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.     

Modes of Mesoscale Convective System Organization During Meiyu Season over the Yangtze River Basin

Mesoscale convective systems （MCSs） are classified and investigated through a statistical analysis of composite radar reflectivity data and station observations during June and July 2010-2012. The number of linear-mode MCSs is slightly larger than the number of nonlinear-mode MCSs. Eight types of linear-mode MCSs are identified： trailing stratiform MCSs （TS）, leading stratiform MCSs （LS）, training line/adjoining stratiform MCSs （TL/AS）, back-building/quasi-stationary MCSs （BB）, parallel stratiform MCSs （PS）, bro- ken line MCSs （BL）, embedded line MCSs （EL）, and long line MCSs （LL）. Six of these types have been identified in previous studies, but EL and LL MCSs are described for the first time by this study. TS, LS, PS, and BL MCSs are all moving systems, while TL/AS, BB, EL, and LL MCSs are quasi-stationary. The average duration of linear-mode MCSs is more than 7 h. TL/AS and TS MCSs typically have the longest durations. Linear-mode MCSs often develop close to the Yangtze River, especially over low-lying areas and river valleys. The diurnal cycle of MCS initiation over the Yangtze River valley contains multiple peaks. The vertical distribution of environmental wind is decomposed into storm-relative perpendicular and parallel wind components. The environmental wind field is a key factor in determining the organizational mode of a linear-mode MCS.     

湖北省夏季引发极端降水的MCS统计特征分析

利用2008-2018年4-9月新一代天气雷达资料,挑选了引发湖北省极端降水过程的70例中尺度对流系统(me-soscale convective systems,MCS),重点研究了线状MCS成熟阶段的时空分布特征,结果表明:(1)5类线状MCS中邻接层状云降水AS(adjoining stratiform)发生比例...     

闽西山区“7·22”极端降水过程中尺度对流特征

2015年7月22日福建西部山区经历了一次罕见的极端降水过程,6 h降水量高达254.9 mm,24 h最大降水量达295.5 mm。利用常规天气资料、自动气象站、卫星云图、风廓线雷达以及多普勒天气雷达资料,分析此次过程的中尺度对流系统的环境条件及结构演变特征。分析表明:低空季风槽北抬减弱后的切变和高空高压之间的南北向槽缓慢向东北移动是此次强降雨的主要影响系统,不稳定能量加大、抬升凝结高度和自由对流高度低、大气可降水量大及中等到弱的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统发展的环境条件。中尺度对流系统在发展过程中结构发生改变,由线状对流伴随层云（TL/AS）的结构转变为静止后向建立的中尺度对流系统,极端降水出现在静止后向传播阶段。高空冷空气入侵,低空西南急流加强并伴风速辐合,冷暖空气交汇导致中尺度对流系统加强发展,边界层西南气流在有利的喇叭口地形作用下加强抬升,北上受到山脉阻挡形成小涡旋,西北侧对流单体移入后不断加强,对流单体的移动方向和传播方向相反,中尺度对流系统形成静止后向传播,产生列车效应,出现极端降水。     

湖北省极端短时强降水MCS类型及特征分析

重点利用新一代天气雷达、常规探空和地面中尺度观测等资料,在详细分析湖北省2008—2015年62例极端短时强降水中尺度对流系统演变过程的雷达回波特征基础上,研究归纳了湖北省6类极端短时强降水MCS模态,其中包括4类线状(尾随层状云、平行层状云、后向扩建类、邻近层状云类)和2类非线状(涡旋状类和层状云环绕类)MCS模态。初步研究表明:(1)4类线状MCS的模态和环境风相对对流线分量的垂直分布与早期的研究结果基本一致。(2)非线状的涡旋状类MCS模态典型特征是大范围层状云降水包裹着螺旋式涡旋对流回波带,多形成于西南涡前切变线附近,主要与西南涡前鄂西山地平原过渡带边界层中尺度涡旋系统的触发和组织有关。(3)湖北省后向扩建类MCS常出现在山脉迎风坡一侧,与中尺度地形对冷池的阻挡、冷池对MCS的组织作用等有关。(4)涡旋状MCS持续时间较长、范围较大,而层状云环绕类MCS维持时间较短。     

长江流域雨季中尺度对流系统研究——国家自然基金重点项目(40930951)成果简介

长江流域产生暴雨的中尺度对流系统(Mesoscale convective systems,MCS)是雨季强降水的重要影响系统,深入研究它的组织结构、活动规律及其发生发展机制,对提高暴雨的预报能力有重大意义。近3年来依托国家自然基金重点项目对中尺度对流系统展开了一系列研究,包括对长江流域产生暴雨的MCS进行组织形态分类、分析了不同线状MCS的结构特征、合成分析了各线状MCS产生的环境条件;我国三阶地形对降水的影响,尤其是山地—平原环流对梅雨锋夜间降水的影响;中尺度地形对对流降水的影响;湿斜压热动力耦合强迫激发MCS发生发展的影响;最后总结了长江流域产生暴雨的MCS的物理概念模型。     

一个长生命期准静止中尺度对流系统的观测特征及其持续的环境条件

2010年5月31日至6月1日华南特大暴雨过程经历了三次集中降水期,共有4次MCS（Mesoscale Convective Systems）演变过程,其中一个TL/AS MCS（Training Line/Adjoining Stratiform Mesoscale Convective System,邻接层状单向发展的中尺度对流系统）在广西壮族自治区中部准静止地维持了10多个小时,导致了多个观测站出现极端强降水。用观测资料和数值模拟结果重点探讨了该TL/AS MCS的观测特征及其发展持续的环境条件。结果表明,准静止TL/AS MCS发展在一个高空强辐散、低空气旋性汇合环流的天气尺度环境中,TL/AS MCS维持期间热力环境特征表现为对流层中低层持续高湿近饱和态、偏中性层结、合适的对流有效位能和极小的对流抑制能量。在对流层中低层,低空急流的加强发展维持与对流层中层相对弱的环境风形成了风垂直切变随高度呈现强逆转,近地层风垂直切变垂直于对流线的分量大,而在中层风垂直切变平行于对流线的分量占绝对优势,风切变特征可能是TL/AS MCS 准静止的原因;低空急流和中层环流的相互作用、对流层动力和热力条件有利于强上升运动的长时间维持与发展,不断触发新对流从而组织成一个长生命期准静止的TL/AS MCS     

武汉地区4次低质心类短时强降水对流风暴特征分析

利用自动气象站逐小时和逐5 min观测资料、长江中游雷达组合反射率因子SWAN拼图产品及NCEP FNL再分析资料,对武汉地区4次低质心类短时强降水对流风暴特征进行分析。结果表明:不同的天气背景诱发的对流系统特征不同,低层暖强迫造成的斜压不稳定背景下,环境条件高能高湿,雷暴冷池的积累有利于稳定性降水前沿触发线状强对流;斜压锋生天气背景下,冷暖剧烈交汇使得大气斜压性显著增强,地面多有中尺度气旋波发展,锋区冷区稳定性降水中多伴随短时强降水,而暖区能量、湿度条件更好,易诱发短时强降水等分散性强对流;准正压天气背景下,大气斜压性弱,环境高能高湿,多由近地面层流场强迫和局地热力差异触发剧烈的热对流活动。从对流风暴雷达回波特征和降水特征来看,TS类线状中尺度对流系统(MCS)移速较快,短时强降水范围小;准静止类表现为带状走向的大范围层状云回波稳定维持,中间伴有多个积云对流生消迭代,每一阶段降水增强都与新生对流单体途经武汉站点相对应;组织合并类在回波合并时,意味着短时强降水的发展增强,合并后的回波形态和走向影响着降水的强度和持续时间。在不同的环境背景、触发诱因和组织形态下,短时强降水发生前后地面气象...     

线状MCSs强降水特征及形成条件

基于2010—2019年国家气象站观测资料和多普勒雷达资料,以及美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第5代全球大气再分析产品——ERA5,对冀中廊坊线状MCSs强降水雷达回波、气候特征,以及降水过程中物理量变化进行定性和定量分析。结果表明:(1)线状MCSs强降水的雷达反射率因子回波形态有3类,即层状云后置(trailing stratiform,TS)型,层状云前置(leading stratiform,LS)型和层状云平行(parallel stratiform,PS)型,其中TS型出现频率最高,LS型和PS型出现频率相对较少,线状MCSs强降水发生具有明显的月际变化和日变化特征,高发于一年中的7月和一日中的前半夜;(2)线状MCSs强降水形成于4种天气尺度环流形势下,即低槽型、横槽型、低涡型和西风环流型,以低槽型最为普遍;(3)700 hPa偏西方向来的相对干冷空气与低空西南气流共同作用,加剧了大气的层结不稳定性,提高了降水效率,850 hPa偏南水汽分量越大,越有利于形成雨区相对较小、但雨强较大的强降雨天气,925 hPa东南风的配合明显扩大了强降雨落区;(4)线状MCSs生成于强的热力环境背景下,对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)在316.7~1545.7 J·kg^(-1),垂直能量螺旋度(vertical energy helicity,VEH)为正值且明显大于2×10^(-4)J·m·kg^(-1)·s^(-2)是其形成的有利能量条件。PS型MCSs强降水过程中,高空水平辐散加强了抽吸作用,使大的上升速率得以维持,优越的动力条件是强降雨持续时间更长的重要原因之一。     

论飑线动力学

1 引言由于后面带有中尺度层状云区的飑线系统往往产生大量降水,所以多年来人们已经认识到并日益增进了对这类飑线系统的重视。通常人们把在某一阶段既有层状云区又包含有对流中心的对流天气系统称为中尺度对流系统(MCS)。近来的观测结果(譬如:     

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.     

华南一次强对流天气过程中环境条件对MCS形态特征的影响

2014年5月22日华南地区出现了一次大范围强对流天气过程,该过程中出现了两个中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)MCS-A和MCS-B,两个MCS表现出迥异的形态特征,产生了不同的强对流天气。利用多源观测资料以及高分辨率数值模式分析了环境条件对于MCS形态特征的影响,结果表明:(1)广西夜间到凌晨边界层顶附近强盛的低空急流,使得MCS-A在北部山区出现后向建立(BB, back building)的形态特征,有利于大量级的短时强降水的出现;(2) MCS-A进入广西平原地区以后,强盛的边界层以上的低空急流使得能量垂直廓线的极大值在边界层高度以上,且风垂直切变特征不利于冷池前方的垂直运动发展,冷池前方无法连续触发对流,MCS-A逐渐演化成线状对流/层云伴随(TL/AS, Training Line/Adjoining stratiform)的形态特征,而后消亡;(3)在广东,能量极大值出现在大气底层,环境风廓线有利于冷池前方垂直运动发展,进而触发新的对流,新生成的MCS-B呈现典型的层云拖曳型(TS,trailing stratiform)形态,最终形成飑线,造成雷暴大风天气。      

峡谷地形对两次极端降水的作用

利用地面加密自动站、常规观测资料、NCEP再分析资料和两种模式产品,对发生在宜昌峡谷地区2016年7月7日局地极端短时强降水过程和2018年4月22日稳定性极端降水过程形成原因及模式预报性能进行检验分析。结果表明:(1)强的块状回波稳定少动,造成7月7日高效率的对流降水。4月22日降水既有沿山中尺度对流回波造成的对流降水,也有螺旋状涡旋回波形成的锋面层状云降水。(2)山谷风形成中尺度切变线,触发对流,中尺度切变线发展为中尺度涡旋使对流加强是极端短时降水形成的主要原因。(3)地形强迫抬升使对流降水强度明显增大,锋面层状云回波受地形阻挡影响长时间维持是稳定性极端降水形成主要原因。(4)地形相差大的地区模式预报性能差异较大,模式对复杂地形下的对流降水预报偏弱,导致系统强度出现差异,进而影响降水强度预报。     

一次伴有尾随层状云类MCS强降水过程结构特征

利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料及NCEP再分析资料,对2018年5月18日湖北省中东部地区一次尾随层状云类中尺度对流系统(MCS)的雷达回波特征和地面中尺度系统演变特征进行了分析。结果表明:1)短波槽东移南压,引导冷空气南下,与副热带高压外侧强劲的西南暖湿急流长时间在湖北省中东部地区交汇,形成有利于诱发MCS的大尺度环流背景;2)强降水的主要发生时段集中于尾随层状云降水回波对流线形成的初始阶段和成熟阶段,强雨团主要位于对流线附近及层状云降水回波头部,同时伴有雷暴大风天气;3)西南涡的发展为尾随层状云类MCS高效降水产生提供有利的环境场,边界层中尺度辐合线在对流的触发、发展、组织的过程中起到重要的作用,地形的抬升作用及阻挡作用,使MCS持续发展,同时,MCS后部"冷池"能量累积溢出形成雷暴冷出流与环境南风辐合,不断激发新的MCS;4)对流线附近存在明显的上升气流,环境风入流提供了充足的水汽供应,其前侧、后方分别有一支不同高度的下沉气流(出流或入流),并与环境风辐合,使MCS向前持续发展,并在后方不断激发新的MCS,造成较长时间的强降水。     

用PR资料分析热带气旋卡特里娜降水特征

利用TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 卫星降水雷达 (Precipitation Radar,PR) 资料对2005年8月发生在墨西哥湾的热带气旋卡特里娜 (Katrina) 初生、发展和变性3个阶段的层状云和对流云的近地面降水和降水垂直廓线进行分析。结果表明:在热带气旋的整个生命期,对流性降水个数约是层状云降水个数的四分之一;随着气旋的发展,对流性和层状云降水的平均强度逐渐增强, 在登陆前有所减弱,登陆后对流性降水和总平均降水均增强,层状云降水稍有减弱;大部分降水廓线都随高度升高均呈现先略增大 (到4 km高度)、再减小的趋势,在6~7 km处由于冻结层的存在使得降水达到最小值。     

一条弱静止锋上对流系统发生过程的中尺度特征

使用常规观测资料和FY-2E卫星云图、自动气象站和雷达等非常规观测资料,对2010年6月8—9日广西境内一条弱准静止锋上的2个中尺度对流系统发生发展过程,分析地面中尺度变压场、温度场、湿度场、流场、卫星云图和雷达回波等的中尺度系统的配置和特征。研究表明:(1) 当弱冷空气以扩散方式南下,准静止锋移入桂北后锋生加强,暖湿空气在准静止锋前中尺度负变压槽中辐合,湿舌从北部湾伸到辐合区内;(2) 准静止锋在桂中与湿舌相遇,锋面抬升触发深对流形成了第1个中尺度对流系统;(3) 随着“滇东南-桂西”低空低涡的发展,低涡东侧气流变化致使“北部湾-桂中”湿舌转向为“北部湾-桂西”,准静止锋在桂西与湿舌相遇触发了第2个中尺度对流系统。(4) 2个中尺度对流系统都是锋面抬升暖湿空气触发深对流而形成的,触发机制相同;(5) 2个中尺度对流系统都是在中尺度负变压槽中发生,中尺度负变压槽的形成或加强超前于中尺度对流系统发生约2～3小时。最后,给出了中尺度对流系统发生过程的概念模型。      

华南前汛期锋面对流系统和暖区对流系统的多尺度特征和集合预报敏感性对比分析

2018年5月7日华南地区受锋面中尺度对流系统和暖区对流系统影响,出现多条中尺度雨带。其中锋面对流系统形成降雨区范围较广,雨量分布不均;在锋前30～200 km暖区内,多个离散的短生命史β中尺度对流系统形成范围较小的中尺度雨带;而在华南沿海地区中尺度线状对流长度超过300 km,稳定维持时间超过12 h,形成局地300 mm以上的沿海强降雨带。雷达回波分析表明华南地区的锋面对流系统、暖区对流系统均以低质心型对流单体为主,其中锋面对流单体35 dBz回波顶高平均为5.5 km,暖区对流系统35 dBz回波顶高平均为4.7 km。利用ERA5再分析资料诊断降水效率表明,锋面系统降水效率平均在10%～15%,暖区对流系统的降水效率波动明显,瞬时降水效率可超过90%。此次降雨过程中雨滴谱分析表明,小粒子直径、高雨滴数密度的暖云降水特征突出,沿海暖区对流系统在各个降水强度量级上都具有更大的粒子直径和数浓度,因此降水效率较高。预报检验表明主流业务数值模式对于暖区对流性降水预报能力有限,欧洲中心再预报改善了暖区对流性降水离散度分布,中尺度区域数值模式能够反映锋面对流和暖区对流的基本特征,但在沿海暖区对流系统的强度、组织上仍然有偏差。比较锋面降水和暖区降水的集合预报敏感性表明,锋面降水对于锋前低压槽、低空急流等天气系统强迫具有较高预报敏感性,而沿海暖区降水对于上游入流区不稳定能量分布具有更显著的敏感性。     

华南一次飑线过程线状对流模态变异机理研究

利用高时空分辨率的地面观测资料、探空资料、NCEP再分析资料和多普勒天气雷达资料,并结合中尺度数值模式WRF分析2013年5月15日发生在广西广东地区的一次强飑线过程,着重分析了中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)由平行型(PS)模态到拖尾型(TS)模态的转变过程及机理。结果表明,此次飑线过程发生于高层弱辐散区,500 hPa有明显短波槽东移发展,850 hPa有切变线和低空暖湿急流,地面有冷锋和低压倒槽。西侧初始对流发展为PS型MCS模态,成熟期无雷暴高压。东侧减弱的初始对流再次加强发展后与西侧PS型MCS合并发展成为TS型MCS模态。数值模拟结果显示,PS型模态具有平行于对流线的气压梯度力和加速度分量,该分量产生了平行于对流线的风分量。TS型模态中,平行于对流线的气压梯度力和加速度很小,而垂直于对流线的气压梯度力和加速度很大,正是由于平行于对流线的加速度分量的消失和垂直于对流线的加速度分量的增强促使对流线内部相对系统流场由平行向转变为垂直向,导致MCS模态由PS型转为TS型。     

北京地区一次引发强降水的中尺度对流系统的组织发展特征及成因探讨

2008年8月10日白天到夜间,北京地区发生了全市性强降水,其中10日下午15:00-18:00经过城区的三个β中尺度对流单体不但产生强的降水(局地达到45 mm/h和12 mm/5 min的雨强),还出现了明显的组织化发展的迹象。利用北京地区多种高时空观测数据(包括地面自动站、多普勒雷达、风廓线、微波辐射计等)和雷达变分同化分析系统(VDRAS)的高分辨率分析场资料,重点分析研究了这三个对流单体组织发展的特征和成因。结果显示:(1)10日下午城区的短时暴雨与大范围降水云系前部(北京城区南部到房山东部)近地面层β中尺度切变线的产生直接相关,该切变线触发了对流,使对流单体组织化发展成为准南北向排列的β中尺度线状对流系统影响了城区;(2)降水发生前2小时左右,北京本站边界层环境风风向由西南向偏东的转变以及城区局地对流有效位能的短时快速积累,是城区对流得以发展的关键局地环境因素;(3)10日下午北京西北部山区的层状降水系统的低层(500 m以下)形成的西北冷性水平出流与北京东南部低层东南暖平流在城南一带汇合形成的风切变是导致对流单体移进北京后组织化和进一步发展的直接原因。因此,在有利的大尺度环流背景下,对于北京大范围降水而言,预报中需特别注意降水云系移动的近前方、边界层环境风风向的变化(即偏东风的出现),因为大范围降水发生后近地面层所形成的水平出流,可能与其前部偏东环境风构成明显风切变而激发对流的产生和组织化。     

西南山区5—8月产生突发性暴雨事件的中尺度对流系统的时空分布特征

利用逐时的风云静止卫星黑体亮温(TBB)资料和国家级地面站降水观测资料,根据中尺度对流系统(MCS)的逐时云顶覆盖范围是否包含突发性暴雨事件,识别出2010—2018年5—8月与中国西南山区突发性暴雨事件相关的中尺度对流系统(AHR-MCS),并得到其统计特征.结果表明,该地区AHR-MCS在7月出现最频繁,存在四川盆...