（气象学专业论文）一次春季黄河下游mαcs的综合分析.pdf

摘要 2 0 0 3 年4 月中旬黄河下游出现了一次水平尺度超过2 0 0k m 的中a 尺度对流系统( 简称 c s ) 的强烈发展过程，它不仅给济南市带来了火暴雨，而且还出现了阵风锋这样的强烈的对 流性天气现象。因此，研究这个罕见的春季c s s 过程，对加深了解中d 尺度的对流系统发 生条件和结构的科学认识是很有意义的。 论文首先利用红外云图分析了这此春季m 。c s 发展过程的特点，指出它是在对流最不活 跃的上午就强烈发展到中a 尺度，在傍晚又有第二次m 。c s 的发展造成了更大的降水过程， 并且最后从一个和m c c 相类似的椭圆形的对流云团演变为类似于冷暖锋云系的不对称结构。 其次，论文利用高空资料对这次m 。c s s 的发生条件进行了诊断分析，指出由于2 0 0 3 年4 月中旬西太平洋副热带高压脊线的位置达到了常年盛夏8 月份才能达到的纬度，副高西侧的 偏南风低空急流使黄河下游处于高温高湿和对流性不稳定的空气控制下。当天上午的大尺度 条件与夏季发生m c c 的条件非常类似说明以往总结出来的夏季m 。c s s 或m c c 的发生条件 是具有普遍意义的。但是，来自东北方向的8 5 0h p a 以下行星边界层内浅薄冷空气的回流与 m 。c s 的第二次发展有关，并且导致了它演变成为具有不对称的云系结构。这一与夏季m c s 过稃不同的特点很可能与春季海水温度回升较慢，4 月份渤海海表温度仍处于相当低的水平有 关。 最后论文从多普勒雷达速度图像中成功地分析出了伴随第一次m 。c s 强烈发展过程出现 的阵风锋流场的三维结构。此外还从多普勒雷达垂直风廓线产晶和速度图像中分析了m 正s 第二次发展过程中行星边界层内冷空气的回流现象。 论文关于春季m ( ，c s 发展条件的分析、东北方向边界层回流冷空气的作用，以及基于多 普勒雷达速度图像的阵风锋三维流场结构的分析等都是国内相关文献中没有见到过的，具有 创新性，而且对强对流天气的预报和多普勒雷达的应用也有重要的参考价值。 a b s t r a c t d u r i n gt h em i d d l et e nd a y so fa p r i l2 0 0 3 ，am e s o m s c a l ec o n v e c t i v es y s t e m ( m o s ) h a v e d e v e l o p e dw i t h i nt h el o w e rr e a c h e so f t h ey e l l o wr i v e lt h eh o r i z o n t a ls c a l eo f w h i c hw a sm o r e t h a l l2 0 0 k m i tc a u s e ds u c c e s s i v ec o n v e c t i v ew e a t h e re v e n t si nj i n a n ，s u c ha sh e a v yr a i n f a l la n d g u s tf r o n t i ti si m p o r t a n tf o ru n d e r s t a n d i n gt h eg e n e s i sc o n d i t i o na n ds t r u c t u r eo fm e s o a - s c a l e c o n v e c t i v es y s t e mt or e s e a r c ht h ei n f r e q u e n t s p r i n gm c sp r o c e s s i nt h i sw o r k ，i ri m a g ew a sf i r s t l yu s e dt oa n a l y z et h i ss p r i n gm a c sd e v e l o p i n gp r o c e s s i ti s f o a n dt h a tt h em c s d e v e l o p e di n t om e s o - n s c a l es y s t e mi nt h em o r n i n g t h i st i m et h ec o n v e c t i o n w a sn o tv e r ya c t i v e t h es e c o n dd e v e l o p m e n to f t h i sm a c si nt h en i g h f l a i ls t r e n g t h e n e dt h eh e a v y r a i n f a l lp r o c e s s e v e n t u a l l y , t h ee l l i p t i c a lc o n v e c t i v e c l o u dc l u s t e rw h i c hw a ss i m i l a ra sm c c d e v e l o p e di n t oa na s y m m e t r i cs t r u c t u r ew h i c hw a ss i m i l a ra sc o l d - f r o n t a lc l o u ds y s t e m s e c o n d l y , t h eg e n e s i sc o n d i t i o no f m a c s sw a sa n a l y z e du s i n gt h er a d i o s o n d ed a t a d u r i n gt h e s e c o n dt e nd a y so f a p r i l2 0 0 3 ，t h er i d g el i n eo f as t r o n gw e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hp r e s s u r e ( w p s h ) l o c a t e da tt h ei m i t u d ew h i c hw p s hr e a c hu s u a l l yi na u g u s t b e c a u s eo f t h es o u t hl o w l e v e l j e to n t h e w e s to f w p s h ，t h e l o w e r r e a c h e s o f t h e y e l l o w r i v e r w a sc o n t r o l l e db y c o n v e c t i v ei n s t a b i l 畸a i rw h i c hw a sh i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g hh u m i d i t y t h el a r g es c a l e c o n d i t i o ni nt h em o r n i n gw a st h es a m ea st h eg e n e s i sc o n d i t i o no f m c ci ns u m m e r , w h i c hs h o w n t h a tt h eg e n e s i sc o n d i t i o no f m d c s so rm c ci ns u m m e rs u f f n n a r i z e di nt h ep a s ti so f u n i v e r s a l i t y , b u tt h ep l a n e t a r yb o u n d a r yr e t u r nc u r r e n to f s h a l l o wc o l da i rb e l o w8 5 0 h p ac o m i n gf r o m n o r t h - e a s tw a sr e l a t e dw i t ht h es e c o n dd e v e l o p m e n to f m c s ，i tc a u s e dt h em q c sd e v e l o p i n gi n t o a na s y m m e t r i cs t r u c t u r e t h i sc h a r a c t e ri sd i f f e r e n tw i t hm c sd e v e l o p i n gi ns u m m e r , a n dm a y b e i ti sr e l a t e dw i t hs l o w e rr a i s eo f s e aw a t e ri ns p r i n ga n dl o w e rs e a - s u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s do f b o h a is e ai na p r i l a tt h ee n d ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo fg u s tf r o n ta c c o m p a n i e db yt h ef i r s td e v e l o p m e n t p r o c e s so fm d c sw a ss u c c e s s f u l l ya n a l y z e d f r o mt h ev e l o c i t y i m a g eo fd o p p l e rr a d a r f u r t h e r m o r e ，t h ep l a n e t a r yb o u n d a r yr e t u r nc u r r e n to fc o l da i r i nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t p r o c e s so fm 。c sw a sa n a l y z e df r o mt h ep e r p e n d i c u l a rp r o f i l ea n dt h ev e l o c i t yi m a g eo fd o p p l e r r a d a r t h ea n a l y s i sa b o u tg e n e s i sc o n d i t i o no f m c si ns p r i n g ，t h ee f f e c to f t h ep l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e r r e t u r nc u r r e n to f c o l da i rc o m i n gf r o mn o a h - e a s ta n dt h et h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i so f g u s tf r o n t b a s i n gt h ev e l o c i t yi m a g eo f d o p p l e rr a d a ri nt h i sp a p e ra r ea l lc r e a t i v ea n dh a v en o t b e e nf o u n di nt h e c o r r e s p o n d i n gl i t e r a t u r eb e f o r ei ts h o w st h a tt h er e s u l to f t h i ss t u d yh a s i m p o r t a n tv a l u et ot h e f o r e c a s to f s e v e r ec o n v e c t i v ew e a t h e re v e n ta n dt h ed e p l o y i n go f d o p p l e rr a d a r 第一章引言 1 1 国内外对m c s 、m c c 及阵风锋的研究进展 1 1 1m c s 、m c c 及阵风锋的科学定义和划分 一个系统在空间上的大小或者在时间上持续的长短称为尺度。为了方便地描述不同天气 系统的特征，许多学者又把它分为大尺度、中尺度、小尺度及微尺度等不同尺度的天气系统。 不同学者之间，划分的标准也不同，下表1 1 为o r l a n s k i ( 1 9 7 5 ) 按水平尺度和时间尺度划 分的天气系统情况，这种划分在国内外被广泛应用。 表1 1 大气运动尺度的划分( t s 、l s 分别是特征时间尺度和特征水平空间尺度) 1 + 月儿一 1 翮。1 1 + 时孵1 丹砷辱 1 静 l e 奠粗i 嚏# r 毒夫t 砸 ， 走是塞 十r 赢 中口尺崖 l 僦熬 r 丘虐 十尺鏖 小r 直 小r r 盘 、默t f 毒驯+ 一 十r 矗z 按他的划分标准，大尺度系统分为气候尺度( 又称为大n 尺度系统) 和天气与行星尺度 系统( 又称为大b 尺度系统) ，包括世界规模的驻波、超长波、潮汐波等。大n 尺度系统的水 平空间尺度在千公里或数千公里( 和地球半径可以相比较) 咀上，时间在1 星期左右或更长。 大口尺度系统包括斜压波等，水平空间尺度在2 0 0 0 k m 以上，时间几个小时至j l 天。水平空间 尺度2 2 0 0 0 k m 的系统称为中尺度系统，包括锋面、台风、飑线等，时间尺度从1 小时到几 个小时。水平尺度在2 k m 以下的系统称为小尺度系统，包括重力波、龙卷等，时间上仅存在1 秒到1 小时之间。每一个等级的大小均差一个量级。即差十倍。 1 1 2 中尺度对流系统( m c s ) l i g d a ( 1 9 5 1 ) 。1 最先提出“m e s o ”这个词，主要用来说明雷达回波的尺度。美国国家风暴 计划( n a t i o n a ls t o r mp r o g r a m m ) 将中尺度对流系统( m e s o s c a l ec o n v e c t i v es y s t e m s ) ( 以 下简称m c s ) 定义为水平尺度为1 0 l o o k m 、生命期l o h 左右、在生命期内包含强烈对流的降 水系统，包括飑线、具有较长生命史的较大尺度弓形回波和中尺度对流复合体( m c c ) 和对流 风暴群。这种系统经常产生象冰雹、强风、龙卷、洪水和闪电等灾害性天气现象a 一些研究 人员根据自己的研究方向和目标，提出不同的中尺度标准。o r l a n s k i ( 1 9 7 5 ) “1 将水平范围为 2 2 0 0 0k m 的系统定义为中尺度系统( 表1 1 ) ，又将中尺度系统分为3 个等级( 见表1 2 ) ， 将2 0 0 2 0 0 0 k m 的称为中一d 尺度系统，2 0 2 0 0 1 m 的称为中一b 尺度系统，2 2 0 k m 的称为中 一y 尺度系统。0 r l a l 2 s k i ( 1 9 7 5 ) ”1 定义的中尺度横跨了从1 0 0k m 到1 0 3k m4 个数量级。因此 是一种广义的中尺度，这种划分标准受到国内外的普遍认可，我国也普遍采取o r l a n s k ( 1 9 7 5 ) 的划分方法。 表1 2中尺度系统的分类 中尺度nl0 2 1 0 3 k m l 一5 d锋面、飓风 夜间低空急流飑线， 中尺度i b1 0 1 0 1 k m 3 h l d 内重力波，积云群等 中尺度y 1 一l o k r a 1 h 雷暴单体，惯性重力波 中尺度系统包括强对流系统。还包括重力内波、惯性波、背风波等非对流产生的运动系 统。强对流系统又可分为孤立对流系统、带( 或线状) 对流系统、块状对流系统等三类。根 据c h r i s h o l m 和r e n i c k ( 1 9 7 2 ) 吲分类，又将孤立对流系统分为普通单体雷暴、多单体雷暴和超 级单体雷暴三种基本类型。带( 或线状) 对流系统有飑线、锋面附近的中尺度雨带。块状对 流系统系统有中尺度对流复合体m c c ( m e s o - s c a l ec o n v e c t i v ec o m p l e x ) ( m a d d o x ，1 9 8 0 ) ”1 按 照o r l a n s k i ( 1 9 7 5 ) 1 】的尺度划分，孤立对流系统属于中b 尺度系统或中- y 尺度系统，水平 尺度在几十公里左右：飑线属于中b 尺度系统或中- a 尺度系统，其长度约几百公里，宽度约 5 0 1 0 0 公里；中尺度对流复合体m c c 属于中a 尺度系统。通常地，孤立对流系统又被称为 雷暴尺度系统，而后两类( 带状和块状对流系统) 被狭义地称为中尺度对流系统m c s 。厂义地 讲，孤立对流系统和m c s ( 包含m c c 和飑线) 也可以统称为强对流系统，尺度的m c s 又可以 称为m a c s ，0 尺度的e c s 称为m b c s ，y 尺度的m c s 称为m yc s ( 见图l 1 ) 。 强对流系统。二j二：二二二二。l三二二复合体。 图1 1强对流系统的分类 1 1 3 中尺度对流复合体( m c c ) 中尺度对流复合体( m e s o s c a l ec o n v e c t i v ec o m p l e x e s ，简称m c c ) 应属于有严格定义的 尺度的中尺度系统，是指在卫星红外云图上的块状中一c 【尺度强对流系统，在它的椭圆形大冷 云盖( 云砧) 的f 方有多个对流单体存在。实际上，m c c 是m c s 的一种，但它在外形上要求最 大面积时椭圆率( 短轴长轴) i 0 7 ，所以m e c 发展旺盛时近圆形，说明它不是线状对流系 统( 如飑线) ，也不是中尺度雨带和孤立对流系统( 普通单体雷暴、多单体雷暴和超级单体雷 暴) 。 最早是m a d d o x “于1 9 8 0 年根据地球同步卫星云图对夏季发生在北美中纬度地区大陆上的 中尺度对流系统进行了尺度划分。最初的划分包含如表1 所示的内容： 2 表1 3 m c c 的划分( m a d d o x ，1 9 8 0 ) 尺度a ：云项亮温3 2 的冷云盖面积i 0 0 ，0 0 0 k 舻或 标准b ：云顶亮温一5 2 的冷云盏面积5 0 ，0 0 0 k m 2 持续时间 满足a 或b 条件的时间持续6 小时以上 形状在m c c 达到最大面积时偏心率( 短轴长轴) o 7 其中，起始时间是指a 或b 条件开始满足时，终止时间是指a 或b 条件开始 不再满足时，最大面积是指连续的一3 2 冷云盖所达到的最大面积。 云顶亮温很低( 一5 2 。c ) 说明m c c 是一种云体在垂直方向上发展得很高的对流系统； 一3 2 的冷云盖面积i 0 0 ，o o o l m 2 说明它的水平尺度在2 0 0k m 以上的一中尺度系统；持续时 间超过6 小时也符合o r l a n s k i ( 1 9 7 5 ) 所定义的o r 中尺度系统生命史的时间尺度：最大面 积时偏心率( 短轴长轴) 0 7 说明它是具有椭圆形的外形。所以m c c 是根据对流云团的椭 圆形冷云盖定义的一种a 一中尺度系统。 从外层空间看，对流云团都有一个接近圆形的云顶，这是对流云团顶部遇到对流层顶逆 温不能继续向上发展而向四周铺开的结果，即所谓的对流云的云砧。由于中纬度对流层顶的 高度上西风的风速很大，对流云团的冷云盖在高空西风的作用下向下游扩展，因而常常成为 椭圆形( 见下图1 _ 2 ) ，无论从冷云盖内存在多个温度很低的上冲云顶( 通常低于一7 0 ( 2 ) 来 看，还是从雷达探测来看，在m c c 冷云盖的范围内存在数个对流单体，因此它是多个对流的 复合体。 图i 2m c c 的云图 ( 左图为热带太平洋e 的m c c ；中间和右图为海南岛西南部的一个m c c 可见光云图和增强的红外云图) d d o x ( 1 9 8 0 ) ”3 对m c c 的划分标准较严格，许多学者在使用过程中对m c c 的划分做了修 改，例如a u g u s t i n e 和h o w a r d ( 1 9 8 8 ) ”1 对m c c 定义做了修改，略去了红外温度一3 2 c 这一条 件，因为他们发现，满足红外温度一5 2 的面积_ 5 0 0 0 0k m 2 的云团也一定满足红外温度一3 2 的面积l o o 0 0 0k 一。在我国符合m a d d o x 定义的m c c 比较少，中国的专家在研究过程中对 m c c 的定义也经过修改，如项续康”1 等根据南方( 3 0 4 n 以南) 地区m c c 的形状特征，在研究 中将冷云盖最大范围时椭圆率由原标准中的0 7 改为 1 0 6 ( 其它5 条标准完全与m a d d o x 的 相同) 。中国m c c 椭圆率较小的原因有可能和东亚上空的副热带高空西风急流和热带东风急流 都比较强，使得m c c 的云砧向下游延伸得很远。是冷云盖呈现出比较长的椭圆形特征。另外 如果以一5 2 c 的面积来定义m c c ，则它的椭圆率可能会更接近于1a 由于m a d d o x 早年提出的 m c c 标准有一定的局限性，而中国幅员辽阔，地域之间有较大的差异所以符合m c c 定义的只 占m c s 中很小的一部分，从m c c 得出的结果不足以代表m c s 的全貌所以近年来国内外已较 3 少使用m c c 这个名称而将外延扩大，改用更有普遍性的名称m c s 。 1 1 4 阵风锋 阵风锋( g u s tf r o n t ) 又称飑锋、飑线、伪冷锋、密度流、外流边界等，称呼非常混乱。 它是单体雷暴在成熟阶段，由降水引起的冷性f 沉气流到达地面并接着向外扩散，与环境的 暖湿空气形成了一条具有锋面性质的交界线。雷暴下沉气流的外流边界称为飑锋。飑锋后方 为下沉冷空气堆积形成的高压。飑锋的性质是密度流。 图1 3 阵锋风的产生( 左圈为强对流单体，右图为多单体) 大气科学词典对阵风锋和飑等也给出了定义。在大气科学词典中飑( s q u a l l ) 被定义为： 突然发作的强风，持续时间短暂。出现时瞬时风速突增，风向突变，气象要素随之也有剧烈 变化，以至猝不及防，造成灾害。飑形成于不稳定气团中，多发生在冷锋前的暖气团中。最 大风速可达2 0 m s ，有时甚至达到5 0m s ，并常伴有雷暴降水甚至冰雹。飑常不只在一处发 生，而是排列成线状，成为飑线。在气象观测规范中，飑的观测标准为：突然发作的强风， 持续时间短促。出现时瞬时风速突增，风向突变，气象要素随之亦有剧烈变化，常伴随雷雨 出现。对大风出现的强度和时间并没有给出具体的标准，但说明由强对流或不稳定气团产生 的。 阵风锋( g u s tf r o n t ) 的定义为：阵风锋又称为飑锋，雷暴云体冷性外流气流的前缘。 常以风速增强和明显降温作为主要特征。最大风速可达4 0 m s 以上，阵风锋前后风速差可达 2 0 m s 以上。阵风锋是一种中尺度锋面，水平尺度l o b l o o k m ，持续时间l 至几小时。 从上面的定义可以看出，阵风锋、飑锋、飑线实际上是称呼不同的相同的中尺度强对流系统， 它们产生的强风和降温时间短，与寒潮大风和气旋大风的时间长有明显区别，但与下击暴流 ( 即雷雨大风) 并没有明显的区分。 表1 4 飑锋各阶段特征 酐置厚度t 窟t 稍蝴 i 形虚，il _ 1 0 - 搴自l 蚋一 桐赫 l - 2k -蚰- 柚翻l 嚼。削哪 i 后加哺o 5 l h i - 墨 嗣潼、童聃u - 棚 稚 t o ，l 1s - 童奠、 4 少使用m c c 这个名称而将外延扩大，改用更有普遍性的名称m c s 。 1 1 4 阵风锋 阵风锋( g u s tf r o n t ) 又称飑锋、飑线、伪玲锋、密度流、外流垃界等，称呼非常混乱。 它足单体雷暴在成熟阶段，由降水引起的冷| 生f 沉气流到达地面并接着向外扩散，与环境的 暖湿空气形成了一条具有锋面性质的交界线。雷暴下沉气流的外流边界称为飑锋。飕锋后方 为下沉冷空气堆积形成的高压。飑锋的性质是密度流。 倒l _ 3 阵锋风的产生( 左图为强对流单伴，右图为多单体) 大气科学词典对阵风锋和飑等也给出了定义。在大气科学词典中飑( s q u a 1 ) 被定义为： 突然发作的强风，持续时间短暂。出现时瞬时风速突增，风向突变，气象要素随之也有剧烈 变化，以至猝不及防，造成灾害。飑形成于不稳定气团中，多发生在冷锋前的暖气团中。最 大风速可达2 0 m s 。有时甚至达到5 0m s 并常伴有雷暴降水甚至冰雹。飑常不只在一处发 生，而是排列成线状，成为飑线。在气象观测规范中飑的观测标准为：突然发作的强风， 持续时间短促。出现时瞬时风速突增，风向突变，气象要素随之亦有剧烈变化，常伴随雷雨 山现。对大风出现的强度和时间并没有给出具体的标准，但说明由强对流或不稳定气团产生 的。 阵风锋( g u s tf r o n t ) 的定义为：阵风锋又称为飑锋，雷暴云体冷性外流气流的前缘。 常以风速增强和明显降温作为主要特征。最大风速可达4 0 m s 以上，阵风锋前后风速差可这 2 0 m s 以上。阵风锋是一种中尺度锋面，水平尺度1 0 l o o k m 持续时间1 至几小时。 从上面的定义可蛆看出，阵风锋、飑锋、飑线实际上是称呼币同的相同的中尺度强对流系统， 它们产生的强风和降温时问短，与寒潮大风和气旋大风的时间长有明显区别，但与下击暴流 ( 即雷雨大风) 并没有明显的区分。 ( 即雷雨大风) 并没有明显的区分。 表14 飑锋并阶段特征 酐置-&it 窟l - t l 黼 i 秘耐hj舢i 亲自l 利啊一 柳_ “ j - l - - l蚰- 舯t i 懈l i r 一睇 i 后囊期o 5 1 - il - 墨蚋l - 棚哺，刳删中啪憎 蕾to ，hi，- 博叫kl 童囊、t i 4 l - 奎拳；1 裂髓厂鼍一承 请靛臀 栅珂警篇翟 晦钱燃9i 一功 2 堕簟- 后辩警鑫雀 、：b 一。- ，鸳重茎氯_ 木囊袖 冕-譬赣毯 - 一一一一一一一冶芎蕊 n k -1 b卫d!id柏 图1 4雷暴飑锋4 阶段 ( 低层行进的降水由雷达探测确定，“降水滚动由地面向上倾斜的气流形成) ( 日l 自w a k i m o t o 1 9 8 2 ) 上表1 4 和上图1 4 给出雷暴飑锋生命史的四个阶段。第一个阶段( 形成时期) 是发生 在雷暴的成熟阶段。从雷暴内到达地面的下沉气流向外扩散形成外流边界，即飑锋。 当雷暴进入消散阶段，飑锋进入其发展的第二阶段( 成熟初期阶段) 。这时飑锋前部的气 流从地面转向上方，在雷达回波上发现一条水平的降水滚筒( p r e c i p i t a t i o nr o l l ) 进一步的飑锋的发展进入第三阶段( 成熟后期阶段) 。这时来自雷暴的冷空气源已断绝， 飑锋形成了一个完整的密度流。当雷暴完全消失时，飑锋发展进入第四段( 消散阶段) 。这时 飑锋己传播到很远地方。由于没有冷空气的补充，并由于降水的蒸发和与环境空气的混合， 使它的结构减弱，厚度也减小。 图1 5飕锋结构概略幽( 引自g o f f 1 9 7 5 ) 图1 5 是概括的飑锋结构模式，大致可分为5 个部分： 第一部分是冷空气鼻。它位于冷出流的最前缘，似鼻状突向前部的暖空气中a 伸进暖空 气的深度因个例不同而有差异，有的鼻状尖端位于7 5 0 m 高度，处于地面冷空气边界前1 3 k m ； 有的鼻状最前端高度1 0 0 m ，伸进暖空气4 0 0 m ，也有一些观测表明，冷空气是向后倾斜的。这 些情形意味着前突的冷空气鼻具有周期性的崩溃和重建过程。 第二部分是冷空气头。在冷空气堆前部，空气垂直隆起，宛如头状。一些各例表明，头 顶高度为1 7 0 0 m 。在头的前部，由于冷空气抬举，出现强上升运动。在头的后部，气流变成较 5 弱的下沉运动，再后面进入尾流区，即后面的冷空气区。 第三部分是底流区。这是飑锋正后方向前流动的高速气流。它位于头部的b - 方，离地面 约l o o m 以上。这一高速的低流在鼻中向上方偏转，然后在上界附近转向后方，嘏后下沉到头 的后部。 第四部分是冷空气回流。这是一支由地面阻力引起的离开飑锋的贴地层气流。 第五部分是飑锋。这是冷空气出流与被抬升的暖空气之间的界面。这个界面与相对水平 风( u ) 零线吻合。 1 1 5 国内外对m c s 、m c c 和阵风锋的研究成果 m a d d o x ( 1 9 8 3 ) 虽早对1 9 7 5 1 9 7 8 年4 8 月发生在美国的m c c 的气象条件进行了合成分 析，结果表明，m c c 生成于弱地面锋附近和有明显的西南暖施低空急流的区域，中层有向东移 动的弱短波槽，m c c 发生发展的主要强迫因予是低层的暖湿平流。r o d g e r ( 1 9 8 3 1 9 8 5 ) ”1 ， v e l a s c o 和f r i t s c h ( 1 9 8 7 ) ”1 a u g u s t i n e 和h o w a r d “”1 ( 1 9 9 1 ) ，m i l l e r 和f r i s t s c h ( 1 9 9 1 ) 1 1 1 l a i n g 和f r i t s c h ( 1 9 9 1 ) “等对全球各地及1 0 0 个引发北美洪水的m c c 的分布、结构及 发生的大尺度环境进行了普查研究，结果表明，m c c 发生频繁的区域有着相似的自然地理条件， 一般发生在主要山脉的下风方( 中层) 、低层经常有高es e ( 高温高湿的气团) 的低空急流出 现的区域( 见图1 6 ) 。m c c 发生在条件性不稳定的大气环境中，地面到5 0 0 h p a 风向随高度明 显顺时针转变的环境风场( 暖平流) ，低空强而湿的偏南气流，低空暖平流和水汽输送和辐台， 2 0 0 - - 3 0 0 h p a 高空西风急流右侧的风速反气旋式切变以及发散流场( 高空辐散) 等，并有类似 的夜发性、持续时间在1 0 小时以上等特征。 图1 6中纬度n c c 的分布 我国也是m c s 和m c c 的多发区，每年都有m c s 和m c c 造成的夏季暴雨和洪涝灾害，对它 们的研究有很多。早在1 9 8 5 年，方宗义“”就指出中国长江流域梅雨期的暴雨是由m c c 造成的， 并从多个各例总结出发生m c c 的大尺度环流背景的概念模型，即m c c 发生在西南季风北端、 准静止的东西向切变线或锋面的西端和5 0 0 西风带槽线南端这三者的交汇处( 见图1 7 ) a 6 图1 7 有利于我国m c c 形成和发展的天气形势概念模型( 取自方宗义，1 9 8 6 ) 李玉兰等( 1 9 8 9 ) “对发生在云南及其周边地区中尺度对流系统的时空分布特征进行了 研究，认为6 8 月为m c s 主要主要发生时段，并认为高原地区的m c s 具有地域特点。项续康 等( 1 9 9 5 ) ”对发生在我国南方的m c c 进行了研究。江吉喜等( 1 9 9 6 ) “利用1 9 9 4 年6 8 月 红外云图资料对发生在青藏高原上的2 9 3 个m c s 进行了统计和分析，并对文章中的m c s 重新 进行了定义：把云顶亮温t b b 一5 04 c 、生命史3 h ，定义为s - m c s 。他的研究表明，高原上的 m c s 的形成主要是因为地形热力的作用。陶祖钰等( 1 9 9 6 ) “”等通过对常规的地面和高空资料 的考察，得出夏季发生在河北境内蛐c c 个例的环流结构，即3 0 0 h p a 以上是一个中尺度反气旋 式辐散环流，在对流层下部( 以7 0 0 h p a 为中心) 是一个气旋式辐合环流这种环流结构是与m c c 的热力结构( 对流层中高层的暖心和近地面的冷堆) 相致的，地面是一对正负( 北部为负， 南部为正) 与m c c 配合( 如图1 8 ) 。 图18m c c 的环流结构( 取自陶祖钰，1 9 9 6 ) 马禹( 1 9 9 7 ) “7 1 等通过对1 9 9 3 1 9 9 5 年3 年夏季发生在我国的m c s 的卫星云图的普查， 指出了黄河中下游地区是m a c s 对流系统的多发区，并指出一种m a c s 多形成于夜间，到凌晨 消散；另一种发生于午后，入夜后消散。( 表1 5 为马禹所定义的m a c s 判据。) 表1 5m a c s 的判定标准及其生命史的规定 判据描述 最小尺度丁b b 一3 2 c 的连续冷云区的短轴不小于8 0 个纬距 持续时间 不限 形状- 3 2 c 的连续挎云匮的最大范围时椭圆率( 短轴长轴) o 5 发生时间开始满足晟小尺度的时间 最大范围( 成熟) 时间t b b - 3 2 c 的连续冷云区达到其最大面积的时间 终止时间不再满足最小尺度时间 7 郑永光等( 1 9 9 8 ) “普查了1 9 9 3 年7 、8 月黄海及周边地区m c c c s 的发生情况，并用合 成和客观分析诊断的方法考察了m c l c s 两个活跃期和两个静寂期，得出与国外研究相类似的 m a c s 发生的火尺度环境场的热力和动力条件为：低层为高相当位温的暖湿空气；大气层 结为条件性不稳定及与暖平流相联系的风向随高度顺转；强而稳定的西南低空急流向m a c s 活跃地区输送大量水汽：与对流层低层暖切变线伴随的辐台及不太强的上升运动；与副 热带西风急流出口区右侧发散气流相联系的高层辐散。吕艳彬等( 2 0 0 2 ) 。”等选出发生在华 北平原的3 个典型m c c 个例合成出代表m c c 发生前的环境场，认为m c c 具有夜发性的特点， 弗得出结论：我国北方m c c 产生的环流背景与我国南方和北美的m c c 有相同的地方，如多发 生在具有对流性不稳定高温和高湿的大气中，并具有充足的水汽输送。但也有不同的地方， 如华北平原的m c c 发生在移动性冷锋前的暖区中，而不是象南方的m c c 常发生在静止锋的西 端，也不象北美的m c c 发生时，对流层上部为人尺度长波脊。 虽然定义改变了，研究的个例增加了，但得出的环境场的结论基本与m c s 、m c c 一致，同 样，对m c s 、b i c c 的研究也都是集中在6 8 月对北美和中国及其周边地区m c c 气候特征的 统计都表明，中纬度地区( 3 0 4 0 。n ) m c c 发生在夏季6 、7 、8 月一年中最潮湿的这三个月 中，黄河流域的m c c 更是集中发生在7 、8 月间，而对发生在其它季节的m c c 却极少有人关注。 阵风锋的研究在国外较多见，但在我国却少见，特别是关于阵风锋的多普勒雷达分析更 为少见。在这篇论文中，我们所要研究的个例是2 0 0 3 年4 月1 7 日发生在黄河中下游的y a c s 个例，除了这次个例发生在春季这一特点，并对环境场的分析也发现了与北美及中国等m c c 及m c s 发生时环境场的不同之处外我们首次发现了阵风锋的多普勒天气雷达径向速度特征， 对以后多普勒天气雷达的应用有一定的指导意义。 1 2 卫星云图与新一代多普勒天气雷达资料在强对流性天气中的运用 1 2 1 卫星在识别强对流系统中的应用 近年来，卫星云图也已成为日常预报和研究工作的重要资料。卫星图像在识别跟踪中尺 度天气系统方面特别有价值。没有它的帮助，中尺度系统可能会溜过观测网的监测。这些较 小尺度特征的出现及其组织性通常只有在卫星云图上才能被识别出来，甚至在观测资料相对 比较丰富的区域也是如此。所以了解卫星云图的相关知识是非常重要的。 气象卫星分为极轨卫星和静止卫星两种。极轨卫星的轨道经过极区附近，高度约为8 5 0 k m ， 卫星的轨道位置在空间几乎是固定的。由于地球在卫星下面自转，因此这些卫星能够观测到 全球地表，空间分辨率高，为l k m ；时间分辨率低，每2 4 h 完全覆盖全球一次，不适合监测对 流系统和短时预报。静止卫星环绕地球的轨道在赤道上空，高约3 5 8 0 0 k m ，运行周期约与地球 自转周期同步在赤道上空静止不动，扫描一张全圆盘图约需2 5 分钟。静止卫星主要优点在 于其资料的时间分辨率高，每3 0 分钟可得到一张新图；由于它们距离地球远使空间分辨率受 到限制，可用的资料在7 0 。n 到7 0 。s 之间。静止卫星可以连续拍摄云图，大大增强了云图 的时间连续性。甚高分辨率云图上的分辨率可达0 8 公里，因此可以看到云体较细致的结构。 应用静止卫星云图及其身高分辨云图资料来分析和预报雷暴、冰雹等范围较小、变化较快得 对流性天气是十分有效的。 卫星资料又分为可见光图像、红外图像和水汽图象。可见光图像用黑白方式显示，较黑 的色调表示低的亮度( 即低的反射辐射强度) ，较亮的色调表示高的亮度。亮度反应地物表面 反照率。高反照率的云具有云厚度大，云水( 冰) 含量高，云滴平均尺度小等特点。相反， 低反照率云具有云厚度小，云水( 冰) 含量低，云滴平均尺度大等特点。可见光图像的优点 是云的可视纹理结构清楚，可以进行云判识，揭示云的垂直结构和边界，昂大的缺点是在夜 间看不到可见光图像，而对流和强降水多发生在夜间，对对流性天气的监测不太有利。 8 红外图像红外图像表示辐射面的温度。在黑白图象中，暗色调表示暖区，亮色调表示冷 区。由于云顶温度随高度递减，在红外图像中不同高度的云之间存在鲜明的对照。红外图像 的优点是可以进行2 4 小时不问断的观测，可区分云的高度，并可定量应用，例如根据观测到 的云温来估计相应的云顶高度等。最大的缺点是在夜间很难观测到低云和雾。 水汽图象是从波长为6 7 p m 附近的辐射得到的，这里是以水汽为主要吸收气体的一个谱 区。水汽图象通常是将发射的辐射转换成温度来显示。由于温度随高度递减，对流层上部高 湿度区显得冷( 亮) ，而低湿度区显得暖( 暗) 。水汽图象的优点是可以进行2 4 小时不问断的 观测，可提供无云区的信息，能有效地显示对流层中部的气流。主要缺点是主要反映对流层 中层4 0 0 6 0 0 h p a 的水汽。 可见光图像、红外图像和水汽图象共同的缺点就是只能提供云顶表面的信息，不能得到 低层的有关资料。 由于静l r 气象卫星资料具有时空分辨率高的特点，而且红外云图产品不受昼夜变化的影 响，所以静止气象卫星的红外云图资料得到更多的使用。气象卫星观测的相当黑体温度 b l a c k b o d yt e m p e r a t u r e ( t b b ) ，也称红外辐射亮温温度，简称亮温b r i g h tt e m p e r a t u r e ( t b ) 就是当前广泛使用的一种。云顶辐射亮温t b 可以定量地展示云区和无云区相对应的许多重要 天气系统特征。 在m a d d o x 于1 9 8 0 年根据地球同步卫星云图对夏季发生在北美中纬度地区大陆上的中尺 度对流系统进行了尺度划分以后，所有关于m c c 、m c s 的研究都是通过红外卫星云图t b 资料 得出的。 国内利用g m s 卫星红外云图对m c c 、m c s 已有大量研究，g m s 卫星红外云图可以清楚地揭 示m c c 和m c s 的发生和发展。肖稳安等( 1 9 9 5 ) ”1 l 发现强降水常发生在m c c 发展到最强时刻 以前的发展阶段，最大降水在i v l c c 冷云顶温度t b 一5 3 c 的面积达最大前l 小时左右和中心晟 冷云顶达最大时刻。杨金锡等( 1 9 9 4 ) ”“认为每小时强雨区经常发生在中尺度对流云团北侧 t b 等值线密集处或偏冷区一侧。石定朴等( 1 9 9 6 ) ”“的研究表明g m s 卫星红外云图云顶黑体 温度的等值线分析方法能很清楚地展示m c s 的产生过程。冷云盖周围t b 等值线疏密所反映的 云顶温度梯度对m c s 的发展有很好的指示意义。江吉喜等( 2 0 0 0 ) “使用1 7 年日本g m s 观测 区中( 6 0 0 s 6 0 0 n ，8 0 。e 1 6 0 0w ) 逐日t b 资料，计算和绘制了1 7 年的总平均图，季、月、旬、 候总平均图，以及各年季月平均和距平图，较为全面地得到了t b 资料在天气分析、预报和短 期气候监测及诊断预报中的一些应用方法。在此基础上，结合实例对t b 资料的应用作了论述， 介绍了怎样使用该产品分析热带、副热带地区的主要环流系统( 如i t c z ，副热带高压的活动 特征，高原天气系统，中、低纬环流系统的相互作用) ，以及中国夏季天气异常的成因分析和 对e n s o 事件的监测等。刘婉莉等( 2 0 0 1 ) ”“认为中尺度或中间尺度暴雨云团云顶t b 0 7 。其中，起始时间是指蘸个条件中的任一条件开始 满足时，终止时间是指两个条件开始不再满足时，最大面积是指连续的一3 20 c 冷云盖所达到 的最大面积。( m a d d o x 的m c c 的定义标准见第一章引言部分的表1 3 ) 。 从济南和济阳两站的逐时雨量( 见图2 2 、图2 3 ) 中我们已经知道，这次暴雨过程有两 个强降水时段，第一个强降水时段济南最大降水强度超过1 2 m m l h ，出现在中午前后1 1 时至 1 2 时，并伴有风向急转、风速剧增、气压陡升、气温骤降的阵风锋现象，济阳第个强降水 时段出现在1 2 时至1 3 时，最大降水强度超过l o m m l h 。 1 6 图2 44 月1 7 日静止卫星红外云图 ( 左卜角为时间，注：北京时；黄色箭头为对流单体；红色箭头为新生成的单体) 图2 4 所给出的是4 月1 7 日的每小时