“ 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...

“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

2003.11.10 Wangjj

国家气象中心国家气象中心 NMC/CMANMC/CMA

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

2003.11.10 Wangjj


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

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2003.11.10 Wangjj


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）

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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

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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 ）

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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

主要成果——大尺度环流异常特征和机理(2)

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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

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国家气象中心国家气象中心 NMC/CMANMC/CMA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

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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

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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

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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

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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

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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

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主要成果——论文、专著

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

011998 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

021998 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

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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


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


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


1999

A 95- 100


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


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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


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


12 (3)

327-336


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


13 (6)

680-687


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


1999

A 113-129


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


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


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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

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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

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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

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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。

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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

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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

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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

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课题经费使用情况经费支出类别决算数 ( 万

元 )说明

科研费 15 会议费、差旅费、资料费、出版费等

设备费 13 PC计算机、打印机、刻盘机、活动硬盘等

软件购置费 1 图形软件、计算机杀毒软件等

其他 6 办公用品、文具、交通费、招待费等

管理费 2合计 37

973 项目资助总额 37 万元开支符合财务规定

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国家气象中心国家气象中心 NMC/CMANMC/CMA夏季东亚阻塞高压与厄尔尼诺的对应关系

0

10

20

30

40

50

1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998

年

/东

亚阻

塞日

数天

82.9--83.9 86.10--8.3 91.5--92.11 93.4--94.1 94.5--95.2 97.5--98.5

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180E600 120

90N

50

10

d

1998 年夏季 500hPa 高度距平场“正负正”分布

+

+

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c- 20

- 15

- 10

- 5

0

5

10

15

1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997

年

时间

系数

+

+

++

高度

海温

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850 hPa相对涡度 850 hPa

散度

250 hPa

散度 850 hPa水汽通量散度

++

++

---

---

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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)

a b

J 大

J

c

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1998 年 6 月 16-17 日平均的 se （）和比湿（ g/kg ）沿 116E 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）

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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 116E 的经向垂直

分布图中红线为垂直速度（ 10-4 hPa/s ） Back

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国家气象中心国家气象中心 NMC/CMANMC/CMA115 117 119

25

27

29

162232

2 5

2 7

2 9

162332

2 5

2 7

2 9

170028

115 117 11925

27

29

170133

115 117 119

170232

170332

170432

115 117 119

170532

115 117 119

170625

2 5

2 7

2 9

170733

2 5

2 7

2 9

170833

115 117 11925

27

29

170932

- 8 0

- 7 0

- 6 0

- 5 2

- 3 2

- 2 0

0

0

51015

20253035

40

58715 58608 58633 58665

14-15: 00 15-16: 00 16-17: 00 17-18: 00 18-19: 00 19-20: 00 20-21: 0021-22: 00 22-23: 00 23-00: 00 00-01: 00 01-02: 00 02-03: 00 03-04: 0004-05: 00 05-06: 00 06-07: 00 07-08: 00

0

15

30

45

60

75

90

57494 58407

05: 00- 06: 00 06: 00- 07: 00 07: 00- 08: 00 08: 00- 09: 00 09: 00- 10: 0010: 00- 11: 00 11: 00- 12: 00 12: 00- 13: 00 13: 00- 14: 00

2003.11.10 Wangjj


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

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

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ULJ

LLJ

副高

南亚高压

850hPa

500hPa

200hPa

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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

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国家气象中心国家气象中心 NMC/CMANMC/CMA有利的梅雨大尺度环流背景（高层辐散、中层冷空气、副高）

凝结释热激发出附加的中尺度垂直环流

梅雨锋上暖湿空气上升，产生水汽凝结

在强正 CAPE 的局部区域有显著水汽凝结

低层辐合高层辐散上升运动正涡柱

更多的凝结释热

更强的辐合辐散上升运动

500hPa冷槽抬升触发

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）

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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

T U

N SS N

8.4

9.7

3.4

3.7

-6.2 -14.1

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暴雨点涡度高度 - 时间剖面暴雨点比湿高度 - 时间剖面

0

5

10

15

20

25

30

35

40

时间

mm降

水量

（）

0

5

10

15

20

25

30

35

40

时间

mm降

水量

（）

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