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。

华南沿海2011年7月15-18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用

应用NCEP FNL再分析资料及位涡分离反演等方法,对华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中季风槽与中尺度对流系统的相互作用进行了研究.主要针对暴雨发生期间季风槽气旋性涡度向上发展的机理及其对季风槽维持发展和中尺度对流系统活动的影响进行分析。结果发现,季风槽的中尺度对流系统发展于弱斜压性环境中,大多在槽东西两端涡度中心区发展最强。南侧盛行的西南低空急流为对流反复发生提供了对流发展的"可维持性"条件,是对流得以组织发展成为中尺度对流系统的重要原因。涡度收支诊断表明,季风槽气旋性涡度生成主要由中尺度对流系统低层辐合引起。位涡分离反演结果证实,季风槽气旋性环流增强主要由与中尺度对流系统潜热加热相关的扰动位涡造成,并随着中尺度对流系统加热峰值高度升高而向上发展,是大尺度环流对中尺度对流系统潜热加热动力响应的结果。在季风槽东西两端,由于中尺度对流系统发展强烈且持续,具有更高的加热效率,引起的气旋性涡度向上发展最为明显。其结果可引起中尺度对流系统西南一侧向北非地转风发展,并在地转偏向力作用下增强西风,维持低空急流的发展,为对流反复发生提供条件。这些都说明季风槽大尺度环流与中尺度对流系统相互作用在中尺度对流系统和持续暴雨形成过程中有重要作用。

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/Adioining 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。

云南省一次切变冷锋型暴雨过程的中尺度对流系统分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料和多种加密观测资料,对2013年初夏云南省一次典型冷锋切变型暴雨天气过程进行诊断和中尺度分析,结果表明:青藏高原和川西高原西北气流引导冷空气和切变线南下影响云南省,地面冷锋与切变线位置基本一致,冷暖空气交汇于切变线和冷锋附近,产生强降水。天气尺度系统的有效合理配置及相互作用,为中尺度对流系统的发展提供了有利的环流背景。CAPE高能区和等Δθ_(se)_((500-800))线密集区的分布与对流系统的发生、发展有一定对应关系。暴雨发生的局地性和突发性等中小尺度特征与地面中尺度辐合系统密切相关。地面锋面及叠加在其上的加密地面风场辐合区的位置和移动可以作为短时强降水短临预报的重要参考依据。地面强降水强度和落区与对流云团的TBB等值线梯度大小以及梯度大值区的位置相关。地闪频数的发生发展,可以作为对流云团发生发展的判据之一。受多方面因素影响,低纬高原不同暴雨点的地闪频数峰值出现时间与强降水峰值时间的关系复杂。大风区、第二类γ中尺度辐合区的存在和"列车效应"是造成局地短时强降水的直接原因。边界层急流为此次强降水过程提供了重要的动力强迫和水汽输送。

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θse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。

一次模态变异中尺度对流系统的模拟与分析

利用NCEP FNL分析资料及南京多普勒雷达观测,借助WRF模式,对2017年8月19日发生在长江中下游地区的一次中尺度对流系统(MCS)进行模拟和诊断分析。此次MCS组织模态PS(Parallel Stratiform)型和TS(Trailing Stratiform)型共存,开始为带状结构,最后演变为强弓状飑线。气旋切变和低空急流是此次过程的重要影响系统,而午后强烈发展的地面锋触发了此次强对流。在垂直风切变和冷池共同作用下,西侧初始对流发展为PS型模态,东侧发展为TS型模态。由于PS型模态的中低层垂直风切变发生转向,导致其消散。TS型模态附近冷池和垂直风切变相配合,且在后向入流(Rear Inflow Jets,RIJ)作用下发展成为强弓状飑线;RIJ受中低层涡旋对影响而发展增强,其中气旋式涡旋主要由涡度方程中拉伸项决定,而反气旋式涡旋则主要由倾侧项决定。

2010年长江中游梅雨期β中尺度系统环境特征的分析

利用常规观测、地面和高空加密、红外卫星TBB、多普勒雷达反射率和NCEP再分析等资料,对2010年7月8-14日长江中游地区持续性暴雨过程进行了分析。结果表明,副热带高压脊线稳定地维持在23°-24°N之间,500hPa贝加尔湖西部大槽不断有小波动向中纬度地区东传,冷暖气流在长江中游地区交汇和青藏高原东侧东传的低值系统为暴雨的发生和持续提供了有利的环境条件。梅雨期南风活动呈现出明显的日变化,使得降水也有周期性和日变化特征。梅雨期间有多个中尺度对流系统MC-Ss活动,对应地面风场有中尺度辐合线、中尺度涡旋环流及气流汇合中心的辐合区。强降水发生前,大气层结表现为位势不稳定,为降水的发生积累不稳定能量;临近强降水发生时,大气层结表现为深厚的湿中性层结;在降水即将结束时,大气层结转为弱稳定,空气柱水汽减少、变干,暴雨期间大气层结的结构特征对暴雨业务预报具有一定的指示意义。持续性暴雨过程中对流层有明显的锋区,锋前上升运动有利于中尺度对流系统的发生、发展;锋区附近的锋生作用与强降水密切相关,锋生函数计算结果表明,水平形变对锋生作用的贡献最大。

2005年6月华南特大连续性暴雨的环境条件和中尺度扰动分析

利用常规观测站、地面加密站资料、卫星红外云图TBB和NCEP再分析资料,对2005年6月19—24日发生在广东的特大连续性暴雨过程进行了分析。天气分析表明:高空南亚高压前部的强辐散场,500hPa河套阻塞高压以及低层低涡切变线横卧在江淮一带、低空急流源源不断地向华南输送暖湿气流的这种大尺度环流形势和相应的大范围动力热力及水汽条件,决定了暴雨的多发时期和持续性;区域暴雨多发期内5次强降水的具体发生和间歇,则与暴雨区大气动力、热力及水汽条件的5个α中尺度时间变化与震荡密切联系并受其影响;暴雨区动力条件的α中尺度时间变化与特定的大尺度环流背景下高低空急流的演变有密切的关系。降水的中尺度特征分析表明:暴雨过程中5场暴雨的发展和间歇对应5个α中尺度系统的发展和减弱,暴雨是由19个β中尺度系统直接造成19个β中尺度大雨团形成。进一步分析表明:强降水主要发生在地面静止锋和锋前暖区的中尺度切变线(或中尺度辐合线)和中尺度涡旋或中尺度辐合中心附近,中尺度涡旋内的降水是由飑线上γ中尺度对流单体形成的"列车效应"产生的,而中尺度切变线附近的降水则是飑线的发展合并加强产生的。发生在冷式切变线附近的强降水移动速度较快,发生在暖式切变线附近的强降水移动缓慢,发生在辐合中心的强降水在原地发展达最强后随辐合中心转为切变线减弱或直接在原地减弱消失而结束。

中尺度扰动不稳定的数值研究

利用一个二维Boussinesq流体的绝热无粘非静力数值模式 ,将中尺度不稳定问题作为一个初值问题进行数值研究。线性情况下数值试验的结果基本与采用特征值方法研究得到的结论一致。非线性情况的数值试验表明 ,其不稳定发生的范围可与线性情况不一致 ;非线性不稳定的增长率一般较线性不稳定的增长率要小 ;非线性作用会造成波型的陡凸 ,从而造成流函数正负环流的不对称和环流流线的密集 ;非线性情形下的流型有些与强对流系统的流型相像。

一次致洪暴雨的中尺度分析

利用多普勒雷达等多种观测资料,分析2003年6月22日发生在湖北省安陆北部的山洪,并初步概括了引发山洪暴雨的概念模型,结果表明:①引发安陆山洪的暴雨强度大、持续时间短,强降雨带(团)具有明显的中β尺度特征,山洪爆发地区的强降水由中β尺度降水带上与深厚对流云活动有关的中γ尺度强降水雨团造成;②引发山洪暴雨的概念模型可以描述如下:在有利的大尺度环流背景及高低空急流耦合下,天气尺度系统影响产生大范围降水,当受外界强迫或者存在大气对流不稳定度增强和对流触发机制时,大范围降雨带上产生中β或中γ尺度强对流雨团导致大暴雨甚至特大暴雨天气,在有利的地形条件下爆发山洪,特别是在山区前期发生了降水,土壤湿度大,地表渗透系数小的情况下极易发生。

一次伴有高原低涡和热带气旋活动的持续性暴雨过程分析

为了进一步考察持续性暴雨发生机制,针对2010年7月下旬川、陕、甘地区的一次持续暴雨过程,应用MICAPS资料,FY-2E辐射亮温资料,TRMM卫星降水资料,NCEP每6 h 1°×1°分辨率的分析资料,主要分析了暴雨发生的环流背景,暴雨直接影响系统-高原低涡、热带气旋、中尺度对流系统、冷暖平流等对持续性暴雨的影响。结果表明:(1)本次持续性暴雨过程发生在对流层高层南亚高压由纬向型转为经向型,对流层中层副热带高压东退西进,热带气旋登陆西行,高原低涡东移受阻,中尺度对流系统不断生消的有利条件下。(2)高原低涡与热带气旋相互作用使两者移速减缓,涡区切变流场加强,正涡度平流输送使低涡加强与维持。(3)低涡为暴雨发生提供了有利的抬升条件,使降水期间涡区呈现较强的正涡度和辐合上升运动,降水最大值出现时间对应辐合上升运动最强时,降水过程中对流层中低层为垂直正螺旋度,有利于低涡系统维持和降水持续,垂直正螺旋度大值区及出现时间对强降水发生及落区有一定的指示性。(4)对流层低层暖平流输送使暴雨区能量持续积累,同时也使暴雨区中尺度对流系统生肖不断,降水得以发生和持续。

2010年7月7—15日湖北省持续性暴雨分析

利用常规观测资料、NCEP1°×1°再分析资料、地面自动站降水实况资料以及卫星云图资料和雷达组合反射率因子资料等,从环流背景、形成机理、雷达回波与卫星云图特征等方面,对2010年7月7—15日湖北省持续性暴雨进行综合分析。结果表明:中高纬度不断有短波槽东移,副热带高压和中低层切变线稳定维持,低空西南急流发展强盛,是持续性暴雨发生的有利大尺度环流背景;在中尺度回波团或回波带及中尺度对流云团的影响下产生暴雨;中尺度对流回波或云团一般发生在多个天气尺度系统的汇合处,对暴雨预报有一定的指示意义;水汽辐合贯穿整个降水过程,在低层出现强湿度中心时,对应强降水发生;中尺度对流系统表现在整个对流层为上升运动,暴雨区位于CAPE值梯度不断加大的密集带中,低层θse锋区不断增强为对流性强降水发生提供了有利的不稳定条件。

青藏高原东北侧一次持续性暴雨过程分析

利用常规天气图、数值预报产品、卫星云图以及溃变理论的预报工具V-3θ图,对2005年6月30日至7月2日发生在青藏高原东北侧甘肃省区域性持续暴雨天气过程进行了诊断应用综合分析。结果表明：副热带高压西伸北抬外围西南风气流控制青藏高原东北侧,当东北低涡、西风带的冷空气与西南风交汇时,触发强对流;850-200hPa有深厚的水汽层;700hPa稳定的低涡切变为暴雨提供了强烈持续的辐合上升运动;卫星云图表明持续性暴雨由多个相继生消的中尺度对流系统影响造成的。基于溃变理论的预报方法在西北区域性持续暴雨的起报、结束及落区有很好的预测能力。

热带风暴艾云尼持续性强降水成因分析

以热带风暴艾云尼(1804)为研究对象,利用常规、非常规观测以及NCEP分析资料等探讨了“弱”台风的持续性强降水成因。大尺度环流背景导致“艾云尼”引导气流很弱,台风移速缓慢,长时间维持在我国近海。南海季风爆发初期的异常强西南季风和台风马力斯(1805)的偏东急流将水汽、动量持续向台风环流输送。净水汽收支诊断显示:台风影响前期,水汽主要来自南边界;后期,东边界水汽流入增加,维持了台风环流的持续性水汽输入,造成广东沿海水汽通量辐合及高湿、高能环境条件的持续。广东沿海长时间维持较强东南向岸风,在海岸线及沿海地形作用下低层辐合持续,叠加高空辐散,为强降水的持续产生和中尺度对流系统的触发提供了有利动力条件,对流层低层东南风风速增强与降水量陡增吻合较好。台风中尺度对流系统活跃,伴随5个阶段的中尺度对流雨带的发生、发展。沿海地区对流不断新生、中尺度螺旋雨带发展、台风本体降水和外围中尺度对流雨带的叠加以及两条暖湿输送带中海上对流的移入等,共同造成广东沿海中尺度对流系统的持续存在和持续性强降水的产生。

2016年7月湖南一次极端持续性暴雨成因分析

利用NCEP(1°×1°)逐6 h再分析资料、FY-2E卫星云图和常德多普勒天气雷达资料,结合HYSPLIT(hybrid single-particle lagrangian integrated trajectory v4.9)气流轨迹扩散模式对2016年7月1—5日湘中以北一次罕见的持续性暴雨过程进行综合分析。结果表明:(1)中纬度高空槽的东移、带状分布且稳定少动的副热带高压为中低层西南低涡不断生成发展及"人"字型切变线的维持提供了有利的环流条件;(2)低空、超低空西南急流异常旺盛,并稳定维持5 d,强降水发生时850 h Pa逐6 h区域(27°N—29°N、110°E—114°E)平均风速增大,可作为强降水预报中重要参考指标;(3)线状排列的多个中-β尺度对流单体不断长大、互相合并,发展成积雨云团,稳定维持在湘中以北一带;(4)模拟气团输送路径的结果显示,低层的水汽主要从南海向北输送到湘中以北;中层水汽从孟加拉湾以偏西南路径为主向湘中以北输送;高层水汽沿着西风带向湘中以北输送。

2012年7月14—17日娄底市持续性暴雨原因分析

利用常规观测资料、NCEP1°×1°再分析资料、地面自动站降水实况资料以及卫星云图资料和雷达组合反射率因子资料等,从环流背景、形成机理、雷达回波与卫星云图特征等方面,对2012年7月14—17日娄底市持续性暴雨进行综合分析。结果表明,中高纬度不断有短波槽东移,副热带高压和中低层切变线稳定维持,低空西南急流发展强盛,是持续性暴雨发生的有利大尺度环流背景;在中尺度回波团或回波带及中尺度对流云团的影响下产生暴雨;中尺度对流回波或云团一般发生在多个天气尺度系统的汇合处,对暴雨预报有一定的指示意义;水汽辐合贯穿整个降水过程,在低层出现强湿度中心时,对应强降水发生;中尺度对流系统表现在整个对流层为上升运动,暴雨区位于CAPE值梯度不断加大的密集带中,低层θse锋区不断增强为对流性强降水发生提供了有利的不稳定条件。

一次飑线天气过程的综合分析和数值模拟

2006年6月22日上海市经历了一次飑线天气过程,严重影响了虹桥、浦东机场的飞机飞行安全。通过多种气象资料综合分析了此次天气过程。分析表明,中低空辐合线与副高边缘的高能水汽输送带相配合,为MCS的发生提供了有利的环境条件,高空槽导致MCS发展和加强,地面锋面和有利的垂直层结使得MCS中的雷暴群发展为飑线。多普勒雷达回波中呈明显的线状回波的波型特征(Line echo wave pattern,LEWP),有弓状回波存在。在雷达速度PPI上观测到在大范围正速度区中有一个小的负速度区,这是MARC(mid-altitude radial convergence)结构。MM5数值模拟显示在强对流的两侧分别有气旋和反气旋性结构存在,并且在回波带后侧有非常明显的后向入流,这与Fujita提出的弓形回波的概念模型一致。