一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8~10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛(冷云中心TBB最低)时。     

“96.8”特大暴雨的中尺度对流云团特征

１９９６年８月３－５日河北省的西南部地区出现了特大暴雨过程。此次特大暴雨，主要是８６０８号台风登陆后减弱为低气压西北上，副热带高压加强西进，低层从东北部有弱冷空气扩散南下，在暴雨区域形成湿斜压锋区，触发不稳定能量释放，致使台我低压北方形成３个中尺度对流云团所致。     

宁波夏季强对流和台风短时暴雨雷达回波特征对比分析

为了对比宁波地区夏季强对流短时暴雨和台风短时暴雨的多普勒雷达回波特征,选取2004年和2005年该地区夏季出现的强对流短时暴雨和台风短时暴雨的个例作为研究对象,从回波的发展演变、回波形态及回波产品值等进行分析比较,发现：这两类短时暴雨在回波强度、回波高度及垂直液态水含量等产品有明显差异,而降水产品如OHP,STP估计的雨量值,在这两种天气过程中,均比实况雨量资料偏小,且实况雨量越大,偏差也越大;另外,在分析中也发现,用雷达缺省的Z-I关系来估计雨量有很大误差,特别是在台风降水过程中;最后分别建立了对流性降水与台风降水的Z-I关系,以修正宁波夏季的降水估计值。     

辽宁长历时暴雨中尺度对流系统特征分析

选取发生在辽宁的3次典型长历时暴雨过程,利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析、FY-2E黑体亮温TBB、多普勒天气雷达和自动气象站等资料,分析了降水实况、天气形势背景、卫星红外云图、雷达回波的结构和强度变化的代表性特征。结果表明:辽宁长历时暴雨是在有利于产生暴雨的大尺度环流背景下,异常稳定的形势场导致冷暖空气在某一地区长时间相互对峙而形成的。该型暴雨的降水实况具有雨强变化小、强降水无明显阶段性特征和雨强变化大、强降水具有明显阶段性两种特征。一般性对流云团、暖云和深对流云团均可造成该型暴雨,其中一般性对流云团的云顶亮温变化幅度小,在-47～-36℃,暖云的云顶亮温在-8～3℃,深对流云团的云顶亮温-68～-50℃且强降水发生在云顶亮温低值中心偏向温度梯度大值区一侧。该型暴雨的雷达反射率因子强回波质心较低,表现为上游回波同一方向连续移入形成的"列车效应"、本地生成回波并不断加强以及不同方向的强回波先后移入影响三种类型,小时平均回波强度及其变化对降水强度和趋势有较好的指示意义。需要特别关注副热带高压西侧低层高能高湿、凝结高度低、整层近乎饱和且又具有局地地形抬升触发条件地区的暖云强降水的分析和监测。     

A Simulation Study of the Mesoscale Convective Systems Associated with a Meiyu Frontal Heavy Rain Event

In this study, evolution of the mesoscale convective systems （MCSs） within a Meiyu front during a particularly heavy rainfall event on 22 June 1999 in East China was simulated by using a nonhydrostatic numerical model ARPS （Advanced Regional Prediction System）. Investigations were conducted with emphasis on the impact of the interaction among multi-scale weather systems （MWSs） on the development of MCSs in the Meiyu frontal environment. For this case, the development of MCSs experienced three different stages. （1） The convections associated with MCSs were firstly triggered by the eastward-moving Southwest Vortex （SWV） from the Sichuan Basin, accompanying the intensification of the upper-level jet （ULJ） and the low-level jet （LLJ） that were approaching the Meiyu front. （2） Next, a low-level shear line （LSL） formed, which strengthened and organized the MCSs after the SWV decayed. Meanwhile, the ULJ and LLJ enhanced and produced favorable conditions for the MCSs development. （3） Finally, as the MCSs got intensified, a mesoscale convective vortex （MCV）, a mesoscale LLJ and a mesoscale ULJ were established. Then a coupled-development of MWSs was achieved through the vertical frontal circulations, which further enhanced the MCV and resulted in the heavy rainfall. This is a new physical mechanism for the formation of Meiyu heavy rainfall related to the SWV during the warm season in East China. In the three stages of the heavy rainfall, the vertical frontal circulations exhibited distinguished structures and played a dynamic role, and they enhanced the interaction among the MWSs. A further examination on the formation and evolution of the MCV showed that the MCV was mainly caused by the latent heat release of the MCSs, and the positive feedback between the MCSs and MCV was a key characteristic of the scale interaction in this case.     

吉泰盆地夏季一次暴雨天气过程中尺度对流系统演变特征

利用地面气象观测、FY-2G卫星TBB、多普勒雷达、ERA5再分析资料,以及江西快速循环同化系统等资料,分析了2020年7月9日吉泰盆地梅雨期特大暴雨天气过程的中尺度系统演变特征及机制。过程分为线状对流系统MCS-A转向、南压阶段和单体对流系统MCS-B、MCS-C北移发展阶段。结合盆地西侧山区、盆地北部、盆地南部三个暴雨区,重点分析了暴雨天气过程的第一阶段。结果表明：1)边界层辐合线触发MCS-A,后者西侧不断并入边界层辐合线上和低空急流前端的新生单体,形成“列车效应”。2)弱降水冷池驱动MCS-A中强降水雨团向西南方向传播以及MCS-A与弱降水雨团合并,共同导致了MCS-A转向。3)受幕府山和吉泰盆地地形绕流作用,对流层中低层中-β尺度低涡在吉泰盆地东北部停留约5 h,激发盆地西部、北部对流活动的发展。4)对流系统处于准静止态,急流前端存在中-γ尺度涡旋,导致MCS-A中强对流单体在吉泰盆地南部长时间维持。     

一次长历时特大暴雨多普勒雷达中尺度分析

2008年7月22日湖北省襄樊市出现了一次长历时的特大暴雨过程,9小时内降水量301 mm,占年平均降水量的三分之一,为当地有气象记录以来最大、最强的一次降水过程。利用多普勒雷达资料等对这次特大暴雨的回波结构特征、中尺度系统活动和地形作用进行了分析。结果表明:(1)在低涡、切变线共同作用下,影响襄樊地区特大暴雨的回波系统有两个,一是稳定维持在鄂西北地区的切变线带状降水回波,二是低涡东北侧发展的具有螺旋回波带结构的涡旋回波,两者构成涡带结合型回波结构形态。在涡带结合处,对流回波的不断新生、向北移动导致襄樊地区持续性的强降水。(2)襄樊特大暴雨过程的发生与其北部115 km处的一支东北风中尺度超低空急流的建立,及其南部低涡东侧强偏南暖湿气流的向北发展有密切关系。由于襄樊西侧武当山的屏障作用,超低空东北急流折向东南,与偏南暖湿气流在静止锋附近形成中尺度气旋性辐合上升运动。两支急流的维持对襄樊附近持续性的辐合上升运动起到关键作用。     

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。     

Mesoscale Moist Adjoint Sensitivity Study of a Mei-yu Heavy Rainfall Event

The mesoscale moist adjoint sensitivities related to the initiation ofmesoscale convective systems (MCSs) are evaluated for a mei-yu heavyrainfall event. The sensitivities were calculated on a realistic backgroundgained from a four-dimensional variational data assimilation ofprecipitation experiment to make the sensitivity computation possible andreasonable within a strong moist convective event at the mesoscale. Theresults show that the computed sensitivities at the mesoscale were capableof capturing the factors affecting MCS initiation. The sensitivities to theinitial temperature and moisture are enhanced greatly by diabatic processes,especially at lower levels, and these sensitivities are much larger thanthose stemming from the horizontal winds, which implies that initiation ofMCSs is more sensitive to low-level temperature and moisture perturbationsrather than the horizontal winds. Moreover, concentration of sensitivitiesat low levels reflects the characteristics of the mei-yu front. The resultsprovide some hints about how to improve quantitative precipitation forecastsof mei-yu heavy rainfall, such as by conducting mesoscale targettedobservations via the adjoint-based method to reduce the low-level errors inthe initial temperature and moisture.     

2002年中国暴雨试验期间一次低涡切变上发生发展的中尺度对流系统研究

采用常规观测和"973"中国暴雨试验资料,对2002年6月22～23日一次由中尺度对流系统(MCS)发展而产生的低涡,以及伴随其发生发展的对流系统进行了分析和模拟研究.结果表明:MCSA东移到河南西部时,由于对流层中层正涡度中心的强迫和潜热释放产生了气旋,低层的暖平流可能是低涡东移发展的原因之一.模拟结果显示低涡东部的对流系统发生在气旋东部的暖切变上,西部对流系统发生在冷切变附近.在低涡的南部偏南风与偏北风之间形成辐合线,辐合线上有低层偏东风与高层偏西风的垂直切变,对流沿辐合线由西南向东北方向移动形成对流带.对流系统发展强盛时除了低层的强辐合外,高层较深厚的强辐散是其维持的重要原因,当系统倾斜时表明开始减弱.试验加密资料分析也表明:降雨发生前有明显的增湿过程,而降雨开始后,整层可降雨量迅速减少;对流系统南侧强的西南低空急流向对流区输送了大量水汽;气旋东移后,西北风(冷空气)的侵入使降雨结束.     

Mesoscale Diagnosis of a Torrential Rainfall Caused by a Tropical Depression

On August 5, 2001, Shanghai was struck by a torrential rainfall due to the passage of a tropical depression (TD). The rainfall intensity has been the strongest in recent 50 years. In this paper, a set of mesoscale re-analyses data and the planetary boundary layer observation from a wind profiler are used to understand the possible mechanism of such a heavy rain. Results show that the outburst of a southerly jet in the lower atmosphere triggered the explosive development of cyclonically vertical vorticity in the region with steep potential temperature surfaces in front of the TD; while the cyclonic vorticity increased notably at higher levels due to the small atmospheric vertical stability of westerly currents in the vicinity of Shanghai. The simultaneous sharp development of cyclonic vorticity at different levels should be the main cause for the torrential rainfall.     

梅雨期暴雨个例模拟及其中小尺度结构特征分析研究

利用中尺度数值模式MM5和多普勒雷达观测资料，对2002年7月22~23日发生在长江中游一次梅雨暴雨过程进行模拟和分析。模拟结果与观测资料相比基本吻合。主要研究内容包括暴雨过程α中尺度到γ中尺度的回波结构以及动力特征和云降水粒子的分布。研究结果表明:在长江中游地区存在一条东北西南走向低空切变线，切变线北侧偏东气流中回波较弱，而南侧西南气流中不断出现强对流云团发生发展、合并分裂现象，形成沿着切变线分布的α中尺度对流带。对流带中有多个东北西南向的β中尺度波列，这些波列由从西南向东北方向移动的γ中尺度回波所构成。新回波大多产生在老回波的后部。γ中尺度回波具有相应尺度的气流辐合辐散结构。各种云降水粒子与动力场相互配合，上升运动位置和强弱决定云水的位置和强弱。云发展初期降雨首先产生于低层，以暖雨过程为主，成熟期云中冰相粒子对降水非常重要。强回波区的降水会在近地面产生出流。在西南气流中，远离切变线的回波移速大于靠近切变线的回波，容易产生回波合并；强回波由于降水而产生下沉和辐散气流，易导致回波分裂。     

Study on a Mesoscale Convective Vortex Causing Heavy Rainfall during the Mei-yu Season in 2003

The strong heavy rainfall on 3-5 July 2003 causing the severe flooding in Huaihe River basin (HRB), China is studied. It is noted that there are sometimes mesoscale convective vortex (MCV) in East Asia during the mei-yu season. Simulation results from the ARPS (Advanced Regional Prediction) data analysis system (ADAS) and WRF model were used to study the development of the mesoscale convective system (MCS) and mesoscale convective vortex (MCV). It is confirmed that the MCV formed during the development of a...     

多源探测资料在一次非线状MCS分析中的综合应用

用多种加密观测资料和NCEP日再分析资料分析了2010年7月14日强降水期间咸宁地区一次非线状MCS活动造成短时强降水的发生发展机制.结果表明,14日13-18时非线状MCS回波结构组织性差,强对流单体散乱地分布在大片层状回波中,准静止地维持在湖北咸宁地区大约5h,造成了短时强降水.该MCS发生在梅雨锋锋面附近的地面涡旋环流中,高空冷空气侵入和锋前抬升运动是对流的主要触发机制,切变线南侧不稳定的暖湿气流在长江中游地区辐合集中、局地的地面气流辐合和边界层有利的风切变是该非线状MCS发展维持在成宁地区的有利条件.高时空分辨率探测资料对MCS演变过程有较好的分析能力.     

Differences between Convective and Stratiform Precipitation Budgets in a Torrential Rainfall Event

Differences in rainfall budgets between convective and stratiform regions of a torrential rainfall event were investigated using high-resolution simulation data produced by the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The convective and stratiform regions were reasonably separated by the radar-based convective–stratiform partitioning method, and the threedimensional WRF-based precipitation equation combining water vapor and hydrometeor budgets was further used to analyze the rainfall budgets. The results showed that the magnitude of precipitation budget processes in the convective region was one order larger than that in the stratiform region. In convective/stratiform updraft regions, precipitation was mainly from the contribution of moisture-related processes, with a small negative contribution from cloud-related processes. In convective/stratiform downdraft regions, cloud-related processes played positive roles in precipitation, while moisture-related processes made a negative contribution. Moisture flux convergence played a dominant role in the moisture-related processes in convective or stratiform updraft regions, which was closely related to large-scale dynamics. Differences in cloud-related processes between convective and stratiform regions were more complex compared with those in moisture-related processes.Both liquid-and ice-phase microphysical processes were strong in convective/stratiform updraft regions, and ice-phase processes were dominant in convective/stratiform downdraft regions. There was strong net latent heating within almost the whole troposphere in updraft regions, especially in the convective updraft region, while the net latent heating(cooling) mainly existed above(below) the zero-layer in convective/stratiform downdraft regions.     

次天气尺度及中尺度暴雨系统研究进展

回顾了75年来中国科学院大气物理研究所科研人员在次天气尺度及中尺度暴雨系统领域的研究工作,这些领域主要包括暴雨、中尺度低空急流、低涡、梅雨锋结构及梅雨锋生、对称不稳定和涡层不稳定以及暴雨等灾害天气的天气动力学及数值模拟研究等;总结了在次天气尺度及中尺度暴雨系统研究的不同时期所取得的成就以及这些成就在防止和减轻中尺度暴雨灾害方面所起到的重要作用.     

一次冷锋南侧对流性暴雨诊断分析

利用常规气象观测资料、NCEP资料、卫星、雷达和地面加密观测等资料,对2008年5月27-28日江西北部一次冷锋南侧(冷锋前)对流性暴雨过程进行天气动力学诊断分析和中尺度分析.结果表明:(1)对流性暴雨出现在冷锋前的主要原因是:各层槽线位置近于垂直,锋面陡峭,并出现前倾槽结构;冷锋前低层暖湿气流异常强盛,下暖湿上干冷使对流不稳定能量增强;当冷锋移近、气旋波发展东移和低空急流加强,触发了冷锋前对流不稳定能量释放.(2)本次暴雨具有明显中小尺度特征,共有4个β中尺度对流系统沿地面冷锋南侧发展东移,850 hPa的中尺度辐合线、地面中低压和中尺度辐合线、云顶亮温低值区、强回波区及雷达速度图上逆风区等均揭示中小尺度扰动系统存在,且中小尺度扰动系统与暴雨雨团对应很好.     

网格嵌套技术对一次中尺度对流系统降水过程模拟的影响

利用非静力中尺度模式MM5对2002年7月22日12:00~23日12:00(世界时,下同)长江流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟试验,主要讨论了网格嵌套技术对降水和中尺度对流系统的影响。结果表明:三重嵌套在D1,D2域选用积云参数化方案后,模拟的雨区收缩,虚假降水中心相对减少,降水强度及分布更接近观测值。在模式非线性动力、热力及湿物理过程共同驱动下,通过嵌套网格的双向相互作用,使可分辨云尺度的细网格域D3将其信息通过嵌套边界向次细网格域D2传递,然后再通过D2域边界向粗网格域D1域传递。同样,动力、热力反馈也会反向进行。结果将有助于改进各网格域的预报效果。但对D1网格域系统位置及其发展演变过程的影响相对小些;另外,通过双向多重嵌套,可提高模式预报区域的分辨率,特别是提高模式关键预报区域的分辨率,这也就有可能改进预报的中尺度物理场,使其能够较真实地描写大气实况。     

北京地区一次引发强降水的中尺度对流系统的组织发展特征及成因探讨

2008年8月10日白天到夜间,北京地区发生了全市性强降水,其中10日下午15:00-18:00经过城区的三个β中尺度对流单体不但产生强的降水(局地达到45 mm/h和12 mm/5 min的雨强),还出现了明显的组织化发展的迹象。利用北京地区多种高时空观测数据(包括地面自动站、多普勒雷达、风廓线、微波辐射计等)和雷达变分同化分析系统(VDRAS)的高分辨率分析场资料,重点分析研究了这三个对流单体组织发展的特征和成因。结果显示:(1)10日下午城区的短时暴雨与大范围降水云系前部(北京城区南部到房山东部)近地面层β中尺度切变线的产生直接相关,该切变线触发了对流,使对流单体组织化发展成为准南北向排列的β中尺度线状对流系统影响了城区;(2)降水发生前2小时左右,北京本站边界层环境风风向由西南向偏东的转变以及城区局地对流有效位能的短时快速积累,是城区对流得以发展的关键局地环境因素;(3)10日下午北京西北部山区的层状降水系统的低层(500 m以下)形成的西北冷性水平出流与北京东南部低层东南暖平流在城南一带汇合形成的风切变是导致对流单体移进北京后组织化和进一步发展的直接原因。因此,在有利的大尺度环流背景下,对于北京大范围降水而言,预报中需特别注意降水云系移动的近前方、边界层环境风风向的变化(即偏东风的出现),因为大范围降水发生后近地面层所形成的水平出流,可能与其前部偏东环境风构成明显风切变而激发对流的产生和组织化。     

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。