梅雨锋上边界层中尺度扰动涡旋的个例研究

运用实况自动站、高时空分辨率的雷达和数值模拟资料,对2009年7月24日的梅雨锋暴雨过程进行了分析,结果表明:(1)锋面南侧的暖区弱降水环境内,近地面的风场会有扰动涡旋出现,随着扰动涡旋趋于稳定和向上发展,降水迅速加强,形成短时暴雨,并伴随有大风出现。(2)偏西气流从边界层开始发展并加强为急 流,在向东推进的过程中逐渐抬升,形成了一支从边界层倾斜入对流层低层的急流轴;而偏南气流与偏北风相遇之后,不仅形成风向的辐合和切变,而且在空间上被抬升,形成了一支斜升入流。(3)在近地面风场的切变和 辐合作用下,锋生与辐合同步加强,边界层内的涡度也逐渐增强,由此带动了扰动的发生发展,扰动涡旋在边界层内率先形成,随后,在急流的东传和抬升影响下,扰动涡旋也逐步向东移动、向上发展。(4)近地面风速的加强、风向的辐合切变导致了扰动涡旋的发生和形成,并逐渐发展,这是边界层中尺度扰动涡旋发生发展的动力 因子。     

梅雨锋结构特征及与锋上涡旋扰动关系的诊断分析

利用1999年6月下旬持续性梅雨锋降水过程的模拟结果以及野外实验的加密资料，对这次梅雨锋过程进行诊断分析， 发现梅雨锋主；要表现为中层锋面，强度比边界层锋强，低涡沿中层锋面南缘移动。中层锋强的演变对两类低涡（西南涡和局地涡）发展的影响程度不同。对于东移明显的西南涡，梅雨锋强度的加强比低涡提早6小时以上。而对于长江中游的局地涡，锋面最强与低涡最强出现的时间却比较接近。梅雨锋中层锋面发展最强的位置与低涡发展最强的位置在东西方向上基本重合，基本在同一经度上。因此，低涡暴雨扰动加强发展区的北侧正是前期持续锋生所在，并且锋生的位置在东西方向上基本不随时间发生位移。当低涡移经该地时，低涡强度最强， 随后低涡东移并且强度减弱，锋面大值带也减弱并随低涡向东传播。     

江淮梅雨锋暴雨过程中尺度系统的演变及结构特征分析与研究

利用HUBEX试验期间的IOP资料以及合肥多普勒天气雷达的信息以及中尺度数值模式,分析研究了发生在1999年6月20～30日江淮流域的梅雨锋暴雨过程.研究发现:α中尺度辐合线主要位于700hPa以下中低层;当有强降水发生时,辐合线上有明显的β中尺度气旋波动发生.与其相配合,多普勒雷达反射率图上存在一片约20km×20km且强度在40dBZ左右,回波顶高为7～8km,液态水垂直累积含量(Vil)约为10kg/m2的回波区,其尺度为γ中尺度.它的出现与锋生次级环流有着十分密切的关系,且由大尺度凝结潜热和对流凝结潜热强迫的次级环流对它的发生发展起着主导作用.     

梅雨锋两类中尺度低压(扰动)及其暴雨的数值研究

对1999年6月梅雨锋频发型中尺度低压(扰动)及其暴雨代表个例,利用区域中尺度数值模式MM5进行了数值研究.基准试验成功复制出中尺度低压(扰动)和暴雨的发生发展过程,系统和降水的演变与强度结果比较合理.借助于高时空分辨率的模式输出,在一定程度上可以揭示中尺度低压(扰动)发生发展较详细的演变过程,同时也可描述出发展演变中某些更加细微的特征和反映对流层高低空气流的特征以及它们之间的相互作用.在基准试验基础上设计的一组数值试验,探讨了同中尺度低压(扰动)暴雨相关的物理过程,包括降水的显、隐式参数化方案,凝结潜热释放,行星边界层过程,局地地形对中尺度低压(扰动)及其所伴暴雨发生发展的影响.这些结果能在更加深入理解梅雨锋上两类中尺度低压(扰动)及其暴雨过程的具体物理图象方面提供一些有益的帮助.     

1991 年梅雨锋云系的中尺度分析

根据数字展宽云图和常规资料分析得到，1991年梅雨期江淮地区大—暴雨大多是由中尺度云团产生的。它主要是:低涡暖切云团和冷切（冷锋）云团。它们的大多数是中—β尺度云团，平均维持时间为5—6小时，平均最低云顶温度为–69℃左右。低涡暖切云团产生于低涡中心东侧，低空急流轴的左前方。而冷切云团产生于梅雨锋云系的尾部与西南季风交汇处。另外，分析了云团云顶温度与降水的关系，发现产生≥5 mm/h降水的云团，其中75%的云团云顶温度小于或等于–64℃。     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究若干进展

梅雨锋暴雨中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统,对其结构特征、活动规律及其发生发展的物理机制的深入研究,对提高梅雨锋暴雨的预报能力有重大意义。近年来对梅雨锋暴雨中尺度对流系统的研究取得了很大进展,文章对梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究的若干进展作了简要综述,包括梅雨锋暴雨云系多尺度结构、梅雨锋暴雨的β和γ中尺度系统发生发展的环境条件和结构、云微物理分布和转化特征及其对热力动力过程反馈等方面,并对有关问题进行讨论。     

引发梅雨锋暴雨的频发型中尺度低压(扰动)的诊断研究

利用再分析资料及加密观测资料,对1999年6月下旬有利大尺度环境条件下长江中下游地区梅雨锋上频发的5个中尺度低压(扰动)进行了诊断研究.由合成分析得到了长江中下游地区中尺度低压(扰动)的基本特征(共性);依其特征将之归纳为两种类型;之后选择两个典型个例分析了它们各自发生发展过程中特征的异同(个性).分析结果揭示了梅雨锋中尺度低压(扰动)的动力和热力结构特征、暴雨过程中对流活动的详细过程及典型雨团的路径和生命史.此外,高山站每小时的风记录等信息反映出低空西南急流和其上大风速中心同中尺度低压(扰动)及暴雨发生演变过程有密切关系.高空急流对中尺度低压(扰动)的发展及暴雨有明显的作用,有无高空西风急流与低空急流的耦合似乎是未来发展与不发展中尺度低压(扰动)之间重要的动力学区别之一.     

1998梅雨锋的结构特征及形成与维持

应用1998年6月中旬的分析资料, 对1998年6月16~17日暴雨时段的梅雨锋结构及梅雨锋的形成与维持进行了诊断分析, 确认了暴雨发生时期梅雨锋结构的一些普遍特征, 如在对流层低层表现为θ_se锋而不是温度的强烈对比, 梅雨锋区是一个低层正涡度带以及风和水汽的辐合带等。同时揭示了1998年6月暴雨时期梅雨锋结构的典型特征:锋区从近地面可伸展到600 hPa层 (一般认为梅雨锋只存在于800 hPa以下), 近乎垂直、略向北倾; 锋区900 hPa以下是一个大气弱对流不稳定区, 向上气层变为潮湿中性直至400 hPa, 等θ_se线基本上呈垂直分布; 锋区斜压性相当弱等。研究表明, 出现强降水时的梅雨锋结构已经变性或者说它是介于温带锋面结构和ITCZ结构之间的副热带锋系结构。分析还认为, 在强盛的南海季风涌和频繁的西风带扰动组配的大尺度有利背景形势下, 低层空气的水平运动和地转偏差风对1998梅雨锋的形成和维持有明显的正贡献。     

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.     

垂直向基流二次切变对梅雨锋中尺度低涡暴雨系统的影响

β中尺度低涡是引发长江中下游地区梅雨锋暴雨的主要中尺度天气系统之一,采用实况统计与数值模拟相结合的方法,对1999—2005年长江中下游地区梅雨期间23个低涡暴雨过程进行分析得出:暴雨一般都发生在中低层低涡南侧的西南急流里,急流的强度和位置直接影响降水落区和强度,低涡所激发的涡旋Rossby波在急流里传播时引发不稳定,产生强降水。根据基本流场风速二次切变理论,进一步研究表明:大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变,而这种情况正是涡旋Rossby波产生的物理根源。当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且高层200 hPa附近引导气流比较强时,低涡移向东北偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中层急流比上下层略强,即U_(ZZ)绝对数值很小,低涡移向东南偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)0,且中低层急流相对于高层急流很强的时候,低涡移向西南向;当垂直向基流在中层的急流很强,上下急流不明显时,低涡移向西或西偏北。因此,垂直向基流风速二次切变是影响梅雨锋中尺度低涡路径的关键因子,这一结论对于梅雨期间低涡暴雨落区预报有很好的指示意义。     

不同同化方案在一次梅雨锋暴雨预报中的应用研究

基于ATOVS辐射率资料和GTS常规观测资料融合,通过不同化任何观测资料的控制试验、3DVAR同化试验和ETKF-3DVAR混合同化试验,对2013年7月4—5日一次梅雨锋暴雨天气过程进行模拟分析。结果表明:混合同化方案能够明显地提高暴雨预报准确率,且有效改善了风场、温度场和相对湿度场等各个气象要素的初始场结构,而这些气象要素对于暴雨的预报准确性具有重要作用。且混合同化方案对于中低层大气改进效果较为明显。在数值积分过程中,随着时间的推移,混合同化方案的优势逐渐减弱。     

A MESO-α-SCALE STUDY OF MEIYU FRONT HEAVY RAIN－PART II: THE DYNAMICAL ANALYSIS OF RAIN-BAND DISTURBANCE

The alternating change of the two meiyu front rain-bands caused by the alternating change between the moist potential vorticities is discussed. The main factors of the change of moist potential vorticity are the vertical and horizontal divergence of moist potential vorticity flux as well as the vertical transport caused by the cumulus mass flux. Also discussed is the possibility that the WAVE-CISK conditional symmetric instability in the baroclinic moist atmosphere leads to the forming of the double rain-bands and their roller-shaped circulation features. Theoretical analyses show that the latitudinal disturbance scale-selection by the primitive moisture model of the latent heat release in cumulus convection depends on the stratification instability parameter (Ri number) and viscous coefficient of eddy.     

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...     

1999年梅雨锋系结构特征的模拟诊断

通过中尺度模式MM5对1999年江淮流域一次梅雨锋暴雨过程的数值模拟,利用高分辨率模拟资料,诊断了江淮地区梅雨锋系的双锋结构特征及相应的大气相当位温、位温和湿度(比湿)分布特征.结果表明,大气位温梯度和湿度梯度均对江淮梅雨锋系双锋结构中相应的两个相当位温梯度大值带的存在有着重要贡献,而湿度梯度的贡献更大.进而从理论上推导了大气湿度梯度倾向方程,指出大气湿度梯度的变化与平流效应、散度效应、水平或垂直涡管(次级环流)效应以及水汽源汇的梯度有关;利用中尺度模拟资料对湿度梯度倾向方程的经向分量进行了简单的方程诊断,模拟时段平均的诊断分析表明,大气经向湿度梯度绝对值的变化主要同散度效应、与水平涡管相关的次级环流效应以及水汽源汇效应相关.由于水汽源汇是由与水汽相关的相变过程造成,与云物理过程的发展和演变直接相关,因此,大气湿度梯度的演变与云物理过程,并进而与云或降水系统的分布、发展和演变相关.梅雨锋系的存在为其附近暴雨中尺度系统的发展提供了有利的环境条件,起到一定的组织或控制作用;反过来,暴雨系统的发展、降水云系的发展和演变,又通过改变大气温、湿状况,对梅雨锋系产生影响.     

梅雨锋的典型结构、多样性和多尺度特征

利用自动站、FY-2E卫星、多普勒雷达及NCEP再分析资料等, 对2015年7月23日皖江地区一次最强梅雨锋大暴雨过程成因进行分析, 重点分析此次过程中短时强降水中尺度特征。结果表明:(1)此次过程是一次典型的梅雨锋对流性暴雨, 贝加尔湖宽广的高空槽及副高和大陆高压的稳定维持是引发大暴雨过程的大尺度背景条件。高空槽、西南涡、地面β中尺度气旋的维持和加强为大暴雨提供了强劲的动力和水汽条件。(2)此次暴雨过程低层辐合明显、高层辐散显著、中层上升运动强盛, 非常有利于低层中尺度涡旋的发生发展。(3)短时强降水发生于边界层辐合由弱变强且趋于最强的时段内, 超低空风速的显著增大对暴雨有着重要作用, 边界层的垂直风切变和700 hPa的干侵入增强了层结的不稳定性。强降水发生时低层锋生明显加强, 锋生函数最强中心的位置与大暴雨区基本一致。(4)短时强降水发生于α尺度对流云团团状中心和皖江西部特殊喇叭口地形处, 且位于地面β中尺度气旋右侧南风气流中。(5)强度弱、底部低、平均切变值小的中γ尺度气旋使低质心、移动缓慢的对流风暴更具组织性, 持续时间明显增加, 更易产生短时强降水。

     

暴雨云团的中尺度扰动特征

本文利用高空常规资料,格距为150km,取λ_(max)=1500km的带通滤波器对长江三角洲地区的暴雨云团所处的环境场(包括风场,高度场和温度场)进行尺度分离,讨论中尺度扰动场与暴雨云团的关系。     

用轴对称的平衡模式对热带气旋发展过程中积云动量垂直混合作用的模拟

经过新中国成立以来多次中尺度天气试验研究,江淮以南地区暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究取得长足进展。其进展主要体现在两个方面:一是用较高分辨率的观测资料（包括地面和高空探测的加密观测以及卫星和雷达的观测）对形成暴雨和强降水的中尺度天气系统的结构特征和生命史过程建立了天气学概念模型,特别是对暴雨和强降水有重要影响的α中尺度和β中尺度对流系统,建立了观测个例的中尺度物理模型;二是探索了暴雨和强降水的动力学和热力学的物理机制,为精细化数值模式的设计提供了理论支撑,为灾害性天气预测预警提供了技术支持。本文在以往暴雨和强降水研究的基础上,着重对暴雨和强降水的中尺度天气科学试验、江淮以南地区暴雨和强降水发生主要区域的中尺度天气动力学研究进行了概述。

     

梅雨锋气旋暴雨的 Q 矢量分析：个例研究

文中对修改的Q矢量(Q*)进行转化、处理后,所得Q矢量(记为QN矢量)与准地转Q矢量具有类似的计算表达式,但其完全用实际风场资料进行计算.结合1991年7月5日20:00-6日20:00 BST的一次典型江淮梅雨锋气旋暴雨过程比较分析表明,QN矢量诊断能力较准地转Q矢量优越,且700 hPa QN矢量散度辐合场对同时期地面降水场的水平分布特征具有较好指示作用.将QN矢量沿以等高线为参照线的自然坐标系进行分解(简称为PG分解),所得各项QNalst矢量(沿流伸展项)、QNcurv矢量(曲率项)、QNshdv矢量(切变平流项)及QNcrst矢量(穿流伸展项)具有明确物理意义.对1991年7月5日20:00-6日20:00 BST此次江淮梅雨锋气旋暴雨过程进行QN矢量PG分解研究表明,QN矢量PG分解可以揭示出天气现象过程中"总"的QN矢量(即QN矢量)难以揭示的潜在物理机制.具体地讲,在梅雨锋气旋不同阶段,QNalst矢量散度场的水平分布特征都与总QN矢量散度场相似,其散度辐合场在总QN矢量散度辐合场中都占有较大比例,对总QN矢量散度对垂直运动产生的激发与强迫作用贡献大,对梅雨锋气旋引发降水的发生始终都起着主要的促进强迫作用.QNcurv矢量在整个梅雨锋气旋暴雨演变过程中,对降水发生的促进作用逐渐减小,直至起到抑制作用.QNshdv矢量对降水发生的促进作用则随着梅雨锋气旋发生发展而明显增强,但随着梅雨锋气旋的东移衰亡,其对降水发生的促进作用迅速减弱,直至对降水的发生基本无影响.对于QNcrst矢量来讲,其在梅雨锋气旋的发生发展及强盛阶段对降水的发生基本不起作用,但在梅雨锋气旋衰亡阶段其对降水发生起着主要促进作用.另外,在梅雨锋气旋发生发展及强盛时期,QNalst矢量与QNcurv矢量、QNshdv矢量与QNcrst矢量的散度水平分布特征相似,只不过强度上存在差异,但无明显相互抵消现象,而在梅雨锋气旋衰亡阶段就不同了,QNalst矢量与QNcurv矢量、QNshdv矢量与QNcrst矢量的散度水平分布特征基本相反,且存在明显的相互抵消现象.可见,通过QN矢量PG分解可以揭示出梅雨锋气旋不同阶段降水的强迫因子是不同的.