梅雨锋暴雨中尺度对流系统的组织特征和触发条件分析

利用常规气象观测、地面加密自动站和多普勒天气雷达资料,结合WRF(Weather Research and Forecast)模式模拟资料,对2015年6月26—28日长江中下游的一次梅雨锋暴雨过程中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)的组织特征和对流触发条件进行分析。结果表明:1)暴雨过程线状MCS在发展初期表现为东西向雨带不断的"后部建立"以及随后对流单体的"列车效应";在发展成熟期,对流单体向东北—西南向发展,形成多个近乎平行的东北—西南向短雨带。呈现2种尺度的对流组织方式:新生对流单体沿着单个雨带向东北方向的"列车效应"和短雨带沿着线状M CS向东平流的"列车带"效应。2)低空急流的持续加强为对流的发生发展提供了条件性不稳定和对流有效位能,偏南暖湿气流在向东北推进的过程中,在风速辐合处被强迫抬升至自由对流高度,释放不稳定能量,触发对流。3)对流雨带内近地面向南的冷出流与低层西南暖湿气流的持续交汇和相互作用有利于新单体生成发展,使雨带得以维持。     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统触发和组织化的观测分析

利用观测和NCEP再分析资料,对2015年6月26-28日江淮流域梅雨锋暴雨天气对流的触发和中尺度对流系统（MCS）的组织方式进行了分析。结果表明:梅雨锋附近发展的2个线状中尺度对流系统是暴雨的直接制造者。MCS2的发展有2种组织方式,26日夜间到27日凌晨,东西向雨带的不断后部建立和随后对流单体的列车效应是其发展的主要方式。27日凌晨到白天,初期新单体不断在线状MCS2的南缘触发,形成多个近乎平行的东北-西南向短雨带,后期梅雨锋锋面雨带从西部不断东移,经过强降水区;对流元有2种尺度的组织方式:新生对流单体沿着单个雨带向东北方向的列车效应以及东北-西南向雨带沿线状中尺度对流系统向东平移的"列车带"效应;持续的后部建立型和沿着同一路径不断的"列车带"效应使MCS2发展和维持。梅雨锋前不稳定空气的地形抬升和边界层辐合上升是初始对流的主要触发机制;26日夜间对流产生的冷池对对流的触发和MCS2的组织化及维持起重要作用,中尺度对流系统的组织特征和发生、发展受近地面环境场制约。      

贵州一次辐合线锋生极端暴雨过程的中尺度特征分析

利用地面常规观测资料及加密自动站观测资料、FY-2G卫星云图、多普勒天气雷达产品和ERA5再分析资料,对2021年5月10日贵州东部和北部的一次辐合线锋生极端暴雨过程中尺度特征进行分析,初步探讨其形成机制。结果表明：此次极端暴雨过程发生在低涡切变背景下,低层强盛的南风为中尺度对流系统发生发展输送了充足的水汽和不稳定能量,地面辐合线及锋生提供了触发条件,暴雨区主要位于云团云顶亮温低值中心西侧或南侧梯度大值区,并沿地面辐合线呈东西向带状分布,最强降水发生在对流云团合并阶段。辐合线锋生作用在其西侧频繁触发对流单体,新生对流单体沿地面辐合线东移发展,持续影响贵州东部和北部地区。在降水最强的两个阶段,雷达回波呈现暖云和悬垂结构特征。地面辐合线及其锋生、上游降水带来的降温增压以及持续增强的南风有利于暴雨区水汽辐合增强,而垂直方向上纬向、经向中尺度次级环流上升支正好位于特大暴雨中心附近,有利于中尺度对流系统维持和增强。     

一次梅雨锋附近“列车效应”致灾大暴雨过程观测分析

2016年7月6日在武汉发生了一次造成城市严重内涝的暴雨过程。本文利用多普勒天气雷达、逐小时地面加密观测资料和EC 0.25°×0.25°细网格模式数据,对这次梅雨锋附近极端暴雨的降水特征、中尺度对流系统演变和暴雨成因等进行了细致分析,结果表明:(1)本次大暴雨是在典型梅雨期环流形势下发生的,副热带高压西北侧的高温、高湿区配合江淮切变线稳定少动,暴雨则出现在西南低空急流风速辐合区,925 hPa西南低空气流的进退有利于东北路冷空气南下,这与雨带的落区和维持有密切联系。(2)梅雨锋狭长雨带上的降水量分布呈现不均匀性,强暴雨主要集中在几个中心,降水中心的分布与梅雨锋附近低层风场扰动有关,梅雨锋雨带上产生大暴雨是一个典型的中尺度对流系统(MCS),沿着西南一东北走向的引导气流移动,湖北特殊地形促使"列车效应"进一步加强。(3)列车线主要由江淮切变线或边界层辐合线附近的中尺度系统扰动形成,地面中尺度气旋性辐合及低空西南急流长时间维持,是形成"列车效应"的主要原因。(4)MCS在雷达回波上有三个明显特征,第一个是MCS在雷达回波形态上属于带状对流,由层状云和列车线共同组成,雨带与西南气流走向一致;第二特征是层状云和列车线移动方向几乎一致,MCS移动方向与列车线走向平行,垂直于列车线的分量很小;第三个是对流单体在列车线上游新生、加强,并向下游移动,对流单体的传播方向和列车线方向相反。(5)西南急流向近地面扩展、"牛眼"结构及风随高度顺转等中尺度系统,促使近地面扰动加强,诱发强降水。     

粤港澳大湾区一次局地极端强降水过程的多尺度观测特征与演变分析

2020年5月22日凌晨粤港澳大湾区发生了一次极端强降水过程,最大小时雨量和3小时雨量打破广东省内“龙舟水”期间的历史最高纪录。利用多源观测数据以及ERA5再分析资料对引发局地极端降水的中尺度对流系统(MCS)的演变过程与中尺度特征开展研究。(1)此次强降水过程主要集中在凌晨时段,具有持续时间短、局地雨强极端、累积雨量大等特点,在3小时的降水过程中出现了两个降水峰值。(2)这次过程为一次暖区暴雨过程,低层西南季风提供了充足的暖湿水汽,低涡切变线提供了良好的抬升条件。中α尺度季风云团呈准静止状态并升尺度增长为MCC(中尺度对流复合体)的过程引发了大湾区夜间局地的极端降水。(3)过程中两个阶段的峰值降水与中γ尺度对流单体生消发展期间的传播与移动矢量发生的改变有密切联系。数个中γ尺度对流单体构成多单体风暴形态,呈西北-东南侧向排列,这些单体先后触发发展并有着各自的地面辐合线。对流单体在环境风引导下向偏东南方向移动引发第一阶段峰值降水。随后不同单体的辐合线连接,对流向西南方向传播显著加快,使对流系统移动矢量发生改变,因而造成第二阶段峰值降水。(4)造成两段峰值降水的中γ尺度对流单体结构存在明显...     

江西省一次短历时暖区暴雨中尺度结构及发生维持机制分析

利用地面和高空、卫星TBB、多普勒雷达和GFS(0.5°×0.5°)逐6 h再分析等资料,对2011年6月10日江西省西北部一次短历时暖区暴雨中尺度结构及发生维持机制进行分析。结果表明:1)此次过程是在有利的高、低空系统配置下发生在梅雨锋南侧的暖区暴雨,边界层急流和低空急流提供了充足的水汽条件,增强低层热力不稳定;高空分流区使大气动力不稳定发展,高低空急流的耦合作用为MCS维持提供了必备的不稳定机制;中低层热力不稳定,中高层对称不稳定,形成此次对流性强降水。2)地面中尺度辐合线、非锋性斜压带、能量锋的抬升作用为MCS生成和发展提够了启动机制。3)低层强盛的水汽输送、层结不稳定和地面持续而强的中尺度抬升使得多个雷暴单体在江西省西北部连续传播,形成"列车效应",降水强而集中。4)在水汽和不稳定条件具备的情况下,暖区对流性强降水发生在强低层辐合与强高层辐散相重迭的区域。     

近10年北京地区极端暴雨事件的基本特征

利用北京地区5 min间隔的自动气象站降水观测资料,SA雷达观测资料、FY-2卫星TBB(Temperature of Black Body)资料、常规气象探空资料和1°×1°NCEP/NCAR最终分析资料,对2006—2013年发生的10次极端暴雨事件(14个区(县)中,任意一个区县代表站24 h内降水量≥ 100 mm,且暴雨区内至少有一个自动气象站降水强度≥ 40 mm/h)的基本特征进行了对比分析。结果表明:(1)长生命周期的单体或多单体组织合并的中尺度对流系统(第Ⅰ类中尺度对流系统)形成的暴雨中心一般位于北京西部山前地区或中心城区,这种分布与低空偏东气流的地形强迫作用或城市强迫作用有关;"列车效应"对应的多单体中尺度对流系统(第Ⅱ类中尺度对流系统)形成的极端暴雨事件往往与两次不同属性的降水过程有关:锋前暖区对流过程和锋面附近的对流过程。因此,降水分布往往平行于低空急流轴或锋面。(2)第Ⅰ类中尺度对流系统形成的极端暴雨过程局地性更强,全市平均降水量远小于暴雨量级(50 mm),其中,由混合型降水主导的极端暴雨事件一般是由几乎不移动的长生命周期单体反复生消造成的,对流高度相对较低;而深对流主导的极端暴雨事件一般由多单体组织、合并、加强造成,由于对流单体的上冲云顶很高,最低TBB一般低于-55℃,这类极端暴雨事件的短时强降水具有显著的间歇性:第一阶段的强降水与单体对流发展过程对应,以后的短时强降水与对流单体组织、合并过程对应。(3)"列车效应"对应的多单体中尺度对流系统暴雨过程,初始阶段一般表现为相互独立的两个对流带,即与锋面系统对应的对流带和与低空急流轴对应的暖区对流带,随着锋面对流带逐渐向暖区对流带移动,低空冷空气逐渐侵入到暖区对流带中,两条对流云带逐渐合并,对流活动进一步发展;或者由于暖区对流带截断锋面对流带的水汽入流,造成锋面对流减弱,而暖区对流带组织性更强,发展更加旺盛。与第Ⅰ类中尺度对流系统形成的极端暴雨过程不同,这类暴雨过程往往造成全市平均降水量达到暴雨(≥ 50 mm)甚至大暴雨(≥ 100 mm)。(4)不同类型的极端暴雨过程,大尺度水汽输送条件不同:"列车效应"造成的暴雨过程多数情况下由源于孟加拉湾和源于西太平洋的两支暖湿季风气流共同构成,大尺度水汽供应充沛;而第Ⅰ类中尺度对流系统中的混合型降水造成的暴雨过程的水汽来源主要与低空东南气流造成的近海水汽输送有关;第Ⅰ类中尺度对流系统中的深对流主导的深对流暴雨过程中整层水汽含量并不大,多数情况下水汽输送仅出现在对流层低层甚至仅在近地面层内。(5)大多数情况下,无论哪类性质的极端暴雨过程,在强降水发生时刻,雷达强回波高度一般在4 km以下,仅有极个别时刻强回波中心高于5 km。极端暴雨过程中,环境大气对流有效位能(CAPE)的大小一般与对流发展高度(雷达回波顶高)具有较好的对应关系,但与强降水发生时刻回波强度、最强回波高度、降水强度的对应关系较差。     

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。     

北京721特大暴雨极端性分析及思考（一）观测分析及思考

本文利用多种常规和非常规观测资料对北京2012年7月21日大暴雨过程的降水特点,引发特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件及其发生发展过程进行了全面的分析。观测分析发现：这次特大暴雨是一次极端性降水过程,具有持续时间长、雨量大、范围广的特点。降水过程由暖区降水和锋面降水组成。暖区降水开始时间早,强降水中心较为分散,持续时间长。锋面降水阶段,多个强降水中心相连,形成雨带,雨强大,降水效率高,持续时间较短。引发此次特大暴雨的中尺度对流系统的环境场条件分析发现：极端降水过程发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等高低空系统耦合的背景下。来源于热带和副热带的暖湿空气在暴雨区辐合,持续输送充沛的水汽,具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等极端水汽条件。在充沛的水汽条件下,低涡切变、低空急流上的风速脉动、地面辐合线、地形作用等触发了强降水。随着锋面系统东移,在冷空气和适度的垂直风切变作用下对流系统组织化发展,产生较强的锋面降水。中尺度对流系统发生发展过程分析发现：降水过程首先以层状云降水和分散的对流性降水为主。随着干冷空气的侵入逐渐转化为高度组织化的对流性降水,多个中小尺度对流云团组织化发展并形成MCC,产生极端强降水。由于回波长轴方向、地形以及回波移动方向三者平行,此次过程的雷达回波具有明显的“列车效应”;并具有明显的后向传播特征和低质心的热带降水回波特点。通过此次罕见暴雨事件观测资料的综合分析,提出了需要进一步研究的问题：此次特大暴雨过程极端性降水特点及极端水汽条件的成因;北方地区暖区暴雨的形成机制;列车效应和后向传播的形成机制;对流单体的组织维持机制以及数值预报对暖区降水的模拟诊断能力等。     

华南前汛期锋面对流系统和暖区对流系统的多尺度特征和集合预报敏感性对比分析

2018年5月7日华南地区受锋面中尺度对流系统和暖区对流系统影响,出现多条中尺度雨带。其中锋面对流系统形成降雨区范围较广,雨量分布不均;在锋前30～200 km暖区内,多个离散的短生命史β中尺度对流系统形成范围较小的中尺度雨带;而在华南沿海地区中尺度线状对流长度超过300 km,稳定维持时间超过12 h,形成局地300 mm以上的沿海强降雨带。雷达回波分析表明华南地区的锋面对流系统、暖区对流系统均以低质心型对流单体为主,其中锋面对流单体35 dBz回波顶高平均为5.5 km,暖区对流系统35 dBz回波顶高平均为4.7 km。利用ERA5再分析资料诊断降水效率表明,锋面系统降水效率平均在10%～15%,暖区对流系统的降水效率波动明显,瞬时降水效率可超过90%。此次降雨过程中雨滴谱分析表明,小粒子直径、高雨滴数密度的暖云降水特征突出,沿海暖区对流系统在各个降水强度量级上都具有更大的粒子直径和数浓度,因此降水效率较高。预报检验表明主流业务数值模式对于暖区对流性降水预报能力有限,欧洲中心再预报改善了暖区对流性降水离散度分布,中尺度区域数值模式能够反映锋面对流和暖区对流的基本特征,但在沿海暖区对流系统的强度、组织上仍然有偏差。比较锋面降水和暖区降水的集合预报敏感性表明,锋面降水对于锋前低压槽、低空急流等天气系统强迫具有较高预报敏感性,而沿海暖区降水对于上游入流区不稳定能量分布具有更显著的敏感性。     

一次极端降水的中尺度雨团分析

利用常规观测资料、ECMWF ERA-Interim 0.125°×0.125°分析资料、FY-2G 卫星云图和多普勒天气雷达资料等,对2017年8 月18-19 日漯河极端降水的中尺度特征及降水成因进行分析.结果表明:(1)本次过程在200 hPa 高空分流区、500 hPa 高空槽以及副热带高压、低层急流切变、地面...     

一次秋季台风倒槽大暴雨过程诊断及中尺度分析

利用FNL再分析资料,结合加密自动站、多普勒雷达、卫星资料和数值模式预报产品,对2018年9月16-17日长三角地区一次典型的秋季台风倒槽大暴雨进行了分析.结果 表明:大暴雨是在远距离台风倒槽、低空急流和高空槽共同影响下,由冷暖空气持续交汇激发的4个中尺度对流云团活动造成.第一阶段长江口区强暴雨发生在3号云团快速增强期...     

一次强降水过程涡旋状MCS结构特征及成因初步分析

利用新一代天气雷达资料分析了造成2011年6月18日湖北省江汉平原强降水涡旋状中尺度对流系统(MCS)发生发展过程的结构特征,联合常规观测、地面加密观测及雷达四维变分风场反演资料初步研究了MCS可能成因。结果表明:(1)成熟阶段的强降水涡旋状MCS回波表现为气旋性弯曲的多条螺旋对流回波带、周围被大片层状云回波所包裹的结构特征,后期因冷空气侵入演变出冷暖锋式结构。回波合并和旋转式列车效应是产生强降水的主要运动特征。(2)涡旋状MCS是在有利环境场下,主要由鄂西山地一江汉平原过渡带边界层中尺度涡旋系统强烈发展组织的结果。(3)中尺度涡旋系统形成发展与地面暖倒槽发展、西南低涡前侧降水和特殊地形作用有密切关系,来自不同方向气流形成的强烈辐合是其前期形成发展的主要机制,后期发展可能与潜热释放有关,涡旋环流向上发展到700 hPa。     

一次梅雨锋暴雨的中尺度对流系统及低层风场影响分析

本文利用常规气象观测资料,地面自动站加密观测资料和FY-2D、FY-2E卫星云图以及NCEP 1°×1°的FNL分析资料、EC 0.25°×0.25°的细网格模式数据等,对2015年6月15—18日梅雨锋暴雨过程的中尺度对流系统(MCS)活动特征、对流层低层风场对MCS发展的影响以及梅雨锋暴雨的垂直环流特征等进行了研究,结果表明:天气尺度梅雨锋上叠加的MCS的产生及向下游移动,以及其在安徽中部到江苏南部正涡度带作用下的发展增强,造成了江苏南部的局地强降水。强降水与中尺度低空急流核的位置吻合较好。在垂直方向上,高空急流入口区右侧与低空急流核左前方叠加,高低空急流耦合作用明显。在降水过程中,对流层低层具有较强的垂直风切变,有利于垂直涡度的增强和MCS的发展。对流层低层的垂直风切变也有利于不同源地的水汽在梅雨锋区汇集。梅雨锋北侧的干冷空气在对流层低(中)层以东北(西北)路径向锋区移动。南侧的暖湿气流沿西南路径移动、抬升,接近锋区后质点在上升过程中逐渐转向东移,在高空急流的抽吸作用下,快速向东流出,近地面层空气存在跨锋面环流。梅雨锋系统垂直方向上的次级环流是高层风场强烈辐散以及空气运动过程中质量补充和循环的结果。     

一次由列车效应引发的暴雨过程分析

利用自动站资料、探空资料、NCEP再分析资料以及雷达资料,对2016年6月26日浙西地区一次暴雨过程的列车效应特征、物理量特征以及中尺度特征进行诊断分析。结果表明:暴雨产生于中低层暖切及地面低压倒槽的背景场中。强降水时段内回波在江西地区生成并沿同一路径东移影响浙西地区,产生列车效应,同时雷达速度场的低层辐合区有利于列车效应中东移回波增强并产生强烈降水。中低层湿度增加、垂直上升速度增大以及暖式切变线的加强有利于水汽辐合抬升的加强,使得列车效应增强,有利于降水的增大。26日11时以后衢州中北部地区列车效应的产生与维持与中低层正涡度和水汽通量辐合在这个区域的持续作用密不可分。Barnes滤波显示中尺度辐合线的维持和移动与列车效应的维持和生消有较好地对应关系,同时地面加密风场中稳定的低压环流有利于列车效应回波源地的维持,实际业务中应加强对地面加密风场和低层中尺度辐合线的分析。     

海河流域切变线类暴雨成因分析

应用常规观测资料、FY2C卫星TBB资料、多普勒雷达资料、风廓线雷达、加密自动站以及NCEP1°×1°再分析资料分析海河流域切变线类暴雨成因。结果表明：暴雨过程是低空切变线与高低空急流构成有利配置条件下发生的, 系统空间结构和冷空气移动路径的不同,造成了暴雨落区和强度的不同;沿切变线有带状中-α尺度对流云团形成和发展,并有中-β尺度MCS沿带状有组织的发展、移动、合并、加强,沿低空切变线如有低涡形成,带状对流云系内将有MCC形成,强降雨在MCS或MCC移动方向的前侧、TBB等值线梯度最大处;强降雨之前都有水汽辐合从地面向高层伸展,伸展高度越高,降雨强度越大,强降雨中心对应西南与偏东两个大水汽通量造成的辐合且等值线密集处;VAD风廓线和风廓线雷达资料都显示出对流层低空急流和超低空急流的先后形成,造成雨强也两度加强。     

华南一次典型回流暖区暴雨过程的中尺度分析

利用地面常规气象观测、FY-2E卫星TBB、多普勒天气雷达资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,分析了2013年5月8日发生在华南的一次暖区暴雨过程的中尺度特征。结果表明：（1）该过程发生在出海变性高压脊后部,较强的超低空东南急流遇到喇叭口地形作用形成地面辐合线产生辐合抬升是此次暴雨的启动机制;该过程未受冷空气影响,属于华南回流型暖区暴雨过程。（2）4个β中尺度对流系统（MCS）连续生成、东移发展是造成本次暴雨过程的直接原因,其中,第一个MCS持续时间最长达6 h,先前MCS消亡的同时在其西南侧又新生MCS,造成多个对流系统经过同一地区形成类似的＂列车效应＂。（3）不同于以往华南暖区暴雨个例水汽集中在850 h Pa或925 h Pa,此个例水汽主要来源于950 h Pa超低空东南急流,该急流使低层能量得以维持;中层小股干冷空气侵入为MCS发展和维持提供了有利条件;垂直螺旋度反映了深厚涡度柱与强烈上升运动的耦合,为暴雨发生提供了动力机制。（4）分析区域自动站风场资料可知,阳江-恩平一带夜间增强的东南风在有利地形下与陆地静风或东北风形成中尺度辐合线,使移入的小尺度对流云团加强并形成MCS,而MCS后侧出流与来自海洋上的东南气流形成新的中尺度辐合线又触发新的MCS,其后向传播特征明显。     

2014年“5.8”广东大暴雨中尺度特征分析

利用NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料、地面常规观测、FY-2E卫星TBB资料,对2014年5月8—9日发生在华南南部的一次暖区暴雨过程进行了研究。得出以下结论:1)第1阶段暴雨发生变性高压脊后部,未受冷空气影响,属于华南典型的回流暖区暴雨过程,第2阶段在东路弱冷空气的触发下再次产生暴雨,属于非典型回流暖区暴雨。2)1个中α尺度MCC和1个中β尺度MCS是该次广东大暴雨直接制造者,其中MCS-D在广西境内生成并逐渐东移,多个对流系统的并入延长了MCS-D的生命史,最后形成中α尺度MCC。3)东南气流是该次暴雨的主要水汽来源,中层小股干冷空气侵入,高层强烈辐散、深厚的上升运动的配置条件有利于中尺度对流系统发展和维持。4)区域自动站风场资料分析表明,夜间陆风(偏北风)与加强的东南风在112.5°E附近的汇合,可能触发了中尺度对流系统MβCS-H的生成。