边界层对梅雨锋β中尺度对流系统形成发展作用的模拟分析

利用中尺度数值模式MM5对2008年6月9日发生在皖浙赣地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,着重应用高时空分辨率的MM5模式输出资料对引发这次暴雨降水过程的β中尺度对流系统(MβCS)的发生发展过程进行诊断分析。对这个MCS的中心涡度、散度的时空演变分析表明其强度的快速增长信号最先出现在边界层,边界层在这个β中尺度对流系统早期的发生发展过程中起了重要作用;相当位温的演变则显示凝结潜热释放是此次β中尺度对流系统后期发展的主要物理因子。通过对边界层埃克曼平衡流的进一步分析发现在这个MCS发展的早期,地形对上升运动的作用基本可以忽略不计,埃克曼抽吸导致的垂直上升运动也仅占边界层整个上升运动的30%左右,真正起主要作用的是边界层中的埃克曼非平衡流调整激发出的次级环流,埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流的调整及产生的垂直上升运动可能是导致MCS早期发展的主要物理过程。通过这次模拟诊断分析工作,我们最后得到了以下初步结论:在本次梅雨锋暴雨个例中,MCS的发展前期是依靠边界层内强迫对流启动发展起来,即埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流调整过程所引起的次级环流使得MCS在初期发展;当达到一定强度后,可能激发了后来的自由对流即潜热的突然释放,从而使得MCS进一步维持强烈持续的爆发。     

一次梅雨锋特大暴雨过程的数值模拟研究：不同尺度天气系统的影响作用

2003年7月4~5日在江淮地区沿梅雨锋有一系列中尺度对流系统相继生成和强烈发展,导致了江淮地区特大暴雨的形成。该研究利用中尺度数值模式MM5对这次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果的基础上重点分析了不同尺度天气系统相互作用对这次特大暴雨过程的影响作用。在这次特大暴雨过程中,位于梅雨锋北侧的东北—西南走向深厚、稳定的短波槽系统与槽前从西南移来的低涡系统相配合,加强了位于梅雨锋北侧的反气旋性扰动发展,从而导致梅雨锋北侧反气旋性涡旋的形成。该类反气旋性涡旋形成对江淮切变线的加强与维持起重要作用。中尺度对流系统的潜热释放首先导致梅雨锋低层切变线上的中尺度对流性涡旋(MCV)的形成,而中尺度对流性涡旋的形成进一步加强了切变线上的低层辐合,中尺度对流性涡旋消亡后,在切变线上形成低涡。梅雨锋附近主要存在4种不同垂直环流,它在降水的不同阶段具有不同的结构、配置与动力学作用。其中跨锋面、高层非地转两支垂直环流对锋区的对流扰动发展和暴雨形成最为重要,而降水发展可以调整锋区垂直环流的结构、配置,随降水的减弱,梅雨锋区的不同垂直环流系统又重新恢复到先前结构。梅雨锋上不同尺度、高度的天气系统之间的相互作用主要通过这些垂直环流系统调整实现。     

一次梅雨锋特大暴雨中尺度气旋和MCS的分析

利用自动气象站、多普勒雷达、FY4A、ECMWF模式、NCEP再分析资料,对2020年7月17—19日特大暴雨过程进行分析。结果表明：特大暴雨出现在安徽大别山附近和庐江两地,是中尺度气旋扰动环境下准静止的中尺度对流系统(MCS)以及MCS中准静止的涡旋状单体所产生。特大暴雨在高能量、强不稳定背景下,由中部和东部的中尺度气旋传播所致。中尺度气旋传播过程中单体不断新生、合并增强且移动缓慢,配合急流、辐合、干侵入、垂直环流等因素对组织化的MCS发展演变起到相当作用。低层切变线南侧到华南的西南急流,将水汽输送到安徽并在此有强烈辐合;高空、低空和超低空都存在急流,高低空急流耦合加剧MCS的强烈发展;地面辐合线是前期MCS的触发机制,伴随干冷空气的入侵,加大了大气的斜压性和MCS的对流不稳定;梅雨锋南北两侧都有垂直环流圈,即对流与高空急流之间通过对流加热在高空急流入口处产生热成风调整,维持梅雨锋的发展演变,强的上升下沉运动促进MCS的加强和降水的连续发生;大别山地形抬升和上游狭管效应是两地特大暴雨诱因。     

"03.7"江淮梅雨锋暴雨中尺度系统的数值模拟研究

应用非静力中尺度数值预报模式MM5,对2003年7月4～5日的江淮梅雨锋暴雨过程进行了24h模拟,结果较好地再现了中β尺度暴雨系统的发展过程.进而利用时空分辨率较高的模式输出资料,对与这次暴雨过程相伴随的中β尺度系统的结构、生消变化状况及其可能的形成机制进行了研究.研究结果表明,梅雨带上强烈发展并东移的多个中β尺度对流系统,是造成这次江淮暴雨最直接的影响系统.在对流系统发展初期,锋生强迫下的次级环流加强了锋生区附近大气低层的风向风速辐合,它与对流活动有正反馈作用.对称不稳定可能是中β尺度系统发生发展的一种重要机制,在中β尺度系统发生的弱对流不稳定区,湿位涡的斜压项mpv2起了主导作用.     

梅雨锋上的三类暴雨

根据观测分析研究,概括出长江流域梅雨锋上主要有三类暴雨:梅雨锋上β中尺度的对流性暴雨、梅雨锋东部(115°E以东)的初生气旋暴雨、梅雨锋西端深厚高空低压槽前部的持续性强暴雨.第一类暴雨局地性特征明显,其范围一般小于300 km,暴雨的瞬时强度大,暴雨发生所需的强上升运动由局地强的对流有效位能(CAPE)释放的浮力抬升引起.第二类和第三类暴雨的共同点在于都有明显的大尺度强迫过程,大尺度的动力强迫使持续暴雨所需的垂直上升运动得以维持.后两类暴雨的数值预报效果较第一类的好,比梅雨锋上β中尺度暴雨预报更容易掌握.     

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。     

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。     

福建一次大暴雨过程的多尺度分析

利用常规气象资料、自动气象站降水资料和NCEP再分析1°×1°等资料,对福建2017年6月初一次强降水过程进行多尺度分析。结果表明:(1)冷空气与暖湿气流相互作用形成持续性暴雨,中尺度系统的活动导致短时暴雨。(2)较大的风暴相对螺旋度,低层的正涡度和中低层的上升运动有利于中尺度对流系统(MCS)的发展和维持;强烈的热力不稳定和较强的垂直风切变是中尺度对流发展的环境特征。(3)强的整层水汽通量和水汽辐合为暴雨区提供水汽来源和水汽条件。(4)锋生的大小和位置对降水的强度和落区有很好的指示作用;低层以水平锋生为主,中层以垂直锋生为主,有利于成片暴雨的发生。(5)中尺度系统对天气尺度的水汽辐合和边界层对流不稳定条件有增幅作用;上下两支次级环流的上升支叠加,有利于低层不稳定能量的释放,促进中尺度系统的发展。     

2011年梅汛期一次暴雨过程的对流涡度矢量方程诊断分析

利用NCEP FNL资料、FY-2E云顶亮温、常规观测及加密自动站降水量等资料,以及高分辨率中尺度模式WRF V3.3的模拟结果,结合对流涡度矢量方程对2011年6月一次江淮梅雨锋暴雨过程进行了诊断分析。结果表明,模拟结果再现了该次暴雨过程的降水特征,该过程主要受地面低压及梅雨锋锋面系统的控制和影响,其中6月14-15日为所选暴雨个例最旺盛的阶段,且该时段伴随梅雨锋上中尺度对流系统的移动发展和梅雨锋锋生。对流涡度矢量及其垂直分量的倾向方程的诊断分析表明,对流涡度矢量垂直分量的局地变化主要受非绝热加热项的影响;而非绝热加热与次级环流和梅雨锋锋生的关系说明中尺度对流活动与梅雨锋锋生存在类CISK机制的反馈关系。因此,对流涡度矢量,特别是其垂直分量可以用来诊断和揭示伴随非绝热加热的中尺度对流系统与梅雨锋锋生之间的关系。     

梅雨锋生次级环流对暴雨的作用

本文采用了MM4中尺度数值模式对1991年7月5日08时至6日20时发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了模拟。在模拟较理想的基础上，利用模式输出的高分辨率的动力协调资料，就暴雨过程中锋生次级环流各强迫项对暴雨的作用进行了诊断研究。结果表明：锋生次级环流对暴雨形成具有重要的作用，但在暴雨过程不同时期各项的作用差异很大。     

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。      

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料\, 卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料, 对2002年6月22~23日(“02.6”)一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上, 利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟, 并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明： （1）天气分析显示, “02.6”梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线, 暖式切变线不太明显, 这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强, 高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴, 南亚高压中心位于我国江南地区。（2）TBB资料分析表明, 此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关; 强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、 暖切变线的的南侧发生和发展, 并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。（3）垂直结构分析显示： 在中尺度系统开始发展阶段, 中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、 低空急流核以及高空强辐散低空强辐合, 这有利于中尺度系统的发展; 当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段, 其后部不断分裂出中小尺度系统, 对流层低层的θe具有明显暖心结构, 由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强, 导致在800~600 hPa层上 θe比环境的低, 加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱, 这不利于中尺度低涡的维持。     

强对流活动对对流发展条件影响的数值试验

利用观测资料对2003年7月4日至5日的江淮大暴雨过程进行了天气诊断分析，并运用中尺度模式MM5进行了数值试验，较好地再现了中β尺度暴雨系统的发展过程。结果表明：导致本次降水活动停止的根本原因不是上升运动条件的变化，而是在中低层水平环流及梅雨锋上次级环流影响下，暴雨区低层湿空气逐渐被干空气替代。     

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。     

2006年6月5～8日梅雨锋上中尺度对流系统引发福建北部暴雨的诊断分析

利用1°×1°经纬度的NCEP再分析资料、地面1 h降水和卫星黑体辐射亮度温度资料,分析了2006年6月5～8日引发福建北部大暴雨的梅雨锋上的中尺度对流系统活动,探讨了梅雨锋上或锋前暖区一侧中尺度对流系统触发和增强的动力机制,并进一步研究了强降水凝结潜热造成的非绝热加热在对流系统发生发展中的作用。结果发现:福建北部强降水产生是由梅雨锋上或锋前多个β中尺度或α中尺度的强对流系统活动造成的,这些中尺度对流系统的发生发展与大尺度地转强迫造成的上升运动、武夷山脉等的地形动力强迫抬升作用、梅雨锋锋生以及锋面的阻挡和直接抬升作用有关。梅雨锋上强降水造成的非绝热加热在中尺度对流系统的形成和发展中起到了重要作用。最后,总结出梅雨锋上中尺度对流系统发生发展的概念模型。     

一次梅雨锋强降水过程中MCS数值模拟与分析

文章以2005年梅汛期一次影响闽浙两省的大暴雨天气过程为研究对象,对梅雨锋上的多个MCS(中尺度对流系统)进行了中尺度数值模拟,利用模式输出的高时空分辨率数据集分析了MCS的发生发展演变机制,及其与梅雨锋暴雨的关系。     

一次典型梅雨锋暴雨过程的多尺度结构特征

利用多种类型资料,对2009年6月29—30日引发鄂皖境内梅雨锋特大暴雨过程的天气形势和中尺度对流系统（MCSs）进行了初步分析,揭示了梅雨锋暴雨系统的多尺度结构特征,并用中尺度模式WRF对梅雨锋暴雨系统进行了9km三重双向嵌套大区域精细模拟,再采用Morlet小波变换对模式输出进行空间带通滤波,分离出α、β和γ中尺度系统,对不同中尺度系统的热力动力三维空间结构特征进行了研究。结果表明：梅雨锋特大暴雨由梅雨锋上多个不同尺度的MCSs活动造成,这些不同尺度的MCSs在卫星云图和雷达回波上呈现出不同的特点。在α、β和γ中尺度上,梅雨锋暴雨中尺度系统在水平和垂直方向上的动力、热力结构特征存在着明显的差异,α、β中尺度系统具有明显的垂直环流,而γ中尺度系统则具有惯性重力波特征,往往嵌套在α、β中尺度系统内发生发展。最后,提出了典型梅雨锋暴雨系统的物理概念模型。     

准平衡流在中尺度深厚湿对流系统中的诊断分析概述

从中尺度组织化深厚湿对流具有强烈的辐散风效应和强垂直运动的观测事实出发,评述了平衡流和非平衡流在对旋转风和辐散风的诊断分析中的作用和不足,介绍了准平衡流的原理、计算方法及其分别在台风暴雨和梅雨锋暴雨诊断研究中的应用。研究结果表明:准平衡流能真实反映涡散共存的大振幅垂直运动特征,暴雨区的垂直环流中有50%～70%归于准平衡流部分,准平衡流可以描述致洪暴雨过程中具有较长生命史组织化过程的深厚湿对流系统中垂直运动的主要部分,准平衡流场具有涡散运动共存的特征,准平衡流分析方法在中尺度深厚湿对流系统诊断研究中具有重要作用。     

"99·6"梅雨锋暴雨低涡切变线的数值模拟和分析

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5和四维资料同化逼进方法及双向三重嵌套网格技术,对1999年6月23～25日(简称"99·6")发生在长江中下游地区的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟.结果表明:模拟结果与观测结果的比较指出,高分辨数值模式MM5可以成功地模拟梅雨锋中尺度低涡切变线的发生和发展;模拟结果显示,在α中尺度低涡切变线发展过程中,低层强的西南急流和东北气流增强了低层的辐合;而高空的西风急流和东风急流则增强了高空的辐散;正是由于这种从高空到低空环流的配置,才促进了α中尺度低涡不断发展;模拟低涡切变线不同部位的垂直环流和物理量场表明,"99·6"梅雨锋低涡切变线的结构非常复杂:在梅雨锋的发展期,暖锋附近的垂直上升运动最强,低涡中心次之,冷锋附近最弱.模拟结果也表明,由于下垫面特征的不同,中国和日本的梅雨锋暖锋附近环流结构有较大的区别;模拟结果显示,在α中尺度低涡发展过程中,不断有扰动在低涡前部发展,激发并分裂出一系列的β中尺度系统,β中尺度系统运动剧烈,但由于其低层辐合强于中空辐散,所以当它远离母体时会很快衰减.