长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅱ：环境特征

利用2010年6-7月长江流域雷达拼图、各种观测资料和NCEP逐日再分析资料,合成分析了长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统的环境特征及典型个例.结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统环境风相对对流线分量的垂直分布是决定线状中尺度对流系统组织模型的重要因子.尾随层状降水中尺度对流系统和邻接层状单向发展中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层是从前向后,而前导层状降水中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层中低层为从前向后,至中高层转为从后向前,这3类中尺度对流系统平行对流线的风分量都随高度明显增加;尾随层状降水中尺度对流系统和前导层状降水中尺度对流系统对流层风垂直切变主要是垂直于对流线,邻接层状单向发展中尺度对流系统则主要是平行于对流线方向.平行层状降水中尺度对流系统和准静止后向建立中尺度对流系统对流层平行于对流线的风分量占绝对优势,且随高度增大,前者增大得更显著,垂直于对流线的风分量较小.7月8日邻接层状单向发展中尺度对流系统形成于地面冷锋北侧的高湿、不稳定的环境中;6月7日准静止后向建立中尺度对流系统形成于一个变化的高温高湿的地面环境场中.高温高湿环境是各类线状中尺度对流系统发展环境的共同特征.     

华北春季一次后门冷锋过程及其相关中尺度对流系统的演变特征

2018年4月21日华北南部发生了一次主观预报量级偏小的大范围春季暴雨,利用多种高时空分辨率观测资料、欧洲中期天气预报中心第5代大气再分析数据以及高分辨率数值模拟,对引发暴雨的大尺度和中尺度天气过程以及造成暴雨的中尺度对流系统的演变过程进行研究。发现后门冷锋是造成该次暴雨的大尺度天气系统。受太行山脉影响,锋面由西段南北方向和东段东西方向的两段组成,冷空气集中于1.5 km以下,伴随锋面后部东北风的增强,锋面南移、太行山东侧冷空气堆增高、强度增大;暴雨由与锋面有关的中尺度对流系统造成,中尺度对流系统形成和维持发生于后门冷锋附近且伴随锋生过程,位于沿后门冷锋爬升的暖空气前部水平风速辐合中心,其快速发展和对流中心的南移伴随锋面后部东北风增强所带来的锋面南移、冷空气堆增高;基于高分辨率数值模拟的动量收支计算表明,有利于中尺度对流系统中对流中心产生的上升运动主要由垂直气压梯度力和浮力项的合力项贡献,该合力项的大值区分布于沿锋面爬升的暖湿气流前沿具有较大的水平相当位温梯度区附近,这解释了伴随锋面增强南移的中尺度对流系统发展、对流中心南移这一现象。以上结果揭示了导致华北春季暴雨的这次后门冷锋和中尺度...     

中尺度对流系统中的湿中性层结结构特征

基于CloudSat卫星获得的高分辨率中尺度对流系统垂直剖面结构,结合大气参量相对湿度和相当位温的诊断分析,在低纬度、中高纬度地区、陆地或海洋以及不同天气形势下,发现了多个非常典型的中尺度对流系统(MCS)内部具有湿中性层结特征的个例.进一步利用静止卫星普查到的东亚地区MCS分布情况,结合NCEP再分析资料诊断MCS重心位置处大气状态廓线,利用大量的例子从统计的角度揭示了湿中性层结结构特征在MCS中存在的普遍性,并且从动力学和热力学的角度探讨了湿中性层结结构在MCS发生和发展中所起到的作用.     

冷空气影响台风暴雨的中尺度分析及数值模拟

利用常规探测资料、NCEP/NCAR 1°×1°6 h间隔的FNL再分析资料、NCEP GFS 0.5°×0.5°6 h间隔资料、多普勒雷达和中尺度地面自动站资料,对2014年"麦德姆"台风暴雨对流系统的天气背景、触发机制以及生消演变过程进行分析,并用中尺度数值模式WRF进行侵入冷空气强度的数值敏感性试验。研究结果表明:(1)强降水发生在"麦德姆"北上变性的过程中,冷空气的侵入使得台风热力结构改变,台风外围的大气斜压性增强,层结更不稳定,有利于中尺度对流系统发生发展。(2)对流系统的触发首先是由边界层内冷空气侵入造成的,冷空气与暖空气的对峙使得江淮东部辐合加强、降水回波稳定少动。(3)数值敏感性试验结果表明,冷空气侵入使台风外围层结更加不稳定,有利于产生深厚的垂直运动,使中尺度对流系统的生命史长、强度强。若入侵冷空气过弱,对流系统中的垂直运动弱,对流强度弱;若入侵冷空气过强,虽然对流系统中能发展出强的垂直运动,但垂直运动维持的时间短,中尺度对流系统的生命史短,不利于产生持续性强降水。     

不均匀地表产生的中尺度通量的数值试验

采用北京大学三维的复杂地形中尺度模式,结合陆面过程模式(SiB),模拟了草原和沙漠并存的下垫面的边界层大气运动.利用SiB模式计算了地表辐射、感热、潜热通量,并且预报地表温度.中尺度模式则模拟了沙漠地区受热抬升,形成的辐合运动,垂直速度的分布,不同高度上水平流场的变化以及中尺度动量和热量通量,把中尺度通量跟湍流通量进行了比较,以确定这种中尺度运动在GCM模式的参数化过程中的重要性.试验表明中尺度通量尤其是热量通量要比湍流通量大很多.     

南海暖季天气系统与中尺度对流过程研究进展

本文总结了近几十年来暖季(5～10月)南海热带天气系统及中尺度对流过程的相关研究进展.聚焦暖季南海中尺度对流过程,概述性回顾了与南海中尺度对流过程相关的热带大气环流和夏季风的基本特征,影响南海中尺度对流发生、发展的重要天气系统,并着重归纳了南海中尺度对流系统的活动规律、结构特征与形成机理.在此基础上,探讨了当前及未来南...     

垂直对流与倾斜对流相互作用的数值试验

1.引言对称不稳定性("倾斜对流")在大气中起一定作用的看法是有道理的.除理论研究外,Emanuel和他的同事已观测到部分中纬度斜压系统对于倾斜对流来说是中性的,即θ_e(相当位温)和M(总动量)面相互平行.认为在水平温度梯度存在的情况下只要有垂直对流作用就能使大气稳定到倾斜对流,这是没有道理的,其实倾斜对流本身必定出现,并在垂直对流消失之处取而代之.较为合理的观点是认为这些并不是两种互不相关的现象,而是一种较普遍现象的两种情况.     

一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,对安徽省一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的环流背景、内部结构及其演变进行了系统分析。结果表明:1)低层台风外围偏东气流的输送使得暴雨区增温增湿,进而增强中纬度大气的不稳定度;西风槽前的上升运动有利于暴雨区低层辐合的加强和垂直运动的发展维持。2)强降水过程主要由两个β中尺度对流系统造成,在暴雨区上空β中尺度对流系统的新生维持是强降水维持较长时间的重要原因。3)雷达回波和地面要素场上,强降水表现为两个β中尺度的对流系统的生成发展,中尺度对流系统锋生的原因虽各有不同,但对流的发展与地面中尺度辐合线和加强的中尺度低压有关。γ中尺度的强对流单体是造成局地降水峰值的直接原因。4)两段强降水的出现都表现出中纬度系统和台风外围气流的相互作用,低层冷空气的触发以及西风槽前暖湿气流的加强都会使降水有明显的增幅。5)雷达速度场上,β中尺度对流系统的加强和低层暖湿气流的加强紧密相关。γ中尺度对流系统的生成则是由速度场上小尺度的风速辐合造成。     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

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。     

渤海西岸暴雨中尺度对流系统的结构及成因

利用卫星、雷达和加密自动站等监测资料,结合VDRAS系统资料和1°×1° NCEP再分析资料,对造成黑昼和暴雨的中尺度对流系统的空间、热动力结构特征和发生、发展及维持原因进行了分析。结果表明:2004—2009年渤海西岸圆形α-中尺度对流系统有别于南方,其中只有16%可发展为中尺度复合体;黑昼现象是影响系统的特殊性所致。突发性暴雨的制造者是α-中尺度对流系统西端不断新生的β-中尺度对流系统,其发生、发展、维持与边界层内冷池外流、对流层低层 (1.3~2.4 km) 侵入的西北气流与西南气流形成的辐合线或交汇线有密切关系。α-中尺度对流系统的上升速度中心在500 hPa附近,多个β-中尺度对流系统分别具有独自的垂直气流和弱边界层环流。α-中尺度对流系统内部扰动温度呈下负上正的垂直分布,促使了不稳定层结趋于稳定;冷池呈东厚西薄的楔形结构,有利于β-中尺度对流系统发展维持。     

非均匀对流边界层的地转强迫流动和动量输送

用大涡模拟方法研究地转强迫下的对流边界层流动和地表热力非均匀性影响.模拟重现了典型对流边界层的平均风廓线和动量通量垂直分布.地表热力非均匀性对区域平均风速和动量通量分布无明显影响,但边界层内的局地流动性状和湍流动量输送情况有系统性的改变.下风较热区近地面风速增强而高空流动受到阻塞,上风较冷区之上情况则正好相反.对应于平均流动场的畸变,地表较热区之上边界层大部可以出现动量向上输送的情况,较冷区成为大气动量下传的主要通道.地面应力在较热区增强、较冷区减弱的趋势明显.     

边界层大气水平风速低频谱的垂直分布特征

本文根据320米气象塔上水平风速的观测资料,分析了不同天气条件下边界层大气中湍流的宽谱特性及其垂直分布结构. 结果表明,大气边界层水平风速低频谱的垂直分布是很复杂的,在不同的天气条件下,这种垂直分布特征具有明显的差异.边界层温度和风速的垂直结构也会影响到水平风速低频谱的垂直分布. 在水平风速低频谱中,除了与天气过程有关的4天周期峰值和反映气象要素日变化频率的峰值外,在十几分钟到几十分钟频率范围内还存在着几个峰值,而且有时在不同的高度上,峰值频率有所不同.这可能反映了一些中尺度系统的特征,也可能是这些中尺度系统与局地地形的综合作用所引起的.     

对流云街激发的重力波和波动阻力

大气边界层中的对流活动,可以在其上部稳定层中激发出重力波,并引起垂直动量输送,影响到对流层和平流层中的动量平衡过程.从二层模式中大气波动方程的线性解出发,得出了对流云街激发的重力波波阻解析表达式,并讨论了大气条件对波阻的影响.这些分析可有助于大气环流模式(GCM)中此类重力波波阻参数化表达式的建立和改进.     

闽西山区“7·22”极端降水过程中尺度对流特征

2015年7月22日福建西部山区经历了一次罕见的极端降水过程,6 h降水量高达254.9 mm,24 h最大降水量达295.5 mm。利用常规天气资料、自动气象站、卫星云图、风廓线雷达以及多普勒天气雷达资料,分析此次过程的中尺度对流系统的环境条件及结构演变特征。分析表明:低空季风槽北抬减弱后的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动是此次强降雨的主要影响系统,不稳定能量加大、抬升凝结高度和自由对流高度低、大气可降水量大及中等到弱的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统发展的环境条件。中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变,由线状对流伴随层云（TL/AS）的结构转变为静止后向建立的中尺度对流系统,极端降水出现在静止后向传播阶段。高空冷空气入侵,低空西南急流加强并伴风速辐合,冷暖空气交汇导致中尺度对流系统加强发展,边界层西南气流在有利的喇叭口地形作用下加强抬升,北上受到山脉阻挡形成小涡旋,西北侧对流单体移入后不断加强,对流单体的移动方向和传播方向相反,中尺度对流系统形成静止后向传播,产生列车效应,出现极端降水。     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

用双多普勒雷达分析华南一次飑线系统的中尺度结构特征

飑线是中国春、夏季常见的一种天气现象.2007年4月23-24日华南地区的一次强飑线过程,因强度强、持续时间长,给广东部分县市造成巨大的经济损失.利用广州和深圳的新一代多普勒天气雷达的探测资料,采用双多普勒雷达风场反演方法和热力动力反演方法,研究此次飑线内部的三维风场、动力和热力结构.在此基础上,通过质量、动量诊断探讨其维持机制.同时,结合地面、高空常规观测及自动站资料分析系统伴随的环境和地面中尺度特征.结果表明,系统发生于中等强度垂直风切变(0-3 km,18 m/s)和中等强度对流不稳定度的环境中,其移动速度最快达17 m/s,属快速移动的飑线.飑线过境时,地面测站呈现风向突变、风速骤增、气压上升、温度与露点骤降等现象.其成熟期的雷达回波和风场结构与过去观测的热带、副热带快速移动飑线系统特征相似.由前(前方指系统移动方向)向后,降水结构依次为对流区、过渡带和层云区.其中,对流区由多个对流单体组成,对应强回波和上升运动,而单体之间为弱下沉运动.气流特征呈准二维结构,包括系统前方深厚的从前向后气流和系统后部低层的从后向前气流.这两支气流在系统前缘低层辐合形成动力高压,触发新对流单体,是系统长时间维持的主要机制.在对流区倾斜上升气流的下方,存在一凝结潜热释放增暖引起的低压区.另外,在对流系统西侧不断有新对流单体形成,并被平流至系统中,促进对流维持.进一步对对流区的质量和动量通量诊断揭示,垂直于飑线系统的水平动量的垂直输送有逆梯度输送的特性,将增加垂直飑线方向的环境垂直风切变,有利于系统维持.相对的,平行飑线方向的水平动量具有顺梯度输送特征,使该方向上风切变分量有被均滑趋势.     

2007年7月18—19日山东省大暴雨天气分析

应用常规观测资料、中尺度站资料、卫星云图、雷达回波和T213数值预报产品,对2007年7月18-19日山东省大范围对流性暴雨天气的成因进行了分析.分析了产生暴雨的天气系统特征,大气垂直稳定度和对流有效位能,产生暴雨的水汽条件和动力触发机制,给出了产生暴雨的对流云团演变特征.研究结果表明,对流性大暴雨是由东北冷性低涡、前倾槽、副热带高压边缘西南暖湿气流和冷空气的共同影响产生的.低层强盛的偏南气流建立起水汽通道,把水汽源源不断地向暴雨区输送.前倾槽结构和低层增温增湿使得大气强烈的对流不稳定和对称不稳定.低层较强的东北气流与强盛的西南暖湿气流侧向汇合,垂直涡度增大,辐合上升运动增强,对流不稳定能量释放,产生中尺度对流云团.地面冷锋前生成中尺度低压,加强了辐合上升运动.高层辐散与低层辐合相配合,有利于上升运动发展和维持.卫星云图中显示两个对流云团合并发展形成中尺度对流复合体(MCC).雷达回波中表现为两个东西向的带状强降水回波相衔接,缓慢南移;暴雨区上空东北气流、西北气流和西南气流相汇合;低层东北气流逐渐增大.冷空气从低层侵入.     

“99.6”梅雨锋暴雨对流动量输送特征的诊断分析

利用MM 5V3输出的高时空分辨率资料对“99.6”梅雨锋暴雨过程中对流动量输送特征X进行了诊断分析研究 ,主要结论如下 :( 1)模拟结果和观测分析的比较表明 ,中尺度模式MM 5V3能够成功地模拟“99.6”梅雨锋暴雨中尺度系统的发生和发展及演变。 ( 2 )通过对中尺度系统强烈发展时刻的对流动量输送 (CMT)诊断分析表明 :动量收支残差与平均流场的方向一致 ,它有利于加速西南气流北上 ,和 β中尺度系统的发生和发展 ;结果也表明强矢量几乎总是与产生强烈上升运动的 β中尺度系统相对应。动能转换的诊断表明 ,低涡前部的相间出现E >0和E<0的区域 ,这显示出在中尺度系统强烈发展时大尺度系统与中尺度系统之间的能量转换非常复杂 ,并不是简单的能量串级过程所能描述的 ;同时E的正值比负值的绝对值要大得多 ,这表明能量主要是从大尺度向次网格尺度转换 ,激发次网格尺度系统的发生和发展。 ( 3 )当切变线低涡离陆入海时 ,X矢量则对西南气流产生强烈的减速作用。 v和 vY的垂直剖面分析显示 ,南风此时在对流层中低层受到明显的减速作用。 ( 4 )转换能量E的垂直廓线显示 ,在中尺度系统强烈发展时 ,对流层中低层的能量顺尺度 (E >0 )输送非常强 ,而在低涡切变线离陆入海时 ,对流层则表现为逆尺度输送 (E <0 )。     

一次江淮气旋及其中尺度系统的数值模拟

本文在十一层原始方程模式中引入Fritsch-Chappell一维云模式，对1982年5月12日江淮气旋上中尺度系统进行了模拟试验，分析表明:Fritsch-Chappell一维云模式对深厚积云的考虑细致合理，比郭晓岚积云参数化方案优越，它能模拟出中尺度系统的一些特征。通过数值计算发现:中尺度江淮气旋是对流层低层的天气系统，气压场上具有中尺度低压的某些特征；对流天气的出现，使得中尺度江淮气旋得到发展，但这种发展有一个变化过程，在对流发展加强时，对流引起的动量变化以及下沉气流造成的低层冷却作用，使其有一个暂时的减弱过程，当对流运动趋于减弱时，气旋才得以发展。