云南两次中尺度对流雷暴系统演变和地闪特征

在利用NCEP/NCAR再分析资料诊断分析2010年9月21—23日中尺度对流雷暴系统形成的环流背景基础上,通过云南省闪电定位系统地闪监测资料和FY-2E卫星云图资料的同步叠加, 分析两个中尺度雷暴系统的演变和地闪特征。结果表明:台风凡亚比 (1011) 西行减弱的热带低压为中尺度对流雷暴系统提供有利的暖湿和抬升动力环流背景,促使中尺度弧状对流云带、中尺度雷暴云团和中尺度对流复合体生成和发展。雷暴云团结构和地闪活动空间分布不均匀并随时间变化,且正、负地闪频数与云顶亮温 (TBB) 相关,当TBB降低和等值线密度变大,雷暴云团发展,低TBB中心偏于云团的前部云区,负地闪频数剧增;当TBB达最低值时,雷暴云团成熟,负地闪频数达峰值,正地闪出现;当TBB升高且等值线密度变小时,雷暴云团减弱,低TBB中心靠近云团中心,负地闪频数迅速减小,正地闪频数达到峰值;密集的负地闪出现在雷暴云团前部大的TBB梯度区和TBB不大于-56℃的低值中心附近,正地闪分散在TBB不大于-56℃的低值中心附近,偏于负地闪区域后部发生。     

南京一次特大暴雨天气过程的中尺度特征

分析了2007年7月7-8日南京特大暴雨天气过程的大尺度背景以及中尺度特征,发现中高纬阻塞形势的生消、冷暖气流的交汇、深厚的对流辐合场的形成等是强暴雨发生发展的主要因素.另外500 hPa中尺度流场汇合带、700 hPa中尺度扰动中心、雷暴云系、强雷达回波带以及强降水带走向相当一致,说明这次强暴雨过程具有明显的中尺度特征;发现500 hPa中尺度流场汇合带比卫星云图更能体现大范围的地闪分布,此发现对大范围的雷电预报有参考价值.     

一次局地暴雨的地闪特征及其与强降水的关系

利用闪电定位仪每分钟实测资料、加密自动站逐分钟雨量和卫星云图云顶亮温TBB资料,对2013年4月29日西南涡东移过程中MCS产生的局地暴雨地闪特征进行了分析。结果表明：这次过程产生了大量地闪活动,且地闪主要出现在西南涡东侧500 hPa槽前辐合上升运动区、700 hPa暖切南侧850 hPa暖切北部的辐合带、TBB小于等于220 K区域南侧TBB水平梯度大值区的叠置区。整个过程负闪占主导地位,强降水发生在负闪密集区;MCS生命史不同阶段的正负闪频数、密集程度和分布位置是不同的。进一步分析发现单站地闪频数与TBB和强降水在时空变化上有一定的相关性,地闪频数和TBB表现为负相关,即TBB下降到最低值时,地闪频数则到达峰值;逐时地闪频数和雨强均呈单峰分布,负闪频数和强降水发展演变趋势一致,负闪峰值和最大雨峰时刻对应,正闪或和最大雨峰一致或略滞后,正负闪和雨峰的6 min演变趋势呈多峰分布,负闪初现12~18 min后出现降水,负闪突增较强降水有18~24 min的提前量。此个例显示MCS将朝向移动路径前侧的负闪密集区域移动,负闪密集区对局地强降水的落区和强度有较好的指示意义。     

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。     

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。     

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。     

一次中尺度对流系统的电场演变特征

综合雷达、卫星、电场、闪电定位仪等资料,分析了2009年6月5日经过南京地区的中尺度对流系统(MCS)的地闪、电场演变过程及特征。本次过程中,MCS的发展阶段正地闪占主导地位,成熟阶段负地闪占主要地位,消亡阶段层状云区的正地闪相对较频繁。将该过程电场划分为4个阶段,重点对MCS对流区的电场进行了演变过程和特征分析,并用准正态分布模式模拟了MCS的对流区电场。结果表明,准正态分布模式能够更细微地反映电场变化,模拟得到的电场和实际观测相符。     

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。     

副高边缘两次暴雨过程的地闪特征

利用闪电定位、雷达回波、自动气象站等资料,对山西省2005年8月11～12日副高西进北抬过程中其边缘的对流性强暴雨和2005年8月16日副高东退南压过程中其边缘的持续性暴雨过程的闪电特征进行了对比分析.发现两次暴雨地闪均出现在500hPa的5840～5880 gpm之间的区域,都具有负地闪占主导地位、正地闪频数很低、正地闪强度远大于负地闪强度的特征.对流性强暴雨,负地闪的分布与中气旋和中辐合线的位置相对应,负地闪出现在回波强度达50 dBz或以上的区域内,正地闪出现在45 dBz左右的范围;同一次暴雨过程,不同的对流风暴存在不同的地闪分布.持续性暴雨,地闪出现在地面冷锋与700hPa切变线之间的区域,且正地闪出现在锋区的中后部靠近700hPa切变线、500hPa靠近5840 gpm线的区域;负地闪则出现在锋区的中前部靠近地面冷锋、500hPa靠近5880 gpm线一侧的逆风区或负速度区的大值区;稳定性降水出现在700hPa切变线与500 hPa槽线之间、雷达强度图上正地闪的西北部区域.局地地闪频数随时间的演变不能代表整个对流风暴地闪频数随时间的演变,但局地闪电的出现及其频数的增加或减少却能指示风暴对该地区的影响程度,尤其是地闪频数峰值的出现可以指示雨强峰值的即将来临,这对强对流暴雨的临近预报是十分有意义的.     

一次中尺度对流系统的闪电演变特征

利用地面雷电探测网资料、多普勒雷达和卫星资料对一次典型的MCS过程的地闪变化特征进行了分析,结果表明,在系统发展的最初阶段全为负地闪;在MCS的成熟阶段地闪频数一直较高,在10次/min以上,负地闪占绝对优势;在消散阶段,地闪频数急剧下降,同时正地闪所占比例越来越大,甚至超过负地闪。地闪基本出现在<-50℃的云区和前部大的温度梯度区内,集中发生于<-60℃的云区。负地闪主要发生在强对流区(>40 dBz),其持续时间和强对流的维持时间几乎相当,说明负地闪可以很好地指示或有助于识别强对流区;密集的正地闪也与强回波区相对应,而稀疏的正地闪则多发生在系统后部的稳定性降水或云砧部位。同时,在MCS成熟阶段出现高正地闪频数的瞬间突增有可能对应着地面强天气的发生,在强对流天气的临近预报中应予以关注。     

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。     

Mesoscale Analysis of a Heavy Rainfall Event Along the Huaihe River Valley During 8-9 July 2007

During 8-9 July 2007,several successively developed rainstorms along the Meiyu front produced heavy rainfall in the Huaihe River Valley,which led to the most catastrophic flooding in this region since 1954.Through mesoscale analysis of both conventional and intensive observations from upper air and surface stations,automatic weather stations,Doppler radars,and the FY-2C satellite,the current study examines the developing style and environmental conditions of the mesoscale convective systems(MCSs)that led to the development of the rainstorms.Our analysis showed that this event went through three phases.The first phase of the heavy rainfall(Phase Ⅰ)was caused by a meso-α-scale wind shear in the lower troposphere during 0200-1700 BT(Beijing Time)8 July.Phase Ⅱ was characterized by a reduction in rain rate and the formation of a low-level vortex between 1700 BT 8 and 0200 BT 9 July.In Phase Ⅲ,the well-organized mature meso-α-scale low-level vortex brought about intensified rains during 0200-0800 BT 9 July.Satellite and raclar observations showed a backward development of MCSs(new convective cells were generated at the back of the system)in PhaseⅡ,a forward development in Phase Ⅲ,and a spiral organization of the convective lines in Phase Ⅱ.The heavy rainstorm systems were initiated continuously along a surface mesoscale dew-point front with a horizontal scale of～300 km(as part of the Meiyu front)in the upper reaches of the Huaihe River Valley near Fuyang City,Anhui Province and then gradually decayed in the middle and lower reaches.It is hypothesized that lifting by strong low-level convergence is sufficient to trigger convection in the high CAPE(convective available potential energy)environment.     

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.     

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.     

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.     

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。     

Locating Parent Lightning Strokes of Sprites Observed over a Mesoscale Convective System in Shandong Province,China

In this paper, we report the location results for the parent lightning strokes of more than 30 red sprites observed over an asymmetric mesoscale convective system(MCS) on 30 July 2015 in Shandong Province, China, with a long-baseline lightning location network of very-low-frequency/low-frequency magnetic field sensors. The results show that almost all of these cloud-to-ground(CG) strokes are produced during the mature stage of the MCS, and are predominantly located in the trailing stratiform region, which is similar to analyses of sprite-productive MCSs in North America and Europe. Comparison between the location results for the sprite-producing CG strokes and those provided by the World Wide Lightning Location Network(WWLLN) indicates that the location accuracy of WWLLN for intense CG strokes in Shandong Province is typically within 10 km, which is consistent with the result based on analysis of 2838 sprite-producing CG strokes in the continental United States. Also, we analyze two cases where some minor lightning discharges in the parent flash of sprites can also be located, providing an approach to confine the thundercloud region tapped by the sprite-producing CG strokes.     

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...     

2003年淮河大水期间MCS的普查分析

利用GEOS-9卫星红外1云图对2003年6月21日至7月22日淮河流域大水期间的MCS做了普查分析.结果发现：（1）淮河大水期间共有10个MαCS和24个MβCS,其产生频数远大于常年的平均值;（2）绝大部分MCS初生于淮河流域并且其成熟时的位置位于淮河流域是造成这次大水的主要原因之一;（3）淮河流域大水期间部分MCS的形成时间与一般MCS有所不同.最后,结合常规资料对产生MCS的天气背景进行了分类,发现该期间MCS形成的天气背景具有多样性.