华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析

利用MM5模式对发生在1998年5月23～24日华南暴雨和中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)模拟的模式输出资料,根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析了暴雨和MCS形成和发展的原因.结果表明,暴雨和MCS发生在倾斜湿等熵面具有弱对流稳定性的下陷区,沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升并具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减小的过程,导致暴雨和MCS发生发展区域有气旋性的涡旋发展.对流发展区域的上空满足条件对称不稳定发生的条件,MCS中上升气流呈倾斜状态.由于湿等熵面倾斜,在暴雨和MCS的发展过程中,水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展,使暴雨和MCS得以维持.最后,给出了华南地区湿等熵面上暴雨和MCS发生发展的一个物理概念模型.     

一次局地特大暴雨湿位涡的中尺度分析

利用一个考虑陡峭地形的１６层η坐标模式对１９９０年８月１４－１５日发生在湖北省远安县的一次局地特大暴雨过程进行数值模拟。在较成功的控制试验基础上,利用该模式输出结果研究了本次暴雨过程湿相对位涡的演变特征。结果显示,在暴雨发生发展阶段,有强的湿相对位涡负值中心相伴随。对湿绝对位涡方程的诊断分析表明,关暴雨发展阶段,湿位涡变率为正,说明此时对流不稳定已有较强释放,这时起主要作用的是网格尺度铅直通量辐合     

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.     

华南"94·6"特大暴雨的中尺度对流系统及其环境场研究Ⅱ.物理过程、环境场以及地形对中尺度对流系统的作用

在该文第Ⅰ部分中选取1994年6月12日～13日过程进行了较深入的研究,在确定云雨、垂直运动的模拟基本正确以后,利用模式的输出资料对在此期间的β中尺度对流系统的结构和演变进行了分析研究.第Ⅱ部分继续探讨物理过程、初始环境场以及地形对β中尺度对流系统的发生、发展的影响.结果表明:潜热释放对强对流系统发生、发展都有重要的作用.行星边界层过程对对流的发生阶段影响较为明显,而对发展阶段的影响似乎还不大.地面感热和潜热通量对对流系统的强度有影响.对初始场的试验表明,初始湿度场的改变会很明显地影响模拟结果,温度场的影响次之.地形的改变对大尺度的雨带影响不是很大,主要影响强暴雨的强度和落区,地形尤其是喇叭口地形对"94@6"暴雨的增幅作用十分明显.     

“10.7”安庆特大暴雨及中尺度低涡结构的数值模拟与分析

采用常规气象观测、地面加密降水资料、FY-2E卫星逐时T_BB资料以及WRFV3.3高分辨率模式输出资料,对2010年7月12—13日安庆罕见特大暴雨过程的中尺度对流系统的发生发展、结构特征及形成原因进行了综合分析。WRFV3.3中尺度非静力模式很好地模拟了此次切变线暴雨的雨带走向、几个暴雨中心的位置和强度,以及中尺度对流系统的整个发展过程。分析结果表明:此次特大暴雨是在高层200 hPa强大的南亚高压稳定少动,中层500 hPa的短波槽的生成、转向和发展与副高的维持,低层的700 hPa和850 hPa中尺度低涡、切变线以及地面梅雨锋扰动的共同作用下造成的;700 hPa低涡、切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统是这次特大暴雨的直接制造者。细网格模拟结果揭示,安庆特大暴雨与850 hPa上的β中尺度对流系统(MβCS)的生成和强烈发展直接相关。该MβCS具有明显的动力—热力结构特征,显示:强上升运动与饱和气柱的耦合,强散度柱与强涡柱的耦合发展,强上升运动与位势不稳定的耦合发展,湿静力不稳定与湿对称不稳定共存。     

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。     

“10.7”安庆特大暴雨及中尺度低涡结构的数值模拟与分析

采用常规气象观测、地面加密降水资料、FY-2E卫星逐时TBB资料以及WRFV3.3高分辨率模式输出资料,对2010年7月12-13日安庆罕见特大暴雨过程的中尺度对流系统的发生发展、结构特征及形成原因进行了综合分析.WRFV3.3中尺度非静力模式很好地模拟了此次切变线暴雨的雨带走向、几个暴雨中心的位置和强度,以及中尺度对...     

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.     

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     

中尺度对流系统影响西南低涡持续性暴雨的诊断分析

利用加密自动站降水资料、FY-2E卫星云顶相当黑体温度TBB资料和NCEP再分析资料,对2010年7月16-18日四川盆地持续性暴雨天气过程中的西南低涡及伴随发展的中尺度对流系统(MCS)进行了分析。结果表明,500 hPa高空槽、700 hPa中尺度切变线和暖湿气流为MCS的发生提供了良好的环境条件;地面降水时空分布具有明显的中尺度特征,MCS是造成暴雨的重要原因;暴雨中心集中在TBB冷云区或边缘梯度密集带。在西南低涡发展过程中,MCS有利于激发上升气流,中低层的上升气流和正涡度配合利于热量和水汽垂直输送,高层的辐散进一步促使MCS的发展。水平涡度平流和涡度垂直输送项的配置影响上升气流和涡旋系统的发展,MCS对西南低涡的移动有一定的引导作用。有无MCS伴随发展时,对流活动对热量和水汽的输送能力迥异。     

一个长生命期中尺度对流系统维持机制的分析研究

利用FY-2C多通道卫星云图、雷达资料和自动气象站记录等非常规观测资料,研究2008年4月12-13日形成于广西中部、移过广西东南部和广东西部到达南海的一个单独且生命期持续长达25 h的中尺度对流系统(MCS)的维持机制.水汽图(wV)分析显示4月12日14时前,对流层中上层存在一个明显的由湿变干过程,与此同时从红外(IR1)、中红外(IR4)和可见光(VIS)云图的合成分析中检测到低空有一条从北部湾延伸到广西东南部持续稳定的中尺度水汽输送带,在高空干区与低空湿区重合的广西东南部上空形成了强他势不稳定区,为MCS的形成和维持提供了有利环境条件.根据自动气象站记录分析结果,准静止锋在缓慢南移过程中连续抬升触发深对流而形成MCS,是一个典型的锋面抬升触发过程.分析表明,MCS能维持长生命期主要有利因素是:(1)在高空气流由湿变干的条件下,来自北部湾海面持续的低空中尺度水汽输送带给广西东南部提供充足的水汽、热量并形成大气位势不稳定层结,较长时间保持的位势不稳定层结为MCS的维持提供了有利环境条件;(2)稳定而持续缓慢南移的准静止锋在MCS西南边不断触发新的对流单体,这种后向传播方式触发的新对流单体并入MCS后,补充已减弱东移的旧单体,使MCS具有持续生命力.最后,给出了MCS的概念模型.     

西南涡对流云中夹卷率的模拟研究

本文使用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟了2010年7月8—9日发生在四川盆地的一次西南涡降水天气过程,并计算该过程中零度层以下对流云中的夹卷率。从云内垂直特征看:云内的含水量、垂直风速和浮力都在云底之上随高度递增,而在云顶附近随高度递减;云内的湿静力能则主要随高度递减;夹卷率在云底以上随高度递减,而在云顶附近随高度递增,但是云顶高度越高,在云顶附近的递增趋势越不明显。另外,夹卷率和云内的云水、雨水含量都呈负相关,说明夹卷抑制了对流云的发展以及地面降水。当假设被夹卷的环境空气来自云边界附近时,计算所得的夹卷率值要大于假设夹卷空气远离云边界所得值,但这两种假设中夹卷率的其他特征是类似的。从演变特征看,夹卷率总体上随时间减小,这和这段时间内对流云整体发展增高有关。     

广西一次暴雨过程中准静止中尺度涡旋的位涡反演诊断

利用分片位涡反演方法,对影响2008 年6 月广西一次暴雨过程的准静止中尺度低涡(简称“广西涡”)进行反演计算,诊断分析不同物理性质的位涡扰动对广西涡的贡献。结果表明: 与潜热释放有关的湿的位涡扰动(Qh)对广西涡有直接作用,并对广西涡发展有主要正贡献,其影响主要集中在对流层中低层;与潜热释放无关的干位涡扰动(Qd)对广西涡的贡献集中在对流层中高层,有利于广西涡向高层扩展和加深;Qh和Qd均对广西涡路径有影响。     

一个高空槽前中尺度对流系统发生发展过程和机制研究

2008年7月6日20时—7日14时,高空低槽前云系产生了一条从广西南宁市到环江县东西宽约80km、南北长达350km的暴雨带,槽前云系南段一个中尺度对流系统在上林县产生了降雨量达265.0mm的特大暴雨。使用常规资料和FY-2C卫星云图、多普勒天气雷达和自动气象站等非常规观测资料进行分析。当高空槽移过青藏高原后,从卫星云图和等熵面分析图上可以检测到槽后有干空气东南下,干空气经云贵高原下沉到桂西和越南北部后,在槽底附近转折向东侵入到桂中,在上林县附近形成一个中尺度涡旋和中尺度负变压中心,中尺度对流系统在中尺度涡旋及中尺度负变压中心上空发生、发展并产生了强降雨,而中尺度涡旋和中尺度负变压中心的出现超前于强降雨约2h。研究表明,中尺度对流系统发生、发展的有利条件是:(1)槽前偏南暖湿气流向桂中暴雨区输送充足的水汽并形成了位势不稳定,为中尺度对流系统的发生发展提供了环境条件;(2)在上林县附近形成的中尺度涡旋辐合上升运动抬升暖湿气流触发对流而形成了中尺度对流系统;(3)对流单体沿低空切变线传播发展并入中尺度对流系统,使中尺度对流系统得以发展和维持。给出了中尺度对流系统发生发展机制的二维概念模型。     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.     

中尺度对流系统对台风“风神”移动路径影响的研究

通过卫星资料分析台风“风神”路径预报之所以出现较大的偏差,可能是由于“风神”西侧中尺度对流系统引起的.为了更好地研究中尺度对流系统对台风的影响,利用中尺度非静力数值模式WRF对“风神”的移动过程开展了高分辨率数值模拟,模拟采用双重嵌套,最高分辨率6 km,共积分78 h.利用模拟资料,采用PV-ω分部位涡反演方法定量分析了台风外围中尺度对流系统对台风运动的影响,认为P V-ω分部位涡反演方法能够很好地分离出台风外围中尺度对流系统,其对台风引导气流的贡献可达到20％左右.为验证中尺度对流系统的影响,用模式积分的方法,通过3组模拟实验,发现中尺度对流系统使台风路径偏左或偏右可能随着环境引导气流方向而改变,而在此个例中的中尺度对流系统会使得台风向西和向极移动得更远.对比研究了不同中尺度对流系统对台风的影响,发现在“风神”移动过程中,中尺度对流系统之所以引起较大影响是因为中尺度对流系统与台风相对位置变化不大所致.     

引发暴雨天气的中尺度低涡的数值研究

2008年7月17—19日发生在山东的大到暴雨天气是由“海鸥”台风和副热带高压共同向山东输送水汽,与弱冷空气相互作用造成的。对流层低层的中尺度低涡是暴雨天气的直接制造者。利用常规观测资料和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）的模拟资料对该中尺度低涡的结构及形成机制进行了分析研究。结果表明,数值模拟可以清楚地捕捉到中尺度低涡东移过程中有新的涡旋中心形成,并与原来的涡旋中心合并的过程,而不是简单的沿切变线东移。中尺度低涡形成在增温增湿明显、上升运动为主的对流区内;中尺度低涡形成后其中心转为下沉运动,对流区东移,降水区位于低涡的东北和东南象限。中尺度低涡上空近地面层的冷池、600～400hPa的弱冷空气堆、900～850hPa的弱风区及高低空急流耦合发展是中尺度低涡形成和发展阶段的重要特征。中尺度低涡减弱阶段,下沉运动变强,低空急流和高空出流都明显减弱。涡度方程的收支表明,对流层低层的散度项、倾侧项及对流层中层的水平平流项和铅直输送项是正涡度的主要贡献者。中低层的水平辐合、涡度由低层向高层的垂直输送都有利于中尺度低涡的形成和发展。倾侧项对中尺度低涡的形成也有重要贡献。中尺度低涡形成后期,低层辐合、高层辐散及垂直输送的减弱导致正涡度制造的减弱,从而使中尺度低涡减弱。     

一次高原涡和西南涡作用下强降水的回波结构和演变分析

2009年7月30—31日,青藏高原东侧背风坡发生了一次持续性强降水过程。在高原涡和西南涡相继出现并相互作用的天气环境中,四川盆地内生成了3个中尺度对流系统。使用新一代天气雷达组网的反射率因子,美国环境预报中心(NCEP)再分析资料,以及热带测雨卫星搭载的测雨雷达(TRMM PR)反射率因子,可以得到这次暴雨的发展演变及其三维结构特征。通过与TRMM PR探测资料的对比验证,地基组网雷达的结果与其非常一致,基本能反映出对流系统的演变全貌,而在高原和山区地基雷达缺测的区域,测雨雷达探测资料可以做为补充。分析表明,降水落区的低层正涡度和水汽辐合上升与高层负涡度和水汽辐散相配合,是触发暴雨的有利条件。第1个降水系统位于高原涡东南侧,随着高原涡的移动衰亡移出盆地并最终消散,降水系统和高原涡在时间上有滞后相关,二者移动速度的突变较为一致;第2和第3个降水系统在西南涡出现的时段强烈发展,在局地停留维持并打通成为一条沿山脉走向的贯穿整个盆地的混合降水回波带,在西南涡发展至成熟阶段给四川盆地南部带来最大小时降水,降水系统和西南涡的相关无论在强度还是移速上都非常显著。在复杂的地形条件下,青藏高原和四川盆地相接处,降水云团的0℃层高度并未随地表发生明显变化,但降水云团进入盆地后,低于0℃层高度的降水粒子融化变为液相,使得云团从对流型降水变为分层结构的层云降水。     

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。