江南一次持续性暴雨过程中线状中尺度对流系统模态转换机理研究

利用地面观测资料、探空资料、NCEP再分析资料、多普勒雷达资料及WRF输出资料,研究了2014年6月20—21日发生在江南地区的一次持续性暴雨过程中中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)的演变过程、结构特征及模态转变机理。此次暴雨发生在500 h Pa东移发展的短波槽前、850 h Pa切变线与低空暖湿急流之间的不稳定区。MCS演变过程中组织模态发生转变,对流东移发展形成拖尾型(tailing stratiform,TS) MCS,后逐渐转变为平行型(parallel stratiform,PS) MCS。环境风场上,TS型MCS表现为垂直对流线的相对入流,弓状回波北侧有气旋生成; PS型MCS低层表现为垂直对流线的相对入流,中高层表现为平行向相对入流。TS型MCS中,强对流区位于正扰动气压带,形成垂直作用于对流线的气压梯度力,导致相对入流垂直对流线;而在平行对流线方向上,扰动气压变化小,平行相对气流弱,整体呈现为较强的垂直向相对气流; PS型MCS中,气压扰动整体表现为西南正气压扰动与东北负气压扰动的分布特征,在西南-东北向气压梯度力作用下,形成平行对流线向后的相对入流,导致MCS模态的转变。     

一次模态变异中尺度对流系统的模拟与分析

利用NCEP FNL分析资料及南京多普勒雷达观测,借助WRF模式,对2017年8月19日发生在长江中下游地区的一次中尺度对流系统(MCS)进行模拟和诊断分析。此次MCS组织模态PS(Parallel Stratiform)型和TS(Trailing Stratiform)型共存,开始为带状结构,最后演变为强弓状飑线。气旋切变和低空急流是此次过程的重要影响系统,而午后强烈发展的地面锋触发了此次强对流。在垂直风切变和冷池共同作用下,西侧初始对流发展为PS型模态,东侧发展为TS型模态。由于PS型模态的中低层垂直风切变发生转向,导致其消散。TS型模态附近冷池和垂直风切变相配合,且在后向入流(Rear Inflow Jets,RIJ)作用下发展成为强弓状飑线;RIJ受中低层涡旋对影响而发展增强,其中气旋式涡旋主要由涡度方程中拉伸项决定,而反气旋式涡旋则主要由倾侧项决定。      

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.     

一次华北飑线的观测分析

利用气象常规观测资料、卫星、自动观测系统、多普勒雷达等多种资料,对2004年7月23日发生的华北飑线进行了观测分析。分析表明:华北飑线发生在副高西北侧的不稳定区域,产生于中尺度对流系统(MCS)当中,地面冷锋和副高南退以及高空前倾槽的形势,使MCS向东南方向移动过程中发展,加强成为飑线;华北地区中、低层水汽通量的辐合,为此区域强对流的发生提供了充足的水汽;850 hPa和700 hPa低空急流的存在,一方面强劲的西南气流输送的暖湿平流加强了华北地区不稳定层结,另一方面急流附近的强风切变为飑线的产生提供了动力条件。     

华南前汛期MCS的活动特征及组织发展形式

利用卫星云图Tbb资料、常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,按照Jirak对中尺度对流系统(MCS)的分类方法,将华南MCS分为MCC(中尺度对流复合体)、PECS(线状或长条状MCS)、MβCCS和MβECS(即β尺度的MCC和β尺度的PECS)4种类型,对华南前汛期MCS的时空变化特征、发生发展的组织形式和天气学背景进行了分析。结果表明:PECS是华南地区MCS的主要发展形式。4—6月MCS的发生个数逐月增多。MCS的日变化呈单峰型,主要集中于下午到上半夜形成,傍晚到半夜之间发展成熟。但具体到不同的4种类型,其日变化特征有一定差异。MCS活动分布特征与地形没有明显对应关系,全区都可有PECS发生。MCS主要以东移为主,其次的移动方向4种不同类型分别略有不同。MCS的发生发展有3种主要天气形势:500 hPa槽前西南风场型、850 hPa切变线南侧的西南风场型和地面低槽配合的Ⅰ型;500 hPa西北风场型、850 hPa切变线型和地面低槽配合的Ⅱ型;500 hPa西风槽过境型、850 hPa切变线南侧的西南风场型和地面低槽配合的Ⅲ型。孤立发展和合并增长是华南MCS的主要组织发展形式。     

湖北省极端短时强降水MCS类型及特征分析

重点利用新一代天气雷达、常规探空和地面中尺度观测等资料,在详细分析湖北省2008—2015年62例极端短时强降水中尺度对流系统演变过程的雷达回波特征基础上,研究归纳了湖北省6类极端短时强降水MCS模态,其中包括4类线状(尾随层状云、平行层状云、后向扩建类、邻近层状云类)和2类非线状(涡旋状类和层状云环绕类)MCS模态。初步研究表明:(1)4类线状MCS的模态和环境风相对对流线分量的垂直分布与早期的研究结果基本一致。(2)非线状的涡旋状类MCS模态典型特征是大范围层状云降水包裹着螺旋式涡旋对流回波带,多形成于西南涡前切变线附近,主要与西南涡前鄂西山地平原过渡带边界层中尺度涡旋系统的触发和组织有关。(3)湖北省后向扩建类MCS常出现在山脉迎风坡一侧,与中尺度地形对冷池的阻挡、冷池对MCS的组织作用等有关。(4)涡旋状MCS持续时间较长、范围较大,而层状云环绕类MCS维持时间较短。     

2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究

运用多种观测数据,结合WRF模式分析了2013年3月19日发生在黔湘地区一次飑线形成期的中尺度特征。（1）此次飑线发生在高空500 hPa槽前的西南气流中,地面冷锋附近。环境风为西南向,且垂直于飑线长轴的分量小于沿着飑线长轴的分量。（2）飑线东、西两段存在显著差异：东段所在环境干燥,下沉对流有效位能DCAPE大,故雷暴大风强而短时强降水弱,对流单体初始于锋区及冷空气一侧,呈碎块状分布;西段环境湿润,短时强降水和冰雹集中,对流单体出现于地面锋区附近中尺度辐合线内,辐合线持久,其上辐合中心处不断有单体新生。（3）此次过程有重力波作用,且飑线西段重力波特征更明显。急流中的波动与中尺度辐合线相交,波动上升气流叠加辐合线上升运动,引起对流发生并迅猛发展,使得对流单体趋向于沿着波动等振幅面排列成带状,进而形成飑线。（4）旧单体南、北两侧均有新对流单体发生：北侧新单体高、低层重力波反相位叠加,对流受到抑制;南侧的新单体高、低层波动同相,上升气流加强,对流得以发展;新旧单体不断迭代更新,飑线整体向东南传播。     

江苏一次锢囚状MCS和相关中涡旋MCV的观测分析

利用常规地面和高空气象观测资料,结合气象卫星云图和雷达回波,分析了2009年6月14日15—23时(北京时,下同),造成江苏强对流天气的一个中尺度对流系统(MCS)的锢囚状特征的形成过程及其垂直结构。地面中尺度分析表明,雷暴高压东侧在飑前倒槽北端发展的闭合低压环流的东南气流将暖湿空气输送到冷性雷暴高压的北侧形成东南一西北向的暖舌,从而形成锢囚状的结构。长三角探空网资料的垂直结构分析表明,在对流层下部地面到850 hPa为冷性的雷暴高压,在对流层中部700 hPa为冷性的α中尺度涡旋(MCV),而500 hPa已转变为暖性的MCV。静力学关系可以说明MCV仅仅存在于700~500 hPa的原因和MCS下冷上暖的热力结构密切相关。     

云南中尺度对流系统地闪分布差异及成因

利用NCEP/NCAR资料以及气象卫星和闪电定位系统等探测资料对2010年3种中尺度对流雷暴系统进行分析。结果表明:MCS频繁地闪对应着TBB≤-52 ℃,但其低中心及其梯度大值区和地闪频数空间分布不同,MCS具有后侧对流发展型、中间对流发展型、前侧对流发展型等三种特征;北方低槽切变配合南方倒槽、高层偏北气流叠加在低层偏南气流上的垂直风场结构、深厚的减弱台风低压倒槽为MCS提供有利环流背景,而近地面800 hPa中尺度辐合线是诱发MCS的直接影响系统,且对流和地闪易于在偏南暖湿气流或风辐合一侧发展;500 hPa以下水平风辐合及高低层间垂直风切变和垂直风辐合导致强烈上升运动,低层上升气流和高层下沉气流的有利配合及稳定次级垂直环流保障上升气流的维持,为MCS发展提供抬升动力机制;高层强大偏东风和垂直风切变导致对流区在MCS后侧,高层偏东风速小于承载层导致对流区出现在MCS前侧,而弱的风或弱的垂直风切变则导致地闪发生在MCS中部对流区;低层大气温度高于周围大气和650～750 hPa高湿层的存在为MCS发展提供足够热力不稳定条件和充沛水汽条件。      

东北冷涡下一次飑线和MCV的形成与水平涡度的关系

利用WRF中尺度数值模式,NCEP/NCAR分析资料,多普勒雷达观测资料等,对2016年7月25日一次东北冷涡下的飑线过程进行数值模拟,研究了飑线形成和维持与水平涡度的关系及飑线过程中中尺度对流涡旋(MCV)的形成机制,分析发现,高低层水平涡度逆时针旋转对本次飑线的形成和维持有很好的指示意义。(1)飑线发生前,高层渤海湾西侧出现水平涡度的逆时针旋转中心,并有较强的辐散配合,低层水平涡度为逆时针弯曲,为飑线产生提供了有利的上升运动条件。随后高层多个对流单体的水平涡度气旋式涡旋合并形成较大范围的气旋式涡旋结构,触发低层的上升运动,同时低层对流区前部形成一致的气旋式弯曲使得对流单体组织成带状结构,形成飑线。(2)飑线成熟时期高层水平涡度表现为统一大范围气旋式涡旋结构,低层则呈现典型的S型弯曲结构,水平涡度x方向的分量沿对流带从南至北表现为正负正,y方向的分量始终为正,并由对流带的中心向两侧减小,显示出水平涡度矢量旋转的方向对飑线影响的重要性。(3)由垂直涡度方程的分析得出,在飑线发展中期,MCV形成前,雷达反射率回波在500 hPa左右表现出明显的旋转,此时主要与500 hPa以上强的正涡度水平平流项及中层倾侧项和水平散度项有关,之后,在这几项的作用下使得中层风场产生气旋式旋转,形成MCV。      

2016年7月18—20日湖北省特大暴雨过程的中尺度特征分析

利用多种常规和非常规观测资料诊断分析了湖北2016年7月18—20日特大暴雨过程的降水特点以及中尺度对流系统(MCS)的发生发展特征和环境场条件,结果表明：此次特大暴雨过程具有很强的极端性,分为梅雨锋南侧暖区降水和梅雨锋面降水两个阶段,都具有较为极端的水汽条件。第一阶段在地面风场辐合的作用下触发了初生对流单体,西南低空急流出现脉动,湿层的增厚促进了强雷暴的发展。新生单体在雷暴上游生成,迅速并入强雷暴,后向传播是其稳定少动的重要原因之一。强盛阶段,强雷暴具有暖云低质心的特征,低层垂直风切变与雷暴偏北风出流的方向配置、中气旋的出现都促进了上升运动,促使强雷暴长时间维持,造成了马良站连续数小时出现高强度降水。第二阶段,环境风平行分量远大于垂直分量,促进了东北—西南向平行层状MCS（PS型MCS）的形成。具有多单体依次排列的特征,新生单体在系统西南侧地面辐合线的作用下不断生成发展,使得PS型MCS增强维持,移动缓慢。马良站受到PS型MCS对流线和西北侧层状回波的影响,小时强降水明显较第一阶段偏弱。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

华南暖区暴雨中一次飑线的中尺度分析

利用地面加密观测资料、高空观测资料、多普勒雷达观测和雷达风场反演资料等,分析造成2010年5月6—7日华南暴雨中一次飑线的演变过程及三维结构特征。结果表明:(1)此次飑线过程发生于200 hPa高空辐散区、500 hPa高空槽后、地面准静止锋锋前暖区内,850 hPa飑线北侧为切变线,东南侧存在低空急流,中低层为中等强度垂直风切变。(2)该飑线系统初始对流单体由西风受广西大瑶山脉地形阻挡而触发。发展过程中两广交界处不断生成新单体,东移发展并入对流带,单体发展及对流带的形成与地面中尺度辐合线关系密切。(3)该飑线在形成过程中存在对流带与对流单体的锢囚过程,锢囚过程中地面辐合线及中层中气旋起组织作用,至盛期对流带东段出现弓形回波结构。强降水拖曳、雨滴蒸发冷却增强下沉气流及中层冷空气入流,造成地面冷池及后部辐散出流,促进弓形回波发展。(4)成熟期飑线系统包含弓形回波、冷池及不明显的层状云区,三维结构特征与经典飑线类似,但无涡旋对,雷暴高压也不明显。     

一次江淮气旋大暴雨的诊断分析和数值模拟

利用ERA Interim Daily的0.5°×0.5°资料对2011年6月9—10日的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行天气学分析。结果表明:江淮气旋和低空急流是本次大暴雨过程的主要影响系统;高空200 hPa西风急流右侧的上升支和锋面的抬升作用提供了动力条件;低空西南急流提供了水汽条件,此次过程对流条件较好,具有较大的对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE);大气的对流不稳定性远大于斜压性,强降水发生在湿位涡正负值过渡的等值线密集带附近。过程最强降水时段由一次长生命史的中尺度飑线过程导致,利用WRF v3.9可以进行较好地模拟。研究飑线的环境条件和结构特征发现,环境大气具有较大的CAPE值和较小的对流抑制能(Convective Inhibition Energy,CIN),有利于对流的触发;较强的0~3 km垂直风切变,有利于飑线的维持;尽管冷池较浅薄,但冷池出流的抬升作用有利于对流的触发和飑线的维持。     

西行台风背景下云南一次短时强降水过程的成因分析

利用云南省自动气象站雨量资料、卫星和闪电定位仪资料、雷达回波资料、NCEP 1 °×1 °再分析资料和地面、高空常规观测资料对云南一次典型的台风前侧短时强降水过程的成因进行分析,结果表明:在2017年13号台风“天鸽”西行影响云南的天气背景之下,短时强降水出现在台风前侧700 hPa风速辐合区和边界层辐合线附近。台风前侧偏东低空急流向云南境内输送水汽和能量,边界层辐合线触发垂直上升运动,700 hPa风速辐合区利于垂直上升运动的维持和加强,促使水汽的辐合与不稳定能量的释放,引发短时强降水。在中等强度深层垂直风切变的作用下,云南东部中尺度对流系统(MCS)频繁产生并向西传播发展,MCS相互作用组织成飑线系统,在东北气流的引导下,飑线从云南中部移至云南西南部,MCS和飑线是大范围短时强降水的直接影响系统。      

不同强度台风相伴随的内陆台前飑线对比分析

本文应用多种常规观测资料和非常规观测资料,以两个强度差异较大的台风(201409号台风威马逊和200606号台风派比安)在内陆造成的台前飑线为研究对象,从飑线产生的实况、大尺度环流背景及飑线不同阶段进行分析,重点以飑线初生阶段的环境条件和成熟阶段的地面中尺度特征、垂直结构进行对比分析。分析结果表明:(1)"威马逊"飑线主要是台风倒槽和副热带高压(以下简称"副高")的相互作用引起的;而"派比安"飑线则是由台风倒槽、副高、西风槽相互作用引起的;两次过程副高位置的不同造成台风外围东南急流位置的差异,"派比安"飑线过程中东南急流更有利于飑线的持续。(2)飑线初生阶段,充沛的水汽来源、明显的条件不稳定、不稳定能量的积累、对流抑制能量的减小均为飑线的初生提供了有利的条件,地面辐合线使得离散的对流单体组织发展成飑线;而水汽条件、地面辐合线位置的差异导致了两次飑线初生位置的不同;对流有效位能(CAPE)、对流抑制位能(CIN)差异预示着"派比安"飑线过程对流发展潜势强于"威马逊"飑线过程。(3)飑线成熟阶段:由地面温压场特征分析出"派比安"飑线冷池中心比"威马逊"飑线更明显;垂直动力结构更有利于强对流的产生和发展。(4)西风槽底部和台风倒槽顶部在湘北的结合,使得已衰减的"派比安"飑线再次增强发展形成Ⅱ阶段飑线。(5)和以往研究的西风带飑线相比,这两次飑线过程并没有分析出那么强的"雷暴高压"、正变压,但有冷池、明显的温度梯度、气压梯度,低层的垂直风切变主要是由风的方向变化所导致。