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。      

2009年8月17日河南北部区域性暴雨诊断分析

利用常规气象观测资料和降水量资料,通过大气热力学和动力学物理量场的计算,对2009年8月17日发生在河南省北部地区的一次区域性暴雨天气过程进行了分析.结果表明,副热带高压加强并西伸,中低层切变线稳定维持,冷暖空气在河南北部交汇,造成这次区域性暴雨.物理量诊断结果显示,深厚的湿层和持续的水汽辐合为暴雨的产生提供了充沛的水汽;中低层大气处于对流不稳定状态;垂直上升运动强盛;中低层辐合、高层辐散的抽吸作用有利于低层垂直上升运动的加强;中低层正涡度、中高层负涡度结构的维持,促使低层气旋性涡度环流增强,为暴雨的产生提供了动力条件,从而触发不稳定能量释放.     

2007年7月18—19日山东省大暴雨天气分析

应用常规观测资料、中尺度站资料、卫星云图、雷达回波和T213数值预报产品,对2007年7月18-19日山东省大范围对流性暴雨天气的成因进行了分析.分析了产生暴雨的天气系统特征,大气垂直稳定度和对流有效位能,产生暴雨的水汽条件和动力触发机制,给出了产生暴雨的对流云团演变特征.研究结果表明,对流性大暴雨是由东北冷性低涡、前倾槽、副热带高压边缘西南暖湿气流和冷空气的共同影响产生的.低层强盛的偏南气流建立起水汽通道,把水汽源源不断地向暴雨区输送.前倾槽结构和低层增温增湿使得大气强烈的对流不稳定和对称不稳定.低层较强的东北气流与强盛的西南暖湿气流侧向汇合,垂直涡度增大,辐合上升运动增强,对流不稳定能量释放,产生中尺度对流云团.地面冷锋前生成中尺度低压,加强了辐合上升运动.高层辐散与低层辐合相配合,有利于上升运动发展和维持.卫星云图中显示两个对流云团合并发展形成中尺度对流复合体(MCC).雷达回波中表现为两个东西向的带状强降水回波相衔接,缓慢南移;暴雨区上空东北气流、西北气流和西南气流相汇合;低层东北气流逐渐增大.冷空气从低层侵入.     

垂直-倾斜对流一体化参数化方案的实现及数值试验

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,并引入MM5模式中.利用该方案对2008年1月28-29日发生在中国南方的一次暴雪过程和2005年"海棠"台风过程进行了数值模拟,模拟结果表明,此次暴雪过程在垂直方向主要表现对流稳定状态,但在对流层低层始终存在条件件对称不稳定层,并且当条件性对称不稳定区向高层发展时,伴随着强上升运动作为触发机制,引发条件性对称不稳定能量的释放,产生更多的对流降水,使模拟的总降水量与实况更加一致.条件性对称不稳定的发展加强与降雪强度、辐合辐散和上升运动变化一致,条件性对称不稳定是造成暴雪发展加强的主要机制之一.通过对"海棠"台风72 h的模拟表明,条件性对称不稳定主要发生在台风的低层,且其水平分布呈螺旋状结构.条件性对称不稳定效应对台风路径影响较小,但对台风强度影响较大,在模式中考虑垂直-倾斜对流一体化参数化方案后,与仅考虑垂直积云对流参数化方案相比,72 h模拟的平均台风中心最低气压降低了3 hPa,最大达8 hPa.在模式中考虑条件性对称不稳定的影响,可使模式台风中上层的暖心结构更加明显,上升运动和对流性降水增强,对流释放的更多凝结潜热使台风得到进一步加强.     

福建一次秋季大范围暴雨成因分析

应用常规观测资料及NCEP再分析等资料,对2008年10月5—6日福建大范围暴雨成因进行诊断分析。结果表明:热带低压倒槽与冷空气共同作用使暴雨区低层气旋性辐合加强,上升运动加剧;差动温度平流增强斜压大气对称不稳定度;次级环流圈的形成和维持加大了降水强度并延长了降水持续时间;南海低层偏南气流为暴雨区输送了源源不断的水汽,同时也提供了动力和热力条件,对不稳定能量的积累、输送和释放起了关键作用;暴雨区层结不稳定维持较长时间,垂直风切变为对流系统的发展提供动能,造成对流系统斜压发展,激发位势不稳定能量释放;螺旋度在诊断低压中心位置、发展和移动的能力比垂直速度或涡度单一因子更好,但与降水中心位置存在滞后现象。     

2010年7月甘肃大暴雨及其低涡结构分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和中尺度模式MM5V3,对2010年7月造成甘肃东部大暴雨过程的低涡系统进行了诊断分析和数值模拟.结果表明:(1)在低涡发生、发展阶段,假相当位温和比湿的垂直平流在视热源、视水汽汇中占绝对优势,说明垂直平流变化与低涡发生、发展及强降水有很好的正相关;(2)上升运动中心与视热源、视水汽汇大致中心相对应,变化趋势基本一致,最强的凝结潜热加热发生在中层,最强上升运动同样也出现在中层,说明降水过程中大气加热与大气上升运动密切相关,大气热源主要来自于水汽的凝结潜热;(3)低涡发生、发展过程中伴随中低层有西南风急流、强正涡度中心、低层辐合、高层辐散结构、强上升运动及低层水汽通量辐合;(4)低涡区上空对流层低层为对流不稳定层结,中层至中高层为条件对称不稳定层结,对流不稳定层结强度随时间变化不大,而条件对称不稳定层结强度随时间有明显加强,位势不稳定和条件性对称不稳定共存使得假相当位温高值区域的垂直上升运动得以产生和维持.     

梅雨锋附近的条件性对称稳定度

本文根据二维基本气流的理论,通过实例分析了梅雨锋附近的条件性对称稳定度的分布和演变;它与准地转锋生环流的相互作用;它与锋区垂直结构及大尺度水平环流的关系。发现对流不稳定大气因垂直对流而达到对流中性后,可能由于局地条件性对称不稳定而激发斜对流;如果暖区条件性对称稳定度很弱,准地转锋生环流的上升支也会产生类似对流的强降水带,从而使暴雨在对流稳定的条件下持续。这种条件性对称不稳定和弱稳定性与锋区的垂直结构、大范围水平环流、尤其与200hPa南亚高压及500hPa西太平洋副高脊线的相对位置有关。      

一次华南海岸带台前飑线的结构特征与环境条件的观测研究

2007年8月8日,热带风暴“帕布”移动到华南近海,在珠江三角洲至湛江以西地区出现了一次强飑线天气过程。根据多普勒天气雷达、风廓线雷达和气象探空等观测数据,分析此次台前飑线的生成、演变过程、组织结构以及环境大气条件特征,并对热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系进行初步探讨。观测和分析结果显示:(1)此次台前飑线系统是由孤立的对流单体逐渐发展而成,陆风环流的抬升作用有可能对飑线的初始生成起到重要作用;(2)台前飑线移动路径和强度受海岸附近环境条件的影响;在海岸靠近陆地一侧的强度远比内陆和海洋上强,移动路径倾向于沿海岸线平行;(3)台前飑线在发展和成熟阶段,其水平结构具有典型的尾流层云降水特征;其冷池强度和垂直结构具有典型的热带飑线特征;(4)台前飑线发生在具有深厚水汽层、对流凝结高度较低的环境大气条件中,与热带飑线的环境大气条件类似;而对流不稳定能量和低层垂直风切变强度与中纬度飑线接近;(5)热带气旋外围大风一方面使低层风切变加强,同时为环境大气提供了高层的水汽。在下沉环流区内太阳辐射使陆地明显增温,一方面使位势不稳定能量增大,另一方面也使海陆温差增大、海风环流加强,导致低层风切变进一步加强,低层水汽输送增大。下沉逆温抑制了低层弱对流的发生,为强对流的发展积累了对流不稳定能量。      

中尺度干、湿对流影响环境场的差异分析

用1999年6月一次梅雨锋大暴雨过程高分辨的敏感性数值模拟结果分析了对流活动对大尺度环境的反馈作用，共设计了两个敏感性方案：干绝热过程(干调整)和包含水汽及凝结潜热释放的湿过程(湿调整)，两种调整过程包含的不稳定能量不同，对环境场造成的影响也不同。通过分析，得到以下几点结论：在对流强盛期间，湿调整比干调整更能增强底层辐合和高层辐散；当对流消失后即大气从不稳定调整到稳定状态后，两种调整过程对水平风场的影响基本相同；湿调整比干调整产生的垂直速度更大；湿调整比干调整更能使大气底层温度降低、高层温度升高。干、湿调整过程都是不稳定能量释放过程，当层结不稳定能量释放、产生强对流时，强上升运动中心的中下层辐合增加、高层辐散增加，当对称不稳定能量释放时，高层指向冷区一侧的水平风分量增强，底层指向暖区一侧的水平风分量增强。水平风场受对流影响后改变的量值与原有量值相当；不稳定能量释放可影响到对流中心周围5个经纬距以上的范围。     

苏尼特左旗春季一次大雨天气诊断分析

应用常规气象资料、卫星云图,对2009年4月23日苏尼特左旗对流性大雨天气的成因进行了诊断。分析了产生大雨的天气系统特征,大气垂直稳定度,产生大雨的水汽条件和动力触发机制。给出了产生大雨的对流云团演变特征。研究结果表明：对流性大雨是由高空冷涡、蒙古气旋共同影响产生的。低层强盛的偏南气流建立起水汽通道,把水汽源源不断地向大雨区输送。低涡槽结构和低层增温增湿气流侧向汇合,垂直涡度增大,辐合上升运动增强,对流不稳定能量释放,继而产生对流性大雨天气。     

长江流域一次暴雨过程中的不稳定条件分析

文中分析了 1998年 7月 2 0～ 2 3日发生于长江流域的持续性降水和暴雨过程 ,在分析大尺度降水和中小尺度暴雨相对应的环流场和天气实况的基础上 ,主要分析相应大气层结的对流不稳定和条件性对称不稳定条件 ,并对切变线上涡层不稳定做了重点介绍和分析 ,计算了条件性对称不稳定判据和涡层不稳定判据。结果表明 :降水期间大气低层有对流不稳定和对称不稳定能量的积聚 ,在这两类不稳定条件都基本满足的情况下 ,涡层不稳定的维持对此次降水过程中暴雨的发生提供了有利的不稳定环境场 ,具体的计算分析还表明环境场的配置制约着切变线上低涡扰动的发展 ,是造成降水的重要原因之一。     

垂直切变基流中非地转涡旋波的不稳定

利用Boussinesq方程研究了扰动传播方向与垂直切变基流有一夹角时的不稳定问 题，即斜交型不稳定问题。当Richardson数不大时，在α中尺度波段其增长率最大，此时该斜交型不稳定的性质既不同于重力惯性波的对称不稳定，也与Rossby波的斜压不稳定有差异，而是非地转涡旋波的不稳定。     

Properties and Stability of a Meso-Scale Line-Form Disturbance

By using the 3D dynamic equations for small- and meso-scale disturbances, an investigation is performed on the heterotropic instability (including symmetric instability and traversal-type instability) of a zonal line-like disturbance moving at any angle with respect to basic flow, arriving at the following results: (1) with linear shear available, the heterotropic instability of the disturbance will occur only when flow shearing happens in the direction of the line-like disturbance movement or in the direction perpendicular to the disturbance movement, with the heterotropic instability showing the instability of the internal inertial gravity wave; (2) in the presence of second-order non-linear shear, the disturbance of the heterotropic instability includes internal inertial gravity and vortex Rossby waves. For the zonal line-form disturbance under study, the vortex Rossby wave has its source in the second-order shear of meridional basic wind speed in the flow and propagates unidirectionally with respect to the meridional basic flow. As a mesoscale heterotropic instable disturbance, the vortex Rossby wave has its origin from the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance and is independent of the condition in the direction parallel to the flow; (3) for general zonal line-like disturbances, if the second-order shear happens in the meridional wind speed, i.e., the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance, then the heterotropic instability of the disturbance is likely to be the instability of a mixed Rossby–internal inertial gravity wave; (4) the symmetric instability is actually the instability of the internal inertial gravity wave. The second-order shear in the flow represents an instable factor for a symmetric-type disturbance; (5) the instability of a traversal-type disturbance is the instability of the internal inertial gravity wave when the basic flow is constant or only linearly sheared. With a second or nonlinear vertical shear of the basic flow taken into account, the instability of a traversal-type disturbance may be the instability of a mixed vortex Rossby – gravity wave.     

Numerical simulation of a torrential rain event in the northeast of Huaihe Basin. Part II: Instability conditions and the mechanism of intensification and maintenance

Based on the simulation displayed in Part I of this study, the intensification and maintenance, the relationship between deep moist mesoscale convective system (DMMCS) and instability, convective vorticity vector (CVV) are analyzed in the present paper. Results show that: (1) middle-low level convective instability is the precondition of the occurrence of DMMCS. The convergence and merger enhancement of convection cells, as well as the convective instability energy transporting from the left-front of typhoon play an essential role in the re-establishment and enhancement of convective instability. (2) Baroclinic instability and conditional symmetric instability appear not only in the middle-low level, but also are distinct in the middle-upper level of DMMCS. (3) In DMMCS, there is an alternative distribution of inertial instability column and inertial stability column. In the west and south, there are negative CVV columns, which is favorable for the burst of deep moist convection. (4) The strong slantwise convection induced by inertial instability, baroclinic instability, and conditional symmetric instability enhance the upper-level southerly component. Due to the appearance of the compensated downdraft at the low level of south side of DMMCS, the low level southerly intensified, and the enhancement of upper- and low-level cores is in favor of the development of DMMCS, which will be beneficial to the reinforcement and maintenance of inertial instability, baroclinic instability, and conditional symmetric instability. It is a positive feedback process. (5) There is a downshear circulation to the east of rainfall cell. Shallow convections near this cell absorb the vapor and instability energy coming from the south. In the meanwhile, the mesoscale convergence line and meso-β-scale vortex organize and intensify convective cells. In DMMCS, there is an alternative distribution of convergence and divergence columns, and the couple between strong divergence and vorticity columns. They are both conducive to the development of DMMCS, and the instability will be intensified and maintained for its development in depth.     

对称不稳定与初始扰动尺度关系的数值研究

采用两个不同的东亚夏季风指数分析了1951～1999年间东亚夏季风强度的年代际变化特征。结果一致表明，20世纪70年代中期左右，东亚夏季风经历了由强到弱的年代际变化。而且西太平洋副热带高压作为东亚季风系统的重要成员，其强度和位置也在1970年代中期左右发生了明显的年代际变化。这种大气环流背景的年代际变化造成了1970年代中期以后我国的华北地区干旱少雨；长江中下游地区洪涝多雨。     

RESEARCH ON MOIST SYMMETRIC INSTABILITY IN A STRONG SNOWFALL IN NORTH CHINA*

The concept of wet bulb potential vorticity and SCAPE(slantwise convective available potential energy) is used to calculate the horizontal and vertical distribution of moist symmetric instability including convective symmetric instability(CSI) and local symmetric instability(LSI) in the process of a storm snowfall in North China.The potential contribution of moist symmetric instability to a narrow storm snowfall belt occurring in the Hetao and Lindong,Linxi region of Inner Mongolia and the relationship between moist symmetric instability and direction of the basic flow,wind shear and moisture are discussed.It is found that the strong snowfall belt is almost parallel with negative value area of wet bulb potential vorticity at low levels in the vicinity of snow area.And the dynamical mechanism of the strong snowfall center in the Lindong,Linxi region is different from that in the Hetao region.The former is induced by frontogenetical forcing with weak symmetric instability in the warm section of frontal area and the latter triggered by obvious moist symmetric instability.     

RESEARCH ON MOIST SYMMETRIC INSTABILITY IN A STRONG SNOWFALL IN NORTH CHINA

The concept of wet bulb potential vorticity and SCAPE (slantwise convective available potentialenergy) is used to calculate the horizontal and vertical distribution of moist symmetric instabilityincluding convective symmetric instability (CSI) and local symmetric instability (LSI) in the processof a storm snowfall in North China.The potential contribution of moist symmetric instability to anarrow storm snowfall belt occurring in the Hetao and Lindong,Linxi region of Inner Mongolia andthe relationship between moist symmetric instability and direction of the basic flow,wind shear andmoisture are discussed.It is found that the strong snowfall belt is almost parallel with negative valuearea of wet bulb potential vorticity at low levels in the vicinity of snow area.And the dynamicalmechanism of the strong snowfall center in the Lindong,Linxi region is different from that in theHetao region.The former is induced by frontogenetical forcing with weak symmetric instability in thewarm section of frontal area and the latter triggered by obvious moist symmetric instability.     

中尺度扰动不稳定的数值研究

利用一个二维Boussinesq流体的绝热无粘非静力数值模式,将中尺度不稳定问题作为一个初值问题进行数值研究.线性情况下数值试验的结果基本与采用特征值方法研究得到的结论一致.非线性情况的数值试验表明,其不稳定发生的范围可与线性情况不一致;非线性不稳定的增长率一般较线性不稳定的增长率要小;非线性作用会造成波型的陡凸,从而造成流函数正负环流的不对称和环流流线的密集;非线性情形下的流型有些与强对流系统的流型相像.     

淮河流域东北部一次异常特大暴雨的数值模拟研究 Ⅱ: 不稳定条件及其增强和维持机制分析

利用"淮河流域东北部一次异常特大暴雨的数值模拟研究Ⅰ"的数值模拟结果,分析了几种不稳定对流涡度矢量(CVV)与中尺度深湿对流系统之间的关系,并分析了不稳定条件的增强和维持机制,结果表明:(1)中低层对流不稳定是深湿对流系统发生的先决条件,由于低层存在辐合,使得周围湿空气向暴雨区集中,对流单体在暴雨区汇聚,且发生合并增强,台风左前方向暴雨区输送对流不稳定能量等,是使得暴雨区对流不稳定重新建立和加强的重要机制.(2)深湿对流系统的中低层不仅有对流不稳定,而且还有斜压不稳定、条件对称不稳定,而中高层必须有湿斜压不稳定和条件对称不稳定.深湿对流系统中高层西(北)侧为负MPV2柱,东(南)侧为正MPV2柱;(3)深湿对流系统中惯性不稳定柱与惯性稳定柱相间分布,西(南)侧为负CVV柱,东(北)侧为正CVV柱,负CVV柱对深湿对流起激发作用;(4)惯性不稳定、湿倾斜不稳定和条件不稳定产生强的倾斜式对流,而强的倾斜式上升运动加强了深对流系统北侧高层的南风分量,因深对流系统南侧低层出现补偿性下沉气流,因而低层南风加强,高低空急流中心的加强会进一步加强对流的发展,使得惯性不稳定、湿倾斜不稳定及条件不稳定增强和维持,这是一个正反馈过程.(5)在暴雨中心以东维持一顺切变环流,同时暴雨中心的浅对流单体吸收来自南方的水汽和不稳定能量,中尺度辐合线与β中尺度涡旋对对流单体起组织和增强作用,对流系统中辐合、辐散柱相间分布,强散度柱与强涡柱互伴互耦,都有利于形成中尺度深湿对流系统,使不稳定向纵深方向发展,从而使得不稳定得到增强和维持.     

线性和非线性正压不稳定

本文从无摩擦的、无辐散的非线性正压涡度方程出发,利用行波解,在相平面上对方程的平衡点分别导得线性和非线性正压不稳定判据,与传统的不稳定判据作了比较分析。还求得了线性和非线性不稳定波的解析解,计算结果表明,若初始时刻两者波幅相等,则以后非线性不稳定波幅的增长值总小于线性不稳定波幅的增长值。非线性效应有使线性不稳定指数型增长减缓的作用。不稳定使得振幅比初始时刻增大一倍所需要的时间,对于线性不稳定大约是6h,对于非线性不稳定大约是18h,后者与实际大气中的观测事实是一致的。