北京“7.21”特大暴雨过程中尺度系统的模拟及演变特征分析

在2012年7月21日北京特大暴雨过程天气尺度环流背景分析的基础上,主要用WRF模式对该次暴雨过程进行了高分辨率的模拟。利用模拟资料分析了影响此次北京特大暴雨的辐合线及辐合线上生成的中尺度低涡的热动力结构及其演变。从热力场来看,来自于西北和东北方向的强冷空气与西南和东南暖湿气流的长时间对峙形成的辐合以及中低层冷空气从西北和东北方向向西南的入侵迫使整层暖湿空气抬升,以及低空急流的暖湿平流与低空弱冷空气之间形成的"西冷东暖"的结构,对对流不稳定的触发有一定作用,有助于该次特大暴雨的发生。对流层低层的西(东)南风与西北风之间形成了一条持续时间长的辐合切变线,切变线上不断有中尺度低涡生成并沿切变线发展移动,模拟资料分析表明,低涡不断沿切变线生成并移动经过北京从而对该次暴雨造成影响,这与"列车效应"现象类似。切变线上生成的中尺度低涡位置也同时处于急流左前侧和山前,低涡加强和发展时对应有暴雨的明显增强,是直接造成北京特大暴雨的中尺度系统,其生成与低层辐合、低空急流及地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近得到加强,低层辐合及地形抬升共同导致了强垂直运动的发展和维持,是暴雨持续的重要原因。大气中层有下沉气流与低层上升气流相互作用,在大气中低层形成一系列中尺度环流,房山附近一直有中尺度环流的垂直上升支维持,也是暴雨中心出现在房山的原因之一。     

2010年8月8-10日辽东半岛暴雨过程的中尺度特征分析

利用自动气象站资料、卫星资料、GTS1型数字式探空仪资料和常规气象观测资料及NCEP/NCAR再分析资料,对辽东半岛地区2010年8月8-10日3次暴雨过程进行了诊断分析,研究了该地区暴雨发生的天气尺度背景、中尺度对流系统发展过程及其发展的中尺度环境和触发机制。结果表明:(1)副热带高压位置偏北且稳定为此次强降水提供了有利的大尺度背景,切变线上生成的β或γ中尺度雨团发展的中尺度对流复合体是造成强降水的直接系统。(2)辽东半岛地区与低空急流水汽输送通道相连,并形成水汽辐合中心,有利于该地区强降水的产生。(3)暴雨发生前暴雨区域对流层低层的增温增湿、对流性不稳定层结及抬升凝结高度和对流自由高度的明显降低,是导致暴雨的重要条件。(4)切变线附近对流层低层的强正涡度中心和中高层的强正散度中心的耦合有利于上升运动的维持和水汽的向上抬升,促使中尺度对流系统生成,并沿切变线向东北方向移动和迅速发展,产生暴雨。强降水出现在切变线前方低空急流上的风速脉动区。     

一次梅雨期暴雨的中尺度数值模拟分析

利用常规气象资料、AREM模式输出资料,对发生在2005年梅雨期湖北的一次暴雨过程进行了中尺度数值模拟分析。分析结果表明,强降水发生时,在对应的中尺度对流系统中存在两个分别位于300hPa和600hPa附近的强上升运动中心,低层辐合、高层辐散的单模态分布是上升运动得以维持的重要条件;环境风场并不能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;强降水形成可概括为低层切变线东移诱发地面低压发展、引起垂直上升运动迅速增加、触发低层水汽的垂直输送和高不稳定能量强烈释放等过程。     

四川盆地西部两次暖区暴雨过程分析

利用地面、高空观测资料、卫星和多普勒雷达资料、ERA-Interim再分析资料,对2012年8月17日(12·08)和2017年7月16日(17·07)四川盆地西部两次暖区暴雨过程的环境条件、中尺度对流系统、雷达回波特征和动力抬升条件等预报着眼点进行了对比分析。结果表明:两次过程均出现在低层偏南暖湿气流和地面热低压之中,12·08暴雨发生在副高边缘,水汽输送条件更好,对流持续时间更长,17·07暴雨发生在高空低涡切变后部,高层冷平流使得位势不稳定更强,对流强度更剧烈;12·08暴雨中尺度对流系统沿副高外围自南向北缓慢移动,具有明显列车效应,其强回波质心高度较低,属于积状云为主的混合性降水,17·07暴雨中尺度对流系统在高空低涡后部偏北气流引导下自北向南快速移动,其强回波质心高度较高,属于积状云降水;地面辐合线为对流的发生发展提供了较好的动力触发条件,两次过程强降水均随着地面辐合线的生成而发生,且强降水中心出现在中尺度辐合线附近,并随着辐合线而移动。     

一次东风波及其诱生低涡发生发展的诊断和数值试验

利用NCEP 1x1再分析资料诊断2001年8月3~4日发生在浙南闽北的东风波及其诱生中尺度低涡的暴雨过程。根据螺旋度(Helicity)分析了过程中的暴雨演变以及雁荡山脉[1]诱生中尺度低涡发生发展的原因。同时,利用中尺度有限区域模式MM5V2对该东风波诱生中尺度低涡进行模拟。结果表明:螺旋度大值中心和锋区的强度和位置的演变较好反映了暴雨落区和中尺度低涡的诱生、移动。螺旋度的时空演变对暴雨发生有很好的预示意义,高、低层螺旋度的低层正值辐合与高层负值辐散的配置是引起降水的重要机制;螺旋度计算较中尺度模式诱生低涡的初生位置、路径预报准确率高,两者集成可以提高诱生低涡的预报准确率。     

一次热带系统北上引发华南大暴雨的诊断分析和数值研究

2006年5月21—22日,南海北部洋面上一强的气旋性风速扰动快速北上,在广东西南部发展成一中尺度涡旋后,它与南下的中纬度切变线结合,期间出现了3次强的中尺度对流系统活动,造成了广东沿海大暴雨甚至特大暴雨。利用1°×1°NCEP再分析资料和WRF中尺度模式对该过程进行了数值模拟、位涡反演和敏感性试验,并结合常规观测资料、卫星云图和中尺度模式输出结果等资料对这次暴雨过程进行了初步分析。结果发现:暴雨发生在高温高湿、抬升凝结高度低以及对流不稳定的有利环境中。暴雨高温高湿条件的形成与南海北部热带洋面上气旋性风速扰动向北推进时强偏南气流对水汽的输送密切相关。中尺度涡旋形成之后,在东移南压的北支槽前西南气流的引导下,中尺度涡旋向偏北方向移动,造成广东境内大部分地区出现了暴雨,中尺度涡旋为对流的触发以及暴雨的产生提供了一定的抬升条件。中尺度涡旋活动期间,广东境内云雾山中尺度地形一定程度上增强了暴雨,但它对暴雨的作用随其上空盛行气流的方向变化而变化,云雾山地形相对于暴雨中尺度系统的位置不同其作用也不相同。珠江三角洲喇叭口地形一定程度上决定了强暴雨的落区。南海洋面对华南暴雨区水汽的近距离输送是大暴雨形成的主要原因之一。     

黄河中游一次大暴雨的观测分析与数值模拟

利用常规观测资料、FY-2E TBB资料、地面加密自动气象站资料等,对2013年7月9日黄河中游地区(山西)暴雨过程进行了观测分析,利用WRF中尺度模式输出结果分析了低层切变线及其附近中尺度扰动的演变特征、动热力结构及水汽特征,以及低层偏东北气流的性质和作用等。结果表明:暴雨大暴雨是由700 h Pa切变线附近激发的4个中尺度对流云团直接造成的;低层稳定的切变线附近形成的中尺度扰动低涡,与地面中尺度露点锋和中尺度辐合线共同作用,触发了中尺度对流云团的发生、发展。受来自低层西路和东北路两支冷空气夹挤,暴雨区暖湿空气沿东南—西北向被迫抬升,形成一个狭窄的沿西路冷空气爬升的倾斜上升气流区,在其两侧形成两个方向相反的次级环流圈。水汽辐合中心在边界层附近,但这不是造成暴雨大暴雨的主要原因。低层辐合上升运动持续增强,偏南风入流将水汽向暴雨区集中,而次级环流的上升支将水汽向高层输送,使得暴雨区上空局地整层可降水量持续增加,以及对流不稳定和对称不稳定共存,加强了涡层不稳定,水汽在强不稳定的环境中沿倾斜上升气流抬升凝结,并高效率下降,可能是此次暴雨大暴雨的重要原因。低层偏东北气流为干冷与暖湿的一个倾斜交界面,该面上各种气象要素并不均匀,但在其中心区域低层为温度的零平流区,以及垂直速度、涡度和散度等物理量的零线区;围绕该支气流形成一个反气旋式的次级环流圈;该支气流两侧均存在较大垂直风切变,随着该支气流的南压和向河套地区的深入,低层暖湿气流的上升辐合作用不断加强,下沉支也逐渐活跃,是中尺度对流系统发生发展的重要触发机制之一。     

一次梅雨期台风远距离暴雨的分析研究

用NCEP 1°×1°再分析资料、MICAPS系统地面站资料、TRMM卫星降水资料以及自动站雨量资料分析了2011年梅雨后期发生在江苏省南京市的一次暴雨过程。结果表明:此次暴雨发生在中高层高空深槽前部、低空切变线附近、低层低涡和地面低压的东北部,是西风带低值系统及其引导的低层低涡与西进北上的"马鞍"台风共同作用产生的。925 h Pa上中国东南沿海位于低层低涡东北部的东南偏东气流影响下,将来自于西太平洋的水汽源源不断向暴雨区输送,为暴雨的发生提供了良好的水汽条件。不仅如此,此东南偏东气流还使得华南和东南沿海地区暖平流明显。低层暖平流输送伴随的小幅增温和水汽输送导致的湿度层增厚,导致南京附近大气层结不稳定是暴雨发生的热力环境。随着"马鞍"台风的西进北上,其北侧副高中的干空气逐渐被卷至中国东南沿海附近,与大陆上的暖湿气流形成明显对比,形成了一条明显的能量锋。与此同时,在长江中游地区,残余的梅雨锋也表现为一条能量锋,两条能量锋在南京附近相接,造成明显的上升运动,从而触发了暴雨的发生。     

低层锋生型暴雨特征合成分析

应用湖北省县级以上84个气象观测站点24 h降水资料,统计分析了2008—2011年5—8月低层锋生类型10场暴雨的雨量特征,对天气系统和各种物理量特征进行合成分析。结果发现:低层锋生型暴雨主要是由于低层锋生强迫触发不稳定能量的释放,同时形成跨锋面的次级正环流,其上升支与高层次级反环流的上升支在暴雨区上空叠加,形成深厚的上升运动区,触发位势不稳定能量的释放。在中层槽前正涡度平流、低层西南急流风速辐合以及锋面倾斜导致倾斜涡度发展等共同作用下,中尺度低涡发生发展。中尺度低涡中心区域和低涡移向的右前方动力水汽辐合最强烈,是暴雨发生的主要区域。     

一次西南涡引发MCC暴雨的中尺度分析

利用NCEP1°×1°再分析资料、国家气象卫星中心云顶亮温和地面加密观测资料对2013年7月21—22日发生在陕南的暴雨天气过程进行中尺度诊断分析。结果表明:中尺度对流复合体(MesoConvectiveComplex,下简称MCC)是此次暴雨的直接影响系统;500hPa停滞的低槽,配合对流层高层急流分支出口的强辐散及对流层低层西南低涡的动力抬升作用,形成有利于MCC生成、发展的大尺度环流背景;700hPa西南低空急流、850hPa气流的南支分量为MCC的生成、发展提供充足的水汽和能量;西南低涡的东北移动伴随有MCC云团的生消发展,MCC的发展经历了生成、发展、成熟、消散四个阶段,陕南强降水位于云顶亮温等值线密集一侧;MCC发生在高能、弱对流不稳定区;露点锋加强暴雨区的垂直上升运动,系统北部冷空气与南侧西南暖湿气流导致低层锋生,大气斜压性增大,并在陕南地区产生辐合上升,形成次级环流,又触发对流不稳定释放,相互之间有正反馈的作用。     

基于静止卫星红外云图的MCS普查研究进展及标准修订

基于静止卫星红外云图的MCS普查标准不统一不利于各种MCS普查结果的对比分析, 该文在总结MCS普查研究进展的基础上, 依据Orlanski尺度分类标准对MβCS普查的最小尺度标准作了修订, 即修订为TBB≤-32 ℃的连续冷云区直径≥20 km。根据马禹等的MβCS普查标准和该文修订的MβCS普查标准, 利用GOES-9卫星红外云图普查了2003年6月19日—7月22日淮河大水期间的MCS, 结果发现共有10个MαCS和24个MβCS, 并对24个MβCS作了普查标准修订前后的统计结果对比, 发现新的普查标准比根据马禹等的MβCS普查标准获得的结果多7个MβCS, 并且这7个MβCS中有6个都引起强降水, 因此这种对比分析结果表明:新MβCS普查标准对揭示淮河大水和MCS的关系更具合理性。此外, 还分析了3个因MβCS而引起局地强降水的典型个例, 这些MβCS的直径尺度只有几十至一百多公里, 不符合马禹等的MβCS普查标准。对这3个MβCS分析结果表明:该文新MβCS普查标准有助于对产生剧烈天气的MCS的普查研究和预报。     

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.     

Tracing the origins and propagation of pre-tropical storm Debby (2006) mesoscale convective systems using pattern recognition and image fusion

This study is focused on developing pattern recognition and image fusion techniques to trace the origins and propagation of the pre-tropical storm (pre-TS) Debby (2006) mesoscale convective systems (MCSs) and African easterly waves (AEWs) using satellite imagery. These MCSs could be generating over mountains in North Africa and going through complicated splitting and merging processes. Therefore, an objectively analyzed MCS movement is essential. This study presents a technique which traces extracted features to find the origin of TS Debby. This technique produces a fused image with the most relevant information from water vapor and infrared satellite images, segments the cloud top height satellite images by clustering clouds, and tracks clouds to determine the origin of TS Debby (2006). The presented technique could be applied to other AEWs and MCSs which lead to tropical cyclogenesis to improve the numerical weather prediction over data sparse areas, such as over eastern and central North Africa.     

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.     

国家级区域集合预报系统研发和性能检验

该文简要介绍了中国气象局国家气象中心研发的区域中尺度集合预报系统主要技术特点:在初值扰动技术方面,通过研究中国地区中尺度模式预报误差快速增长特点、中国地形地貌特征与观测资料的分布情况,研发适合于中尺度模式的增长模繁殖法扰动技术构造初值场;分析数值模式物理过程参数化方案内在的不确定性以及对强对流天气和近地面要素预报的差异,确定多物理过程扰动技术方案。解决全球集合预报扰动信息向中尺度集合预报输入的关键技术,实现中尺度区域集合预报系统与全球中期集合预报系统的嵌套。在模式后处理方面,解决中尺度集合预报结果的偏差订正技术;开发满足多种需求的多要素、多层次概率预报产品和概率预报检验产品。在世界天气研究计划"2008年北京奥运会中尺度集合预报研究开发项目"3年实时预报试验比较评价中,中国气象局国家气象中心区域中尺度集合预报系统总体预报能力与国外同类系统相当。     

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.     

用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息，需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果，对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明：模式模拟的各种大气廓线中，风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值，与实况有较好的一致性，但在廓线出现转折的地方，如：逆温层和风向转折时，模式预报较差。露点（湿度）廓线的预报误差较大，不能反映出真实水汽场的分布。因此，模式预报的深层（地面至500hPa）垂直风切变与探空具有较好的一致性，而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想，其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。     

MOMS 中尺度模式的多元最优插值客观分析方法

数值预报模式的预报结果与初始值关系较为密切。因此改善初始场的客观分析效果，是提高预报准确率的一个重要方面。该文针对MOMS中尺度模式的特点，研究设计了多元最优插值客观分析方法。采用T42模式预报结果作为初估值，在测站的选择、记录的订正、测站资料补缺等诸方面都考虑了中尺度模式的特点。该客观分析方案为中尺度数值天气预报及诊断分析提供了较好的初值，对提高中尺度模式的预报效果起到了较好的作用。     

与水平风切变强度不均匀相联系的CISK惯性重力波

在虚拟高度坐标系中, 用一个简单的线性模式初步研究了水平风切变强度不均匀分布对长江流域梅雨锋附近贯穿整个对流层的深厚惯性重力波发生发展的影响。结果表明:水平风切变强度不均匀对CISK惯性重力波不稳定有重要作用。在一般干的层结大气中, 实际可能出现再强的水平风切变的影响也难以使惯性重力波变得不稳定; 只有在积云对流潜热参与, 原为弱稳定条件下, 水平风切变强度不均匀能促使低空急流北侧不稳定扰动的发生发展。而水平风切变强度不均匀对不稳定贡献最大的区域是梅雨锋南侧的急流轴附近。     

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.