福建西部山区一次中尺度对流系统触发机制分析

利用常规天气资料及地面自动站、风廓线雷达、新一代天气雷达资料和ERA-Interim逐6 h 0.125°×0.125°再分析资料,分析2015年5月19日福建西部山区一次极端降水的中尺度特征。结果表明:(1)极端降水分为锋前暖区降水和锋面降水两个阶段,暴雨区位于低空西南急流轴左侧,水汽充足,冷暖空气交汇,不稳定能量大,抬升凝结高度和自由对流高度低,大气可降水量大及中等强度的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统(mesoscale covective system, MCS)发展的环境条件。(2)锋前暖区降水期间,西南气流携带高能量和水汽充足的空气移入暴雨区被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,对流单体向东北偏东方向移动,排列形成短雨带;若干条东北—西南向长度不等的短雨带在中尺度出流边界北侧建立,缓慢向东移动,依次重复影响关键区;暴雨关键区存在辐合线和风速辐合,为降水提供了良好的动力抬升条件;向西南开口的河谷地形加强了对流的发展;对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带重复影响同一地区的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。(3)锋面降水期间,对流单体在低涡切变南侧风速辐合、水汽和能量大值区发展东移南压,中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得强降水加强并维持。对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。     

承德市两次局地性短时暴雨过程的中尺度特征对比分析

2014年6月17日和7月15日,同样在冷涡系统影响下,河北省承德市区先后出现了两次局地性短时暴雨天气过程(小时雨强分别为39.6和66.1 mm·h~(-1),最大10 min雨强分别为15和18 mm)。本文利用常规观测资料、5~10 min加密自动站资料、多普勒雷达数据、卫星云图数据以及NCEP再分析资料,对这两次短时暴雨过程的中尺度特征进行对比分析。结果表明:分钟级降水观测显示,"6·17暴雨"过程10 min雨量随时间表现为持续时间分别约为半小时的双峰型分布;"7·15暴雨"过程降水呈单峰型,持续时间不足1 h;两场局地暴雨是在高空冷涡环流背景下产生的,其触发系统均为地面中尺度辐合中心(辐合线),降水峰值与东南风或风速增大相关联,6 m·s~(-1)的东南风有利于强降水的维持。卫星资料显示,"6·17暴雨"过程直接影响系统为β中尺度对流系统,强降水与TBB低值区对应,"7·15暴雨"强降水对流系统则表现为γ中尺度,与TBB大梯度区对应。"6·17暴雨"过程对应水平尺度近20 km,生命史约半小时,回波强度达65 dBz对流单体回波的合并增强。"7·15暴雨"过程则表现为多个水平尺度不足5 km,生命史不到1 h,回波强度达55 dBz的对流单体回波依次经过承德市区,因"列车效应"造成。两次降水过程中逆风区的出现时间都与强降水时段有很好的配合,且逆风区的持续时间越长,产生的降水强度也越大。     

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。     

2007年7月18日济南大暴雨的β中尺度分析

利用1°×1°的NCEP再分析资料、地面逐小时的观测资料和红外云图,对2007年7月18日的济南大暴雨过程进行了详细的α中尺度分析,揭示了地面β中尺度气旋新生发展的一种物理机制,并重点分析了多尺度的积云并合过程对此次强降水形成的重要作用。研究结果表明:在一个已经发展成热的MαCS的左后侧出现的下沉冷出流在低层向西南方向扩散,与午后不断加强的西南暖湿气流共同作用增强了地面的斜压性,从而使地面辐合线上的气旋性扰动加强,并迅速新生发展出β中尺度气旋。在此次强降水过程中共经历了从γ中尺度对流单体到β中尺度对流云团,再到α中尺度对流云团,最后形成中尺度对流复合系统的4个多尺度积云并合过程,而地面β可尺度气旋在每一个阶段都扮演了非常重要的角色,它们既是β中尺度对流云团的组织者,同时也是α中尺度对流云团的组成者,α中尺度对流云团往往都由一个以上的β中尺度气旋组织而成,当β中尺度气旋出现遭遇、合并之时,对流云团和降水得以强烈发展。在济南强降水发生前的1个多小时内,其西南方边界层内不断出现β中尺度超低空西南急流,它促使这一区域内不断产生回波单体并在向东北方向移动的过程中迅速发展成强回波带,当济南北面的强回波南移与这一强回波带并合后快速发展产生强降水。     

一次川渝大暴雨的中尺度分析

利用逐时FY-2CTBB资料、闪电资料、自动站雨量资料和经过再分析的中尺度格点分析场资料,分析2007年7月16-20日发生在川渝地区的暴雨天气过程中尺度特征,为评估、预报此类暴雨天气过程提供有价值的信息.分析结果表明:本次降水过程是高原涡和西南涡两个中尺度系统逐步耦合的结果,与上升气流相伴的强而深厚的正涡度柱是造成对流辐合体反复在相近区域生、消和暴雨反复在临近区域发生的重要因素之一;西南低涡环流中的三个中尺度云团系统(MCS)直接产生了本次暴雨过程的强降水,MCS的生消和青藏高原东部的对流云系具有翘翘板效应;对卫星云图Tbb值、闪电资料和强降水的综合分析表明闪电发生于降水之前约1～3小时,强降水基本出现在闪电密集区和低Tbb值重合区;闪电的移动方向基本可以代表对流旺盛区的移动方向,也就是未来可能出现强降水的方向.闪电突然增强或减弱对于追踪对流降水的发生和移向、判断强降水的增强或减弱、强降水出现时间、位置、变化趋势具有一定的指示意义.     

新疆西部"6.16"强降水过程的中尺度分析

利用常规观测、风云卫星、多普勒天气雷达、CMORPH卫星降水量融合资料和NCEP/NCAR(0.25°×0.25°)再分析资料,对2016年6月16—17日新疆西部一次罕见暴雨过程进行中尺度分析。结果表明:(1)该暴雨过程具有累计雨量大、暴雨强度强、局地日雨量破极值、短时强降水范围广等特点。暴雨区位于200 hPa高空西南急流出口区左侧、500 hPa偏南气流及700 h Pa切变线附近。较强的CAPE和K指数对该暴雨有很好的指示意义。(2)该暴雨过程发生在低层辐合、高层辐散、低层较湿的有利背景下。强正涡度、强辐合和强上升运动不断将水汽和能量向上输送,为暴雨的产生提供有利的环境条件。(3)中亚地区中尺度雨团在发展演变过程中,逐渐形成西南-东北向带状多中心雨带,中心依次到达伊犁北部沿山地区,和原有的中尺度雨团共同作用,造成暴雨天气过程。中尺度对流云团不断产生于中亚地区,在东移过程中不断发展加强依次到达暴雨区,致使暴雨区不断产生短时强降水。(4)暴雨过程两个时段的中尺度对流系统存在明显差异,第一时段主要为孤立中尺度对流系统,造成伊宁博尔博松站成为暴雨中心并出现最强短时强降水的直接系统是风场特征明显的中γ尺度对流单体并在暴雨区维持少动。第二时段为CR达50 dBz、DVIL达4 g·m~(-3),长度达70 km、宽度达10km且呈准南北态的线状中尺度对流系统,其在向东移动过程中造成多站依次出现短时强降水天气。     

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。     

豫北两次特大暴雨事件的物理量极端性和中尺度特征

2016年7月9日和19日,河南省北部出现两次罕见特大暴雨过程,给人民生活及各行业造成重大影响和财产损失。利用河南省自动气象站降水量、雷达回波及常规探空、地面观测资料以及欧洲中期天气预报中心1°×1°再分析资料(ERA-Interim),对这两次过程的降水特点、水汽和动力条件的极端性、地形与降水的关系及中尺度对流系统特征进行诊断分析。结果表明:(1)两次特大暴雨过程具有降水日雨量突破历史极值、强对流特征明显、强降水中心位于太行山东麓迎风坡等共性特征,但二者具有不同的影响系统,降水范围有明显差异;(2)两次特大暴雨过程均存在来自热带和副热带的西南和东南两支水汽输送,整层水汽条件较好,其中"7.09"过程的整层可降水量具有明显极端性,而"7.19"过程中,水汽条件接近同期暴雨过程的平均值,极端性不明显;(3)两次过程的动力条件有较大差异,"7.09"过程动力条件弱,强降水中心新乡站的700 hPa垂直速度远小于该站暴雨过程中该值的多年平均值,而"7.19"过程林州站700 hPa垂直速度约是1981年以来28次暴雨过程中该站平均值的3倍,具有明显的极端性;(4)两次过程均伴有地面中尺度辐合线生成、发展和维持,地面中尺度辐合线触发对流单体生成、合并,其增强、维持与大的小时雨强相对应,对流云团具有低质心、高效率降水等特征;(5)太行山地形对两次极端暴雨增幅均有正贡献。     

“云雀”残涡影响下豫西南一次大暴雨过程特征分析

受第1812号台风"云雀"残余环流影响,2018年8月5日凌晨到上午,河南南阳、平顶山、洛阳交界一带出现了3 h雨量超过180.0 mm、小时雨量达到69.4 mm的极端强降水,常用的全球模式和中尺度模式均未能给出暴雨提示。利用常规气象观测资料,风云2G、风云4A卫星资料,南阳站雷达和NCEP再分析资料,对此次大暴雨过程进行对流初生和中尺度特征分析,探讨这种弱环流背景下产生的局地大暴雨的物理过程和触发维持机制。结果表明:1)这次大暴雨过程是"云雀"台风残余环流沿副高边缘西移过程中,在伏牛山、大方山的喇叭口地形强迫下形成边界层中尺度辐合线,触发了强对流。2)降水过程的时间和强度与边界层形势演变对应较好,业务中需加强对边界层的关注。3)强降水出现在中尺度云团后部的TBB梯度大值区,位于喇叭口地形的南缘,不断有中尺度对流云团生成。4)大暴雨是以暖云为主的强降水过程,出流较弱,具有低质心、高效率的特点。强降水开始时,对流发展高度不高,与雷达相比,FY4A卫星没有提前发现这次过程的初生对流。     

“5.7”广州局地突发特大暴雨中尺度特征及成因分析

2017年5月7日广州局地突发特大暴雨,降水集中爆发于广州北部复杂地形区,单点小时雨量大、强降雨持续时间长。然而降水发生于副热带高压边缘、无明显的低空急流等天气系统配合,为弱强迫背景下的华南前汛期暴雨,加之珠三角地形复杂,其触发和组织维持机制等问题引起了气象科研和预报工作者的广泛关注。针对其降水特点,采用5 min自动气象站观测、分钟雨量、风廓线雷达、葵花8号气象卫星红外等高时空分辨率观测数据探讨中尺度对流系统的触发和组织维持过程,发现:中纬度入海高压南侧偏东风和低层切变系统为珠三角边界层南风风速辐合提供了有利的天气背景,喇叭口地形增强了风速辐合。小尺度地形辐射降温配合城市热岛在山前形成高温度梯度区,山风与南风对峙使地面辐合线在山前移速变慢有助于热带云团的生成。地形阻挡抬升和高温度梯度加强上升运动,南风风速脉动使云团迅速向山前移动,最终对流爆发。以暖云降水为主的对流系统产生弱冷池驱动对流系统连续传播,使强降水回波面积增大并在小尺度地形影响下稳定位于增城附近,产生极端小时雨强;中尺度对流系统的单体移动方向和传播方向近乎相反导致系统移动非常缓慢,后向传播明显,最终导致长时间强降水。      

“7.3”成都短时强降水可预报性和地面中尺度特征分析

2011年"7.3"成都短时强降水是在有利的大尺度环流背景和高低空要素配合下产生的,分析常规观测资料可以预判出成都及其周边区域具有强降水发生的有利条件;地面加密自动站观测的风场辐合区对强降水的落区及移动具有指示意义,地面变压场的正负变压区表明重力波的传播和频散是中尺度系统发生发展的重要因素。      

南疆西部两次极端暴雨中尺度特征对比分析

利用常规气象观测、地面区域气象站逐小时观测数据、FY-2G云顶亮温、喀什CR/CC雷达产品及NCEP再分析等资料,对比分析南疆西部2020年4月17—24日和2021年6月15—17日(分别简称“过程1”、“过程2”)两次极端暴雨过程环流背景和短时强降水环境条件、中尺度特征。结果表明：两次过程均发生在500 h Pa“东西夹攻”的有利环流背景下,100 hPa南亚高压分别呈东部型和双体型,低空急流、切变线和地面中尺度辐合线是两次暴雨重要的触发系统。两次强降水均发生在对流云团发展最强盛、范围最大时或TBB梯度最大处。但雷达回波特征明显不同,“过程1”影响系统为线性多单体强风暴,最大反射率因子达65 dBZ,具有中小尺度辐合和旋转特性,强降水期间VIL维持40 kg/m²以上并有跃增现象,更有利于产生强对流。“过程2”影响系统为分散性普通单体风暴,径向速度高层辐散不明显,VIL值明显小于“过程1”。     

利用T42资料对北京大降水的诊断分析

利用平滑滤波的方法，对Ｔ４２实况资料和２４小时预报场资料进行尺度分离，从分离出的扰动物场中显示出原始场中场中没有的次天气尺度特征，为大降水预报提供依据。     

2003年淮河大水期间MCS的普查分析

利用GEOS-9卫星红外1云图对2003年6月21日至7月22日淮河流域大水期间的MCS做了普查分析.结果发现：（1）淮河大水期间共有10个MαCS和24个MβCS,其产生频数远大于常年的平均值;（2）绝大部分MCS初生于淮河流域并且其成熟时的位置位于淮河流域是造成这次大水的主要原因之一;（3）淮河流域大水期间部分MCS的形成时间与一般MCS有所不同.最后,结合常规资料对产生MCS的天气背景进行了分类,发现该期间MCS形成的天气背景具有多样性.     

夏季北京地区强地形雨中尺度结构分析

利用卫星、雷达资料,分析了2002年6月24日北京地区大暴雨的降水云团演变特征,结果表明：中α尺度对流系统减弱过程中经历了中β尺度云团的发展过程,中β尺度对流云团是北京西部局地暴雨的影响系统;在观测分析的基础上进行了数值模拟分析：低层东风气流向西移动遏太行山东坡辐合抬升,黄土高原低层偏西风向东移动,受太行山脉强迫倾斜上升,与太行山东坡的地形抬升叠加,在太行山及其东坡产生强烈的上升运动,并形成垂直次级环流圈,同时,低层的偏南气流在燕山南坡上升,而冷空气偏北气流在燕山南坡半山腰下沉,该次级环流圈是北京西部山区强降水产生和维持的主要物理机制。     

“2004.7”沙澧河流域特大暴雨成因分析

应用常规、加密气象资料及卫星云图,分析了2004年7月16～17日沙澧河流域特大暴雨成因.结果表明：高、低空急流耦合区中西南低涡及MCC特征云团的形成和维持是造成此次特大暴雨的直接影响系统.提出利用逐时的中尺度辐合中心、卫星红外云图云顶亮温及雷达回波降水率做中尺度雨团量级预测思路.     

2004年7月10日北京暴雨的中尺度分析

利用常规探测、地面加密观测、NCEP1°×1°的6小时资料和雷达资料对2004年7月10日北京罕见的局地暴雨进行了天气动力学和中尺度分析。结果表明这次暴雨是在比较有利的天气背景条件下产生的,造成强降水的3个雨团在时空尺度上具有中β尺度系统的特征,不断移入的对流回波是降水的直接制造者,中尺度辐合线和小低压为降水发生提供了有利的触发条件。     

“96·8”河北特大暴雨成因初探

运用常规气象资料和卫星云图，分析了１９９６年８月３—５日河北特大暴雨的成因。认为：它是出现在东亚特定的强经向环流形势下，由９６０８号台风低压与副热带高压两侧之间形成的强偏南风低空急流，将低纬度地区高温高湿水汽源源不断地向华北输送并与近地面层弱冷空气相互作用，诱发两个中尺度云团的形成和发展直接造成的     

冷空气对台风“海葵”(1211)倒槽特大暴雨作用分析

针对2012年8月10日发生在台风"海葵"(1211)减弱低压倒槽顶部的特大暴雨过程,利用加密自动气象站、卫星云图、NCEP再分析资料,结合中尺度数值模式的模拟结果,分析了这次特大暴雨期间的中尺度对流系统演变特征及形成机理。研究表明,东北冷涡后部南下的冷空气为特大暴雨的发生提供了有利的热动力条件,促进了降水的发展。冷空气主体偏北,仅从对流层中层侵入低压倒槽北部,而对流层低层并无明显冷空气影响,使暴雨区上空形成冷平流叠置于暖平流之上的温度平流垂直分布结构,促进这一地区对流不稳定层结的建立和发展。冷空气与低压倒槽内辐合上升的暖湿空气对峙于对流层中层,引起中层锋生,锋生效应使风场辐合加强,进一步促进锋生。两者相互作用促进暴雨区及附近的中小尺度对流系统发展,在暴雨区上空强迫出一支对流尺度的强上升气流,加强低层水汽向上输送,使暴雨区上空水汽辐合层迅速增厚,从而引发局地特大暴雨天气发生。     

Evaluation of Heavy Rainfall Model Forecasts over the Korean Peninsula Using Different Physical Parameterization Schemes and Horizontal Resolution

In this study, the accuracy of a Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research mesoscale model (PSU/NCAR MM5) for predicting heavy summer precipitation over the Korean Peninsula was investigated. A total of 1800 simulations were performed using this model for 30 heavy rainfall events employing four cumulus parameterization schemes (CPS), two grid-scale resolvable precipitation schemes (GRS), and two planetary boundary layer (PBL) schemes in three model resolutions (90 km, 30 km, and 10 km). The heavy rainfall events were mesoscale convective systems developed under the influence of mid-latitude baroclinic systems with low-level moisture transport from the ocean. The predictive accuracy for maximum rainfall was approximately 80% for 10-km resolution and was 60% for 30-km resolution. The predictive accuracy for rainfall position extended to ～150 km from the observed position for both resolutions. Simulated rainfall was most sensitive to CPS, then to PBL schemes, and then to GRS. In general, the Grell (GR) scheme and the Anthes and Kuo (AK) scheme showed a better prediction capability for heavy rainfall than did the Betts-Miller (BM) scheme and the Kain-Fritsch (KF) scheme. The GR scheme also performed well in the 24-h and 12-h precipitation predictions: the parameterized convective rainfall in GR is directly related to synoptic-scale forcing. The models without CPS performed better for rainfall amounts but worse for rainfall position than those with CPS. The MM5 model demonstrated substantial predictive capacity using synoptic-scale initial conditions and lateral boundary data because heavy summer rainfall in Korea occurs in a strong synoptic-scale environment.