一次强梅雨暴雨过程的数值模拟和伴随的中尺度系统分析

利用PSU／NCAR的中尺度非静力数值预报模式MM5，采用高分辨率套网格方案和适当的物理过程，对2002年7月22日08时到23日08时的一次强梅雨暴雨过程和伴随的中-β尺度系统进行了数值模拟，模拟结果很好地描述了本次暴雨降水的时空分布及相伴随的中-β尺度系统的发生发展过程。试验结果表明，梅雨切变线上出现的一串中-β尺度系统是此次暴雨的直接影响系统；高空中尺度辐散系统的存在和变化方式对中-β系统的发展有重要的影响；中低层中尺度涡旋的形成会导致尺度更小的强冷暖平流的出现，从而进一步激励中尺度系统自身的斜压发展；降水潜热对暴雨的发展和维持也有重要的反馈作用。     

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。     

2005年6月华南特大连续性暴雨的环境条件和中尺度扰动分析

利用常规观测站、地面加密站资料、卫星红外云图TBB和NCEP再分析资料,对2005年6月19—24日发生在广东的特大连续性暴雨过程进行了分析。天气分析表明：高空南亚高压前部的强辐散场,500 hPa河套阻塞高压以及低层低涡切变线横卧在江淮一带、低空急流源源不断地向华南输送暖湿气流的这种大尺度环流形势和相应的大范围动力热力及水汽条件,决定了暴雨的多发时期和持续性;区域暴雨多发期内5次强降水的具体发生和间歇,则与暴雨区大气动力、热力及水汽条件的5个 α 中尺度时间变化与震荡密切联系并受其影响;暴雨区动力条件的α中尺度时间变化与特定的大尺度环流背景下高低空急流的演变有密切的关系。降水的中尺度特征分析表明：暴雨过程中5场暴雨的发展和间歇对应5个 α 中尺度系统的发展和减弱,暴雨是由19个 β 中尺度系统直接造成19个 β 中尺度大雨团形成。进一步分析表明：强降水主要发生在地面静止锋和锋前暖区的中尺度切变线（或中尺度辐合线）和中尺度涡旋或中尺度辐合中心附近,中尺度涡旋内的降水是由飑线上 γ 中尺度对流单体形成的“列车效应”产生的,而中尺度切变线附近的降水则是飑线的发展合并加强产生的。发生在冷式切变线附近的强降水移动速度较快,发生在暖式切变线附近的强降水移动缓慢,发生在辐合中心的强降水在原地发展达最强后随辐合中心转为切变线减弱或直接在原地减弱消失而结束。     

1998年一次梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断分析

文中利用观测资料(包括部分‘四大科学试验'资料)和高分辨率数值模拟结果,对1998年6月16～17日发生在赣闽浙沿武夷山北麓地区的梅雨锋暴雨中尺度对流系统特征进行了分析研究。分析表明:(1)本次梅雨锋暴雨发生在对流层中低层中β尺度低压南侧的中尺度辐合线上;在弱的风垂直切变环境下,梅雨锋中α对流云系中有数个中β尺度云呈塔状强烈垂直发展,它们是造成暴雨的中β尺度对流系统。(2)基于加密探空观测的对流有效位能计算显示,赣闽浙沿武夷山北麓地区的强暴雨发生前,最大对流有效位能可达到2600J/kg;通过时间加密的探空观测有可能捕捉对流有效位能的中尺度变化特征。(3)利用高分辨率模拟结果对赣闽浙沿武夷山北麓的暴雨中β尺度对流系统(中β降水云塔)的结构分析显示,强烈发展的中β降水云塔为有利的中尺度动力配置结构,即对应着一个狭窄的、从地面伸展到250hPa的正涡度区,其1.5m/s的垂直上升运动与低层强辐合和高层强辐散相伴随。(4)通过分析与诊断,提出了低层中尺度辐合线上强烈发展的梅雨锋暴雨中β尺度对流系统的气流运动图像,即:在对流层低层,空气从西南和西北两个方向流入中β降水云塔区,在云塔中垂直(略向东倾斜)上升;靠近云塔南(北)侧边缘的上升气。     

陕西北部一次对流性特大暴雨的中尺度分析

利用常规气象资料、FY-2E卫星云图资料、榆林CINRAD/CB雷达资料和NCEP1°×1°再分析资料,对陕西北部绥德县2012年7月15日夜间一次短时特大暴雨过程进行分析,结果表明:高对流有效位能为大暴雨积累了能量条件,850hPa两条湿舌为该次大暴雨的主要水汽来源。850hPa的"人"字型切变和地面中尺度低压加强了暴雨区辐合上升运动,干线过境触发了强对流天气的爆发。强降水时段在卫星云图上表现为2个中尺度对流系统(MCS)合并增强且缓慢移动;雷达回波显示3个对流单体发展较快,后向传播且合并增强为深厚的湿对流风暴,其中一个对流单体有中气旋生成,水平尺度12km,垂直累积液态水含量65kg/m2,并有三体散射现象,强降水开始后,三体散射消失。     

陕西中部一次局地暴雨中尺度分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°的6 h分析资料和FY-2C卫星云顶亮温资料,对2009年7月26日陕西中部的一次局地暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明:暴雨形成与低层地面中小尺度辐合系统、卫星云图上β中尺度对流系统等密切相关。深厚、稳定的低涡低层辐合、高层辐散的垂直结构及位势不稳定特征为暴雨区强烈上升运动的发展和维持提供了有利的环境条件。     

东北地区一次短时大暴雨β中尺度对流系统分析

为了探寻东北短历时暴雨的预报线索,利用自动站、卫星和常规气象观测资料相结合的方法,研究2006年8月10日最大1 h雨量达到90.8 mm(泰来,其中,后半小时降水82 mm)的东北中西部百年一遇短历时特大暴雨中尺度对流系统(MCS)发展过程,及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制.通过红外卫星云图和高分辨率的可见光云图,分析MCS如何从一个γ中尺度发展为α中尺度对流复合体(MCC)的过程.分析表明,与6个市(县)半小时雨量超过33 mm相关联的MβCS分别发生在2个阶段,第1阶段在MCC形成之前,MβCS主要向东移动(最后合并成MCC),第2阶段,在MCC成熟阶段.MpCS出现在MCC的西南边缘,而且最强短历时暴雨就发生在这里.从分辨率更高的可见光云图上可以发现,有北、西两条积云线,它们交汇的地方MβCS强烈发展并产生暴雨.分析MCS加强和产生暴雨的原因表明:(1)暴雨发生前夕暴雨区域具有高温、高湿和对流性不稳定层结,并存在明显的对流有效位能增加、抬升凝结高度及自由对流高度降低的现象,有利于暴雨发生;(2)β中尺度云团之间的合并,使MCS迅速发展,产生暴雨;(3)北、西两条积云线分别与地面风场中的两条辐合线相对应,在它们交汇处的较强辐合导致β中尺度云团强烈发展产生暴雨.分析MCS在MCC西南方向传播的原因表明,两条辐合线的移动方向和速度决定了暴雨MCS的传播方向.另外,偏北气流的出现和新老云团的新陈代谢过程是触发暴雨的关键因素.上述分析结果也为短历时暴雨的预报提供了有用的线索.     

一次湖南暴雨过程β中尺度系统分析与模拟

利用常规观测资料、卫星观测的高时空分辨率TBB资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2010年6月19-20日湖南一次大范围暴雨过程β中尺度系统活动特征进行了分析,并利用中尺度模式WRF对暴雨过程进行了数值模拟研究。结果表明:(1)在有利的大尺度环境条件下,存在多个β中尺度系统,主要强降雨团与地面中尺度辐合线活动相联系。(2)卫星资料分析显示,该β中尺度系统首先在α中尺度对流云团前部生成,新的β中尺度系统总是在母体对流云团前被激发出来。(3)模拟输出的高分辨率资料分析结果与观测实况相一致,β中尺度系统首先在天气尺度低涡的前部生成,并有多个β中尺度系统同时活动;在中尺度系统活动过程中,β中尺度系统向下游传播,并存在合并现象。(4)强烈发展的β中尺度系统具有从地面延伸到200 hPa以上的正涡度柱,并配合中低层辐合和高层辐散的散度结构。     

2003年江淮梅雨期一次特大暴雨的研究——中尺度对流和水汽条件分析

本文对2003年7月4日-5日江淮梅雨期间的一次特大暴雨过程进行了多尺度的详细分析.环流背景、中尺度对流云团和水汽条件分析表明,这次特大暴雨是在典型梅雨的有利环境背景形势下,由梅雨锋上的中尺度对流系统造成的,地面低压、低层切变线及西南低空急流与这次特大暴雨过程有着密切的关系.强降水中心与中尺度对流云团的关系十分密切,中β尺度云团的生成合并增强,和其中中γ降水系统的存在,导致了降水强度的局地性差异.江淮流域主要表现为经向水汽通量的辐合区,强水汽通量舌与低层高θse的舌区一致,暴雨过程中水汽的快速集中主要是通过风场散度项造成的,局地风场的辐合在水汽快速集中起主要作用.低层充沛的水汽则通过气旋性涡度柱中的强上升气流输送到对流层的中高层.     

暴雨中尺度对流系统研究的若干进展

中尺度对流系统是造成暴雨的重要影响系统.为了加深对暴雨中尺度对流系统的认识,有必要总结和继续研究中尺度对流系统(MCSs)的组织模型、结构以及发生发展机制.因此,对产生暴雨的MCSs的相关研究进展进行简要综述,主要包括MCSs的定义、分类、时空分布、平均生成环境、组织模型和演变,MCSs的结构特征和发生发展机制,MCS...     

Impact of 4DVAR assimilation of rainfall data on the simulation of mesoscale precipitation systems in a mei-yu heavy rainfall event

The multi-scale weather systems associated with a mei-yu front and the corresponding heavy precipitation during a particular heavy rainfall event that occurred on 4 5 July 2003 in east China were successfully simulated through rainfall assimilation using the PSU/NCAR non-hydrostatic, mesoscale, numerical model （MM5） and its four-dimensional, variational, data assimilation （4DVAR） system. For this case, the improvement of the process via the 4DVAR rainfall assimilation into the simulation of mesoscale precipitation systems is investigated. With the rainfall assimilation, the convection is triggered at the right location and time, and the evolution and spatial distribution of the mesoscale convective systems （MCSs） are also more correctly simulated. Through the interactions between MCSs and the weather systems at different scales, including the low-level jet and mei-yu front, the simulation of the entire mei-yu weather system is significantly improved, both during the data assimilation window and the subsequent 12-h period. The results suggest that the rainfall assimilation first provides positive impact at the convective scale and the influences are then propagated upscale to the meso- and sub-synoptic scales.
Through a set of sensitive experiments designed to evaluate the impact of different initial variables on the simulation of mei-yu heavy rainfall, it was found that the moisture field and meridional wind had the strongest effect during the convection initialization stage, however, after the convection was fully triggered, all of the variables at the initial condition seemed to have comparable importance.     

山区地形对暴雨的影响

利用常规气象观测资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料、区域自动气象站资料与NECP/NCAR 1°×1°逐6 h全球再分析资料,对2016年7月3—4日梵净山东南侧暖区特大暴雨的中尺度系统演变与环境场特征进行了分析。结果表明：（1）该过程暴雨发生在副热带高压西北侧高空槽区、低层暖切变南侧、低空急流左前端及高空200 hPa分流辐散区,主要影响系统为500 hPa高空槽和850 hPa暖切变线,地面无明显冷空气影响,属贵州暖区极端暴雨。（2）此次暖区暴雨是由4个对流云团连续影响直接造成,强降雨出现在对流云团中心附近及其后侧云顶亮温（T_BB）等值线梯度大值区。（3）暴雨由积状云为主的混合降水回波造成;暖云层和湿层深厚、低层水汽输送充沛、异常偏低的自由对流高度（LFC）和抬升凝结高度（LCL）及中等强度“瘦高”型对流有效位能分布,是形成高效率降水的有利环境条件。（4）梵净山对水汽向北输送具有阻挡作用,使水汽通量大值带和水汽辐合中心集中在其东南侧;边界层偏东风在山前转向南流与南来偏南气流在暴雨区形成东西向稳定中尺度辐合线,对流在辐合线附近触发、合并、加强和东移是造成特大暴雨的重要原因;迎风坡和喇叭口地形的中小尺度动力强迫有利于边界层水汽输送和抬升凝结。

     

论河南“75.8”特大暴雨的研究:回顾与评述

“75.8”河南特大暴雨的发生已经过去40年了,它在人们的记忆中留下深刻的印象。这场暴雨在1975年8月5—7日3 d之内在河南南部的局部地区降下了1605 mm的总雨量,1、3、6、12 h雨量均破中国降水的历史记录。由于水库垮坝,洪水夺走了该区约2万6千人的生命,经济损失巨大。在这40年间,中国的暴雨研究和预报都取得了重大的进展。其中一个重要原因是中国的气象和水文部门从这场空前强烈的大暴雨和大洪水事件中吸取了宝贵的经验教训,多年来,以这场超级大暴雨洪水为借鉴,不断促进和鼓励中国气象学家向暴雨研究和预报发展的更高目标前进。有感于此,回顾和评述了当年老一辈科学家在比较艰苦的条件下所进行的这次大暴雨的研究活动,以及所获得的卓越科学成果。即使从今天来看,其中不少成果也具有创新性的意义,在中国暴雨研究的发展史上,占有十分重要甚至里程碑式的地位。文中重点对其中的关键科学问题进行了评述,包括:(1)“75.8”特大暴雨的雨情和极值;(2)“75.8”特大暴雨发生的原因;(3)“75.8”特大暴雨的动力诊断;(4)暴雨中尺度分析;(5)地形对暴雨的增幅作用。希望以此纪念河南“75.8”特大暴雨发生40周年,并表达对参与此次研究活动的老一辈科学家深深的怀念和敬意。     

Mesoscale Analysis of a Heavy Rainfall Event over Hong Kong During a Pre-rainy Season in South China

During the Heavy Rainfall Experiment in South China （HUAMEX） of 1998, a record heavy rainfall event occurred in the delta of the Pearl River during the 24 hours from 1200 UTC 8 June to 1200 UTC 9 June, 1998, and a 24-hour precipitation maximum of 574 mm was reported in Hong Kong. In this paper, some mesoscale characteristics of this heavy rainfall event are studied using data from satellites, Doppler radar, wind profilers, and automatic meteorological stations collected during HUAMEX. The following conclusions are drawn： （1） During this heavy rainfall event, there existed a favorable large-scale environment, that included a front with weak baroclinity in the heavy rain area and with an upward motion branch ahead of the front. （2） Unlike most extratropical or subtropical systems, the closed low in the geopotential height field does not exited. The obvious feature was that a southerly branch trough in the westerlies existed and Hong Kong was located ahead of the trough. （3） The rainfall areas were located in the warm sector ahead of the front, rather than in the frontal zone, which is one of the characteristics of heavy rainfalls during the pre-rainy season of South China. A southerly warm and moist current contributed to the heavy rainfall formation, including the transportation of rich water vapor and the creation of strong horizontal wind convergence. （4） The observations show that the heavy rainfall in Hong Kong was directly caused by a series of meso β systems rather than a mesoscale convective complex （MCC）. These meso β systems moved with the steering current in the lower-mid troposphere, their life cycles were 3-6 hours, and their horizontal sizes were 10-100 km. （5） The disturbances in the lower and mid troposphere, especially that in the planetary boundary layer （PBL） were very shallow. However, they are a possible trigger mechanism for the occurrence and development of the mesoscale convective systems and related heavy rainfalls. Finally, a conceptual model of the heav     

江西中西部地区一次暴雨过程的地形敏感性试验

利用常规气象观测资料、区域自动站资料、卫星云图和雷达产品及NCEP再分析资料,对2016年7月9日新乡暖区特大暴雨过程成因进行了综合分析。结果表明:该过程强降水持续时间长、强度大、分布不均匀、致灾严重,属暖区极端强降水,500 hPa低涡和700 hPa切变线是其主要影响系统;台风外围东南暖湿气流在太行山迎风坡(新乡西部)辐合抬升使特大暴雨区上空长时间维持深厚湿层,500 hPa低涡南压所携带的弱冷平流与低层暖平流在新乡上空叠加进一步增加了大气层结不稳定,为暴雨发生提供了水汽和位势不稳定条件;200 hPa显著分流区“抽吸作用”、太行山地形抬升和中低层低涡和切变线使新乡上空出现深厚垂直上升运动是暴雨形成的动力机制;华北中南部大范围高湿环境、深厚暖云层和湿层以及异常偏低的自由对流高度和抬升凝结高度与中等偏强的对流有效位能,是导致新乡高降水效率的有利条件;新乡强降水中心由2个孤立的β中尺度对流系统(M_βCS)合并造成,其系统内部若干低质心对流单体则由太行山东侧山前长时间维持的中尺度辐合系统产生;雷达反射率因子反映出低质心暖云降水回波特征,强回波列车效应明显,新乡特大暴雨由积云(对流)为主的积层混合降水回波长时间滞留造成。

     

一次华南暴雨过程的数值模拟———中尺度对流系统形成发展机制

2008年6月11-13日在华南地区出现了特大暴雨,这主要是由一系列中尺度对流系统(MCS)的相继生成,合并和强烈发展导致的.该研究利用新一代中尺度数值模式WRF对此次暴雨过程进行数值模拟,重点研究此次强降水过程中MCS发生、发展和演变过程及其相关物理机制.在MCS的生成过程中,由于西南涡的存在导致MCS始终处于正涡度环境中,正涡度导致的低层辐合与大气静力不稳定都是重要的MCS启动机制,这两者的共同作用有利于MCS的生成与加强.MCS形成后,在强垂直切变的环境中,倾斜抬升机制发生作用,更进一步加强了环境涡度,形成有利的正反馈过程,造成MCS迅速发展.这些加强的MCS和大尺度环境流场相互作用,造成了它们的合并.在MCS的分裂过程中,马氏力起着重要作用.     

地表热通量对陕南强降水的影响

基于北京“7.21”特大暴雨个例,设计了一种考虑地形不确定性对降水影响的集合预报方案,在对该方案进行初步评估的基础上,重点通过计算相关系数、扰动总能量和尺度分解,对包括地形扰动方案在内的4种集合预报方案（初值、多物理、地形、初值-多物理混合）中离散度演变的异同性进行了分析。结果表明：（1）考虑模式地形不确定性的扰动方案,在不影响集合平均降水预报质量的基础上,对集合降水预报的离散度和概率预报略有正贡献。（2）离散度空间结构的演变与天气形势的演变密切相关。不同扰动方案产生的离散度在初始时刻的空间分布各不相同,但随模式向前积分其离散度的相似度快速增大,其中0-6 h内增长速度最快,离散度场之间的相关系数可以超过0.6。混合方案与单一扰动方案相比,对离散度空间结构的贡献不大。（3）虽然不同方案的离散度空间结构相似,但其幅度却存在明显的差异,如地形扰动方案的离散度幅度明显小于初值扰动和物理过程扰动方案。混合方案可以增加原单一扰动方案的离散度振幅,但这种增加在高层明显,而在近地面层并不明显,因而增加降水和其他近地面大气变量的离散度要比增加上层大气变量的离散度更困难。（4）尺度分离的结果表明,随着空间尺度的增大和积分时间的延长,不同扰动方法产生的离散度结构会逐渐变得相似,但在积分早期（<12 h）和较小的空间尺度（<448 km）上离散度结构的差异仍明显,并且在较小的空间尺度（<448 km）上,不同扰动方法产生的离散度幅度有明显的差异。所以对于小空间尺度系统或甚短期预报,选择扰动方案比大尺度和较长期的预报更重要。以上研究可为集合预报如何合理采用不同扰动方案或不同方案的组合提供科学依据。     

陆面参数的扰动对一次西北暴雨模拟影响的研究

利用中尺度模式WRFV2．2及NCEPFNL资料,模拟了2007年6月16—17日的兰州暴雨,检验此次暴雨模拟对NOAH陆面模式参数初始扰动的敏感性。结果表明,此次模拟暴雨对陆面参数的扰动（如土壤孔隙度以及地表反照率的扰动）比较敏感;陆面参数扰动对此次暴雨模拟影响的最小时间尺度小于10h;陆面参数的扰动直接引起地表通量的变化,更为重要的是通过改变水汽输送的环流形势,从而对暴雨模拟产生较大的影响。     

基于IPCC AR4部分耦合模式结果的21世纪长江中下游强降水预估

利用IPCC AR4气候模式诊断和相互比较项目(PCMDI)20世纪模拟试验资料, 通过模式气候态与观测(再分析)气候态的对比, 从存有完整逐日降水资料的14个模式中挑选出7个对东亚模拟较好的模式(即gfdl cm2.0、 gfdl cm2.1、 cgcm、miroc(m)、 cnrm、 echam、 cgcmt47)。然后, 利用这7个模式在A1B、 A2、 B1三种不同温室气体排放情景下21世纪预估试验结果, 分析长江中下游强降水的未来演变。结果表明: 不同模式模拟结果有较好的一致性。相对20世纪后20年(1980—1999年)的平均而言, 21世纪不仅年平均强降水日数、 单次强降水强度呈现上升趋势, 且其年际变率也增强; 就不同排放情景比较而言, A1B、 A2情景下强降水频次与强度的增强趋势均比B1情景下要大; 就多模式平均来看, 在A1B、 A2、 B1排放情景下, 强降水频次分别增加约30%、 20%、 l5％, 强降水强度分别增加约20%、20%、 10%, 强降水频次的年际标准差在三种情景下均增加约20%, 强降水强度年际标准差分别增加约20%、20%、 10%。这些结果意味着, 未来不仅强降水增加, 且极端暴雨、 大暴雨易于出现, 旱涝也将更为频繁。