我国中东部地区中尺度对流系统(MCS)的形成条件分析

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我国中东部地区(27°-40°N,110°-124°E)是中尺度对流系统(MCS)频发地区之一,夏季由MCS引发的强对流灾害性天气频繁发生,严重威胁了当地人民的生命财产安全,造成了惨重的经济损失。对于MCS初生的预报一直以来尤为困难,从雷达和卫星云图上能监测到对流系统的发生发展,但对于初生雷暴系统未来是否能发展、能否组织形成MCS的判断非常困难。为此,本文针对此问题,做了一系列的分析讨论,总结了国内外近几十年对中尺度对流系统的分析研究,包括中尺度对流系统的定义、识别标准、地理分布及生命史特征、系统发生发展各阶段以及结构演变特征,发生的环流背景场等问题。首先识别出我国中东部地区MCS系统,统计分析了这些系统的时空分布、生命史等特征,然后挑选有MCS发生前约6小时的和无MCS发生日的两种系统进行环流背景场对比分析,最后人工识别雷暴群(未形成MCS的雷暴)并将之与识别出的MCS系统的物理量诊断对比分析,从众多的物理量参数中提炼出形成MCS的关键因子,希望挑选出的物理量参数能够提前客观的预报出MCS。首先,本文使用我国风云2号地球静止卫星红外数字图像资料分类普查了2008-2010年夏季(6-8月)我国中东部地区(110-124°E,27-40°N)中尺度对流系统时空特征。根据尺度大小将MCS分类为α尺度的中尺度对流系统(MαCS)和β尺度的中尺度对流系统(MβCS),又根据MCS形状将MαCS分类为中尺度对流复合体(MCC)和持续拉长状对流系统(PECS),MβCS分类为中-β中尺度对流复合体(MβCCS)和中-β持续拉长状对流系统(MβECS)。结果表明:(1)3年夏季共识别得到了208个MCS,其中有68个MαCS和140个MβCS,拉长状系统占MCS总数79.3%,表明拉长状系统是该区域夏季的主要对流系统。(2)大部分系统的主要移动路径为自西向东,和我国中纬度西风带天气系统移动一致。(3)MCS形成高峰时段为0900-1000UTC(世界时),成熟高峰时段为0010-1100UTC,消散高峰时段为1200-1300UTC,生命史约为6.5小时。(4)MαCS从形成到成熟需3-4小时,成熟至消散需4-5小时;MβCS发展和减弱时间相当,为2-3小时。然后,用之前的卫星资料找出无MCS发生63日,从识别出的208个MCS挑选出64个个例,对有无MCS发生的两种系统采用时间间隔为6h,空间分辨率1°×1°的夏季(6-8月)2008-2010年的NCEP再分析资料进行环境物理量场固定合成对比分析。结果发现,MCS发生前6h左右,表现出与无MCS发生日显著不同的环流背景场特征:(1)中低层由西南气流控制,风速加强,生成位置有正温度平流,且上游存在切变线,西太平洋副热带高压有自洋面加强西伸趋势,高空南亚高压加强东扩,在生成位置北边有明显的高空急流。(2)低层为正涡度,有辐合,正涡度中心在生成位置西北方向,高层为负涡度中心,有辐散,中低层有来自孟加拉湾和南海的水汽输送,且有水汽集聚。(3)低层有明显的不稳定层结出现,中层为中性层结,高层稳定,对流不稳定有自北向南递增特征。最后,用同一卫星资料人工识别出普通雷暴群174个(某一区域有至少三个雷暴产生,但在雷暴生消阶段内不能形成MCS的雷暴群),采用NCEP再分析资料对208个MCS生成前约6小时左右和174个普通雷暴群最强盛时期(雷暴数目最多时刻)物理量场通过单点值的方法对比分析,得出能区别普通雷暴群和生成MCS的重要物理量;对能区别的物理量场进动态合成对比分析,得出区别两种系统必不可少的物理量;最后用评分方法(HSS、POD、FAR、TS、BS)进一步提炼出对于MCS生成至关重要的物理量;结果本研究得到了7个预报有无MCS发生相对较好的物理量,它们分别为SWEAT、MK、LFTXS、2m比湿、850hPa相对湿度和温度平流及0-3km垂直风切变。
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