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。     

1998年7月河套气旋强烈发展时的暴雨过程分析

采用位涡理论对1998年7月4—7日的一次河套气旋强烈发展中的暴雨过程进行分析。结果表明:此次夏季河套气旋的强烈发展是在高层正位涡平流和低层暖平流的共同作用下产生的。高空双急流结构产生的强烈辐散加强了低层辐合，有利于气旋的加强。强降水出现在河套气旋强烈发展过程中，是由高层冷空气与季风涌带来的西南暖湿气流辐合而引起的大尺度降水过程。在这次气旋强烈发展过程中，对流层低层到中上层均出现强的上升气流，使得南方深厚的暖湿空气不断随西南风流入暴雨区上空。暴雨发生时，华北地区处于地面Ω型的θ_se高能舌之中，其上空500 hPa存在一个由大尺度动力强迫形成的东北—西南向的非地转湿 Q 矢量辐合带，对流云带与 Q 矢量辐合中心有非常好的对应关系。     

滇黔静止锋大暴雨的锋面特征及其对MCS的影响

2012年5月21—22日,贵州省出现了一次典型的Ⅲ型静止锋在南支槽的引导下锋生而触发MCS形成暴雨的过程。MCS有非线性、降水强的特征。分析发现:低层静止锋锋区强,锋生明显;锋前有高能舌及低涡切变发展,切变南侧有偏南急流。垂直方向上锋区陡峭,锋前上凸区内上升气流强,对流不稳定;南支槽及高低空系统的前倾配置是上升气流强的原因。这些锋面特征为MCS发生发展提供了有利条件:低层高能舌和低涡切变为MCS提供了热力和动力条件;偏南急流是影响MCS的重要因素。锋前上凸区是MCS发展的重要区域,锋区附近的θse场及高低空系统前倾配置利于MCS发生发展。锋前到锋区附近的水汽条件好,急流出口处的水汽辐合及上升气流为MCS和大暴雨提供了有利水汽输送。     

华南一次典型回流暖区暴雨过程的中尺度分析

利用地面常规气象观测、FY-2E卫星TBB、多普勒天气雷达资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,分析了2013年5月8日发生在华南的一次暖区暴雨过程的中尺度特征。结果表明：（1）该过程发生在出海变性高压脊后部,较强的超低空东南急流遇到喇叭口地形作用形成地面辐合线产生辐合抬升是此次暴雨的启动机制;该过程未受冷空气影响,属于华南回流型暖区暴雨过程。（2）4个β中尺度对流系统（MCS）连续生成、东移发展是造成本次暴雨过程的直接原因,其中,第一个MCS持续时间最长达6 h,先前MCS消亡的同时在其西南侧又新生MCS,造成多个对流系统经过同一地区形成类似的＂列车效应＂。（3）不同于以往华南暖区暴雨个例水汽集中在850 h Pa或925 h Pa,此个例水汽主要来源于950 h Pa超低空东南急流,该急流使低层能量得以维持;中层小股干冷空气侵入为MCS发展和维持提供了有利条件;垂直螺旋度反映了深厚涡度柱与强烈上升运动的耦合,为暴雨发生提供了动力机制。（4）分析区域自动站风场资料可知,阳江-恩平一带夜间增强的东南风在有利地形下与陆地静风或东北风形成中尺度辐合线,使移入的小尺度对流云团加强并形成MCS,而MCS后侧出流与来自海洋上的东南气流形成新的中尺度辐合线又触发新的MCS,其后向传播特征明显。     

1996年7月洞庭湖流域持续性暴雨过程分析

1996年7月洞庭湖流域发生了严重的洪涝灾害。利用观测资料进行诊断分析表明:(1)这次大洪水是由梅雨锋西端高空槽前的持续性大面积暴雨引起；(2)引起持续性暴雨的直接原因是MCS形成后停滞少动，并在同一地区连续多次生消；(3)由于高空槽长时间维持在长江中游地区，对流层低层的暖平流等大尺度强迫使暴雨区能较长时间维持上升运动，同时低层持续强的水汽辐合和位势不稳定能量的输送为暴雨持续地发生提供了充足的水汽和能量。     

一次梅雨锋暴雨过程的数值模拟及机理分析

对2003年6月24、25日的江南北部暴雨过程进行了数值模拟及其结果分析。研究表明：这是一次在高空槽、低空切变线及高低空急流的共同影响下，冷暖空气交汇形成梅雨锋而引发的降雨；在暴雨过程中，高低空急流的共同作用对暴雨的发生发展起着重要作用，风场的特殊结构，使得中空出现三个无辐散层、两个垂直上升运动中心，从而维持了整层的垂直上升运动；去除潜热的“干”敏感性试验表明，潜热释放加热了深厚的大气层，使得高层加压辐散，暴雨区北侧的高空西北急流加强，低层减压辐合，暴雨区南侧的低空西南急流加强，同时使得低层的切变线得以维持加强。     

2002年7月20～25日揭示的热带水汽羽和暴雨的关系

利用GMS-5水汽图像和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,分析了2002年7月20~25日梅雨暴雨过程中热带水汽羽的变化及其与物理量场的配置。结果表明热带水汽羽和暴雨之间存在密切联系,(1)有一条热带水汽羽始终和暴雨相伴,其走向从孟加拉湾向东北方向延伸到朝鲜半岛,热带水汽羽不单体现了水汽在对流层中、高层的平流,实际上还反映了对流层整层深厚的水汽沿着水汽通道向北输送。其中,低空急流对水汽涌的输送起到了积极的作用,每一次水汽向东北方向涌动时,其东南侧都伴有低空急流,并且急流核跟随水汽涌一起移动。中尺度对流云团在急流的左前方生成和发展,它们也跟随水汽涌一起移动。(2)热带水汽羽的北部边界大致与高空急流轴平行,暴雨云团一般出现在西南风高空急流入口区的右后方,距离急流轴约3个纬距的地方。高空急流的存在为MCS提供了很好的质量外流途径,即辐散机制,有利于MCS的发展。(3)在暴雨过程期间,热带水汽羽内维持有一条θse≥350 K的脊轴,走向和热带水汽羽平行。低空θse脊轴不单指示了低空高能量的位置,其上或附近也最有可能存在明显不稳定的区域,因此也是暴雨容易出现的地方。另外,在热带水汽羽中也维持着一条窄而强的正涡度带,位置和走向均和低空sθe脊轴相吻合,体现了低层的动力抬升机制,正涡度中心基本和MCS相对应。     

一次梅雨锋特大暴雨中尺度气旋和MCS的分析

利用自动气象站、多普勒雷达、FY4A、ECMWF模式、NCEP再分析资料,对2020年7月17—19日特大暴雨过程进行分析。结果表明：特大暴雨出现在安徽大别山附近和庐江两地,是中尺度气旋扰动环境下准静止的中尺度对流系统(MCS)以及MCS中准静止的涡旋状单体所产生。特大暴雨在高能量、强不稳定背景下,由中部和东部的中尺度气旋传播所致。中尺度气旋传播过程中单体不断新生、合并增强且移动缓慢,配合急流、辐合、干侵入、垂直环流等因素对组织化的MCS发展演变起到相当作用。低层切变线南侧到华南的西南急流,将水汽输送到安徽并在此有强烈辐合;高空、低空和超低空都存在急流,高低空急流耦合加剧MCS的强烈发展;地面辐合线是前期MCS的触发机制,伴随干冷空气的入侵,加大了大气的斜压性和MCS的对流不稳定;梅雨锋南北两侧都有垂直环流圈,即对流与高空急流之间通过对流加热在高空急流入口处产生热成风调整,维持梅雨锋的发展演变,强的上升下沉运动促进MCS的加强和降水的连续发生;大别山地形抬升和上游狭管效应是两地特大暴雨诱因。     

常德市2002年5月13日大暴雨成因解析

用多普勒天气雷达产品、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图产品、实时探测资料及MM5数值模拟,对2002年发生在湖南常德境内的"5.13"大暴雨进行解析,得出此次暴雨过程由高空低槽、中低层切变及西南急流、地面倒槽和弱冷空气共同影响产生,急流形成、发展与减弱对降水强度有直接的影响.暴雨中心与云图上的"U"形缺口区、多普勒基本速度场上的中低层急流轴线位置有较好的对应关系.多普勒基本速度场上急流强弱振荡出现的时间、低层暖平流之上(高层)出现冷平流的时间、低层气旋式涡旋流场的形成与维持以及低层垂直风切变强度变化对强降水发生的时间有明显的指示作用.数值模拟证实雷达探测到的中尺度涡旋、急流及辐合带是正确的.这些结论对暴雨临近预报业务具有明确的参考价值.     

2003年淮河汛期一次中尺度强暴雨过程的诊断分析和数值模拟研究

2003年7月4—5日淮河流域发生了一次中尺度强暴雨过程,致使淮河洪水泛滥。这次暴雨过程由中尺度对流系统(MCS)以及因其发展而产生的低涡造成。通过对此次过程的诊断分析和新一代细网格WRF中尺度预报模式的数值模拟,研究了这次过程发生发展的机制。模拟结果较好地描述了本次暴雨及中尺度系统发生、发展的时空演变过程。分析结果表明:此次移动性暴雨过程的前期由不断向东移动发展的MCS造成,后期降水则由低涡切变线产生的中尺度低涡引起。同时,副热带高压明显偏西偏北,并维持较长时间,造成雨带一直维持在淮河流域。高层辐合中心的加强使低空急流不断增强,低空急流的增强进而引起低层辐合的加强,而低层辐合的加强以及上升运动的潜热释放导致低涡的发生,低涡形成及形成后移动缓慢,造成了淮河流域的大暴雨。高层中尺度辐散区的抽吸对低层中尺度涡旋的发生发展起到了促进和加强的作用。低层的中尺度辐合场和高层的中尺度辐散场的发展与耦合对中尺度系统的发展有很好的预示作用。低层中尺度辐合区的减弱预示着系统的衰减,西南偏西的中层相对干冷空气侵入并在梅雨锋前缘下沉促进了系统的衰减。     

A Diagnostic Case Study on the Comparison Between the Frontal and Non-Frontal Convective Systems

Two major mesoscale convective clusters of different characters occurred during the heavy rainfall event in Guangxi Region and Guangdong Province on 20 June 2005,and they are preliminarily identified as a frontal mesoscale convective system(MCS1;a frontal cloud cluster) and a non-frontal MCS(MCS2;a warm sector cloud cluster).Comparative analyses on their convective intensity,maintenance mechanism, and moist potential vorticity(MPV) structure were further performed.The convective intensity analysis sugges...     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

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。     

Monsoonal influences on a mesoscale convective systemover midlatitude South Australia

Summary An Australian circular mesoscale convective system (MCS) is examined using available surface and upper air analyses as well as satellite imagery. The MCS formed over central South Australia on 5 February 1997 and lasted approximately nine hours. It is found that MCS generation occurred following anomalous southward penetration of the monsoon trough over Australia. This penetration into southern Australia resulted in an input of extremely moist and unstable tropical air over the region which, together with the development of complex of shallow lows and troughs within the main monsoon trough, led to generation of the MCS. During the lifespan of the MCS, rainfall amounts in excess of 100 mm (and up to 175 mm over a four hour period at certain locations) were recorded with accompanying flash flooding and severe damage. A low in the middle levels of the atmosphere was responsible for the eventual decay of the storm. North to north-westerly winds winds around this low continually advected cloud away from the MCS towards the south and south east. This removal of cloud mass eventually led to dissipation of the MCS as it tracked away from the zone of maximum surface heating. Despite this storm just failing to meet the size criterion for mesoscale convective complex (MCC) status, it is very similar to “typical” MCCs found elsewhere in the world in terms of its lifetime and nocturnal nature. Although mesoscale storms of this type are not rare in Australia, MCS’s in South Australia make up only a small proportion of the total number of systems over south eastern Australia. These factors, in conjunction with the anomalous southward penetration of the monsoon trough and associated synoptic conditions, make this storm somewhat unusual. Received September 24, 1999 Revised December 30, 1999     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF CLOUD INTERACTION AND FORMATION MECHANISM OF HEAVY RAIN IN MIXED CONVECTIVE-STRATIFORM CLOUD

Using the numerical model of mixed convective-stratiform clouds(MCS)in the paper(Hong1997)and the averaged stratification of torrential rain processes,the evolution processes,interaction of the two kinds of clouds,structure and the precipitation features in the MCS toproduce heavy rain are simulated and studied,and the physical reasons of producing torrential rainare analysed.The results indicate that the stratiform cloud surrounding the convective cloudbecomes weakened and dissipates in the developing and enhancing of the convective cloud,and therainfall rate and water content in the stratiform cloud increase as the distance from the convectivecloud becomes larger.The numerical experiments find out that the stratiform cloud provides abenificial developing environment for the convective cloud,i.e.,the saturated environment and theconvergence field in the stratiform cloud help to lengthen the life cycle of the convective cloud,produce sustained rainfall with high intensity and intermittent precipitation with ultra-highintensity.These and the ice phase microphysical processes are the main factors for the torrentialrain formation and the MCS is a very effective precipitation system.     

对流层中层中尺度涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用—数值模拟及验证

西太平洋热带气旋（TC）的生成和季风槽及中尺度对流系统（MCS）的活动有密切关系,但以往这方面的实例数值模拟很少。为了进一步探讨由MCS对流强迫产生的对流层中层中尺度涡旋（MCV）在TC生成中的作用,作者利用非静力平衡的中尺度模式PSU/NCAR MM5对台风榴莲（2001）的生成过程进行了高分辨率（6 km）数值模拟和比较验证。结果表明:模式成功地模拟出榴莲的生成地点,其与MCS的相对位置关系与以往的观测研究结果一致;模拟的TC移动路径、强度变化与最优观测报告比较接近,准确反映了TC未来登陆地点,以及中心气压缓慢下降和迅速下降两个阶段;对云系演变的模拟,成功模拟出了TC初生时的涡旋云系和季风槽中MCS云系的分离现象,以及在TC登陆前达到成熟阶段时出现的台风眼和螺旋云带。此外,模式还成功模拟出中层MCV,它的水平尺度约200 km,位于800~400 hPa之间,具有暖心结构等,均与已有观测结果相近。模式初始场中包含有充分的MCS信息,是模拟取得成功的关键因素之一。     

华南前汛期锋面对流系统与暖区对流系统的个例分析与对比研究

在2005年6月20日的一次华南暴雨过程中,影响两广地区局地强降水的两个主要的中尺度对流系统(MCS)在性质上有很大不同,初步分析断定,影响广西局地强降水的MCS1为锋面云团,而影响广东局地强降水的MCS2为暖性云团.通过对二者进行对流强度、维持机制以及湿位涡结构的比较分析发现,锋面对流系统MCS1与暖区对流系统MCS2的对流上升速度都很大.引起的局地降水量也相差不多.由于二者存在水汽条件的差异,因此不能排除微小差异主要足由水汽条件直接导致的,无法就此得出它们的对流强度强弱的比较结果;同时,对二者成熟阶段维持机制的对比分析得到,具有锋面特征的MCS1,中高层有很强的偏北气流进入,在对流区是以对流对称不稳定机制来维持对流运动的;而具有非锋面结构的MCS2由于没有偏北气流的进入,加上水汽条件充沛,主要由湿对流不稳定机制来维持对流运动.另外,湿位涡(MPV)结构的对比分析中得到如F结论:在VMP的结构上,二者均表现出中低层潜在对称不稳定结构特征;在VMP1的结构上,锋面对流系统MCS1表现出南北气流相瓦作用的特征,而暖区对流系统MCS2表现出高低空气流相互作用的特征;最后,在VMP2的结构上,MCS1反映了对流区南北两侧高低空急流的作用,而MCS2则反映了对流区内中高层干冷空气下滑的作用.     

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达,微波成像仪,闪电成像仪等探测数据,研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统(MCS)的降水结构和闪电活动之间的关系.结果表明:MCS在发展阶段,对流云降水面积与层状云降水区相当;在减弱阶段,层状云降水区面积远大于对流云降水区.MCS的生命史中,大部分闪电发生在对流云区,仅有少数闪电发生在层状云区,在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中.发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明:在MCS的发展成熟和减弱中在4 km高度,层云降水率都达到最大值;在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度(顶高达17 km)有关.研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45 dBz之间,并非回波越强闪电越多.闪电主要发生在40～50 dBz之间,且明显向强回波区趋近,这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义.     

两个中尺度对流系统的降水结构和闪电特征

对两个处于不同发展阶段的中尺度对流系统(MCS)降水结构的分析结果表明,处于初生至发展阶段的MCS,对流降水和层云降水的面积比相对较大,处于成熟至消亡阶段的MCS的相对较小。本文进一步分析了这两个MCS个例在6km高度处的雷达回波特征及其和闪电的关系,结果表明处于初生至发展阶段的MCS的绝大部分事件(闪电资料的一种)集中发生在MCS中的强对流单体回波区,而对处于成熟至消亡阶段的MCS,事件集中发生在对流区和对流云向层云转化的回波区。     

中尺度对流系统红外云图云顶黑体温度的分析

采用ＧＭＳ卫星红外云图的云顶黑体温度（ＴＢＢ）等值线分析方法，对１９９２年８月初在中国３个地区，不同环流背景下发生的中尺度对流系统（ＭＣＳ），即西南低涡内、西太平洋副热带高压的西北边缘和副高内部的ＭＣＳ进行了分析。结果表明，ＴＢＢ等值线分析方法能较细致地揭示ＭＣＳ的形成过程。冷云盖周围ＴＢＢ等值线疏密所反映的云顶温度梯度，对ＭＣＳ的发展有很好的指示意义。文中还给出了一个在消散阶段出现涡旋状结构的ＭＣＳ。这种涡旋结构不同与北美发现的中层中尺度气旋，它可能是凝结加热所产生的对流层高层的高压反气旋环流的反映。