基于TRMM资料的西南涡强降水结构分析

利用热带测雨卫星TRMM资料和NCEP再分析资料,研究了2007年7月17日发生在四川东部和重庆西部地区的一次西南涡强降水系统的水平和垂直结构特征。结果表明,此次强降水系统由一个主降水云团(云带)和多个零散降水云团组成,属于对流性降水,强降水雨强大、范围广。降水系统中对流云降水的样本数量比层云降水少,但对流云降水的平均降水率大,对总降水量的贡献比层云大。对流云降水的雨强谱主要集中在1~50 mm·h-1范围内,而90%层云降水的雨强都在10 mm·h-1以下。从降水系统的垂直结构来看,强降水系统的雨顶高度可伸展到16 km,最大降水率位于地面上空2~6 km的大气层,降水强度的垂直和水平分布不均匀,对流层低层云滴的碰并增长过程对降水起主要作用。西南涡引发的强降水中不管是层云降水还是对流云降水,6 km高度以下降水量的贡献最大,不同高度降水量对总降水量贡献的大小随着高度的升高而减小。     

利用TRMM卫星资料对"07.7"川南特大暴雨的诊断研究

利用TRMM卫星探测结果,结合多普勒雷达风廓线资料,研究了2007年7月9日发生于四川盆地南部的一次特大暴雨过程在不同阶段的降水粒子风廓线、潜热和降水结构特征。结果表明：（1）大暴雨区存在低层辐合、高层辐散的典型垂直环流结构。（2）强降水系统由一个主降水云团和多个零散降水云团组成;降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,对总降水量的贡献超过层云降水。（3）降水发展旺盛阶段,强对流降水的雨顶高度可达17 km,强降水主体中垂直方向和水平方向均存在非均匀的降水强度分布;减弱阶段,强降水雨顶高度仅10 km左右,且其层云降水有清晰亮度带。     

基于卫星资料的西北地区高原涡强降水分析

GPM(Global Precipitation Measurement)卫星目前被广泛应用于对流系统的研究中,但受限于卫星轨道扫描方式,在中纬度青藏高原东部区域,GPM轨道观测数据捕获完整的强对流系统较为困难。本文利用全球降雨观测GPM卫星资料、FY-4A卫星资料、NCEP-FNL和ERA-Interim再分析资料,结合地面观测资料,研究了2018年7月1日发生在高原东坡的一次暴雨强降水系统结构。结果表明:层云降水和对流性降水组成的混合性降水云团中,对流云样本数只有层云的1/5,但平均降水率是层云的14倍,对总降水的贡献达到75%,对流性降水贡献远高于南方强降水系统;强降水质心离地高度约2 km,具有比我国南方同类强对流系统更明显的低质心特征;对流云内云滴谱较宽,云粒子半径差异较大,2～5 km高度出现明显的粒子累积带,与层云系统具有显著差异。在副高外围西南气流的引导下,来自孟加拉湾的水汽通道打通,甘肃省南部700 hPa比湿可达16 g·kg~(-1),大气可降水量普遍达到40 kg·m~(-2)以上,加之大气不稳定能量较高,高原涡和700 hPa切变线合并触发了此次对流性强降水。受云团前侧高压脊阻挡,暴雨云团从高原东部初生至发展旺盛阶段用时接近4 h,自西向东移动约3个经度,属于准静止型暴雨云团,暴雨云团移速缓慢是导致此次局地极端强降水的重要原因。     

台风麦莎与赤道穿透对流云团的初步比较分析

利用TRMM卫星的测雨雷达、微波成像仪、可见光和红外扫描仪资料详细分析比较了麦莎台风和位于南海南部的赤道穿透对流云团(EPCC)的云高以及降水结构特征.首先,对热带地区对流层到平流层的过渡带(TTL)以及进入TTL的穿透对流云团进行了阐述和定义.然后,分析对比了赤道穿透对流云团和台风麦莎不同生命史阶段的云高、降水结构特征,分析对比结果表明:(1)在强降水区:麦莎台风和EPCC的云顶上部均出现了冰粒子散射现象,但EPCC的散射强度强,微波亮温值均低于180 K,并且其雷达云高和红外云顶亮温云高相差较大、云顶亮温曲线平缓.(2)EPCC的深对流数量四分比、穿透对流数量百分比、尤其是穿透对流数量占深对流数量比,都比麦莎台风各阶段的高;在麦莎台风和EPCC(10-20 km)云体中大部分云高集中在10-12 km,但EPCC(10-20 km)的云高谱相对具有连续性、相对较宽.(3)麦莎台风以层云降水为主,对总降水量的贡献中也是从云降水贡献大,但是EPCC中却是对流性降水的贡献大,且EPCC对流降水与层云降水的像素数量比值和降水量比值也比麦莎台风的3个时次都高.(4)EPCC的降水廓线深度无论是从云降水还是对流降水都比麦莎台风深,层云廓线深度达11 km,对流廓线深度达18 km.另外,从EPCC的穿透对流数量百分比比麦莎台风多,层云、对流降水廓线比麦莎台风深这几方面,一定程度上说明了EPCC的局部垂直对流强度比麦莎台风强.     

利用星载测雨雷达探测结果对夏季中国南方对流和层云降水气候特征的分析

本文利用热带测雨卫星(TRMM)上搭载的测雨雷达(PR)十年的探测结果, 对夏季中国南方对流降水和层云降水的气候特征进行了分析。研究结果表明:夏季中国南方层云降水频次较对流降水频次高出两倍以上, 而对流降水强度至少是层云降水强度的4倍; 就整个中国南方而言, 这两种类型的降水对总降水量贡献相当。日变化分析表明夏季中国南方大部分地区的对流降水主要出现在午后, 层云降水出现时间并不集中, 但这两类降水的频次日变化均显示了明显的地域性特征; 对降水廓线日变化的分析结果表明, 对流降水和层云降水廓线的日变化主要表现在“雨顶”高度的日变化, 即对流降水云的厚度有明显的日变化变化特征, 不同地区的降水廓线存在明显的差异。降水率剖面分析结果显示了对流降水的“雨顶” 高度日变化较层云降水剧烈, 降水率的日变化则相反, 且层云降水率的地域性特征更强。     

春季粤北地区降水微物理特征分析

为揭示春季粤北降水微物理过程,选取2020年2—3月粤北2个站点雨滴谱仪观测资料,统计分析了春季粤北地区层云降水、混合性降水、对流性降水的微物理特征,结果表明:(1)对流性降水过程中大雨滴是影响雨强大小的重要因素;层云降水过程,小雨滴数浓度占比大于90%,平均雨强小于1 mm/h,雨滴数是影响雨强的重要因素。(2)层云性降水雨滴谱呈单峰结构,谱宽小;对流性降水雨滴谱为多峰结构,谱宽最大;混合性降水谱型与对流性降水相似。3类降水峰值均在0.2~0.3 mm范围,均是Gamma分布谱型拟合最优。(3)春季粤北地区对流性降水的Z-I关系为Z=173.9I^(1.452),混合性降水的Z-I关系为Z=72.77I^(1.97),层云性降水过程的Z-I关系为Z=194.3I^(1.296)。     

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

安徽滁州夏季一次飑线过程的雨滴谱特征

选取2014年7月31日安徽滁州一次飑线过程,使用地基雨滴谱仪资料分析此次过程的雨滴谱特征。根据雷达回波和地面降水强度将这次降水过程划分为对流降水、过渡性降水和层云降水,并以10 mm·h-1为临界值将对流降水进一步划分为对流前沿降水、对流中心降水、对流后沿降水。结果表明:对流中心降水、过渡性降水、层云降水的质量加权直径均比较稳定,平均值分别为1.8 mm, 1.0 mm, 1.7 mm。对流降水的标准化截距相比层云降水更大。对流中心降水各粒径段雨滴数浓度均较高;层云降水小雨滴浓度较低,且有少量大雨滴;过渡性降水由小雨滴组成。当雨水含量相同时,层云降水的质量加权直径相比对流降水更大。当雨强相同时,层云降水的反射率因子相比对流中心降水更大。更为精细的降水类型划分可有效改善Z-I关系。     

热带测雨卫星对淮河一次暴雨降水结构与闪电活动的研究

文中利用热带测雨卫星 (TRMM )搭载的测雨雷达 (PR)、闪电成像仪 (LIS)、GOES卫星红外通道辐射亮温(TBB)对 2 0 0 3年淮河汛期一锋面气旋系统的两个时次的探测结果 ,分析研究了降水结构及闪电活动 ,并与“98.7.2 0”武汉附近地区中尺度强降水的结构和闪电活动进行了比较。GOES的TBB、降水系统中的对流降水与层云降水比例、闪电活动频数随时间的变化均能表征锋面气旋系统的发展。TRMMPR探测结果表明 :冷锋降水狭窄细长 ,且均为强对流降水 (特别在冷锋加强时 ) ;暖锋宽广 ,且为大片层云降水 ,但其中存在面积不等的强对流降水云团 ;与“98.7.2 0”武汉附近地区中尺度强降水垂直结构的比较表明 ,锋面气旋降水的最大降水率出现在近地面 ,而中尺度强降水的最大降水率出现在低空 (3.0～ 3.5km) ,表明两者之间的降水微物理过程存在差别。TRMMLIS探测结果表明 :闪电活动均发生在冷锋的强对流降水云团中 ,暖锋中虽有强对流降水 ,但无闪电活动 ;闪电活动频数高所对应的降水廓线中、上部存在大量的冰相粒子。     

基于动力降尺度方法预估的青藏高原降水变化

当前的全球气候模式分辨率较低,难以合理再现青藏高原降水的时空分布特征,动力降尺度方法成为一种有效的手段。本文利用全球气候模式CCSM4的输出结果驱动区域气候模式WRF进行动力降尺度模拟,评估了动力降尺度对青藏高原湿季总降水率和对流降水比例的模拟能力,对比了CCSM4和WRF模式预估的青藏高原湿季总降水、层云降水和对流降水变化差异。结果表明,相比于驱动数据,动力降尺度模拟能更好地再现1998-2005年青藏高原湿季总降水率和对流降水比例空间分布及随海拔分布的特征;WRF模式预估的高原未来(2070-2099年)湿季总降水增加,但空间上呈"北增南减"的变化特征,对流降水的增加导致高原北部总降水增加,而层云降水的减少导致高原南部总降水减少。整体而言,对流降水的增加大于层云降水的减少,且主要发生在海拔4000 m以下。     

An analysis of heavy precipitation caused by a retracing plateau vortex based on TRMM data

In this paper, we study a persistent heavy precipitation process caused by a special retracing plateau vortex in the eastern Tibetan Plateau during 21–26 July 2010 using tropical rainfall measuring mission (TRMM) data. Results show that during the whole heavy rainfall process, the precipitation rate of convective cloud is steady for all four phases of the plateau vortex movement. Compared with the convective precipitation clouds, the stratiform precipitation clouds have a higher fraction of area, a comparable ratio of contribution to the total precipitation, and a much lower precipitation rate. Precipitation increases substantially after the vortex moves out of the Tibetan Plateau, and Sichuan Province has the most extensive precipitation, which occurs when the vortex turns back westward. A number of strong convective precipitation cloud centers appear at 3–5 km. With strong upward motion, the highest rain top can reach up to 15 km. In various phases of the vortex evolution, there is always more precipitable ice than precipitable water, cloud ice water and cloud liquid water. The precipitating cloud particles increase significantly in the middle and lower troposphere when the vortex moves eastward, and cloud ice particles increase quickly at 6–8 km when the vortex retraces westward. The center of the latent heat release is always prior to the center of the vortex, and the vortex moves along the latent heat release areas. Moreover, high latent heat is released at 5–8 km with maximum at 7 km. Also, the latent heat release is more significant when the vortex moves out of the Tibetan Plateau than over the Tibetan Plateau.     

一次西南涡特大暴雨的中尺度诊断分析

采用LAPS中尺度分析模式大气资料,对2008年7月一次西南涡暴雨过程进行天气学降水运动的中尺度诊断计算与分析。诊断计算包括：可降水量、层结不稳定能量、对流可降水量、水汽权重平均风速、水汽通量散度、云水、云冰总量及其通量散度和垂直速度与凝结函数降水率等。结果表明：“西南涡-切变线”系统的暴雨发生在暖湿气团与变性冷气团之间的中尺度风场辐合上升运动区,中尺度雨团发生在层结不稳定的暖湿气团一侧。计算的中尺度垂直运动与凝结函数降水率场,降水率为暴雨到特大暴雨。计算的水汽通量辐合降水率与凝结函数降水率不会完全重合,且水汽通量辐合既可致中尺度“雨”,又可成大尺度“云”,并且云水、云冰通量辐合/辐散,可解释为它们的“正”/“负”碰并增长,而碰并增长产生水凝物增量（降水率）也促成大暴雨。因此,在凝结函数降水率场中产生的中、小尺度对流雨团,加上水汽与云水、云冰通量辐合及其碰并增长,并且借助层结不稳定能量释放和可能产生的强迫“次级环流”及水汽与云水、云冰输送,是这次“西南涡-切变线”系统造成襄樊特大暴雨的天气学成因。     

南京"03.7"大暴雨中云物理过程的数值模拟研究

利用三维全弹性、双参数化对流云模式和南京站探空资料,对南京“03．7”特大暴雨过程进行了数值模拟研究,着重分析产生这次大暴雨的云物理机制。模拟结果表明,此次暴雨属于积雨云降水,其中云雨碰并是最主要的成雨过程,贡献率达到74％,其次是霰／雹融化,占22％,说明此次降水以暖雨过程为主。通过暖雨过程对比试验表明,虽然冰相过程对雨水的贡献较小,但加入冰相过程能使模拟结果更接近云的实际情况。     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

中尺度强暴雨云团云特征的多种卫星资料综合分析

针对2002年6月23—27日发生于江淮地区的一次中尺度强暴雨过程，利用FY-1D，EOS和NOAA卫星的可见光、红外、微波通道遥感观测、反演资料，从相态、光学厚度、垂直结构等各方面分析云特征，并将分析结果与同时段地面雨量观测进行对比分析，发现云光学厚度大且云顶粒子为大粒子、冰相态是此次降雨过程中云团的主要云特征，地面雨量的大小与云光学厚度密切相关，两者间基本呈正相关关系；稳定少变的大光学厚度云或云光学厚度显著增大均可带来强的地面降水。微波资料可以很好地体现降雨云团的垂直结构。分析结果显示，卫星遥感对揭示中尺度强暴雨云团的云特征，具有很好的指示作用。     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析.研究结果表明:(1) 具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案.(2) 梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化.雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1-2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用.(3) 除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500-700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子.     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF CLOUD INTERACTION AND FORMATION MECHANISM OF HEAVY RAIN IN MIXED CONVECTIVE-STRATIFORM CLOUD

Using the numerical model of mixed convective-stratiform clouds(MCS)in the paper(Hong1997)and the averaged stratification of torrential rain processes,the evolution processes,interaction of the two kinds of clouds,structure and the precipitation features in the MCS toproduce heavy rain are simulated and studied,and the physical reasons of producing torrential rainare analysed.The results indicate that the stratiform cloud surrounding the convective cloudbecomes weakened and dissipates in the developing and enhancing of the convective cloud,and therainfall rate and water content in the stratiform cloud increase as the distance from the convectivecloud becomes larger.The numerical experiments find out that the stratiform cloud provides abenificial developing environment for the convective cloud,i.e.,the saturated environment and theconvergence field in the stratiform cloud help to lengthen the life cycle of the convective cloud,produce sustained rainfall with high intensity and intermittent precipitation with ultra-highintensity.These and the ice phase microphysical processes are the main factors for the torrentialrain formation and the MCS is a very effective precipitation system.     

副高边缘暴雨过程中的GPS可降水量和假相当位温分布特征

利用2010年8月石家庄地基GPS反演的可降水量、地面加密自动站和常规天气资料,对由副高进退引起的河北省中南部一次强降水天气过程中GPS可降水量和地面假相当位温的演变趋势进行了详细分析.结果表明:1)此次暴雨过程是由副高边缘暖湿气流与切变线共同作用造成的,强降水区主要出现在500 hPa的584～588 dagpm线、700～850 hPa切变线之间;2)降水出现时GPS可降水量基本对应于高值阶段,强降水出现时可降水量位于峰值前后;降水出现时GPS可降水量偏离系数为正值,而强降水一般出现在偏离系数超过1时;3)对同一测站而言,GPS可降水量越大对应的实际降水越强.当测站不同时,GPS可降水量高并不一定代表更强的降水,这与测站的地理位置和海拔高度有关.4)降水出现前热力和水汽条件配置好,能量不断积累,假相当位温逐渐升至极大值.随着降水出现与能量的释放,假相当位温回落到谷值阶段,此谷值越低、持续时间越长,对应的降水也越强.     

EVALUATION OF CONVECTIVE-STRATIFORM RAINFALL SEPARATION SCHEMES BY PRECIPITATION AND CLOUD STATISTICS

In this study,two convective-stratiform rainfall partitioning schemes are evaluated using precipitation and cloud statistics for different rainfall types categorized by applying surface rainfall equation on grid-scale data from a two-dimensional cloud-resolving model simulation.One scheme is based on surface rainfall intensity whereas the other is based on cloud content information.The model is largely forced by the large-scale vertical velocity derived from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment(TOGA COARE).The results reveal that over 40% of convective rainfall is associated with water vapor divergence,which primarily comes from the rainfall type with local atmospheric drying and water hydrometeor loss/convergence,caused by precipitation and evaporation of rain.More than 40% of stratiform rainfall is related to water vapor convergence,which largely comes from the rainfall type with local atmospheric moistening and hydrometeor loss/convergence attributable to water clouds through precipitation and the evaporation of rain and ice clouds through the conversion from ice hydrometeor to water hydrometeor.This implies that the separation methods based on surface rainfall and cloud content may not clearly separate convective and stratiform rainfall.