华南前汛期锋面垂直环流及其与中尺度对流系统的相互作用

对1998年华南暴雨试验加密观测期间(IOP)5月23日强降水个例的数值模拟结果分析指出,锋面对于中尺度对流系统而言除了提供对流运动的触发机制外,两者之间还可能存在复杂的相互作用。华南前汛期中伴随对流活动的冷锋具有独特的垂直环流结构。它主要表现为暖湿气流不是沿锋面上滑,而是在冷锋前沿的对流雨团中直接上升到高空,锋面上方上滑的暖空气完全被对流雨团北侧的补偿性下沉气流所代替;而在锋后以及锋前暖区内均有对流活动发生的情况下,低空流入锋区前沿和锋区上方雨团的空气不是来自锋前暖区,而是来自锋后。对对流系统内部雨团进行的三维轨迹追踪也揭示出锋面上空对流雨团内存在一部分来自锋后并穿越锋区的上升气流。这是因为锋面并不是真正意义上的物质面,它只是大气温、湿属性有显著差别的界面,因此存在穿越锋区的运动并不是完全不可能发生的。在华南前汛期中,锋区两侧温度对比比通常意义上的锋面要小,这也是可能发生穿越锋面运动的原因之一,表明中尺度对流系统由于具有与梅雨锋在跨锋方向相类似的尺度而有可能对梅雨锋的流场结构发生影响。     

2005年6月广东锋前暖区暴雨β中尺度系统特征的诊断与模拟研究

通过对雷达、卫星、地面等观测资料的诊断分析以及数值模拟研究, 对2005年6月广东 (粤中) 地区特大持续性暴雨的β中尺度系统进行了研究, 得出以下结果: (1) β中尺度系统是该次广东持续性暴雨的直接制造者, 当地的喇叭口地形非常有利于β中尺度系统的触发与维持。β中尺度系统发展初期有一些更小的γ中尺度系统的活动, 它们形成带状, 逐渐发展合并为β中尺度系统。 (2) 在较为成功的模拟的基础上, 采用模式输出资料对β中尺度对流雨团P作了仔细分析, 结果显示低层对应风场的辐合, 高层对应风场的辐散, 这种高低空散度场配置非常有利于强降水的产生和维持, β中尺度雨团中心对应着上升运动, 而在雨团北侧有弱下沉气流的补偿。引起降水的β中尺度系统多位于锋前暖区的相对更暖区域。 (3) 在同一次暴雨过程中, 粤桂两地同处锋前暖区, 对其风场上的异同点作了比较。共同点是低层均存在风场的辐合。但广西为风速辐合, 辐合中心具移动性, 而广东为风向辐合, 有明显辐合线, 辐合中心, 稳定少动。 (4) 地面辐合线上的扰动以及地面较强的温湿对比区的热力作用对于β中尺度系统的触发可能有重要的影响。地面资料提供了很有用的信息, 是一种重要的工具。 (5) 在此基础上提出了锋前暖区中尺度对流系统及地形、地面风、温、湿分布对其影响的概念模型。     

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.     

一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究

1998年5月23～24日在珠江三角洲地区发生的特大暴雨过程是华南暴雨试验(HUAMEX)加密观测期间的一个典型个例,卫星云图与降水分布表明这是锋面附近与锋前暖区发生的两个中尺度对流系统(简称MCS)造成的强降水。使用非静力原始方程模式MM5较为成功地模拟了这次暴雨过程。根据数值模拟的结果,本文着重分析了发生在锋面上和锋前暖区的两类MCS的中尺度特征,并探讨了这两类MCS的差别。结果表明,两类MCS具有某些共同的中尺度特征,即对流系统的底层和顶部分别存在β尺度的低压和高压中心;低层流场辐合而在对流雨团的顶部辐散出流;对流系统内部具有暖心结构等,但锋面上的MCS较暖区中的对流系统具有更强的斜压性;二者内部的流场与三维运动结构也具有不同的特征,来自西南和偏南方向的空气从底部流入锋前暖区MCS时受到中低压的气压梯度力作用而加速;而锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气,而且还有来自锋后的冷空气参加对流。MCS高空反气旋式发散气流和空气的加速运动反映出MCS顶部存在中尺度高压及向外的气压梯度力,轨迹分析也证明了MCS上空气流的这种非地转特征。     

贵州南部一次突发性大暴雨的中尺度分析

利用地面加密观测资料、贵州自动站雨量资料、FY-2C卫星红外辐射亮度温度(tbb)资料等,对2006年6月12日夜间贵州南部突发性大暴雨过程进行了中尺度分析.结果表明:具有类似于MCC(Mesoscale Convective Complex)特征的中尺度对流云团的发生发展及其缓慢东移是造成此次大暴雨的直接原因.对流层中低层大量的水汽输送和对流有效位能的积累为大暴雨的形成提供了有利的环境条件,中高层弱冷空气入侵使偏南暖湿气流被迫抬升、地面中尺度低压和辐合线的形成是暴雨发生的可能触发机制.中尺度天气系统具有低层辐合、高层辐散的高、低空配置,暴雨区南、北两侧的正、反垂直环流构成了中尺度次级环流圈的垂直结构特征.     

2015年5月19—20日华南地区不同性质暴雨成因和预报分析

利用常规地面、高空和自动站观测资料以及NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,结合多普勒雷达回波和卫星资料,对比分析了2015年5月19—20日华南暴雨过程中不同性质暴雨对应的天气背景、垂直结构特征及直接造成暴雨的中尺度对流系统活动特征。结果表明：此次华南暴雨过程3个强降水中心分别与3个中尺度对流系统相关。（1）广西北部在850 hPa低涡切变线及α中尺度锋面气旋影响下,暴雨区斜压锋生结构明显,整层大气强烈上升。地面冷锋后中尺度线状对流活跃,排列紧密,持续时间较长,降雨量大。大尺度模式有较高的可参考性。（2）广东中北部暴雨区受边界层弱冷空气触发,线状对流系统在其南侧高温高湿环境中新生并传播,排列松散,移动速度较快,总降雨量不及广西北部,但局部雨强突出。边界层中尺度辐合线及γ中尺度气旋对强降水起重要作用。中尺度模式有一定的反映,预报难度较大。（3）广东东南部暴雨由暖区边界层风速辐合及地形海岸线作用产生,其降水质心低,降水效率高。模式的预报能力十分有限。针对不同特点的暴雨预报,数值模式的预报能力不同,而预报员在对天气特征准确把握的基础上,综合考虑不同数值模式的结果,有望得到更准确的预报。     

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.     

初夏青藏高原东侧一次特大暴雨的综合分析

分析了2002年初夏发生在高原东侧的一次特大暴雨,认为这次暴雨的成因是新疆低槽与高原槽合并东移并引导较强冷空气在高原东侧与四川至陕西的西南暖湿气流交汇而形成的。高空西风急流增强、我国东部高压的阻挡及低层偏南暖湿气流的加强、北伸为发生暴雨提供了有利条件。冷锋前暖区内中β尺度对流系统(MβCSs)的活跃直接导致了特大暴雨的发生。低层中尺度辐合系统与中β尺度对流云团的活动、大暴雨出现的时间和落区等密切相关。中尺度对流系统(MCSs)散度垂直分布的特殊结构,即从对流层低层列高层存在的辐合辐散“双重结构”对大暴雨时强烈上升运动和深对流形成有着重要作用。     

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。     

新疆西部"6.16"强降水过程的中尺度分析

利用常规观测、风云卫星、多普勒天气雷达、CMORPH卫星降水量融合资料和NCEP/NCAR(0.25°×0.25°)再分析资料,对2016年6月16—17日新疆西部一次罕见暴雨过程进行中尺度分析。结果表明:(1)该暴雨过程具有累计雨量大、暴雨强度强、局地日雨量破极值、短时强降水范围广等特点。暴雨区位于200 hPa高空西南急流出口区左侧、500 hPa偏南气流及700 h Pa切变线附近。较强的CAPE和K指数对该暴雨有很好的指示意义。(2)该暴雨过程发生在低层辐合、高层辐散、低层较湿的有利背景下。强正涡度、强辐合和强上升运动不断将水汽和能量向上输送,为暴雨的产生提供有利的环境条件。(3)中亚地区中尺度雨团在发展演变过程中,逐渐形成西南-东北向带状多中心雨带,中心依次到达伊犁北部沿山地区,和原有的中尺度雨团共同作用,造成暴雨天气过程。中尺度对流云团不断产生于中亚地区,在东移过程中不断发展加强依次到达暴雨区,致使暴雨区不断产生短时强降水。(4)暴雨过程两个时段的中尺度对流系统存在明显差异,第一时段主要为孤立中尺度对流系统,造成伊宁博尔博松站成为暴雨中心并出现最强短时强降水的直接系统是风场特征明显的中γ尺度对流单体并在暴雨区维持少动。第二时段为CR达50 dBz、DVIL达4 g·m~(-3),长度达70 km、宽度达10km且呈准南北态的线状中尺度对流系统,其在向东移动过程中造成多站依次出现短时强降水天气。     

一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,对安徽省一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的环流背景、内部结构及其演变进行了系统分析。结果表明:1)低层台风外围偏东气流的输送使得暴雨区增温增湿,进而增强中纬度大气的不稳定度;西风槽前的上升运动有利于暴雨区低层辐合的加强和垂直运动的发展维持。2)强降水过程主要由两个β中尺度对流系统造成,在暴雨区上空β中尺度对流系统的新生维持是强降水维持较长时间的重要原因。3)雷达回波和地面要素场上,强降水表现为两个β中尺度的对流系统的生成发展,中尺度对流系统锋生的原因虽各有不同,但对流的发展与地面中尺度辐合线和加强的中尺度低压有关。γ中尺度的强对流单体是造成局地降水峰值的直接原因。4)两段强降水的出现都表现出中纬度系统和台风外围气流的相互作用,低层冷空气的触发以及西风槽前暖湿气流的加强都会使降水有明显的增幅。5)雷达速度场上,β中尺度对流系统的加强和低层暖湿气流的加强紧密相关。γ中尺度对流系统的生成则是由速度场上小尺度的风速辐合造成。     

高原低值系统影响下一次极端强降水天气诊断分析

采用常规观测资料、地面加密观测资料、逐时云顶亮温TBB资料和1°×1°NCEP/NCAR再分析资料,对2013年7月8~11日四川盆地持续性暴雨天气过程的中尺度对流系统活动及其发生发展的物理机制进行了分析。结果表明:(1)暴雨过程发生在对流层中层中高纬度两槽一脊稳定维持的环流背景下,由活跃的高原低值系统以及异常稳定的副高西侧偏南气流配合低层冷空气作用造成。(2)极端降水过程分为暖区强对流性降水和相对稳定的锋面降水两个阶段;暖区对流性降水阶段,偏南暖湿气流源源不断向盆地输送水汽和能量,为暴雨发生提供了高能高湿条件,大气层结极不稳定,中尺度对流云团发展旺盛;锋面降水阶段层结趋于稳定,对流云团有所减弱,但仍有充足的水汽输送且降水云系稳定少动,致使盆地西部产生持续性降水。(3)500h Pa高原低槽前的正涡度平流诱发盆地西部低层气旋性涡度增加、低涡生成和发展,致使暖湿气流持续在盆地西部形成辐合上升,为暴雨的维持提供了很好的动力条件,两个降水阶段均为明显的低层辐合高层辐散的特征,暖区对流性降水阶段正涡度发展较锋面降水阶段更强。(4)青藏高原东侧的地形作用强迫气流在盆地西部强烈辐合上升,使得暖湿水汽更加有效率地形成降水,是此次极端强降水天气出现的一个重要动力因素。      

江苏一次大暴雨过程的诊断与中尺度分析

利用FY-2E卫星TBB资料、加密自动气象站资料、多普勒雷达产品、NECP格点资料,对2010年7月12—13日发生在江苏沿江地区的一次大暴雨过程进行了诊断和中尺度分析。结果表明:此次大暴雨过程是在有利的大尺度环流形势稳定维持下发生的,强度大、中尺度特征非常明显;高空辐散低空辐合的有利配置和垂直螺旋度是此次暴雨过程的动力机制;非地转风和垂直环流圈的上升支气流触发了不稳定能量释放,激发了暴雨过程;正反环流圈不断地加强和补充暴雨所需的水汽和能量,使暴雨得以维持;10个中尺度雨团的频繁活动直接造成了此次暴雨。其中,起重要作用的是合并而成的A、B雨团,雨团的合并使雨区扩大、雨势更强、生命史更长;3个β-MCS是造成此次暴雨的中尺度对流系统,与雨团发展直接相联系的是≤-62℃,甚至≤-72℃的冷云盖。1号β-MCS影响时段内,由多个对流单体回波合并形成的块状对流回波。3号β-MCS影响时段内,对流单体回波合并后形成一条东西向带状回波,在径向速度场上则出现了逆风区特征。地面中尺度辐合系统与雨团的发生发展关系十分密切,且对雨团的发生发展具有一定的预示作用。     

山东“8.11”暴雨主要特征分析

通过对“８．１１”山东特大暴雨过程的天气形势、冷空气活动、水汽、稳定度条件、中尺度系统和地形的分析,指出西风带弱冷空气与副高边缘热带风暴环流的相互作用是造成特大暴雨的大环流背景,特大暴雨的产生是热带风暴环流、热带辐合带、习冷空气与东南暖湿气流共同作用的结果,地形对局地特大暴雨有着重要的影响。     

2005年6月华南特大连续性暴雨的环境条件和中尺度扰动分析

利用常规观测站、地面加密站资料、卫星红外云图TBB和NCEP再分析资料,对2005年6月19-24日发生在广东的特大连续性暴雨过程进行了分析.天气分析表明:高空南亚高压前部的强辐散场,500 hPa河套阻塞高压以及低层低涡切变线横卧在江淮一带、低空急流源源不断地向华南输送暖湿气流的这种大尺度环流形势和相应的大范围动力热力及水汽条件,决定了暴雨的多发时期和持续性;区域暴雨多发期内5次强降水的具体发生和间歇,则与暴雨区大气动力、热力及水汽条件的5个α中尺度时间变化与震荡密切联系并受其影响;暴雨区动力条件的α中尺度时间变化与特定的大尺度环流背景下高低空急流的演变有密切的关系.降水的中尺度特征分析表明:暴雨过程中5场暴雨的发展和间歇对应5个α中尺度系统的发展和减弱,暴雨是由19个β中尺度系统直接造成19个β中尺度大雨团形成.进一步分析表明:强降水主要发生在地面静止锋和锋前暖区的中尺度切变线(或中尺度辐合线)和中尺度涡旋或中尺度辐合中心附近,中尺度涡旋内的降水是由飑线上γ中尺度对流单体形成的"列车效应"产生的,而中尺度切变线附近的降水则是飑线的发展合并加强产生的.发生在冷式切变线附近的强降水移动速度较快,发生在暖式切变线附近的强降水移动缓慢,发生在辐合中心的强降水在原地发展达最强后随辐合中心转为切变线减弱或直接在原地减弱消失而结束.     

2009年抚州市一次暴雨天气过程诊断分析

利用常规气象资料、NCEP再分析资料、地面逐时自动站资料和FY-2C气象卫星资料,对2009年7月25日发生在江西抚州市的区域性暴雨、局部大暴雨天气过程进行诊断分析。分析表明;这次暴雨天气在副高突然加强西伸,中低层冷式切变转为静止锋式切变且维持在30°N附近的背景下,由地面辐合线南压触发能量释放而产生;中尺度对流云团不断发展东移并配合地面中尺度辐合线产生暴雨,强降雨中心发生在中尺度辐合线后侧;暴雨落区配合中尺度对流云团,有利降水的增强;大气层结强烈的对流不稳定促使中尺度对流云团强烈发展,造成强降水天气。     

吉林省重大暴雨过程评估方法研究

应用Barnes滤波原理,构建合适的带通滤波器,获取了中尺度信息,对2005年7月21～24日台风"海棠"登陆后与中纬度系统相互作用给河南省造成的暴雨过程进行了分析.结果表明:在台风外围大尺度气旋性环流中,中尺度低压、中尺度辐合线和辐合区是此次暴雨的直接影响系统;台风低压移近后,与西太平洋副高之间气压梯度加大,可以在副高西南侧形成东南风低空急流,东南急流的形成促使中尺度系统加强和发展;干冷空气自对流层中层向低层伸展,与低层的暖湿气流交汇,使对流和暴雨加强.     

地形对一次粤北暖区暴雨的影响研究

地形对暖区暴雨的发生发展有着重要影响。以粤北一次暖区暴雨为例,从大尺度背景、中尺度特征及预报难点等方面分析了地形的作用,并利用CMA-GD模式进行了地形敏感性试验。结果表明:此次暴雨在副高与西风槽之间的双低空急流下发生,南岭地形对低空急流的动力作用、对θ_se舌和水汽的阻滞拦截作用,为暴雨出现在粤北创造有利条件;地形热力作用下产生的中尺度辐合线是对流触发的机制。敏感性试验显示南岭地形对暖区暴雨的落区影响显著,降水落区随南岭地形升高(降低)而往南(北)偏移。西南急流在经过南岭时,低层风速、散度、温度以及垂直速度都会随地形改变而发生明显变化。当南岭地形高度降低时,正面阻挡和摩擦作用减弱,急流、辐合及上升运动区向北推进到西风槽附近,导致雨区往北偏移;南岭地形高度升高时,地形阻挡和摩擦作用增强,辐合及上升运动区被阻隔在南岭南侧,暖区对流提前触发,雨区发生在粤北。可见,此次暴雨过程主要来自大尺度环流背景的影响,但其落区与南岭地形密切相关。     

榆林一次短时突发性暴雨中尺度特征及成因分析

利用NECP 1 °×1 °间隔6 h再分析资料、卫星TBB资料、榆林多普勒雷达以及本地加密观测资料,对2017年7月23日榆林城区短时突发性暴雨成因及中尺度特征进行诊断分析,结果表明:此次强降水是在西太平洋副热带高压控制下产生的,副高外围中低层西南暖湿气流带来了水汽和不稳定能量;卫星云图和雷达上表现为中β尺度对流雨团和多个γ尺度强对流雨团;0~6 km中等强度的垂直风切变,对流不稳定能量和中低层强辐合,为短时暴雨的产生提供有利的环境场;地面图上干线触发了暴雨的产生。中尺度辐合的维持,使得飑线附近不断触发新的对流雨团,tBB＜－60 ℃区域与短时暴雨落区有较好的对应关系。分级最优Z-I反演降水估测产品能更好地反映中尺度对流性降水的量级,对预报员判别短时强降水具有指示作用。     

长江中游一次β中尺度低涡的数值模拟

利用PSU/NCAR的中尺度数值模式MM5,对1999年6月29日的一次东移低涡过程进行了数值模拟,结果表明:在东移的a中尺度低涡的东南部边界层激发出一个β中尺度的涡旋,该β中尺度涡旋与一强暴雨区相伴移动,稠密的实况降水资料证实了这一暴雨雨团的存在和移动过程。模拟分析揭示β中尺度涡旋出现在停滞的α中尺度低涡南侧偏西气流与暖区偏南气流相遇处及中尺度山脉的背风坡;在中尺度山脉背风坡的地面和近地面层分别有中尺度低压和增强的东南气流存在,由此产生或加强了近地面的强涡度和强辐合,有利于对流系统的发生发展。