一次春季江淮气旋混合型对流天气特征及成因分析

采用天气雷达、高空地面观测、1°×1°NCEP再分析场资料,分析一次春季江淮气旋形成发展过程中混合型(冰雹、大风、短时强降水)对流天气特征,初步解释了不同类型对流天气形成发展的原因。结果表明:不同类型强对流天气在时空分布和对流特征上存在差异,其中局地冰雹主要由气旋形成阶段离散对流线产生,带状短时强降水由气旋形成阶段人字形对流线上及发展阶段S形对流线后部的列车线/邻接层状云类中尺度对流系统(MCS)产生,大范围大风主要由江淮气旋发展阶段S形对流线上尾随层状云降水类MCS产生。江淮气旋是大尺度天气系统斜压发展的结果,对流活动使锋面低层辐合增强,对气旋形成发展有加强作用。强对流天气的产生与江淮气旋动力热力场有密切关系。气旋形成阶段,西南涡结合山区地形提供了有利于鄂西南大冰雹形成的环境场,暖式切变线以及气旋发展阶段受南支槽影响的冷式切变线,提供有利于风暴列车效应形成的环境场而产生短时强降水;气旋发展阶段,冷式切变线提供有利于后部入流急流形成的环境场而产生大范围大风。     

低层环境风场对积云模拟的作用

采用二维和三维完全弹性参数化冷云数值模式模拟研究了低层单向切变风场中积云的发展演变过程和地面降水特征。结果表明:在低层切变风场中，用热泡扰动方式激发对流的启动条件提高，而冷出流方式激发对流则更加容易。适当强度的低层切变使对流峰值强度减小，但积云生命史延长，地面累计总降水量增大，雨区拓宽，峰值雨强则减小。采用二维模式来模拟单向切变风场的对流活动虽然存在严重歪曲，但积云最大升速以及地面总降水随时间的演变特征与三维模拟结果一致。     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

梅雨期龙卷环境条件与典型龙卷对流风暴结构特征分析

利用逐日4次1°×1°FNL/NCEP分析资料及多普勒天气雷达、地面自动气象站等观测资料,在对近十年江苏梅雨期龙卷天气的环境特征进行合成分析并提炼对流参数特征值后,着重对2013年7月7日发生在安徽天长至江苏高邮一带导致龙卷的对流风暴的形成和结构特征演变进行了分析。结果表明:江淮梅雨期间,地面中尺度气旋的右侧附近(100 km)、对流层低层中尺度低涡右下方约200~300km处和低空急流左后侧之间区域是龙卷易发区;梅雨期大气环流背景为龙卷的发生提供了对流层低层充沛的水汽和有利的不稳定层结与动力条件,低层气旋性涡度在龙卷发生前强烈发展,边界层内强的垂直风切变促进了龙卷风暴内气旋性涡度的迅速增强,而对流层低层辐合的增强将有利于初始对流的触发;但梅雨期龙卷对对流不稳定能量蓄积条件要求低于冰雹和雷暴大风;龙卷对流参数特征值及其与气候平均值的差异性为龙卷天气的短期预报提供了参考依据。引发2013年7月7日龙卷的对流风暴起源于地面辐合线附近,地面辐合及中尺度锋区的增强有利于对流风暴的快速发展,此次系列龙卷是由一个生命史较长的超级单体风暴产生,该对流风暴具有典型超级单体的回波特征,风暴内的中气旋维持2h之久,中气旋相关参数的演变对龙卷的临近预警有较高的参考价值,当中气旋底高较低且中气旋切变值明显增强时,发生龙卷天气的可能性较大。     

MM5模式中不同对流参数化方案的数值模拟

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,不同参数化方案及分辨率对降水预报有很大影响。本文利用4种积云参数化方案(GR,KF,BM,AK)对辽东半岛一次大暴雨过程进行试验,结果表明,不同的参数化方案,对强降水落点及强度的模拟,结果差别较大。模拟较好的是GR方案,最差的是AK方案;4种积云对流参数化方案模拟的海平面气压场差别较大,其中GR方案模拟出造成2005年第5号台风暴雨的高低压系统和中尺度气旋;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可在一定程度再现一些中尺度特征;4种方案由于闭合假设不同,模拟的云物理特征存在很大差别,这种差别对各种天气要素的准确预报会产生一定的影响。     

2017年苏南一次特大暴雨高分辨率模拟及特征分析

利用高分辨率（水平3 km）数值模式，结合FNL分析及预报场资料、地面加密自动站观测资料和多普勒雷达资料，对2017年6月9—10日苏南一次因江淮气旋沿切变线东移造成的特大暴雨过程进行研究。首先对模式模拟结果做了降水、风场等多方面的验证，随后利用模拟结果和观测资料对该特大暴雨过程的对流系统结构及其发展维持机制进行分析。结果表明：（1） 高分辨率模式能较客观地反映该暴雨过程诸多大气参数的演变。（2） 特大暴雨过程中锋面气旋东移且倾斜发展，深对流中心维持在气旋的东南方向，该中尺度对流系统的发生发展与锋面气旋的上述演变密切相关。（3） 特大暴雨过程中相应的对流处于旺盛阶段时，大气不稳定能量持续释放，中层为相对较高的假相当位温区，即明显的暖心结构，垂直上升运动最强，且其南北两侧均有下沉气流，形成中尺度次级环流，维持强对流不断发展。（4） 超低空急流的持续增强，沿低层切变线上不断有γ中尺度涡旋生成和足够的低层辐合区厚度是导致这次特大暴雨过程的关键因素。     

一次江淮气旋极端雨雪过程的云系特征和成因分析

2016年2月12日夜间至13日白天,受冷空气和江淮气旋影响,山东出现了一次极端雨雪天气过程,全省48个国家级气象站日降水突破同期历史记录。采用多种观测和NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料分析了降水云系的演变特征、风场的中尺度特征和降水成因。结果表明:(1)雨雪过程不断有β中尺度云团从苏皖移入山东,降水主要由4个β中尺度云团造成;江淮气旋逗点头云系由4条带状回波发展形成,暖锋云系以层状云为主,其间有零散的对流云,逗点云尾部的冷锋云系形成初期多为对流性,入海后对流性减弱;气旋形成后雷达回波发生气旋式旋转、拉长,形成多条中尺度强雨带。(2)水汽条件极为有利,来自西南和东南两个方向的低空急流持续输送充沛的水汽,降雨阶段还有来自东南方向超低空急流的水汽输送,降雪阶段边界层水汽输送微弱。(3)降雨阶段,低层为浅薄的东北风冷垫;降雪阶段,东北风冷垫较降雨阶段深厚得多。东北风冷垫上东南风层变薄直至减弱消失是雨雪相态转换的标志,强雨雪都发生在偏南低空急流最强盛时段。(4)低层低涡前部东北风和东南风的切变辐合、暖平流、暖锋锋生以及条件性不稳定能量释放强迫上升运动造成强雨雪。风廓线雷达和激光雨滴谱仪的观测是降水相态短时临近预报的有益判别资料。     

中尺度涡旋的雷达探测和分析

应用单部多普勒天气雷达观测资料对出现在京津冀地区的中尺度涡旋进行了分析，分析结果表明:发展较强的中小尺度天气系统往往与风场的旋转或辐合辐散有关，气旋性涡度场对积云对流活动有明显的组织和增强作用，是降雨增强的一种判据。     

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。     

2007年7月18日济南大暴雨的β中尺度分析

利用1°×1°的NCEP再分析资料、地面逐小时的观测资料和红外云图,对2007年7月18日的济南大暴雨过程进行了详细的α中尺度分析,揭示了地面β中尺度气旋新生发展的一种物理机制,并重点分析了多尺度的积云并合过程对此次强降水形成的重要作用。研究结果表明:在一个已经发展成热的MαCS的左后侧出现的下沉冷出流在低层向西南方向扩散,与午后不断加强的西南暖湿气流共同作用增强了地面的斜压性,从而使地面辐合线上的气旋性扰动加强,并迅速新生发展出β中尺度气旋。在此次强降水过程中共经历了从γ中尺度对流单体到β中尺度对流云团,再到α中尺度对流云团,最后形成中尺度对流复合系统的4个多尺度积云并合过程,而地面β可尺度气旋在每一个阶段都扮演了非常重要的角色,它们既是β中尺度对流云团的组织者,同时也是α中尺度对流云团的组成者,α中尺度对流云团往往都由一个以上的β中尺度气旋组织而成,当β中尺度气旋出现遭遇、合并之时,对流云团和降水得以强烈发展。在济南强降水发生前的1个多小时内,其西南方边界层内不断出现β中尺度超低空西南急流,它促使这一区域内不断产生回波单体并在向东北方向移动的过程中迅速发展成强回波带,当济南北面的强回波南移与这一强回波带并合后快速发展产生强降水。     

积云对流参数化对一交梅雨锋暴雨过程影响的模拟检验

应用１９８８年版日本谱模式ＪＳＭ,对比分析了Ａｒａｋａｗａ－Ｓｃｋａｗａ－Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ、ＫｕｏＡｎｔｈｅｓ和Ｇａｄｄ－Ｋｅｅｒｓ等几种积云对流参数化方案在梅雨锋暴雨对流系统模拟中的表现。     

Numerical simulation of a South China Sea typhoon Leo (1999)

Summary ?A South China Sea typhoon, Leo (1999), was simulated using the Penn State/NCAR mesoscale model MM5 with the Betts-Miller convective parameterization scheme (BMEX). The simulation had two nested domains with resolutions at 54 and 18 km, and the forecast duration was 36 hours. The model was quite successful in predicting the track, the rapid deepening, the central pressure, and the maximum wind speed of typhoon Leo as verified with reports from the Hong Kong Observatory (HKO). The structure of the eye, the eye wall, and the spiral convective cloud band simulated in the model are found to be comparable to corresponding features identified in satellite images for the storm, and also with those reported by other authors. A trajectory analysis was performed. Three kinds of trajectory were found: (1) spirally rising trajectories near the eye wall; (2) spirally rising/descending trajectories in the convective/cloud free belt; (3) straight and fast rising trajectories in a heavy convection zone along one of the cloud bands on the periphery of the tropical cyclone. Both the HKO and the U.S. Joint Typhoon Warning Center (JTWC) reported the rapid deepening of Leo started around 00 UTC 29 April. In the model, the eye was first formed in the lower troposphere, and it extended to the upper troposphere within a few hours. We speculate that the spin-up of cyclonic rotation in the low-level eye enhanced the positive vorticity along the low-level eye wall. The positive vorticity was then transported to the upper troposphere by convection, leading to an extension and growth of the eye into the upper troposphere. To examine the impact of convective parameterization scheme (CPS) on the simulation, the Grell scheme (GLEX) was also tested. The GLEX predicted a weaker typhoon with a wilder eye that extended not as high up in the upper troposphere as BMEX. The different structures of the eye between the BMEX and GLEX suggest that the mesoscale features of the eye are dependent on the convection. In other words, the vertical and horizontal distribution of convective heating is essential to the development and structure of the eye. Received December 18, 2001; accepted May 7, 2002 Published online: March 20, 2003     

Monsoon rainfall simulations with the Kuo and Betts-Miller schemes

Summary Two numerical experiments are performed using a nested grid regional model to study the performance of the Kuo and the Betts-Miller cumulus parameterization schemes in simulating the rainfall during an active monsoon period. Results indicate that the monsoon circulation features, such as the Somali jet and monsoon depression are better simulated with the Kuo scheme. With the Kuo scheme, predicted intensity and associated rainfall of the monsoon depression are in good agreement with the observations. Uncertainty in the adjustment parameters in the Betts-Miller scheme appears to have lead to the poor prediction of rainfall. Also, the Betts-Miller scheme showed considerable sensitivity to the convergence in the lower troposphere in the initial conditions over the Arabian Sea, leading to a prediction of a spurious intense tropical cyclone. This cyclone replaced the normal heat-low over the desert region. Rainfall distribution and its maximum along the west coast of India were predicted better with the Kuo scheme. Area-averaged convective heating rates indicated that the cumulus convection is deeper and more intense with the Kuo scheme. Also, area averaged evaporation rates far exceeded the rainfall rates with the Betts-Miller scheme while with the Kuo scheme these rates are in balance after the spinup period. Forecast erros in the zonally averaged specific humidities indicate that the model atmosphere is more humid with the Betts-Miller scheme.With 14 Figures     

一次罕见的华南大暴雨过程的 诊断与数值模拟研究

首先对1994年6月中旬的华南暴雨过程进行了诊断分析,然后,利用PSU和NCAR发展起来的有限区域中尺度模拟系统MM5进行了数值模拟研究。诊断结果表明:此次过程长江以南的大部分地区具备大尺度的降水条件,而在两广地区降水更强,这可能是由地形等其他条件决定的。两广地区活动较强的对流云团是造成暴雨的主要中尺度系统,而东部地区主要是锋面造成的连续性降水,对流活动较两广地区相对较弱。数值模拟结果显示:MM5模式对这次华南的强降水过程具有较好的模拟能力,静力方案对大范围雨区的模拟比非静力方案要好一些,但对大暴雨区的模拟非静力方案似乎更具优越性。对流参数化方案的试验表明,Kuo方案能较好地模拟大范围的雨区,Grell方案对强暴雨中心的模拟似乎比其他方案好。对行星边界层方案的试验显示,边界层过程对强的对流性降水的模拟是不可忽略的。这些看法与已有的诊断结果是相符的。     

Role of convective parameterization in simulations of heavy precipitation systems at grey-zone resolutions — case studies

We have investigated the role of convective parameterization in simulations of heavy precipitation systems at grey-zone (2–10 km) resolutions using an approach similar to that used in “observing system simulation experiment”. Simulations with a 1-km grid serve as benchmark simulations. The impacts of convective parameterization at greyzone resolutions (i.e., 3, 6, and 9 km) are then investigated. This study considers two heavy precipitation systems including one associated with a mesoscale cyclone generated over the Shandong Peninsula on 24–25 July 1991, and the other associated with a cloud cluster occurred on 15–16 July 2009. The present study indicates that convective parameterization does not affect much the simulations of the two heavy precipitation systems with 3-km grid size. However, it significantly affects simulations for grid sizes of 6 and 9 km. Simulations with the Kain-Fritsch scheme produce deficiencies such as relatively small heavy rainfall area, smaller maximum precipitation rate, wider area of weak precipitation, etc. Simulations without convective parameterization have also some negative effects such as the overprediction of area-averaged precipitation rate and others. A modified trigger function in the Kain-Fritsch scheme is found to improve the simulations of the heavy precipitation systems over the Korean Peninsula by reducing excessive trigger of convection, especially for simulations with 6- and 9- km grids.     

强对流系统中对流云合并的观测分析

用雷达等观测资料以及LAPS(Local Analysis and Prediction System)中尺度再分析场资料,对2009年6月14日在河南、安徽等地引发冰雹大风天气的两个强对流系统的形成演变过程中的对流云合并现象进行观测分析.研究表明,不论是单体间的合并还是对流系统间的合并,合并后单体或对流系统都有显著的...     

"2003.6.17"滇中特大暴雨的中尺度分析

结合大尺度环流的高通滤波、卫星云图和雷达回波诊断，用Shuman—Shapiro中尺度滤波方法，对2003年6月17日云南中部的楚雄市至南华县一带发生的特大暴雨过程进行了中尺度分析。结果表明，这次过程是热带中尺度气旋东南移并发展造成的；地面强冷空气侵入中尺度低压导致对流发展，是热带中尺度气旋加强的原因；大尺度环流下，孟加拉湾、南海和北部湾形成的两条水汽输送带通过热带低压，为强对流的发展和维持提供了能源保障；地面中尺度低压中心和与之配置的切变线北侧对特大暴雨落区有较好的指示。     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析.研究结果表明:(1) 具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案.(2) 梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化.雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1-2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用.(3) 除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500-700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子.     

不同微物理方案对一次梅雨锋暴雨过程模拟的影响

中尺度模式中描述湿物理过程的方案主要有对流参数化方案和云微物理方案,当网格距达到可以分辨积云对流尺度时,云微物理方案对描述云和降水物理过程的作用将变得更为重要.利用GRAPES高分辨率中尺度数值模式对2007年7月7-9日中国梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,从降水量、雷达回波、水成物分布方面结合观测资料,分析了NCFP简...