一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究

1998年5月23～24日在珠江三角洲地区发生的特大暴雨过程是华南暴雨试验(HUAMEX)加密观测期间的一个典型个例,卫星云图与降水分布表明这是锋面附近与锋前暖区发生的两个中尺度对流系统(简称MCS)造成的强降水。使用非静力原始方程模式MM5较为成功地模拟了这次暴雨过程。根据数值模拟的结果,本文着重分析了发生在锋面上和锋前暖区的两类MCS的中尺度特征,并探讨了这两类MCS的差别。结果表明,两类MCS具有某些共同的中尺度特征,即对流系统的底层和顶部分别存在β尺度的低压和高压中心;低层流场辐合而在对流雨团的顶部辐散出流;对流系统内部具有暖心结构等,但锋面上的MCS较暖区中的对流系统具有更强的斜压性;二者内部的流场与三维运动结构也具有不同的特征,来自西南和偏南方向的空气从底部流入锋前暖区MCS时受到中低压的气压梯度力作用而加速;而锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气,而且还有来自锋后的冷空气参加对流。MCS高空反气旋式发散气流和空气的加速运动反映出MCS顶部存在中尺度高压及向外的气压梯度力,轨迹分析也证明了MCS上空气流的这种非地转特征。     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.     

2001年8月初上海强暴雨中尺度对流系统的数值模拟研究

利用NCEP的ETA模式对 2 0 0 1年 8月 5～ 6日导致上海地区产生大暴雨的中尺度对流系统的发生发展过程进行了数值模拟。模拟结果基本再现了对流云团加强合并形成中尺度对流系统的过程 ,所模拟的降水分布、最大降水中心位置与实测结果基本一致。模拟结果还显示其中的一个中尺度对流系统是由于位于其西南部的一支低空急流的直接流入才发展起来的     

华南“94·6”特大暴雨的中尺度对流系统及其环境场研究 Ⅰ.引发暴雨的β中尺度对流系统的数值模拟研究

选取1994年6月12日~13日的过程,在确定云雨、垂直运动的模拟基本正确的基础上,利用模式输出资料对β中尺度对流系统的结构进行分析研究。结果表明:低层的水汽辐合很强,并且出现在对流发展前2~3h,有利于对流的启动;随着对流系统的发展,最大的垂直运动向上扩展,饱和层和中性层也不断向上伸展,对流层中层的中性层结既是对流发展的结果,也可能是其维持机制之一;强对流系统发展较强时,低层(600hPa以下)是辐合,而中高层为高压辐散气流,高层的辐散气流对对流系统的发展、维持有一定的作用;系统发展最强时垂直方向是两个模态,发展和衰减阶段一般为多个模态;强对流系统发展的环境风场为低层有西南、东南和北风三支气流辐合,而高层以偏北风为主;切变线上对流系统的降雨量有3h左右的周期变化。     

黔西南一次中尺度暴雨的数值模拟诊断研究

使用WRF模式 (Weather Research and Forecasting model) 模拟了2006年6月12日贵州省西南部一次典型的突发性强对流暴雨过程, 模式较真实地模拟了这次局地发展的中尺度暴雨天气过程。对流层低层的中尺度辐合线造成了初始的上升运动, β中尺度对流系统首先在地面锋线前不稳定的暖区中生长, 辐合线南侧的偏南气流对水汽和热量的输送是对流能够持续生长的最重要因素。通过非地转ω方程的诊断证明, 在降水开始后, 凝结加热的释放对β中尺度对流系统的发展最为重要, 它强迫产生的上升运动分量超过了低层暖平流强迫造成的上升运动分量。在相应的热力、 动力结构的调整作用下, 对流层低层出现中尺度低空急流、 中尺度涡旋等动力结构。到降水过程后期, 由于偏北气流的侵入, 降水区上空对流层低层转为对流稳定的层结, β中尺度对流系统无法获得不稳定能量以维持其发展, 降水也逐渐减弱直至终止。     

一次中尺度对流系统分析

应用卫星云图、雷达回波、地面加密观测和各种常规资料,分析了１９９６年７月１日在黄海北部￣山东半岛发生的一次中尺度强对流天气过程。高空冷温度槽和低空、地面增温产生的不稳定能量是强对流体系形成的系统;中尺度辐合线、中气旋、近地层加热不均匀性、海陆风的辐合抬升等促进了强对流天气发生;对流云团的并合加强,产生异乎异常的能量,是该系统加强和发怅的重要条件;云团呈准静止状态是产生暴雨和长时间降雹的主要原因「。     

引起“碧利斯”强降水的MCS数值模拟研究

利用多种观测资料和数值模拟,对0604号强热带风暴碧利斯登陆后在湖南、广东等地引发强降水的中尺度对流系统活动特征进行了分析.结果表明,在"碧利斯"登陆后西行减弱过程中,由于西南季风的持续维持,"碧利斯"减弱后的低压环流中仍保持有强降水所需的充足水汽供应,造成局地强降水的MCS十分活跃.ARPS模式较好地模拟了7月15日发生在湖南南部的中尺度降雨过程,并揭示出"碧利斯"变性过程中,环境风场垂直切变结构强迫的次级环流决定了MCS活动特点,同时利用湿Q矢量诊断了低压次级环流的垂直运动特征.造成这次强降水过程的MCS在台风低压切变线以北的偏北潮湿气流中生成发展,低层偏北急流造成的动力辐合效应、对流不稳定性层结的建立是MCS在湖南南部迅速发展的重要原因.     

华南"94·6"特大暴雨的中尺度对流系统及其环境场研究I.引发暴雨的β中尺度对流系统的数值模拟研究

选取1994年6月12日～13日的过程,在确定云雨、垂直运动的模拟基本正确的基础上,利用模式输出资料对β中尺度对流系统的结构进行分析研究.结果表明:低层的水汽辐合很强,并且出现在对流发展前2～3h,有利于对流的启动;随着对流系统的发展,最大的垂直运动向上扩展,饱和层和中性层也不断向上伸展,对流层中层的中性层结既是对流发展的结果,也可能是其维持机制之一;强对流系统发展较强时,低层(600hPa以下)是辐合,而中高层为高压辐散气流,高层的辐散气流对对流系统的发展、维持有一定的作用;系统发展最强时垂直方向是两个模态,发展和衰减阶段一般为多个模态;强对流系统发展的环境风场为低层有西南、东南和北风三支气流辐合,而高层以偏北风为主;切变线上对流系统的降雨量有3h左右的周期变化.     

1987年6月在冲绳岛观测到的中尺度对流系统的数值研究

用二维暖雨云物理过程的可压缩模式，对梅雨季节在日本冲绳岛观测到的中尺度对流系统（MCS）进行数值研究。模拟了该系统在山脉背风面的初始形成及演变的两个阶段（静止和传播阶段）。静止阶段，低空冷空气堆聚，系统逆密度流传播，在山脉上风面强迫抬升MCS和抑制背风面的外流扩展的地形作用更明显。当冷空气从山顶上流过，系统快速向上风方传播，传播阶段开始，所模拟的MCS的铅直结构与中纬度－热带观测到的飑线的铅直结构相似。     

江淮流域两次中尺度对流涡旋的结构特征研究

对2003、2007年江淮梅雨期的中尺度对流涡旋（MCV）进行了统计分析,结果表明我国梅雨锋上MCV活跃,这些MCV与强降水有关。2003、2007年江淮梅雨期有9个MCV发生,大多数的MCV发生在32°N～35°N之间的江苏境内。采用ARPS（Advanced Regional Prediction System）的资料分析系统（ADAS）和WRF模式模拟了2个MCV的发展过程,并使用数值模拟结果分析了它们的结构特征。MCV一般发生在强对流系统的北侧,其涡旋环流一般在600 hPa以下,对应涡旋区域对流层高层为强辐散,涡度最强的中心在对流层中层,但正涡度区可伸展到300 hPa。初始阶段MCV的中心为上升运动和中性层结,成熟阶段MCV的中心转为下沉运动,同时其南侧有新的对流发生。发展型和不发展型的MCV对比发现,涡旋对流层高层有涡度增加以及二次对流的潜热释放多,可能是发展型MCV维持时间较长的原因。此外,MCV发展过程中南侧急流的增强对MCV中对流的触发和维持有一定作用。     

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）。     

中纬度中尺度对流系统研究的若干进展

中尺度对流系统（MCSs)与许多严重的气象灾害，特别是我国的暴雨洪涝密切相关。本文主要对中纬度中尺度对流系统研究的若干进展作了简要综述，其中包括：MCSs的时空分布；MCCs的平均生成环境；MCSs的组织模型和逆尺度演变；发展中的MCSs与其环境的相互作用；MCSs的动力学和不稳定度；MCSs的数值模拟；MβCS和MγCS的观测和模拟；MCSs的概念模型；MCSs的结构和机制研究的观测计划。我们希望通过本文有助于进一步了解有关中纬度MCSs的发生、发展、结构、机制以及概念模型等研究的若干进展。     

南京一次局地大暴雨的β中尺度对流系统结构分析

利用WRF中尺度模式,对2007年7月发生在南京地区的一场局地大暴雨过程进行了数值模拟。通过大尺度环流、流场以及有关物理量等特征结构分析表明:在南京地区产生局地暴雨的直接影响系统是一个β中尺度对流单体。在成熟期具有暖性对流涡柱的特征,涡度的发展较散度具有一定的滞后性,其暖心结构和假相当位温分布与热带气旋极为一致。并且该对流系统的垂直环流在成熟期表现出了一些类似超级单体的环流特征,证明了普通单体风暴具有向局地强风暴发展的潜力。从分析液相及冰相粒子混合率的垂直分布表明:对流单体发展的成熟期,冻结高度之上有过冷水与冰相粒子共存,过冷水分布最广的时期与系统最强降水时段对应良好。这意味着淞化过程可能是导致对流系统降水增幅的一种机制。由水汽通量散度分析,对于预报对流系统的发生位置和时间具有一定的指示意义。本次过程中流场散度项是决定水汽通量散度分布的关键因素,水汽平流项的贡献甚微。     

2013年7月四川盆地一次特大暴雨的中尺度系统演变特征

利用常规观测资料、地面加密资料、卫星观测资料和NCEP再分析资料等,对2013年7月8日四川盆地西部大暴雨过程的天气背景、水汽来源、地面环境场特征、中尺度云团活动等进行了分析并开展了数值模拟研究。这次过程发生在中纬度“东高西低”的环流背景下,西风槽与西太平洋副热带高压稳定的同时有高原东部小槽东移,孟加拉湾低槽槽前西南暖湿气流在盆地转为偏东风,输送充沛水汽。地面偏东风与偏北风形成的中尺度辐合线上有对流云团发展加强,为此次大暴雨的发生提供了有利的中尺度辐合条件。模拟结果表明,在川西高原地形阻挡影响下,偏东气流被迫抬升,配合中低层低涡发展形成的辐合上升,形成有利于对流系统发生和维持的环境条件。近地层辐合线北侧偏北冷空气的侵入促使对流不稳定能量释放,对对流的触发和维持有一定作用。     

一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,对安徽省一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的环流背景、内部结构及其演变进行了系统分析。结果表明:1)低层台风外围偏东气流的输送使得暴雨区增温增湿,进而增强中纬度大气的不稳定度;西风槽前的上升运动有利于暴雨区低层辐合的加强和垂直运动的发展维持。2)强降水过程主要由两个β中尺度对流系统造成,在暴雨区上空β中尺度对流系统的新生维持是强降水维持较长时间的重要原因。3)雷达回波和地面要素场上,强降水表现为两个β中尺度的对流系统的生成发展,中尺度对流系统锋生的原因虽各有不同,但对流的发展与地面中尺度辐合线和加强的中尺度低压有关。γ中尺度的强对流单体是造成局地降水峰值的直接原因。4)两段强降水的出现都表现出中纬度系统和台风外围气流的相互作用,低层冷空气的触发以及西风槽前暖湿气流的加强都会使降水有明显的增幅。5)雷达速度场上,β中尺度对流系统的加强和低层暖湿气流的加强紧密相关。γ中尺度对流系统的生成则是由速度场上小尺度的风速辐合造成。     

一次强对流天气过程中尺度对流系统特征分析

利用NCEP／NCAR再分析资料、FY2C云图及广州新一代多普勒天气雷达产品,对2007年6月9～10日发生在广东省的一次强对流天气过程中的中尺度对流系统（MCS）进行了分析,主要结论有：1）对流层中高层辐散低层辐合,以及“上千下湿”相配置的垂直环流结构特征,和不稳定的大气层结为此次暴雨的形成提供了所需的动力条件和水汽条件;2）MCS云系生成、发展于南支槽和西南低涡东南侧的暖湿气流所形成的云系中;3）在雷达回波图上,MβCS回波的发展具有明显的右移风暴移动特点和“列车效应”,且发展成熟阶段的回波呈显著的“弓形”和“人字形”水平回波演变结构。     

"碧利斯"(2006)台风低压暴雨数值模拟试验

利用NECP 1°×1°的6h分析资料,采用中尺度数值预报模式WRF对2006年7月16~19日“碧利斯”(2006)台风低压引发的暴雨天气过程进行了数值模拟。结果表明,WRF模式对这次暴雨过程的雨带位置和走向均有较好的模拟,对这次暴雨过程中尺度天气系统的发生、发展及加强均在模拟结果中有所显现。     

一次陕西关中强暴雨中尺度系统特征分析

应用高分辨率中尺度数值模式WRF模拟了2007年8月8-9日陕西关中强暴雨过程,根据模式输出结果对强暴雨中尺度对流系统(MCS)的发生、发展规律、形成原因和三维结构,特别是暴雨过程中3个大暴雨中心的β中尺度对流系统(MβCS)的细微结构包括三维流场、动力和热力结构进行了分析。结果表明,此次强暴雨过程与一个α中尺度低涡的生成密切相关,其内部强烈发展的MβCS直接产生了岐山、礼泉、高陵3个强暴雨中心的对流降水;MβCS在850,700和500 hPa上分别表现为辐合(涡旋)系统、西北—东南向暖式切变线和阶梯槽。高空西风急流入口区右侧的动力强迫是对流层高层暴雨区辐散形成和加强的原因,动力强迫引起的非地转风是暴雨形成的原因之一;中空阶梯槽携带的干冷空气从后方流入雨团起到了对流不稳定的加强作用;低层和地面不同方向的风和风速形成的中尺度辐合以及中尺度西南急流和东南急流触发了强降水的发生,强降水的发生又激发了中尺度急流扰动,中尺度急流扰动对暴雨维持和加强起到了反馈作用;秦岭山脉的屏障作用和关中喇叭口地形的动力抬升作用有助于关中强暴雨的发生和加强。产生3个强暴雨中心的MβCS有不同的流场、动力、热力垂直结构:中低层不同方向和不同层次的气流流入β中尺度降水云塔,在不同高度上形成了不同的垂直环流支,云塔中的上升气流一直伸展到200 hPa(或150 hPa)后向东南、东北流出;歧山暴雨中心450 hPa以上为强辐散,450 hPa以下暴雨中心南侧为弱辐散和辐合、北侧为辐合和弱辐散,垂直上升运动先向南、后向北倾斜直至对流层顶;相当位温呈双高能中心形成的双重位势不稳定层结结构,温度则表现为中层两个暖中心、上下层冷中心的特征;礼泉和高陵暴雨中心为整层强上升运动柱与强散度柱和正涡度柱耦合,礼泉上升运动柱存在一个高、低层冷而中上层暖的特征,具有类似于地面气压场的鞍形结构,即中低层不稳定、中高层稳定、中层为中性的层结结构;高陵暴雨中心南缘550 hPa以下是高能量和温度离差锋区,其上空400 hPa以下为近饱和水汽柱。