我国长江中下游梅雨锋暴雨研究的进展

我国长江中下游梅雨锋暴雨研究在最近五年中取得了明显的进展，其中有：第一，提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型；第二，建立了梅雨锋暴雨的天气学模型；第三，提出了梅雨锋的详实结构及其维持机理；第四，提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法，并形成一系列新的反演产品；第五，成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法；第六，发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统，在2003年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用。     

中国长江中下游梅雨锋暴雨形成机理以及监测与预测理论和方法研究

国家重点基础研究发展规划项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”经过项目全体科学家的 5a研究 ,取得了一系列重要的研究成果 :(1)提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型 ;(2 )建立了梅雨锋暴雨的天气学模型 ;(3)梅雨锋是由多个不同尺度系统构成的梅雨锋系 ,它具有介于温带锋系结构与热带辐合带结构之间的副热带锋系结构 ,在长江中下游有时可表现为双锋结构。锋前的湿物理过程与锋上强对流系统发展形成的正反馈过程以及梅雨锋系的不同尺度系统的相互作用是梅雨锋维持与发展的重要机制 ;(4 )提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法 ,并形成一系列新的反演产品 ;(5 )成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法 ;(6 )发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统 ,在 2 0 0 3年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用。上述研究成果表明该项目已经圆满地完成了预定的目标与任务。     

2003年6月30日梅雨锋大暴雨 β和γ 中尺度结构的双多普勒雷达反演

2003年6月下旬至7月上旬,淮河流域出现了持续强暴雨,文中使用双多普勒雷达三维风场反演技术(MUSCAT)对6月29～30日合肥和马鞍山多普勒雷达探测到的暴雨资料进行了三维风场反演,对暴雨系统的中尺度三维动力结构进行了研究。此次梅雨锋暴雨是由β中尺度辐合带和嵌在辐合带上的γ中尺度涡旋共同作用引起的,辐合带上的波动活动对降水具有重要的触发和维持作用。在强降水时段的前期,无为附近中低层的γ中尺度涡旋在东—西走向的中尺度辐合带上自西向东移动,γ涡旋的移动与主雨区的移动基本同步,γ中尺度波动是该时段暴雨的重要动力因素;与此同时,在雨带的北区,γ中尺度涡旋活动比较频繁,但基本上是局地生消;在后期,西南暖湿气流和西风辐合,形成雨带上空的β中尺度辐合带,辐合带随着降水的减弱而减弱;最后,给出了此次暴雨的三维动力结构。     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统结构模型的双多普勒雷达研究

使用双多普勒雷达三维风场反演技术对2003年6月26-27日合肥和马鞍山多普勒雷达探测到的江淮梅雨锋大暴雨资料进行了三维风场反演,对其中β和中γ尺度三维动力结构进行了研究.结果表明,中β尺度对流系统(MβCS)及其上的中γ尺度对流云团是此次暴雨的主要降水系统.中低层的中β尺度辐合线对此次暴雨的触发、发展、维持具有重要作用,随着辐合带的逐渐减弱,强降水也逐渐减弱.中尺度对流系统低层的正涡度大值区与辐合中心有较好的对应关系,并且对应地面的强降水区.文中还给出了此次暴雨的三维动力结构模型.     

长江中下游一次非典型梅雨锋中尺度暴雨过程的分析研究

利用T10 6物理分析资料、地面与高空加密观测资料和TBB资料对 2 0 0 1年汛期一次非典型的梅雨锋中尺度暴雨过程进行天气学和动力学诊断分析 ,并与 1998年典型的梅雨锋中尺度暴雨过程作一些比较。首先分析了该次暴雨过程的大尺度背景场 ,发现与 1998年典型的梅雨锋形势不同的是 ,5 0 0hPa环流形势表现为贝加尔湖地区是阻塞高压 (阻高 ) ,南海季风涌形式不明显 ,南亚高压位置偏东南 ,高空辐散气流较弱。接着对该暴雨系统的结构进行诊断分析 ,揭示了该非典型梅雨锋中尺度暴雨系统的三维结构 ,包括各物理量如涡度、散度、假相当位温、水汽的通量以及湿位涡等的结构特征。分析表明 ,总体来说 ,该次暴雨过程的强度要比 1998年典型的梅雨锋暴雨要弱 ,相应的各物理量的三维结构与 1998年典型的梅雨锋中尺度暴雨系统的三维结构相比有明显差异。     

C波段双多基地多普勒雷达资料处理和三维变分风场反演方法研究

研究了双多基地多普勒雷达资料的配对方法、风场反演的区域和精度,并研制了基于三维变分方法的双多基地多普勒雷达系统的风场反演系统.利用安徽四创电子股份有限公司研制的一个主动雷达和两个侧向接收天线组成的双多基地多普勒雷达系统获取的外场试验资料,进行了风场反演试验.该风场反演方法利用主动雷达和被动接收系统测量的径向速度作为弱约束,用质量连续方程作为强约束,来反演三维速度场.利用Advanced Regional Prediction System(ARPS)模式模拟的一次龙卷过程的结果,进行了风场反演的模拟试验.结果表明:双多基地多普勒雷达系统能较准确再现龙卷的中尺度特征和强上升气流的结构,从上下两个方向进行垂直积分可以减小垂直速度的反演误差,利用两个侧向接收系统的资料能进一步减小径向速度随机误差对风场反演的影响,增大风场反演的范围.三个分系统单独获取的资料空间配对效果很好,利用不同雷达径向速度反演的风场比较近似,反演的风场与径向速度定性分析和速度方位显示方法(VAD)结果比较一致,该双多基地多普勒雷达系统同步观测技术设计合理,在实时探测三维风场特别是探测近地层风场方面有广泛的应用潜力.     

多部多普勒雷达同步探测三维风场反演系统

“我国重大气候和天气灾害的形成机理与预测理论研究”项目首次启用双多普勒雷达组网同步观测，如何从同步观测的暴雨资料中反演三维场，具有重要的理论和现实意义，根据项目需要，建立了国内首套多部多普勒天气雷达同步探测三维风场反演软件系统，并反演出2001年7月13日由双多普勒雷达同步观测到的一个中β尺度暴雨系统的三维风场，结果显示，该三维风场结构合理，系统能满足外场试验的要求。     

双多普勒雷达风场反演误差和资料的质量控制

提出了用双多普勒雷达观测资料进行回波强度、径向速度和方位定位的质量控制方法，以及利用概率分布法订正配对的双多普勒雷达回波强度的方法。以2001年973“中国暴雨”外场试验期间获取的双多普勒雷达观测资料为例，比较了合肥、马鞍山和宜昌、荆州的两对双多普勒雷达同步观测的回波强度、径向速度和方位的改变对观测数据对比的影响；分析了这两对双多普勒雷达径向速度测量误差引起的风场反演的误差。结果表明:两对双多普勒雷达观测的回波强度和径向速度的空间位置和变化趋势比较一致，合肥与马鞍山雷达的回波强度有一定差异，径向速度也有1～2 m/s的差异。风场反演的误差与风场的方向、大小、空间位置等有关。在两个径向速度夹角在40°～140°范围内，共面上的风场的反演误差在1～2倍的雷达探测径向速度的误差范围内。     

一次梅雨锋降水系统三维风场双、三雷达对比研究

2002年，“我国重大气候和天气灾害的形成机理与预测理论研究”项目首次启用三多普勒天气雷达组网对暴雨系统进行同步观测，作者使用MUSCAT技术对6月24日梅雨锋雨带上的一个中β系统进行了双、三多普勒雷达三维风场对比分析，表明大气中低层辐合线是此次暴雨系统的一个重要特征。     

用双多普勒天气雷达资料研究暴雨三维风场结构

使用双多普勒天气雷达三维风场反演技术对2005年6月11-12日梅州和汕头多普勒天气雷达探测到的华南暴雨资料进行了三维风场反演,对暴雨系统的中尺度三维动力结构进行了详细分析.结果表明:此次暴雨主要是由中低层的中β尺度辐合线、中β尺度切变线和嵌于其中的中γ尺度涡旋共同作用引发的.低层辐合、高层辐散的动力结构,有利于暴雨系统的触发、维持和发展.最后,综合分析结果给出了此次暴雨的三维动力结构模型.     

“6.12”华南局地暴雨中β和γ结构的双多普勒雷达反演试验

使用双多普勒雷达三维风场反演技术对2005年6月12～13日广东省梅州和汕头多普勒天气雷达探测到的华南局地暴雨资料进行了三维风场反演,对暴雨系统的中尺度三维动力结构进行了分析。此次暴雨主要是由中低层的中β和中γ尺度辐合线造成的,强回波带与速度辐合带有较好的对应关系。辐合线对暴雨的触发、维持、持续具有重要作用,随着辐合线的减弱消散,强回波带也逐渐减弱,地面降水也随之减弱。最后,给出了此次暴雨的三维动力结构模型。     

新一代天气雷达及其遥感新技术应用研究

围绕气象业务需求和雷达气象的国际前沿,新一代天气雷达建设及雷达新技术以在灾害性天气监测和预测中的应用为主要目标,开展了新一代天气雷达资料质量控制、风场反演、三维数字组网等工作.双多普勒雷达和双多基地多普勒雷达在暴雨和对流系统三维探测、反演、中尺度动力和热力结构分析中发挥了重要作用.与业务单位和雷达生产厂家开展了广泛的合作,在暴雨和新疆对流过程风场中尺度结构分析等方面形成了有创新性的科研成果.在新一代天气雷达应用方面形成了有业务应用前景的成果.     

新一代天气雷达及其遥感新技术应用研究

围绕气象业务需求和雷达气象的国际前沿，新一代天气雷达建设及雷达新技术以在灾害性天气监测和预测中的应用为主要目标，开展了新一代天气雷达资料质量控制、风场反演、三维数字组网等工作。双多普勒雷达和双多基地多普勒雷达在暴雨和对流系统三维探测、反演、中尺度动力和热力结构分析中发挥了重要作用。与业务单位和雷达生产厂家开展了广泛的合作，在暴雨和新疆对流过程风场中尺度结构分析等方面形成了有创新性的科研成果。在新一代天气雷达应用方面形成了有业务应用前景的成果。     

华南暴雨试验天气雷达数据处理及暴雨中尺度结构个例分析

文中描述了华南暴雨试验多普勒天气雷达数据的处理方法，建立了一套集图像显示、数据预处理及风场反演分析为一体的多普勒天气雷达的分析应用系统。该系统生成了三维正方形网格和经纬度网格的回波强度值，以及经噪声控制和速度扩展的径向速度风场，提交了华南暴雨试验雷达数据库。该文以1998年6月9日08:00(北京时) 探测数据为例，给出了华南暴雨试验区内4部多普勒天气雷达的反演雨强图和两部雷达的风场反演拼图，并进行了暴雨中尺度风场结构的初步分析。     

"7·8"特大暴雨过程雷达风场资料的三维变分同化研究

基于中尺度暴雨预报模式AREM和三维变分同化系统GRAPeS-3dvar对2003年7月8日发生在长江中游的一场特大暴雨过程,进行了武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化研究,结果表明:(1)增加了武汉、宜昌多普勒雷达反演风场资料后,模式对湘-鄂交界处特大暴雨区的模拟效果改善非常显著.(2)分别单独增加武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化后,降水模拟都有明显改进,但要差于对两部雷达风场资料同时进行变分同化的结果,表明同化的中尺度初始风场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好.(3)雷达风场资料的三维变分同化,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,使得模式在积分初期就能模拟出与实况相近的强降水.     

大气探测资料在中尺度暴雨中的分析和应用

使用近几年强化气象业务观测网建设所获得的大气探测资料,包括每小时1次的自动雨量站资料、逐时的GOES-9卫星红外云图TBB资料、多普勒雷达反射率因子、径向速度及回波顶高资料,并结合NCEP/NCAR再分析资料,对2003年6月29—30日淮河流域大暴雨过程进行了中尺度观测研究。分析表明:高时空分辨率的大气探测资料能较好地描述暴雨过程的中尺度特征;同时,停滞在淮河一带的梅雨锋和切变线为此次大暴雨发生提供了有利的背景条件;暴雨过程期间,淮河流域梅雨锋云系上共有11个β-中尺度对流云团发生,它们是暴雨的直接制造者;此次大暴雨过程主要由2次中尺度强降雨时段组成,中尺度雨团的源地集中在安徽西北部,雨团的发生与β-中尺度对流云团活动有密切关系;雷达回波的分析显示,此次暴雨是混合云降水所致,在层状云降水区中有许多对流云回波,对流回波区和径向速度场所反映的中尺度辐合线与中尺度对流系统的演变有密切的关系。     

多普勒雷达资料在冷涡强对流天气中的同化应用试验

应用WRF模式的三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对沈阳多普勒天气雷达资料在东北冷涡暴雨个例中的同化应用进行了试验.研制了多普勒雷达资料质量控制系统,实现了对径向风和反射率因子的直接同化,不但可以反演中尺度三维气象要素场,而且可以为模式提供初始场.以天气尺度资料为背景场同化多普勒雷达资料,WRF-3DVAR可以较好地反演冷涡中尺度对流系统的三维结构,反演的地面强对流辐散气流及在对流层中层涡旋都符合中尺度系统概念模型,通过与实际地面探测资料进行了对比,风场环流基本接近,同化了雷达资料的气象要素场可为预报业务提供较好的包含中小尺度系统的实时三维分析场.通过冷涡个例同化试验,应用WRF-3DVAR同化雷达资料后,中尺度模式对对流降水的预报总体有正的影响,对强对流中的一些中小尺度雨团的预报也略有改善.     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

梅雨锋对引发暴雨的中尺度对流系统发生发展影响的研究

针对梅雨锋(湿度锋)上或附近偏南暖湿气流一侧中尺度对流系统不断发生发展和长时间维持而引发长江流域暴雨的观测事实,利用中尺度数值预报模式WRF(V3.1.1)设计了一系列三维理想数值试验,研究了梅雨锋两侧自身水汽差异效应,探讨了基本气流和风垂直切变对梅雨锋上中尺度对流系统发生发展的影响,揭示了梅雨锋对中尺度对流系统的组织...     

一次典型梅雨锋暴雨过程的多尺度结构特征

利用多种类型资料,对2009年6月29—30日引发鄂皖境内梅雨锋特大暴雨过程的天气形势和中尺度对流系统（MCSs）进行了初步分析,揭示了梅雨锋暴雨系统的多尺度结构特征,并用中尺度模式WRF对梅雨锋暴雨系统进行了9km三重双向嵌套大区域精细模拟,再采用Morlet小波变换对模式输出进行空间带通滤波,分离出α、β和γ中尺度系统,对不同中尺度系统的热力动力三维空间结构特征进行了研究。结果表明：梅雨锋特大暴雨由梅雨锋上多个不同尺度的MCSs活动造成,这些不同尺度的MCSs在卫星云图和雷达回波上呈现出不同的特点。在α、β和γ中尺度上,梅雨锋暴雨中尺度系统在水平和垂直方向上的动力、热力结构特征存在着明显的差异,α、β中尺度系统具有明显的垂直环流,而γ中尺度系统则具有惯性重力波特征,往往嵌套在α、β中尺度系统内发生发展。最后,提出了典型梅雨锋暴雨系统的物理概念模型。