王曉芳許小峰崔春光趙玉春孫建華陳忠明傅慎明

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢 430074 2 中國氣象局，北京 100081 3 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029 4 中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

長江流域雨季中尺度對流系統(tǒng)研究
——國家自然基金重點項目（40930951）成果簡介

王曉芳1許小峰2崔春光1趙玉春1孫建華3陳忠明4傅慎明3

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢 430074 2 中國氣象局，北京 100081 3 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029 4 中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

長江流域產(chǎn)生暴雨的中尺度對流系統(tǒng)（Mesoscale convective systems，MCS）是雨季強降水的重要影響系統(tǒng)，深入研究它的組織結構、活動規(guī)律及其發(fā)生發(fā)展機制，對提高暴雨的預報能力有重大意義。近3年來依托國家自然基金重點項目對中尺度對流系統(tǒng)展開了一系列研究，包括對長江流域產(chǎn)生暴雨的MCS進行組織形態(tài)分類、分析了不同線狀MCS的結構特征、合成分析了各線狀MCS產(chǎn)生的環(huán)境條件；我國三階地形對降水的影響，尤其是山地—平原環(huán)流對梅雨鋒夜間降水的影響；中尺度地形對對流降水的影響；濕斜壓熱動力耦合強迫激發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展的影響；最后總結了長江流域產(chǎn)生暴雨的MCS的物理概念模型。

中尺度對流系統(tǒng)，組織結構，環(huán)境條件，地形，概念模型

1 引言

長江流域產(chǎn)生暴雨的中尺度對流系統(tǒng)是由多積云單體組成的深對流與層狀云混合降水的系統(tǒng)。國外對MCS做了許多深入的研究工作,與產(chǎn)生暴雨的機理有密切關系。眾多觀測表明,對流組織化與環(huán)境風鉛直切變存在密切的關系,并且許多數(shù)值模擬分析逐漸對此做出了定量表述[1-6]?，F(xiàn)在已基本公認是由降水蒸發(fā)作用產(chǎn)生的地面冷出流與環(huán)境切變的相互作用經(jīng)由前沿新單體的再生促成了對流系統(tǒng)的組織化和維持[5]。然而其他許多因子,例如中層和高層的風切變,自由大氣中的相對濕度和靜力穩(wěn)定度,對流有效位能(CAPE),MCS引起的重力波和天氣尺度作用等都可能有重要影響。再者,在沒有低層環(huán)境切變的時候也能觀測到MCS,數(shù)值模擬也表明由冷丘與中高層切

變間、冷丘與低層平均風之間、冷丘與對流自身產(chǎn)生的低層切變之間[7]的相互作用以及重力波機制都能激發(fā)MCS。Schumacher等[8]最新研究表明,在相當濕的環(huán)境里,即使沒有近地面冷堆,低空急流與深對流加熱相互作用激發(fā)的低層重力波可使對流組織成一個移動緩慢的MCS。

以往多用衛(wèi)星資料來展現(xiàn)產(chǎn)生暴雨的MCS的活動,或者用數(shù)值模擬或再分析資料診斷產(chǎn)生暴雨MCS的基本環(huán)境特征等[9-10],近年來隨著我國觀測技術的提高,結合中尺度再分析系統(tǒng)研究MCS的可獲取數(shù)據(jù)越來越多[11],在理論上也得到了一些有意義的結果[12]。這里主要以觀測分析結合高分辨率數(shù)值模擬介紹近3年關于長江流域MCS研究的一些成果。

2 長江流域產(chǎn)生暴雨的MCS的分類研究

由線狀MCS的組織形態(tài)、單體相對系統(tǒng)的移動方向和系統(tǒng)的移動特征,將線狀MCS分為8個確定的類型:尾隨層狀降水MCS(Trailing Stratiform MCS,簡稱TS)、準靜止后向建立MCS(Backbuilding/Quasi-Stationary MCS,簡稱BB)、鄰接層狀單向發(fā)展MCS (Training Line/Adjoining Stratiform MCS,簡稱TL/ AS)、前導層狀降水MCS(Leading Stratiform MCS,簡稱LS)、平行層狀降水MCS(Parallel Stratiform MCS,簡稱PS)、斷裂線狀MCS(Broken Line MCS,簡稱BL)、鑲嵌線狀MCS(Embedded Line MCS,簡稱EL)、長帶層狀降水MCS(Long Line MCS,簡稱LL)。在8類確定類型中前6類MCS的組織形式、單體發(fā)展、系統(tǒng)移動和國外已有MCS分類有共性,故沿用已有的類型名稱,后兩類MCS尚未有文獻提及,特別是長帶層狀降水MCS,它們是分析長江流域梅雨期MCS類型特征時新統(tǒng)計的兩種線狀MCS類型,這里僅根據(jù)它們的模態(tài)特征命名。

王曉芳等[13]用雷達組合反射率因子拼圖資料統(tǒng)計得到2010—2012年6—7月長江流域MCS個例大約379個,其中有組織的線狀MCS為195個,占51.5%；非線狀區(qū)域MCS有184個,占48.5%,有組織的線狀MCS發(fā)生數(shù)略占優(yōu)勢(圖1)。線狀MCS中最大百分數(shù)是TS類,為 22.6%,大于1/5,其次是BB類,為19.4%,其他線狀MCS的百分率從14.4%到3.1%不等。

綜合各個類型的大量個例并參考國內外已有的研究,圖2給出了長江流域梅雨期成熟階段MCS的組織類型示意圖。非線狀MCS(None Linear MCS ,簡稱NL)主要是大片回波中嵌有或多或少的無組織強對流回波,其運動情形很復雜,有快速移動的、有緩慢移動的、有靜止的。線狀MCS中TS、LS、PS、BL四類是快速移動的,TL/AS、BB、EB、LL則移動緩慢,幾乎是靜止少動的。移動快的MCS在發(fā)展初期產(chǎn)生的降水量一般較小,強降水主要發(fā)生在成熟期,由它們發(fā)展初期的移動方向和移動速度,可外推未來3～4h內強降水的大致落區(qū)；準靜止MCS根據(jù)其雷達回波特征可預測未來強降水的落區(qū),特別是極端降水天氣的預警。顯然非線狀MCS較線狀MCS的組織結構復雜。

此外,Zheng等[14]依據(jù)回波形態(tài)將 MCS分為7類,回波形態(tài)基本包含在圖2各類型中,其中將TS MCS類中的易造成大風劇烈天氣的弓狀回波單獨分為一類,稱之為弓狀回波。

3 長江流域產(chǎn)生暴雨的線狀MCS的環(huán)境條件

在雨季,暴雨天氣往往發(fā)生在有利的天氣尺度條件下,如副熱帶高壓、中高緯度冷空氣活動、高原中尺度系統(tǒng)東移、南海季風涌等多尺度天氣系統(tǒng)的協(xié)同作用。在這些系統(tǒng)處于活躍期時,梅雨鋒上出現(xiàn)暴雨,但并不是整個梅雨鋒帶上普降強降水,降水存在不均勻性,這說明降水強弱還與局地的氣象條件密切相關。王曉芳等[15]診斷分析了2010年長江中游梅雨期β中尺度系統(tǒng)的環(huán)境特征,強調了局地大氣層結的變

化特征和鋒生作用。

圖1 各類MCS百分比分布 （a）所有類型MCS百分比；（b）不同線狀MCS百分比

利用探空資料合成5類線狀MCS的環(huán)境風特征(圖3)[16],如TS MCS和TL/AS MCS在對流層隨高度都存在較大從前向后的垂直對流線的風分量；LS MCS在對流層隨高度首先展示從前向后的垂直對流線的風分量,到中高層就轉為從后向前的垂直對流線的風分量；平行對流線的風分量這3類MCS隨高度都明顯增加；風垂直切變在對流層中層TS MCS和LS MCS都是垂直對流線方向,而TL/AS MCS則表現(xiàn)為平行于對流線方向。PS MCS和BB MCS在對流層平行于對流線的風分量隨高度增大,且PS MCS增大得更顯著；風垂直切變方向是平行于對流線方向為主,但風垂直切變大小較弱,PS MCS風垂直切變大小比BB MCS略大些。

線狀MCS發(fā)生在條件不穩(wěn)定的環(huán)境氣團中,TS類環(huán)境不穩(wěn)定度最大,其后依次是TL/AS類、LS類、BB類,而PS類則發(fā)生在條件不穩(wěn)定性最小的空氣團中。長江流域梅雨期環(huán)境空氣的穩(wěn)定程度與大氣中可降水量大小沒有明顯的對應關系。合成計算它們熱力學參數(shù)的平均值,不同類MCS發(fā)生的環(huán)境物理量有明顯的差異。

對非線狀MCS,回波組織紊亂,規(guī)律性不強。崔春光等[17]利用多源探測資料分析了一次非線狀MCS發(fā)生發(fā)展機理,對流層中低層切變線的維持、冷空氣入侵、地面小渦旋流場是對流觸發(fā)抬升的主要機制,邊界層風垂直切變的多樣化表明非線狀MCS發(fā)展環(huán)境的復雜性。鄭淋淋等[18]對2007—2010年暖季(6—9月)發(fā)生在江淮流域46個對流天氣過程的環(huán)流背景和地面特征進行了統(tǒng)計研究。根據(jù)整層可降水量小于或大于等于50mm將這些個例發(fā)生的環(huán)境分成干環(huán)境(10個個例)和濕環(huán)境(36個個例)。干環(huán)境下發(fā)生強對流的天氣形勢可以分為槽后型和副高邊緣型,濕環(huán)境下的天氣形勢可分為槽前型、副高邊緣型和槽后型,濕環(huán)境下有明顯的暖濕區(qū)配合。濕環(huán)境下槽前型發(fā)生的概率最高,地面系統(tǒng)較為復雜,有靜止鋒、倒槽、冷鋒和暖鋒,而干環(huán)境下在本研究的個例中無槽前型發(fā)生。干、濕環(huán)境下副高邊緣型的對流從地面到500hPa都發(fā)生在副高后部的“S”流型的拐彎處,但部分濕環(huán)境個例低層有切變線。干環(huán)境下槽后型的發(fā)生概率較高,而濕環(huán)境下發(fā)生概率則相對較少。干、濕環(huán)境下強對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機制存在明顯的差異。

圖2 長江流域梅雨期MCS成熟階段組織類型的雷達反射率因子示意圖（陰影由淺到深對應反射率因子值分別為20、30和40dBz）

4 兩個不同類型線狀MCS的結構特征

4.1 TS MCS結構特征

雷達回波顯示TS MCS由系統(tǒng)移動前向后依次是強而窄的回波帶、過渡帶、后方寬廣的次強層狀回波區(qū)；新單體在對流區(qū)前沿產(chǎn)生,成熟單體減弱為后方的弱回波區(qū),在不斷的生消交替過程中系統(tǒng)向前移動。

圖3 各類線狀MCS相對對流線垂直和平行的平均風分量的垂直剖面分布圖 （豎箭頭代表平行對流線的平均風分量，橫箭頭代表垂直對流線的平均風分量）

由觀測分析和模擬結果總結TS類的概念模型[19-20],如圖4a所示。TS MCS由對流區(qū)和層狀區(qū)組成,新單體在對流帶前方生成,舊單體在強回波帶中

減弱為后面的弱回波區(qū)；TS MCS內低層南北入流區(qū)都為高θse(相當位溫)值,氣流沿著窄的高濕高θse值區(qū)上升,到對流層高層高θse值氣流分別向北、向南形成系統(tǒng)的出流,向北的傾斜上升支構成了層狀區(qū)域高層的寬闊上升運動區(qū)；層狀區(qū)中層低θse值區(qū)的下沉氣流和近地層北風一起構成系統(tǒng)的北側入流,對流區(qū)前方(南側)中層低θse值區(qū)的下沉氣流和近地南風一起構成系統(tǒng)的南側入流。低層風切變和TS MCS后部冷池的相互作用是造成TS MCS垂直結構的主要原因。圖4b是TS MCS移動的示意圖,對流線整體向東南移動,回波單體由東南向東北移動,則新單體主要向南傳播。

4.2 LS MCS結構特征

系統(tǒng)在雷達回波上主要分兩部分(圖5):后方回波強而窄的對流帶和前方回波相對弱的寬層狀降水區(qū),在對流帶和層狀降水區(qū)之間有一條回波更弱的轉換帶。對流單體有時朝著對流線垂直方向拉長和傾斜。流場上RFLS系統(tǒng)主要由四種氣流組成:在層狀降水區(qū)前方中低層有一個由上而下轉為從前向后的入流、對流層低層從后向前的入流、朝前傾斜的上升氣流和中上層由后向前的氣流。系統(tǒng)在組織階段開始產(chǎn)生前導層狀降水區(qū),到成熟階段垂直氣流發(fā)展旺盛,前方的層狀降水區(qū)變寬。中低層垂直對流線的垂直風切變隨時間增大,以及地面冷丘隨時間變化減弱或者不變是18日RFLS系統(tǒng)上升氣流向前傾斜的主要原因[21]。

5 長江流域MCS發(fā)生發(fā)展機理研究

5.1 線狀MCS的試驗

(1) 通過理想風垂直廓線和梅雨期典型溫濕廓線的數(shù)值模擬,研究了風垂直切變對線性中尺度對流系統(tǒng)組織模態(tài)的影響,風垂直切變對線性中尺度對流系統(tǒng)不同組織模態(tài)的形成有重要作用,基本氣流、風垂直切變、地面冷池和重力波及其相互作用等是決定中尺度對流系統(tǒng)中單體再生、移動和傳播以及對流系統(tǒng)中層狀云形成的重要因子。

(2) 趙玉春[22]針對梅雨鋒(濕度鋒)上或附近偏南暖濕氣流一側中尺度對流系統(tǒng)不斷發(fā)生發(fā)展和長時間維持而引發(fā)長江流域暴雨的觀測事實,利用WRF模式設計了一系列三維理想數(shù)值試驗,梅雨鋒兩側自身水汽差異造成的質量不平衡可在梅雨鋒附近激發(fā)出小振幅重力波,在梅雨鋒暖濕氣流一側對流層低層產(chǎn)生上升運動,并與非絕熱加熱過程耦合激發(fā)出對流形成一條平行于梅雨鋒的對流降雨帶,對流系統(tǒng)的尺度一般為20～60km,對流雨帶形成后逐漸向南傳播,其中對流擾動形成后激發(fā)出振幅更大的重力波向南傳播,以及對流雨帶北側干下沉氣流支的低層回流對新對流系統(tǒng)的觸發(fā)可能在對流雨帶的南移中起到重要作用?；練饬鞯钠搅餍姑酚赇h移動,有利于抵消梅雨鋒對流雨帶南移效應,它對水汽和能量的輸送在梅雨鋒中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展中起到了重要作用。風的方向變化引起的風垂直切變有利于梅雨鋒對流的啟動和中尺度對流系統(tǒng)的組織,并影響中尺度對流系統(tǒng)的移動方向；而風的大小形成的風垂直切變似乎并不利于梅雨鋒上對流的啟動和中尺度對流系統(tǒng)的長時間維持。

圖4 TS MCS垂直剖面結構（a）和系統(tǒng)移動（b）示意圖 （淺灰色是高θse區(qū)，淺藍色是低θse區(qū)，風隨高度演變主要顯示了緯向風的變化）

5.2 地形對MCS發(fā)生發(fā)展的影響

5.2.1 山地－平原環(huán)流對梅雨鋒上夜間降水的影響

Sun等[23]通過對江淮流域強降水的分析發(fā)現(xiàn),在第二級地形的東側有梅雨鋒的強降雨中心存在,降雨中心的日變化顯著,并且有夜間降雨峰值。圖6給出了梅雨鋒上山地—平原環(huán)流(mountain-plain solenoid circulation ,MPS)、MCS和中尺度對流渦旋(mesoscale convective vortex,MCV)發(fā)展的概念模型。梅雨期,在副熱帶高壓和西風帶系統(tǒng)的影響下,東西向的雨帶位于我國的江淮流域,梅雨鋒上的二

級地形以東地區(qū)渦旋較為活躍。白天,在二級地形以東地區(qū)有渦旋產(chǎn)生,但由于山地—平原環(huán)流下沉支的影響,降雨較弱,較強的降雨發(fā)生在梅雨鋒的東段, MCV東移帶來較強的降雨。而晚上,MPS環(huán)流上升支加強了對流,導致了MCV的生成和東移發(fā)展,從而有利于激發(fā)長江流域MCS發(fā)生發(fā)展。

圖5 LS MCS系統(tǒng)氣流示意圖（帶箭頭粗線代表系統(tǒng)內氣流構成，細實線表示回波強度大小，由外而內分別為5、20和40dBz；淺色陰影代表20dBz，深色陰影為40dBz）

5.2.2 梅雨期青藏高原等三階地形對MCS發(fā)生發(fā)展的影響

在Sun等[23]研究的基礎上,仍然選取2007年7月1—10日梅雨期降水個例做試驗,主要結論如下。

我國中緯度地區(qū)從西至東三段地形臺階產(chǎn)生了山地―平原環(huán)流(圖7),從而分別在青藏東部和四川盆地之間,太行山—巫山山脈東部和江淮流域平原間,以及我國沿海地區(qū)和其鄰近海洋之間產(chǎn)生了白天的三個正熱力環(huán)流圈(Sn)和夜晚的三個反熱力環(huán)流圈(ASn)。白天正熱力環(huán)流圈的下沉支分別阻礙了四川盆地和江淮流域上升運動的發(fā)展,因此降水量在白天為低值,但是夜晚反熱力環(huán)流圈的上升支促進了四川盆地和江淮流域梅雨鋒上的強上升運動,使降水量達到峰值。夜間高原東部與四川盆地地區(qū)的MPS環(huán)流圈的上升支的擾動使得西南低渦有所增強,并且向其東北方向伸展,110?E以東的梅雨鋒的氣旋式切變增強,又由于太行山—巫山山脈東部和江淮流域平原的山地―平原環(huán)流在110?E東側上升支的作用,觸發(fā)了梅雨鋒上的渦旋,同時低空急流對水汽輸送和上升運動的維持又有利于梅雨鋒渦旋及MCS的發(fā)展和維持。

青藏東部在午后至傍晚(06—10時,本文如無特別說明均采用世界時)由于太陽輻射產(chǎn)生的地面加熱的積累,對流系統(tǒng)活躍,降水量達到峰值。四川盆地在夜晚初期到次日凌晨(12—20時),由于AS1熱力環(huán)流上升支的作用,降水量增強。我國東部淮河流域梅雨鋒上降水的峰值出現(xiàn)在夜晚后期至次日清晨(15—23時),與AS2的上升支有關。

山地―平原環(huán)流影響梅雨鋒降雨是一些天氣系統(tǒng)配合和活躍的結果,包括青藏高原和四川盆地、二級地形和東部平原的山地―平原環(huán)流,西南渦、梅雨鋒渦旋的共同影響。

5.2.3 中尺度地形影響

趙玉春等[24]根據(jù)長江中下游中小尺度地形特征和梅雨鋒上MCS發(fā)展的典型探空曲線,設計理想數(shù)值試驗來研究中尺度地形對流降水模態(tài),探討了不同地形高度、尺度、形狀(水平形態(tài)比)、環(huán)境氣流以及旋轉效應對降水模態(tài)和分布的影響,發(fā)現(xiàn)地形重力波破碎觸發(fā)對流是地形對流降水的主要機制之一,地形重力波的形成、特征和傳播受到環(huán)境條件制約,也受到地形自身參數(shù)的影響。當對流形成后,對流系統(tǒng)自身的下曳氣流和降水蒸發(fā)冷卻形成的向外流出的低層輻散氣流可激發(fā)出新的對流,同時對流還可激發(fā)出重力波與地形重力波相互作用,使地形降水模態(tài)復雜化。不同地形高度、尺度、形狀和環(huán)境氣流下,地形降水存在著多種模態(tài),其中迎風坡、背風坡、山頂附近以及地形上下游存在準靜止的降水模態(tài),地形上游、下游分別存在向上游、下游傳播的降水模態(tài),地形兩翼還存在向下游傳播的降水模態(tài),對流降水、穩(wěn)定層結降水以及對流與穩(wěn)定層結混合的降水均可出現(xiàn)在這些降水模態(tài)中,這取決于對流是否觸發(fā)。地形降水對地形無量鋼參數(shù)v/NWh和Na/v非常敏感,單一地形無量綱參數(shù)并不能決定降水的分布。地形下游和兩翼降水模態(tài)和分布的差異主要與不同地形參數(shù)和環(huán)境氣流下地形激發(fā)的重力波特性不同有關(圖8)。

5.3 濕斜壓熱動力耦合強迫激發(fā)MCS發(fā)生發(fā)展的動力機制探討

圖6 梅雨鋒上夜雨峰值概念模型（a）梅雨鋒MCS、背風氣旋和MCV的水平分布（粉色虛線為MCV的移動路徑，藍色陰影為500m以上的地形）；（b）與夜雨峰值相關的所有系統(tǒng)的垂直分布（紅線：位溫（θ），粉線：下坡風，箭頭：距平風，綠線：MPS環(huán)流）

陳忠明等[25]從包含非絕熱加熱的原始方程出發(fā),

將大氣的斜壓熱力作用通過熱力學方程引入散度方程,在替換平衡近似(alternative balance)下,導出了顯式包含非絕熱加熱分布與垂直風切變相互作用、斜壓熱動力耦合強迫影響的新型散度方程:

對于純東西風型,沒有南北風分量(v=0)的情形,則簡化(1)為:

由于非絕熱加熱非均勻分布與垂直風切變相互作用就在加熱中心區(qū)的上游和下游形成一個輻散和輻合增長偶,促進輻合中心的向東(下游)傳播。

對于純南北風型,沒有東西風分量(u=0)的情形,則簡化(1)為:

由于非絕熱加熱非均勻分布與垂直風切變相互作用就在加熱中心區(qū)的上游和下游形成一個輻散和輻合

增長偶,促進輻合中心的向北(下游)傳播。

對于實際大氣的情況,它既不是純粹的西風,也不是純粹的南風,通常以西南風為主,這時,非絕熱加熱非均勻分布與垂直風切變相互作用激發(fā)散度變化的情形也就是上述兩種情況的合成,即在加熱中心區(qū)的上游和下游形成一個輻散和輻合增長偶,促進輻合中心向下游傳播。

6 長江流域梅雨鋒暴雨系統(tǒng)物理概念模型

趙玉春等[26]根據(jù)大量個例研究并結合前人研究成果總結了典型梅雨鋒暴雨系統(tǒng)的物理概念模型(圖9):在對流層中低層(900～700hPa),梅雨鋒輻合帶主要由西太平洋副熱帶高壓西側外圍的西南暖濕氣流和東北低渦后部(或者華北高壓前部)的偏北氣流匯流而成[27]。梅雨鋒(θe鋒)位于暖濕高θe氣團和低θe氣團的交接地帶(即θe密集帶或梯度大值區(qū)),梅雨鋒正渦度帶、輻合帶和上升運動帶位于θe密集帶偏南一側。梅雨鋒輻合帶恰好位于對流層高層(100hPa)南亞高壓脊線附近的強輻散區(qū)的下方。梅雨鋒傾斜向上伸展,梅雨鋒南側為傾斜向上伸展的高θe舌。對流層中層(500hPa)短波槽東移為梅雨鋒上的MCS發(fā)展提供有利的動力和熱力條件(大尺度強迫),梅雨鋒南側的西南低空急流為梅雨鋒暴雨的形成提供充分的水汽和能量,同時低空急流出口區(qū)附近動力強迫在梅雨鋒上MCS的發(fā)生發(fā)展中起到極為重要的作用[28]。梅雨鋒云帶上有多個α-MCS不斷生消,并伴有β和γ中尺

度對流云團活動,這些β和γ中尺度對流云團往往嵌套在 α-MCS內,有的也在梅雨鋒云帶上或者南側孤立發(fā)生發(fā)展。梅雨鋒偏南暖濕氣流一側的β和γ中尺度系統(tǒng)在對流層中低層風場上往往表現(xiàn)為偏南氣流中的氣旋性擾動。不同尺度的對流系統(tǒng)活動引發(fā)的強降水凝結潛熱加熱對流層中層大氣,使梅雨鋒附近的氣層變得趨于穩(wěn)定,導致對流活動可能激發(fā)出慣性重力波,它在梅雨鋒附近活動有利于新對流系統(tǒng)的形成[29]。梅雨鋒南北兩側分別存在著一熱力間接和直接環(huán)流圈[30]。

圖8 山脈高度（a）、尺度（b）、水平形態(tài)比（c）和環(huán)境氣流（d）試驗組積分30min模擬的沿地形中線4km高度上的位溫（單位：K）分布

圖9 典型梅雨鋒暴雨系統(tǒng)物理概念模型示意圖

7 小結

綜上所述,項目組在產(chǎn)生暴雨的中尺度對流系統(tǒng)的組織分類、環(huán)境條件、結構特征、地形影響及其發(fā)生發(fā)展機制等方面取得了新的進展。給出了長江流域HRPMCS的統(tǒng)計特性,特別是組織分類,還有MCS的生命史、傳播、地理分布以及相應的環(huán)境條件。通過大量個例的診斷分析揭示部分線狀產(chǎn)生暴雨的MCS成熟階段的三維結構特征及其形成的可能物理機制。采用高分辨率的數(shù)值模擬和設計理想試驗揭示了產(chǎn)生暴雨的MCS發(fā)生發(fā)展的關鍵影響因子,以及大地形和中尺度地形對MCS發(fā)展的作用；給出梅雨鋒上MCS發(fā)生發(fā)展機理的理論解釋。綜合模擬結果和觀測結果的分析,提出了長江流域產(chǎn)生暴雨的MCS的物理概念模型。

[1]Parker M D, Johnson R H. Organizational modes of midlatitude mesoscale convective systems. Monthly Weather Review, 2000, 128(10): 3413-3436.

[2]Schumacher R S, Johnson R H. Organization and environmental properties of extreme-rain-producing mesoscale convective systems. Monthly Weather Review, 2005, 133(4): 961-976.

[3]Johnson R H, Aves S L，et al. Organization of oceanic convection during the onset of the 1998 East Asian summer monsoon. Monthly Weather Review, 2005, 133(1): 131-148.

[4]Robe F R, Emanuel K A. The effect of vertical wind shear on radiative-convective equilibrium states. Journal of the Atmospheric Sciences, 2001, 58(11): 1427-1445.

[5]Weisman M L, Rotunno R. “A theory for strong long-lived squall lines”revisited. Journal of the Atmospheric Sciences, 2004, 61(4): 361-382.

[6]Weisman M L, Klemp J B, Rotunno R. Structure and evolution of numerically simulated squall lines. Journal of the Atmospheric Sciences, 1988, 45(14): 1990-2013.

[7]LeMone M A, Zipser E J, Trier S B. The role of environmental shear and thermodynamic conditions in determining the structure and evolution of mesoscale convective systems during TOGA COARE. Journal of the Atmospheric Sciences,1998, 55(23): 3493-3518.

[8]Schumacher R S, Johnson R H. Mesoscale processes contributing to extreme rainfall in a midlatitude warm-season fl ash fl ood. Monthly Weather Review, 2008, 136: 3964-3986.

[9]楊康權, 陳忠明, 張琳. 一次強降水過程中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展動力機制的診斷分析. 高原山地氣象研究, 2011, 31(1): 12-19.

[10]趙玉春, 王葉紅. 高原渦誘生西南渦特大暴雨成因的個例研究.高原氣象, 2010, 29(4): 819-831.

[11]崔春光, 倪允琪, 李紅莉, 等. 中國南方暴雨野外試驗（SCHeREX）中尺度氣象分析場的建立及其質量評估. 氣象學報, 2011, 69(1): 27-41.

[12]許小峰, 高麗, Jin F F. 梅雨濕度鋒上中尺度對流云團生成和發(fā)展的波捕獲機制. 自然科學進展, 2009, 19(11): 1203-1208.

[13]王曉芳, 崔春光. 長江中下游地區(qū)梅雨期線狀中尺度對流系統(tǒng)分析Ⅰ：組織類型特征. 氣象學報, 2012, 70(5): 909-923.

[14]Zheng L L, Sun J H, Zhang X L, et al. Organizational modes of mesoscale convective systems over Central East China. Wea Forecasting, 2013, 28(5): 1081-1098.

[15]王曉芳, 汪小康, 徐桂榮. 2010年長江中游梅雨期β中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征的分析. 高原氣象, 2013, 32(3): 750-761.

[16]王曉芳. 長江中下游地區(qū)梅雨期線狀中尺度對流系統(tǒng)分析Ⅱ：環(huán)境特征. 氣象學報, 2012, 70(5): 924-935.

[17]崔春光, 王曉芳, 付志康. 多源探測資料在一次非線狀MCS分析中的綜合應用. 氣象, 2013, 9(5): 556-566.

[18]鄭淋淋, 孫建華. 干、濕環(huán)境下中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生的環(huán)流背景和地面特征分析. 大氣科學, 2013, 37 (4): 891-904.

[19]王曉芳, 胡伯威, 李燦.湖北一次颮線過程的觀測分析及數(shù)值模擬. 高原氣象, 2010, 29(2): 471-485.

[20]汪小康, 王曉芳, 崔春光, 等. 用新型探測資料分析武漢一次短時強降水過程的中尺度對流系統(tǒng). 暴雨災害, 2012, 31(4): 321-327.

[21]王曉芳, 胡伯威, 李紅莉, 等. 梅雨期一個伴有前導層狀降水對流線的結構特征. 高原氣象, 2011, 30(4): 1052-1066.

[22]趙玉春. 梅雨鋒對引發(fā)暴雨的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展影響的研究. 大氣科學, 2011, 35(1): 81-94.

[23]Sun J, Zhang F. Impacts of mountain-plains solenoid on diurnal variations of rainfalls along the Meiyu front over the East China plains. Monthly Weather Review, 2012, 140(2): 379-397.

[24]趙玉春, 王葉紅, 崔春光. 大對流有效位能和條件不穩(wěn)定下地形降水的三維理想數(shù)值研究. 氣象學報, 2011, 69(5): 782-798.

[25]陳忠明, 楊康權. 非絕熱加熱、濕斜壓熱動力耦合強迫激發(fā)輻合增長一種機制. 熱帶氣象學報, 2010, 26(6): 710-715.

[26]趙玉春, 王葉紅, 崔春光. 一次典型梅雨鋒暴雨過程的多尺度結構特征. 大氣科學學報, 2011, 34(1): 14-27.

[27]Zhao Y C, Li Z C, Xiao Z N. A case study on a quasi-stationary Meiyu front bringing about continuous rainstorms with piecewise potential vorticity inversion. Acta Meteorologica Sinica, 2008, 22(2): 202-223.

[28]趙思雄, 陶祖鈺, 孫建華, 等. 長江流域梅雨鋒暴雨機理的分析研究. 北京: 氣象出版社, 2004.

[29]胡伯威. 梅雨鋒上MCS的發(fā)展、傳播以及與低層“濕度鋒”相關聯(lián)的CISK慣性重力波. 大氣科學, 2005, 29(6): 845-853.

[30]沈桐立, 曾瑾瑜, 朱偉軍, 等. 2006年6月6—7日福建特大暴雨數(shù)值模擬和診斷分析. 大氣科學學報, 2010, 33(1): l4-24.

An Introduction to the Results of the Research on Mesoscale Convective Systems during the Rainy Season in the Yangtze River: A Key Project of the National Natural Science Foundation of China (40930951)

Wang Xiaofang1, Xu Xiaofeng2, Cui Chunguang1, Zhao Yuchun1, Sun Jianhua3, Chen Zhongming4, Fu Shenming3
(1 Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074 2 China Meteorological Administration, Beijing 100081 3 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 4 Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration, Chengdu 610072)

r:The mesoscale convective system producing heavy rainfall is an important system during the rainy season. The research on its organizational structure, activity patterns and the development of mechanisms is of great signif i cance to improve the storm forecasting ability. In the past three years, based on the project from the National Natural Science Foundation of China, we have been carrying out a series of studies on MCSs, including organizational model, structure characteristics, environmental conditions, and topographic effects on precipitation, especially the mountain-plain stream and meso-scale terrain. The couping force of wet baroclinic thermal power leads to the development of MCSs. Finally, the physical conceptual model of mesoscale convective systems producing heavy rainfall in the Yangtze River valley is summarized.

MCS, organizational model, structure characteristics, environmental conditions, terrain, conceptual model

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.02.002

2013年9月30日；

2014年1月2日

王曉芳（1972—），Email: wxf.xiaofang@gmail.com

資助信息：國家自然科學基金項目（40930951；41375057）