中尺度对流系统和闪电

1.引言每年春夏时节美国包括大平原和东南地区在内的广大地区的总降水量与中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems,以下简称MCS)过境有关.MCS定义为持续时间至少几小时且在生命史内具有明显对流活动的大范围降水系统(水平尺度为100-500km).根据定义,MCS包括超级单体雷暴,伴有层状云降水区的飑线以及中尺度对流复合体(MCC).MCC是根据云顶最低温度和特定温度阈值的覆盖范围来定义的(Maddox,1980).MCC中的对流单体的分布较为     

中纬度中尺度对流复合体发生发展的云图特征

一、前言人们最近发现,类似于热带云团的对流系统也会发生在中纬度地区。1980年Maddox把它命名为“中尺度对流复合体”(MCC)。中尺度对流复合体又称为中尺度对流复合系统(MCS),是八十年代气象上一个相当重要的发现。它的生命史比一般中尺度对流系统     

一次MCS过程的特征分析

对2010年9月7-8日江苏北部的中尺度对流系统(MCS)特征和暴雨过程进行了分析,应用卫星云图、热力和动力物理量诊断.结果表明:MCS是由若干个α和β中尺度对流云团组成,在MCS成熟阶段有一个逐渐发展成中尺度对流复合体(MCC)的过程;MCS出现在高温高湿对流不稳定的环境中,低层低涡的辐合和锋面的抬升作用为其提供了动力条件;强水中心与MCS云顶温度梯度最大值中心相对应,为暴雨落区预报提供了着眼点.     

黄河中游地区中尺度对流系统的统计特征

利用2005—2014年逐时FY-2E卫星资料、实况观测资料和NCEP再分析资料,采用统计方法对黄河中游地区中尺度对流系统(MCS)的特征进行了分析,包括中尺度对流复合体(MCC)、持续拉长状对流系统(PECS)、β中尺度对流复合体(MβCCS)和β中尺度持续拉长状对流系统(MβECS)等4类。结果表明:(1)甘肃中南部、山西中南部和陕西中北部以及蒙、晋、陕3省(区)交界处为MCS高发区;一年内5—10月均有形成,夏季更易发展成熟,MCC和MβECS是该区影响夏季降水的主要MCS。(2)MCS具有明显的日变化特点,多成熟于午后或傍晚到次日凌晨;大多数MCS表现出生成快、消亡慢的特点,其移动方向以偏东和偏东南方向为主,且圆形状的较拉长状的移动少。(3)圆形状的MCS的平均TBB较拉长状的低,其中MCC发展最旺盛、强烈,且8月最强,而MβECS的发展受季节影响不大。成熟时的平均离心率,MCC和PECS较美国的偏大;与黄河下游地区相比,MCC偏大,PECS则偏小。(4)MCS造成的降水特征复杂,地域差异明显,多个合并后的对流系统造成的降水范围更大、强度更强、持续时间更长;暴雨主要出现在左后象限,最大雨强出现在成熟阶段,一般50 mm·h~(-1);生成于不同区域、不同类型的MCS,其雨区和云区面积比的差异较大。(5)MCS具有明显的年际变化特点,其中最多年2011年和最少年2009年的环流形势表现出几乎相反的特点,除与副热带高压、500 hPa中纬度位势高度距平、低层暖湿气流输送和聚集等有关外,还与500 hPa冷涡活动密切相关。     

夏季黄河下游地区中尺度对流系统的气候特征分布

利用1996~2008年逐小时卫星资料、NCEP再分析资料及统计方法, 研究了位于黄河下游地区的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System, 简称MCS)的气候特征, 其中包括中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex, 简称MCC)、持续拉长状对流系统(Permanent Elongated Convective System, 简称PECS)、β中尺度对流复合体(Meso-β Scale MCC, 简称MβCCS>)、β中尺度持续拉长状对流系统(Meso-β Scale PECS, 简称MβECS)4类。结果表明:MCC和PECS是黄河下游地区影响夏季降水的主要MCS, 其中7月份MCC最多, 并且MCC的数量明显大于PECS;与发生在美国的MCS比较, 发生在黄河下游地区的MCC和PECS在成熟期的面积和平均偏心率较大、生命史较长, 但MβCCS和MβECS的生命史较短、平均偏心率变化不大;黄河下游地区PECS表现出成熟较快和消亡较慢的特征, 其最低相当[A1] 黑体温度 (BlackBody Temperature, 缩写为TBB) 平均值为-72℃, 比MCC低1℃左右, 生命史比MCC长0.9 h;在MCC的形成、成熟及消亡期, 其日循环特征均表现为明显的双峰特征, 而PECS却呈现出单峰特征;黄河下游地区MCC的发生时间主要集中在2个时段, 一个是在下午形成, 傍晚成熟, 凌晨消亡, 另一个则在后半夜形成, 凌晨成熟, 上午甚至中午才消亡;MCS具有明显的年际变化特点, 在MCS较少的1999年, 500 hPa的副热带高压偏南, 华北地区位势高度较常年明显偏高, 而在MCS较多的2001年, 副高异常偏强, 华北地区位势高度较常年明显偏低, 850 hPa上为一低压槽, 黄河下游地区主要受副高边缘的西南气流影响。     

东北地区一次短时大暴雨β中尺度对流系统分析

为了探寻东北短历时暴雨的预报线索,利用自动站、卫星和常规气象观测资料相结合的方法,研究2006年8月10日最大1 h雨量达到90.8 mm(泰来,其中,后半小时降水82 mm)的东北中西部百年一遇短历时特大暴雨中尺度对流系统(MCS)发展过程,及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制.通过红外卫星云图和高分辨率的可见光云图,分析MCS如何从一个γ中尺度发展为α中尺度对流复合体(MCC)的过程.分析表明,与6个市(县)半小时雨量超过33 mm相关联的MβCS分别发生在2个阶段,第1阶段在MCC形成之前,MβCS主要向东移动(最后合并成MCC),第2阶段,在MCC成熟阶段.MpCS出现在MCC的西南边缘,而且最强短历时暴雨就发生在这里.从分辨率更高的可见光云图上可以发现,有北、西两条积云线,它们交汇的地方MβCS强烈发展并产生暴雨.分析MCS加强和产生暴雨的原因表明:(1)暴雨发生前夕暴雨区域具有高温、高湿和对流性不稳定层结,并存在明显的对流有效位能增加、抬升凝结高度及自由对流高度降低的现象,有利于暴雨发生;(2)β中尺度云团之间的合并,使MCS迅速发展,产生暴雨;(3)北、西两条积云线分别与地面风场中的两条辐合线相对应,在它们交汇处的较强辐合导致β中尺度云团强烈发展产生暴雨.分析MCS在MCC西南方向传播的原因表明,两条辐合线的移动方向和速度决定了暴雨MCS的传播方向.另外,偏北气流的出现和新老云团的新陈代谢过程是触发暴雨的关键因素.上述分析结果也为短历时暴雨的预报提供了有用的线索.     

东北冷涡底部一次MCC暴雨动力热力特征分析

利用常规气象观测资料、自动气象站降水量以及NCEP再分析资料,对东北冷涡背景下黑龙江省2019年7月16日暴雨过程成因及中尺度特征进行诊断。结果表明:2019年7月16日黑龙江省先后受中尺度对流系统(MCS)和中尺度对流复合体(MCC)活动影响,形成2个暴雨区。MCS和MCC云团均在内蒙古生成后移入黑龙江省,由于对流不稳定性增强及锋生作用而发展增强,并沿辐合线自西向东移动。降水期间冷涡底部的对流层高层存在一支源于高纬地区高动量的干侵入气流。MCC引发的暴雨过程中,大气低层强对流不稳定,中层湿对称不稳定,地面辐合线及锋面锋生的抬升作用,促使不稳定能量释放。在雷达反射率因子图上MCC表现为大范围混合云降水回波,其中有超级单体活动。MCC发展的环境场较MCS而言,中低层气旋涡度更大,高层辐散更强,即高层具有更强抽吸作用,导致更强的上升运动。MCC发展过程中中低层环境风显著增大,具有更大的水平风垂直切变,中尺度对流云团更具组织性。     

我国中东部地区夏季MCS统计分析

目前较详细的中尺度对流系统(MCS)分类普查研究还较少.文章使用我国风云2号地球静止卫星红外数字图像资料分类普查了2008-2010年夏季(6-8月)我国中东部地区(27°～40°N、110°～124°E)中尺度对流系统时空特征.根据尺度大小将MCS分类为α中尺度对流系统(MαCS)和β中尺度对流系统(MβCS),又根据MCS形状将MαCS分类为中尺度对流复合体(MCC)和持续拉长状对流系统(PECS),MβCS分类为β中尺度对流复合体(MβCCS)和β尺度持续拉长状对流系统(MβECS).3年夏季共识别了208个MCS,其中68个MαCS和140个MβCS,拉长状系统居多,占MCS总数79.3％,这表明拉长状的MCS是该区域夏季的主要对流系统.从月际变化来看,7月最多,8月次之,6月最少.大部分MCS移动路径自西向东,少数为自南向北或自北向南的移动路径,自东向西的路径极少.MCS形成高峰时段为9-10 UTC(世界时),成熟高峰时段为10-11 UTC,消散高峰时段为12-13 UTC,生命史约为6.5h.MαCS从形成到成熟需3～4 h,成熟至消散需4～5 h;MβCS发展和减弱时间相当,为2～3 h.     

夏季江淮地区中尺度对流系统的统计特征分析

利用2007—2013年6—8月FY-2D逐小时相当黑体温度(TBB)资料,普查了夏季我国江淮地区的中尺度对流系统(MCS)个例。根据MCS的组织形式将其分为中尺度对流复合体(MCC)、持续拉伸状对流系统(PECS)、β尺度中尺度对流复合体(MβCCS)和β尺度持续拉伸状对流系统(MβECS),并对各组织形式MCS的统计特征做了对比分析。结果表明:夏季江淮地区带状MCS发生的频次明显高于圆状MCS,占62.2%;7月份MCS个例数最多,而6月份MCS成熟时平均面积最大;整个夏季,MCS成熟时平均最低云顶温度约为-76℃;MCS多形成于午后14—17时,成熟于17—19时,18—23时均为MCS易消散时段,具体到各类型,其日变化特征又有所差异;影响江淮地区的MCS多生成在陆地上,海上个例很少,有向东、东北和东南3个主要移向,共占73.1%,移动1~5个经纬距的MCS所占比例最大,为64.6%,MCS的移动距离与其生命史长度密切相关。     

中尺度对流系统与东北暴雨的关系

利用2005-2007年6～8月FY-2C卫星逐30min红外云图资料,对东北及其邻近地区中尺度对流系统（包括椭圆型（MCC型）和持续拉长型（PECS型））进行普查分析,并把中尺度对流系统（MCS）分成3种尺度：MCC（或PECS）、MαCS和MβCS,统计分析了它们的时空分布及其与暴雨的关系。结果表明,MCS主要分布...     

冷涡背景下MCS的统计分析

文章首先给出冷涡的定义,根据冷涡的定义识别出冷涡,2005—2011年4—9月7年共识别出60个冷涡,主要形成在蒙古和我国的东北地区。然后根据中尺度对流系统(MCS)的标准按尺度大小将MCS分类为α中尺度对流系统（MαCS）和β中尺度对流系统（MβCS）,又按MCS的形状将MαCS分类为中尺度对流复合体（MCC）和持续拉长状对流系统（PECS）,MβCS分类为β中尺度对流复合体（MβCC）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。利用FY 2C(2005—2009年)和FY 2E（2010—2011年）的TBB资料对60个冷涡背景下的MCS进行识别并对其时空分布特征及其与冷涡的关系进行统计分析。结果表明：(1) 60个冷涡过程识别出61个MCS,MCS通常产生在我国东北和华北,MCC和PECS生成较分散;MβCC主要集中在华北和东北地区;MβECS主要集中在东北地区。(2) 6月生成的MCS最多,有16个,9月最少。MCS大多形成于当地的下午和晚上,此时对流发展旺盛,有利于中尺度对流系统的产生,到了夜间MCS发展成熟,至凌晨—日出时分消散。(3) 冷涡背景下的MCS的移动路径多数是从西向东偏北的,其生成后主要向东移动,这和我国中纬度西风带天气系统的移动路径基本一致,但由于受冷涡等天气系统的影响,会出现不同的移动方向。位于冷涡东侧且距离冷涡中心距离较近的MCS有向东偏北方向移动的趋势;位于冷涡南侧且距离中心较远的MCS有向东偏南方向移动的趋势。(4) 冷涡背景下的MCS主要产生在冷涡的发展阶段,成熟和消散阶段相对较少。(5) 冷涡背景下的MCS主要形成在冷涡的东南部,西南部也有一小部分。(6) MβCS系统发展较MαCS系统快,持续的时间也较MαCS短。     

一次强降水的多普勒天气雷达回波分析

利用多普勒天气雷达产品结合其他气象资料,对2004年6月22～24日湘西北地区由中尺度对流系统MCS、中尺度对流复合体MCC引起的暴雨、大暴雨的回波特征进行了较为细致的分析,结果表明：MCS、MCC所造成的大范围暴雨、大暴雨的基本反射率因子一般为30～50dBz,而且长时间维持在同一地区;在基本速度图上,暴雨、大暴雨区往往与大速度区相对应,有的地方还存在“逆风区”,它可以作为暴雨预报的一个判据.     

中纬度α中尺度对流复合体的β中尺度的发展

和α中尺度对流复合体(Mesoscale Co-nvective Complex,缩写为 MCC)联系的β中尺度的时空特征,已被综合成一个生命史概念模式(Conceptual lifecycle model)。这个模式将作为一个工具,有效地用于改进MCCs 的短期预报。这个模式包括与 MCC的卫星云图形状有关的降水分布的特征模式。每个 MCC 都是多个β中尺度对流串在先,这对流串是沿着α中尺度特征线排列的。这个特征在每小时地面和卫星资料上表现很明显。MCC 的增长集中在这些β中尺度串地方,这些β中尺度对流串沿着α中尺度特征交接线排列,且离交接线最近。在 MCC的整个成熟阶段,多个β中尺度对流在扩展的砧状降水区内持续活动,系统的衰减标志是β中尺度对流的减弱和传播扩散移走。曾用独立个例和这个概念模式做了简要对比。     

我国南方MCC的涡度、水汽和热量收支平衡

采用合成分析方法 ,将我国南方中尺度对流复合体的生命史划分为 7个子阶段 ,详细探讨MCC演变过程中的涡度、水汽和热量收支平衡演变特征 ,着重分析了中小尺度系统在MCC过程中的作用。结果表明 :( 1)在MCC过程中 ,中γ尺度和中 β尺度系统活动是引起涡度不平衡的重要原因。( 2 )在MCC初始阶段有中小尺度对流系统消耗MCC的水汽、热量而积极活动 ,造成MCC的视热汇、视水汽汇。成熟阶段的源区域表明有中小尺度系统的活动造成MCC的视热源、视水汽源 ,这是MCC具有长生命史的原因。MCC后期 ,中小尺度对流系统活动造成的视水汽汇和视热汇 ,与有利的大尺度天气条件的逐渐消亡 ,使MCC渐渐消失。 ( 3 )MCC的形成和启动受大尺度环境场的控制 ;一旦MCC开始活动 ,对流层低层、中层的中尺度对流系统活动对MCC的发展与持续过程有十分重要的作用 ;在MCC前期 ,中小尺度对流活动消耗MCC的总能量而启动 ;在成熟阶段中小尺度对流活动释放总能量造成了MCC的长生命史 ;MCC后期 ,大形势发生改变 (如位势不稳定度的变化等 ) ,积云对流活动和(或 )中尺度对流活动的作用与大尺度形势趋势一致 ,致使MCC消亡。 ( 4 )在MCC前期 ,潜热释放是主要加热因子 ;而后对流垂直输送水汽和热量的作用比对流凝结加热的作用大。     

2007年梅雨期副热带高压进退特征与对流系统演变

利用NCEP2.5°×2.5°再分析资料和FY-2C的空间分辨率为0.1°×0.1°、时间分辨率为1h的TBB资料,分析并描述2007年梅雨过程中西太平洋副热带高压进退过程以及在有利的大尺度背景场下副高北侧中小尺度对流系统的演变特征,并具体分析江淮流域一个中尺度对流系统(MCS)的初生、发展和消亡过程。结果表明:TBB资料可较好地描述西太平洋副热带高压北抬及西进和东退、中断特征,及其强度和位置;当年6月29日至7月10日位于副高北侧、影响江淮流域的降水过程有4次,每次过程包含1～3个中尺度系统生消过程,中尺度对流系统不断生成发展导致当年梅雨期区域性暴雨和大暴雨;MCS个例由两个发展起来的β中尺度深对流系统合并而成,合并后MCS原地停留8h,与活跃于美国中部的中尺度复合体(MCC)外形有相似特征;TBB230K的区域与降水区对应,强降水区与TBB为210～220K的区域对应。     

华南前汛期MCS的活动特征及组织发展形式

利用卫星云图Tbb资料、常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,按照Jirak对中尺度对流系统(MCS)的分类方法,将华南MCS分为MCC(中尺度对流复合体)、PECS(线状或长条状MCS)、MβCCS和MβECS(即β尺度的MCC和β尺度的PECS)4种类型,对华南前汛期MCS的时空变化特征、发生发展的组织形式和天气学背景进行了分析。结果表明:PECS是华南地区MCS的主要发展形式。4—6月MCS的发生个数逐月增多。MCS的日变化呈单峰型,主要集中于下午到上半夜形成,傍晚到半夜之间发展成熟。但具体到不同的4种类型,其日变化特征有一定差异。MCS活动分布特征与地形没有明显对应关系,全区都可有PECS发生。MCS主要以东移为主,其次的移动方向4种不同类型分别略有不同。MCS的发生发展有3种主要天气形势:500 hPa槽前西南风场型、850 hPa切变线南侧的西南风场型和地面低槽配合的Ⅰ型;500 hPa西北风场型、850 hPa切变线型和地面低槽配合的Ⅱ型;500 hPa西风槽过境型、850 hPa切变线南侧的西南风场型和地面低槽配合的Ⅲ型。孤立发展和合并增长是华南MCS的主要组织发展形式。     

云南及其周边地区中尺度对流系统时空分布特征

依据卫星云图红外辐射亮温资料 (TBB) ,对云南及周边地区中尺度对流系统 (MCS)进行了统计分析 ,获得了该地区MβCS ,MαCS和MCC的时空分布特征。结果表明 :MCS多发生在低纬度高原东部的滇黔和中越之间 ;平均每年 6～ 8月为MCS主要发生时段 (占总发生次数的 6 7.1% ) ,MCS特别是MαCS和MCC发生频率最高的是 6月 ,其与季节性变化 (东亚季风和印度季风爆发 )和下垫面加热易形成空气热对流有关 ;低纬高原地区MCS除了 18～ 2 3时有 1个高峰发生时段外 ,0～ 7时还有 1个次高峰发生时段 ,这与中国其他地区有明显的不同 ,说明高原地区的MCS还具有地域特点。另外还对MCS的移动路径进行了分析。     

500hPa反气旋环流下滇中暴雨中尺度云团分析

利用GMS-5水汽图像,结合红外云图、micaps资料,对发生于2001年8月13日20时至14日20时500hPa反气旋环流天气背景下的滇中暴雨中尺度云团分析。结果表明：有明显中尺度结构、在红外云图和水汽图像上都白亮的区域是产生强降水的区域;由中尺度强对流系统(MCS)发展成为中尺度对流复合体(MCC),MCC的发展和维持,是直接造成此次暴雨的中尺度系统。物理机制上,高能高湿的潜在不稳定能量的聚集、垂直风切变的存在,是利于暴雨中尺度对流云团发展的有利环境条件,暴雨落区正好集中于(θε陡立密集区;温度平流和非地转湿Q矢量与湿Q矢量散度的进一步分析表明：次级环流导致扰动的不稳定发展,使低层水汽辐合抬升,引起中尺度对流云团发展和加强,是MCC生成的主要机制。     

豫西南一次局地大暴雨中尺度对流系统的结构特征分析

利用FY静止卫星资料、多普勒雷达监测及四维变分(4DVAR)反演产品、区域自动站和常规观测资料、NCEP分析资料,对2011年8月16日淮河上游副热带高压(简称副高)边缘MCS的结构、演变规律及形成原因进行研究。结果表明:卫星监测的中尺度对流系统(Mesoscale convective system,简称MCS)形成于副高边缘切变线附近,扩散南下冷空气触发高对流不稳定能量释放是系统形成发展的主要机制。对流系统的发展演变可分为四个时期:对流系统初生期、β中尺度对流系统(简称MβCS)合并发展期、圆形α中尺度对流系统(简称MαCS)旺盛期和减弱衰亡期,前三个阶段是产生强降水的主要时期。卫星监测的MCS初生期在雷达上表现为单体和多单体风暴,后三个时期则多表现为β和α中尺度对流系统,成熟期在雷达上表现为带状对系统。对流系统在低层辐合线附近发展,辐合区合并造成对流系统合并,进而造成MCS爆发性发展和降水强度的增加,边界层气旋式旋转气流使冷云罩具有圆形特征。对流系统的垂直辐合辐散层及正负涡度层均呈交替分布特征,高层辐散和垂直上升运动相对弱。低层辐合区的宽度与系统的水平尺度有关。地面冷暖气流交汇及地形辐合线具有重要的对流触发作用,地面气流汇合和豫西中尺度地形对降水落区和中心强度均有影响。     

长江流域雨季中尺度对流系统研究——国家自然基金重点项目(40930951)成果简介

长江流域产生暴雨的中尺度对流系统(Mesoscale convective systems,MCS)是雨季强降水的重要影响系统,深入研究它的组织结构、活动规律及其发生发展机制,对提高暴雨的预报能力有重大意义。近3年来依托国家自然基金重点项目对中尺度对流系统展开了一系列研究,包括对长江流域产生暴雨的MCS进行组织形态分类、分析了不同线状MCS的结构特征、合成分析了各线状MCS产生的环境条件;我国三阶地形对降水的影响,尤其是山地—平原环流对梅雨锋夜间降水的影响;中尺度地形对对流降水的影响;湿斜压热动力耦合强迫激发MCS发生发展的影响;最后总结了长江流域产生暴雨的MCS的物理概念模型。