中尺度天气的高空地面综合图分析

中尺度强天气的预报能力非常有限,一个重要原因是在业务预报中,缺乏对中尺度对流天气发生的环境场条件和发生发展特征进行及时有效的分析。本文介绍了国家气象中心正在试行的中尺度天气的天气图分析方法。中尺度天气的天气图分析主要利用探空资料和数值预报相关参量资料,分析中尺度对流天气发生发展的环境场条件,包括高空综合图分析和地面分析。在高空分析中重视风、温度、湿度、变温、变高的分析,并通过将不同等压面上最能反映水汽、抬升、不稳定和垂直风切变状况的特征系统和特征线绘制在一张图上形成综合图,以更直观的方式反映产生中尺度深厚对流系统发生发展潜势的高低空配置环境场条件。地面分析包括气压、风、温度、湿度、对流天气现象和各类边界线(锋)的分析。国家气象中心的强对流天气预报业务试验表明,中尺度天气的天气图分析已经成为强对流天气潜势预报的重要依据。     

不同降水方案对"03.7"一次暴雨过程模拟的影响

观测和数值模拟研究已经表明,潜热释放对中国东部夏季梅雨锋系统及其锋面降水的维持和发展发挥着非常重要的作用.然而,目前对于梅雨锋降水模拟中各种降水方案的相互协调和系统评估方面的工作仍不多见,为了增进对梅雨锋暴雨模拟中降水过程的认识,作者针对2003年7月4～5日一次梅雨锋暴雨过程,构造了四组试验,利用MM5模式考察了两种分辨率(36 km、12 km),各种隐/显式方案搭配下,对所生成的雨带、雨量和降水类型的配置进行了仔细的研究,得到了一些有意义的结论,为今后更好地使用模式、利用数值模式来认识中尺度降水过程中的气象问题打下基础.主要结论包括:模拟总降水的水平分布和强度,以及显式降水和隐式降水的划分对积云参数化方案的选择非常敏感.但对特定积云参数化方案而言,降水的模拟对36 km、12 km水平分辨率不敏感(除Betts-Miller方案外);在中尺度网格分辨率10～50 km范围内,不同积云参数化方案对梅雨锋降水分布和降水量模拟的影响比不同显式方案带来的变化大得多.     

一次江淮气旋及其中尺度系统的数值模拟

本文在十一层原始方程模式中引入Fritsch-Chappell一维云模式，对1982年5月12日江淮气旋上中尺度系统进行了模拟试验，分析表明:Fritsch-Chappell一维云模式对深厚积云的考虑细致合理，比郭晓岚积云参数化方案优越，它能模拟出中尺度系统的一些特征。通过数值计算发现:中尺度江淮气旋是对流层低层的天气系统，气压场上具有中尺度低压的某些特征；对流天气的出现，使得中尺度江淮气旋得到发展，但这种发展有一个变化过程，在对流发展加强时，对流引起的动量变化以及下沉气流造成的低层冷却作用，使其有一个暂时的减弱过程，当对流运动趋于减弱时，气旋才得以发展。     

昆仑山北坡短时强降水天气分型及雷达回波特征分析

应用昆仑山北坡小时、分钟降水资料以及和田C波段多普勒天气雷达资料,分析近8年该区域短时强降水天气分型,对比分析对流云与混合云2型5类短时强降水的回波强度、顶高、垂直液态含水量等回波特征量值以及持续时间的差异.得出昆仑山北坡短时强降水中,中亚低涡(槽)型环流形势和块状多单体回波最多,昆仑山北坡无超级单体回波.需高度关注3...     

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。     

1211号“海葵”台风登陆后引发两段大暴雨过程的对比分析

利用地面加密自动站观测资料以及NCEP再分析资料,对1211号“海葵”台风登陆后在江苏引发的两段降水对流特征差异明显的大暴雨天气进行对比分析。结果表明:第一段区域性大暴雨天气发生在台风环流中心及北侧偏东风急流附近,此时台风环流完整,中心维持正压结构,环流中心及其北侧偏东急流附近伴有较大范围的水汽辐合和强上升运动,有利于区域性大暴雨天气发生,但降水发生在近乎中性的层结下,降水分布较均匀,发展平缓,降水期间对流活动较弱;第二段大暴雨则发生在远离环流中心的台风倒槽顶部,降水期间暴雨区中高层伴有较明显的冷平流,有利于对流不稳定层结发展,降水发展过程中,地面风场出现中尺度扰动,增强了局地辐合和气旋性涡度,加之地面锋区发展,促进了中尺度对流系统的形成和发展,此段降水中尺度特征显著,发展迅速,雨强大,伴有明显的对流特征,导致出现局地特大暴雨天气。     

Convective Snowfalls Linked to the Interaction of a Boundary-Layer Front with a Mesoscale Cyclone Near Terra Nova Bay,Antarctica

During the XXII Italian expedition in Antarctica, in the summer of 2007, severe weather conditions associated with deep convective instability and heavy coastal precipitation occurred around the Terra Nova Bay area in the presence of an upper level trough and energetic katabatic winds flowing from the Ross Ice Shelf over the open sea. In this case study we document an example of boundary-layer frontal movement across the Ross Sea and mesocyclone development in conjunction with the frontal movement. A westward fast moving boundary-layer front, generated by the leftward turning katabatic airstream to the east of Ross Island, was observed propagating as a baroclinic wave disturbance in an easterly direction across the Ross Sea, merging later with a mesocyclone approaching Terra Nova Bay from offshore. The observed inertial trajectory and an estimation of the radius of curvature suggest that the vigorous katabatic airstream was sustained by the strengthening of a surface mesocyclonic circulation settled over the north-eastern Ross Ice Shelf, triggered by a sub-synoptic upper level trough passing over the area. We hypothesise that baroclinic instability in the low levels plays an important role in the development of a mesoscale vortex and for triggering convective precipitation.     

2017年“5.7”广州特大暴雨的中尺度特征分析与成因初探

2017年5月7日发生在广州北部的特大暴雨,局地性强,最大雨强达184.4 mm/h,3 h雨量突破了广东省历史极值,强降水持续时间长,具有明显的中尺度特征。特大暴雨有A区（花都）和B区（增城、黄埔）两个中心,它们在降水特点、地面中尺度特征及触发、对流的发展演变等方面各有特点。由于天气尺度强迫背景弱,数值模式无明显反映,给预报带来了很大的挑战。利用常规及加密自动站、多普勒雷达、风廓线、地基GPS等非常规观测资料,结合ERA-Interim 0.125 °×0.125 °逐6 h再分析资料重点分析和讨论了此次过程的中尺度特征、对流的触发与演变,以期为今后这类暴雨预报提供着眼点。结果表明:（1）此次过程突发性强,降水强度大,A区降水开始时间早,范围较B区小,但B区小时雨强更强,强降水持续时间更长;（2）次天气尺度边界层“7”字型的风压场形势下,脊后回流并加强的偏南风使暖层和湿层增厚,“下密上疏”的温度垂直结构,为强降水的发生提供了有利的环境条件。进入对流云中水汽质量无异常但产生了大量降水,极高的降水效率很可能是对流系统内部云水高效转化的结果,云的微物理过程在形成此次高强度的降水发挥着重要作用;（3）A区强降水发生前暖空气在山前堆积造成升温升压,东、西两支绕流广州城区的气流汇合并在工业区暖中心、山前暖空气堆积具有较高的对流边界层位置触发了对流;（4）B区强降水发生前持续降压并形成中尺度低压槽,A区中尺度对流系统前方入流造成的负变压,与地形强迫造成的风速辐合共同作用触发了B区对流。中尺度反气旋底部的偏北风与偏南、东南两支气流辐合稳定,使强降水长时间维持;（5）回波具有后向传播,垂直顶高低、质心低的热带对流回波特征,降水效率高。降水的拖曳下沉及蒸发冷却使边界层形成冷池,并与前侧暖湿空气相互作用,不断激发新的对流,冷池出流是持续抬升机制,是强降水持续时间长的重要原因。B区冷池厚度、暖湿气流爬升的高度与坡度比A区更大,冷池出流与暖湿气流辐合强度也比A区更强,造成B区雨强更强、持续时间更长,累积雨量更大。      

An Observational Study of Wind Profiles in the Baroclinic Convective Mixed Layer

A comprehensive planetary boundary-layer (PBL) and synoptic data set is used to isolate the mechanisms that determine the vertical shear of the horizontal wind in the convective mixed layer. To do this, we compare a fair-weather convective PBL with no vertical shear through the mixed layer (10 March 1992), with a day with substantial vertical shear in the north-south wind component (27 February). The approach involves evaluating the terms of the budget equations for the two components of the vertical shear of the horizontal wind; namely: the time-rate-of-change or time-tendency term, differential advection, the Coriolis terms (a thermal wind term and a shear term), and the second derivative of the vertical transport of horizontal momentum with respect to height (turbulent-transport term). The data, gathered during the 1992 STorm-scale Operational and Research Meteorology (STORM) Fronts Experiments Systems Test (FEST) field experiment, are from gust-probe aircraft horizontal legs and soundings, 915-MHz wind profilers, a 5-cm Doppler radar, radiosondes, and surface Portable Automated Mesonet (PAM) stations in a roughly 50 × 50 km boundary-layer array in north-eastern Kansas, nested in a mesoscale-to-synoptic array of radiosondes and surface data.We present evidence that the shear on 27 February is related to the rapid growth of the convective boundary layer. Computing the shear budget over a fixed depth (the final depth of the mixed layer), we find that the time-tendency term dominates, reflecting entrainment of high-shear air from above the boundary layer. We suggest that shear within the mixed layer occurs when the time-tendency term is sufficiently large that the shear-reduction terms – namely the turbulent-transport term and differential advection terms – cannot compensate. In contrast, the tendency term is small for the slowly-growing PBL of 10 March, resulting in a balance between the Coriolis terms and the turbulent-transport term. Thus, the thermal wind appears to influence mixed-layer shear only indirectly, through its role in determining the entrained shear.     

A coupled surface boundary-layer-quasigeostrophic model

A three-dimensional model of the mesoscale surface boundary layer of the open ocean is developed through scale analysis of the primitive equations with mixing included. A set of surface boundary-layer equations appropriate for a broad range of oceanic and atmospheric scales is thereby derived. The essential basis of the model is a coupling between quasigeostrophic dynamics away from the boundary layer and arbitrary mixing models within the mixed layer. The coupling consists of advection of the boundary layer by the horizontal and vertical components of the interior quasigeostrophic flow and forcing of the interior by the boundary layer in the form of divergence within the boundary layer which leads to vortex stretching/compression in the interior. The divergence is generalized for mesoscale wind-driven flows and includes nonlinear interaction between the directly wind-driven boundary-layer flow and the interior flow in the form of interior relative vorticity advection by the wind-driven flow. The nature of the equations leads us to apply a numerical algorithm to their solution. This algorithm is calibrated through application to idealized problems to determine the temporal and spatial grid requirements. The model is initialized with a realistic ocean flow having the properties of the Gulf Stream.     

恩施“6·24”暴雨中尺度系统特征分析

利用常规观测资料、自动区域站雨量、卫星TBB资料、雷达资料,对恩施州2016年6月24—25日发生的一次大范围暴雨过程进行分析。结果表明:本次强降水,具有典型的两槽一脊"单阻型"梅雨环流特征,在有利的大尺度环流背景下,在高空槽、低层低涡切变、西南急流、地面中尺度辐合线等中尺度天气系统的共同影响、相互作用下,形成了此次大范围强降水。此次暴雨空间上分布不均,局地性强,表现为明显的中尺度对流性特征,雷达回波图上降水性质表现为混合型降水,暴雨的直接影响系统是中β尺度对流系统,且中β尺度对流系统在多个中尺度对流云团合并后加强,时间尺度约为5 h。此次暴雨过程是在上干冷下暖湿强的大气层结不稳定条件下,梅雨锋、边界层辐合线和地形槽的触发作用将前期积累的能量释放产生的强对流天气,同时,副高外围西南气流将南海和西太平洋的水汽向恩施输送,为暴雨的发生提供了有利的条件。     

相同大尺度环流背景下不同类型强对流天气个例分析

利用常规观测、雷达、卫星和自动站等资料,对2013年3月23日广西一次区域性强对流天气过程中两种不同类型强对流天气现象产生的局地环境条件、触发机制及中尺度等特征进行了对比分析。结果表明：在相同大尺度环流背景下,两种类型强对流天气（即干对流型和混合对流型）在大气层结、湿层厚度、对流有效位能（CAPE值）和垂直风切变等局地环境上存在一定差异;其触发机制不同,广西西部干对流由位于地面锋前暖区的辐合线触发,而北部混合型强对流则由地面锋面触发;雷达和卫星图像上,两类强对流在形态、强度和移速上均存在明显差异,这些差异对广西不同类型强对流天气的监测预警具有一定的参考价值。     

甘肃东南部两次极端致灾暴雨对比分析

为了研究甘肃东南部相同气候背景条件下极端暴雨天气的成因,提高极端暴雨强度和落区预报的准确率,利用NCEP再分析、自动气象站降水、常规观测资料及卫星云图资料,对2013年8月7日和2017年8月7日发生在甘肃东南部两次极端暴雨进行对比分析。结果表明:两次极端暴雨天气过程都伴随着短时强降水等强对流性天气,具有降水量大、雨强强、灾害重的特点,其中冷空气的强度对暴雨落区、空间分布以及影响系统移动以及对流强度产生重要影响。在强冷空气和高空低槽、低层切变线影响下,暴雨区偏南,强降水区域小,持续时间短,不稳定条件更好,对流强度更强;在弱冷空气和高原槽、低层低涡、低空急流作用下,暴雨区偏北,强降水范围大,持续时间长,大气湿层厚度大,低层水汽辐合强度、涡度以及垂直速度更强,降水效率更高,但对流强度相对较弱。卫星云图上,在强冷空气的影响下对流发展旺盛,形成强中尺度对流云团,对流云团呈带状;在弱冷空气作用下对流云团尺度小,发展范围小,有暖云降水特征,降水效率高。     

7·13郑州大暴雨成因与可预报性分析

2008年7月13--14日郑州市出现局地大暴雨,24h降雨量达174mm,为1951年以来第二高值。这次大暴雨主要由两个时段的强降水累计而成,具有明显的中尺度特征。通过对常规气象资料分析发现：第一时段的强降水由副热带高压内部产生的局地对流云团加强造成,对流层底层东风气流的加强提供的水汽输送和动力抬升作用,促进了对流发展;新生云团进入潮湿的大气环境中能够得到迅速的发展。针对降水具有的明显中尺度特征,综合分析卫星、雷达、自动站等资料发现：利用新一代天气雷达的组合风廓线拼图可以很好地监测中尺度系统的演变趋势;区域自动站的10min极大风速场上显示,地面中尺度辐合线和郑州附近的气旋中心维持时段,与对流云团影响郑州及强降水时段对应。因此具有中尺度特征的局地强降水,可由雷达、自动站等信息作出短时临近预报。     

Diurnal Evolution and Annual Variability of Boundary-Layer Height and Its Correlation to Other Meteorological Variables in California’s Central Valley

One year of observations from a network of five 915-MHz boundary-layer radar wind profilers equipped with radio acoustic sounding systems located in California’s Central Valley are used to investigate the annual variability of convective boundary-layer depth and its correlation to meteorological parameters and conditions. Results from the analysis show that at four of the sites, the boundary-layer height reaches its maximum in the late-spring months then surprisingly decreases during the summer months, with mean July depths almost identical to those for December. The temporal decrease in boundary-layer depth, as well as its spatial variation, is found to be consistent with the nocturnal low-level lapse rate observed at each site. Multiple forcing mechanisms that could explain the unexpected seasonal behaviour of boundary-layer depth are investigated, including solar radiation, precipitation, boundary-layer mesoscale convergence, low-level cold-air advection, local surface characteristics and irrigation patterns and synoptic-scale subsidence. Variations in solar radiation, precipitation and synoptic-scale subsidence do not explain the shallow summertime convective boundary-layer depths observed. Topographically forced cold-air advection and local land-use characteristics can help explain the shallow CBL depths at the four sites, while topographically forced low-level convergence helps maintain larger CBL depths at the fifth site near the southern end of the valley.     

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。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8~10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛(冷云中心TBB最低)时。     

Life cycle of mesoscale convective systems

Radar observations of the evolution and hierarchy of Cb clouds in different regions of the Earth are generalized to present the concept of a life cycle of a mesoscale convective system; during the life cycle, the separate Cb clouds develop into hierarchic coordinated mesoscale clusters, which recurrently originate and are localized in fixed places in the system which moves as a unit. The rising dominant clusters generate quasi-periodic oscillations of maximum intensity and wavelike space structure of the precipitation field. The methodological principles of the concept are used for objective classification of precipitation systems based on morphological and evolutional features. They can be used in techniques of very-short-range forecasting of hazardous convective weather.     

河南省一次致灾强对流天气的中尺度分析

利用常规观测资料、中尺度分析产品和雷达资料对2013年8月1日凌晨发生在河南省西部、北部的一次致灾强对流天气过程进行分析.结果表明:这次强对流是在上干冷下暖湿的不稳定大气层结条件下产生的,较大的垂直风切变出现在强对流发生后,可能与强对流天气产生时间较晚有关;地面辐合线是这次强对流产生的触发机制,强对流发生在地面等温线和等露点线的密集区内.云图亮温的低值中心对应地面的强雨区.1日凌晨,对流回波东移加强,先后形成的两条弓形回波,均存在明显的低层弱回波区和中高层的悬垂回波结构,大风发生在弓形带状回波后侧;对流回波带低层有很强的西南风急流,使得强对流回波形成弓形带状回波;强回波带的前沿速度场上,有中尺度辐合线、辐合区、逆风区存在,它们的出现和维持是产生局地强降水的一个有用指标,中尺度系统的存在是强对流风暴产生、维持、发展的必要条件;较大垂直液态含水量的维持为产生强降水提供了有利条件,垂直液态含水量的增减,预示着地面强对流天气的开始和减弱.     

华东飑线过程中的地面中尺度物理特征

本文利用华东中尺度天气试验资料和雷达回波,分析了9例强飑线过程中逐时地面物理量场的变化。提出中尺度散度场的配置及变化与中尺度强对流天气有十分密切的关系,而中尺度扰动辐合强度演变与锋前暖区内的中尺度扰动风场汇合线有关,这些关系往往能预示中尺度强对流天气的出现和发展。有时,在飑线发展的过程中具有中尺度重力波特征。