2011年梅汛期一次暴雨过程的对流涡度矢量方程诊断分析

利用NCEP FNL资料、FY-2E云顶亮温、常规观测及加密自动站降水量等资料,以及高分辨率中尺度模式WRF V3.3的模拟结果,结合对流涡度矢量方程对2011年6月一次江淮梅雨锋暴雨过程进行了诊断分析。结果表明,模拟结果再现了该次暴雨过程的降水特征,该过程主要受地面低压及梅雨锋锋面系统的控制和影响,其中6月14-15日为所选暴雨个例最旺盛的阶段,且该时段伴随梅雨锋上中尺度对流系统的移动发展和梅雨锋锋生。对流涡度矢量及其垂直分量的倾向方程的诊断分析表明,对流涡度矢量垂直分量的局地变化主要受非绝热加热项的影响;而非绝热加热与次级环流和梅雨锋锋生的关系说明中尺度对流活动与梅雨锋锋生存在类CISK机制的反馈关系。因此,对流涡度矢量,特别是其垂直分量可以用来诊断和揭示伴随非绝热加热的中尺度对流系统与梅雨锋锋生之间的关系。     

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。     

一次梅雨锋暴雨过程多尺度特征的诊断分析

文中对 1998年 6月 12～ 15日长江中下游地区入汛后最强的一次梅雨锋大暴雨过程进行了诊断分析。结果表明 ,此次暴雨是在 3种不同尺度天气系统的共同作用下形成的。中高纬的双阻型和副热带高压位置偏南 ,是引发该暴雨过程的大尺度背景条件 ;天气尺度的低压槽为该阶段的连续大暴雨提供了动力条件 ,它的前部存在一个低层辐合、正涡度和高层辐散、负涡度的带状区域。α中尺度上 ,该暴雨系统的垂直结构为中低层强烈的辐合和上层的辐散 ,其中心有着强烈的上升气流 ;同时在中高层 ,系统的南侧有一个高空急流强迫产生的次级环流。这种α中尺度暴雨系统的三维结构为强暴雨的形成提供了必要的动力、水汽和不稳定性条件。     

一次梅雨锋暴雨中尺度系统发展的动力机制分析

应用常规资料、TBB资料和NCEP分析资料,对2007年7月25日发生在湘黔边境的一次梅雨锋大暴雨天气过程进行了分析.结果表明:深厚的高空低槽和副热带高压稳定维持,有利于冷暖空气的辐合和梅雨锋的长时间维持.梅雨锋上不断有中小尺度对流系统产生,这些中小尺度对流系统在受到大尺度强迫作用和梅雨锋自身的强迫抬升作用而发展增强并长时间维持,在暴雨区形成强烈的降水.暴雨区上空具有低层辐合、高层辐散的结构特征,低层的辐合使得涡度往中上层输送,这种耦合形势有利于垂直上升运动和暴雨的维持.积云对流释放的凝结潜热加热对流层中上层大气,引起梅雨锋锋生,维持和促进了垂直上升运动和对流活动.     

"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.     

苏北东部一次梅雨锋大暴雨过程的多尺度特征

利用美国NCEP再分析资料结合地面加密自动站、卫星、雷达等常规资料,对2006年7月3日苏北东部地区一次最强的梅雨锋大暴雨过程进行了诊断分析,揭示了此次过程不同尺度系统的特征.结果表明:(1)此次过程是一次非典型的梅雨锋对流性暴雨,贝加尔湖稳定、强大的高压脊是引发大暴雨过程的大尺度背景条件.(2)高空槽、西南涡、低空急流以及地面气旋为大暴雨提供了强劲的动力和水汽条件.(3)α中尺度上,该暴雨系统的垂直结构为中低层强烈的辐合和上层的辐散,其中心有着强烈的上升气流;同时在中高层,系统的北侧有一个高空急流强迫产生的次级环流.地面多个中尺度涡旋的上升气流汇合成高低空急流耦合产生的次级环流的上升支,这种中尺度暴雨系统的三维结构为强暴雨的形成提供了持久必要的动力、水汽和不稳定性条件.(4)云图上对应一个MCS的发展演变,雷达上弓形回波对应的速度图上的"逆风区"和"中气旋"则是这次过程中局地短时强降水、龙卷的γ中尺度系统.     

梅雨锋的典型结构、多样性和多尺度特征

在天气尺度梅雨锋的天气学定义基础上,利用GMS-5静止卫星红外云图、常规气象探空资料、NCEP再分析与最终分析资料对2002年长江流域典型梅雨期6月26—28日和二度梅期间7月23日、1998年5月梅雨与7月二度梅共4个梅雨锋个例进行了分析与比较,归纳了梅雨锋结构多样性;并着重对典型梅雨期的梅雨锋发展过程、水平以及垂直结构进行了多种物理量场(包括风场、温度场、急流、锋区、假相当位温、散度、垂直速度、静力稳定度等)的综合分析。结果表明,不同的个例,不同的地区和时期,一次梅雨过程的不同阶段,梅雨锋的结构和性质都有可能不同,它可以从比较接近极锋的性质过渡到接近赤道锋的性质。在水平结构上梅雨锋是在高、低纬度不同尺度的环流系统共同作用下形成的,从而造成了梅雨锋结构具有丰富的多样性。对典型梅雨锋结构进行综合分析表明梅雨锋对流层中下层锋面由强假相当位温水平梯度形成;梅雨锋南侧为暖湿气团、北侧为变性气团;梅雨锋南面为西南季风、北面为偏东气流;梅雨锋的上升运动和强降水主要发生在梅雨锋的前沿;梅雨锋上方对流层上半部存在与副热带高空急流相配合的高空副热带锋;对流层上部的高空热带东风与副热带高空西风急流构成了梅雨锋降水的高空辐散流场。根据典型期梅雨锋以及二度梅倾斜型梅雨锋的对流层上、中、下水平环流特征,给出了梅雨锋的多尺度概念模型,主要包括中低纬度系统相互作用、对流层高层的行星尺度的环流系统副热带高空西风急流、高空热带东风急流与南亚高压、对流层中层的副热带高压与北方的短波槽以及对流层低层的行星尺度季风和切变线。     

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。     

一次浙赣沿线梅雨锋暴雨过程诊断分析

利用日本GMS卫星数据TBB资料、多普勒雷达产品及NCEP逐6小时再分析资料对2013年6月27日20时—29日20时发生在江西省浙赣沿线附近的一次梅雨锋大暴雨过程进行诊断分析。结果表明:(1)中高纬双阻型和副热带高压位置偏南,是引发该暴雨过程的大尺度背景条件,梅雨锋上不断有中小尺度对流系统产生,这些中小尺度对流系统在受到大尺度强迫作用而增强并长时间维持,在导致暴雨区形成强降水;(2)此次过程是发生在不稳定流较弱、强迫流极强的环境下,暴雨区发生在低层西南急流出口区左侧、高层急流入口区,该区域上空具有低层正涡度、高层负涡度和低层负散度、高层正散度的藕合形势,这种形势非常有利于强垂直上升运动的维持,为这次梅雨锋暴雨过程提供了强大的动力机制。     

一种新的梅雨锋上中尺度涡旋识别方法

中尺度涡旋的发生、发展对梅雨锋暴雨常具有直接作用,客观准确地识别中尺度涡旋有助于提高暴雨预报的准确性。本研究提出一种从格点风场中自动识别中尺度涡旋中心的客观方法。利用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球模式分析资料,选取2013—2014年梅雨期间两次暴雨个例,考察新方法识别中尺度涡旋的能力,并与现有的两种识别方法(分别基于相对涡度场与基于高度场)进行比较分析。结果表明,由于较小尺度的系统不遵守地转风规则,梅雨锋上许多涡旋的风场环流中心、涡度中心与低压中心位置不重合,影响通过涡度识别或气压识别方法的准确性。新方法从风场出发,可准确识别出大多数涡旋中心,误判率低,定位精度高于无人工辅助下的另外两种方法。接着利用新方法分析了两次暴雨个例中不同中尺度涡旋的垂直结构与时间演变。分析表明,新方法无需人工辅助,无特定层高和时间限制,可在短时间内识别出区域内所有中尺度涡旋的位置、三维结构与时间演变,可用于梅雨期间静止锋上中尺度涡旋的识别和路径的追踪,有助于预报员实时分析与预报暴雨。     

梅雨期青藏高原东移对流系统影响江淮流域降水的研究

利用GOES-9和FY-2C卫星TBB资料、1°×1°的NCEP再分析资料以及常规地面观测资料对2003和2007年梅雨期内青藏高原东移对流系统影响重庆、四川以及江淮梅雨锋地区降水的主要方式作了研究。结果表明,2003和2007年梅雨期内,青藏高原东移对流系统影响下游地区降水主要存在4种方式:(1)高原上的动力辐合中心伴随高原对流系统东移,影响所经地区的降水,该种影响方式较为常见,持续时间较长,影响范围较广。(2)高原对流系统移出高原后在四川盆地引发稳定少动的西南低涡,触发一系列暴雨过程,此种影响方式持续时间较长,主要影响地区为四川和重庆(往往会造成强度很大的暴雨),当西南低涡以东盛行较强西南风时,向梅雨锋的动能输送较强,这十分有利于梅雨锋地区对流活动和降水的加强。(3)高原东移对流系统在四川盆地触发西南低涡,西南低涡生成后,在引导槽的作用下沿梅雨锋东移,沿途引发一系列暴雨,此种影响方式持续时间最长,波及范围最广。(4)对流系统东移出青藏高原后直接影响下游地区,此种影响方式最为常见,但其影响时间最短,强度最小。对环境场的分析表明,高原强对流往往发生在500hPa影响槽槽区附近的上升运动区,当200hPa高空急...     

一次梅雨锋暴雨的中尺度对流系统及低层风场影响分析

本文利用常规气象观测资料,地面自动站加密观测资料和FY-2D、FY-2E卫星云图以及NCEP 1°×1°的FNL分析资料、EC 0.25°×0.25°的细网格模式数据等,对2015年6月15—18日梅雨锋暴雨过程的中尺度对流系统(MCS)活动特征、对流层低层风场对MCS发展的影响以及梅雨锋暴雨的垂直环流特征等进行了研究,结果表明:天气尺度梅雨锋上叠加的MCS的产生及向下游移动,以及其在安徽中部到江苏南部正涡度带作用下的发展增强,造成了江苏南部的局地强降水。强降水与中尺度低空急流核的位置吻合较好。在垂直方向上,高空急流入口区右侧与低空急流核左前方叠加,高低空急流耦合作用明显。在降水过程中,对流层低层具有较强的垂直风切变,有利于垂直涡度的增强和MCS的发展。对流层低层的垂直风切变也有利于不同源地的水汽在梅雨锋区汇集。梅雨锋北侧的干冷空气在对流层低(中)层以东北(西北)路径向锋区移动。南侧的暖湿气流沿西南路径移动、抬升,接近锋区后质点在上升过程中逐渐转向东移,在高空急流的抽吸作用下,快速向东流出,近地面层空气存在跨锋面环流。梅雨锋系统垂直方向上的次级环流是高层风场强烈辐散以及空气运动过程中质量补充和循环的结果。     

Mesoscale Analysis of a Heavy Rainfall Event over Hong Kong During a Pre-rainy Season in South China

During the Heavy Rainfall Experiment in South China （HUAMEX） of 1998, a record heavy rainfall event occurred in the delta of the Pearl River during the 24 hours from 1200 UTC 8 June to 1200 UTC 9 June, 1998, and a 24-hour precipitation maximum of 574 mm was reported in Hong Kong. In this paper, some mesoscale characteristics of this heavy rainfall event are studied using data from satellites, Doppler radar, wind profilers, and automatic meteorological stations collected during HUAMEX. The following conclusions are drawn： （1） During this heavy rainfall event, there existed a favorable large-scale environment, that included a front with weak baroclinity in the heavy rain area and with an upward motion branch ahead of the front. （2） Unlike most extratropical or subtropical systems, the closed low in the geopotential height field does not exited. The obvious feature was that a southerly branch trough in the westerlies existed and Hong Kong was located ahead of the trough. （3） The rainfall areas were located in the warm sector ahead of the front, rather than in the frontal zone, which is one of the characteristics of heavy rainfalls during the pre-rainy season of South China. A southerly warm and moist current contributed to the heavy rainfall formation, including the transportation of rich water vapor and the creation of strong horizontal wind convergence. （4） The observations show that the heavy rainfall in Hong Kong was directly caused by a series of meso β systems rather than a mesoscale convective complex （MCC）. These meso β systems moved with the steering current in the lower-mid troposphere, their life cycles were 3-6 hours, and their horizontal sizes were 10-100 km. （5） The disturbances in the lower and mid troposphere, especially that in the planetary boundary layer （PBL） were very shallow. However, they are a possible trigger mechanism for the occurrence and development of the mesoscale convective systems and related heavy rainfalls. Finally, a conceptual model of the heav     

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。     

An Analysis of a Meso-β System in a Mei-yu Front Using the Intensive Observation Data During CHeRES 2002

The conventional and intensive observational data of the China Heavy Rain Experiment and Study (CHeRES) are used to specially analyze the heavy rainfall process in the mei-yu front that occurred during 20-21 June 2002, focusing on the meso-β system. A mesoscale convective system (MCS) formed in the warm-moist southwesterly to the south of the shear line over the Dabie Mountains and over the gorge between the Dabie and Jiuhua Mountains. The mei-yu front and shear line provide a favorable synoptic condition for the development of convection. The GPS observation indicates that the precipitable water increased obviously about 2 3 h earlier than the occurrence of rainfall and decreased after that. The abundant moisture transportation by southwesterly wind was favorable to the maintenance of convective instability and the accumulation of convective available potential energy (CAPE). Radar detection reveals that meso-β and -γ systems were very active in the Mα CS. Several convection lines developed during the evolution of the MαCS, and these are associated with surface convergence lines. The boundary outflow of the convection line may have triggered another convection line. The convection line moved with the mesoscale surface convergence line, but the convective cells embedded in the convergence line propagated along the line. On the basis of the analyses of the intensive observation data, a multi-scale conceptual model of heavy rainfall in the mei-yu front for this particular case is proposed.     

第一次全球大气研究计划试验期间华南 前汛期暴雨过程及其环流特征的诊断研究

对1979年第一次全球大气研究计划试验(FGGE)期间华南前汛期3次暴雨过程及其环流特征进行了诊断研究。发现：（1）3次暴雨过程均与锋面活动有关,每次锋面过程都与锋生区对应,暴雨多见于锋前暖区内。锋面的特征既不同于冬季的冷锋,又不同于夏季长江流域的梅雨锋。（2）对视热源和视水汽汇作了计算,发现3次暴雨过程中,华南地区的视热源和视水汽汇项有明显作用,积云对流所造成的对流凝结加热作用很重要。（3）华南前汛期暴雨与南海季风有密切关系。1979年FGGE期间南海季风3次向北推进,与3次暴雨过程有直接的联系。（4）对这3次降水过程的水汽来源作了分析,发现除孟加拉湾外,南中国海亦是重要的水汽供应源地。（5）对云系的分析表明,华南上空的β中尺度对流云团为暴雨的发生提供了有利条件。     

形成2015年浙江省梅汛期暴雨的控制环流及梅雨锋结构

本文利用NCEP/NCAR全球再分析逐日资料、地面观测资料和自动站降水资料,在分析了2015年浙江省梅汛期强降水特征、水汽输送和局地环流的基础上,从西南季风进退、副热带高压、南亚高压及西风带波动等方面对2015年形成梅汛期暴雨的控制环流进行了分析。结果表明：2015年整个浙江省梅汛期降水量较常年显著偏多,浙江中部地区降水量比历史同期偏多接近一倍。丰沛的水汽从孟加拉湾经中南半岛向东输送,与西太平洋副热带高压西侧的西南气流相合并,在梅雨锋南侧形成异常辐合,为强降水提供了水汽条件。这次持续强降水由三次强降水过程构成并由西风辐合型锋生引起。第二次强降水过程中大气强对流性不稳定利于梅雨锋上中尺度对流系统发展,导致强降水呈现明显的局地性。而第一次和第三次过程中梅雨带附近大气基本处于对流稳定或中性,以斜压性降水为主。在对流层低层,副高较常年偏东偏南,其西北侧西南暖湿气流与北侧冷空气交汇于浙江省,利于梅汛期强降水集中期的出现。在对流层上层的南亚高压较常年位置偏东,其北侧的西风急流强度偏强,东亚急流核入口区右侧的强辐散利于造成强烈的上升运动。在对流层中层,贝加尔湖阻高的东侧有明显的波动能量向东向南传播并在长江中下游积聚,利于浙江地区扰动的维持,形成持续稳定的梅雨锋和中低空切变线,造成梅雨强降水过程的持续。2015年春夏季热带中东太平洋海温正异常分布有利于梅汛期降水偏多的异常环流的形成。     

梅雨锋上与强暴雨有关的中低压及其三维环境流场的诊断研究

本文对1986年6月22日出现于长江中游的一次中低压过程进行了诊断分析。这个中低压水平尺度约500km，生命史为一天，但是形成了日降水量263mm的特大暴雨。分析揭示，梅雨锋是一条近于东西走向的正涡度带状分布区。而这一带状区中存在强烈的中尺度水汽通量辐合中心和深厚的上升运动区，有利于中尺度低压的形成。#FKM#FS和θ的剖面表明，条件对称不稳定（CSI）可能是这次梅雨锋暴雨的一种触发机制。此外，由拉格朗日方法对气块三维轨迹的计算表明，来自高低空和不同方向的两支大尺度气流的结合使高空辐散加强，可能对中低压的     

Study on Formation Mechanisms of Heavy Rainfall Within the Meiyu Along the Mid-Lower Yangtze River and Theories and Methods of Their Detection and Prediction

As the project of National Key Basic Research Development Program: Research on Formation Mechanisms and Predictive Theories of Major Weather Disasters in China has been fulfilled by 5-yr efforts of Chinese scientists, achieving results of great significance are as follows: 1) development of multi-scale physical models for Meiyu frontal heavy rainfall based on a range of real-time observations; 2) construction of synoptic models for such heavy rainfall; 3) the Meiyu front found to consist of multi-scale systems that represent a subtropical front, which shears structural features of an extratropical front and ITCZ, displaying sometimes a bi-front feature in the mid-lower Yangtze Basin (MLYB). The positive feedback between pre-frontal wet physical processes and over-front strong convective activities as well as interactions among multi-scale systems of the Meiyu front act as the important mechanism for the maintenance and development of the Meiyu front; 4) proposal of theories and methods for quantitative retrieval of multiple mesoscale torrential rains from satellite remote sensings, leading to a line of products; 5) investigation of applicable theories and techniques for retrieving the heavy rainfall system's 3D structure from dual-Doppler synchronous detectings; and 6) development of a system for meso heavy rainfall numerical prediction models with a 3D variational data assimilation scheme included, a tool that played an active role in flood combating and relief activities over the Huaihe River Basin (HRB) in 2003.