长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅱ：环境特征

利用2010年6—7月长江流域雷达拼图、各种观测资料和NCEP逐日再分析资料,合成分析了长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统的环境特征及典型个例。结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统环境风相对对流线分量的垂直分布是决定线状中尺度对流系统组织模型的重要因子。尾随层状降水中尺度对流系统和邻接层状单向发展中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层是从前向后,而前导层状降水中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层中低层为从前向后,至中高层转为从后向前,这３类中尺度对流系统平行对流线的风分量都随高度明显增加;尾随层状降水中尺度对流系统和前导层状降水中尺度对流系统对流层风垂直切变主要是垂直于对流线,邻接层状单向发展中尺度对流系统则主要是平行于对流线方向。平行层状降水中尺度对流系统和准静止后向建立中尺度对流系统对流层平行于对流线的风分量占绝对优势,且随高度增大,前者增大得更显著,垂直于对流线的风分量较小。7月8日邻接层状单向发展中尺度对流系统形成于地面冷锋北侧的高湿、不稳定的环境中;6月7日准静止后向建立中尺度对流系统形成于一个变化的高温高湿的地面环境场中。高温高湿环境是各类线状中尺度对流系统发展环境的共同特征。     

线状中尺度对流系统自动识别

在使用动态模板法识别中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)的算法中引入风暴单体识别跟踪算法(Strom Cell Identification and Tracking,SCIT),实现对MCS内部对流单体的定位,进一步计算出MCS的长宽比。利用该方法对20个多种类型中尺度天气过程进行处理,在选取不同识别阈值情况下对比评估动态模板法。结果表明:(1)动态模板函数、由SCIT得到的平均距离长宽比Wave和最大距离长宽比Wmax均能表征MCS长宽比,且在不同阈值情况下有较好的相关性;(2)动态模板函数与Wave和Wmax变化不一致的时刻是由于质心代表性不足和风暴单体较少引起的趋势变化波动较大造成;(3)综合分析结果表明动态模板函数法识别结果稳定可靠,与实际情况较为一致。     

线状中尺度对流系统的多普勒雷达统计特征分析

利用济南CINRAD/SA新一代多普勒天气雷达资料,统计分析了2004—2015年约15万km2区域内发生的148个线状中尺度对流系统（linear mesoscale convective systems,简称LMCSs）的多普勒雷达回波特征。主要分析了LMCSs的年和月分布、典型尺度、典型回波强度的统计特征以及初始回波出现时间、位置、LMCSs持续时间、演变过程回波合并特征、移动速度和方向、发展后期回波演变特征、组织类型等。LMCSs存在明显的年际变化,不同年份之间有很大的差别,而每年的6月和7月是LMCSs的高发期;80%的LMCSs是大于50 km的中-β尺度,20%属于中-α尺度,成熟期97.3% LMCSs的最大回波强度在55～70 dBz间;10—22时之间易开始形成LMCSs,14—16时是峰值,凌晨不易形成LMCSs,而LMCSs持续时间在2～18 h之间,6～8 h是峰值;一半的LMCSs在演变过程出现回波合并,合并过程可以分为与孤立对流单体合并、与对流回波群合并和与对流回波带合并三类;地形对LMCSs的触发有重要影响,太行山脉、鲁中山区的北麓和西麓容易触发形成LMCSs。这些研究为认识LMCSs发生、演变、减弱各阶段的特征,进一步提高对LMCSs的实时监测、短时预警水平提供了基础。     

基于动态模板函数的线状中尺度对流系统自动识别

在中尺度对流系统(mesoscale convective systems,MCSs)自动识别、跟踪基础上,根据拟合椭圆长轴设计动态模板和得分函数,完成了雷达拼图资料上的线状MCSs自动识别。并利用不同类型中尺度天气过程对算法进行检验,分析结果表明:(1)算法能够实现对线状MCSs的自动识别,由于对流系统分裂与合并造成的回波形态"突变",得分值结果能得到较好的反映;(2)算法能够实现对线状MCSs天气的跟踪,一般情况下跟踪效果较好,在分裂或者合并发生的时刻跟踪效果较差。     

一次中尺度对流系统分析

应用卫星云图、雷达回波、地面加密观测和各种常规资料,分析了１９９６年７月１日在黄海北部￣山东半岛发生的一次中尺度强对流天气过程。高空冷温度槽和低空、地面增温产生的不稳定能量是强对流体系形成的系统;中尺度辐合线、中气旋、近地层加热不均匀性、海陆风的辐合抬升等促进了强对流天气发生;对流云团的并合加强,产生异乎异常的能量,是该系统加强和发怅的重要条件;云团呈准静止状态是产生暴雨和长时间降雹的主要原因「。     

散度变化在中尺度对流系统分析预报中之应用

本文介绍了近年来国内外进行中尺度系统的分析和预报中,对风场的散度变化的研究和应用。提出中尺度散度扬的配置及变化与中尺度天气(如强天气和暴雨)有十分密切的关系,它往往能预示中尺度天气的出现。在此基础上,还介绍了利用散度方程某些特征项来研究未来中尺度散度扬的变化,从而达到定性地应用的目的。从近年来国内外的应用看,这种努力是成功的。     

山东省线状中尺度对流系统的天气学特征

按照如下标准确定一个线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective system,LMCS):40 dBz以上反射率因子连续或准连续回波带尺度≥100 km并持续至少1 h,镶嵌着40 dBz回波的35 dBz回波要求严格连续,线状或准线状的对流区域拥有一个共同的前边缘,最大回波强度≥50 dBz。从2012—2016年雷达资料中挑选出27个影响山东的LMCS,分析其天气学特征。结果表明:影响山东的LMCS 8月出现次数最多,形成时间集中在傍晚到前半夜,生命史一般为1～2 h,大多数具有后向传播特征;形成LMCS的初始对流单体绝大多数位于河北省,单体生成后一般向东偏南方向移动;LMCS大多数是东北—西南向,尺度一般介于100～200 km。文章提炼了形成LMCS的后倾槽、前倾槽和冷涡等三类天气学模型。850 hPa伴有暖温度脊或暖中心是形成LMCS的一个重要特征,冷涡和前倾槽类500 hPa中空急流以及后倾槽类700 hPa以下低空急流在形成LMCS中起着重要作用。当850 hPa比湿8 g·kg~(-1),沙氏指数和抬升指数均为负值时,可能出现LMCS。若对流有效位能1 000 J·kg~(-1),对流抑制较小,且850 hPa与500 hPa气温差大于25℃,出现LMCS的概率达80%。LMCS出现时均伴有短时强降水,70.4%的LMCS造成雷暴大风、冰雹或强降水灾害。冰雹和大风比短时强降水需要大气层结的不稳定度更高,仅有短时强降水出现时,0℃层和-20℃层的高度明显比冰雹和大风出现时的高度高。     

香港特大暴雨β中尺度线状对流三维结构研究

β中尺度狭窄线状对流系统是造成锋前暖区暴雨的主要角色, 对其结构和机理的研究具有重要意义。作者使用高时空分辨率的多普勒雷达观测资料, 对1998年6月8～9日香港暴雨过程中的β中尺度的狭窄线状雨带进行流场、回波强度和散度的时空四维结构的深入剖析, 利用观测资料得到线状β中尺度对流系统的三维流场和水平散度结构, 发现线状β中尺度对流系统的水平散度垂直配置与低层强降水回波之间存在一定的关系, 并给出发展和成熟阶段中线状β中尺度对流系统的流场和散度场配置的基本结构。     

华北平原一次中尺度对流系统分析

2002年6月1日在华北平原发生了β尺度的中尺度对流系统(MβCSs)。利用气象常规资料的客观分析产品对这次过程进行了分析,结果表明．在高空东北冷涡影响下,华北平原的东北方向出现急流,MβCSs发生在急流右侧的风速切变区中;由于高空正涡度平流、低空负涡度平流的共同作用,高空辐散,低空辐合,使对流层中层的上升运动得以维持;华北平原低空水汽通量辐合．有源源不断的水汽供应;高层总能量减少,低层总能量增加,使华北平原在垂直方向有大量的不稳定能量积聚。以上分析表明：华北平原具备了对流产生的动力和热力条件。该文揭示了MβCSs产生的原因,并为以后进一步做好MβCSs的预报总结了经验。     

线状中尺度对流系统内多个强降水单体的结构演变及闪电活动特征

利用多普勒雷达、SAFIR3000三维闪电定位系统和气象自动站等观测资料,以线状中尺度对流系统内多个γ中尺度强降水单体为研究对象,揭示了单体之间、单体与β中尺度线状对流系统的多种相互关系,设计多种雷达参量对单体的结构演变进行定量化描述,进一步建立了对流单体结构演变与闪电活动的相互关系。得到以下结论：（1）线状中尺度对流系统内顺义、房山、固安、宝坻对流单体分别造成了1 h降雨23、50、27、70 mm,在其演变过程中,顺义单体被另一个单体追逐、供给,房山单体包括2个更小单体的合并过程,而固安、宝坻单体的初生和发展与线状中尺度对流系统是被喂养、吞食的关系。（2）设计的雷达参量V₄₀（40 dBz强回波核的体积大小）、V_40UP-6（6 km高度以上40 dBz强回波核的体积大小）、S_ET11（回波顶在11 km处的回波范围大小）量化描述了单体的三维结构演变特征,F_ic（云闪频数）和F_cg（地闪频数）与上述雷达参量关系密切,如与V_40UP-6的相关系数为0.63—0.97;而F_ic比F_cg更敏感地呼应单体结构的变化。（3）固安单体在成熟阶段,主正电荷区（即辐射点最大密集区所处的地方）维持在较低位置,远低于其他单体在成熟阶段主正电荷区的高度。（4）在对流单体合并后,F_ic和F_cg增大且主正电荷区明显抬升、闪电频数陡增对应降水强度增大、闪电频数峰值超前于降雨强度极值等特征,对灾害天气的预警具有积极意义。     

2016年夏末南疆地区中尺度对流系统(MCS)活动特征

2016年夏末南疆地区短时强降水天气频发,中尺度对流系统活动频繁。利用强降水频发时段2016年8月8日至9月16日逐时FY-2G红外亮温（TBB）资料对南疆地区中尺度对流系统（MCS）进行分析,共获得92个生命史≥3小时的中-β尺度对流系统（MβCS）,包括β中尺度对流复合体（MβCCS）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。根据南疆地区的极端干旱气候背景,本文中-β尺度对流系统的尺度判定标准为云顶亮温（TBB）≤-32℃的连续冷云区直径≥20 km。对MCS的分布和活动特征进行了分析,结果表明：圆状MCS和带状MCS发生的频次相当。天山南坡和昆仑山北坡是MCS活跃区,MCS移动方向主要以偏东或东北方向为主,南疆地区活动最频繁的MCS生命史为3～4个小时。南疆地区MCS具有明显不同的日变化特征,午后和傍晚是MCS最活跃的时段。与MβCCS相比,MβECS具有更明显的夜发性特征。昆仑山北坡MCS的最活跃时段早于天山南坡MCS,而天山南坡MCS夜间和凌晨形成的特征更为显著。生命史为3～5小时的短生命史MCS主要在午后和傍晚形成发展,并在形成后2小时达到成熟,生命史超过6小时的长生命史MCS多发于午后和凌晨,并且其发展阶段更长。本文给出了1个引发短时强降水的MβCCS和1个MβECS的云团演变特征。     

2012年7月12日鄂东北准静止中尺度对流系统分析

使用高空天气图、NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析场、新-代天气雷达及地面观测资料分析了导致2012 年7 月12 日鄂东北强降水的准静止中尺度对流系统MCS（Mesoscale Convective System）的演变特征,解释了MCS 维持准静止状态的成因.南支槽、东北冷涡、副热带高压是MCS 形成的主要大尺度天气系统,MCS 形成于副高外围西南气流和冷涡高空槽底部之间,副高位置稳定和冷涡高空槽缓慢南压有利于MCS 稳定少动,且随南支槽加深西南急流的建立有利于持续向MCS 输送水汽和不稳定能量.MCS 表现为单个中α尺度对流云团,成熟时外形呈椭圆型,边缘光滑,亮温低值中心位于MCS 西侧,且有指状突起,亮温低值区域对应中β尺度对流回波带,强降水组合反射率因子为45～55 dBz,回波顶高18 km,中心高度低于6 km,MCS 维持准静止状态.强降水与MCS 亮温低值中心、强回波带相对应,降水效率高,持续时间长.中尺度分析表明,辐合线的维持是MCS 呈准静止状态的主要原因.地形阻挡产生的地面辐合线触发了初始对流,强降水在地面产生冷池、雷暴高压及弧状出流边界,出流边界上风速辐合较强且温度梯度较大区域又触发出新的对流,并在气压梯度力推动下向东南方向传播,抵消了环境风平流运动.MCS 低层主要有西南气流和西北气流,西北气流逐渐从MCS 后部进入,与西南气流形成辐合线,西南气流沿西北气流爬升产生对流,形成自东南向西北倾斜的中尺度锋面,地面出流边界和高空辐合线是中尺度锋面在风场的表现形式,对回波加强、维持有重要作用,且高空辐合线引起的后向传播也抵消了环境风平流运动.     

北京“7.10”暴雨β-中尺度对流系统分析

采用NCEP/NCAR再分析资料、自动站加密观测资料、逐时云顶亮温TBB资料、多普勒雷达资料以及成功模拟基础上的高分辨率模式输出资料，对2004年7月10日北京突发性暴雨过程β-中尺度对流系统的发生发展、结构与成因进行了综合分析。结果表明:此次过程影响系统为β-中尺度对流系统，它发生在大尺度暖脊之中，对流层中层的短波槽以及低层西风槽前西南气流与暖切变线北侧东南气流的汇合为其发生提供了良好的环境条件；该β-中尺度对流系统由两个对流云团合并而成，具有椭圆形结构特征，其水平尺度为150 km×100 km，时间尺度约为5 h；低层流场上它表现为中尺度辐合线或强辐合中心，雷达回波和径向速度场所反映的中尺度回波带和辐合线与它的演变有密切关系；在发展强盛期，β-中尺度对流系统具有较强的斜压性特征，垂直倾斜的上升气流及其两侧有明显的下沉补偿气流，显示它具有对流型风暴结构特征；在强对流不稳定层结条件下，700 hPa以下对流层低层具有明显的假相当位温θ_se暖湿舌，近地面层偏南风与偏东风两支气流的辐合及冷空气的侵入，导致行星边界层内能量锋区的加强，从而有利于β-中尺度对流系统发生发展。     

陕西北部一次暴雨过程的中尺度对流系统分析

利用FY-2卫星云图和物理量对2006-07-02发生在陕西北部的区域性暴雨天气过程分析发现:暴雨天气过程主要是3个时段的中尺度对流系统(MCS)在暴雨区上空反复出现造成的。第一时段的降水出现在850hPaθse能量锋区右侧,第二、三时段降水出现在850hPa能量大值区中心附近。中尺度对流系统发生具有一定的时间间隔。暴雨期间,高空西风急流和低空西南急流耦合产生的次级环流促进了暴雨区上空强烈的垂直上升运动,为中尺度对流系统反复发生、发展提供了有利条件。     

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。     

云南及其周边地区中尺度对流系统时空分布特征

依据卫星云图红外辐射亮温资料 (TBB) ,对云南及周边地区中尺度对流系统 (MCS)进行了统计分析 ,获得了该地区MβCS ,MαCS和MCC的时空分布特征。结果表明 :MCS多发生在低纬度高原东部的滇黔和中越之间 ;平均每年 6～ 8月为MCS主要发生时段 (占总发生次数的 6 7.1% ) ,MCS特别是MαCS和MCC发生频率最高的是 6月 ,其与季节性变化 (东亚季风和印度季风爆发 )和下垫面加热易形成空气热对流有关 ;低纬高原地区MCS除了 18～ 2 3时有 1个高峰发生时段外 ,0～ 7时还有 1个次高峰发生时段 ,这与中国其他地区有明显的不同 ,说明高原地区的MCS还具有地域特点。另外还对MCS的移动路径进行了分析。     

陕西渭北中尺度对流系统组织模型及灾害分析

根据陕西渭北711型数字化雷达2000-2006年5-9月的观测资料,把335例中尺度对流系统(mesoscale convective systems,MCS)组织演变的模型分为3大类(单体、线状、区域型MCS)9小类(少动单体、移动单体、合并单体、拖曳层状、先导层状、平行层状、断裂线状、非嵌入区域和嵌入区域型MCS),统计了各类MCS的出现频次、日变化、生命史、水平尺度、回波移动速度等.重点结合降雹实况,分析了各类MCS的灾害差异.结果显示线状MCS的降雹概率最高,单体MCS的降雹概率最低.拖曳层状类MCS产生的灾害最为严重,少动单体MCS产生的灾害最小.     

2004年一次连续性暴雨天气过程的中尺度对流系统分析

利用卫星云图对引发2004年6月22～24日贵州省连续性区域强降水的中尺度对流云团的发生、发展和演变过程进行分析,得出中尺度对流系统的活动是产生此次连续性暴雨天气的主要因素.     

梅雨期一次线状对流系统的结构特征研究

利用观测资料和高分辨率的模拟资料研究了发生在江淮流域梅雨期的2007年7月8日的一次无层状云(NS)线状对流系统。观测资料分析表明,NS对流线在热低压和冷高压之间的梅雨锋附近发展起来。之后,梅雨锋南侧低压向东南方移动,受到武当山的地形作用,北侧冷高压南移受到阻挡,高低压之间强迫减弱,系统在向东南方向移动的过程中减弱。WRF模式成功地模拟此次过程,利用模拟结果分析了NS线状对流线在形成阶段、成熟阶段和减弱阶段的结构特点。在系统的成熟阶段,前部是向后的入流引导的上升气流,气流在斜升过程中在中层遇到对流后部入流,一部分形成了对流区下层的下沉运动,另一部分上升气流则与中层及高层后向入流一起继续向对流层高层的系统前方运动。通过2009年6月3日弓状回波(BE型)对流内部结构的对比分析,揭示了NS的结构特征以及系统没有或较少产生层状云的原因可能是后部中层以上的后向入流的阻碍作用。      

新疆特大暴雨过程中的中尺度对流系统特征

利用GMS-5卫星红外云图数值资料,普查结果表明新疆“96·7”特大暴雨期间共发生了6个中尺度对流系统,分析了它们的发生、发展过程及环境场特征。