梅雨锋产生的长江暴雨系统中尺度结构实例研究外文翻译资料

 2022-12-16 17:25:39

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梅雨锋产生的长江暴雨系统中尺度结构实例研究

刘丽萍1，阮正1和秦丹2

摘要 在国家基础研究规划“中国灾害性天气形成机理与预测理论研究”项目实地试验中，利用双多普勒雷达系统观测梅雨季节长江上游的强降水系统。利用径向速度和双多普勒雷达技术，研究了2002年7月22日和23日暴雨的三维中尺度运动结构和过程。结果表明，西南-东北方向的雨带长约1000公里，涉及大小为20-50km的中-beta;或中-gamma;尺度对流单元。长江中游的暴雨带存在于低空风切变中。风切变南侧西南低空急流与北侧东风之间的相互作用形成了上升气流。风扰动、风切变和辐合产生对流作用。新的单体在雨带的右后侧发育并移动到西南风区，水汽丰富。这种回波可以持续很长时间并且发展良好。强对流回波通常伴随着中-gamma;尺度涡旋和辐合。

关键词：梅雨锋暴雨，中尺度结构，双多普勒雷达，长江中游，低空急流。

近年来，长江梅雨锋产生的强降水是热门话题。在有利的天气条件和不同的中尺度过程之间的相互作用形成强降水。以前的研究包括暴雨的形成和维持，大气环流，梅雨锋和中尺度扰动之间的关系。近年来，通过使用多普勒雷达和卫星数据，大量研究和实地试验都集中在强降水系统的中尺度结构上。在淮河盆地进行的强降水现场试验中，三个X波段多普勒雷达用于观测降水及其中-gamma;尺度风结构。2001年和2002年夏季，国家基础研究规划“中国灾害性天气形成机理与预测理论研究”项目开展了长江暴雨现场试验。这是中国科学家首次使用中国制造的多普勒雷达系统观测长江暴雨的中尺度结构。这两个双多普勒雷达系统是在安徽和湖北建造的。观察暴雨的三维风场。研究了暴雨的中-beta;尺度结构。但以前的研究主要集中在风力反演技术和中-beta;尺度结构上，中-alpha;和中-gamma;尺度结构及其与强降水系统的相互作用尚未包括在内。

这里的研究案例涉及2002年7月22日和23日观测到的暴雨降水系统。卫星和双多普勒雷达数据用于检测中-alpha;到中-gamma;尺度的结构和强降水系统在梅雨锋上的演变。

1、观测系统和数据

2001年6月和7月在长江上进行了强降水现场试验。试验目的是了解梅雨时期引起暴雨的中尺度特征。在长江中游，距湖北省宜昌雷达98公里处的宜昌S波段多普勒雷达和荆州C波段多普勒雷达构建了双多普勒雷达系统观测三维风场的中-beta;尺度结构。利用宜昌，荆州，常德，长沙和南昌的5个多普勒雷达和卫星数据分析大暴雨系统的中-alpha;尺度结构。在密集观测期间，多普勒雷达在体积扫描模型中运行，长江流域观测时间不超过6分钟。径向速度误差小于1米/秒。2002年7月22日至23日，在实验过程中，一次中-alpha;尺度的暴雨通过双多普勒网络，并被选中用于研究长江暴雨系统的中尺度结构。

本文利用江西省南昌市常德，长沙，江西南昌的卫星数据和S波段多普勒雷达数据，对暴雨的中-alpha;尺度结构进行了检测，采用双多普勒雷达对内照进行了分析。中-beta;尺度的风场结构，径向速度数据是中-gamma;尺度结构。

Peter（1980）描述了这里使用的双多普勒雷达的风力检索方法。径向速度和反射率数据在笛卡尔网格上进行客观分析，水平和垂直网格间距分别为1和0.5km，采用双线性插值方法，通过将两个多普勒雷达的观测值与反射率相结合得到笛卡尔风分量。终端速度关系和非弹性质量连续性方程。在大多数领域，水平风的检索误差小于2m/s。

2、强降水系统的天气情况和中尺度结构

2002年7月21日至24日，从山东，安徽，江苏，湖北，湖南到江西的西南-东北导向对流辐合带长度超过1000公里，在双多普勒雷达覆盖范围内产生强降水，最大降水量为总量230毫米。有6个站点日降水量超过100毫米，荆州的日降水量为148.7毫米，志成为114.2毫米，五峰为110.3毫米。

2002年7月22日上午8点（北京标准时间BST），在双重多普勒雷达覆盖区发生强降水前3小时，南亚高压位于青藏高原上空，中高纬度环流是径向模式，副热带急流位于35°N，200hPa。冷槽加深，高空急流南下。低空急流以南的辐散区有利于对流活动。副热带高压较弱，热带气旋变得活跃，500hPa形成阻塞形势。切断低压向南移动并达到38°N，低层风切变强。在贵州、广西和安徽850hPa发现了东北-西南向的冷式切变。西南风在风切变的东南部吹过，长江中下游低空急流丰富的水汽提供了强降水的来源，产生了对流不稳定。

常德GMS-5（111°42“，29°10”） 的红外云顶亮度温度和多普勒雷达数据用于说明雨带的中-alpha;尺度结构及其演化。常德雷达0.5°仰角的PPI反射率和7月22日11：19BST至7月23日02：36BST的相应红外图像如图1所示，红外图像中的矩形表示雷达覆盖范围半径为460km。在卫星图像中云带始于长江，嵌入层状云中的弱对流云团于7月22日开始发育，其后4小时，对流带传播到湖南省中部和北部，随着合并扩大了规模。过程并发展成中-beta;尺度对流系统。雨带在19：00BST到达成熟阶段，最低TBB为-70°C，TBBlt;52°C的

图1.常德雷达在7月22日11：19（上），18：59（中）和7月23日02：36（下）（右列）的0.5°仰角的PPI反射率和相应的GMS-5卫星红外成像观测（左列）。

面积约为60000km2。云团随引导气流向东北移动，于7月23日凌晨01：00崩溃。同时，在有利的天气条件下，主要的云团变成东北-西南雨带，新的对流云发展形成了中-beta;尺度对流云带，并在湖北省中部产生了暴雨。在湖南西北部开始采用中-alpha;尺度暴雨系统向双多普勒雷达覆盖，暴雨主要发生在风切变区及其南部。在风切变的南部，发现了强西南风。相比之下，风切变北部几乎没有下雨。

多普勒雷达数据显示了降水的两种主要模式：对流降水的带状模式在西南流动区域有较强的反射性，在风切变区域有对流云和层状云的复合体。7月22日15：00BST的风切变降水定义为最后一种模式，第一种模式雨带长度为400km，宽度为20km，在于风切变以南250km处，与风切变几乎平行。强对流云带受西南气流强迫的风切变，在风切变区形成“双波段”结构，云回波20：00BST后发展成云团。它与另一个云带合并到西南，并在切变风中与降水系统合并。荆州的暴雨是两种的结合。

3、降水和风场的中-beta;尺度结构

3.2雷达回波的中-beta;尺度结构

在风切变区，由层状或带状嵌入的对流回波组成最大反射率为50dBZ，宽度为10-50km的簇或带，并具有约2km的回波顶（10dBZ），其最大反射率出现在高度5-6公里，向下发展。另一方面，层状回波结构光滑，反射率弱，亮带明显。图2显示了荆州自动气象站（30°20，112°13）的降水率和反射率的时间-高度截面。双多普勒雷达系统覆盖范围内的大部分降水产生于两个时期：7月22日的10：00至12：00BST和7月23日的12：00至03：00BST。荆州站降水由六个对流单体产生，降水持续时间约为1-3h。降水的时间变化明显，最大降水量为80mm/h（10min内降水量为13.3mm）。

图2.荆州站降水率（a）和站点反射率的高度-时间截面（b）。

3.2风场和回波演化的中-beta;尺度结构

影响降水发展和演变的中-beta;尺度系统包括低空急流和风扰动，中尺度风切变，辐合和涡旋。降水与风切变位置的比较表明，对流作用往往伴随着风场的局部变化。西南风和东风向北或向南的变化改变了风切线的形状，产生了局部辐合并引发了对流作用。在这种情况下，对流作用与西南风和东风的强度有关。

7月22日至23日荆州西南的暴雨和风场的研究表明，在低仰角0.5ordm;仰角的PPI径向速度下，旧回波西南的风扰动产生局部辐合，迫使旧回波右侧的新回波发展。但高仰角PPI的风扰动消失了。扰动可能与下沉气流有关。图3显示了7月22日11：36至13：00BST的回波演变，这是典型的后部生成和右移对流云，其中新的对流单元在旧回波的右后侧发展和加强，并与旧单元合并，而左侧回波变弱。回波的演变使整个雨带移动到引导气流的右侧。在7月22日11：36-13：00BST，扰动演变成回波带（图3中以实心圆圈标出），新的回波形成于旧对流单元（虚线圆圈）的右侧，在12：36BST中，两个回波合并形成回波带长50公里，向南移动并保持4小时。7月22日12：25BST2km处风场水平分布和反射率如图4所示，坐标原点为宜昌雷达站点。旧的对流单体位于风切变区域。旧回波以南的新回波单元是在西南气流区发展起来的。在雨带以南发现了最低速度为10m/s的西南风，相反，在另一侧，东风很弱。旧回波位于风切变线上。在低空，低空急流在2-4公里

高度处，有大量水汽输送到强降水系统并产生了辐合。在上层，最大速度为15米/秒的西南风产生了强回波扰动。低层和高层的西南风对于强降水系统的开发和维护非常重要。图5显示了沿图4中标记线的风和反射率的垂直分布.10dBZ的顶部高度为大约11公里，西南风向雨带西南侧的雨带提供暖湿空气，东侧风与另一侧的冷空气形成强回波的上升气流，最大垂直速度为2米/秒。

7月23日01:30，对​​流云发展到荆州雷达站以西70公里处，逐渐形成一条几乎垂直于风切线的雨带。图6表示反射率的水平结构和海拔1.5公里的风场于7月23日02：26BST。

图3.7月22日从1136BST到1300BST的强对流云的雷达回波时间序列。新的回波发生在旧回波的右后方。

图4.7月22日海拔1225点海拔2公里的风和反射率的水平分布。

图5.风场的横截面和沿图4中标记的线的反射率。

图6.7月23日0226BST海拔1.5km的水平风和反射率场。

雨带对应于南风和东风强迫的中尺度涡旋，风切变和上升气流。在西南风区，新的回波发生在旧回波以南，向南传播并发展成强回波，长度为90km，19：00BST时最大反射率为55dBZ。

图7显示了纬向和经向风场和反射率场的时间-高度横截面。在强降水发生之前，我们可以看到U分量变弱，V分量变强，这意味着在强降水之前风向南转。相反，在强降水发生后，U分量变强，V分量变弱，这意味着风向东转。

对于荆州地区的强降水，大部分对流云带和云团都是在风切变区发展起来的。风切变中风速和风向的扰动或两侧冷平流和暖平流的变化引起局部辐合，沿风切变引起对流云，大部分对流云移动到西南风区。丰富的水汽供应对于延长系统的寿命是重要的。虽然大多数对流云团位于风切变区域上方，但云层的风力结构却不同。

图7.湖北省松滋气象站的纬向和经向风场及反射率场的时高剖面图。

降水系统的中-gamma;尺度结构

在强对流云中存在许多中尺度系统，例如中尺度涡旋，辐合和辐散，特别是在风切变中产生并移动到西南风区的云。在本节中，将研究强对流云中的中尺度结构。图8显示了荆州雷达在12：24BST和12：36BST观测到的径向速度PPI。当两个对流云合并时，在55dBZ的强回波中心发现径向速度的正负中心，空间为6km，速度差为20m/s。这是典型的中-gamma;尺度涡旋。在仰角为1.5°的PPI中，中-gamma;尺度涡旋也很明显，但速度差减小到15m/s。值得注意的是，这种双重多普勒雷达技术无法检测出这种中-gamma;尺度现象。然后涡旋变弱，对流云发展进入带。在此过程中，新的涡流再次产生并在05：24BST达到成熟。与第一个涡旋相比，

图8.7月22日1224和1236BST的PPI径向速度（仰角：0.5°）。

最后一个的速度差较小，两个径向速度中心之间的距离很小。一段时间后，在负径向速度区域的仰角1.5°和2.4°处观察到正径向速度，这可能对应于暴雨的降落。相应的云带在06：32BST被削弱。

类似现象也发生在7月23日BST03：00。由于局部辐合，新的强回波和涡旋出现在旧回波的右侧和后侧，持续3小时。中-gamma;规模系统通常在中-beta;尺度云的融合过程中产生。

结论

利用卫星数据，多普勒雷达反射率和径向速度数据以及双多普勒雷达风探测技术，分析了2002年7月22日和23日长江中游双重多普勒雷达覆盖的强降水系统。

在融合云的中尺度中，中尺度对流云系统产生了强降水。一般来说，风切变区及其西南侧云系的回波特征和运动方向不同。前部云由对流云和层状云组成，对流云或单体具有较大的尺度和较弱的反射率，后者为对流云，反射率较强，尺度较小。风切变中的辐合和中尺度扰动对对流作用很重要。

与中-beta;尺度雨带相关，强大的西南风和4公里高度以下的东风形成了风切变，5公里以上的高度是均匀的西南风。中尺度风切变，辐合和辐散发生在3-4千米的高度以下。低空急流对于对流云团来说是最重要的，西南风的暖湿空气和东风的冷空气形成了上升气流。

在中-gamma;尺度上，新回波经常出现在旧回波的右侧和后侧，并移动到西南风区，在那里充足的水汽供应使对流云持续很长时间。当对流云合并时，经常发生中尺度涡旋。

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