一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论:(1)两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。(2)此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。(3)12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。(4)13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。

清远一次极端龙舟水的中尺度系统演变分析

利用多源观测数据和ERA5再分析资料,对2022年6月20到21日发生在清远的一次极端特大暴雨过程进行分析。结果表明:(1)该次强降水是在200 hPa分流辐散的背景下,由低涡切变配合其前侧西南急流缓慢东移经过清远造成的。(2)强降水发生前大气层结已处于极不稳定状态,低层来自孟加拉湾和南海的水汽不断在清远市上空辐合,为暴雨的发生提供充足的水汽条件和不稳定能量。(3)强降水的触发机制主要是前期广西降水造成的冷池与低空急流带来的暖湿气团形成的温度锋区和地面辐合线;地形的抬升作用和狭管效应,对降水起到增幅作用。(4)该次强降水主要有2个低质心的热带海洋型中尺度对流系统先后影响发生。

“21·7”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征

2021年7月17日至22日河南省遭遇了罕见特大暴雨过程,特别是郑州市在7月20日出现了极端降水事件。本文首先分析了有利的大尺度环流背景,然后采用多源高分辨率观测和再分析资料深入分析了此次特大暴雨过程中不同阶段的水汽来源以及中尺度系统的活动特征。此次特大暴雨过程主要分为三个阶段,其主要的中尺度系统包括:黄淮气旋、中尺度对流系统(MCS)以及与MCS伴随的中尺度对流涡旋(MCV)。第一阶段(7月17~18日)主要为分散性降雨,水汽主要来自于南海、东南沿海、西北太平洋、长江中游地区的近距离水汽输送和河套地区。影响河南地区的中尺度系统为黄淮气旋,其于7月15日11时(协调世界时,下同)生成河南的东北部,18日23时在河南西南部消亡,垂直伸展最大高度为1000~350 hPa,维持时间约为89小时。第二阶段(7月19~20日),随着西太平洋副热带高压的北抬和台风“烟花”的西进北移发展,西北太平洋的水汽贡献也逐渐增多。由于黄淮气旋中心移动到河南西南部,其北部东南气流影响河南大部分地区。二级地形(伏牛山)东部的局地对流发展为MCS。由于地形的抬升作用,对流系统中强上升运动的维持有利于低层气旋性切变的增强,从而诱发了对流层中低层(750~600 hPa)MCV的生成。MCV的增强发展又进一步促进了MCS的维持以及偏南气流的增强。偏南气流输送大量水汽有利于午后分散性强对流单体的生成,分散对流单体与原有河南中北部MCS的合并后增强发展,从而造成了郑州极端小时降雨的出现。第三阶段(7月21~22日),暴雨过程的水汽主要来自于西北太平洋地区,其主要影响系统是MCS。低层气流受到二级地形(太行山)的阻挡,地形东部边界强的水汽通量辐合有利于MCS不断与新生对流单体合并发展,从而在河南、河北交界区域产生较强的降雨中心。

登陆台风外围极端降水过程的中α尺度系统特征

采用全国多普勒雷达反射率因子拼图、山东省自动气象观测站数据,结合ERA50.25°×0.25°再分析资料,分析台风“利奇马”造成山东极端暴雨的中α尺度系统特征。结果表明:台风北侧东南急流与西风槽后偏西气流的切变引发的中α尺度辐合区是直接造成极端降水的中尺度系统;对流始于800~750 hPa,随后沿西风槽向高层发展,再伸展到低层,在台风北侧低层切变附近强烈发展;初始对流由低空急流触发,后高空出流迅速增强,促进上升运动发展,高低空急流上下耦合的正反馈作用促进了中α尺度辐合区深度发展,是极端降水发生发展的重要原因;初始对流发生在对流不稳定环境中,凝结潜热释放造成的湿斜压性和中低层垂直切变形成的条件性对称不稳定增长,使对流发展为有组织而长时间维持的深对流;水平风场将水汽汇集向暴雨区,上升运动将水汽向中高层输送,湿层逐渐增厚,当水汽通量15 g/(cm·hPa·s)等值线向上伸展到500 hPa时,降水强度超过20 mm/h;鲁中山区地形是影响降水中心落区的重要因素。

一次长三角暴雨过程中β中尺度系统的特征分析

本文利用Micaps系统中的地面观测资料和CMORPH融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出长三角地区2020年梅雨期间一次典型的暴雨个例,并运用WRF(weather research and forecasting model)中尺度数值模式对此次过程进行了模拟,再用Barnes滤波法滤出β中尺度信息,最后分析β中尺度系统对暴雨强度的影响。结果表明:β中尺度系统在切变线和偏南暖湿气流的影响下,呈现上层干冷下层暖湿的分布特点,在700 hPa湿位涡场上,暴雨强度的变化和正值区湿位涡(MPV1)以及的负值区湿位涡(MPV2)的变化具有较好的一致性,且MPV2对湿位涡(MPV)的贡献较大,暴雨上空的经向斜压性较强,β中尺度系统在低层处于湿对称不稳定状态,这是影响此次暴雨强度变化的主要原因。

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。

一种非线性多时间尺度系统模型降阶方法

基于奇异摄动理论和非线性系统稳定域边界二次近似方法,推导出非线性多时间尺度系统忽略快动态降阶时,降阶前后系统稳定性的一般规律。通过将原系统稳定裕度指标在奇异摄动参数处进行高阶泰勒级数展开,给出定量预测降阶系统稳定裕度指标的表达式。在此基础上,提出一种非线性多时间尺度系统模型降阶方法,该降阶方法能保证降阶前后系统的稳定性一致。运用该降阶方法,对某交直流电力系统的数学模型进行了忽略快动态降阶研究。降阶前后系统的时域仿真结果证明所提出降阶方法是有效的,能为交直流电力系统的动态特性分析提供简化模型。

华南暖区一次暴雨中尺度系统的数值模拟

为深入了解华南暖区暴雨产生的机制,首先利用观测资料和卫星云图对2005年5月9日华南暖区一次暴雨过程进行天气分析,然后利用MM5V3.6数值模式对该次暴雨过程进行了模拟,利用模拟的输出结果分析了中尺度系统的结构特征和成因。结果表明,这次华南南部暖区的暴雨区出现在低空急流出口区左侧的辐合区与高空急流入口区右侧的辐散区相迭置的区域;中尺度对流云团是暴雨的直接影响系统,系统中心上空偏南气流强烈垂直上升与在系统以南对流层高层下沉的气流构成垂直闭合反环流,低层气流风速辐合对暖区暴雨系统的形成和发展起决定性的作用。较大的螺旋度可能是暖区暴雨及其中尺度系统发生、发展的一种重要机制,可用来判断降水系统的形成和移动。

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料、卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料,对2002年6月22～23日("02.6")一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上,利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明:(1)天气分析显示,"02.6"梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线,暖式切变线不太明显,这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强,高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴,南亚高压中心位于我国江南地区。(2)TBB资料分析表明,此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关;强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、暖切变线的的南侧发生和发展,并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。(3)垂直结构分析显示:在中尺度系统开始发展阶段,中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、低空急流核以及高空强辐散低空强辐合,这有利于中尺度系统的发展;当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段,其后部不断分裂出中小尺度系统,对流层低层的θ_e具有明显暖心结构,由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强,导致在800～600 hPa层上θ_e比环境的低,加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱,这不利于中尺度低涡的维持。

“6.29”淮河暴雨过程β-中尺度系统结构特征的数值模拟分析

利用中国科学院大气物理研究所LASG研制的AREM中尺度暴雨数值预报模式,对2003年6月29—30日发生在淮河流域的一次大暴雨过程进行了数值模拟分析。结果表明:随着西太平洋副热带高压加强,低空急流迅速向北推进,加强了其北侧的风速梯度和气旋性切变,使涡度场发生了强烈变化,强正涡度柱的发展导致了低层β-中尺度低压和气旋的新生;而对流层中高层β-中尺度高压的发展所引起的地转偏差使得β-中尺度高压附近的风场发生明显变化,并导致β-中尺度强辐散中心强烈发展,最终造成强烈的上升运动。强上升运动出现在低层θse强锋区的南侧。

“98.5”华南前汛期暴雨的非静力数值模拟和中尺度系统分析

为了对华南暴雨进行深入的数值模拟研究,在对1998年5月23～24日(简称'98.5')华南暴雨进行天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值模式MM5对该次暴雨过程进行了数值模拟.数值模拟结果和客观分析结果的比较表明,模拟结果可以再现造成暴雨的大、中尺度环流条件.造成此次暴雨的中尺度系统具有暖心高湿结构,高空辐散,低空辐合及对应的强上升运动和气旋性涡柱是造成这次暴雨的动力学机制,低空偏南气流对这次暴雨的产生和发展起着重要的作用.模拟的降水中心与观测的较接近,位置略偏南、偏西,雨量略小,但降水时段和雨区模拟较好.降水发生在喇叭口等有利地形;高低分辨率的地形资料对本次降水的模拟结果影响不大.

天山北坡中部一次强对流天气中小尺度系统特征分析

利用Doppler雷达资料,结合常规观测资料及T213再分析资料,对2008年8月26日18:00~19:30发生在天山北坡中部石河子南部山区强对流天气的影响系统和中小尺度强对流天气落区形成的原因进行了详细分析。结果表明:西伯利亚至巴尔喀什湖冷槽东南象限分裂出的中尺度短波是造成"2008.8.26"强对流天气过程的直接影响系统;地形辐合回波带是造成这次过程的主要系统;地形辐合回波带上的中-γ对流单体滚动更迭是强对流天气落区形成的直接原因;中高层干冷、低层暖湿,低层中尺度辐合切变线对强对流天气的发生具有重要作用。回波强度、回波顶高度的迅速增加、垂直累积液态水含量的跃增和面积的扩大,中气旋的出现都对"2008.8.26"强对流天气的发生具有预警指示意义。当回波强度>50 dBz、回波顶高度>8 km、垂直累积液态水含量急增到50 kg.m-2以上时,将预示有强对流天气出现。垂直累积液态水含量的大值区是对流云强度最强的地方,与强对流天气落区相对应;其高值区的强度和范围与强降水的强度和范围成正比。在暴雨发生前和发生期间落区附近近低层存在着西南暖湿气流向暴雨中心的输送。

宁夏一次突发性暴雨中小尺度系统分析

从天气事实出发,利用常规气象资料、多普勒雷达探测资料,对2004年8月3日上午发生在宁夏中宁县、吴忠市、红寺堡开发区等地的突发暴雨天气过程进行了深入分析,对此次突发性暴雨发生前后气象要素变化、环流背景、影响系统、大气层结稳定度及中小尺度系统发生发展特征等进行了分析与探讨.结果表明,这次突发性暴雨具有明显的中小尺度系统特征,主要影响系统为河西两高之间的横切变及低涡;较为深厚的中低层辐合为暖湿不稳定能量的贮存和短时强降水的产生与维持提供了有利的动力条件.在气象预报中有效地应用反射率因子、径向速度、风廓线、垂直液态含水量等多普勒雷达产品资料,有助于揭示中小尺度天气系统结构及演变趋势.

湖北梅雨期暴雨的中尺度系统及其模拟分析

利用武汉多普勒雷达和武汉暴雨所AREM模式资料,分析了湖北省2005年梅雨期的一次暴雨过程。结果表明,暴雨发生在条状回波带变宽的时候,位于2 km上空切变线附近的中尺度气旋中,表现为强对流单体回波;强降水发生时,对流系统中有两个强上升运动中心,分别位于300 hPa和600hPa附近,低层辐合、高层辐散的分布对上升运动的维持是有利的;环境风场并不能很好地控制中尺度对流系统的移动方向,中尺度对流系统向低层涡度增加的地方移动;暴雨形成过程可概括为低层切变线东移诱发出地面低压,产生垂直上升运动迅速增加,配合丰沛的水汽输送和高不稳定能量释放。

“02.6”梅雨期一次暴雨β中尺度系统结构和演化的数值模拟研究

通过利用观测资料和中尺度数值模拟结果，对2002年6月18～19日（“02.6”）的一次梅雨锋暴雨β中尺度系统结构和演化及其发展机理进行了研究，分析发现：（1）此次暴雨过程发生在500hPa东亚大槽不断加深发展的阶段，也是中纬度大气长波调整的时期。东亚大槽后的冷空气和副热带高压前缘的暖湿气流在江淮流域交汇为此次暴雨的产生提供了有利的大尺度条件。同时，对流层低层不断加强的西南气流为此次暴雨过程提供了有利的水汽条件。（2）1小时观测的降水量和TBB的分析表明，此次暴雨的产生主要是由于β中尺度对流云团发展分裂的结果。（3）中尺度模式MM5V3对此次暴雨过程的数值模拟表明：模拟结果较好地再现了观测的和客观分析的天气事实，模拟的1小时降水量与观测的结果对应得较好，β中尺度对流云团位于切变线的右侧西南气流中，但是并没有明显的中尺度环流系统与之对应，这主要是由于细网格域中的模拟结果是各种尺度大气场叠加的结果，β中尺度对流系统的环流系统被掩盖在其中。（4）多重滤波方法和消除趋势方法并没有分离出与β中尺度对流云团相对应的环流系统，区域平均方法得到的中尺度扰动特征可以很好地解释β中尺度对流云团的发展和演变。区域平均法得到的中尺度扰动场的分布表明，两个β中尺度对流云团位于对流层低层鞍型场的膨胀轴上和对流层高层的中尺度反气旋式环流中。大气低层和高层的相互作用、低层中尺度扰动低涡和鞍型场的相互作用，以及对流发展过程中动力和热力的相互作用促进了中尺度低涡的发展。（5）非线性平衡方程的诊断表明，β中尺度系统的发展与非线性平衡方程残差△NBE的发展变化密切相关，β中尺度系统发生发展是动量场和质量场之间出现的不平衡释放的结果。

青藏高原东北部一次罕见强对流天气的中小尺度系统特征分析

2016年8月17-18日青藏高原东北部出现了罕见的大冰雹、短时暴雨、雷暴大风等强对流天气。运用常规观测资料、NCEP再分析资料、葵花静止气象卫星、多普勒天气雷达等观测资料分析了此次强对流过程的大气环境场和中小尺度对流系统的发生发展和对流传播机制。结果表明:西太平洋副热带高压北抬明显,属于低层暖平流强迫型。水汽输送主要来自南海。维持较长时间的弱冷锋是强对流的地面触发机制;对流云团逐渐演变为MCC,对流传播整体具有沿着河谷往层结不稳定区的正向和往低层入流风的反向传播的特征。河谷地形是影响对流移动和传播路径的关键;强对流风暴单体生命史均较长,强降雹单体为类超级单体和普通多单体,强降水回波属于多单体线状对流。降雹单体整体比降水单体发展得更强,变化幅度更大,尤其是垂直累积液态水含量的变化更剧烈。强对流开始前单体垂直累积液态水含量均是先增后降;几处局地雷暴大风是由雷暴云团内弱降水在较厚的环境干层蒸发而显著降温所产生的较大负浮力或由线状对流中强降水拖曳导致的强下沉辐散气流造成,雷达回波具有质心急剧下降或中层径向速度辐合特征。

中β尺度系统造成的大暴雨过程数值模拟与诊断分析

利用T106资料和MM5V3·5中尺度非静力模式对2002年6月8—9日发生在陕西和四川东北部的一次突发大暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。模拟结果表明:在有利的大尺度环流形势下,中α尺度切变激发的中β尺度系统是本次暴雨的直接引导系统。进一步诊断分析揭示了中β尺度系统的动力场和热力场之间具有一种强耦合机制:中β尺度系统是在低空急流带上发展起来的,垂直上升运动与近饱和湿空气柱及涡散柱互耦,低空对流不稳定层结的发展触发了强烈的垂直上升运动。模拟结果表明模式能很好地模拟中尺度对流系统的整个发展过程和降水雨带,细网格模拟的降水量与实况比较接近,分析结果可为中尺度暴雨预报提供参考依据。

江淮梅雨锋暴雨过程中尺度系统的演变及结构特征分析与研究

利用ＨＵＢＥＸ试验期间的ＩＯＰ资料以及合肥多普勒天气雷达的信息以及中尺度数值模式，分析研究了发生在１９９９年６月２０～３０日江淮流域的梅雨锋暴雨过程。研究发现：α中尺度辐合线主要位于 ７００ ｈＰａ以下中低层；当有强降水发生时，辐合线上有明显的β中尺度气旋波动发生。与其相配合，多普勒雷达反射率图上存在一片约 ２０ ｋｍ×２０ ｋｍ且强度在 ４０ ｄＢＺ左右，回波顶高为 ７～８ ｋｍ，液态水垂直累积含量（ Ｖｉｌ）约为 １０ ｋｇ／ ｍ２的回波区，其尺度为γ中尺度。它的出现与锋生次级环流有着十分密切的关系，且由大尺度凝结潜热和对流凝结潜热强迫的次级环流对它的发生发展起着主导作用。

多尺度系统理论研究概况

在许多应用领域中,通常要对出现在不同尺度的现象进行分析和辨识,最近引入的多尺度框架使这一分析成为可能。该文简单介绍了多尺度系统理论的发展概况以及多尺度框架在估计和数据融合中的应用,分析了多尺度模型、平滑误差模型以及两类多尺度实现模型,并指出了目前急需解决的问题。

“95.1”高原暴雪及其中尺度系统发展和演变的非静力模式模拟

为了对青藏高原暴雪进行深入的数值模拟研究 ,在对 1995年 1月 17～ 18日 (“95.1”)高原暴雪进行天气分析的基础上 ,利用非静力中尺度数值模式 MM5对该次暴雪过程进行了数值模拟 .数值模拟结果和客观分析结果的比较表明 ,非静力中尺度数值模式 MM5有能力再现地面以上大、中尺度环流系统和热力场 ;同时 MM5能够成功地模拟出复杂大地形条件下“95.1”高原暴雪中尺度低涡的发生、发展及结构演变 .模拟的运动场和云微物理量场的时空演变表明 ,垂直运动场与水汽场的耦合是水汽凝结和冻结成雪的运动学条件 ;气旋性涡柱和上升运动及深厚湿舌的耦合是暴雪形成的一种重要动力机制 ;模拟的流场演变表明流场更能表征高原上的中尺度系统 .