梅雨锋云系的结构特征及其成因分析

利用逐时卫星遥感观测资料和地面测站的降水资料，分析了江淮流域2003年6月22～26日暴雨过程中梅雨锋云系的演变、结构特征和形成原因。结果表明，梅雨锋云系为一条TBB的低值带，稳定少动，其上分布着中尺度对流系统（MCS），而中尺度对流系统是由不同尺度、不同强度．的对流单体（包括中β和中γ尺度对流单体）组成的，从而使得梅雨锋云系产生不均匀的降水分布（包括时间上和空间上）。在该暴雨过程中，梅雨锋云系充分体现了中尺度对流系统中所包括的3类组织结构形式。梅雨锋云系与中高纬度云系或热带辐合带云系之间的相互作用与暴雨过程关系密切，梅雨锋云系的维持和发展与强大的黄淮气旋云系直接相关，它是江淮流域上空冷暖气流交汇的结果。     

梅雨锋云系的模态研究I：主导模态

利用经验正交函数（EOF）分解方法,对1998～2008年梅雨活跃期共16次过程每3 h间隔的静止卫星云顶亮温（也称相当黑体亮度温度,即Black Body Temperature,以下简称TBB）的距平场进行计算,获得了梅雨锋云系的主要模态。经检验,前7个模态为独立模态,方差贡献分别为7.78%、5.83%、5.20%、4.27%、4.19%、3.62%和3.36%。这7个独立模态反映梅雨期间云系主要的异常特征。各模态相似云图中的云系与气候态相比出现位置偏移与形状变化,表明梅雨锋云系随主导环流系统的演变而发生断裂、减弱、消散、重建的过程。从各模态相应的大气环流配置来看,气候态梅雨锋云系对应的大气环流为三阻型梅雨形势。另外7个主导模态的大气环流基本可以划分为两类,一类为阻塞高压型,中高纬地区存在阻塞高压活动,在第2模态正位相,第4模态负位相,第5模态正位相和第6模态正、负位相以及第7模态正位相对应的500 hPa环流形势上都可以看到这一特点;另一类为槽脊型,中高纬地区阻塞高压活动不明显,等高线为一槽两脊或两槽一脊型分布,与这种环流形势相关的模态有第1模态正、负位相,第2模态负位相,第3模态负位相,第4模态正位相,第5模态负位相和第7模态负位相。     

应用双光谱云图判识梅雨锋云系降水等级

用１９９１年梅雨期间的部分ＧＭＳ红外，可见光数字云图及同时的地面实测降水资料，从分析各等级降水云的二维频数分布着后，探求降水强度与红外，可见光亮度值之间的关系，最终实现用红外，可见光双光谱阈值法判识大暴雨，暴雨，大雨，中小雨４个等级的降水云。     

1991年梅雨锋暴雨与锋生环流的诊断分析

利用原始方程模式锋生环流诊断方程对１９９１年７月一次梅雨锋暴雨过程进行诊断分析。计算结果表明，锋面横向次级环流在低层是一个热力正环流，低空急流出口区的次级环流使锋面附近的上升运动得到加强：１００ｈＰａ青藏高压东侧的偏北风与中层的偏南风耦合形成择流层上层的反环流叠加在锋面横向环流上形成深厚的上升气流区是暴雨发生的动力条件。     

梅雨锋云系内对流回波与层状回波的研究

本文利用1998年“淮河流域能量与水分循环试验（HUBEX）”所获得的大量雷达资料及遥测雨量计计资料，细致分析了淮河流域梅雨锋云系的结构，根据层状云和对流云在雷达回波图中的不同特征，本文提出用松散系数D（反映云系结构疏松程度）来区分大范围云带中的降水云类型，同529张PPI资料统计表明，若D＞0．17则说明该区结构松散，降水属于层状云降水，D≤0．17时，云区是对流性降水，由于梅雨锋水具有明显的不均匀结构特征，其中锋面对流云带和强下挂回波带是造成强降水的主要原因，在用地面雨量资料和雷达资料对地面降水进行短时（3小时以内）校正时，针对不同的降水类型采用不同的Z－R关系比用同一种Z－R关系的校正精度大约提高4％。     

梅雨锋云系的模态研究Ⅱ：出现频率及转换特点

基于经验正交函数（EOF）分解方法提取的1998～2008年梅雨活跃期共16次过程的梅雨锋云系主导模态,讨论了这些主导模态的发生频率、维持时间及相互转换特征。结果表明,在16个梅雨活跃期内,云系的第1主导模态正相位出现的频率最高,并且在4个活跃期内作为首次出现模态率先出现;第5模态正位相的出现频率最低,且该模态多数伴随其他模态一同出现,为过渡模态。统计发现,各主导模态的维持时间并不相同,其中第2模态负位相持续时间最长,为81 h;第5模态正位相的最大持续时间最短,仅为18 h;第6模态负位相的平均持续时间最长。对不同主导模态转换方向和频次的计算表明,各个位相的模态最多（最少）向9种（3种）（含正负位相）其他模态进行转换。除第6模态负位相和第5模态负位相向其他模态的转化具有较好的方向性外,其他模态间的相互转换多表现出随机性特征。其中,第6模态负位相在超过半数的情况下向第5模态负位相转换,而第5模态负位相则多向第3模态正位相和第1模态负位相进行转换。     

一次典型梅雨锋锋面结构分析

1999年梅雨期在长江中下游维持着一条典型的梅雨锋 ,锋面和梅雨雨带呈东西走向 ,从中国的四川省一直延伸到日本。锋面两侧的温度及湿度对比明显 ,并且其上有数个中间尺度的低涡沿梅雨锋依次向东移动发展 ,在长江中下游造成严重的梅雨暴雨和洪涝。文中分析了 1999年这次典型梅雨锋的锋面结构。结果表明 ,从温度场看 ,由于梅雨区对流和降水的显著发展 ,梅雨锋的低层温度对比几近消失 ,其中上部仍具有典型的上宽下窄的锋面结构 ,锋面随高度向北倾斜。在低层经向温度场呈现复杂的暖 -冷 -暖的结构 ,即北部华北平原为地面感热加热造成的相对较暖的变性极地大陆气团 ,中间为冷空气南下和降水冷却造成的相对较冷的梅雨区 ,南部是相对较暖的热带海洋气团。在这种温度场下 ,由北部低层变性暖气团与梅雨区偏冷空气形成了明显的温度对比区 ,文中定义这个区域为梅雨赤道锋。因而 ,在低层东亚梅雨区的锋区结构由梅雨赤道锋和减弱的梅雨锋构成。在 6 0 0hPa以上前者消失 ,只有单一的极锋型的梅雨锋结构。在此分析的基础上文中给出了东亚梅雨期锋面结构模型图。另外还指出 ,从假相当位温场分析 ,主要表现出梅雨区的深厚对流。降雨引起了高θse带及其南北高θse梯度区 ,其北侧高θse梯度区大致相当于梅雨锋 ,而南侧高θs     

梅雨锋锋生过程的诊断分析

本文分析了一次梅雨锋的锋生过程,并利用锋生函数和温度平衡方程,讨论了影响梅雨锋形成和维持的因子。结果表明:感热加热是使江淮流域低层锋区消失的主要原因,潜热加热以及水平运动造成的变形是维持梅雨锋存在的重要因素。     

台湾地区中尺度试验期间梅雨锋及其对流云团的研究

本文对台湾地区中尺度试验(TAMEX)中的两次IOP(加密观测期)过程进行了诊断研究,结果表明: (1)1987年5月13日至17日,台湾地区的对流系统活跃.究其原因,主要系两次锋面过境所致.这两条锋面的温度梯度比长江流域一般的梅雨锋要强.梅雨锋上的对流云团与降水直接有关. (2)高空东移短波槽与梅雨锋的有利配合,是造成台湾地区出现较大降水的重要原因、IOP2有高空短波槽配合,因而降水比IOP1大、槽与锋面的配合,使对流层中低层正涡度区加强,这与华南前汛期暴雨的特征有某些相似之处。 (3)由每小时一次的GMS卫星云图上发现,在此期间台湾地区发展的对流云团与大陆的系统联系密切.此外,NCAR飞机落仪探测资料表明,与环境相比,云团内部有较深厚的湿层;时空加密探空资料的计算结果显示,700hPa以下的水汽主要来自水平方向的辐合,而在高层主要来自垂直输送.对于活跃的云团而言,上述特征更加明显.     

广西前汛期冷锋云系中尺度对流云团卫星云图特征分析

通过对1994～2002年间9次由冷锋云系中尺度对流云团分析,发现广西前汛期冷锋云系中尺度对流云团的源地主要是黔西南和黔中;移动方向是东或东南;当环境云场强度指数≥28有利对流云团的发展,≤26时不利对流云团的发展;初步研究了中尺度对流云团生命史不同阶段的卫星云图形态特征,给出了中尺度对流云团降水的时空分布特征。     

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.     

梅雨锋暴雨中云物理过程的观测和数值模拟

Cloud micro-physical structures in a precipitation system associated with the Meiyu front are observedusing the balloon-borne Precipitation Particle Image Sensor at Baoshan observatory station, Shanghaiduring June and July 1999. The vertical distributions of various cloud particle size, number density, andmass density are retrieved from the observations. Analyses of observations show that ice-phase particles(ice crystals, graupel, snowflakes, and frozen drops) often exist in the cloud of torrential rain associatedwith the Meiyu front. Among the various particles, ice crystals and graupel are the most numerous, butgraupel and snow have the highest mass density. Ice-phase particles coexist with liquid water dropletsnear the 0℃ level. The graupel is similarly distributed with height as the ice crystals. Raindrops belowthe 0℃ level are mainly from melted grauple, snowflakes and frozen drops. They may further grow largerby coalescence with smaller ones as they fall from the cloud base. Numerical simulations using the non-hydrostatic meso-scale model MM5 with the Reisner graupel explicit moisture scheme confirm the mainobservational results. Rain water at the lower level is mainly generated from the melting of snow andgraupel falling from the upper level where snow and graupel are generated and grown from collection withcloud and rain water. Thus the mixed-phase cloud process, in which ice phase coexists and interacts withliquid phase (cloud and rain drops), plays the most important role in the formation and development ofheavy convective rainfall in the Meiyu frontal system.     

95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析

利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。     

对梅雨锋降水云微物理结构的摄像探空观测和分析

利用球载摄像空仪对梅雨锋降水云微物理结构进行了观测，得到云中5类型粒子（冰晶、霰、雪片、冻滴、雨滴）直径、数浓度、质量浓度的垂直分布及各高度层上的温、压、湿分布。对观测结果的分析表明：在梅雨锋雨带的对流云团中，冰晶、霰和雪片对降水形成起着重要作用。     

多单体冰雹云降雹过程特征

１９９５年６月１４日辽宁省中南部一次多单体冰雹云降雹形成于冷锋系统，先后在４个地区降雹。当冰雹云在ＰＰＩ上回波强度大于６０ｄＢｚ，回波顶部出现Ｖ形并且在ＲＨＩ上回波宽度大于２０ｋｍ时，将出现降雹。     

河北冬季一次冷锋降雪云系微物理演变特征综合观测分析研究

利用河北省中南部地区皇寺国家观测站布设的毫米波云雷达、微雨雷达结合飞机等联合观测数据，对2019年2 月14日河北中南部地区一次冷锋降雪云系微物理演变特征进行分析，探讨雷达回波与冰雪晶粒子微结构的关系，以便更好地认识该地区自然降雪的宏微观结构特征。研究结果表明：降雪初生阶段表现为双层云结构，中云云顶高约4100 m，云底高约3600 m，低云云顶高约3100 m，云底高约200 m，中间存在一干层，3000 m以下高度粒子增长以凇附过程为主。降雪发展阶段上下两层云相接，雷达回波强度较强的时段地面降水量也较大，该时段降雪过程主要以凝华〖CD*2〗聚并增长为主。降雪后期回波强度最大值减小，云顶高降低，3000 m以下高度范围内回波强度、多普勒速度、谱宽随高度降低呈增大趋势；飞机观测结果显示，降雪消散阶段逆温层底部由于水云云层较薄，催化潜力较小,冰雪晶粒子主要位于云的中上部，随着高度降低，冰雪晶粒子在下落过程中增大，与雷达观测结果一致，毫米波云雷达和微雨雷达反射率因子随高度变化与降水粒子有效粒径之间相关系数分别为0.89和0.83, 雷达反射率因子主要受冰雪晶等大尺度粒子主导。     

1991 年6月江淮持续暴雨的云系特征分析

通过对GMS静止卫星的红外数据处理，获得了1991年夏季江淮梅雨期暴雨大范围的平均云分布。对1991年6月6次江淮暴雨过程逐时和3小时的GMS红外云图动画和照片的分析，得到了该地区梅雨期暴雨的三种中低纬云系相互作用的云型演变模型图，并利用由卫星气象中心处理的NOAA卫星的TOVS水汽反演资料，结合低层的θse和急流分析，给出了1991年6月江淮暴雨的水汽输送的一些特征。