对流层中层中尺度对流涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用——模拟诊断分析

本文基于PSU/NCAR MM5中尺度模式对台风榴莲 (2001) 生成过程成功的数值模拟, 利用模式输出的较高时空分辨率资料, 对台风榴莲生成过程中对流层中层中尺度对流涡旋 (MCV) 的作用进行了诊断分析。结果表明, 中层MCV在台风榴莲生成中的作用有三个重要方面: 第一, 中尺度组织化作用: 伴随中层MCV的垂直次级环流圈, 使得区域内的积云对流热塔趋向于逐步在中心区域集中, 热塔相互之间容易发生相互作用, 通过合并过程有些热塔得到加强, 而有些趋于消亡。同时, 热塔聚集后的群体效应反馈作用又使得中层MCV加强或维持, 进一步促进热塔的合并以及向轴对称化发展; 第二, 存贮效应: 因为中层MCV的生命史比积云对流热塔长, 能够将消亡对流热塔所携带的热量、 水汽、 涡度加以存贮和保留, 使得中层MCV区域向有利于TC生成的方向发展, 最终成为TC环流的 “胚胎”; 第三, 中层MCV与对流层低层的槽 (涡旋) 以及对流热塔之间通过相互作用, 共同实现中低层系统的垂直耦合。     

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。     

台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

台风榴莲(2001)在季风槽中生成的机制探讨

利用NCEP 1°×1°分析资料、TMI海温资料、卫星云图资料对季风槽中南海台风榴莲(2001)生成机制进行了分析,揭示了大尺度环境流场、温暖洋面、中尺度对流活动对热带气旋(TC)生成的控制作用.结果表明,水平风速垂直切变的演变在一定程度上指示着TC在暖湿洋面上生成的时间,水平风速垂直切变由强向弱转变,在TC发生前18小时迅速减小到10 m/s,随后在10 m/s以下维持少变,垂直切变的变化主要反映了对流层高层环流形势的演变;在对流层中低层,季风槽的形成和加强对TC的生成有重要作用,由于热带温暖洋面作用,季风槽首先表现出有利于单体对流和带状对流发生发展的条件性对流不稳定特征,随着季风槽的加强,季风槽进一步表现出有利于中尺度扰动发生发展的正压不稳定特征;季风槽槽线南侧的低空急流的经向分布很宽广,由105°E越赤道气流和中南半岛偏西气流(其源头是索马里越赤道低空急流)汇合而成,急流的加强活动具有经向差异,由于边界层高θ_e空气辐合抬升产生两条经向距离约300 km的显著带状对流云系,槽线南侧风速分布的经向差异导致两条带状云系发生追赶,并逐步在季风槽底部槽线附近合并加强为MCC,进而导致中尺度涡旋(MCV)的产生并最终发展成为TC.分析结果还表明,为深对供应丰富对流有效位能的主要是来自台风发生区域本地南海暖洋面的地面热通量,南海暖洋面对TC生成有重要贡献.台风榴莲的生成是一个多尺度相互作用过程,主要包括涡旋对流热塔、与带状对流云系伴随的涡度带的升尺度,涡度带合并成长为MCV,以及大尺度条件对TC在季风槽中生成的时间及地点的控制作用等.     

9610号热带风暴中尺度涡旋数值模拟

以实测资料作为初始场,用套网格的中尺数值模式分析和模拟与９６１０号热带低压相伴的特大暴雨过程,结果发现模式对本过程的模拟效果较好,不论粗细网格,在揭示中尺度涡旋方面都具有参考价值。     

两个β中尺度气旋性涡旋合并的数值研究

利用中尺度模式MM5对1998年6月29日发生在江淮流域的暴雨过程中的两个β中尺度气旋性涡旋的合并过程进行了数值模拟,分析研究了流场演变特征.结果显示,在800hPa上的两个β中尺度涡旋合并最早最快,在低空925hPa上出现时间晚,合并也晚.在合并过程中的风向和风速变化特征与两个天气尺度气旋或台风合并过程中的特征相仿.     

1521号台风“杜鹃”生成阶段中尺度对流系统和降水演变特征

在热带气旋的生成过程中,从热带扰动向热带低压增强的过程研究较少,而这一过程必定伴随着中尺度对流系统（MCS）的生成、合并和发展。本文利用FNL分析资料和高分辨率模式对1521号台风“杜鹃”生成前3天进行数值模拟,着重探讨了“杜鹃”生成过程中MCS的发展演变特征。在“杜鹃”生成过程中,对流层上部槽（TUTT）位置偏东,“杜鹃”主要从季风涡旋（MG）的东南侧边缘向西北方向移动,因此,减弱的大尺度垂直风切和MG东南侧的低层辐合都为“杜鹃”的生成提供了有利的动力条件。在“杜鹃”生成前期阶段,新生成更多的MCS有利于在热带扰动阶段“杜鹃”的增强;“杜鹃”生成的中后期阶段,对流爆发,MCS发生合并使得MCS个数减少,MCS结构变得更加紧凑,面积最大的MCS逐渐向热带扰动中心区域收缩,“杜鹃”生成速度加快。对比MCS中的层云降水和对流云降水的特征发现,MCS中层云降水覆盖面积更大;对流云降水的降雨率比层云的降雨率更大,同时变化幅度更明显。层云降水百分比的增加与“杜鹃”增强的过程关系密切,但对流云降水的降雨率增加有利于MCS增强,层云和对流云的共同作用促进了“杜鹃”生成。     

中尺度强对流云系相互作用与热带气旋形成的数值模拟

本文是热带气旋形成的多尺度组合理论的续篇它以新的方法——数值模拟的结果支持了这一理论。特别是它进一步证实了“热带大气涡旋增幅效应”的存在,也进一步定量地解释了热带气旋前期低压环流的形成。     

青藏高原上中尺度对流系统(MCS)的数值模拟

A mesoscale convective system (MCS) developing over the Qinghai-Xizang Plateau on 26 July 1995 issimulated using the fifth version of the Penn State-NCAR nonhydrostatic mesoscale model (MM5). Theresults obtained are inspiring and are as follows. (1) The model simulates well the largescale conditionsin which the MCS concerned is embedded, which are the well-known anticyclonic Qinghai-Xizang PlateauHigh in the upper layers and the strong thermal forcing in the lower layers. In particular, the modelcaptures the meso-α scale cyclonic vortex associated with the MCS, which can be analyzed in the 500 hPaobservational winds; and to some degree, the model reproduces even its meso-β scale substructure similarto satellite images, reflected in the model-simulated 400 hPa rainwater. On the other hand, there aresome distinct deficiencies in the simulation; for example, the simulated MCS occurs with a lag of 3 hoursand a westward deviation of 3-5° longitude. (2) The structure and evolution of the meso-α scale vortexassociated with the MCS are undescribable for upper-air sounding data. The vortex is confined to thelower troposphere under 450 hPa over the plateau and shrinks its extent with height, with a diameter of4° longitude at 500 hPa. It is within the updraft area, but with an upper-level anticyclone and downdraftover it. The vortex originates over the plateau, and does not form until the mature stage of the MCS. Itlasts for 3-6 hours. In its processes of both formation and decay, the change in geopotential height fieldis prior to that in the wind field. It follows that the vortex is closely associated with the thermal effectsover the plateau. (3) A series of sensitivity experiments are conducted to investigate the impact of varioussurface thermal forcings and other physical processes on the MCS over the plateau. The results indicatethat under the background conditions of the upper-level Qinghai-Xizang High, the MCS involved is mainlydominated by the low-level thermal forcing. The simulation described here is a good indication that itmay be possible to reproduce the MCS over the plateau under certain large-scale conditions and with theincorporation of proper thermal physics in the lower layers.     

江苏一次锢囚状MCS和相关中涡旋MCV的观测分析

利用常规地面和高空气象观测资料,结合气象卫星云图和雷达回波,分析了2009年6月14日15—23时(北京时,下同),造成江苏强对流天气的一个中尺度对流系统(MCS)的锢囚状特征的形成过程及其垂直结构。地面中尺度分析表明,雷暴高压东侧在飑前倒槽北端发展的闭合低压环流的东南气流将暖湿空气输送到冷性雷暴高压的北侧形成东南一西北向的暖舌,从而形成锢囚状的结构。长三角探空网资料的垂直结构分析表明,在对流层下部地面到850 hPa为冷性的雷暴高压,在对流层中部700 hPa为冷性的α中尺度涡旋(MCV),而500 hPa已转变为暖性的MCV。静力学关系可以说明MCV仅仅存在于700~500 hPa的原因和MCS下冷上暖的热力结构密切相关。     

Study on a Mesoscale Convective Vortex Causing Heavy Rainfall during the Mei-yu Season in 2003

The strong heavy rainfall on 3-5 July 2003 causing the severe flooding in Huaihe River basin (HRB), China is studied. It is noted that there are sometimes mesoscale convective vortex (MCV) in East Asia during the mei-yu season. Simulation results from the ARPS (Advanced Regional Prediction) data analysis system (ADAS) and WRF model were used to study the development of the mesoscale convective system (MCS) and mesoscale convective vortex (MCV). It is confirmed that the MCV formed during the development of a...     

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.     

一次中尺度对流低涡增强阶段的能量诊断分析

本文基于CFSR每日4个时次、水平分辨率为0.5°×0.5°全球预报场资料,美国NCEP中心每日4个时次、水平分辨率为1°×1°FNL全球再分析格点资料,以及华中地区国家基准站逐小时的加密降水资料,围绕2015年6月1日华中地区的一次中尺度对流低涡(mesoscale convective vortex,MCV)天气过程,通过WRF模拟和能量诊断的方法,重点研究了低涡增强期内的能量分布特征及其对低涡发展的影响机制。研究结果表明:此次MCV初生于湖北中部地区,低涡生成后向湖北东北部大别山地区移动且不断发展加强,MCV增强阶段的降水带分布由早期的三中心分布(分别位于宜昌、荆州、随州)演变为后期的纬向型雨带分布。降水产生的凝结潜热释放、对流有效位能的增强、低层暖湿气流的输送以及中层干冷空气的侵入等有利的环境场条件对低涡的增强起到了重要的推动作用。低涡的增强对能量演变有重要影响,具体表现为一方面MCV外围辐合气流随低涡发展而增强,引起对流层低层扰动动能的增加,另一方面MCV外围降水产生的凝结潜热,导致对流层中层扰动有效位能的增加,之后通过垂直气流作用使扰动有效位能向上输送,从而使对流层高层的扰动有效位能增加。另外,此次MCV增强阶段的能量制造项依次为:扰动有效位能向扰动动能的转换,不同高度层的基本气流黏性力作用效果,纬向平均有效位能向扰动有效位能的转换,以及来自系统外部扰动动能的输入。其中,扰动有效位能向扰动动能转换是对MCV发展增强的直接贡献项,对其空间分布特征进一步分析可知,在对流层低层和顶层,扰动有效位能向扰动动能转换,使辐合辐散气流增强;而在对流层中高层,扰动动能向扰动有效位能转换,为低涡发展成熟后的继续维持储备了必要的能量。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8~10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛(冷云中心TBB最低)时。     

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.     

夏季青藏高原上的对流云和中尺度对流系统

运用1998年6～8月逐日逐时日本地球静止气象卫星(GMS)红外辐射亮温资料,计算和分析了青藏高原及周边地区对流云和中尺度对流系统的活动,揭示了它们形成和发展的月际变化和地理分布、强度、日变化、移动和传播等诸多特征,以及与长江流域暴雨过程的关系.     

A Numerical Study of the Evolution of a Mesoscale Convective Vortex on the Meiyu Front

The Advanced Research WRF（Weather Research and Forecasting） model is used to simulate the evolution of a mesoscale convective vortex（MCV） that formed on the Meiyu front and lasted for more than two days. The simulation is used to investigate the underlying reasons for the genesis, intensification, and vertical expansion of the MCV. This MCV is of a type of mid-level MCV that often develops in the stratiform regions of mesoscale convective systems. The vortex strengthened and reached its maximum intensity and vertical extent（from the surface to upper levels） when secondary organized convection developed within the mid-level circulation. The factors controling the evolution of the kinetic and thermal structure of the MCV are examined through an analysis of the budgets of vorticity, temperature, and energy. The evolution of the local Rossby radius of deformation reveals the interrelated nature of the MCV and its parent mesoscale convective system.