华南前汛期锋面对流系统与暖区对流系统的个例分析与对比研究

在2005年6月20日的一次华南暴雨过程中,影响两广地区局地强降水的两个主要的中尺度对流系统(MCS)在性质上有很大不同,初步分析断定,影响广西局地强降水的MCS1为锋面云团,而影响广东局地强降水的MCS2为暖性云团.通过对二者进行对流强度、维持机制以及湿位涡结构的比较分析发现,锋面对流系统MCS1与暖区对流系统MCS2的对流上升速度都很大.引起的局地降水量也相差不多.由于二者存在水汽条件的差异,因此不能排除微小差异主要足由水汽条件直接导致的,无法就此得出它们的对流强度强弱的比较结果;同时,对二者成熟阶段维持机制的对比分析得到,具有锋面特征的MCS1,中高层有很强的偏北气流进入,在对流区是以对流对称不稳定机制来维持对流运动的;而具有非锋面结构的MCS2由于没有偏北气流的进入,加上水汽条件充沛,主要由湿对流不稳定机制来维持对流运动.另外,湿位涡(MPV)结构的对比分析中得到如F结论:在VMP的结构上,二者均表现出中低层潜在对称不稳定结构特征;在VMP1的结构上,锋面对流系统MCS1表现出南北气流相瓦作用的特征,而暖区对流系统MCS2表现出高低空气流相互作用的特征;最后,在VMP2的结构上,MCS1反映了对流区南北两侧高低空急流的作用,而MCS2则反映了对流区内中高层干冷空气下滑的作用.     

一次华北飑线的观测分析

利用气象常规观测资料、卫星、自动观测系统、多普勒雷达等多种资料,对2004年7月23日发生的华北飑线进行了观测分析。分析表明:华北飑线发生在副高西北侧的不稳定区域,产生于中尺度对流系统(MCS)当中,地面冷锋和副高南退以及高空前倾槽的形势,使MCS向东南方向移动过程中发展,加强成为飑线;华北地区中、低层水汽通量的辐合,为此区域强对流的发生提供了充足的水汽;850 hPa和700 hPa低空急流的存在,一方面强劲的西南气流输送的暖湿平流加强了华北地区不稳定层结,另一方面急流附近的强风切变为飑线的产生提供了动力条件。     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

高低空急流与水汽凝结过程对暖锋环流演变的影响

利用包括水汽凝结过程的原始方程模式模拟了高空西风急流和低空南风急流中暖锋环流的演变以及凝结的发生。计算结果显示,水汽凝结过程对暖锋环流有非常重大的作用,是暖锋锋区产生强中尺度深对流的重要机制。与干模式大气中高空西风急流对暖锋环流的影响远大于低空南风急流的结论相反,在含有水汽凝结过程的湿大气中,低空南风急流的作用远大于高空西风急流,它是暖锋锋区中产生强中尺度降水的更重要因子;高低空急流的共同作用,对湿暖锋锋区中多重中尺度雨带的形成具有重要作用。     

The Evolution of a Meso-β-Scale Convective Vortex in the Dabie Mountain Area

The evolution of a mesoscale convective system (MCS) that caused strong precipitation in the northern area of Dabie Mountain during 21-22 June 2008 is analyzed, along with the evolution of the associated meso-β-scale convective vortex (MCV). The mesoscale reanalysis data generated by the Local Analysis and Prediction System (LAPS) at a 3-km horizontal resolution and a 1-h time resolution during the South China Heavy Rainfall Experiment (SCHeREX) were utilized. The results show that two processes played key roles in the enhancement of convective instability. First, the mesoscale low-level jet strengthened and shifted eastward, leading to the convergence of warm-wet airflow and increasing convective instability at middle and low levels. Second, the warm-wet airflow interacted with the cold airflow from the north, causing increased vertical vorticity in the vicinity of steeply sloping moist isentropic surfaces. The combined action of these two processes caused the MCS to shift progressively eastward. Condensation associated with the MCS released latent heat and formed a layer of large diabatic heating in the middle troposphere, increasing the potential vorticity below this layer. This increase in potential vorticity created favorable conditions for the development of a low-level vortex circulation. The vertical motion associated with this low-level vortex further promoted the development of convection, creating a positive feedback between the deep convection and the low-level vortex circulation. This feedback mechanism not only promoted the maturation of the MCS, but also played the primary role in the evolution of the MCV. The MCV formed and developed due to the enhancement of the positive feedback that accompanied the coming together of the center of the vortex and the center of the convection. The positive feedback peaked and the MCV matured when these two centers converged. The positive feedback weakened and the MCV began to decay as the two centers separated and diverged.     

贺兰山东麓极端暴雨的中尺度特征

利用近10年宁夏逐时自动气象站降水、银川CD雷达、FY-2、探空和ECMWF再分析0.125°×0.125°等高分辨率多源气象资料,在中尺度系统分型基础上,对比分析贺兰山东麓6次极端暴雨的中尺度特征。结果表明:(1)低空偏(东)南急流夜间增强并配合贺兰山地形,在东坡山前触发或增强了暴雨中小尺度系统,造成地形处降水增幅,极端暴雨都是伴有短时强降水的对流性暴雨,主要集中在东坡山前,中心在山洪沟口,夜雨特征显著。(2)环境场都满足对流性暴雨的3个基本条件:700 hPa(东)南急流将暖湿水汽输向暴雨区,低层高温高湿促进了大气不稳定与动力、热力、地形抬升触发机制;深对流过程850 hPa无明显急流,水汽主要来自孟加拉湾,水汽输送受限,但大气稳定度更低,更有利于对流性暴雨发生,混合对流过程850 hPa与700 hPa急流路径重合,水汽来自孟加拉湾、南海、黄海和渤海,水汽输送更充沛,更有利于持续性暴雨产生。(3)极端暴雨主要有暖区对流降水、锋面对流降水、锋区层状云降水3种性质;暖区对流主要在山区,地形抬升是触发机制,锋面对流的触发是低层暖湿气流沿着冷垫抬(爬)升,平原和山区皆有;对流系统的移动与低层风场一致,山区和平原分别沿山体和低空急流轴传播,通常移动与传播方向平行,山区低层为偏东风时,移动与传播近似垂直,列车效应明显。(4)线型对流系统过程冷空气弱,以暖区或(和)锋面对流性降水为主,对流系统在山前沿山体传播形成组织化程度高的带状线型回波,移动与传播有平行有垂直,受地形抬升作用,对流系统在山前稳定少动、发展强盛,降水历时短、范围小、雨强大、有间歇性,3~4 h的累计雨量占过程总量的85%左右,区域平均雨量远小于暴雨量级,地形性强对流暴雨特征凸显。(5)非线型对流系统过程冷空气强,以锋面对流性降水和锋区层状云降水为主,对流系统在山前和平原沿山体和急流轴传播和移动形成非线型回波,平原地区传播与移动平行,山区两者垂直,对流系统组织化程度不高、移速快、强度弱,降水历时长、范围大、雨强小,连续降水累计雨量大,区域平均雨量接近或达到暴雨量级,混合性降水特征明显。(6)降水强度R与CAPE增幅、回波强度Z、强回波持续时间、回波顶高、液态水含量呈正相关,与TBB呈负相关,相关性在深对流过程更清晰;Z≥40 dBZ时,Z-R满足关系式:R=3.67×10-8Z5.222+4.835。     

一次MCS过程的卫星云图和数值模拟分析

本文应用卫星云图与数值模拟结果对2000年6月2日发生的一次影响江苏的江淮气旋暴雨过程进行研究分析，阐述了这次暴雨过程表现的MCS基本特征。分析表明：MCS的形成可以由几个中β尺度对流云或对流带开始，在特定的环境场中汇合成合并；在其发展过程中必须维持湿度平流，低层到中层有暖平流，骨强偏南风急流伸向形成区，同时在其东北方向有一支高空西风急流相耦合；低层的辐合、整层凝结潜热的释放、垂直运动的增强、高层的辐散引起的正反馈机制是MCS发展的动因。     

DIAGNOSTIC ANALYSIS OF A RAINSTORM IN SHANDONG PENINSULA INFLUENCED BY A DISTANT TROPICAL DEPRESSION

Based on the observational data as well as data of satellite, NCEP reanalysis and moist potential vortex, the heavy rainfall event that occurred away from the outer cycle of tropical depression Kaemi (No.0605) on July 27, 2006 in Shandong Peninsula has been analyzed. The results show that there are three severe convective cloud clusters during the heavy rainfall. The uprightness of coupling pattern between upper-layer jet and low jet and a divergence area, which appeared in the right of upper-layer jet, provided favorable environmental conditions for convective cloud clusters. The strong convective weather happens over the prefrontal warm sector and the storm rainfall mainly distributes in the front of a high-energy area.Positive vorticity distribution and transportation of warm advection in low levels provide dynamic and thermal conditions for the rainstorm. The spatial-temporal evolvements of physical variable fields and MPV2 as the horizontal component of moist potential vorticity show that the rain intensity change is determined by upper and low level jets and the area of MPV2>0 occurs at the front of the low jet cores.     

Initiation and Evolution of Long-Lived Eastward-Propagating Mesoscale Convective Systems over the Second-Step Terrain along Yangtze-Huaihe River Valley

Based on the previous statistical analysis of mesoscale convective systems(MCSs)over the second-step terrain along Yangtze-Huaihe River Valley,eight representative long-lived eastward-propagating MCSs are selected for model-based sensitivity testing to investigate the initiation and evolution of these types of MCSs as well as their impact on downstream areas.We subject each MCS to a semi-idealized(CNTL)simulation and a sensitivity(NOLH)simulation that neglects condensational heating in the formation region.The CNTL experiment reveals convection forms in the region downstream of a shortwave trough typified by persistent southwesterly winds in the low-to midtroposphere.Upon merging with other convective systems,moist convection develops into an MCS,which propagates eastward under the influence of mid-tropospheric westerlies,and moves out of the second-step terrain.The MCS then merges with pre-existing local convection over the plains;the merged convection reinforces the cyclonic wind perturbation into a mesoscale vortex at 850 hPa.While this vortex moves eastward to regions with local vortex at 850 hPa,another vortex at 925 hPa is also intensified.Finally,the vortices at 850 and 925 hPa merge together and develop into a mesoscale convective vortex(MCV).In contrast,MCSs fail to form and move eastward in the NOLH experiment.In the absence of eastward-propagating MCSs,moist convection and mesoscale vortices still appear in the plains,but the vortex strength and precipitation intensity are significantly weakened.It is suggested the eastward-propagating MCSs over the second-step terrain significantly impact the development and enhancement of moist convection and vortices in the downstream areas.     

梅雨锋暴雨中尺度对流系统的组织特征和触发条件分析

利用常规气象观测、地面加密自动站和多普勒天气雷达资料,结合WRF(Weather Research and Forecast)模式模拟资料,对2015年6月26—28日长江中下游的一次梅雨锋暴雨过程中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)的组织特征和对流触发条件进行分析。结果表明:1)暴雨过程线状MCS在发展初期表现为东西向雨带不断的"后部建立"以及随后对流单体的"列车效应";在发展成熟期,对流单体向东北—西南向发展,形成多个近乎平行的东北—西南向短雨带。呈现2种尺度的对流组织方式:新生对流单体沿着单个雨带向东北方向的"列车效应"和短雨带沿着线状M CS向东平流的"列车带"效应。2)低空急流的持续加强为对流的发生发展提供了条件性不稳定和对流有效位能,偏南暖湿气流在向东北推进的过程中,在风速辐合处被强迫抬升至自由对流高度,释放不稳定能量,触发对流。3)对流雨带内近地面向南的冷出流与低层西南暖湿气流的持续交汇和相互作用有利于新单体生成发展,使雨带得以维持。     

贵州2次暴雨过程的诊断分析

利用NCEP每日4次的1°×1°再分析资料、地面降水资料、FY-2E卫星云顶相当黑体温度资料,针对贵州2011年6月5-6日和9月30日至10月1日的2次暴雨天气过程的形成机制进行了诊断分析。结果表明：中纬度低压槽和热带低压分别为2次暴雨提供了有利的环流条件,偏南暖湿急流与干冷气流的交汇有利于激发中尺度对流系统,2次暴雨过程都伴有旺盛的中尺度对流系统发展,MCS是造成暴雨的重要原因。对流层高层强辐散、低层辐合的配合,垂直运动的增强和充足的水汽供应形成了有利于强对流活动发生发展的条件;湿位涡的水平分布对暴雨落区及发展有较好的指示意义,湿正压项和湿斜压项的恰当配合对于垂直涡度的增长和对流活动的加强有重要作用。     

2019年6月桂林三次强降水天气成因对比分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP再分析资料,对桂林2019年6月6-12日接连3次强降水天气过程的环流背景、影响系统与形成原因进行了对比分析。结果表明:(1)3次过程按影响系统分属暖区暴雨、低涡暴雨和锋面暴雨过程,均发生在高空急流右侧辐散、低空急流左侧辐合叠加区。(2)3次过程均受500 hPa短波槽和地面中尺度辐合线影响,但第1次过程中西南急流及地形等、第2次过程中低涡切变线、第3次过程中冷锋也起到重要作用。(3)3次过程的触发系统不同,第1次暖区暴雨过程迎风坡地形对其起触发作用,西南急流使得后向传播的对流云带维持;第2次低涡暴雨过程的触发系统为低层位于贵州一带的西南涡,西部冷空气侵入与西南急流加强是低涡对流云团维持较长时间的原因;第3次锋面暴雨的触发系统为冷锋,锋面配合锋前暖湿气流使对流云带加强。(4)第1次过程暖区暴雨MCS模态主要为线状后向扩建类,极端强降水出现在线对流中后端;第2次过程低涡暴雨MCS模态为涡旋类,极端强降水出现在涡旋中心附近;第3次过程锋面暴雨MCS模态由前期后部层云区线状对流转为层状云包裹对流系统,强降水发生在线对流弯曲或中心强回波处。     

中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学问题

深厚湿对流运动发展机制包含湿大气的对称不稳定(MSI和CSI)及锋面环流．它们需要的基本条件是不稳定、水汽和抬升，这些机理在动力学中是有联系和区别的，即虽然都是与基流平衡状态被破坏后引起的中尺度环流有关，但是扰动流非平衡运动是不同的。本文综合概述了有关平衡动力学的研究进展，提出了中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学主要问题，并评述了一些研究的方法及主要结论和尚需进一步探索的方面．以加深对不同机制下深对流运动的认识。     

西北地区退耕还林对区域气候的影响

利用NCEP再分析资料对2009年3月20日夜至21日凌晨豫北强对流天气过程进行了分析,结果表明：①导致这次强对流天气发生的湿位涡场分布特征为,对流层低层MPV1〉0,同时MPV2〈0;强对流发生时,对流高层表现为MPV1〉0,同时MPV2〈0,即高低层均为异常的湿对流稳定区。②强对流的发生发展与湿位涡的时空演变有着很好的对应关系,对流层高低层湿位涡“正负区垂直叠加”的配置是强对流天气发展的有利形势。这次强对流天气发生在低层湿位涡正压项等值线密集的零线附近以及大于零的区域和湿位涡斜压项的负值区,同时高层为湿位涡正压项等值线密集正值区域和湿位涡斜压项的负值区。③中低层急流和地面东路冷空气入侵高温高湿不稳定区是形成这次强对流天气的主要原因,中尺度对流云团是造成此次强对流天气的直接影响系统,且强对流发生前,近地面存在逆温层。     

2011年7月24—25日呼伦贝尔市强降雨天气过程分析

利用常规气象资料、多普勒雷达资料和红外云图资料,对2011年7月24—25日呼伦贝尔市一次强降雨天气过程进行成因分析。结果表明：当鄂霍次克海阻塞高压强盛西伸并稳定少动,形成强大的阻挡系统时,使得西来低槽在我市西部停滞少动为强降水发生提供了有利的环流背景。中低层深厚的湿层以及西南低空急流为强降水提供充沛的水汽及能量条件。地面冷锋位置适宜且稳定少动为强降水提供了冷暖空气的触发条件。本地强对流天气潜势指数都充分表明层结的不稳定。卫星云图及雷达产品均有一定的指示意义。     

一次南方春季强对流过程中影响对流发展的环境场特征分析

利用地面自动站资料、多普勒雷达资料、FY-2E卫星云图及NCEP FNL 1°×1°逐6h分析场资料,分析了2010年5月5-7日我国南方春季大范围强对流天气过程中尺度对流系统(MesoscaleConvective System,MCS)的发生、发展特征,重点探讨了环境条件差异及其对MCS的影响。结果表明,由于环境场三维动力结构、水汽条件和热力不稳定条件配置的差异,造成对流发展的多样化特征。利用相对风暴螺旋度分析了环境场动力特征对MCS组织结构的影响。重庆上空中高层较干且具有较强的垂直切变,环境场气旋式旋转相对深厚,随着锋面强迫抬升克服对流抑制作用后,局地激发出相对孤立的类似超级单体的强对流风暴,造成冰雹和雷暴大风等天气;而贵州湿层相对深厚,高低空急流的耦合机制更明显,贵州北部的多单体对流风暴组织程度较高,MCS尺度相对较大,局地短时强降水较明显;广东具有最强的垂直切变和深厚湿层,在浅薄冷空气的触发机制下,发展出深厚湿对流形式的中尺度对流复合体,出现了高度组织化的线状对流带,MCS尺度大、持续时间长,造成较强的降水。     

STRUCTURE FEATURES AND COMPOSITE ANALYSIS OF CONVECTIVE CELLS IN A WARM SECTOR HEAVY RAINFALL EVENT OVER SOUTHERN CHINA

This paper uses the ARW-WRF model to carry out a numerical simulation of a warm-sector heavy rainfall event over southern China on the 22–23 May, 2014. A composite analysis method was used to analyze the evolution process and structural features of the convective cells on a convection line during this rainfall event. This analysis identified three stages: (1) Stage of activation: the equivalent potential temperature surfaces as lower layers start to bulge and form warm cells and weak vertical convective cloud towers which are subject to the impact of low-level warm moist updrafts in the rainfall sector; (2) Stage of development: the warm cells continue to bulge and form warm air columns and the convective cloud towers develop upwards becoming stronger as they rise; (3) Stage of maturity: the warm air columns start to connect with the stable layer in the upper air; the convective cloud tower will bend and tilt westward with each increasing in height, and the convection cell is characterized by a “crescent-shaped echo” above the 700hPa plane. During this stage the internal temperature of the cell is higher than the ambient temperature and the dynamic structural field is manifested as intensive vertical upward movement. The large-value centers of the northerly and westerly winds in the middle layer correspond to the warm moist center in the cells and the relatively cold center south of the warm air column. Further analysis shows that the formation of the “crescent-shaped” convective cell is associated with horizontal vorticity. Horizontal vorticity in the center and west of the warm cell experiences stronger cyclonic and anticyclonic shear transformation over time; this not only causes the original suborbicular cell echo shape to develop into a crescent-like shape, but also makes a convection line consisting of cells that develop to the northwest.     

东北冷涡内部中尺度涡旋引起的冰雹天气数值模拟

利用NCEP格点资料模拟了2011年8月21日沈阳地区的冰雹天气过程,结合机场自动观测数据、多普勒雷达资料和卫星云图等分析了冰雹的形成机制。结果表明：此次冰雹天气是由冷涡内部的中尺度涡旋引起的,卫星云图上的中尺度云团是中尺度涡旋的产物;0℃等温线位于600 hPa,-20℃位于450 hPa附近,两者之间厚度在2KM左右;冰雹发生前,斜升气流的最大上升速度为20 m·s^-1以上,水汽累积区位于0℃层以上,保证了水分累积区都由过冷水滴组成;高层干冷空气倾斜下侵到中低层的暖湿空气中,对强对流的发生发展起到了至关重要的作用;低层MPV1为强对流提供了对流不稳定机制,中层MPV2为强对流提供了对称不稳定机制,高层两种不稳定共存,均为对流发展贡献力量;对流有效位能积累、释放随时间的演变对冰雹的出现有一定的指示意义;10:30多普勒雷达图显示回波强度随高度增强,速度图上存在西南低空急流,有利于对流的发展。     

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。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。