梅雨锋暴雨中尺度对流系统的组织特征和触发条件分析

利用常规气象观测、地面加密自动站和多普勒天气雷达资料,结合WRF(Weather Research and Forecast)模式模拟资料,对2015年6月26—28日长江中下游的一次梅雨锋暴雨过程中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)的组织特征和对流触发条件进行分析。结果表明:1)暴雨过程线状MCS在发展初期表现为东西向雨带不断的"后部建立"以及随后对流单体的"列车效应";在发展成熟期,对流单体向东北—西南向发展,形成多个近乎平行的东北—西南向短雨带。呈现2种尺度的对流组织方式:新生对流单体沿着单个雨带向东北方向的"列车效应"和短雨带沿着线状M CS向东平流的"列车带"效应。2)低空急流的持续加强为对流的发生发展提供了条件性不稳定和对流有效位能,偏南暖湿气流在向东北推进的过程中,在风速辐合处被强迫抬升至自由对流高度,释放不稳定能量,触发对流。3)对流雨带内近地面向南的冷出流与低层西南暖湿气流的持续交汇和相互作用有利于新单体生成发展,使雨带得以维持。     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.     

不同平缓-混合坐标对一次高原准静止锋降水过程模拟影响对比分析

GRAPES_Meso模式预报存在南风偏大、虚假降水偏多等问题,且在大地形下游地区异常明显。平缓-混合坐标可以有效减小气压梯度力计算误差以及平流输送误差,而这两种误差与风场和水汽场预报密切相关。基于GRAPES_Meso模式选择四种平缓-混合坐标对一次典型的高原东部准静止锋降水过程进行模拟分析。模拟结果表明,较弱的天气形势演变下,平缓-混合坐标的改进效果比较明显,可以有效缓解风场预报偏差、虚假降水、虚假天气系统等问题,个例模拟的结果与实况更接近。     

用轴对称的平衡模式对热带气旋发展过程中积云动量垂直混合作用的模拟

经过新中国成立以来多次中尺度天气试验研究,江淮以南地区暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究取得长足进展。其进展主要体现在两个方面:一是用较高分辨率的观测资料（包括地面和高空探测的加密观测以及卫星和雷达的观测）对形成暴雨和强降水的中尺度天气系统的结构特征和生命史过程建立了天气学概念模型,特别是对暴雨和强降水有重要影响的α中尺度和β中尺度对流系统,建立了观测个例的中尺度物理模型;二是探索了暴雨和强降水的动力学和热力学的物理机制,为精细化数值模式的设计提供了理论支撑,为灾害性天气预测预警提供了技术支持。本文在以往暴雨和强降水研究的基础上,着重对暴雨和强降水的中尺度天气科学试验、江淮以南地区暴雨和强降水发生主要区域的中尺度天气动力学研究进行了概述。

     

青藏高原上中尺度对流系统(MCS)的数值模拟

A mesoscale convective system (MCS) developing over the Qinghai-Xizang Plateau on 26 July 1995 issimulated using the fifth version of the Penn State-NCAR nonhydrostatic mesoscale model (MM5). Theresults obtained are inspiring and are as follows. (1) The model simulates well the largescale conditionsin which the MCS concerned is embedded, which are the well-known anticyclonic Qinghai-Xizang PlateauHigh in the upper layers and the strong thermal forcing in the lower layers. In particular, the modelcaptures the meso-α scale cyclonic vortex associated with the MCS, which can be analyzed in the 500 hPaobservational winds; and to some degree, the model reproduces even its meso-β scale substructure similarto satellite images, reflected in the model-simulated 400 hPa rainwater. On the other hand, there aresome distinct deficiencies in the simulation; for example, the simulated MCS occurs with a lag of 3 hoursand a westward deviation of 3-5° longitude. (2) The structure and evolution of the meso-α scale vortexassociated with the MCS are undescribable for upper-air sounding data. The vortex is confined to thelower troposphere under 450 hPa over the plateau and shrinks its extent with height, with a diameter of4° longitude at 500 hPa. It is within the updraft area, but with an upper-level anticyclone and downdraftover it. The vortex originates over the plateau, and does not form until the mature stage of the MCS. Itlasts for 3-6 hours. In its processes of both formation and decay, the change in geopotential height fieldis prior to that in the wind field. It follows that the vortex is closely associated with the thermal effectsover the plateau. (3) A series of sensitivity experiments are conducted to investigate the impact of varioussurface thermal forcings and other physical processes on the MCS over the plateau. The results indicatethat under the background conditions of the upper-level Qinghai-Xizang High, the MCS involved is mainlydominated by the low-level thermal forcing. The simulation described here is a good indication that itmay be possible to reproduce the MCS over the plateau under certain large-scale conditions and with theincorporation of proper thermal physics in the lower layers.     

中尺度对流系统对台风“风神”移动路径影响的研究

通过卫星资料分析台风“风神”路径预报之所以出现较大的偏差,可能是由于“风神”西侧中尺度对流系统引起的.为了更好地研究中尺度对流系统对台风的影响,利用中尺度非静力数值模式WRF对“风神”的移动过程开展了高分辨率数值模拟,模拟采用双重嵌套,最高分辨率6 km,共积分78 h.利用模拟资料,采用PV-ω分部位涡反演方法定量分析了台风外围中尺度对流系统对台风运动的影响,认为P V-ω分部位涡反演方法能够很好地分离出台风外围中尺度对流系统,其对台风引导气流的贡献可达到20％左右.为验证中尺度对流系统的影响,用模式积分的方法,通过3组模拟实验,发现中尺度对流系统使台风路径偏左或偏右可能随着环境引导气流方向而改变,而在此个例中的中尺度对流系统会使得台风向西和向极移动得更远.对比研究了不同中尺度对流系统对台风的影响,发现在“风神”移动过程中,中尺度对流系统之所以引起较大影响是因为中尺度对流系统与台风相对位置变化不大所致.     

梅雨锋上两类中尺度对流系统形成的边界层特征

采用具有较高时空分辨率的地面观测资料以及WRF（Weather reasearch and forecasting）模式输出资料,分析了2009年6月29一-30日梅雨锋暴雨过程中两类不同的中尺度对流系统（rnesoscale convective system,MCS）边界层特征及边界层对两类MCS的触发维持机理,重点分析了海平面气压场特征、边界层冷池、干线及其在MCS中的影响。结果表明：两类中尺度对流系统的海平面气压特征存在着明显的差异,对流爆发阶段地面风场存在辐合线,再次激发阶段气压场呈“跷跷板”型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内;边界层辐合线是第一类中尺度对流系统（MCSl）维持的重要因素;MCSl爆发后边界层冷池生成,冷池前的冷出流与低层环境风产生的强辐合触发了第二类中尺度对流系统（MCS2）;存在于中低压和中高压之间的中尺度干线是MCS2的重要特点之一。     

广西一次暴雨过程中准静止中尺度涡旋的位涡反演诊断

利用分片位涡反演方法,对影响2008 年6 月广西一次暴雨过程的准静止中尺度低涡(简称“广西涡”)进行反演计算,诊断分析不同物理性质的位涡扰动对广西涡的贡献。结果表明: 与潜热释放有关的湿的位涡扰动(Qh)对广西涡有直接作用,并对广西涡发展有主要正贡献,其影响主要集中在对流层中低层;与潜热释放无关的干位涡扰动(Qd)对广西涡的贡献集中在对流层中高层,有利于广西涡向高层扩展和加深;Qh和Qd均对广西涡路径有影响。     

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...     

天津地区080625强对流天气过程的分析

强对流降水是天津地区重要的灾害性天气,为了研究该类天气发生发展的动力学、热力学机制,利用NCEP/NCAR再分析资料和FY-2C卫星逐时TBB资料对2008年6月25日天津的强对流降水过程进行研究,然后利用WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式对该次强对流降水过程进行数值模拟和诊断分析。结果表明：中尺度露点锋是该次强对流降水的重要机制,其对应的低层气流辐合所形成的强烈上升运动及相对应的强烈发展的对流云团,是此次天津强对流降水的直接影响系统;对流有效位能等参数的变化非常好地反映出此次强降水天气的发生和发展特征;较大的相对螺旋度与此次强对流天气的发生对应也较好。由此认为,中尺度露点锋锋生的动力学、热力学过程是此次强对流降水天气发生发展的重要机制。     

一次热对流降水成因的分析和模拟

夏季受西太平洋副热带高压控制的中国大陆地区常发生热对流降水。在副高中心盛行大尺度下沉气流的环境中,对流是怎样发生的？降水的水汽来自哪里？本文以2003年8月2日发生在江西、浙江等地区的热对流降水为例,研究了地表的非均匀感热加热对增强对流的贡献和地表蒸发、水汽水平通量辐合对降水的贡献。本文首先利用TRMM卫星观测资料、地面自动站地表温度观测资料和NCEP资料分析了热对流降水的特征及其产生的背景条件;接着利用区域平均的水汽方程诊断了地表蒸发、水汽平流和水汽通量辐合项的贡献,分析了降水的水汽来源;再进一步利用AREM区域数值预报模式,设计了4个敏感性试验研究了陆气感热、潜热通量对降水的贡献。结果表明,在副高控制的地区,白天强烈的非均匀地表感热加热可导致低层热空气块突破环境下沉气流而上升,周围空气补充形成辐合运动。低层空气的辐合上升既可引起水汽的汇聚,又可把低层的水汽输送到高层。同时非均匀陆面特征造成的非均匀感热和潜热通量的共同作用增强了大气的位势不稳定度,触发了对流,但感热通量对热对流降水的贡献比潜热通量略大。热对流降水的水汽除部分来自地表蒸发外,另一部分来自低层的水平通量辐合。定量计算表明二者对大气可降水量的贡献基本相当,而平流水汽的贡献很小。     

京津冀地区与海风锋相互作用的对流系统的发展预判分析

运用WRF模式,对京津冀地形触发对流系统与海风锋相互作用的两个个例开展了数值模拟,通过对两个个例模拟的广义湿位涡异常和雷达回波分布的对比分析,对广义湿位涡异常预判该类天气过程中对流系统发展的潜力进行了检验。分析结果显示,广义湿位涡异常较雷达回波提前0.5至1 h示踪到山地背风坡和海风锋处的对流系统的发展。斜压与水汽梯度相互作用和非绝热加热对广义湿位涡异常提前示踪山地背风坡和海风锋处对流系统发展有重要的贡献。过山气流的显著扰动和午后相对于陆地大气较为冷湿的海风辐合上升是分别造成山地背风坡和海风锋出现明显的斜压与水汽梯度相互作用的主要原因。     

一个长生命期中尺度对流系统维持机制的分析研究

利用FY-2C多通道卫星云图、雷达资料和自动气象站记录等非常规观测资料,研究2008年4月12-13日形成于广西中部、移过广西东南部和广东西部到达南海的一个单独且生命期持续长达25 h的中尺度对流系统(MCS)的维持机制.水汽图(wV)分析显示4月12日14时前,对流层中上层存在一个明显的由湿变干过程,与此同时从红外(IR1)、中红外(IR4)和可见光(VIS)云图的合成分析中检测到低空有一条从北部湾延伸到广西东南部持续稳定的中尺度水汽输送带,在高空干区与低空湿区重合的广西东南部上空形成了强他势不稳定区,为MCS的形成和维持提供了有利环境条件.根据自动气象站记录分析结果,准静止锋在缓慢南移过程中连续抬升触发深对流而形成MCS,是一个典型的锋面抬升触发过程.分析表明,MCS能维持长生命期主要有利因素是:(1)在高空气流由湿变干的条件下,来自北部湾海面持续的低空中尺度水汽输送带给广西东南部提供充足的水汽、热量并形成大气位势不稳定层结,较长时间保持的位势不稳定层结为MCS的维持提供了有利环境条件;(2)稳定而持续缓慢南移的准静止锋在MCS西南边不断触发新的对流单体,这种后向传播方式触发的新对流单体并入MCS后,补充已减弱东移的旧单体,使MCS具有持续生命力.最后,给出了MCS的概念模型.     

台风与冷空气对重庆\

利用地面逐小时观测资料、NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料、FY-2F卫星加密观测（6 min分辨率）的云顶亮温（TBB）和常规观测资料,对1710号台风\     

一个高空槽前中尺度对流系统发生发展过程和机制研究

2008年7月6日20时—7日14时,高空低槽前云系产生了一条从广西南宁市到环江县东西宽约80km、南北长达350km的暴雨带,槽前云系南段一个中尺度对流系统在上林县产生了降雨量达265.0mm的特大暴雨。使用常规资料和FY-2C卫星云图、多普勒天气雷达和自动气象站等非常规观测资料进行分析。当高空槽移过青藏高原后,从卫星云图和等熵面分析图上可以检测到槽后有干空气东南下,干空气经云贵高原下沉到桂西和越南北部后,在槽底附近转折向东侵入到桂中,在上林县附近形成一个中尺度涡旋和中尺度负变压中心,中尺度对流系统在中尺度涡旋及中尺度负变压中心上空发生、发展并产生了强降雨,而中尺度涡旋和中尺度负变压中心的出现超前于强降雨约2h。研究表明,中尺度对流系统发生、发展的有利条件是:(1)槽前偏南暖湿气流向桂中暴雨区输送充足的水汽并形成了位势不稳定,为中尺度对流系统的发生发展提供了环境条件;(2)在上林县附近形成的中尺度涡旋辐合上升运动抬升暖湿气流触发对流而形成了中尺度对流系统;(3)对流单体沿低空切变线传播发展并入中尺度对流系统,使中尺度对流系统得以发展和维持。给出了中尺度对流系统发生发展机制的二维概念模型。     

青藏高原上中尺度对流系统(MCSs)的个例分析及其比较

对1995年7月25—28日高原上连续数日出现MCSs的现象进行了红外云图特征及其演变、大尺度环境背景场和对流有效位能的分析。可以发现，所有这些MCSs有着相似的日变化演变过程；它们的初始对流在中午由于日射加热开始活跃，之后迅速发展，这些MCSs在后下午形成，在傍晚达到最强，之后逐渐减弱。其中26日MCS最为强大，它是在单一的强大的近于圆形的高原反气旋高压背景下受强的低层热力强迫和条件不稳定的驱动而发生的。这些发生条件都与高原本身的热力作用紧密相关，所以它的发生发展主要与高原特有的较为纯粹的热力因子相联系。28日MCS是另一个很强的MCS，它明显地受到中纬度西风槽的斜压区的影响，这二个很强的MCS有着不同的发展机制和显著不同的表现特征。     

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。     

台湾天气研究计划与绿岛中尺度实验简介

从1987年开始,台湾暴雨研究进入一个新纪元,由早期定性描述分析进入定量计算与模拟,其中包括新观测设施的建设与数值天气预报系统的建立。近年来,随着全球气候变暖,台湾极端降雨事件有所增加,其中不少极端降雨事件是由非台风暴雨所致,往往给当地社会经济和人民生命财产造成严重影响,这就迫切需要不断提高强降雨定量预报业务水平。本文通过对近30 a台湾在非台风暴雨研究发展方面取得的主要进展的回顾,重点介绍了台湾气象部门为了提高强降雨定量预报业务水平所做出的努力,同时对未来台湾非台风暴雨研究规划与方向作了简要介绍。

     

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。      

一次梅雨锋上MCS云微物理过程及降水形成机制

选取2004年6月23日一次梅雨锋MCS暴雨过程,在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5(V3.6)进行了数值模拟.对于可分辨尺度的降水,采用Reisner霰显式方案,对云内微物理过程特别是对各种水成物的源项进行了详细分析.结果表明:冷云过程是此次降水的主要云物理过程.云中以霰和雪为主要的降水元,尤其霰的作用最大.在强降水时段,雨水的主要源项都与霰有关,霰的生长过程中冰相粒子与过冷水的碰并以及霰的凝华过程最为重要.零度层上方存在着丰富的过冷水,最大的云水含量中心也在过冷层中.在过冷层中冰相粒子主要通过凝华过程和碰并过程增长,MCS发展强盛期冰晶与过冷水的碰并增长要大于液水的蒸凝过程的增长.最后给出了本次梅雨锋上MCS降水云系的三层云结构及微物理过程模型.