"0907"长江下游梅雨锋暴雨的数值模拟和诊断分析

利用常规观测资料、卫星TBB资料以及客观再分析资料,对2009年7月6—7日(简称"0907")的长江下游梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟和天气分析,重点研究了中尺度系统的发生发展机制。结果表明:7月6—7日对流层低层,长江下游北侧存在的一次天气尺度低压,其发展和东移,促使锋生加强,低空急流发生。WRF中尺度模式数值模拟结果显示,在次天气尺度低压的南侧不断形成β中尺度和γ中尺度对流系统。对其中一个β中尺度对流系统的分析研究表明:低空中尺度急流和中尺度辐合首先发生。之后中尺度辐散迅速加强。高层强辐散、低空中尺度急流核和中尺度低涡的相互耦合作用使系统不断发展并东移。高层相对干冷空气的侵入促使系统衰减消亡。     

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。     

近年来我国暴雨中尺度系统研究的某些进展

本文重点介绍了近年来我国气象学者对暴雨中尺度系统研究的某些进展,涉及有关暴雨中尺度系统及其触发机制、动力学、热力学、数值模拟、微物理结构、卫星云图和雷达回波分析问题,并分析了暴雨中尺度系统的研究前景.     

灾害天气国家重点实验室奥运气象服务

（1）奥运开幕式、闭幕式重要天气过程的分析和多模式预报。参加奥运天气会商的预报方法包括经典统计方法、动力统计方法及中尺度数值模式预报。其中中尺度数值预报模式有：GRAPES_Meso模式、AREMS模式、WRF模式及ARPS模式。此外,中尺度分析LAPS系统也参与了对中尺度系统的诊断分析。     

长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅰ：组织类型特征

利用2010年6—7月长江流域雷达拼图和观测资料,统计分析了长江中下游地区梅雨期中尺度对流系统的类型和活动特征。结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统发生个数比非线状中尺度对流系统发生个数略多,存在8类典型的线状中尺度对流系统:尾随层状降水中尺度对流系统(TS)、准静止后向建立中尺度对流系统(BB)、邻接层状单向发展中尺度对流系统(TL/AS)、前导层状降水中尺度对流系统(LS)、平行层状降水中尺度对流系统(PS)、断裂线状中尺度对流系统(BL)、镶嵌线状中尺度对流系统(EL)、长带层状降水中尺度对流系统(LL)。其中,有6类和已有的研究结果类似,EL中尺度对流系统和LL中尺度对流系统是长江流域梅雨期新统计的两类线状中尺度对流系统。TS、LS、PS和BL等4类中尺度对流系统是移动性的,TL/AS、BB、EL和LL类中尺度对流系统为移动缓慢相对静止的。线状中尺度对流系统平均持续时间大多数在7h以上,TL/AS和TS类持续时间较长。线状中尺度对流系统多形成在长江两岸附近,重庆北部至鄂西沿江地带、江汉平原地区、皖南和赣北地区、大别山地区是中尺度对流系统的多发地;中尺度对流系统移动路径分为东、东偏北、东偏南、南等4种,这与环境场的引导气流有关。长江中下游地区中尺度对流系统发展阶段日变化呈现多峰型特征,在成熟阶段的下午至夜间发生强降水的概率明显大于凌晨至上午。     

渤海西岸暴雨中尺度对流系统的结构及成因

利用卫星、雷达和加密自动站等监测资料,结合VDRAS系统资料和1°×1° NCEP再分析资料,对造成黑昼和暴雨的中尺度对流系统的空间、热动力结构特征和发生、发展及维持原因进行了分析。结果表明:2004—2009年渤海西岸圆形α-中尺度对流系统有别于南方,其中只有16%可发展为中尺度复合体;黑昼现象是影响系统的特殊性所致。突发性暴雨的制造者是α-中尺度对流系统西端不断新生的β-中尺度对流系统,其发生、发展、维持与边界层内冷池外流、对流层低层 (1.3~2.4 km) 侵入的西北气流与西南气流形成的辐合线或交汇线有密切关系。α-中尺度对流系统的上升速度中心在500 hPa附近,多个β-中尺度对流系统分别具有独自的垂直气流和弱边界层环流。α-中尺度对流系统内部扰动温度呈下负上正的垂直分布,促使了不稳定层结趋于稳定;冷池呈东厚西薄的楔形结构,有利于β-中尺度对流系统发展维持。     

京津冀“7·21”暴雨过程的中尺度分析

利用常规观测资料、地面加密自动站、卫星等多种观测资料和NCEP/NCAR 0.5°×0.5°再分析资料,以及雷达变分同化分析系统VDRAS的高分辨率分析场资料,对京津冀"7·21"暴雨过程的中尺度系统进行了分析。结果表明,在α中尺度雨带中镶嵌着β中尺度的雨团;α中尺度MCC后部不断有γ、β中尺度对流云团从西侧或西南侧合并补充;中尺度滤波后发现造成京津冀"7·21"暴雨的系统为低层的中尺度切变线,东移过程中加深为中尺度低涡扰动,中尺度切变或低涡位于对流层中低层(为近乎直立的正涡度柱),高层为辐散场(负涡度),但负涡度值与中低层正涡度值要小得多,说明主要是中低层的系统强;分析VDRAS资料同样发现对流层低层强辐合,存在中尺度涡度柱,其上方是中尺度反气旋,热力结构为上暖湿下冷湿。     

长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅱ：环境特征

利用2010年6-7月长江流域雷达拼图、各种观测资料和NCEP逐日再分析资料,合成分析了长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统的环境特征及典型个例.结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统环境风相对对流线分量的垂直分布是决定线状中尺度对流系统组织模型的重要因子.尾随层状降水中尺度对流系统和邻接层状单向发展中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层是从前向后,而前导层状降水中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层中低层为从前向后,至中高层转为从后向前,这3类中尺度对流系统平行对流线的风分量都随高度明显增加;尾随层状降水中尺度对流系统和前导层状降水中尺度对流系统对流层风垂直切变主要是垂直于对流线,邻接层状单向发展中尺度对流系统则主要是平行于对流线方向.平行层状降水中尺度对流系统和准静止后向建立中尺度对流系统对流层平行于对流线的风分量占绝对优势,且随高度增大,前者增大得更显著,垂直于对流线的风分量较小.7月8日邻接层状单向发展中尺度对流系统形成于地面冷锋北侧的高湿、不稳定的环境中;6月7日准静止后向建立中尺度对流系统形成于一个变化的高温高湿的地面环境场中.高温高湿环境是各类线状中尺度对流系统发展环境的共同特征.     

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。     

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

一个高空槽前中尺度对流系统发生发展过程和机制研究

2008年7月6日20时—7日14时,高空低槽前云系产生了一条从广西南宁市到环江县东西宽约80km、南北长达350km的暴雨带,槽前云系南段一个中尺度对流系统在上林县产生了降雨量达265.0mm的特大暴雨。使用常规资料和FY-2C卫星云图、多普勒天气雷达和自动气象站等非常规观测资料进行分析。当高空槽移过青藏高原后,从卫星云图和等熵面分析图上可以检测到槽后有干空气东南下,干空气经云贵高原下沉到桂西和越南北部后,在槽底附近转折向东侵入到桂中,在上林县附近形成一个中尺度涡旋和中尺度负变压中心,中尺度对流系统在中尺度涡旋及中尺度负变压中心上空发生、发展并产生了强降雨,而中尺度涡旋和中尺度负变压中心的出现超前于强降雨约2h。研究表明,中尺度对流系统发生、发展的有利条件是:(1)槽前偏南暖湿气流向桂中暴雨区输送充足的水汽并形成了位势不稳定,为中尺度对流系统的发生发展提供了环境条件;(2)在上林县附近形成的中尺度涡旋辐合上升运动抬升暖湿气流触发对流而形成了中尺度对流系统;(3)对流单体沿低空切变线传播发展并入中尺度对流系统,使中尺度对流系统得以发展和维持。给出了中尺度对流系统发生发展机制的二维概念模型。     

中小尺度天气系统(二)

三、中尺度天气分析 由于中尺度天气系统具有自己特点,因此在分析方法和资料的要求上,它与大尺度天气分析有所不同。在资料条件方面,中尺度天气分析要求时空分布更为稠密,质量更高。随着我国气象事业的不断发展,目前,在许多地区,地面测站的平均距离已达到50公里以内。这种资料的密度,基本上能够满足中尺度系统     

一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的分析

利用多普勒雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,对安徽省一次远距离台风暴雨中尺度对流系统的环流背景、内部结构及其演变进行了系统分析。结果表明:1)低层台风外围偏东气流的输送使得暴雨区增温增湿,进而增强中纬度大气的不稳定度;西风槽前的上升运动有利于暴雨区低层辐合的加强和垂直运动的发展维持。2)强降水过程主要由两个β中尺度对流系统造成,在暴雨区上空β中尺度对流系统的新生维持是强降水维持较长时间的重要原因。3)雷达回波和地面要素场上,强降水表现为两个β中尺度的对流系统的生成发展,中尺度对流系统锋生的原因虽各有不同,但对流的发展与地面中尺度辐合线和加强的中尺度低压有关。γ中尺度的强对流单体是造成局地降水峰值的直接原因。4)两段强降水的出现都表现出中纬度系统和台风外围气流的相互作用,低层冷空气的触发以及西风槽前暖湿气流的加强都会使降水有明显的增幅。5)雷达速度场上,β中尺度对流系统的加强和低层暖湿气流的加强紧密相关。γ中尺度对流系统的生成则是由速度场上小尺度的风速辐合造成。     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

河南省对流性暴雨云系特征与概念模型

利用2005—2010年FY-2C/E和MODIS卫星资料、A0报文、自动气象站降水资料及常规观测资料,修订了河南省对流性暴雨中尺度对流系统标准,统计分析了暴雨中尺度对流系统的活动规律和降水特征,初步建立了河南省典型对流性暴雨概念模型。河南省对流性暴雨中尺度对流系统主要包括新生对流云团、β中尺度对流系统、α中尺度对流系统及带状中尺度对流系统。对流性暴雨易产生于中尺度对流系统的发生、发展期,多发于中尺度对流系统云顶亮温低中心附近及后侧梯度大值区, 云系上云光学厚度高值区为中尺度对流系统发展潜势区。低槽 (涡) 切变型和低槽型过程中干冷气团对中尺度对流系统的发生、发展起触发作用;高压后部型与午后边界层辐射增温关系密切,能量锋、边界层辐合线是中尺度对流系统的触发系统;切变型过程中干线的作用较重要。河南省对流性暴雨中尺度对流系统多发展于山区附近,移动路径有东移、东北移和东南移型,高层云导风可为中尺度对流系统的移动发展提供预报信息。     

一次典型梅雨锋暴雨过程的多尺度结构特征

利用多种类型资料,对2009年6月29—30日引发鄂皖境内梅雨锋特大暴雨过程的天气形势和中尺度对流系统（MCSs）进行了初步分析,揭示了梅雨锋暴雨系统的多尺度结构特征,并用中尺度模式WRF对梅雨锋暴雨系统进行了9km三重双向嵌套大区域精细模拟,再采用Morlet小波变换对模式输出进行空间带通滤波,分离出α、β和γ中尺度系统,对不同中尺度系统的热力动力三维空间结构特征进行了研究。结果表明：梅雨锋特大暴雨由梅雨锋上多个不同尺度的MCSs活动造成,这些不同尺度的MCSs在卫星云图和雷达回波上呈现出不同的特点。在α、β和γ中尺度上,梅雨锋暴雨中尺度系统在水平和垂直方向上的动力、热力结构特征存在着明显的差异,α、β中尺度系统具有明显的垂直环流,而γ中尺度系统则具有惯性重力波特征,往往嵌套在α、β中尺度系统内发生发展。最后,提出了典型梅雨锋暴雨系统的物理概念模型。     

大同市大降水的不同尺度天气系统分析

本文通过分析研究影响大同市2004年7月10日的强对流性局地强降水和2004年7月29日区域性大降水的大、中尺度系统演变及产生的天气特点,总结出影响大同市局地强降水、区域性大降水的主要大、中尺度系统,为预报提供依据。文中用“尺度分离法”将中尺度天气系统分离出来,分析这2次过程的大、中尺度天气系统。结果表明:7月10日的局地强降水是在满足强对流发生的不稳定条件和水汽条件的有利环流背景下,中尺度辐合线产生的;而7月29日的区域性大降水是在有利于形成大范围降水的大尺度环流背景下,中低层有中尺度辐合区(辐合中心)产生的。     

一次台风暴雨过程的数值模拟和中尺度分析

利用改进的有限区域数值预报模式（AREM）,对“艾利”台风在福建省登陆所造成的特大暴雨过程进行了数值模拟;采用空间带通滤波技术,对模拟结果进行尺度分离,揭示出对此次暴雨天气过程有直接影响的中尺度系统,即中尺度低压和中尺度辐合线;对这些中尺度系统的物理量场特征和它们与强降水的关系进行了分析研究。结果表明：强降水与中尺度系统的散度场有较好的对应关系,中尺度系统与地形相互作用形成很强的辐合抬升作用是造成中尺度暴雨的直接原因。     

台风暴雨过程中不同尺度系统的相互作用

采用数值模拟和带通滤波相结合的方法,对一次台风暴雨过程中的大中尺度系统进行了分离;推导出一个包含大中尺度系统相互作用机制的涡度方程,对中尺度系统发生发展的主要影响因子和大中尺度系统之间的相互作用机制进行了定量诊断分析.结果表明:大中尺度系统之间的相互作用是中尺度系统发展增强、进而造成强降水的一种重要机制;当中尺度系统发展到一定阶段后,由中尺度涡度场、散度场和垂直速度场之间的相互配置所决定的散度项和扭曲项又会引起中尺度系统的减弱消散,这种中尺度系统发展演变的内在调节机制使得强降水在时间上也呈现出中尺度特征.     

浙江大范围强对流天气过程中的中尺度(α)低压

强对流天气过程受大尺度天气系统的制约,而与中尺度天气系统的联系更为直接,因此近20多年来,中尺度天气系统越来越引起人们的关注。早在1963年,我国进行了华东地区中尺度分析试验研究,1976年后又相继在华南、湘中和长江下游地区组织了中尺度系统的观测试验研究,对中尺度系统的活动规律以及与天气的关系得到了不少有意义的成果。作者也曾发现浙江大范围强对流天气与中