长江中游二级地形附近MCS的统计特征及东移影响下游降水的机理

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本文首先利用高时空分辨率的相当黑体温度(TBB)数据,基于模式匹配的自动识别追踪方法,对2000~2016年(2005除外)暖季(5~8月)长江中游二级地形附近(106°E~113°E,28°N~35°N)中尺度对流系统(MCS)进行识别、追踪和分类,对比分析东移与准静止MCS个例的时空分布特征、对流强度以及有利于MCS东移的大尺度环流背景条件;并对不同移动路径下东移MCS个例的天气背景及降水特征展开更详尽的对比分析。在此基础上,采用半理想合成数值试验较好地模拟了一类东移影响下游最显著的长生命史MCS个例,并利用试验结果深入分析此类东移个例对下游地区降水的影响过程与物理机制。最后,通过对一次典型东移MCS开展真实个例模拟,进一步验证了二级地形东移MCS影响下游对流系统发展的具体过程和机理。主要结论如下:
  长江中游二级地形附近东移和准静止MCS个例发生频次最高的月份均为7月。两类个例初生时刻的峰值均出现在午后,但准静止个例在凌晨出现次峰值。东移个例于傍晚至夜间(19:00~22:00BST)在二级地形东侧的长江中游地区达到成熟,夜间至次日凌晨(21:00~03:00BST)移到长江中下游地区后消亡。其生命史更长,移动距离更远,对流发展更为旺盛,对长江中下游地区的降水系统影响更显著。青藏高原以东对流层中层浅槽和西太平洋副热带高压的配合为二级地形东部对流的生成和东移提供了有利的环境条件;低层正相对涡度和较强的垂直风切变为对流的组织和发展提供了动力条件;强盛的低空急流不断向二级地形东部和以东地区输送暖湿气流,大量水汽的辐合有利于对流的发展和长时间维持。
  利用曲线-对齐聚类模型将193个东移MCS个例分为四类,进一步对比四类个例的环流形势、降水特征及低层相关涡旋的特征。第一类MCS受500hPa强盛的西南气流引导,主要向东北方向移动,引发的降水影响河南至山东半岛以及华北地区。第二类个例500hPa对应的偏西风和低层850hPa的西南气流均较弱,导致其主要在二级地形以东的长江中游地区保持准静止,且降水贡献率最小。第三类是东移长生命史MCS个例,对流发展最旺盛,引发的降水对长江中下游地区5~8月的降水量的贡献率最大,其中江汉地区最为显著。此类MCS在低层(850hPa)对应有强盛的西南低空急流,向二级地形的东侧及下游区域输送充沛的暖湿气流,中低层风切变较强,有利于MCS的移动和维持。并且其生命史中伴随涡旋的概率最高。第四类短生命史东移个例,低层的环流条件弱于第三类,导致其生命史与移动距离较短,对长江中游地区的降水贡献率较小。
  基于以上统计研究,在第三类东移MCS个例中挑选出一组对流层中层关键区内环流相似,且对下游地区具有显著影响的东移MCS,进行半理想合成模拟和敏感性试验以及一次典型东移MCS的真实个例模拟,利用实验结果开展东移MCS影响下游对流和降水的机理研究。研究表明二级地形对流形成在青藏高原东部短波槽和副热带高压外围的西南气流中,西南气流为对流的形成输送充沛的暖湿气流。对流形成前,低层东南和东北风的辐合和对流有效位能触发了上升运动。对流形成后,受到对流层中层偏西气流的引导作用,逐渐东移发展增强。其东移出二级地形后,与下游已有对流合并,合并后的对流加强了对流层低层(925hPa)气旋性的风场扰动,中尺度涡旋逐渐形成。受到夜间增强的低空急流的影响,合并后的对流发展增强,中尺度涡旋也随之东移加强,并与低层(850hPa)已有涡旋中心合并,中尺度涡旋发展到成熟阶段,其南部低空急流的辐合区产生较强降水。形成区域内非绝热加热的敏感性试验的结果表明,此类东移MCS对下游对流系统和涡旋的发展和增强具有明显作用。真实个例的模拟结果表明也印证了半理想模拟的结果:二级地形对流东移出地形后,与下游已有对流合并,诱发二级地形以东的中尺度涡旋。
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