河南省对流性暴雨云系特征与概念模型

利用2005—2010年FY-2C/E和MODIS卫星资料、A0报文、自动气象站降水资料及常规观测资料,修订了河南省对流性暴雨中尺度对流系统标准,统计分析了暴雨中尺度对流系统的活动规律和降水特征,初步建立了河南省典型对流性暴雨概念模型。河南省对流性暴雨中尺度对流系统主要包括新生对流云团、β中尺度对流系统、α中尺度对流系统及带状中尺度对流系统。对流性暴雨易产生于中尺度对流系统的发生、发展期,多发于中尺度对流系统云顶亮温低中心附近及后侧梯度大值区, 云系上云光学厚度高值区为中尺度对流系统发展潜势区。低槽 (涡) 切变型和低槽型过程中干冷气团对中尺度对流系统的发生、发展起触发作用;高压后部型与午后边界层辐射增温关系密切,能量锋、边界层辐合线是中尺度对流系统的触发系统;切变型过程中干线的作用较重要。河南省对流性暴雨中尺度对流系统多发展于山区附近,移动路径有东移、东北移和东南移型,高层云导风可为中尺度对流系统的移动发展提供预报信息。     

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。      

济南7.18大暴雨中尺度分析研究

利用常规和非常规观测资料、分辨率0.5°×0.5°、间隔6 h的GFS(Global Forecast System)分析场资料和WRF(Weather Research and Forecasting model)数值模拟结果,对2007年7月18日济南大暴雨进行了中尺度分析研究。结果表明,低空急流、自内蒙古南下的低层冷空气和中层干空气的配置有利于中尺度对流系统的发展和维持;中尺度对流系统生成、发展于低涡西南侧的辐合线上,低涡入海过程中移速减慢使辐合线经过济南速度减慢,导致济南持续3 h的短时强降水;生成于中尺度对流系统前30 km左右的对流系统与中尺度对流系统的合并使降水增幅,最终导致极端降水发生。     

广西"6.12"特大暴雨中西南涡与中尺度对流系统发展的相互关系研究

基于多种观测和数值模式模拟资料,在位涡守恒和反演理论的框架下,对2008年广西"6.12"特大暴雨过程中的西南低涡系统发展过程及其伴随的中尺度对流系统活动特征进行了分析.从天气系统的综合分析看,低涡系统在初始阶段发展相当迅速,东移过程中低空西南急流有明显增强,为中尺度对流系统的活动提供了良好的环境条件.对位涡的诊断分析...     

"0907"长江下游梅雨锋暴雨的数值模拟和诊断分析

利用常规观测资料、卫星TBB资料以及客观再分析资料,对2009年7月6—7日(简称"0907")的长江下游梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟和天气分析,重点研究了中尺度系统的发生发展机制。结果表明:7月6—7日对流层低层,长江下游北侧存在的一次天气尺度低压,其发展和东移,促使锋生加强,低空急流发生。WRF中尺度模式数值模拟结果显示,在次天气尺度低压的南侧不断形成β中尺度和γ中尺度对流系统。对其中一个β中尺度对流系统的分析研究表明:低空中尺度急流和中尺度辐合首先发生。之后中尺度辐散迅速加强。高层强辐散、低空中尺度急流核和中尺度低涡的相互耦合作用使系统不断发展并东移。高层相对干冷空气的侵入促使系统衰减消亡。     

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。     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

一次导致大暴雨的中尺度对流系统演变和风场垂直结构特征

利用NCEP分析资料、云地闪电、卫星、多普勒雷达、风廓线雷达和RASS观测资料,对引发2009年8月6日广州南沙大暴雨的中尺度对流系统的演变和风场垂直结构进行分析,结果表明:(1) 此次暴雨的直接影响系统是登陆后重新加强的热带风暴内发生、发展的α-中尺度对流系统,其内若干对流单体及其“列车效应”是导致大暴雨的直接原因;(2) 强地闪集中发生在云顶相当黑体温度(TBB)低于-64 ℃云区和大TBB梯度区内,或40 dBZ以上的强回波区及回波梯度大值区,强地闪活动略落后于强降水;(3) 风场垂直结构观测表明,α-中尺度对流系统的低层急流有两次加强过程,与低空入流两次增强有直接对应关系;急流轴上多个中尺度脉动及低涡发展与雨强的剧增相对应,其时间尺度为0.5~1.0 h,这种风场的中尺度特征正是中尺度对流系统中强上升入流和下沉气流在风廓线雷达观测到风场垂直结构中的反映;(4) 边界层的上升运动发生在α-中尺度对流系统的前部,上升运动与地面中尺度低压生成及辐合线有关,中尺度低压和上升运动的出现比强降水提前1 h。      

2002年6月20～24日梅雨锋中尺度对流系统发生发展分析

利用“973”中国暴雨试验获得的加密观测资料 ,首先对 2 0 0 2年 6月 2 0～ 2 4日发生在长江中下游地区的中尺度对流系统发生发展进行了分析 ,有 7个尺度较大的α中尺度对流系统在长江中下游地区发展 ,造成了大范围的强降雨。然后针对安徽南部发生的中尺度对流系统发生发展过程进行了详细分析 :MCS生成于切变线南侧的西南暖湿气流中 ,其源地是大别山区和大别山与九华山之间的长江河谷地带 ;低层西南风的水汽输送是安徽南部对流不稳定和对流有效位能积聚的主要原因 ;在降雨发生前整层可降水量有明显增加 ,开始降雨后则逐渐减小。雷达探测的回波显示α中尺度对流系统中有 β和γ中尺度系统的活动 ,β和γ中尺度系统与整个中尺度对流系统的移动方向不一致 ;中尺度对流系统中的带状回波有地面中尺度辐合线配合 ,对流带随地面的中尺度辐合线移动 ,对流带中的对流单体沿辐合带移动。     

四川盆地一次暴雨过程的中尺度对流及其环境场特征

利用常规地面和探空气象观测资料、自动气象站资料、卫星和雷达拼图资料以及NCEP FNL分析资料对2013年7月3-5日四川盆地强降水过程的中尺度对流系统及其环境场特征进行了分析。结果表明:此次降水过程分为三个阶段,分别对应三次中尺度对流系统的发生、发展;700 h Pa切变线和850h Pa低涡为中尺度对流系统的产生提供了有利的动力条件,中尺度对流系统沿700 h Pa切变线以及850h Pa低涡中心附近发生、发展,三个阶段的中尺度对流活动均与低层切变系统的发展、演变相吻合。冷空气对中尺度对流系统的发生发展具有重要影响,强降水的产生时间和空间分布均与冷空气入侵密切相关。四川盆地地形对强降水的产生有两方面的作用,一是使气流在山前辐合抬升,二是使冷空气堆积造成强的冷暖空气对峙,导致锋生作用加强。     

Mesoscale predictability of mei-yu heavy rainfall

Recently reported results indicate that small amplitude and small scale initial errors grow rapidly and subsequently contaminate short-term deterministic mesoscale forecasts. This rapid error growth is dependent on not only moist convection but also the flow regime. In this study, the mesoscale predictability and error growth of mei-yu heavy rainfall is investigated by simulating a particular precipitation event along the mei-yu front on 4-6 July 2003 in eastern China. Due to the multi-scale character of th...     

一次华南暴雨过程的数值模拟———中尺度对流系统形成发展机制

2008年6月11-13日在华南地区出现了特大暴雨,这主要是由一系列中尺度对流系统(MCS)的相继生成,合并和强烈发展导致的.该研究利用新一代中尺度数值模式WRF对此次暴雨过程进行数值模拟,重点研究此次强降水过程中MCS发生、发展和演变过程及其相关物理机制.在MCS的生成过程中,由于西南涡的存在导致MCS始终处于正涡度环境中,正涡度导致的低层辐合与大气静力不稳定都是重要的MCS启动机制,这两者的共同作用有利于MCS的生成与加强.MCS形成后,在强垂直切变的环境中,倾斜抬升机制发生作用,更进一步加强了环境涡度,形成有利的正反馈过程,造成MCS迅速发展.这些加强的MCS和大尺度环境流场相互作用,造成了它们的合并.在MCS的分裂过程中,马氏力起着重要作用.     

Mesoscale Moist Adjoint Sensitivity Study of a Mei-yu Heavy Rainfall Event

The mesoscale moist adjoint sensitivities related to the initiation of mesoscale convective systems (MCSs) are evaluated for a mei-yu heavy rainfall event. The sensitivities were calculated on a realistic background gained from a four-dimensional variational data assimilation of precipitation experiment to make the sensitivity computation possible and reasonable within a strong moist convective event at the mesoscale. The results show that the computed sensitivities at the mesoscale were capable of capturing the factors affecting MCS initiation. The sensitivities to the initial temperature and moisture are enhanced greatly by diabatic processes, especially at lower levels, and these sensitivities are much larger than those stemming from the horizontal winds, which implies that initiation of MCSs is more sensitive to low-level temperature and moisture perturbations rather than the horizontal winds. Moreover, concentration of sensitivities at low levels reflects the characteristics of the mei-yu front. The results provide some hints about how to improve quantitative precipitation forecasts of mei-yu heavy rainfall, such as by conducting mesoscale targetted observations via the adjoint-based method to reduce the low-level errors in the initial temperature and moisture.     

Mesoscale Analysis of a Heavy Rainfall Event over Hong Kong During a Pre-rainy Season in South China

During the Heavy Rainfall Experiment in South China （HUAMEX） of 1998, a record heavy rainfall event occurred in the delta of the Pearl River during the 24 hours from 1200 UTC 8 June to 1200 UTC 9 June, 1998, and a 24-hour precipitation maximum of 574 mm was reported in Hong Kong. In this paper, some mesoscale characteristics of this heavy rainfall event are studied using data from satellites, Doppler radar, wind profilers, and automatic meteorological stations collected during HUAMEX. The following conclusions are drawn： （1） During this heavy rainfall event, there existed a favorable large-scale environment, that included a front with weak baroclinity in the heavy rain area and with an upward motion branch ahead of the front. （2） Unlike most extratropical or subtropical systems, the closed low in the geopotential height field does not exited. The obvious feature was that a southerly branch trough in the westerlies existed and Hong Kong was located ahead of the trough. （3） The rainfall areas were located in the warm sector ahead of the front, rather than in the frontal zone, which is one of the characteristics of heavy rainfalls during the pre-rainy season of South China. A southerly warm and moist current contributed to the heavy rainfall formation, including the transportation of rich water vapor and the creation of strong horizontal wind convergence. （4） The observations show that the heavy rainfall in Hong Kong was directly caused by a series of meso β systems rather than a mesoscale convective complex （MCC）. These meso β systems moved with the steering current in the lower-mid troposphere, their life cycles were 3-6 hours, and their horizontal sizes were 10-100 km. （5） The disturbances in the lower and mid troposphere, especially that in the planetary boundary layer （PBL） were very shallow. However, they are a possible trigger mechanism for the occurrence and development of the mesoscale convective systems and related heavy rainfalls. Finally, a conceptual model of the heav     

Impact of 4DVAR Assimilation of Rainfall Data on the Simulation of Mesoscale Precipitation Systems in a Mei-yu Heavy Rainfall Event

The multi-scale weather systems associated with a mei-yu front and the corresponding heavy precipitation during a particular heavy rainfall event that occurred on 4 5 July 2003 in east China were successfully simulated through rainfall assimilation using the PSU/NCAR non-hydrostatic, mesoscale, numerical model （MM5） and its four-dimensional, variational, data assimilation （4DVAR） system. For this case, the improvement of the process via the 4DVAR rainfall assimilation into the simulation of mesoscale precipitation systems is investigated. With the rainfall assimilation, the convection is triggered at the right location and time, and the evolution and spatial distribution of the mesoscale convective systems （MCSs） are also more correctly simulated. Through the interactions between MCSs and the weather systems at different scales, including the low-level jet and mei-yu front, the simulation of the entire mei-yu weather system is significantly improved, both during the data assimilation window and the subsequent 12-h period. The results suggest that the rainfall assimilation first provides positive impact at the convective scale and the influences are then propagated upscale to the meso- and sub-synoptic scales.
Through a set of sensitive experiments designed to evaluate the impact of different initial variables on the simulation of mei-yu heavy rainfall, it was found that the moisture field and meridional wind had the strongest effect during the convection initialization stage, however, after the convection was fully triggered, all of the variables at the initial condition seemed to have comparable importance.     

一次梅雨锋特大暴雨过程的数值模拟研究：不同尺度天气系统的影响作用

2003年7月4~5日在江淮地区沿梅雨锋有一系列中尺度对流系统相继生成和强烈发展,导致了江淮地区特大暴雨的形成。该研究利用中尺度数值模式MM5对这次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果的基础上重点分析了不同尺度天气系统相互作用对这次特大暴雨过程的影响作用。在这次特大暴雨过程中,位于梅雨锋北侧的东北—西南走向深厚、稳定的短波槽系统与槽前从西南移来的低涡系统相配合,加强了位于梅雨锋北侧的反气旋性扰动发展,从而导致梅雨锋北侧反气旋性涡旋的形成。该类反气旋性涡旋形成对江淮切变线的加强与维持起重要作用。中尺度对流系统的潜热释放首先导致梅雨锋低层切变线上的中尺度对流性涡旋(MCV)的形成,而中尺度对流性涡旋的形成进一步加强了切变线上的低层辐合,中尺度对流性涡旋消亡后,在切变线上形成低涡。梅雨锋附近主要存在4种不同垂直环流,它在降水的不同阶段具有不同的结构、配置与动力学作用。其中跨锋面、高层非地转两支垂直环流对锋区的对流扰动发展和暴雨形成最为重要,而降水发展可以调整锋区垂直环流的结构、配置,随降水的减弱,梅雨锋区的不同垂直环流系统又重新恢复到先前结构。梅雨锋上不同尺度、高度的天气系统之间的相互作用主要通过这些垂直环流系统调整实现。     

A Simulation Study of the Mesoscale Convective Systems Associated with a Meiyu Frontal Heavy Rain Event

In this study, evolution of the mesoscale convective systems （MCSs） within a Meiyu front during a particularly heavy rainfall event on 22 June 1999 in East China was simulated by using a nonhydrostatic numerical model ARPS （Advanced Regional Prediction System）. Investigations were conducted with emphasis on the impact of the interaction among multi-scale weather systems （MWSs） on the development of MCSs in the Meiyu frontal environment. For this case, the development of MCSs experienced three different stages. （1） The convections associated with MCSs were firstly triggered by the eastward-moving Southwest Vortex （SWV） from the Sichuan Basin, accompanying the intensification of the upper-level jet （ULJ） and the low-level jet （LLJ） that were approaching the Meiyu front. （2） Next, a low-level shear line （LSL） formed, which strengthened and organized the MCSs after the SWV decayed. Meanwhile, the ULJ and LLJ enhanced and produced favorable conditions for the MCSs development. （3） Finally, as the MCSs got intensified, a mesoscale convective vortex （MCV）, a mesoscale LLJ and a mesoscale ULJ were established. Then a coupled-development of MWSs was achieved through the vertical frontal circulations, which further enhanced the MCV and resulted in the heavy rainfall. This is a new physical mechanism for the formation of Meiyu heavy rainfall related to the SWV during the warm season in East China. In the three stages of the heavy rainfall, the vertical frontal circulations exhibited distinguished structures and played a dynamic role, and they enhanced the interaction among the MWSs. A further examination on the formation and evolution of the MCV showed that the MCV was mainly caused by the latent heat release of the MCSs, and the positive feedback between the MCSs and MCV was a key characteristic of the scale interaction in this case.     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。      

乌鲁木齐7·17暴雨的天气尺度与中尺度特征

新疆位于半干旱地区,2007年7月13—18日新疆沿天山一带多站出现暴雨。利用每分钟与小时降水资料、常规地面与高空观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料、静止卫星云图资料与雷达资料进行分析,重点考察2007年7月16—17日乌鲁木齐暴雨过程 (7·17暴雨) 的天气尺度及中尺度特征,并与1996年同期暴雨过程以及我国东部暴雨过程进行对比。结果表明:该降水是一次大尺度斜压过程,中亚低涡是该暴雨过程的主要影响系统,但其位置、形态与强度均不同于1996年过程;干冷空气侵入加强了大气的对流性不稳定,对暴雨的加强和发展起重要作用;该暴雨过程的水汽主要来自于青藏高原东部—甘肃西部一线以及南疆北部;该暴雨过程中有明显的γ-中尺度对流雨团发生,径向速度辐合可能是γ-中尺度对流雨团的重要触发机制。     

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8～9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明：8～9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。