中纬度中尺度对流系统研究的若干进展

中尺度对流系统（MCSs)与许多严重的气象灾害，特别是我国的暴雨洪涝密切相关。本文主要对中纬度中尺度对流系统研究的若干进展作了简要综述，其中包括：MCSs的时空分布；MCCs的平均生成环境；MCSs的组织模型和逆尺度演变；发展中的MCSs与其环境的相互作用；MCSs的动力学和不稳定度；MCSs的数值模拟；MβCS和MγCS的观测和模拟；MCSs的概念模型；MCSs的结构和机制研究的观测计划。我们希望通过本文有助于进一步了解有关中纬度MCSs的发生、发展、结构、机制以及概念模型等研究的若干进展。     

京津冀“7·21”暴雨过程的中尺度分析

利用常规观测资料、地面加密自动站、卫星等多种观测资料和NCEP/NCAR 0.5°×0.5°再分析资料,以及雷达变分同化分析系统VDRAS的高分辨率分析场资料,对京津冀"7·21"暴雨过程的中尺度系统进行了分析。结果表明,在α中尺度雨带中镶嵌着β中尺度的雨团;α中尺度MCC后部不断有γ、β中尺度对流云团从西侧或西南侧合并补充;中尺度滤波后发现造成京津冀"7·21"暴雨的系统为低层的中尺度切变线,东移过程中加深为中尺度低涡扰动,中尺度切变或低涡位于对流层中低层(为近乎直立的正涡度柱),高层为辐散场(负涡度),但负涡度值与中低层正涡度值要小得多,说明主要是中低层的系统强;分析VDRAS资料同样发现对流层低层强辐合,存在中尺度涡度柱,其上方是中尺度反气旋,热力结构为上暖湿下冷湿。     

MCSs移出青藏高原规律的可视化表达与知识发现

为了客观揭示青藏高原上中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems，MCSs)的演变规律，尤其是它向东移出高原的条件，采用卫星红外影像运动目标计算机自动识别与跟踪技术，提取了高原上夏季MCSs的大小、强度、生命史、形状及分布等空间特征，并将MCSs的空间特征与青藏高原HLAFS资料相关联，建立了MCSs时空数据库。运用面向时空数据挖掘的相关分析法、关联规则及决策树法，求解MCSs东移传播出高原与其周边环境物理场之间的关系，进而建立了400hPa和500hPa两个层次上影响MCSs移出高原的环境物理场的可视化概略模型图。从模型图中发现：在400hPa上，移出高原且方向向东的MCSs主要决定于等压面高度、散度和涡度场，等压面高度变化呈南北向；而在500hPa上，等压面高度和K指数场是影响。MCSs移出高原的主要因素，K指数变化呈西东走势。模型图初步揭示了MCSs移出青藏高原的规律。     

FY-2产品在济南“7.18”大暴雨临近预报中的应用

利用常规观测资料、地面加密资料和FY-2产品对济南市"7.18"大暴雨的天气形势、云图演变特征及中尺度系统发生、发展和移动的情况进行了分析.结果表明:地面的中尺度辐合中心和中尺度辐合线是造成此次大暴雨的直接原因;强降水发生在中尺度低压中心附近,随其移动而移动;在减弱的云团右后方不断有新的云团生成,从γ尺度发展到β尺度,水汽条件充足时发展成边界清晰、结构密实的α尺度;大暴雨中心与云顶亮温TBB的最低值中心及强度有密切关系;FY-2产品在大暴雨临近预报中发挥着重要作用.     

RELATIONSHIP BETWEEN THE VARIATION IN HORIZONTAL VORTICITY AND HEAVY RAIN DURING THE PROCESS OF MCC TURNING INTO BANDED MCSS

Using real-time data and the WRF mesoscale model,a heavy rain event in the process of Mesoscale Convective Complex(MCC) turning into banded Mesoscale Convective Systems(MCSs) during 18-19 June 2010 is simulated and analyzed in this paper.The results indicated that the formation and maintenance of a southwest vortex and shear line at 850 h Pa was the mesoscale system that affected the production of this heavy rain.The low-vortex heavy rain mainly happened in the development stage of MCC,and the circular MCC turned into banded MCSs in the late stage with mainly shear line precipitation.In the vicinity of rainfall area,the intense horizontal vorticity due to the vertical shear of u and v caused the rotation,and in correspondence,the ascending branch of the vertical circulation triggered the formation of heavy rain.The different distributions of u and v in the vertical direction produced varying vertical circulations.The horizontal vorticity near the low-vortex and shear line had obvious differences which led to varying reasons for heavy rain formation.The low-vortex heavy rain was mainly caused by the vertical shear of v,and the shear line rainfall formed owing to the vertical shear of both u and v.In this process,the vertical shear of v constituted the EW-trending rain band along the shear line,and the latitudinal non-uniformity of the vertical shear in u caused the vertical motion,which was closely related to the generation and development of MCSs at the shear line and the formation of multiple rain clusters.There was also a similar difference in the positively-tilting term(conversion from horizontal vorticity to vertical positive vorticity) near the rainfall center between the low-vortex and the shear line.The conversion in the low vortex was mainly determined by бv/бp0,while that of the shear line by бu/бp0.The scale of the conversion from the horizontal vorticity to vertical vorticity was relatively small,and it was easily ignored in the averaged state.The twisting term was mainly conducive to the reinforcement of precipitation,whereas its contribution to the development of southwest vortex and shear line was relatively small.     

弱天气强迫下一次暖区MCSs发生发展研究

2017年7月21日上午,石家庄地区出现了一次局地暴雨过程,强降水主要集中在石家庄市区及其东部、北部,数值预报产品和主观预报均漏报了此次暴雨过程。本文利用地面加密自动站、多普勒雷达观测资料、雷达风廓线、多普勒雷达四维变分分析系统（VDRAS）以及NCEP再分析资料,分析了造成本次局地暴雨的中尺度对流系统（Mesoseale Convective Systems,MCSs）的触发机制,讨论了该系统的传播方向和影响整体运动的主要因子。结果表明：1）本次强降水发生前受“副高”588 dagpm线控制,降水区高温、高湿,为降水的发生积聚了大量不稳定能量。由于太行山在石家庄附近由东北-西南走向转为西北-东南走向,东北气流在此处逆转为西西北气流,从而在山前形成东北风和西西北风的辐合线;河北东北部秦皇岛、唐山地区因强降水形成较强的雷暴高压、冷池,雷暴高压产生的气压梯度力影响东北风逐渐加强,加强的东北风气流引导冷池呈舌状逐渐西南方向移动到石家庄北部地区,在前述辐合线附近形成低层辐合、中层辐散的不稳定层结,与西部太行山迎风坡对东北气流的强迫抬升共同作用,触发了不稳定能量的释放。2）本次过程前期雷暴在发展加强过程中,MCSs降水形成的雷暴冷出流东北方向移动,移速缓慢,在与环境东北气流辐合的区域,不断有新的雷暴触发,使得雷暴向东北方向传播,此阶段风暴承载层平均风（即MCSs的平移方向）风速较小,MCSs的移动平流不明显,以“后向传播”为主,系统稳定少动,表现为“准静止状态”;随着风暴承载层平均风风速的增加,MCSs的移动方向可以通过Corfidi矢量法,由低空急流的反向矢量和1.5 km以上（850~300 hPa）的平均风速矢量合成得到,且此阶段MCSs自身冷池的移动方向与风暴承载层平均风（西北风）密切相关,对应的雷暴冷出流东南方向移动,使得西北偏冷风冷池出流与环境东南偏暖风形成辐合,在MCSs前部不断有雷暴单体新生,传播方向与平流方向一致,系统“快速”东南方向移动。     

陕西中部一次区域性暴雨天气过程诊断分析

利用常规气象观测资料、NCEP1°×1°的6h分析资料和FY-2C卫星云顶亮温资料,对2008年6月14—15日陕西出现的一次区域性暴雨天气过程诊断分析,结果表明：初夏副高西伸并维持,高原西风带长波槽稳定维持,槽前正涡度平流引导低层西南涡、切变加强东移成为此次暴雨天气影响系统;三股气流在暴雨区汇合,强烈而持续的上升运动将能量输送到高层．有利于暴雨的维持;FY-2C卫星云顶亮温小于-32℃区的演变与MCSs生消有很好的对应关系。     

夏季青藏高原移动性对流系统与中国东部降水的相关关系

利用国际卫星云气候计划提供的1985-2002年共18年的MCSs路径跟踪资料、 NCEP/NCAR逐月再分析资料和中国138个地面常规观测站资料,分析了夏季起源于青藏高原地区的移动性MCSs的主要时空分布特征,探讨了青藏高原MCSs与中国降水的关系.通过对MCSs爆发异常强弱年高度和风差值场的分析,概括出青藏高原MCSs影响中国降水的可能机制.结果表明:夏季青藏高原移动性MCSs主要生成于青藏高原东南部,其爆发时间具有明显的日变化特征,它们能够传播到我国中东部及南亚许多地区;夏季MCSs对我国降水具有重要影响,它们与中国夏季降水的相关系数分布以4条正、负相间的东西向分布带的形势存在,从南到北依次为"- - ",这与我国夏季降水带的变化形势非常一致;南亚高压、西太平洋副热带高压和东北冷涡的强度、位置变化与高原MCSs生成的多少密切相关,并通过它们对我国夏季降水带的分布造成重要影响.     

流形群运动目标自动识别与跟踪模型结构及参数的最优配置

探讨了用流形群运动目标的形状、纹理特征，以及它们的空间面积的重叠度来构建多种适合流形群运动目标自动识别与跟踪的匹配模板的方法。通过最大欧几里得贴近度的择近原则，实现模板匹配，完成目标识别；通过对匹配模板的交替更新和交叉匹配算法，实现目标跟踪。为了提高识别与跟踪的准确度和效率，对识别与跟踪模型结构及参数进行了优化组合，建立了一种适合计算机自动识别和跟踪类似中尺度对流系统(MCSs)的流形群运动目标的优化模型，即多级串行和多级并行模板匹配的识别与跟踪模型，并提出了基于此模型的快速识别与跟踪算法及技巧。用优化了的多级串行识别与跟踪模型及快速跟踪算法，对1998、1999、2000、2002年6～8月的青藏高原上空MCSs进行了识别与跟踪试验。试验结果表明，其准确率高达90％。     

用改良的面积重叠法自动跟踪中尺度对流系统的试验研究

中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems, MCSs)的活动和演变,是造成致洪暴雨灾害性天气的主要因素之一.多年来,许多学者加大了对中尺度对流系统研究的力度.但是,中尺度对流系统的活动及其移动和传播的研究进展一直受到计算机自动识别和跟踪问题的制约.首先介绍了一种基于面积重叠法的MCSs自动跟踪技术,然后针对它存在的问题进行了改良,并应用改良后的面积重叠法对1998年6月至8月的青藏高原上空MCSs进行了识别与跟踪实验.实验结果表明,改良后的面积重叠法的跟踪准确率可达80%,比改良前提高了10%以上.