨發生期間，由于輻散和耗散，

KE顯著降低，而中層APE的向下能量串級過程（斜壓不穩定）是APE的來源。低層8–64天的正壓不穩定是此次暴雨過程的另一個主要能量來源。表明多尺度相互作用可能是導致暴雨極端化的主要原因。第四部分

Part.4