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.     

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。     

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。     

一例苏皖中尺度对流复合体模拟结果的诊断分析

利用2010年7月22日苏皖中尺度对流复合体（MCC）数值模拟输出结果,考察了模式对MCC的模拟能力,并对模拟结果做了动力和热力诊断分析,以揭示盛夏江淮下游MCC的特征。结果表明：1） 三重嵌套网格距为3.3 km的区域WRF模式的模拟效果较佳,结果与实况一致,并可利用模拟降水的范围及强度来确定MCC的位置及演变。2） 此MCC维持约10 h,其南北不对称,并随西太平洋副热带高压西伸北抬而随之北抬。MCC核心区对流层低层有水汽丰沛的入流,并有强辐合区,呈对流不稳定层结;中层有深厚的强上升运动,并因凝结潜热大量释放呈中性层结;高层则有出流;MCC核心区对流降水非常强。3） 在垂直剖面上,该核心区散度存在中低层辐合、高层辐散的柱状结构,此配置有利于强对流维持和加强,中低层以上有深厚的强上升气流柱,这些都是MCC核心区存在强对流的标志。该MCC的螺旋结构表明其中的强对流高度有组织。     

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。     

云南中尺度对流系统地闪分布差异及成因

利用NCEP/NCAR资料以及气象卫星和闪电定位系统等探测资料对2010年3种中尺度对流雷暴系统进行分析。结果表明:MCS频繁地闪对应着TBB≤-52 ℃,但其低中心及其梯度大值区和地闪频数空间分布不同,MCS具有后侧对流发展型、中间对流发展型、前侧对流发展型等三种特征;北方低槽切变配合南方倒槽、高层偏北气流叠加在低层偏南气流上的垂直风场结构、深厚的减弱台风低压倒槽为MCS提供有利环流背景,而近地面800 hPa中尺度辐合线是诱发MCS的直接影响系统,且对流和地闪易于在偏南暖湿气流或风辐合一侧发展;500 hPa以下水平风辐合及高低层间垂直风切变和垂直风辐合导致强烈上升运动,低层上升气流和高层下沉气流的有利配合及稳定次级垂直环流保障上升气流的维持,为MCS发展提供抬升动力机制;高层强大偏东风和垂直风切变导致对流区在MCS后侧,高层偏东风速小于承载层导致对流区出现在MCS前侧,而弱的风或弱的垂直风切变则导致地闪发生在MCS中部对流区;低层大气温度高于周围大气和650～750 hPa高湿层的存在为MCS发展提供足够热力不稳定条件和充沛水汽条件。      

一次梅雨锋暴雨中尺度系统发展的动力机制分析

应用常规资料、TBB资料和NCEP分析资料,对2007年7月25日发生在湘黔边境的一次梅雨锋大暴雨天气过程进行了分析.结果表明:深厚的高空低槽和副热带高压稳定维持,有利于冷暖空气的辐合和梅雨锋的长时间维持.梅雨锋上不断有中小尺度对流系统产生,这些中小尺度对流系统在受到大尺度强迫作用和梅雨锋自身的强迫抬升作用而发展增强并长时间维持,在暴雨区形成强烈的降水.暴雨区上空具有低层辐合、高层辐散的结构特征,低层的辐合使得涡度往中上层输送,这种耦合形势有利于垂直上升运动和暴雨的维持.积云对流释放的凝结潜热加热对流层中上层大气,引起梅雨锋锋生,维持和促进了垂直上升运动和对流活动.     

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。     

2002年中国暴雨试验期间一次低涡切变上发生发展的中尺度对流系统研究

采用常规观测和"973"中国暴雨试验资料,对2002年6月22～23日一次由中尺度对流系统(MCS)发展而产生的低涡,以及伴随其发生发展的对流系统进行了分析和模拟研究.结果表明:MCSA东移到河南西部时,由于对流层中层正涡度中心的强迫和潜热释放产生了气旋,低层的暖平流可能是低涡东移发展的原因之一.模拟结果显示低涡东部的对流系统发生在气旋东部的暖切变上,西部对流系统发生在冷切变附近.在低涡的南部偏南风与偏北风之间形成辐合线,辐合线上有低层偏东风与高层偏西风的垂直切变,对流沿辐合线由西南向东北方向移动形成对流带.对流系统发展强盛时除了低层的强辐合外,高层较深厚的强辐散是其维持的重要原因,当系统倾斜时表明开始减弱.试验加密资料分析也表明:降雨发生前有明显的增湿过程,而降雨开始后,整层可降雨量迅速减少;对流系统南侧强的西南低空急流向对流区输送了大量水汽;气旋东移后,西北风(冷空气)的侵入使降雨结束.     

河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

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。     

陕西中部一次局地暴雨中尺度分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°的6 h分析资料和FY-2C卫星云顶亮温资料,对2009年7月26日陕西中部的一次局地暴雨天气过程进行诊断分析。结果表明:暴雨形成与低层地面中小尺度辐合系统、卫星云图上β中尺度对流系统等密切相关。深厚、稳定的低涡低层辐合、高层辐散的垂直结构及位势不稳定特征为暴雨区强烈上升运动的发展和维持提供了有利的环境条件。     

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。     

北京“7.10”暴雨β-中尺度对流系统分析

采用NCEP/NCAR再分析资料、自动站加密观测资料、逐时云顶亮温TBB资料、多普勒雷达资料以及成功模拟基础上的高分辨率模式输出资料，对2004年7月10日北京突发性暴雨过程β-中尺度对流系统的发生发展、结构与成因进行了综合分析。结果表明:此次过程影响系统为β-中尺度对流系统，它发生在大尺度暖脊之中，对流层中层的短波槽以及低层西风槽前西南气流与暖切变线北侧东南气流的汇合为其发生提供了良好的环境条件；该β-中尺度对流系统由两个对流云团合并而成，具有椭圆形结构特征，其水平尺度为150 km×100 km，时间尺度约为5 h；低层流场上它表现为中尺度辐合线或强辐合中心，雷达回波和径向速度场所反映的中尺度回波带和辐合线与它的演变有密切关系；在发展强盛期，β-中尺度对流系统具有较强的斜压性特征，垂直倾斜的上升气流及其两侧有明显的下沉补偿气流，显示它具有对流型风暴结构特征；在强对流不稳定层结条件下，700 hPa以下对流层低层具有明显的假相当位温θ_se暖湿舌，近地面层偏南风与偏东风两支气流的辐合及冷空气的侵入，导致行星边界层内能量锋区的加强，从而有利于β-中尺度对流系统发生发展。     

一次滇中暴雨中尺度对流系统特征分析

应用MICAPS常规资料、FY-2卫星观测资料及昆明CINRAD-CC雷达回波资料,将诊断分析与探测资料相结合综合分析了2003年7月21日滇中暴雨过程的中尺度对流系统特征,指出：500、700hPa高低层冷暖平流的配置、500hPa低槽、700hPa切变线及地面冷锋是此次暴雨过程的大尺度环境背景;高能高湿的不稳定能量、低层辐合、强的垂直风切疫的存在,利于强对流形成并诱发中尺度对流系统MCS;多普勒雷达上强风暴的发展,与暴雨区范围及强弱对应;多普勒速度图显示,中尺度涡旋、中尺度辐合线、逆风区等多个中尺度系统,是此次滇中强对流暴雨产生的直接影响系统。     

乌鲁木齐两类暴雨的中尺度影响系统和大气垂直结构分析

利用常规观测、FY-2G、多普勒天气雷达、风廓线雷达、地基微波辐射计资料和NCEP/NCAR(1°×1°)再分析资料对2015年6月9日、6月27日和2016年10月2-3日乌鲁木齐三次典型暴雨过程(分别简称为过程1、过程2和过程3)的中尺度影响系统和大气垂直结构进行分析。结果表明:降水历时短且有短时强降水出现的过程1和过程2为强对流型暴雨,分别产生在高压脊前西北气流和低值系统前部西南气流中;历时较长且相对平稳的过程3为平稳型暴雨,出现于槽前偏西气流中。强对流型暴雨的大气层结不稳定性更强、低层大气更湿,对暴雨中短时强降水的出现更为有利,此类暴雨是由相对孤立、尺度小、生成和发展迅速且生命史短的β-中尺度对流云团及尺度小、生消快、移动迅速的γ-中尺度对流单体直接造成,且伴有中低层风速辐合和低层辐合高层辐散;平稳型暴雨则是由持续时间长且尺度大的层积混合云团、雷达回波及切变线直接造成。风廓线雷达水平风场资料和地基微波辐射计相对湿度资料分别能够细致刻画和监测乌鲁木齐两类暴雨过程水平风场和大气相对湿度演变特征。暴雨开始前,低层风场和高层风场随高度分别出现顺时针和逆时针旋转,低层暖平流和高层冷平流增强了大气的不稳定性;暴雨临近前0. 5～1 h,不同高度上风速的明显增长和相对湿度的剧烈发展可作为暴雨即将开始的预警;暴雨过程中垂直风切变明显且水汽饱和区以波动形式发展;强对流型暴雨水平风场和相对湿度变化更为剧烈,同时,水汽饱和区发展到暴雨过程中最高位置时,短时强降水产生。     

“2013·7·21”杭州湾北岸短时大暴雨的中尺度分析

利用FY 2E卫星的TBB资料、多普勒雷达资料、中尺度自动站资料以及基于WRF模式的5 km全程同化数据,对2013年7月21日杭州湾北岸短时大暴雨天气进行了中尺度分析,结果表明：此次对流性暴雨发生与近地面西南偏西气流和东南偏东气流的辐合作用密切相关,湖州东部地区由局地热对流引起的偏西气流出流增强了嘉兴西部地区的偏西气流强度,从而触发两股气流间的辐合扰动并产生对流运动,当对流运动发展到一定程度时,在对流层低层出现了下沉气流,其中一部分气流向东契入近地面的偏东气流内,致使此处的辐合抬升运动加强,从而在对流层中层形成了新的垂直上升运动。此外,在对流性暴雨发生前0～3 km的环境风垂直切变较小,导致这次短时大暴雨过程中强对流单体的维持时间较短。暴雨区附近的近地面存在较为浅薄的中性或稳定层结,其上相对位温垂直递减明显,大气层结极不稳定。     

1998年一次梅雨锋暴雨中尺度对流系统的模拟与诊断分析

文中利用观测资料 (包括部分‘四大科学试验’资料 )和高分辨率数值模拟结果 ,对 1998年 6月 16～ 17日发生在赣闽浙沿武夷山北麓地区的梅雨锋暴雨中尺度对流系统特征进行了分析研究。分析表明 :(1)本次梅雨锋暴雨发生在对流层中低层中 β尺度低压南侧的中尺度辐合线上 ;在弱的风垂直切变环境下 ,梅雨锋中α对流云系中有数个中 β尺度云呈塔状强烈垂直发展 ,它们是造成暴雨的中 β尺度对流系统。(2 )基于加密探空观测的对流有效位能计算显示 ,赣闽浙沿武夷山北麓地区的强暴雨发生前 ,最大对流有效位能可达到 2 6 0 0J/kg ;通过时间加密的探空观测有可能捕捉对流有效位能的中尺度变化特征。(3)利用高分辨率模拟结果对赣闽浙沿武夷山北麓的暴雨中β尺度对流系统 (中 β降水云塔 )的结构分析显示 ,强烈发展的中 β降水云塔为有利的中尺度动力配置结构 ,即对应着一个狭窄的、从地面伸展到 2 5 0hPa的正涡度区 ,其 1.5m/s的垂直上升运动与低层强辐合和高层强辐散相伴随。(4)通过分析与诊断 ,提出了低层中尺度辐合线上强烈发展的梅雨锋暴雨中 β尺度对流系统的气流运动图像 ,即 :在对流层低层 ,空气从西南和西北两个方向流入中 β降水云塔区 ,在云塔中垂直 (略向东倾斜 )上升 ;靠近云塔南 (北 )侧边缘的上升气     

黔西南一次中尺度暴雨的数值模拟诊断研究

使用WRF模式 (Weather Research and Forecasting model) 模拟了2006年6月12日贵州省西南部一次典型的突发性强对流暴雨过程, 模式较真实地模拟了这次局地发展的中尺度暴雨天气过程。对流层低层的中尺度辐合线造成了初始的上升运动, β中尺度对流系统首先在地面锋线前不稳定的暖区中生长, 辐合线南侧的偏南气流对水汽和热量的输送是对流能够持续生长的最重要因素。通过非地转ω方程的诊断证明, 在降水开始后, 凝结加热的释放对β中尺度对流系统的发展最为重要, 它强迫产生的上升运动分量超过了低层暖平流强迫造成的上升运动分量。在相应的热力、 动力结构的调整作用下, 对流层低层出现中尺度低空急流、 中尺度涡旋等动力结构。到降水过程后期, 由于偏北气流的侵入, 降水区上空对流层低层转为对流稳定的层结, β中尺度对流系统无法获得不稳定能量以维持其发展, 降水也逐渐减弱直至终止。     

一次陕西关中强暴雨中尺度系统特征分析

应用高分辨率中尺度数值模式WRF模拟了2007年8月8-9日陕西关中强暴雨过程,根据模式输出结果对强暴雨中尺度对流系统(MCS)的发生、发展规律、形成原因和三维结构,特别是暴雨过程中3个大暴雨中心的β中尺度对流系统(MβCS)的细微结构包括三维流场、动力和热力结构进行了分析。结果表明,此次强暴雨过程与一个α中尺度低涡的生成密切相关,其内部强烈发展的MβCS直接产生了岐山、礼泉、高陵3个强暴雨中心的对流降水;MβCS在850,700和500 hPa上分别表现为辐合(涡旋)系统、西北—东南向暖式切变线和阶梯槽。高空西风急流入口区右侧的动力强迫是对流层高层暴雨区辐散形成和加强的原因,动力强迫引起的非地转风是暴雨形成的原因之一;中空阶梯槽携带的干冷空气从后方流入雨团起到了对流不稳定的加强作用;低层和地面不同方向的风和风速形成的中尺度辐合以及中尺度西南急流和东南急流触发了强降水的发生,强降水的发生又激发了中尺度急流扰动,中尺度急流扰动对暴雨维持和加强起到了反馈作用;秦岭山脉的屏障作用和关中喇叭口地形的动力抬升作用有助于关中强暴雨的发生和加强。产生3个强暴雨中心的MβCS有不同的流场、动力、热力垂直结构:中低层不同方向和不同层次的气流流入β中尺度降水云塔,在不同高度上形成了不同的垂直环流支,云塔中的上升气流一直伸展到200 hPa(或150 hPa)后向东南、东北流出;歧山暴雨中心450 hPa以上为强辐散,450 hPa以下暴雨中心南侧为弱辐散和辐合、北侧为辐合和弱辐散,垂直上升运动先向南、后向北倾斜直至对流层顶;相当位温呈双高能中心形成的双重位势不稳定层结结构,温度则表现为中层两个暖中心、上下层冷中心的特征;礼泉和高陵暴雨中心为整层强上升运动柱与强散度柱和正涡度柱耦合,礼泉上升运动柱存在一个高、低层冷而中上层暖的特征,具有类似于地面气压场的鞍形结构,即中低层不稳定、中高层稳定、中层为中性的层结结构;高陵暴雨中心南缘550 hPa以下是高能量和温度离差锋区,其上空400 hPa以下为近饱和水汽柱。