华北局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统发生发展对比分析

利用常规地面高空观测、多普勒雷达、风廓线、VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)和NCEP再分析资料,对2018年8月5—6日副热带高压(以下简称副高)控制下华北一次局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统触发和发展机制进行了分析。结果表明:这次大暴雨发生在副高控制下,处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定。暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成,分别是太行山迎风坡上西南—东北向、华北平原地区保定一带南北向、保定至霸州附近西南—东北向和以雄安新区为中心东西向原地生消的准静止MCS-Ⅰ、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ和MCS-Ⅳ,均属于β中尺度。在相似的环境中,不同中尺度对流系统触发机制有较大差异,太行山迎风坡上的MCS-Ⅰ是由近地层偏东暖湿气流在迎风坡与山风形成的辐合抬升触发;由辐射差异和前期强降水形成的局地冷池受MCS-Ⅰ影响再次加强后,其出流与环境风形成的两条地面辐合线分别触发了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,并组织对流沿辐合线呈带状发展;而超低空偏东风增强叠加冷池出流在地形抬升作用下促使沿山暖湿气团进一步抬升,使得原本消亡的MCS-Ⅰ再次重建。MCS-Ⅳ发展最旺盛、持续时间最长,是大暴雨中心的直接制造者,一方面MCS-Ⅱ与MCS-Ⅲ、MCS-Ⅰ与MCS-Ⅳ的两次合并过程,是MCS-Ⅳ增强、持久的重要原因;另一方面边界层偏东风急流为MCS-Ⅳ的发展提供了水汽和不稳定能量等有利条件,同时推动其左前方中尺度涡旋的发展,导致MCS-Ⅳ所在地的气旋性涡度大大增加,加强了以急流轴为中心的垂直次级环流发展,造成MCS-Ⅳ的发展维持,形成华北平原地区以雄安新区为中心的东西向大暴雨带。

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。

基于多模态数据融合的改进中尺度涡检测模型

提出一种基于多模态数据融合的改进中尺度涡检测模型。该模型以海平面高度数据为基础,首次将融合表层海温数据扩展为融合多深度层海温数据;将海温数据的深度层作为通道,嵌入通道注意力机制,使得模型能够关注于海水温度数据中最具有区分度的深度层;模型在编码及解码过程中采用残差学习单元,在加深网络深度的同时,更好地拟合激活函数,缓解训练问题,以提高模型的检测准确率。以中国南海部分海域为例开展实验验证,结果表明该中尺度涡检测模型准确率达到93.62%,模型具备有效性和可靠性。

全球中尺度涡旋分裂合并现象的特征统计研究

中尺度涡旋分裂与合并过程等涡旋之间相互作用的研究是海洋学研究的热点。本文以Eddy Graph方法为基础,基于海表面高度异常数据,利用高效率并行计算方法,构建全球中尺度涡旋分裂与合并追踪数据集(Global Eddy Graphs, DOI:10.12237/casearth.63369940819aec34df2674d8)。基于此数据集,本文开展了对全球涡旋分裂合并统计特征的研究。研究表明,在涡旋的生命周期中,分裂与合并现象普遍存在。将分裂与合并纳入涡旋追踪过程,能够将几条简单线性的涡旋轨迹连接在一起,找出涡旋真正的起止点与生命周期,具体表现为起点聚集在大洋海盆东岸,终点聚集在大洋海盆西岸;长寿命涡旋占比与平均寿命均有提高。此外,本文还对涡旋分裂合并典型事件进行筛选与统计,对分裂合并过程中涡旋内部的海表面温度和海表面盐度进行归一化与复合平均,探究了涡旋分裂与合并现象对海表面温度与海表面盐度的影响。

浙闽海域冬季悬沙锋的次中尺度现象

次中尺度运动是海洋中重要的动力过程,但是目前对浙闽海域悬沙锋的次中尺度现象及其动力特征的关注较少。本文基于高时空分辨率的GOCI卫星遥感影像、实测表层悬沙浓度数据以及海表涡流数据等,研究了悬沙锋时空分布特征及其次中尺度过程。研究结果表明,浙闽近岸的悬沙锋在冬季普遍发育,主要分布在浙闽海域20~25m等深线附近,但在浙江北部约29°N海域和台湾岛北部26~27°N海域锋面向海突出,指示了近海高浓度悬浮泥沙的向海输运;浙闽悬沙锋次中尺度现象显著,多表现相对涡度的气旋性涡旋;悬沙锋位置逐步向南移动,主要与冬季偏北风产生的西南向沿岸流有关;冬季大风事件有利于锋面次中尺度过程发育。

美国气象学会第20届中尺度过程会议和第28届数值预报会议概述

精准天气预报的核心对象是中小尺度天气。强降水和强对流天气的精准预报是世界性难题。2023年美国气象学会第20届中尺度过程会议和第28届数值预报会议关注强对流天气等中尺度过程的精细机理研究、超高分辨率数值模拟、物理过程、资料同化技术、一体化模式系统等。提升该类天气的精准预报能力的科学基础是继续深入认识其物理规律和机制,核心是发展先进的精细数值天气预报模式、资料同化技术及其后处理技术等。

中尺度模式下相邻海上风电场间尾流与功率干扰影响研究

为研究相邻海上风电场间的尾流与功率干扰特性,基于耦合风电场参数化的中尺度天气研究与预报模式(Weather Research and Forecasting,WRF),以北海海域某两相邻理想海上风电场为研究对象展开数值模拟,量化分析了在不同相邻场间距或下游风电场单机容量设置下的海上风电场尾流效应与功率输出特性。研究发现:当场间距从20D时增至40D时,上游场尾流引起的下游场最大风速亏损由3.5m/s降至2.5m/s,整场功率输出提升21.91%,最大单机功率亏损率由30.03%降至16.78%,场间距的增大有利于上游场尾流内的风速恢复、下游场速度亏损的减缓与整场功率提升。下游场单机容量从3.6MW增至4.5MW时,下游整场功率提升7.96%,最大风速亏损为2.2m/s,;下游场单机容量增至6.0MW,下游整场功率提升14.19%,最大风速亏损增至3.9m/s,相邻游风电场机型配置的阶梯式布局,有利于提升风电场发电量,提高风资源利用率。

2003年7月3日梅雨锋切变线上的β-中尺度暴雨云团分析

利用多种气象卫星遥感资料及加工产品,对2003年7月3日产生在皖北的暴雨过程进行了中尺度分析。分析表明:在切变线云带上有11个β-中尺度对流云团发展,水平范围约100 km,生命史约5 h;其背景场是整个对流云区内具有高湿、正涡度和上升运动的特征,它们促使切变线内高湿斜压不稳定能量释放,促使β-中尺度云团发展,产生很强的降水,云团的水凝物廓线上部的可降水冰和云冰含量很高,最大值达0.8 g/kg,最大高度达18 km,云顶亮温低于-80℃。

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。

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。

持续拉伸型中尺度对流系统发生发展与江苏暴雨分析

利用自动气象站、卫星探测资料,NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料等,从环流特征,动力、热力和水汽条件等对发生在江苏地区的两次梅汛期大暴雨过程的中尺度对流云团的发生、发展进行了分析。结果表明:这两次中尺度对流云团中均存在持续伸长型的中尺度对流系统(PECS),大暴雨区与T BB<-70℃区域有较好的对应关系,有利的环境场形成的高空辐散、低空辐合和强烈的上升运动是PECS发生发展的重要条件。PECS云团处于200 hPa高空急流入口区右侧、西南低空急流左侧(切变线南侧),呈西南—东北向线状排列,低层暖湿不稳定气流诱发中尺度云团的产生,气旋性涡度场对积云对流活动具有组织和增强作用。当正涡度向垂直方向发展时,附近产生强烈的垂直上升运动,对应着中尺度PECS云团的强烈发展。强烈的对流不稳定有利于中尺度对流系统的发展,也有利于触发暴雨产生。

论中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格垂直通量的影响

较系统地阐述了中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格通量的影响方式和作用机制 ,提出了在大尺度模式中参数化次网格中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强的思想方法 ,初步分析了这些参数化方法的缺陷和局限性 ,对几个在参数化中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强时应重点考虑的关键因子提出了建议。最后 。

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上 ,将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系 ,建立了边界层多尺度湍流参数化子模式 ,之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究 ,并与MM5模式附带的MRF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明 ,多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律 ,将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的 ;多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响 ,因此在地形和下垫面比较复杂的区域 。

登陆台风中的中尺度对流系统的数值研究

应用PennState NCAR高分辨率中尺度模式MM5 ,成功模拟出 1996 0 8 0 3到 0 5Herb(1996 )台风登陆后 ,发生在河北及周边地区台风低压暴雨中的两个连续发展的中α尺度对流系统的演变和结构 ,它们与降水量实况有很好地对应。由此根据模式输出结果分析了这两个中尺度对流系统(MCS)的中尺度结构和特点 ,最后给出了登陆台风低压暴雨的MCS结构模型 ;在MCS成熟期 ,低层大尺度的低空急流 (LLJ)中出现中尺度扰动 ,即中尺度低空急流 (mLLJ) ,mLLJ的左前方产生强辐合和上升运动 ,在上升气流的高空出流区域产生中尺度高空急流 (mULJ) ,这种mULJ在常规观测资料中被验证。mULJ的右后方有强辐散发生。

泥石流暴雨个例中尺度分析

对2003年7月8～9日发生在湖北中部并且造成泥石流灾害的大暴雨过程进行了中尺度分析,结果表明:①在有利的大尺度系统下产生的中小尺度系统是暴雨产生的最直接的系统;②湖北省泥石流灾害发生在特殊的地理位置,秭归、宜昌、宜都等鄂西山地到江汉平原的过渡带是泥石流灾害的多发地;③暴雨尤其是泥石流发生地周围的历时短、局地性强的大暴雨是泥石流灾害直接的诱发原因;④中尺度系统的源地与地形有关,在西南气流的背风坡容易形成中尺度系统;⑤多普勒雷达是监测中尺度系统的强有力工具,一个中α尺度云团中可以是一个也可以有两个以上的混合回波团或带;⑥中尺度涡旋形成于低空急流左侧强正涡度中心附近。

华南一次典型回流暖区暴雨过程的中尺度分析

利用地面常规气象观测、FY-2E卫星TBB、多普勒天气雷达资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,分析了2013年5月8日发生在华南的一次暖区暴雨过程的中尺度特征。结果表明:(1)该过程发生在出海变性高压脊后部,较强的超低空东南急流遇到喇叭口地形作用形成地面辐合线产生辐合抬升是此次暴雨的启动机制;该过程未受冷空气影响,属于华南回流型暖区暴雨过程。(2)4个β中尺度对流系统(MCS)连续生成、东移发展是造成本次暴雨过程的直接原因,其中,第一个MCS持续时间最长达6 h,先前MCS消亡的同时在其西南侧又新生MCS,造成多个对流系统经过同一地区形成类似的"列车效应"。(3)不同于以往华南暖区暴雨个例水汽集中在850 h Pa或925 h Pa,此个例水汽主要来源于950 h Pa超低空东南急流,该急流使低层能量得以维持;中层小股干冷空气侵入为MCS发展和维持提供了有利条件;垂直螺旋度反映了深厚涡度柱与强烈上升运动的耦合,为暴雨发生提供了动力机制。(4)分析区域自动站风场资料可知,阳江-恩平一带夜间增强的东南风在有利地形下与陆地静风或东北风形成中尺度辐合线,使移入的小尺度对流云团加强并形成MCS,而MCS后侧出流与来自海洋上的东南气流形成新的中尺度辐合线又触发新的MCS,其后向传播特征明显。

渭河流域一次致洪暴雨过程的中尺度滤波分析

利用常规高空观测资料和NCEP/NCAR 1°×1°的再分析资料以及25点低通滤波技术,对2003年8月28—29日发生在渭河流域的一次致洪暴雨进行了中尺度分析和探讨,分析出中尺度环流演变特征,总结了渭河流域致洪暴雨的概念模型,认为这次暴雨过程中在以西南气流为主的平均气流场上隐藏着尺度较中尺度平均流场小得多的涡旋,其移动方向和发展程度决定了强降水落区及其强度;高空西风风速脉动与低层南风风速脉动耦合形成了中尺度次级环流圈,其上升支为强降水提供了足够的动力抬升机制;而850 hPa低空急流、700 hPa中尺度低涡、南风脉动以及高空西风风速脉动等条件的合理配置是中尺度次级环流形成的必备因素;地面中尺度辐合线是本次暴雨的触发机制。

利用卫星资料估算中尺度对流云团上升速度的一种方法

为了得到中尺度对流云团内的垂直上升速度 ,给出了一种利用高分辨率红外卫星云图的估算模式 ,并进行实验。结果表明 ,该方法可定量地揭示中尺度对流发展演变的特征 。

新疆西部“6.16”强降水过程的中尺度分析

利用常规观测、风云卫星、多普勒天气雷达、CMORPH卫星降水量融合资料和NCEP/NCAR(0.25°×0.25°)再分析资料,对2016年6月16—17日新疆西部一次罕见暴雨过程进行中尺度分析。结果表明:(1)该暴雨过程具有累计雨量大、暴雨强度强、局地日雨量破极值、短时强降水范围广等特点。暴雨区位于200 hPa高空西南急流出口区左侧、500 hPa偏南气流及700 hPa切变线附近。较强的CAPE和K指数对该暴雨有很好的指示意义。(2)该暴雨过程发生在低层辐合、高层辐散、低层较湿的有利背景下。强正涡度、强辐合和强上升运动不断将水汽和能量向上输送,为暴雨的产生提供有利的环境条件。(3)中亚地区中尺度雨团在发展演变过程中,逐渐形成西南-东北向带状多中心雨带,中心依次到达伊犁北部沿山地区,和原有的中尺度雨团共同作用,造成暴雨天气过程。中尺度对流云团不断产生于中亚地区,在东移过程中不断发展加强依次到达暴雨区,致使暴雨区不断产生短时强降水。(4)暴雨过程两个时段的中尺度对流系统存在明显差异,第一时段主要为孤立中尺度对流系统,造成伊宁博尔博松站成为暴雨中心并出现最强短时强降水的直接系统是风场特征明显的中γ尺度对流单体并在暴雨区维持少动。第二时段为CR达50 dBz、DVIL达4 g·m^-3,长度达70 km、宽度达10 km且呈准南北态的线状中尺度对流系统,其在向东移动过程中造成多站依次出现短时强降水天气。

弱天气背景下天津三次局地突发暴雨中尺度特征及触发机制

利用ERA5再分析(0.25°×0.25°)、加密自动气象站、多普勒天气雷达和变分多普勒天气雷达分析系统等高时空分辨率资料,对比分析了2018年7月22日、2019年7月18日、2021年8月23日天津中心城区三次局地突发性暴雨过程的中尺度特征及其触发机制。结果表明:三次局地突发性强降雨均无明显天气尺度系统主导,但环境大气具备较高的对流不稳定能量和较小的对流抑制能量,抬升凝结高度仅0.2~0.4 km,且低层均存在一定的湿层。局地突发性暴雨的发生与城市热岛及海陆下垫面特征差异造成的中小尺度系统有关,暴雨发生前天津中心城区与沿海地区之间的温差和气压差增大,中心城区附近温压场具有明显的非均匀分布特性,中尺度暖低压及其东侧的高温度梯度为局地对流发生提供了有利的中尺度环境条件。此外,暴雨发生前沿海地区均出现了明显的海风加强,城市热岛暖低压辐合与海风风速辐合共同作用使得中尺度辐合强度明显加强,是局地突发性暴雨发生的主要原因,初生的γ中尺度对流单体均位于地面强辐合中心边缘上空。