引起“碧利斯”强降水的MCS数值模拟研究

利用多种观测资料和数值模拟,对0604号强热带风暴碧利斯登陆后在湖南、广东等地引发强降水的中尺度对流系统活动特征进行了分析.结果表明,在"碧利斯"登陆后西行减弱过程中,由于西南季风的持续维持,"碧利斯"减弱后的低压环流中仍保持有强降水所需的充足水汽供应,造成局地强降水的MCS十分活跃.ARPS模式较好地模拟了7月15日发生在湖南南部的中尺度降雨过程,并揭示出"碧利斯"变性过程中,环境风场垂直切变结构强迫的次级环流决定了MCS活动特点,同时利用湿Q矢量诊断了低压次级环流的垂直运动特征.造成这次强降水过程的MCS在台风低压切变线以北的偏北潮湿气流中生成发展,低层偏北急流造成的动力辐合效应、对流不稳定性层结的建立是MCS在湖南南部迅速发展的重要原因.     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

华南登陆台风降水不对称性及持续性问题

针对登陆华南台风降水及模式预报存在的突出问题,就当前关于登陆台风降水分布的不对称性及台风登陆后期持续性暴雨发生机理的研究状况进行回顾和分析,提出了需要深入研究的相关科学问题及模式预报技术改进的应对措施,为促进登陆华南台风暴雨预报工作和效果的不断改进提供参考。分析指出环境风场垂直切变、低层气团边界(如冷池边界)、干冷空气侵入、中尺度对流系统以及地形等是造成登陆华南台风降水不对称分布的重要影响因素。台风登陆后期华南发生的持续性暴雨往往与季风活动增强相关,活跃的西南季风为强降水中尺度对流系统(MCSs)发展提供有利条件,MCSs通过潜热加热反馈于大尺度环流,可使台风涡旋环流和西南季风得以维持并致使MCSs反复发生发展、暴雨持续。开展相关科学问题的深入研究,有针对性地考察评估目前模式的预报性能并提出有效改进方案,是进一步提高模式预报效果的重要途径。     

一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究

1998年5月23～24日在珠江三角洲地区发生的特大暴雨过程是华南暴雨试验(HUAMEX)加密观测期间的一个典型个例,卫星云图与降水分布表明这是锋面附近与锋前暖区发生的两个中尺度对流系统(简称MCS)造成的强降水。使用非静力原始方程模式MM5较为成功地模拟了这次暴雨过程。根据数值模拟的结果,本文着重分析了发生在锋面上和锋前暖区的两类MCS的中尺度特征,并探讨了这两类MCS的差别。结果表明,两类MCS具有某些共同的中尺度特征,即对流系统的底层和顶部分别存在β尺度的低压和高压中心;低层流场辐合而在对流雨团的顶部辐散出流;对流系统内部具有暖心结构等,但锋面上的MCS较暖区中的对流系统具有更强的斜压性;二者内部的流场与三维运动结构也具有不同的特征,来自西南和偏南方向的空气从底部流入锋前暖区MCS时受到中低压的气压梯度力作用而加速;而锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气,而且还有来自锋后的冷空气参加对流。MCS高空反气旋式发散气流和空气的加速运动反映出MCS顶部存在中尺度高压及向外的气压梯度力,轨迹分析也证明了MCS上空气流的这种非地转特征。     

广东西部沿海一次致灾暴雨的中尺度分析

2016年5月28日广东西部沿海发生了一次致灾暴雨过程,该文利用区域自动站、多普勒雷达等常规观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析此次降水过程的中尺度天气系统演变特征和维持机制。结果表明:(1)此次暴雨过程发生在季风槽西南急流中,西南急流为暴雨提供了不稳定能量,同时充足的水汽含量、显著的水汽辐合以及达到20×10~(-6)hPa·s~(-2)垂直螺旋度,都有利于强降水系统的生成、发展和维持。(2)分析中尺度对流系统(MCS)表明,MCS(b)和MCS(c)是造成此次降水的主要系统,两者同时生成后,迅速合并和加强,并维持在原地少动。分析雷达资料表明,此次强降水具有明显的后向传播性和列车效应,雷达回波性质是以积状云为主的混合性的降水回波,该类回波具有效率高,时间长等特征。(3)分析区域自动站地面资料特征表明,沿海中尺度辐合线上不断激发新对流云团和辐合线南北两侧较大的温差梯度,对强降水的发生发展提供了较好的抬升触发条件,同时江门和阳江沿海的"喇叭口"地形使得对流加强。     

天津地区080625强对流天气过程的分析

强对流降水是天津地区重要的灾害性天气,为了研究该类天气发生发展的动力学、热力学机制,利用NCEP/NCAR再分析资料和FY-2C卫星逐时TBB资料对2008年6月25日天津的强对流降水过程进行研究,然后利用WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式对该次强对流降水过程进行数值模拟和诊断分析。结果表明：中尺度露点锋是该次强对流降水的重要机制,其对应的低层气流辐合所形成的强烈上升运动及相对应的强烈发展的对流云团,是此次天津强对流降水的直接影响系统;对流有效位能等参数的变化非常好地反映出此次强降水天气的发生和发展特征;较大的相对螺旋度与此次强对流天气的发生对应也较好。由此认为,中尺度露点锋锋生的动力学、热力学过程是此次强对流降水天气发生发展的重要机制。     

华南前汛期强降水个例模式降水预报误差成因初探

2015年5月19—20日,华南出现一次暴雨过程。检验表明欧洲中期天气预报中心全球确定性预报模式(以下简称EC模式)预报的20日强降水落区在广东境内较实况明显偏北,高估了天气尺度系统附近的降水强度,漏报了其南侧暖区内中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)造成的降水,华东中尺度模式预报明显优于EC模式。利用高分辨率中尺度天气研究预报模式(以下简称WRF模式)对该暴雨过程进行了模拟,对比EC模式降水物理过程,初步探索了EC模式降水预报误差的成因,结果表明:20日位于广东暖区内的对流组织发展成MCS,并造成明显的低层冷池出流和中高层潜热加热,二者共同作用使得中低层气旋式环流在广东中东部发展,配合其南侧的强西南风水汽输送,在气旋式切变附近不断触发新的对流并南移使得广东中南部暖区内出现强降水,WRF模式能较好地模拟出该过程,而EC模式未能预报出暖区对流及其反馈,从而导致其漏报了广东中南部的强降水;EC模式预报的降水与天气尺度环流之间的正反馈进一步加大了降水的预报偏差。EC模式预报的20日白天的强降水主要位于华南北部切变线附近,且以层状云降水为主,降水产生的潜热使得对流层低层切变线附近减压更明显,预报的切变线辐合较分析场明显偏强,使得其预报的切变线附近降水较实况偏强。     

一次华南暴雨过程的数值模拟———中尺度对流系统形成发展机制

2008年6月11-13日在华南地区出现了特大暴雨,这主要是由一系列中尺度对流系统(MCS)的相继生成,合并和强烈发展导致的.该研究利用新一代中尺度数值模式WRF对此次暴雨过程进行数值模拟,重点研究此次强降水过程中MCS发生、发展和演变过程及其相关物理机制.在MCS的生成过程中,由于西南涡的存在导致MCS始终处于正涡度环境中,正涡度导致的低层辐合与大气静力不稳定都是重要的MCS启动机制,这两者的共同作用有利于MCS的生成与加强.MCS形成后,在强垂直切变的环境中,倾斜抬升机制发生作用,更进一步加强了环境涡度,形成有利的正反馈过程,造成MCS迅速发展.这些加强的MCS和大尺度环境流场相互作用,造成了它们的合并.在MCS的分裂过程中,马氏力起着重要作用.     

2014年春末华南一次暖区暴雨的成因初探及数值预报检验

利用常规气象观测资料、自动站加密观测资料和NCEP 1°×1°逐6 h的再分析资料以及卫星云图、雷达探测资料,对2014年5月8—10日华南暖区暴雨过程的成因进行了初步探讨,同时对这次暴雨过程的EC、T639、JAPAN模式的预报性能也进行了检验等,结果表明:1边界层西南急流、东南风急流造成的强烈辐合与广东珠三角地区的强降水关系密切;2在有利的天气尺度环境条件下,相继发展的MCS具有明显的Back-Building特征,MCS的低质心结构表明对流系统具有明显的热带季风暖云对流性质,具有极高的降水效率,有利于造成局地较高的累积降水量;3数值模式对影响系统及降水量级的预报存在一定偏差,尤其对强降水落区和强度的预报仍需进一步订正,预报员受数值模式预报结果影响,对暴雨和大暴雨在华南中东部存在明显的空报。对8日的暴雨过程的中尺度数值模拟表明,降水物理方案的选择对于暖区对流系统的发生发展影响明显,试验结果表明在采用WM6的微物理方案下,母网格采用Grell对流参数化方案的Run02试验降水模拟结果最为理想,一定程度上反映了暖区对流系统演变状况。     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。      

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8～9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明：8～9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。     

1998年南海季风爆发时期中尺度对流系统 的研究：I中尺度对流系统发生发展的大尺度条件

南海季风试验(SCSMEX)的观测表明,1998年南海北部夏季风爆发(5日16～20日)的主要特征是中尺度对流活动的突然爆发和降水迅速增加.文章通过讨论大尺度背景下中尺度对流活动及降水形成的物理条件,揭示了该时段中尺度对流系统与中尺度雨带形成的可能机制(1)在季风爆发初期华南及南海北部地区对流层低层较高的假相当位温与对流不稳定性、低层西南风辐合和高层的辐散为该地区的中尺度对流系统的发展提供了有利的大尺度热力与动力条件;来自孟加拉湾与副热带高压西侧的西南气流为南海北部强降水区提供了大量水汽,形成了该区深厚的湿层和强水汽辐合;(2)来自东亚中高纬地区几次冷空气活动是对流活动发生的重要触发机制,其作用是使对流不稳定能量迅速释放和对流活动在大范围地区突然爆发;(3)通过对南海季风试验期间安装在东沙岛和实验3号科学考察船上的双多普勒雷达资料反演的降水量分析表明,活跃的对流在季风槽和相应的风场切变线作用下,不断地组织并形成一些中尺度对流雨带(MCSs).1998-5-15～19季风爆发时段内,可观测到约12次中尺度降水过程,它们的生命期为6～10 h或更长;(4)南海季风槽与低层切变线的建立以及其中中尺度低涡的产生和发展是中尺度对流系统形成与维持的必要条件.     

北京7·21暴雨暖区中尺度对流系统的数值模拟

许多业务模式对北京2012年7月21日特大暴雨的预报均是以锋面降水为主。在冷锋过境前,实际北京西南部强降水主要以暖区降水为主。本文利用30个成员的中尺度非静力数值模式（WRF）,通过3次集合卡尔曼滤波(EnKF)同化地面和探空资料,对这次暴雨过程进行了集合数值模拟。通过对比分析模拟降水较好与较差成员发现,好的成员能够模拟出河北中西部及北京西南地区触发出的暖区中尺度对流系统（MCS）以及相对稳定的系统配置,使得MCS在北京上空充分发展,从而较好地模拟了这次特大暴雨过程中的暖区降水;而较差的成员则没能模拟出暖区降水过程,降水以锋面降水过程为主,并且雨带位置偏南、出现时间滞后。集合成员间模拟结果出现的较大差异,和初始场中低值系统位置的较大差异有直接关系,因此通过EnKF提高模式成员初始场的准确率,从而准确模拟后期主要影响系统的移动和发展,是成功模拟暖区对流系统触发和维持的关键所在。     

豫北一次区域性大暴雨的数值模拟分析

利用NECP 1°×1°6 h再分析资料和WRF中尺度数值模式对2006年7月2-3日豫北区域性大暴雨过程进行数值模拟,并用模拟结果对该过程作中尺度分析.结果表明:暴雨中尺度系统发展和维持期间,基本上是强涡度区对应强辐合区,使得垂直对流运动发生发展,为强降水发生和持续提供了动力条件;θse值大小和实况降水强弱演变对应关系很好,θse值越大,实况降水越强,反之,实况降水越弱;豫北地区出现强降水时,水汽通量中心位于豫南且分布在西南急流轴上,豫中南部始终维持一条明显的水汽输送带,水汽被源源不断地输送到豫北地区;豫北地区处于明显的水汽辐合区,强辐合区有一自西向东的移动过程,与实况强降水过程演变趋势一致;大暴雨区域上空从低层到对流层顶层垂直螺旋度均为正值,且强降水时段与螺旋度最强时段对应关系很好,降水峰值与正螺旋度中心出现时间吻合.     

粤港澳大湾区一次局地极端强降水过程的多尺度观测特征与演变分析

2020年5月22日凌晨粤港澳大湾区发生了一次极端强降水过程,最大小时雨量和3小时雨量打破广东省内“龙舟水”期间的历史最高纪录。利用多源观测数据以及ERA5再分析资料对引发局地极端降水的中尺度对流系统(MCS)的演变过程与中尺度特征开展研究。(1)此次强降水过程主要集中在凌晨时段,具有持续时间短、局地雨强极端、累积雨量大等特点,在3小时的降水过程中出现了两个降水峰值。(2)这次过程为一次暖区暴雨过程,低层西南季风提供了充足的暖湿水汽,低涡切变线提供了良好的抬升条件。中α尺度季风云团呈准静止状态并升尺度增长为MCC(中尺度对流复合体)的过程引发了大湾区夜间局地的极端降水。(3)过程中两个阶段的峰值降水与中γ尺度对流单体生消发展期间的传播与移动矢量发生的改变有密切联系。数个中γ尺度对流单体构成多单体风暴形态,呈西北-东南侧向排列,这些单体先后触发发展并有着各自的地面辐合线。对流单体在环境风引导下向偏东南方向移动引发第一阶段峰值降水。随后不同单体的辐合线连接,对流向西南方向传播显著加快,使对流系统移动矢量发生改变,因而造成第二阶段峰值降水。(4)造成两段峰值降水的中γ尺度对流单体结构存在明显...     

热带和中纬度系统相互作用导致的中尺度对流系统的降水和运动学结构

1.引言从气候上看,春末时东亚上空的东北冬季季风将逐渐演变成夏季西南季风环流型.伴随有中尺度对流系统(MCS)的静止锋经常在台湾地区出现.但实际上伴有强降水的夏季强锋面类型的个例并不多,在过去15年中仅找到两个.然而,1989年7月26日至30日在台湾中部和北部出现的一系列天气现象引起我们的注意,并对此做了深入研究.这些现象有明显的锋面侵袭,超过10英寸降水的活跃MCS和一个热带低压(TD).本文就台湾区域的MCS的运动学     

2014年5月8—9日引发珠江口区域强降水的两个长生命史MCS特征分析

2014年5月8日上午至9日白天,广东中南部珠江口地区连续受MCS A1、MCS A2两个长生命史中尺度对流系统影响,形成长时间强降水。其中5月8日午后华南内陆地区MCS A1逐步增强,从广西东部向广东珠江口方向移动,陆上活动时间超过11 h; MCS A2从9日凌晨至上午持续影响珠江口沿海地区,维持时间超过9 h,导致珠江口沿海地区出现400 mm 以上单站降水量。过程发生前,8日早上华南南部地区具有弱地面温度梯度,中午MCS A1对流触发与广西南部地面南风增强、华南南部云开大山—云雾山中尺度地形抬升有紧密关系;在弱斜压环境条件下,MCS A1从层云伴随线状对流结构演变为中尺度涡旋组织结构。8日夜间MCS S1入海后,与陆上遗留冷池相关的地面温度边界稳定在珠江口西侧沿海地区;9日凌晨西南低空急流增强后,MCS A2在珠江口沿海残留冷池边界附近开始发展,在向上游迎风方向传播的过程中,逐步形成多条平行β中尺度线状对流组织结构,对流系统整体移动缓慢,造成珠江口沿海地区出现较高的总降水量。计算表明MCS A2冷池边界扩张速度与低层垂直切变相对平衡,有利于形成较为直立的对流单体,增强的边界层水汽输送、更高的对流单体高度有利于产生较高的降水强度。通过总结这两个华南地区长生命史MCS发生发展过程,表明通过分析对流反馈造成的边界层/近地面层热动力特征变化,对于分析MCS发展特征、提高华南前汛期中尺度暴雨预报能力具有重要意义。     

对流性降水云辐射特性研究

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式,对2002年7月22～23日发生在湖北宜昌附近一次中尺度强降水过程中的强降水中心的对流性降水云的微波辐射特性进行了模拟,模拟结果表明：MM5模式可以较好地模拟此次降水过程;云中各微物理量的含量和分布对上行微波辐射亮温有重要影响;就物理方法而言,选用适当的云廓线,是利用微波信息反演降水的关键。     

局地强对流系统发展多样性的个例研究

在北京"7.18"强降水天气过程中,中尺度对流系统的启动、发展方式较为复杂,造成对流系统发展多样性特征的机制也存在差别。天气尺度动力条件和局地层结不稳定结构都表明,此次局地强天气的发生有良好的环境条件。通过高分辨率中尺度观测的分析表明,怀柔—密云地区存在孤立发展的对流系统,最终发展为多单体雷暴群;而在北京西南部线状对流的不连续传播发展特征十分显著。数值模拟结果表明,地面中尺度切变线的活动对北京东北部怀柔—密云地区对流系统的启动起了关键作用;在环境场与对流的相互作用机制下,北京西南部的中尺度对流系统的发展传播与重力波活动有密切关系。对流系统的表现形式和发展演变的多样性特征,体现了起支配作用的物理机制的差异。     

淮北地区一次弱天气尺度强迫背景下MCS过程分析与模拟

利用多源观测资料和WRF中尺度数值模式对2016年8月7日淮北地区一次中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systerm，MCS）过程进行诊断分析和模拟。结果表明，本次MCS过程发生在弱天气尺度强迫背景场下，系统性上升运动较弱，对流层低层存在较弱的源自西北太平洋的偏东风转东南风的水汽输送作用；MCS移动和形态变化与地面辐合线演变特征较为一致，地面流场的演变与降水强度之间有着密切的联系；WRF模式较好地模拟出本次降水的分布特征以及MCS演变过程中对流活动和地面辐合线相互作用的特征。模拟结果表明，本次过程中MCS在逐渐南移过程中完成了对流单体的更替，地面辐合线在此过程中发挥重要作用，并且处于不同发展阶段的对流单体环境场的对流不稳定度的垂直分布存在明显差异。