次天气尺度及中尺度暴雨系统研究进展

回顾了75年来中国科学院大气物理研究所科研人员在次天气尺度及中尺度暴雨系统领域的研究工作,这些领域主要包括暴雨、中尺度低空急流、低涡、梅雨锋结构及梅雨锋生、对称不稳定和涡层不稳定以及暴雨等灾害天气的天气动力学及数值模拟研究等;总结了在次天气尺度及中尺度暴雨系统研究的不同时期所取得的成就以及这些成就在防止和减轻中尺度暴雨灾害方面所起到的重要作用.     

江淮梅雨锋强暴雨低涡系统发生发展的数值研究

利用美国新一代中尺度WRF(Weather Research and Forecast)模式,采用高分辨率的细网格距和适当的物理方案,对2003年7月4—5日的江淮梅雨锋强暴雨中尺度系统进行了数值模拟研究。模拟结果很好地描述了本次暴雨及其中尺度系统发生、发展的时空演变过程,并较理想地预报出了该次降水的落区、强度及降水中心的位置。着重分析了低空急流、倾斜不稳定发展及中尺度低涡系统和对流层高层小扰动,并进一步指出了其形成、发展的物理机制。从数值模拟分析结果看,倾斜垂直涡度的发展是造成低空涡旋生成和发展的动力机制。充足的湿有效能量和凝结潜热的释放为本次大降水过程提供了物质条件。     

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料\, 卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料, 对2002年6月22~23日(“02.6”)一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上, 利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟, 并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明： （1）天气分析显示, “02.6”梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线, 暖式切变线不太明显, 这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强, 高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴, 南亚高压中心位于我国江南地区。（2）TBB资料分析表明, 此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关; 强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、 暖切变线的的南侧发生和发展, 并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。（3）垂直结构分析显示： 在中尺度系统开始发展阶段, 中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、 低空急流核以及高空强辐散低空强辐合, 这有利于中尺度系统的发展; 当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段, 其后部不断分裂出中小尺度系统, 对流层低层的θe具有明显暖心结构, 由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强, 导致在800~600 hPa层上 θe比环境的低, 加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱, 这不利于中尺度低涡的维持。     

梅雨锋结构的数值模拟

利用1999年6月下旬持续性梅雨锋降水过程的全程四维同化模拟结果,深入分析梅雨锋结构的时空不均匀变化特征及其与低涡降水强度的密切关系。结果表明,梅雨锋呈现明显的中层锋和边界层锋两段锋的特征,中层梅雨锋区对降水的影响比边界层锋更为关键,中层锋的加强、锋坡增大趋于垂直、锋区垂直环流的加强和与高空急流锋区的上下贯通,有利于梅雨锋降水的加强,强降水并不出现于中层锋区最强的时段,而是发生于大范围锋区强度达峰值之后约16—24 h。中低层总变形加强与梅雨锋的加强有密切关系。组成低空急流的中低层u,v分量呈现不同的分布和演变特征,强南风中心位于900—800 hPa,呈明显的低空急流状特征,贴近暴雨区还可能出现较小尺度的急流;而强西风中心出现于中层锋前700—500 hPa,表现为高空强西风区沿锋区上界的向下延伸;低空南风急流通常与总变形同时加强。强锋段的锋前饱和高湿高能气柱、锋前中低层急流状南风区和中层西风均匀大值区等要素场呈现高度组织化的特征。梅雨锋的低层特性,如辐合、锋区强度、总变形和南风分量及降水强度等要素呈现显著的中尺度扰动特征,有明显的日变化且受长江中下游中尺度地形影响,扰动特征有随时间上传的趋势。     

2003年4月18日暴雨与汛期暴雨的对比分析

利用常规资料、数值预报产品对2003年4月18日发生的暴雨做了重点分析,并将其与汛期暴雨进行对比。结果表明：二者在环流形势、动力条件和低空急流方面存在着明显差异,汛期暴雨涡度、散度、垂直运动场较强,而非汛期暴雨冷空气强度相对较强,低空急流也较强。     

"99·6"梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5和四维资料同化逼进方法及双向三重嵌套网格技术,对1999年6月23～25日(简称"99·6")发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟.结果表明:模拟结果与观测结果的比较指出,高分辨数值模式MM5可以成功地模拟梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展;模拟结果显示,在α中尺度低涡切变线发展过程中,低层强的西南急流和东北气流增强了低层的辐合;而高空的西风急流和东风急流则增强了高空的辐散;正是由于这种从高空到低空环流的配置,才促进了α中尺度低涡不断发展;模拟低涡切变线不同部位的垂直环流和物理量场表明,"99·6"梅雨锋低涡切变线的结构非常复杂:在梅雨锋的发展期,暖锋附近的垂直上升运动最强,低涡中心次之,冷锋附近最弱.模拟结果也表明,由于下垫面特征的不同,中国和日本的梅雨锋暖锋附近环流结构有较大的区别;模拟结果显示,在α中尺度低涡发展过程中,不断有扰动在低涡前部发展,激发并分裂出一系列的β中尺度系统,β中尺度系统运动剧烈,但由于其低层辐合强于中空辐散,所以当它远离母体时会很快衰减.     

垂直向基流二次切变对梅雨锋中尺度低涡暴雨系统的影响

β中尺度低涡是引发长江中下游地区梅雨锋暴雨的主要中尺度天气系统之一,采用实况统计与数值模拟相结合的方法,对1999—2005年长江中下游地区梅雨期间23个低涡暴雨过程进行分析得出:暴雨一般都发生在中低层低涡南侧的西南急流里,急流的强度和位置直接影响降水落区和强度,低涡所激发的涡旋Rossby波在急流里传播时引发不稳定,产生强降水。根据基本流场风速二次切变理论,进一步研究表明:大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变,而这种情况正是涡旋Rossby波产生的物理根源。当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且高层200 hPa附近引导气流比较强时,低涡移向东北偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中层急流比上下层略强,即U_(ZZ)绝对数值很小,低涡移向东南偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中低层急流相对于高层急流很强的时候,低涡移向西南向;当垂直向基流在中层的急流很强,上下急流不明显时,低涡移向西或西偏北。因此,垂直向基流风速二次切变是影响梅雨锋中尺度低涡路径的关键因子,这一结论对于梅雨期间低涡暴雨落区预报有很好的指示意义。     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究若干进展

梅雨锋暴雨中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统,对其结构特征、活动规律及其发生发展的物理机制的深入研究,对提高梅雨锋暴雨的预报能力有重大意义。近年来对梅雨锋暴雨中尺度对流系统的研究取得了很大进展,文章对梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究的若干进展作了简要综述,包括梅雨锋暴雨云系多尺度结构、梅雨锋暴雨的β和γ中尺度系统发生发展的环境条件和结构、云微物理分布和转化特征及其对热力动力过程反馈等方面,并对有关问题进行讨论。     

我国南方暴雨的试验与研究

50年以来, 中国气象科学研究院几代科学家致力于暴雨研究, 取得了令人瞩目的成就, 尤其是最近10年, 中国气象科学研究院主持了3个国家级研究项目开展我国南方暴雨研究, 其中包括华南前汛期暴雨的试验与研究, 长江中下游梅雨锋暴雨的试验与研究以及目前正在实施的研究范围更为广泛的我国南方致洪暴雨的试验与研究。通过上述项目的实施, 在华南前汛期暴雨与长江流域梅雨锋暴雨的三维结构、形成机理、遥感监测与探测中尺度暴雨的理论和方法以及自主发展配有三维同化系统的中尺度暴雨数值模式系统等方面均取得重要的研究成果, 有的已经在我国各级业务部门推广应用, 取得良好的经济与社会效益。目前正在实施的国家973项目, 针对引发我国南方致洪暴雨的β-中尺度强对流天气系统开展更为深入的试验与研究, 通过这些努力, 有望在提高我国暴雨的监测与预报、预警能力, 增强我国减灾防灾的总体实力做出更为重要的贡献。     

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。     

A Diagnostic and Numerical Study on a Rainstorm in South China Induced by a Northward-Propagating Tropical System

A strong cyclonic wind perturbation generated in the northern South China Sea （SCS） moved northward quickly and developed into a mesoscale vortex in southwest Guangdong Province, and then merged with a southward-moving shear line from mid latitudes in the period of 21-22 May 2006, during which three strong mesoscale convective systems （MCSs） formed and brought about torrential rain or even cloudburst in South China. With the 1° ×1° NCEP （National Centers for Environment Prediction） reanalysis data and the Weather and Research Forecast （WRF） mesoscale model, a numerical simulation, a potential vorticity inversion analysis, and some sensitivity experiments are carried out to reveal the formation mechanism of this rainfall event. In the meantime, conventional observations, satellite images, and the WRF model outputs are also utilized to perform a preliminary dynamic and thermodynamic diagnostic analysis of the rainstorm systems. It is found that the torrential rain occurred in favorable synoptic conditions such as warm and moist environment, low lifting condensation level, and high convective instability. The moisture transport by strong southerly winds associated with the rapid northward advance of the cyclonic wind perturbation over the northern SCS provided the warm and moist condition for the formation of the excessive rain. Under the dynamic steering of a southwesterly flow ahead of a north trough and that on the southwest side of the West Pacific subtropical high, the mesoscale vortex （or the cyclonic wind perturbation）, after its genesis, moved northward and brought about enormous rain in most parts of Guangdong Province through providing certain lifting forcing for the triggering of mesoscale convection. During the development of the mesoscale vortex, heavy rainfall was to a certain extent enhanced by the mesoscale topography of the Yunwu Mountain in Guangdong. The effect of the Yunwu Mountain is found to vary under different prevailing wind directions and intensities. The location o     

2016年梅雨期湖北地区三次暴雨过程对比分析

针对2016年6月30日—7月6日梅雨期湖北省的持续性降水过程,根据降水融合资料识别出三段暴雨过程,基于高分辨率NCEP再分析资料分别从环流形势、水汽输送及上升运动等方面进行对比分析。结果表明,同一连续性梅雨期降水的三段暴雨过程,其环流形势明显不同,水汽输送与来源也不相同;温湿热力条件与上升运动强弱的动力条件共同影响降水强度,锋面的位置则与暴雨落区有密切的关系。第一段暴雨为典型的梅雨期暴雨环流,水汽主要来源于南海和孟加拉湾,热力不稳定与上升运动均较强,导致降水强度最强;第二段暴雨中,横槽将南海的水汽输送至湖北地区,较弱的热力不稳定度和上升运动导致降水强度偏弱;第三段暴雨发生在横槽减弱、西太平洋副热带高压北抬的过程中,湿度条件较差导致其降水强度较弱。     

SIMULATION OF BOUNDARY LAYER EFFECTS ON A HEAVY RAINFALL EVENT CAUSED BY A MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEM OVER THE YELLOW RIVER MIDSTREAM AREA

A heavy rainfall event caused by a mesoscale convective system (MCS), which occurred over the Yellow River midstream area during 7–9 July 2016, was analyzed using observational, high-resolution satellite, NCEP/NCAR reanalysis, and numerical simulation data. This heavy rainfall event was caused by one mesoscale convective complex (MCC) and five MCSs successively. The MCC rainstorm occurred when southwesterly winds strengthened into a jet. The MCS rainstorms occurred when low-level wind fields weakened, but their easterly components in the lower and boundary layers increased continuously. Numerical analysis revealed that there were obvious differences between the MCC and MCS rainstorms, including their three-dimensional airflow structure, disturbances in wind fields and vapor distributions, and characteristics of energy conversion and propagation. Formation of the MCC was related to southerly conveyed water vapor and energy to the north, with obvious water vapor exchange between the free atmosphere and the boundary layer. Continuous regeneration and development of the MCSs mainly relied on maintenance of an upward extension of a positive water vapor disturbance. The MCC rainstorm was triggered by large range of convergent ascending motion caused by a southerly jet, and easterly disturbance within the boundary layer. While a southerly fluctuation and easterly disturbance in the boundary layer were important triggers of the MCS rainstorms. Maintenance and development of the MCC and MCSs were linked to secondary circulation, resulting from convergence of Ekman non-equilibrium flow in the boundary layer. Both intensity and motion of the convergence centers in MCC and MCS cases were different. Clearly, sub-synoptic scale systems in the middle troposphere played a leading role in determining precipitation distribution during this event. Although mesoscale systems triggered by the sub-synoptic scale system induced the heavy rainfall, small-scale disturbances within the boundary layer determined its intensity and location.     

2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨对比分析

应用多种常规观测资料、加密自动气象站资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨过程进行了对比分析。研究表明：“尤特”台风暴雨直接由台风环流引起,具有锋前暖区降水的特点;而“天兔”台风暴雨由台风低压倒槽与西风带天气系统相互作用引起的,其降水属于典型的锋面降水。“尤特”由东风带进入西风带,其与副高相对位置的变化是导致其登陆后路径北翘的主要原因。“尤特”低压环流与南海季风相互作用,充沛的水汽输送对台风低压环流的长时间维持以及湘东南暴雨的形成和发展起到了重要的组织和促进作用。而“天兔”登陆后南海季风位置偏南,不利于“天兔”的长时间维持以及向暴雨区的水汽输送。低层暖式切变线附近强辐合与高层强辐散耦合、低层强正涡度与高层负涡度的耦合为“尤特”台风暴雨的发生发展提供了动力条件。由中低层冷空气入侵导致的锋生强迫和高低空急流耦合形成的次级环流,加强了“天兔”低压倒槽内冷暖气流的辐合,是触发倒槽内中尺度对流发展和暴雨产生的重要动力机制。     

一次登陆台风倒槽暴雨过程的初步诊断

利用常规探空和地面观测资料、卫星雷达资料以及NCEP再分析数据,应用非地转湿Q矢量和湿位涡理论,诊断分析了2018年第4号台风"艾云尼"登陆后的倒槽暴雨过程。结果表明,台风倒槽东侧偏南气流为暴雨区温湿能量的主要来源,倒槽顶部的暖式切变和倒槽西侧高值湿位涡的下传,使大气斜压性和低层不稳定度增强。倒槽附近温度场与风场的不平衡配置易于激发次级环流,有利于潜热能的释放和暴雨的增幅。暴雨区对流层低层(925 hPa)湿位涡分量总满足MPV10,MPV20。中层非地转湿Q矢量散度与未来6 h降水落区对应较好,对此类台风倒槽类暴雨预报具有一定的指示意义。     

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981～2010年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定（CSI）与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南（4～6月）先北跳到江淮（5～7月）,再到华北（7～8月）的季节性进程,特别是7～8月强降水距平场具有“北多南少”分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞（4～6月）、然后移到江淮（5～7月）,最后到达华北（7～8月）。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925～600 hPa,而6～8月抬升到700～600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风（垂直风切变）作用对倾斜对流有效位能（SCAPE）的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项（CAPE）占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数（CMF index）可指示雨带强降水异常区。     

2005年7月一次大暴雨过程的模拟和诊断分析

基于2005年7月9—10日河南、安徽等地一次大暴雨的巨大影响,利用中尺度模式（MM5）对此次过程进行了模拟,并使用NCEP/NCAR再分析资料和模式输出产品作了多种物理量诊断分析,结果表明,贝加尔湖附近阻高、下游的东北冷涡及其伴随的高空槽造成了有利的环流形势,低层切变线及急流是此次暴雨过程的最主要影响系统。散度、涡度、垂直速度、螺旋度及位温的分布和演变反映出在此次降水发生过程中,暴雨区出现了很强的辐合上升运动,中低层大气层结不稳定性强,上下层大气物质交换强烈,在暴雨区上空螺旋度呈＂下正上负＂的垂直结构,螺旋度正的大值区对应强降水中心;水汽通量散度的分布说明暴雨区有充足的水汽供应,而锋生条件为降水的形成和维持提供了一定的能量。     

低层偏南气流对一次暴雨过程的动力作用分析和数值模拟

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,对2010年7月22-25日四川盆地西部出现的一次暴雨过程进行了诊断分析.结果表明:暴雨出现在对流层低层南海至四川盆地一直维持偏南气流的环流背景下,暴雨与这支偏南气流的风速演变密切相关,降雨强度随南风气流的增强而增强,南风气流增强所形成的风速辐合及正涡度平流是暴雨的主要动力触发因子,暴雨与低层辐合和正涡度平流区域有很好的对应关系.WRF数值模拟试验进一步表明:850 hPa层3h风速演变对中尺度对流系统的发展具有很好的指示意义,在3h风速增大区域的下风方,未来3h对流云团将迅速发展;盆地西部形成的气流辐合与其西侧的高原地形密切相关.     

"99.8"山东特大暴雨形成机制的数值模拟分析

利用双重嵌套的非静力数值模式MM5V3,成功地模拟了1999年8月11~12日山东诸城发生的特大暴雨。利用模式输出的高时空分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析。结果表明,这次特大暴雨是在弱冷空气侵入台风低压环流,热带辐合带北伸的形势下形成的;倾斜涡度发展是特大暴雨及中尺度低涡产生、发展的重要机制,鲁东南有利的地形对中尺度低涡的形成具有重要作用;台风低压倒槽顶部的强辐合作用首先触发上升运动,产生强降水,强降水位于低层气旋性暖式切变最明显的地方;强降水释放的凝结潜热使高层气层增暖,高层辐散加强,引起低层中尺度低涡强烈发展,导致降水增幅。可见,CISK机制是特大暴雨和中尺度低涡加强的另一种机制。     

甘肃东南部两次极端致灾暴雨对比分析

为了研究甘肃东南部相同气候背景条件下极端暴雨天气的成因,提高极端暴雨强度和落区预报的准确率,利用NCEP再分析、自动气象站降水、常规观测资料及卫星云图资料,对2013年8月7日和2017年8月7日发生在甘肃东南部两次极端暴雨进行对比分析。结果表明:两次极端暴雨天气过程都伴随着短时强降水等强对流性天气,具有降水量大、雨强强、灾害重的特点,其中冷空气的强度对暴雨落区、空间分布以及影响系统移动以及对流强度产生重要影响。在强冷空气和高空低槽、低层切变线影响下,暴雨区偏南,强降水区域小,持续时间短,不稳定条件更好,对流强度更强;在弱冷空气和高原槽、低层低涡、低空急流作用下,暴雨区偏北,强降水范围大,持续时间长,大气湿层厚度大,低层水汽辐合强度、涡度以及垂直速度更强,降水效率更高,但对流强度相对较弱。卫星云图上,在强冷空气的影响下对流发展旺盛,形成强中尺度对流云团,对流云团呈带状;在弱冷空气作用下对流云团尺度小,发展范围小,有暖云降水特征,降水效率高。