一次副高影响下的局地强风暴触发及维持机制探析

利用自动站观测资料、FY-2G卫星资料和多普勒雷达等资料,对发生在副热带高压影响下的重庆局地强风暴过程进行了观测和数值模拟分析,探讨了其中尺度对流系统(MCS)演变,抬升触发和维持机制。结果表明:(1)在副热带高压影响下,重庆处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定;(2)此次局地风暴抬升触发的关键因子是地面附近浅薄边界层中尺度辐合线,辐合线由川渝盆地中西部MCS的雷暴高压与重庆地面热低压共同作用形成;(3)中尺度辐合线触发的对流风暴形成小范围冷池出流与环境风场形成新的辐合线,加强对流风暴发展,并再次触发新的对流单体。承载层平均风为偏南风,使得对流单体向北缓慢移动,冷池出流和边界层辐合线共同作用使得风暴单体向西向北传播和长时间维持。     

The impact of convergence zones on the initiation of deep convection: A case study from COPS

During the ‘Convective and Orographically-induced Precipitation Study’ (COPS) performed in summer 2007, deep convection developed on July 15, although convective available potential energy was only moderate and convective inhibition was high. Convection was restricted to an area east of the Black Forest crest. Data analysis revealed that the convection was triggered by different mechanisms. Due to a surface high which was situated east of the Black Forest and a surface low which approached the investigation area from the west, a mesoscale convergence zone was established between the two regions and moved eastwards. Secondly, high insolation favoured the development of slope and valley winds and high evapotranspiration resulted in an increase of moisture in the planetary boundary layer (PBL). The thermally driven circulation systems formed a convergence zone along the mountain crest. When the synoptically induced mesoscale convergence zone reached the Black Forest, the different convergence zones superimposed optimally, such that strong updraughts were observed above the mountain. These updraughts penetrated the PBL-capping inversion and nearly reached the level of free convection. About 15 min after the convergence zone had passed the Black Forest crest, first clouds developed east of it. While moving further eastwards, the convergence zone intensified and became visible as a north-south oriented cloud line in the satellite images. Some deep convective cells with precipitation formed within the cloud line. The dense COPS network allowed the capture of the position and characteristics of the convergence zone and explains why convection developed in some restricted areas only.     

中亚低涡背景下阿克苏地区一次强降水天气分析

为了加强对新疆暴雨过程的中尺度系统发展机理的认识,利用美国环境预测中心的FNL、欧洲中期数值预报中心的全球再分析资料、中国气象局提供的地面自动气象站观测资料、中国国家卫星气象中心提供的卫星辐射亮温（TBB）资料及WRF高分辨率数值模拟对2013年6月17—18日发生在新疆阿克苏地区的一次暴雨天气过程进行分析。结果表明,此次降水过程是发生在中高纬度“两脊一槽”的环流形势下,中亚低涡为这次暴雨的发生提供了有利的天气尺度动力及水汽条件;中亚低涡环流与天山南脉特殊地形造成的气流绕流叠加生成的中尺度辐合线是此次强降水的重要中尺度影响系统,山谷地形热力性质差异造成的下坡风推动辐合线移动,辐合线上发展的强对流引发了阿克苏地区的强降水。WRF模拟结果能够基本再现本次天气过程的降水落区、强度以及风场演变等。结合观测以及模拟资料进行的初步分析显示,西天山的阻挡导致偏南风在西天山南坡山谷附近产生堆积和辐合,山谷附近有局地的地形辐合线形成。同时,随着大尺度环流形势的调整,中亚低涡移动至阿克苏地区附近后,低涡南部的偏西气流一部分直接越过西天山变为西北风,另一部分穿过伊犁河谷转为东北风,这两支气流共同加剧了天山南脉阿克苏地区的偏北气流,促进了西天山南坡山谷附近中尺度辐合线的加强。辐合线以东的偏东气流带来的水汽在天山南脉前堆积,随着夜间山谷下坡风的增强作用,中尺度辐合线在向东南方向推进过程中不断发展加强,配合山脚堆积的水汽和辐合抬升,不稳定能量释放,对流发展,为阿克苏地区带来强降水天气。      

一次极端降水的中尺度雨团分析

利用常规观测资料、ECMWF ERA-Interim 0.125°×0.125°分析资料、FY-2G卫星云图和多普勒天气雷达资料等,对2017年8月18-19日漯河极端降水的中尺度特征及降水成因进行分析。结果表明:(1)本次过程在200 hPa高空分流区、500 hPa高空槽以及副热带高压、低层急流切变、地面低压倒槽等天气尺度系统合理配置及其相互作用下发生。(2)探空显示漯河上空具有较高的对流潜势,有利于中尺度雨团初生和发展。低层饱和、厚暖云层、弱风切变有利于暴雨云团产生,高CAPE值、高比湿和高降水效率是极端雨团的重要原因。(3)中尺度对流云团一个随槽前西南气流东移北上,一个随低层切变线南压,相向合并发展为M_βCS,有利于暴雨云团增强。不同于以往本地区的云团"同向合并",持续的列车效应以及低质心高效率的中尺度对流单体后向传播导致强回波长时间维持,极端降水发展。(4)地面中尺度辐合线和强辐合中心对强降水起到动力触发作用,有利于对流发展。冷池出流与交汇北上的东南风和偏东风相互作用,导致水平温度梯度增大形成和冷池前侧锋生加强,一方面致使雨团组织化发展和单体后向传播,另一方面也在降水区下游触发新生雨团,冷池持续增强。(5)本次过程整层风场较弱,且低层气流传播速度大于引导气流速度,平移与传播方向的反向夹角大,导致两者矢量和大幅度偏离了引导气流方向,同时产生的减速效应导致暴雨中尺度系统移动缓慢,导致极端降水形成。     

An Analysis of a Meso-β System in a Mei-yu Front Using the Intensive Observation Data During CHeRES 2002

The conventional and intensive observational data of the China Heavy Rain Experiment and Study (CHeRES) are used to specially analyze the heavy rainfall process in the mei-yu front that occurred during 20-21 June 2002, focusing on the meso-β system. A mesoscale convective system (MCS) formed in the warm-moist southwesterly to the south of the shear line over the Dabie Mountains and over the gorge between the Dabie and Jiuhua Mountains. The mei-yu front and shear line provide a favorable synoptic condition for the development of convection. The GPS observation indicates that the precipitable water increased obviously about 2 3 h earlier than the occurrence of rainfall and decreased after that. The abundant moisture transportation by southwesterly wind was favorable to the maintenance of convective instability and the accumulation of convective available potential energy (CAPE). Radar detection reveals that meso-β and -γ systems were very active in the Mα CS. Several convection lines developed during the evolution of the MαCS, and these are associated with surface convergence lines. The boundary outflow of the convection line may have triggered another convection line. The convection line moved with the mesoscale surface convergence line, but the convective cells embedded in the convergence line propagated along the line. On the basis of the analyses of the intensive observation data, a multi-scale conceptual model of heavy rainfall in the mei-yu front for this particular case is proposed.     

巢湖地区一次梅雨期强对流暴雨中尺度特征分析

利用地面气象观测资料、ERA5再分析资料、FY-2E卫星和多普勒雷达资料,对2011年7月17日发生在巢湖地区的一次强对流暴雨过程进行诊断分析。结果显示:500hPa深槽、850hPa切变线及地面低压是此次暴雨过程的天气尺度影响系统,强降水发生在湿层和暖云层深厚、较低的抬升凝结高度、中等强度对流不稳定及弱垂直风切变条件下;FY-2E卫星云图分析表明,此次强降水过程主要是多个中尺度对流系统在巢湖合并所致,短时强降水落区主要落在中尺度对流系统TBB等值线密集区附近,TBB中心强度越强,TBB等值线梯度越大,对应的1h降水量越强;多普勒雷达分析揭示,短时强降水发生在两个对流回波合并期间,对流风暴移动缓慢,大于45dBz强回波均在6km以下,呈低层强烈气旋式辐合、高层辐散特征;地面中尺度辐合线是此次风暴的触发因子;湿位涡诊断结果表明,600hPa以下对流不稳定,600hPa以上对称不稳定,有利于暴雨和中尺度系统的发生发展。     

四川冕宁“6.26”暴雨的中尺度特征分析

利用FY4卫星、天气雷达以及加密自动站资料,分析了冕宁“6.26”暴雨过程的中尺度特征。结果表明:700 hPa切变线、冷平流、强的不稳定能量以及不稳定层结等条件非常有利于强对流的发展;早期触发对流的关键系统为九龙一带的切变云系,云系在下山过程中触发对流云团,强降水始终位于强的亮温区南端,且短时强降水的发生时间比MCS发展最旺盛期滞后1 h;雷暴中产生的下沉气流导致地面阵风的不断增强与维持,同时与地面偏北冷空气配合,在冕宁南部一带形成明显的偏北风,进而在喇叭口地形和南侧的辐合处触发雷暴;新生雷暴在低层偏南风的作用下不断与北侧母体雷暴合并,形成了明显的后向传播特征,同时在山脉的阻挡作用下,雷暴长时间维持且移动缓慢,最终导致冕宁地区发生持续强降水。      

冷池对引发新乡“7·9”特大暴雨的中尺度对流系统的影响分析

利用NCEP再分析资料、常规观测资料、FY-2E卫星TBB资料、多普勒雷达探测资料和地面加密自动站资料分析了2016年7月9日新乡特大暴雨过程的中尺度特征,并揭示了冷池形成原因及其对产生强降水的中尺度对流系统发生发展的影响。研究结果表明:新乡地区特大暴雨是由一个"低质心"结构的后向传播-准静止-涡旋状中尺度对流系统产生的。由层状云和对流性降水产生的冷池出流形成的中尺度温度梯度导致地面辐合进而触发了对流。冷池出流与环境风场形成的假相当位温密集带为对流系统提供不稳定能量,两者强度相当的对峙使能量密集带稳定少动,而中尺度对流系统的上风方即冷池出流南侧由于锋生作用将暖湿空气抬升并不断触发新对流,这种后向传播方式导致中尺度对流系统移动缓慢处于准静止状态,新生对流单体在地面中尺度涡旋流场的作用下呈有组织的涡旋状旋转,不断经过新乡地区造成强降水持续。湿冷的冷池同时也是本次强降水过程近地面水汽来源之一。太行山的阻挡作用导致冷池在山前堆积后向承载层平流方向相反的方向移动;小地形的峡谷效应有助于冷池出流南移,而且为中尺度地面涡旋形成提供了一支重要的西北气流。     

An Analysis of a Meso-β System in a Mei-yu Front Using the Intensive Observation Data During CHeRES 2002

The conventional and intensive observational data of the China Heavy Rain Experiment and Study (CHeRES) are used to specially analyze the heavy rainfall process in the mei-yu front that occurred during 20-21 June 2002, focusing on the meso-β system. A mesoscale convective system (MCS) formed in the warm-moist southwesterly to the south of the shear line over the Dabie Mountains and over the gorge between the Dabie and Jiuhua Mountains. The mei-yu front and shear line provide a favorable synoptic condition for the development of convection. The GPS observation indicates that the precipitable water increased obviously about 2-3h earlier than the occurrence of rainfall and decreased after that. The abundant moisture transportation by southwesterly wind was favorable to the maintenance of convective instability and the accumulation of convective available potential energy (CAPE). Radar detection reveals that meso-β and -γ systems were very active in the MαCS. Several convection lines developed during the evolution of the MαCS, and these are associated with surface convergence lines. The boundary outflow of the convection line may have triggered another convection line. The convection line moved with the mesoscale surface convergence line, but the convective cells embedded in the convergence line propagated along the line. On the basis of the analyses of the intensive observation data, a multi-scale conceptual model of heavy rainfall in the mei-yu front for this particular case is proposed.     

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。     

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。     

低压倒槽影响下积层混合云形成过程模拟研究

利用多普勒雷达资料和中尺度天气预报模式wRF（Weather Research and Forecasting）模拟结果,对2009年5月9—10日发生在太原及其周边地区的一次积层混合云降水形成过程进行分析。结果表明,在积层混合云的形成初期,局地对流云得到发展,随着其强度不断增强,与周围云发生并合过程（包括局地单体对流的并合、积云团的并合和积层混合云内强中心的并合）,形成范围较大的积层混合云云系。局地单体对流和积云团的并合可带来云体的爆发性增长,霰含量、雨水含量大幅增加。积层混合云内强中心的并合对降水强度影响不大,但有利于降水面积扩大。低压倒槽和弱冷锋是此次积层混合云形成和维持的主要影响因素。低压倒槽有利于低层大范围不稳定能量的积累,风向切变有利于近距离云团的发展和并合,山地动力和热力作用有利于局地对流单体、积层混合云内强中心的形成和加强。     

渤海西岸一次极端大风的特征和成因分析

利用NCEP FNL资料、FY 4卫星红外云图资料、雷达资料和自动站资料，对2021年4月15日渤海西岸由大尺度冷空气和中尺度对流系统共同作用形成的极端大风进行特征和成因分析。结果表明：①FY 4卫星红外云图云顶亮温表现出指状特征，雷达反射率因子表现为两个弱回波带在渤海西岸合并加强为一条带状回波，随着系统东移由带状回波演变为弓状回波。②上冷下暖的不稳定层结为锋面触发对流提供有利环境条件，在径向速度图上出现较大范围速度模糊和中层径向辐合。③此次大风过程具有雷暴大风和冷空气大风混合的大风特征，大风成因是由大尺度冷空气产生的动量下传、大尺度变压风、梯度风以及中尺度雷暴冷池出流共同导致的。     

2019年6月下旬中昆仑山北坡两场强降水对比分析

利用常规气象探测资料、NECP和EC高时空分辨率再分析资料,对2019年6月25日和28日出现在中昆仑山北坡两场强降水过程进行分析。表明：25日过程范围大、持续时间长的强降水,28日为分散、对流性强降水;两场天气过程影响系统有高空急流、中层低值系统、低层辐合线;25日强降水系统移动缓慢、冷空气从东西两侧进入昆仑山北坡,同时西太副高西侧西南风将大量水汽输送至昆仑山北坡,低层存在偏东和偏北、偏西风辐合;28日强降水低值系统移动迅速、对流层有逆温和不稳定,午后升温和低层弱辐合、山前偏北风是对流触发条件。中高层偏西偏南风水汽输送至昆仑山北坡上空,在低层合适的风场将水汽输送汇集到昆仑山北坡是强降水的关键,25日水汽输送强度和厚度明显强于28日。地形对于降水作用表现在热力和动力两方面。     

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.     

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.     

一次秋季强降水超级单体风暴过程分析

利用雷达、加密自动站、NCEP再分析资料和常规观测资料,对2011年11月4日发生在江苏中北部由超级单体产生的短时强降水过程,经分析表明:(1)本次过程中500 hPa为西南暖干气流,上下层温度平流差动不明显,上下层湿度平流差动是前期位势不稳定建立的主要原因。(2)超级单体风暴低层强烈的后侧入流,不断为其输入暖湿气流,其前侧为强烈的上升气流,而高空有较强的后向流出。在这种流场的作用下,超级单体风暴的发展得到加强和维持。(3)对流首先在700 hPa相对湿度梯度大值区与地面中尺度辐合线相交处被触发,整个过程中强对流回波出现在地面中尺度辐合线附近,并伴随其东移。东移的地面辐合线与盐城东部局地生成的对流风暴所造成的地面辐散出流相遇,演变为一条新的地面辐合线,地面辐合显著增强,导致短时强降水的发生。中尺度地面辐合线的移动和增强在这次超级单体风暴过程中起到了触发和维持、加强的作用。(4)对流发展初期,地面辐合区对应着未来对流回波生成区域,有很好的超前性;随着对流发展,地面负散度大值区与对流回波区逐渐重合,当散度场出现临近正负散度中心对时,对流发展达到最强。     

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。     

台湾岛地形对登陆台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展影响的模拟研究

2016年9月14~15日超强台风“莫兰蒂”（1614）登陆厦门后在福建省中北部引发了特大暴雨天气过程,特大暴雨由台风登陆后北侧至东北侧一个缓慢移动的长生命史中尺度强对流螺旋雨带活动造成。利用中尺度数值模式WRF（V3.9）对台风登陆引发福建省中北部特大暴雨过程进行了大区域无嵌套数值模拟,较准确地模拟了台风引发特大暴雨的强度和落区,并成功地再现了台风登陆后北侧至东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带的发生、发展过程。分析发现,台风大风区外围几个零散的中尺度辐合区在移入台湾地形下游的弱风切变区、正涡度带、湿静力能（假相当位温、比湿）锋区后,组织发展成一个带状的中尺度辐合带而形成强对流螺旋雨带,长时间地维持和发展,并向东北方向缓慢移动。台湾地形在有利于强对流螺旋雨带长时间组织发展和维持的中尺度环境场的形成中扮演着重要角色,即地形效应在其下游形成的正涡度带（正位涡带）、雨带（位于高湿静力能区）南侧低湿静力能带（即湿静力能锋区）,对强对流螺旋雨带的长时间发展维持非常重要。地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风登陆后东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带形成及维持中的重要作用。     

福建西部山区一次中尺度对流系统触发机制分析

利用常规天气资料及地面自动站、风廓线雷达、新一代天气雷达资料和ERA-Interim逐6 h 0.125°×0.125°再分析资料,分析2015年5月19日福建西部山区一次极端降水的中尺度特征。结果表明:(1)极端降水分为锋前暖区降水和锋面降水两个阶段,暴雨区位于低空西南急流轴左侧,水汽充足,冷暖空气交汇,不稳定能量大,抬升凝结高度和自由对流高度低,大气可降水量大及中等强度的垂直风切变形成有利于中尺度对流系统(mesoscale covective system, MCS)发展的环境条件。(2)锋前暖区降水期间,西南气流携带高能量和水汽充足的空气移入暴雨区被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,对流单体向东北偏东方向移动,排列形成短雨带;若干条东北—西南向长度不等的短雨带在中尺度出流边界北侧建立,缓慢向东移动,依次重复影响关键区;暴雨关键区存在辐合线和风速辐合,为降水提供了良好的动力抬升条件;向西南开口的河谷地形加强了对流的发展;对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带重复影响同一地区的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。(3)锋面降水期间,对流单体在低涡切变南侧风速辐合、水汽和能量大值区发展东移南压,中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得强降水加强并维持。对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是此阶段MCS主要发展方式。