梅雨锋上两类中尺度对流系统形成的边界层特征

采用具有较高时空分辨率的地面观测资料以及WRF（Weather reasearch and forecasting）模式输出资料,分析了2009年6月29一-30日梅雨锋暴雨过程中两类不同的中尺度对流系统（rnesoscale convective system,MCS）边界层特征及边界层对两类MCS的触发维持机理,重点分析了海平面气压场特征、边界层冷池、干线及其在MCS中的影响。结果表明：两类中尺度对流系统的海平面气压特征存在着明显的差异,对流爆发阶段地面风场存在辐合线,再次激发阶段气压场呈“跷跷板”型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内;边界层辐合线是第一类中尺度对流系统（MCSl）维持的重要因素;MCSl爆发后边界层冷池生成,冷池前的冷出流与低层环境风产生的强辐合触发了第二类中尺度对流系统（MCS2）;存在于中低压和中高压之间的中尺度干线是MCS2的重要特点之一。     

冷涡背景下MCS的统计分析

文章首先给出冷涡的定义,根据冷涡的定义识别出冷涡,2005—2011年4—9月7年共识别出60个冷涡,主要形成在蒙古和我国的东北地区。然后根据中尺度对流系统(MCS)的标准按尺度大小将MCS分类为α中尺度对流系统（MαCS）和β中尺度对流系统（MβCS）,又按MCS的形状将MαCS分类为中尺度对流复合体（MCC）和持续拉长状对流系统（PECS）,MβCS分类为β中尺度对流复合体（MβCC）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。利用FY 2C(2005—2009年)和FY 2E（2010—2011年）的TBB资料对60个冷涡背景下的MCS进行识别并对其时空分布特征及其与冷涡的关系进行统计分析。结果表明：(1) 60个冷涡过程识别出61个MCS,MCS通常产生在我国东北和华北,MCC和PECS生成较分散;MβCC主要集中在华北和东北地区;MβECS主要集中在东北地区。(2) 6月生成的MCS最多,有16个,9月最少。MCS大多形成于当地的下午和晚上,此时对流发展旺盛,有利于中尺度对流系统的产生,到了夜间MCS发展成熟,至凌晨—日出时分消散。(3) 冷涡背景下的MCS的移动路径多数是从西向东偏北的,其生成后主要向东移动,这和我国中纬度西风带天气系统的移动路径基本一致,但由于受冷涡等天气系统的影响,会出现不同的移动方向。位于冷涡东侧且距离冷涡中心距离较近的MCS有向东偏北方向移动的趋势;位于冷涡南侧且距离中心较远的MCS有向东偏南方向移动的趋势。(4) 冷涡背景下的MCS主要产生在冷涡的发展阶段,成熟和消散阶段相对较少。(5) 冷涡背景下的MCS主要形成在冷涡的东南部,西南部也有一小部分。(6) MβCS系统发展较MαCS系统快,持续的时间也较MαCS短。     

2016年夏末南疆地区中尺度对流系统(MCS)活动特征

2016年夏末南疆地区短时强降水天气频发,中尺度对流系统活动频繁。利用强降水频发时段2016年8月8日至9月16日逐时FY-2G红外亮温（TBB）资料对南疆地区中尺度对流系统（MCS）进行分析,共获得92个生命史≥3小时的中-β尺度对流系统（MβCS）,包括β中尺度对流复合体（MβCCS）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。根据南疆地区的极端干旱气候背景,本文中-β尺度对流系统的尺度判定标准为云顶亮温（TBB）≤-32℃的连续冷云区直径≥20 km。对MCS的分布和活动特征进行了分析,结果表明：圆状MCS和带状MCS发生的频次相当。天山南坡和昆仑山北坡是MCS活跃区,MCS移动方向主要以偏东或东北方向为主,南疆地区活动最频繁的MCS生命史为3～4个小时。南疆地区MCS具有明显不同的日变化特征,午后和傍晚是MCS最活跃的时段。与MβCCS相比,MβECS具有更明显的夜发性特征。昆仑山北坡MCS的最活跃时段早于天山南坡MCS,而天山南坡MCS夜间和凌晨形成的特征更为显著。生命史为3～5小时的短生命史MCS主要在午后和傍晚形成发展,并在形成后2小时达到成熟,生命史超过6小时的长生命史MCS多发于午后和凌晨,并且其发展阶段更长。本文给出了1个引发短时强降水的MβCCS和1个MβECS的云团演变特征。     

2005年6月广东一次暴雨过程的中尺度对流系统的数值研究

2005年6月20～21日,一个活动在锋前暖区的长生命史的中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）给广东地区带来一次大范围的暴雨降水过程。天气学分析表明,从北部湾指向广西东部的低空急流核前方的水汽通量辐合对MCS初始的发展加强有重要作用。作者利用MM5模式成功地模拟出与此MCS相联系的天气尺度背景场和中尺度的降雨分布,利用高分辨的模式输出结果分析了成熟阶段MCS的β中尺度系统的结构和演变特征,结果表明: （1）在MCS的发展加强过程中,其内的β中尺度对流中心经历了此消彼长的更替过程,伴随着β中尺度对流中心的发展,与之相联系的正涡度中心由对流层的下部向中上部伸展,形成高达300 hPa 附近的下宽上窄的强涡柱;在成熟阶段,沿系统移动方向上的对流层中部的涡度场呈正负相间,宽约50 km,且与对流带近于平行的带状分布。（2）MCS的海平面气压场呈跷跷板型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内。（3）成熟阶段MCS的β中尺度环流特征主要包括:强对流区内是一支近于垂直的深厚的对流尺度的上升流,紧接在其后方的对流层下部有一支对流尺度的下沉气流;系统前部有深厚的入流,其中较强的两支入流分别出现在900 hPa和300 hPa高度附近;层状降雨区内有中尺度的上升气流和下沉气流,二者的分界线在0℃层高度附近;对流层下（上）部强大的水平辐合（散）流中最大的水平辐合（散）约出现在900 hPa（200 hPa）。     

淮北地区一次弱天气尺度强迫背景下MCS过程分析与模拟

利用多源观测资料和WRF中尺度数值模式对2016年8月7日淮北地区一次中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systerm，MCS）过程进行诊断分析和模拟。结果表明，本次MCS过程发生在弱天气尺度强迫背景场下，系统性上升运动较弱，对流层低层存在较弱的源自西北太平洋的偏东风转东南风的水汽输送作用；MCS移动和形态变化与地面辐合线演变特征较为一致，地面流场的演变与降水强度之间有着密切的联系；WRF模式较好地模拟出本次降水的分布特征以及MCS演变过程中对流活动和地面辐合线相互作用的特征。模拟结果表明，本次过程中MCS在逐渐南移过程中完成了对流单体的更替，地面辐合线在此过程中发挥重要作用，并且处于不同发展阶段的对流单体环境场的对流不稳定度的垂直分布存在明显差异。     

中尺度对流系统与东北暴雨的关系

利用2005-2007年6～8月FY-2C卫星逐30min红外云图资料,对东北及其邻近地区中尺度对流系统（包括椭圆型（MCC型）和持续拉长型（PECS型））进行普查分析,并把中尺度对流系统（MCS）分成3种尺度：MCC（或PECS）、MαCS和MβCS,统计分析了它们的时空分布及其与暴雨的关系。结果表明,MCS主要分布...     

长江流域雨季中尺度对流系统研究——国家自然基金重点项目(40930951)成果简介

长江流域产生暴雨的中尺度对流系统(Mesoscale convective systems,MCS)是雨季强降水的重要影响系统,深入研究它的组织结构、活动规律及其发生发展机制,对提高暴雨的预报能力有重大意义。近3年来依托国家自然基金重点项目对中尺度对流系统展开了一系列研究,包括对长江流域产生暴雨的MCS进行组织形态分类、分析了不同线状MCS的结构特征、合成分析了各线状MCS产生的环境条件;我国三阶地形对降水的影响,尤其是山地—平原环流对梅雨锋夜间降水的影响;中尺度地形对对流降水的影响;湿斜压热动力耦合强迫激发MCS发生发展的影响;最后总结了长江流域产生暴雨的MCS的物理概念模型。     

2008年“7.1”鄂东北特大暴雨过程的中尺度分析

利用常规气象资料、新一代雷达和卫星云图资料等,分析了2008年7月1日鄂东北特大暴雨过程中尺度扰动系统的发生发展、暴雨中尺度对流系统（MCS）结构特征以及地形对中尺度系统的影响。结果表明,鄂东北暴雨与中尺度气旋的发生发展关系密切,红安等地特大暴雨就是中尺度气旋波冷切变上激发的多个β中尺度对流系统相继东移产生的;中尺度气旋形成于黄淮锋面气旋波发展阶段,雷达反射率因子形态、结构特征较好地反映了该中尺度气旋波发展过程;对流易在红安西侧加强,同冷空气沿大别山和桐柏山之间南下与天气尺度西南气流交汇形成局地中尺度辐合线有关;红外云图上特大暴雨MCS形态为指状云团,由不同生命史阶段的子云团构成,是产生持续性强降水的云团的显著特征。     

“21·7”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征

2021年7月17日至22日河南省遭遇了罕见特大暴雨过程，特别是郑州市在7月20日出现了极端降水事件。本文首先分析了有利的大尺度环流背景，然后采用多源高分辨率观测和再分析资料深入分析了此次特大暴雨过程中不同阶段的水汽来源以及中尺度系统的活动特征。此次特大暴雨过程主要分为三个阶段，其主要的中尺度系统包括：黄淮气旋、中尺度对流系统（MCS）以及与MCS伴随的中尺度对流涡旋（MCV）。第一阶段（7月17～18日）主要为分散性降雨，水汽主要来自于南海、东南沿海、西北太平洋、长江中游地区的近距离水汽输送和河套地区。影响河南地区的中尺度系统为黄淮气旋，其于7月15日11时（协调世界时，下同）生成河南的东北部，18日23时在河南西南部消亡，垂直伸展最大高度为1000～350 hPa，维持时间约为89小时。第二阶段（7月19～20日），随着西太平洋副热带高压的北抬和台风“烟花”的西进北移发展，西北太平洋的水汽贡献也逐渐增多。由于黄淮气旋中心移动到河南西南部，其北部东南气流影响河南大部分地区。二级地形（伏牛山）东部的局地对流发展为MCS。由于地形的抬升作用，对流系统中强上升运动的维持有利于低层气旋性切变...     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统触发和组织化的观测分析

利用观测和NCEP再分析资料,对2015年6月26-28日江淮流域梅雨锋暴雨天气对流的触发和中尺度对流系统（MCS）的组织方式进行了分析。结果表明:梅雨锋附近发展的2个线状中尺度对流系统是暴雨的直接制造者。MCS2的发展有2种组织方式,26日夜间到27日凌晨,东西向雨带的不断后部建立和随后对流单体的列车效应是其发展的主要方式。27日凌晨到白天,初期新单体不断在线状MCS2的南缘触发,形成多个近乎平行的东北-西南向短雨带,后期梅雨锋锋面雨带从西部不断东移,经过强降水区;对流元有2种尺度的组织方式:新生对流单体沿着单个雨带向东北方向的列车效应以及东北-西南向雨带沿线状中尺度对流系统向东平移的"列车带"效应;持续的后部建立型和沿着同一路径不断的"列车带"效应使MCS2发展和维持。梅雨锋前不稳定空气的地形抬升和边界层辐合上升是初始对流的主要触发机制;26日夜间对流产生的冷池对对流的触发和MCS2的组织化及维持起重要作用,中尺度对流系统的组织特征和发生、发展受近地面环境场制约。      

积云并合在强对流系统形成中的作用

利用中尺度非静力平衡模式（MM5V3），模拟研究了积云并合过程在北京2001年8月23日一次产生强降水和冰雹对流天气形成中的作用。研究结果表明，积云并合在此次强中尺度对流系统（MCS）形成中有非常重要作用。整个形成过程经历了从单体并合、积云团并合和强中心并合的多尺度并合过程。首先，相邻孤立对流单体之间通过在中层形成云桥并合成为积云团，接着相邻积云团之间也通过中层云桥并合形成具有多个强中心的中尺度对流系统，最后，中尺度对流系统内强中心实现并合。而强中心并合过程伴随着强降水、大风等剧烈天气的产生。积云下沉气流对于积云并合有着重要作用，由强辐散出流形成的上升气流及与环境风相互作用有利于并合的形成和发展。并合过程导致云内上升－下沉气流增强，对流运动发展加强，有利于水汽转化，形成大量过冷云水和冰相粒子。大量冰晶和霰的形成有利于强降水的产生。     

南宁市大暴雨过程中的MCS个例分析

在分析影响系统的基础上，结合GOES-9卫星云图、714D雷达资料对2003年9月10日凌晨南宁市大暴雨作了初步剖析。分析发现，有利的环流背景导致了中尺度对流系统MCS(Mesoscale Convection System)的产生和稳定少动，MCS发展加强是产生强降水的直接原因。     

弱天气背景下鲁南一次暖区大暴雨触发 与维持机制分析

利用区域自动站资料、ERA5再分析资料、FY-2F云顶亮温资料和多普勒雷达资料等,对2019年8月5—6日鲁南大暴雨过程的环流背景、环境场条件、中尺度对流系统（MCS）演变特征及其触发机制进行了分析。结果表明：（1）这次暴雨过程发生在副热带高压边缘的弱天气强迫背景下,大尺度环流形势配置不是很有利;（2）深厚的湿层、较低的抬升凝结高度（LCL）和自由对流高度（LFC）、上干下湿的不稳定层结为大暴雨的产生提供了有利的环境条件;（3）暖区强降水发生在鲁中山脉向苏北平原的过渡带上,呈狭长带状,5日午后和夜间先后生成的准静止β中尺度对流系统（MβCS）共同导致大暴雨过程的发生,小时强降水中心主要出现在MβCS云团TBB梯度大值区附近;（4）5日午后鲁南和6日凌晨枣庄中部强降水的触发机制为地面中尺度辐合线,MCS沿着辐合线不断新生和发展,形成“列车效应”,造成大暴雨。6日凌晨临沂西北部强降水由850 hPa露点锋触发,鲁中山脉峡谷风效应和迎风坡的动力抬升作用促使MCS增强发展;（5）强降水的持续与850 hPa露点锋、冷池和边界层暖湿气流增强引起的地面辐合线的长时间维持有关。     

梅雨锋云系的结构特征及其成因分析

利用逐时卫星遥感观测资料和地面测站的降水资料，分析了江淮流域2003年6月22～26日暴雨过程中梅雨锋云系的演变、结构特征和形成原因。结果表明，梅雨锋云系为一条TBB的低值带，稳定少动，其上分布着中尺度对流系统（MCS），而中尺度对流系统是由不同尺度、不同强度．的对流单体（包括中β和中γ尺度对流单体）组成的，从而使得梅雨锋云系产生不均匀的降水分布（包括时间上和空间上）。在该暴雨过程中，梅雨锋云系充分体现了中尺度对流系统中所包括的3类组织结构形式。梅雨锋云系与中高纬度云系或热带辐合带云系之间的相互作用与暴雨过程关系密切，梅雨锋云系的维持和发展与强大的黄淮气旋云系直接相关，它是江淮流域上空冷暖气流交汇的结果。     

2012年7月12日鄂东北准静止中尺度对流系统分析

使用高空天气图、NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析场、新-代天气雷达及地面观测资料分析了导致2012 年7 月12 日鄂东北强降水的准静止中尺度对流系统MCS（Mesoscale Convective System）的演变特征,解释了MCS 维持准静止状态的成因.南支槽、东北冷涡、副热带高压是MCS 形成的主要大尺度天气系统,MCS 形成于副高外围西南气流和冷涡高空槽底部之间,副高位置稳定和冷涡高空槽缓慢南压有利于MCS 稳定少动,且随南支槽加深西南急流的建立有利于持续向MCS 输送水汽和不稳定能量.MCS 表现为单个中α尺度对流云团,成熟时外形呈椭圆型,边缘光滑,亮温低值中心位于MCS 西侧,且有指状突起,亮温低值区域对应中β尺度对流回波带,强降水组合反射率因子为45～55 dBz,回波顶高18 km,中心高度低于6 km,MCS 维持准静止状态.强降水与MCS 亮温低值中心、强回波带相对应,降水效率高,持续时间长.中尺度分析表明,辐合线的维持是MCS 呈准静止状态的主要原因.地形阻挡产生的地面辐合线触发了初始对流,强降水在地面产生冷池、雷暴高压及弧状出流边界,出流边界上风速辐合较强且温度梯度较大区域又触发出新的对流,并在气压梯度力推动下向东南方向传播,抵消了环境风平流运动.MCS 低层主要有西南气流和西北气流,西北气流逐渐从MCS 后部进入,与西南气流形成辐合线,西南气流沿西北气流爬升产生对流,形成自东南向西北倾斜的中尺度锋面,地面出流边界和高空辐合线是中尺度锋面在风场的表现形式,对回波加强、维持有重要作用,且高空辐合线引起的后向传播也抵消了环境风平流运动.     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

凝结加热和地表通量对华南中尺度对流系统(MCS)发生发展的影响

通过有无凝结加热和地表通量影响的数值模拟对比研究，分析了非绝热过程对一次华南暴雨MCS发生发展过程的影响。结果表明：（1）凝结加热对MCS的降水影响很大，在MCS发展的各个时期，如不考虑凝结加热，MCS的降水强度很快减弱，无法继续发展。（2）凝结加热在MCS涡旋的形成期最为重要，在涡旋形成之后，影响相对减弱。（3）凝结加热通过对MCS发展过程的影响从而也影响了MCS环境场中尺度低空急流、高层辐散等中尺度结构特征的形成。（4）地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程对MCS的形成也有重要影响；在暴雨MCS发生前期，地表非绝热过程造成气压下降，导致华南南部来自海洋的偏南风加大，辐合加强，从而使低层的湿度增大，气层变得更加不稳定，有利于对流的启动。     

我国中东部地区夏季MCS统计分析

目前较详细的中尺度对流系统(MCS)分类普查研究还较少.文章使用我国风云2号地球静止卫星红外数字图像资料分类普查了2008-2010年夏季(6-8月)我国中东部地区(27°～40°N、110°～124°E)中尺度对流系统时空特征.根据尺度大小将MCS分类为α中尺度对流系统(MαCS)和β中尺度对流系统(MβCS),又根据MCS形状将MαCS分类为中尺度对流复合体(MCC)和持续拉长状对流系统(PECS),MβCS分类为β中尺度对流复合体(MβCCS)和β尺度持续拉长状对流系统(MβECS).3年夏季共识别了208个MCS,其中68个MαCS和140个MβCS,拉长状系统居多,占MCS总数79.3％,这表明拉长状的MCS是该区域夏季的主要对流系统.从月际变化来看,7月最多,8月次之,6月最少.大部分MCS移动路径自西向东,少数为自南向北或自北向南的移动路径,自东向西的路径极少.MCS形成高峰时段为9-10 UTC(世界时),成熟高峰时段为10-11 UTC,消散高峰时段为12-13 UTC,生命史约为6.5h.MαCS从形成到成熟需3～4 h,成熟至消散需4～5 h;MβCS发展和减弱时间相当,为2～3 h.     

受“碧利斯”影响的一次中尺度对流系统模拟研究

利用中尺度数值模式WRF（weather research and forecasting model）对2006年7月16—17日在我国华南沿海地区引发强降水的中尺度对流系统（mesoscale convective systems,MCS）活动进行了数值模拟,并结合观测资料对此次过程进行分析。结果表明,1）此次MCS活动与0604号强热带风暴“碧利斯”减弱而成的热带低气压及西南季风密切相关。热低压为MCS的发生提供了动力抬升条件,西南季风则承担了输送水汽的角色,二者的持续结合,使华南大部地区中尺度对流系统不断发生和发展,形成强降水。2）该MCS具有明显的不对称结构,云体越向上越向南部伸展,云系主要分布在热低压的南部,呈东北一西南走向的带状。3）模式对此次MCS强降水过程的模拟效果较好,客观地反映了此次MCS的发展演变及雨带的分布状况。4）在广西境内的中尺度对流云团中云水含量较少,冰相粒子的比含水量值很大,主要的降水机制为冰晶降水机制。     

暴雨和中尺度气象学问题

对近年来暴雨和中尺度气象学的进展进行了综合评述，这包括（１）暴雨发生的条件；（２）强风暴和中尺度对流系统概念模式；（３）中尺度系统的数值模拟；（４）中尺度动力学问题；（５）暴雨预报等。对于暴雨和中尺度气象学将来研究的问题也作了讨论。