青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程.结果表明,高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力.高分辨率模拟输出显示"9.18"绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴,且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6 h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团.模拟还显示受高原地形影响,该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构.其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展,热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量,中层具有斜压不稳定能量.中尺度对流系统具有两支上升入流和两支下沉出流,低层入流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放,中层入流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放,两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展,形成绵阳大暴雨.     

一次湖南暴雨过程β中尺度系统分析与模拟

利用常规观测资料、卫星观测的高时空分辨率TBB资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2010年6月19-20日湖南一次大范围暴雨过程β中尺度系统活动特征进行了分析,并利用中尺度模式WRF对暴雨过程进行了数值模拟研究。结果表明:(1)在有利的大尺度环境条件下,存在多个β中尺度系统,主要强降雨团与地面中尺度辐合线活动相联系。(2)卫星资料分析显示,该β中尺度系统首先在α中尺度对流云团前部生成,新的β中尺度系统总是在母体对流云团前被激发出来。(3)模拟输出的高分辨率资料分析结果与观测实况相一致,β中尺度系统首先在天气尺度低涡的前部生成,并有多个β中尺度系统同时活动;在中尺度系统活动过程中,β中尺度系统向下游传播,并存在合并现象。(4)强烈发展的β中尺度系统具有从地面延伸到200 hPa以上的正涡度柱,并配合中低层辐合和高层辐散的散度结构。     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

2001年8月初上海强暴雨中尺度对流系统的数值模拟研究

利用NCEP的ETA模式对 2 0 0 1年 8月 5～ 6日导致上海地区产生大暴雨的中尺度对流系统的发生发展过程进行了数值模拟。模拟结果基本再现了对流云团加强合并形成中尺度对流系统的过程 ,所模拟的降水分布、最大降水中心位置与实测结果基本一致。模拟结果还显示其中的一个中尺度对流系统是由于位于其西南部的一支低空急流的直接流入才发展起来的     

华南“94·6”特大暴雨的中尺度对流系统及其环境场研究 Ⅰ.引发暴雨的β中尺度对流系统的数值模拟研究

选取1994年6月12日~13日的过程,在确定云雨、垂直运动的模拟基本正确的基础上,利用模式输出资料对β中尺度对流系统的结构进行分析研究。结果表明:低层的水汽辐合很强,并且出现在对流发展前2~3h,有利于对流的启动;随着对流系统的发展,最大的垂直运动向上扩展,饱和层和中性层也不断向上伸展,对流层中层的中性层结既是对流发展的结果,也可能是其维持机制之一;强对流系统发展较强时,低层(600hPa以下)是辐合,而中高层为高压辐散气流,高层的辐散气流对对流系统的发展、维持有一定的作用;系统发展最强时垂直方向是两个模态,发展和衰减阶段一般为多个模态;强对流系统发展的环境风场为低层有西南、东南和北风三支气流辐合,而高层以偏北风为主;切变线上对流系统的降雨量有3h左右的周期变化。     

一次冷涡暴雨的中尺度对流云团分析及数值模拟研究

利用MM5模式对2000年8月发生在河北省的一次暴雨过程进行了模拟,发现本次过程是由蒙古东部的低涡与副热带高压共同作用形成的,而局地大暴雨的直接原因是中尺度对流云团的作用。中尺度对流云团形成前期有一个能量急剧积累的过程。通过改变地形、低层东南风大小的敏感性试验,发现这次暴雨虽然发生在河北东部,但华北西部、北部的地形对暴雨影响很大:当降低地形高度后,雨区的位置和强度都发生变化;减弱低层东南风后,蒙古东部冷涡的强度和移动速度都有不同程度的改变,并且层次越低影响越明显。     

华南暖区一次暴雨中尺度系统的数值模拟

为深入了解华南暖区暴雨产生的机制, 首先利用观测资料和卫星云图对2005年5月9日华南暖区一次暴雨过程进行天气分析, 然后利用MM5V3.6数值模式对该次暴雨过程进行了模拟, 利用模拟的输出结果分析了中尺度系统的结构特征和成因。结果表明, 这次华南南部暖区的暴雨区出现在低空急流出口区左侧的辐合区与高空急流入口区右侧的辐散区相迭置的区域; 中尺度对流云团是暴雨的直接影响系统, 系统中心上空偏南气流强烈垂直上升与在系统以南对流层高层下沉的气流构成垂直闭合反环流, 低层气流风速辐合对暖区暴雨系统的形成和发展起决定性的作用。较大的螺旋度可能是暖区暴雨及其中尺度系统发生、 发展的一种重要机制, 可用来判断降水系统的形成和移动。     

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。     

2005年6月广东一次暴雨过程的中尺度对流系统的数值研究

2005年6月20～21日,一个活动在锋前暖区的长生命史的中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）给广东地区带来一次大范围的暴雨降水过程。天气学分析表明,从北部湾指向广西东部的低空急流核前方的水汽通量辐合对MCS初始的发展加强有重要作用。作者利用MM5模式成功地模拟出与此MCS相联系的天气尺度背景场和中尺度的降雨分布,利用高分辨的模式输出结果分析了成熟阶段MCS的β中尺度系统的结构和演变特征,结果表明: （1）在MCS的发展加强过程中,其内的β中尺度对流中心经历了此消彼长的更替过程,伴随着β中尺度对流中心的发展,与之相联系的正涡度中心由对流层的下部向中上部伸展,形成高达300 hPa 附近的下宽上窄的强涡柱;在成熟阶段,沿系统移动方向上的对流层中部的涡度场呈正负相间,宽约50 km,且与对流带近于平行的带状分布。（2）MCS的海平面气压场呈跷跷板型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内。（3）成熟阶段MCS的β中尺度环流特征主要包括:强对流区内是一支近于垂直的深厚的对流尺度的上升流,紧接在其后方的对流层下部有一支对流尺度的下沉气流;系统前部有深厚的入流,其中较强的两支入流分别出现在900 hPa和300 hPa高度附近;层状降雨区内有中尺度的上升气流和下沉气流,二者的分界线在0℃层高度附近;对流层下（上）部强大的水平辐合（散）流中最大的水平辐合（散）约出现在900 hPa（200 hPa）。     

一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究

1998年5月23～24日在珠江三角洲地区发生的特大暴雨过程是华南暴雨试验(HUAMEX)加密观测期间的一个典型个例,卫星云图与降水分布表明这是锋面附近与锋前暖区发生的两个中尺度对流系统(简称MCS)造成的强降水。使用非静力原始方程模式MM5较为成功地模拟了这次暴雨过程。根据数值模拟的结果,本文着重分析了发生在锋面上和锋前暖区的两类MCS的中尺度特征,并探讨了这两类MCS的差别。结果表明,两类MCS具有某些共同的中尺度特征,即对流系统的底层和顶部分别存在β尺度的低压和高压中心;低层流场辐合而在对流雨团的顶部辐散出流;对流系统内部具有暖心结构等,但锋面上的MCS较暖区中的对流系统具有更强的斜压性;二者内部的流场与三维运动结构也具有不同的特征,来自西南和偏南方向的空气从底部流入锋前暖区MCS时受到中低压的气压梯度力作用而加速;而锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气,而且还有来自锋后的冷空气参加对流。MCS高空反气旋式发散气流和空气的加速运动反映出MCS顶部存在中尺度高压及向外的气压梯度力,轨迹分析也证明了MCS上空气流的这种非地转特征。     

中尺度西南涡、切变线对“07.7”贵州西部暴雨影响的分析与模拟

2007年7月30日贵州西部出现了大范围的强暴雨过程,本文分析了这次暴雨过程的云团特征和环流形势,并利用PSU/NCAR的MM5中尺度数值模式对这次暴雨过程进行了数值模拟,重点研究这次暴雨发生、发展和移向的物理机制。结果表明:这次暴雨过程与中尺度云团、中低层西南涡、切变线、南支槽和中低空急流活动密切相关,同时还与西太平洋副热带高压活动相关。位于四川东部至重庆西部的西南涡、切变线出现在中低空急流的西北侧或西侧,而贵州西部强降水发生在西南涡、切变线南侧与急流交汇处。高、低空正涡度中心在贵州西北部地区上空的叠加、耦合是该西南涡、切变线持续发展的主要物理机制,为暴雨的发生提供动力条件。垂直上升运动是中低空急流和西南涡联系的纽带,也是西南涡动力驱动的结果。西南涡、切变线和中低空急流在暴雨出现前建立,而暴雨、中低空急流和西南涡、切变线几乎同时南移减弱,预示贵州西部暴雨即将结束。     

一次华北地区西南涡暴雨的数值模拟分析

采用WRFV3.01模式对2010年7月18—20日发生在华北地区的西南涡暴雨过程进行了模拟与分析。结果表明:这次西南涡暴雨主要降水机制是高低空急流的耦合。暴雨出现在低空急流的前方和高空急流的右后方;高空急流为强降水提供了高层的辐散场和高层的干冷空气,低空急流为降水区提供了充足的水汽和能量;这次西南涡降水有明显的暖锋降水性质。     

贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3.6模式对2004年5月29~30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟,模拟结果与实况基本一致。在此基础上,用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析,以解释强降水发生的物理机制。结果表明,这次降水是由多种尺度系统相互作用,高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的;高层辐散区发展、低层辐合加强,形成"抽气机"效应,低层正涡度和高层负涡度加强,垂直涡度发展,激发出次级环流;对不稳定性的分析表明,降水开始为对流不稳定能量触发,降水加强后对流不稳定层次降低,对流不稳定能量减弱;中层锋区附近θe面陡立,有倾斜涡度发展,继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展,降水加强。     

贵州一次大暴雨过程的中尺度数值模拟与诊断分析

利用三重嵌套的非静力中尺度数值模式MM5V3.5,对2005年5月31日至6月1日贵州省发生的一次大暴雨天气过程进行数值模拟,并利用模拟结果对该过程进行诊断分析。结果表明:模式较好地模拟这次大暴雨过程,并对与暴雨过程相关的中尺度系统的发生发展做出了较成功的模拟,此次过程中,西南涡是造成大暴雨的主要影响系统。对中尺度系统的模拟表明:强降水与强上升运动区及正涡度区有很好的对应关系,低层辐合、高层辐散、西南低空急流、垂直运动增强等是此次暴雨维持和发展的重要机制之一。强降水与水汽辐合的大值密切相关,降水的强弱与辐合的强弱变化一致。     

一次非典型梅雨锋暴雨过程及其中尺度系统的数值模拟

利用常规观测资料\, 卫星观测的高时空分辨率TBB资料以及客观分析资料, 对2002年6月22~23日(“02.6”)一次非典型的梅雨锋暴雨过程进行了天气分析。在此基础上, 利用中尺度数值模式MM5对此次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟, 并分析了暴雨中尺度系统的结构特征。结果表明： （1）天气分析显示, “02.6”梅雨锋暴雨过程与α中尺度低涡的东移发展和对流层低层的两支低空急流的增强发展有关。对流层低层700 hPa为一个缓慢东移与南压的东北西南向冷式切变线, 暖式切变线不太明显, 这与通常的江淮切变线梅雨锋暴雨不同。对流层500 hPa的副热带高压非常强, 高层200 hPa对流层高层的反气旋环流非常强并与高空急流相伴, 南亚高压中心位于我国江南地区。（2）TBB资料分析表明, 此次暴雨过程产生与多个β中尺度系统合并发展成α中尺度系统以及此后从α中尺度系统中不断分裂出β中尺度系统发展演变密切相关; 强中尺度对流系统主要在中尺度低涡冷、 暖切变线的的南侧发生和发展, 并不是在中尺度低涡的冷暖切变线上发展。（3）垂直结构分析显示： 在中尺度系统开始发展阶段, 中尺度系统具有强的垂直于剖面的风分量切变、 低空急流核以及高空强辐散低空强辐合, 这有利于中尺度系统的发展; 当中尺度低涡发展到相对成熟的阶段, 其后部不断分裂出中小尺度系统, 对流层低层的θe具有明显暖心结构, 由于气块绝热上升冷却效应比对流潜热释放作用强, 导致在800~600 hPa层上 θe比环境的低, 加之在强上升运动的顶部两侧的下沉补偿气流也比较弱, 这不利于中尺度低涡的维持。     

湖北梅雨期暴雨的中尺度系统及其模拟分析

利用武汉多普勒雷达和武汉暴雨所AREM模式资料,分析了湖北省2005年梅雨期的一次暴雨过程。结果表明,暴雨发生在条状回波带变宽的时候,位于2 km上空切变线附近的中尺度气旋中,表现为强对流单体回波;强降水发生时,对流系统中有两个强上升运动中心,分别位于300 hPa和600hPa附近,低层辐合、高层辐散的分布对上升运动的维持是有利的;环境风场并不能很好地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;暴雨形成过程可概括为低层切变线东移诱发出地面低压,产生垂直上升运动迅速增加,配合丰沛的水汽输送和高不稳定能量释放。     

江苏一次突发暴雨的数值模拟

采用中尺度WRF模式（WRF3．4）和WRF-3DVAR系统,同化GTS常规观测资料和GPS反演的探空廓线资料,对2012年8月10日发生在江苏东北部地区的一次突发性特大暴雨进行数值模拟,并利用高分辨率的模式输出数据对此次暴雨过程进行多尺度分析和对流不稳定性研究。结果表明：模拟结果较好地再现了此次过程;台风低压和中纬度槽脊系统相互作用,中低层弱冷空气扩散和高、低空急流耦合为此次暴雨过程提供了有利的大尺度背景;地面中尺度辐合线和迅速发展的β中尺度对流系统（M8CS）是直接导致此次局地突发性暴雨的中尺度系统,地面中尺度辐合线的位置和暴雨的落区基本一致,M8CS的强烈发展对应于暴雨的最强阶段;暴雨发生前和暴雨发生时,对流系统中等日。线密集而陡峭,不稳定能量的突然性释放造成αθ／Oz迅速减小,口。垂直剖面呈伸向低空的“漏斗状”分布,有利于垂直涡度和对流不稳定发展。     

一次与西南低涡相联系的低空急流的数值研究

梅雨期西南低涡的东移发展与长江中下游降水的加强有密切关系,作者采用中尺度模式对一次西南低涡及其伴随低空急流的发展演变进行了数值模拟.模拟结果表明:在长江中下游大巴山地区低空急流先于西南涡东移发展;西南低涡及低空急流的生成发展在开始阶段与中层(400 hPa)的弱辐散密切相关;南风分量在西南低空急流的演变发展过程中起着更为主动的作用;南风分量增大中心位于南风分量中心的前方,促使南风分量中心东移;南风分量的动量方程收支分析表明水平平流项和产生项是促使南风分量变化的主要作用项,水平平流项和垂直平流项大部分相互抵消,科里奥利项的作用不可忽视,而其他项的值较小,在个别阶段和地区行星边界层项的作用在低层也较大.     

2009年7月6日山东暴雨的中尺度分析

利用卫星、自动站、加密雨量站等资料,对2009年7月5—6日山东暴雨过程进行天气动力学分析,重点是分析其中尺度特征。结果表明：本次降水过程是在有利的天气尺度环流背景下产生的,副热带高压西侧源源不断的水汽输送至暴雨区;高层强辐散与中低层强辐合以及强上升运动为中尺度对流系统的发生发展提供了有利的动力条件;强降水主要发生在对流云团发展到强盛时期,可用云顶亮温变化来监视云团发展;水汽通量的强辐合是降水的中尺度对流系统发生发展的重要条件之一。     

山西中部一次罕见暴雨的中尺度特征分析

利用地面常规资料、高空探测资料和GMS红外卫星云图资料,对2001年7月26~27日发生在山西中部的一次区域性暴雨的中尺度特征进行了诊断分析,结果表明:①此次降水是由河套西侧高空槽云系不断发展、东移,其尾部与强大的冷锋云系合并造成的,而冷锋云系中新生、发展的中β尺度暴雨云团是造成这次暴雨的直接系统;②此次暴雨过程,地面能量场表现为Ω型,且存在中尺度辐合线和中反气旋,中尺度雨团产生在辐合线北侧和中反气旋东南侧之间,辐合区与高能舌叠合,辐合区内存在较强的上升运动,是触发不稳定能量释放,产生暴雨的重要动力机制;③湿Q矢量锋生函数分布表现出明显的中尺度特征,强锋生中心位于中β尺度暴雨云团的东南侧,这是触发该暴雨云团迅速发展,产生暴雨的重要启动机制。低层暴雨中心的湿Q矢量锋生函数与降水量有滞后6 h的正相关关系。