华北地区一次中尺度对流系统上方的Sprite放电现象及其对应的雷达回波和闪电特征

利用低光度相机首次观测到了2013年7月31日华北地区一次中尺度对流系统(MCS)上空产生的中高层Sprite放电现象。结合闪电定位、天气雷达等同步观测, 对一次MCS诱发的Sprite的形态学特征及其对应的母体闪电和雷暴系统的雷达回波特征等进行了详细分析。研究除发现了2例圆柱型、3例胡萝卜型和1例舞蹈型 Sprite外, 还发现了2例发光主体发育不完全的Y字型Sprite。估算的Sprite的底部平均高度低于61.8±3.5 km, 顶部平均高度为84.3±6.8 km。Sprite持续时间算术平均值为25.7±9.8 ms, 几何平均值为24.4 ms。Sprite的母体闪电均为正地闪, 峰值电流在+62.5～+106.2 kA之间, 算术平均值为+77.1±22.2 kA, 是本次MCS所有正地闪平均峰值电流的1.4倍。Sprite母体闪电的脉冲电荷矩变化(iCMC)在+475～+922 C km之间, 几何平均值为+571.0 C km。Sprite母体闪电发生在MCS雷达回波25～35 dBZ的层状云降水区, 弱回波(<30 dBZ)面积的突然增加对Sprite的产生有重要指示作用。Sprite易发生在MCS成熟—消散阶段正地闪比例(POP)显著增加的时段。在本次MCS消散阶段中, 有两个时间段可能有利于产生Sprite。在Sprite集中发生时间段, 北京闪电综合探测网(BLNET)探测到的正地闪比例为54.2%, 正地闪连续电流比例70.24%, 连续电流持续时间为58.17±50.31 ms, 有利于Sprite的产生。     

江苏一次锢囚状MCS和相关中涡旋MCV的观测分析

利用常规地面和高空气象观测资料,结合气象卫星云图和雷达回波,分析了2009年6月14日15—23时(北京时,下同),造成江苏强对流天气的一个中尺度对流系统(MCS)的锢囚状特征的形成过程及其垂直结构。地面中尺度分析表明,雷暴高压东侧在飑前倒槽北端发展的闭合低压环流的东南气流将暖湿空气输送到冷性雷暴高压的北侧形成东南一西北向的暖舌,从而形成锢囚状的结构。长三角探空网资料的垂直结构分析表明,在对流层下部地面到850 hPa为冷性的雷暴高压,在对流层中部700 hPa为冷性的α中尺度涡旋(MCV),而500 hPa已转变为暖性的MCV。静力学关系可以说明MCV仅仅存在于700~500 hPa的原因和MCS下冷上暖的热力结构密切相关。     

北美地区一次冬季中尺度对流系统上空红色精灵现象的空间观测及其母体雷暴分析

红色精灵是发生在雷暴云上空的一种大尺度瞬态放电发光现象,它们通常出现在地面上空40～90 km之间,是由地闪回击和随后可能存在的连续电流产生的。目前,由于综合同步观测资料较少,与夏季红色精灵相比,全世界对冬季红色精灵的研究屈指可数。2008年12月27～28日,受高空槽及低层暖湿气流的影响,北美阿肯色州地区爆发了一次冬季雷暴天气过程,搭载于FORMOSAT-2卫星上的ISUAL（Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning）探测器有幸在这次雷暴上空记录到了两例红色精灵事件。本文利用ISUAL获取的红色精灵观测资料、多普勒天气雷达资料、美国国家闪电定位资料、超低频磁场数据、美国国家环境中心/气候预测中心提供的云顶亮温和探空数据等综合观测数据,对产生红色精灵的这次冬季雷暴特征和相关闪电活动规律进行了详细研究。结果表明,在两例红色精灵中,ISUAL均未观测到伴随的“光晕（halo）”现象,第一例为“圆柱状”红色精灵,第二例红色精灵由于发光较暗,无法判断其具体形态。产生红色精灵的母体雷暴是一次中尺度对流系统,该系统于27日15:00（协调世界时,下同）左右出现在阿肯色州北部附近,并自西向东移动。23:59系统发展到最强,最大雷达反射率因子（55～60 dBZ）的面积达到339 km2,之后开始减弱。03:03雷暴强度有所增加,随后云体便逐渐扩散,雷暴开始减弱,并在11:00完全消散。两例红色精灵发生分别在04:46:05和04:47:14,此时雷暴处于消散阶段,正负地闪频数均处于一个较低水平且正地闪比例显著增加,并且多位于云顶亮温?40°C～?50°C的层状云区上空。红色精灵的出现伴随着30～35 dBZ回波面积的增加。在红色精灵发生期间,雷达反射率大于40 dBZ的面积减少,10～40 dBZ的面积增加,表明红色精灵的产生与雷暴对流的减弱和层状云区的发展有关,这与已有的夏季红色精灵的研究结果类似。红色精灵的母体闪电为正地闪单回击,位于中尺度对流系统雷达反射率为25～35 dBZ的层状云降水区,对应的雷达回波顶高分别为2.5 km和5 km,峰值电流分别为+183 kA和+45 kA。根据超低频磁场数据估算两个母体闪电的脉冲电荷矩变化（iCMC）分别为+394 C km和+117 C km。超低频磁天线记录到了第一例红色精灵内部的电流信号,表明这例红色精灵放电很强。     

一次MCS的尺度分离动能分析

利用尺度分离动能方法对１９９４年６月１１日０９ＵＴＣ－１２日１０ＵＴＣ影响湖南省的一次ＭＣＳ进行了研究，结果表明：１．大尺度运动中非地转风以及两种尺度间风场与气压的相互作用产生的动能，是这次ＭＣＳ的主要能源；２．中尺度动能以及两种尺度风场相互作物 动勇，随ＭＣＳ发展而增加；３．在ＭＣＳ的整个发展阶段，高层的总体动能锐减。     

华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究

利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料, 分析了一次具有前部对流线和后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。整个MCS生命史中负地闪占主导地位, 正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1, 地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域; 负地闪主要密集地分布在大于40 dBZ的回波范围内; 正地闪则稀疏地分布在30～40 dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多, 而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演, 发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应, 并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。     

一次强暴雨过程地闪活动特征与中尺度对流系统和强降水的关系

利用2007年8月8日18时至9日02时发生在陕西关中强暴雨期间的地闪、卫星TBB、雷达回波和地面加密降水资料,通过统计和对比分析的方法,分析了地闪活动特征及其与中尺度对流系统（MCS）和强降水的关系。地闪活动特征分析显示,暴雨过程中负地闪占绝对优势,为总地闪的97.7%。负闪频数和总闪频数的逐时演变趋势完全一致且呈现两峰一谷的趋势,正闪频数的变化呈现三峰两谷的趋势,但是正闪频数最大值与总闪、负闪频数峰值时间一致。负闪活跃期正负闪6 min演变均表现为多峰结构,正闪的波峰提前于负闪的波峰12 min。负闪频数变化和MCS、雷达反射率因子演变对比分析表明,负闪发生区是未来对流云团和对流发展加强区,负闪频数密集区位于对流云团前部TBB等值线密集区,负闪频数的急剧增加意味着未来对流系统的猛烈发展;负闪主要出现在回波强度大于40 dBz的区域,正闪则落到强回波中心两侧30～40 dBz的回波区,中尺度对流系统快速发展加强期,负闪密集区位于回波单体的前沿,中尺度系统发展稳定少动期,负闪大部分集中在各对流单体的强回波中心附近。对比分析地闪与暴雨发生发展的关系可见,地闪的发生和急剧增加对暴雨发生和发展加强有很好指示意义,初闪的发生提前于强降水发生,地闪急剧增加与降水强度猛增密切关联,负地闪发生密集区是未来强降水发生区。     

A Study on the Mesoscale Convective Systems during the Summer Monsoon Onset over the South China Sea in 1998 Part Ⅰ: Analysis of Large-Scale Fields for Occurrence and Development of the Mesoscale Convective Systems

The summer monsoon onset over the northern South China Sea (SCS) in May 16-20, 1998 was characterized by the abrupt onset of mesoscale convective activities and rapid increase of precipitation. The possible mechanism for formation of the mesoscale convective systems (MCSs) and related rain belts were revealed through discussing their forming physical conditions under the large-scale background: (1) The high pseudo-equivalent potential temperature and the convective instability in the lower troposphere, the low-level southwesterly confluence and the high-level divergence over South China and the northern SCS provided the favorable large-scale thermodynamic and dynamic conditions for development of MCSs. The southwesterly flow from the Bay of Bengal (BOB) interacted with that to the western flank of the subtropical high, which constituted the major moisture channels, thus bringing about deep wet layers and strong moisture convergence;(2) triggered by several cold troughs from high and mid latitudes, the convectively unstable energy was released and the convective activities over the northern SCS broke out abruptly;(3)analysis of retrieved precipitation based on the dual-Doppler radar during South China Sea Monsoon Experiment (SCSMEX) indicated that active convection influenced by the monsoon trough and corresponding wind shear line organized and formed continually some mesoscale convective rainbelts. During May 15-19,about 12 precipitation processes with 6-12-hour life span or more were observed;and (4) under the favorable synoptic conditions, establishment of the monsoon trough and shear line in the low levels, as well as production and development of mesoscale low vortex were all necessary conditions for the formation and maintenance of MCSs.     

华南雷暴大风天气的环境条件分布特征

利用中国气象局提供的观测资料研究了2010—2014年华南雷暴大风和普通雷暴的空间分布特征,并将华南春夏两季雷暴大风和普通雷暴的大尺度环境条件进行对比。结果表明:研究的华南区域08—20时(北京时)夏季雷暴大风略多于春季,而普通雷暴夏季样本数约为春季的3.6倍,雷暴大风主要发生在粤西到珠江三角洲地区。相比于普通雷暴,雷暴大风天气发生的环境条件具有更强的条件性不稳定,斜压性和动力强迫更强。春季雷暴大风发生时环境中的大气可降水量和中高层湿度均比普通雷暴更大,而夏季反之。华南春季雷暴动力条件明显优于夏季,而夏季热力强迫的作用大于春季。     

一次云南强对流暴雨的中尺度特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料及常规观测资料与雷达、卫星等非常规观测资料,综合分析了2014年6月6日云南暴雨过程的天气成因及中尺度对流系统特征。结果表明:500hPa前倾槽、700hPa切变线及地面冷锋是此次暴雨过程的天气尺度影响系统;高能高湿的对流不稳定层结、明显的垂直风向切变是强对流天气形成的有利条件;在Q矢量散度辐合区内多个β中尺度对流系统(MCS)发生发展,短时强降水主要出现在MCS移动方前沿对流活跃的云顶亮温(TBB)等值线密集区,雨强变化与TBB等值线梯度变化密切相关;多普勒雷达及地闪资料显示多个γ中尺度对流系统是强对流暴雨产生的直接影响系统,雷暴易发生于回波强度在35~45dBz、回波顶高超过10km的区域,中尺度辐合线、第二类γ中尺度辐合区附近负地闪密集区与短时强降水、雷暴天气有很好的对应关系。     

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.     

Evolution of the Total Lightning Activity in a Leading-Line and Trailing Stratiform Mesoscale Convective System over Beijing

Data from the Beijing SAFIR 3000 lightning detection system and Doppler radar provided some insights into the three-dimensional lightning structure and evolution of a leading-line and trailing-stratiform (LLTS) mesoscale convective system (MCS) over Beijing on 31 July 2007. Most of the lightning in the LLTS-MCS was intracloud (IC) lightning, while the mean ratio of positive cloud-to-ground (+CG) lightning to -CG lightning was 1:4, which was higher than the average value from previous studies. The majority of CG lightning occurred in the convective region of the radar echo, particularly at the leading edge of the front. Little IC lightning and little +CG lightning occurred in the stratiform region. The distribution of the CG lightning indicated that the storm had a tilted dipole structure given the wind shear or the tripole charge structure. During the storm’s development, most of the IC lightning occurred at an altitude of ～9.5 km; the lightning rate reached its maximum at 10.5 km, the altitude of IC lightning in the mature stage of the storm. When the thunderstorm began to dissipate, the altitude of the IC lightning decreased gradually. The spatial distribution of lightning was well correlated with the rainfall on the ground, although the peak value of rainfall appeared 75 min later than the peak lightning rate.     

A Study on the Mesoscale Convective Systems during the Summer Monsoon Onset over the South China Sea in 1998Part I: Analysis of Large-Scale Fields for Occurrence and Development of the Mesoscale Convective Systems

1. Introduction China is located in the East Asian monsoon re- gion. Every year's weather and climate in this region is deeply affected by the monsoon activities. Es- pecially, during flooding season (May to September), the summer monsoon controls large-scale precipitation patterns, the movement of seasonal rain belt and oc- currence of drought/flood disasters. The Asian mon- soon can be divided into two systems (Tao and Chen, 1987). As a major component and its unique location, the South …     

Potential Deformation and Its Application to the Diagnosis of Heavy Precipitation in Mesoscale Convective Systems

Many observational studies have shown that deformation, like vertical vorticity and divergence, is closely related to the occurrence and distribution of strong precipitation. In this paper, to involve deformation in precipitation diagnosis, a new parameter called potential deformation(PD) is derived and then applied to precipitation detection within a simulated mesoscale convective system(MCS). It is shown that PD includes both stretching deformation and shearing deformation and shares similar characteristics with deformation insofar as it does not change with the rotating coordinate. Diagnosis of the simulated MCS reveals that PD performs well in tracing the MCS' precipitation. In terms of their distributional pattern, the large-value areas of PD are similar to the precipitation in the different development stages of the MCS. A detailed analysis of the physical processes contained within the PD shows that it can reflect the three-dimensional moisture variation,vertical wind shear and wind deformation within the MCS. These structures are usually a comprehensive reflection of the characteristics of the surface cold pool, rear inflow jet, downward cold air flow and upward warm moist flow within the precipitating convective cells. For this reason, the PD shows much stronger anomalies in the precipitating atmosphere than the non-precipitating atmosphere, which implies considerable potential for its application in detecting heavy precipitation within MCSs.     

云南省一次切变冷锋型暴雨过程的中尺度对流系统分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料和多种加密观测资料,对2013年初夏云南省一次典型冷锋切变型暴雨天气过程进行诊断和中尺度分析,结果表明：青藏高原和川西高原西北气流引导冷空气和切变线南下影响云南省,地面冷锋与切变线位置基本一致,冷暖空气交汇于切变线和冷锋附近,产生强降水。天气尺度系统的有效合理配置及相互作用,为中尺度对流系统的发展提供了有利的环流背景。CAPE高能区和等Δθse(500-800)线密集区的分布与对流系统的发生、发展有一定对应关系。暴雨发生的局地性和突发性等中小尺度特征与地面中尺度辐合系统密切相关。地面锋面及叠加在其上的加密地面风场辐合区的位置和移动可以作为短时强降水短临预报的重要参考依据。地面强降水强度和落区与对流云团的TBB等值线梯度大小以及梯度大值区的位置相关。地闪频数的发生发展,可以作为对流云团发生发展的判据之一。受多方面因素影响,低纬高原不同暴雨点的地闪频数峰值出现时间与强降水峰值时间的关系复杂。大风区、第二类γ中尺度辐合区的存在和“列车效应”是造成局地短时强降水的直接原因。边界层急流为此次强降水过程提供了重要的动力强迫和水汽输送。     

低纬高原地区一次中尺度对流复合体个例研究

利用地球静止气象卫星(GMS)资料和有限区域暴雨预报模式(HLAFS)分析场,对1999年6月6日低纬高原地区发生的一次中尺度对流复合体(MCC)进行了分析.研究结果表明,MCC发生在副热带高压与滇缅高压之间辐合区中;受两高之间辐合区及云贵高原地形的影响,MCC位于500hPa一个明显的中尺度辐合线上,垂直速度中心强度比其他地区的MCC约大1倍,无辐散层位于400～500hPa之间,北侧准静止锋锋区很强.     

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.     

“12.7.22”四川暴雨的MCS特征及对短时强降雨的影响

利用FY2D卫星云图云顶亮温(TBB)资料、雷达回波产品和常规气象观测资料、地面自动站降水资料及NCEP 1°×1°逐6h再分析资料,对2012年7月21-22日四川暴雨中的中尺度对流系统(MCS)特征及其对短时强降雨影响进行分析,结果表明:(1)这次暴雨过程在21日00-06时和21日21时至22日03时有两个明显的6h短时强降雨阶段.第一阶段中,500 hPa高原涡与700 hPa低涡切变线、低空急流作用,引发盆地西部短时强降雨;第二阶段中,500 hPa高原涡与700 hPa西 南涡作用,引发盆地南部短时强降雨.(2)短时强降雨通常由MCS中的深对流特征造成,水平尺度多为β中尺度或更小的γ中尺度系统,具有云顶亮温低、雷达反射率因子大和垂直累积液态水含量高等特点.(3)探空资料分析表明,MCS增长初期,大气不稳定能量高,存在风垂直切变,在低层冷暖平流交汇明显且温度梯度大的区域,有利于激发MCS生成,另外高低层系统作用产生的深厚正涡度对其发生发展亦具有重要作用.在演变过程中MCS具有低层正涡度、负散度,高层负涡度、正散度的垂直结构,且上升速度明显,这种结构特征可能是MCS发展维持的重要因素,亦是产生强降雨的机制之一.     

中尺度对流系统中的湿中性层结结构特征

基于CloudSat卫星获得的高分辨率中尺度对流系统垂直剖面结构,结合大气参量相对湿度和相当位温的诊断分析,在低纬度、中高纬度地区、陆地或海洋以及不同天气形势下,发现了多个非常典型的中尺度对流系统(MCS)内部具有湿中性层结特征的个例.进一步利用静止卫星普查到的东亚地区MCS分布情况,结合NCEP再分析资料诊断MCS重心位置处大气状态廓线,利用大量的例子从统计的角度揭示了湿中性层结结构特征在MCS中存在的普遍性,并且从动力学和热力学的角度探讨了湿中性层结结构在MCS发生和发展中所起到的作用.     

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。