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;相当化温的演变则显示凝结潜热释放足此次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足导致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.     

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。     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.     

广西"6.12"特大暴雨中西南涡与中尺度对流系统发展的相互关系研究

基于多种观测和数值模式模拟资料,在位涡守恒和反演理论的框架下,对2008年广西"6.12"特大暴雨过程中的西南低涡系统发展过程及其伴随的中尺度对流系统活动特征进行了分析.从天气系统的综合分析看,低涡系统在初始阶段发展相当迅速,东移过程中低空西南急流有明显增强,为中尺度对流系统的活动提供了良好的环境条件.对位涡的诊断分析...     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

四川盆地一次暴雨过程的中尺度对流及其环境场特征

利用常规地面和探空气象观测资料、自动气象站资料、卫星和雷达拼图资料以及NCEP FNL分析资料对2013年7月3-5日四川盆地强降水过程的中尺度对流系统及其环境场特征进行了分析。结果表明:此次降水过程分为三个阶段,分别对应三次中尺度对流系统的发生、发展;700 h Pa切变线和850h Pa低涡为中尺度对流系统的产生提供了有利的动力条件,中尺度对流系统沿700 h Pa切变线以及850h Pa低涡中心附近发生、发展,三个阶段的中尺度对流活动均与低层切变系统的发展、演变相吻合。冷空气对中尺度对流系统的发生发展具有重要影响,强降水的产生时间和空间分布均与冷空气入侵密切相关。四川盆地地形对强降水的产生有两方面的作用,一是使气流在山前辐合抬升,二是使冷空气堆积造成强的冷暖空气对峙,导致锋生作用加强。     

一次梅雨锋暴雨过程的 β 中尺度对流系统发展机理的数值研究

20 0 2年 6月 18～ 19日在湖北省发生的一次中尺度降水过程主要是由一个中尺度对流云团的活动造成的 ,且该中尺度对流云团在不断东移的过程中分裂成两个 β中尺度对流云团。文中使用中尺度非静力模式MM5对该次暴雨过程进行了数值模拟 ,研究它的发生发展机制。模式很好地模拟了造成该次强暴雨的中尺度对流系统的整个发展过程 ,模拟的降水分布与实况比较接近。分析模拟结果发现 ,中尺度对流系统在不断东移的过程中 ,受高层的辐散性流场的抽吸作用和低层的对流不稳定而发展加强 ;受地形的作用而分裂成两个对流单体 ;最后由于中高层水汽凝结降落后造成的水汽不足 ,高层的辐散气流明显减弱变得无组织和下沉气流的影响对流系统开始衰亡。通过以上的分析给出了引起该次梅雨锋暴雨过程的中尺度对流系统的发展演变模型。     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

一次冷涡发展阶段大暴雨过程的中尺度对流系统研究

利用2009年东北暴雨试验资料、常规气象观测资料、自动站资料、FY-2C卫星资料和NCEP再分析资料,对2009年6月19日东北地区一次短时强降水过程的天气尺度环流特征、中尺度对流系统(MCS)环境场及其触发机制进行了分析,概括了此次冷涡发展阶段暴雨过程的三维概念模型.结果表明,此次强降水系统主要发生在东北冷涡的发展阶段,造成强对流天气的系统尺度较小、突发性强,具有明显的β-γ中尺度对流系统的特点.高温高湿及位势不稳定层结、低层的湿舌北伸及中层干冷空气的侵入,为MCS的发生、发展提供了非常有利的环境条件.位于高空西风急流出口区北侧和偏东北大风中心入口区南侧的暴雨区上层有强的高空辐散,与辐合区南侧的低空急流前部相互耦合,使得暴雨区上升气流增强;高空急流出口区南侧的偏南风低空急流加强了风暴的人流强度,为风暴提供了有利的风场环境和水汽条件.暴雨区西南侧中低层存在干空气侵入,使中低层干冷空气迅速向对流风暴发生区输送,形成逆温层.在强对流爆发前,中低层的逆温层与上层的干层分开,使风暴发展所需的不稳定能量得以累积,冷涡系统东移引导低层偏西北气流南下,增强了地面流场的辐合,是触发初始对流的关键因素.     

黄土高原一次γ中尺度致洪大暴雨环境场特征分析

为了提高对黄土高原γ中尺度致洪暴雨预报和预警能力,利用NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料、常规观测资料、多普勒天气雷达资料等,对2015年7月18日黄土高原发生的一次γ中尺度致洪暴雨进行了诊断分析。结果表明:700~200 h Pa深厚低涡和低层切变是这次暴雨的主要影响系统;暴雨发生前暴雨区大气层结对流不稳定增强和对流有效位能的增长为强天气的发生提供了有利条件;暴雨发生前地面图上生成的湿焓高能中心、850 h Pa和700 h Pa等压面上生成的对流涡度矢量垂直分量高值中心和暴雨落区形成很好的对应关系;线状中尺度对流系统中β中尺度对流云团的发展加强对强降水有直接影响;线状中尺度对流系统在雷达回波图上体现为多个对流单体组成的带状回波,影响暴雨区的对流单体回波中心强度50 d BZ,径向速度场分析表明γ中尺度气旋性辐合的生成和维持为暴雨的持续提供了动力条件。     

2005年"5.31"湖南大暴雨中尺度模拟和发生机制

利用NCEP 1°×1°的6 h再分析资料和MM5模式15 km水平分辨率模拟的逐时资料,对2005年初夏湖南大暴雨的中尺度系统及其触发、维持机制进行了诊断分析研究。结果表明:高低空急流最佳配置,动力耦合关系建立为暴雨发生提供了有利的环境条件;中尺度系统在渝南、黔西生成后移入湖南停滞发展,加强了湖南上空动力不稳定条件,促进对流发展;偏南暖湿气流整层突然增强对暴雨的对流系统爆发性发展起十分重要的作用,它在中高层凝结释放潜热加热高层大气,对上升气流起到正反馈作用;高层大气强“抽吸”效应和前期降水产生地表潜热和感热的强迫作用亦是对流爆发性发展的重要因子。湖南复杂地形在暴雨启动机制中起重要作用。但敏感性试验表明,地形抬升不是这次暴雨唯一必需的触发条件,削平南方山地不仅能增强水汽输送,低层偏南气流增强还能加强地面中尺度系统的辐合作用,辐合抬升是触发机制之一。降雨过程发生发展主要受天气系统控制,地形效应可明显改变降雨落区和强度,迎(背)风坡度的增加(减小)通常使降雨加强,反之使降雨减弱。     

香港特大暴雨β中尺度线状对流三维结构研究

β中尺度狭窄线状对流系统是造成锋前暖区暴雨的主要角色, 对其结构和机理的研究具有重要意义。作者使用高时空分辨率的多普勒雷达观测资料, 对1998年6月8～9日香港暴雨过程中的β中尺度的狭窄线状雨带进行流场、回波强度和散度的时空四维结构的深入剖析, 利用观测资料得到线状β中尺度对流系统的三维流场和水平散度结构, 发现线状β中尺度对流系统的水平散度垂直配置与低层强降水回波之间存在一定的关系, 并给出发展和成熟阶段中线状β中尺度对流系统的流场和散度场配置的基本结构。     

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。     

暴雨中尺度环境场特征及积云对流的反馈作用

本文利用一套具有中尺度分辨率的观测资料,对发生在1983年6月下旬的一次长江流域梅雨暴雨过程进行了诊断研究,并比较了该过程的对流降水活跃期和非活跃期的中尺度环境场特征。结果表明,两个时期的动量场存在明显差异,而水热场差异不大,Q₁和Q₂以及涡度收支也存在明显差异。在降水活跃期（暴雨集中期）,积云对流对能量和涡度的垂直输送有着重要作用;在水热收支中,起主要作用的是垂直输送项,潜热加热基本上为抬升冷却所平衡,水汽的垂直输送是积云对流的主要水汽源;在涡度收支中,低层散度项和扭转项制造正涡度,并通过积云对流向上输送,无论在低层或高层积累的正涡度都被平流非线性过程所耗损。      

华南沿海2011年7月15-18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用

应用NCEP FNL再分析资料及位涡分离反演等方法,对华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中季风槽与中尺度对流系统的相互作用进行了研究.主要针对暴雨发生期间季风槽气旋性涡度向上发展的机理及其对季风槽维持发展和中尺度对流系统活动的影响进行分析。结果发现,季风槽的中尺度对流系统发展于弱斜压性环境中,大多在槽东西两端涡度中心区发展最强。南侧盛行的西南低空急流为对流反复发生提供了对流发展的"可维持性"条件,是对流得以组织发展成为中尺度对流系统的重要原因。涡度收支诊断表明,季风槽气旋性涡度生成主要由中尺度对流系统低层辐合引起。位涡分离反演结果证实,季风槽气旋性环流增强主要由与中尺度对流系统潜热加热相关的扰动位涡造成,并随着中尺度对流系统加热峰值高度升高而向上发展,是大尺度环流对中尺度对流系统潜热加热动力响应的结果。在季风槽东西两端,由于中尺度对流系统发展强烈且持续,具有更高的加热效率,引起的气旋性涡度向上发展最为明显。其结果可引起中尺度对流系统西南一侧向北非地转风发展,并在地转偏向力作用下增强西风,维持低空急流的发展,为对流反复发生提供条件。这些都说明季风槽大尺度环流与中尺度对流系统相互作用在中尺度对流系统和持续暴雨形成过程中有重要作用。     

东北地区一次短时大暴雨β中尺度对流系统分析

为了探寻东北短历时暴雨的预报线索,利用自动站、卫星和常规气象观测资料相结合的方法,研究2006年8月10日最大1 h雨量达到90.8 mm(泰来,其中,后半小时降水82 mm)的东北中西部百年一遇短历时特大暴雨中尺度对流系统(MCS)发展过程,及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制.通过红外卫星云图和高分辨率的可见光云图,分析MCS如何从一个γ中尺度发展为α中尺度对流复合体(MCC)的过程.分析表明,与6个市(县)半小时雨量超过33 mm相关联的MβCS分别发生在2个阶段,第1阶段在MCC形成之前,MβCS主要向东移动(最后合并成MCC),第2阶段,在MCC成熟阶段.MpCS出现在MCC的西南边缘,而且最强短历时暴雨就发生在这里.从分辨率更高的可见光云图上可以发现,有北、西两条积云线,它们交汇的地方MβCS强烈发展并产生暴雨.分析MCS加强和产生暴雨的原因表明:(1)暴雨发生前夕暴雨区域具有高温、高湿和对流性不稳定层结,并存在明显的对流有效位能增加、抬升凝结高度及自由对流高度降低的现象,有利于暴雨发生;(2)β中尺度云团之间的合并,使MCS迅速发展,产生暴雨;(3)北、西两条积云线分别与地面风场中的两条辐合线相对应,在它们交汇处的较强辐合导致β中尺度云团强烈发展产生暴雨.分析MCS在MCC西南方向传播的原因表明,两条辐合线的移动方向和速度决定了暴雨MCS的传播方向.另外,偏北气流的出现和新老云团的新陈代谢过程是触发暴雨的关键因素.上述分析结果也为短历时暴雨的预报提供了有用的线索.     

暴雨中尺度对流系统研究的若干进展

中尺度对流系统是造成暴雨的重要影响系统.为了加深对暴雨中尺度对流系统的认识,有必要总结和继续研究中尺度对流系统(MCSs)的组织模型、结构以及发生发展机制.因此,对产生暴雨的MCSs的相关研究进展进行简要综述,主要包括MCSs的定义、分类、时空分布、平均生成环境、组织模型和演变,MCSs的结构特征和发生发展机制,MCS...     

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用

应用NCEP FNL再分析资料及位涡分离反演等方法,对华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中季风槽与中尺度对流系统的相互作用进行了研究,主要针对暴雨发生期间季风槽气旋性涡度向上发展的机理及其对季风槽维持发展和中尺度对流系统活动的影响进行分析。结果发现,季风槽的中尺度对流系统发展于弱斜压性环境中,大多在槽东西两端涡度中心区发展最强。南侧盛行的西南低空急流为对流反复发生提供了对流发展的“可维持性”条件,是对流得以组织发展成为中尺度对流系统的重要原因。涡度收支诊断表明,季风槽气旋性涡度生成主要由中尺度对流系统低层辐合引起。位涡分离反演结果证实,季风槽气旋性环流增强主要由与中尺度对流系统潜热加热相关的扰动位涡造成,并随着中尺度对流系统加热峰值高度升高而向上发展,是大尺度环流对中尺度对流系统潜热加热动力响应的结果。在季风槽东西两端,由于中尺度对流系统发展强烈且持续,具有更高的加热效率,引起的气旋性涡度向上发展最为明显。其结果可引起中尺度对流系统西南一侧向北非地转风发展,并在地转偏向力作用下增强西风,维持低空急流的发展,为对流反复发生提供条件。这些都说明季风槽大尺度环流与中尺度对流系统相互作用在中尺度对流系统和持续暴雨形成过程中有重要作用。     

1998年"二度梅"期间武汉-黄石突发性暴雨的模拟研究

采用较高水平分辨率的非静力中尺度模式,利用收集到的较完全的资料作为初值,对1998年"二度梅"期间武汉-黄石突发性暴雨进行了模拟.模拟结果分别复制出在7月20日18时至21日06时及21日18时至22日06时(世界时)期间,武汉和黄石附近中尺度系统发生、发展和消亡的过程.其生命史约为12小时,水平尺度为100～200 km,为典型的β中尺度系统.对β中尺度系统的流场和物理量的剖面分析表明,在武汉和黄石强降水期间,两地对流层中低层的水平辐合、上升运动、正涡度值均有明显的加强和减弱的过程,而经向方向的强度比纬向方向这些物理量要强,水平尺度比纬向方向小.分析还表明,对流层中低层的风场扰动对β中尺度系统(如武汉暴雨过程)的发生可能有触发作用.这些中尺度系统的强度,尤其是垂直运动与已有的我国梅雨锋个例和日本梅雨锋个例中较大的中尺度系统相比较要强得多.通过收支分析,讨论了β中尺度天气系统在发生、发展和消亡各阶段的水汽和正涡度来源;通过物理过程试验,分析了潜热释放和行星边界层参数化过程在β中尺度系统发生、发展中的作用.此外,在地形试验中,探讨了长江中游,尤其是湖北省局地中尺度地形对武汉和黄石突发性强降水过程的影响.最后给出了造成武汉-黄石大暴雨的β中尺度系统初步的物理模型.