江淮流域梅雨MCS结构特征与对流-层云降水过程研究

进一步深入认识江淮流域梅雨期间中尺度对流系统（MCS）内部的结构和动力物理过程对定时、定点、定量的暴雨预报十分重要，因此，拟开展以下研究：（1）综合多种高时空分辨率观测资料，采用多普勒天气雷达三维数字组网系统和多普勒天气雷达四维变分同化反演方法，分析2007年江淮流域整个汛期MCS的三维结构，包括：MCS内部对流和层云区域的回波垂直分布与演变、深对流和中等厚度对流的相对比例、线形MCS和非线形MCS的运动学结构特征、对流初生时环境层云的物理特性等；（2）对典型的线形MCS和非线形MCS开展高分辨率数值模拟试验，将观测与模拟结合，分析对流初生、再生与维持的机制（中尺度水平风辐合、对流尺度上升和下沉气流、冷池、云微物理和辐射传输过程的作用），分析层云的形成演变机理（大尺度抬升和深对流卷出的作用、云微物理和辐射传输过程的影响），总结两种MCS内部对流-层云降水过程的动力和物理机制的异同。

梅雨期强降水中心的位置和强度是业务短期预报的难点，其控制因子和物理机制，尤其是中小尺度演变特征和机理及其可预报性，是灾害天气研究的前沿。本项目充分利用高分辨率观测资料并开展显式对流数值模拟试验，在高分辨率小时降水资料的格点化处理、三维雷达拼图资料的检验、对流初生和演变的精细化过程和物理机制、中尺度对流系统（MCS）可预报性等方面开展研究，取得如下研究成果。.1）梅雨降水常常在凌晨至上午增强，其日变化的主峰出现在上午，夜间对流触发和演变的过程与物理机制是理解上午强降水成因的关键，但是对其认识还很模糊。我们将稠密观测资料和高分辨率数值模拟结合，发现前一天下午至晚上的对流活动在梅雨锋前形成地面中尺度冷池，该冷池抬升夜间加强的边界层气流朝着梅雨锋输送的高能空气，使其达到自由对流高度，连续触发新的对流单体，对流组织化发展于上午产生最强的降水。从物理机制上把前一天的对流活动、夜间加强的边界层气流、夜间－凌晨对流发生发展进而产生上午强降水联系起来，深化了对梅雨降水的多时空尺度相互作用机制的科学认识。.2）利用逐6-min、1km地基雷达拼图资料和稠密地面站观测资料，揭示了直接产生特大暴雨的对流发生发展的精细演变过程：对流单体形成后在对流层中低层环境偏西气流引导下向东运动，新生对流单体不断出现在老的对流单体的上风方，在2-3小时内形成几条长20-200公里的准东－西向中尺度雨带，雨带内多个对流单体排列起来重复经过相同的地方，产生局地强降水，同时几条雨带也排列起来向东南方向移动，在清晨7时左右形成一个准线状的MCS，它具有 “雨带波列－单体波列”的结构特征；MCS降水蒸发冷却作用产生地面东北风冷出流，冷出流与环境大气边界层内西南暖湿气流之间形成强烈辐合，暖湿空气被冷出流抬升造成雨带西端不断出现新生对流，使得准线状MCS维持更长时间。结合数值模拟建立了梅雨锋背景下MCS组织结构和形成机制的概念模型，不同于国际上建立的暴雨中尺度概念模型。.3）通过1km网格间距的多组集合模拟试验，研究了典型梅雨强降水过程MCS的可预报性，分别揭示了初始场误差和物理过程参数化方案不确定性对于降水模拟的显著影响，以及两种影响在程度上的差异，展示了初始时刻上游西南方向低空水汽场误差的显著影响及多变量初始场的协同改善对于准确预报强降水的重要性，还从物理机制上解释了陆面过程参数化方案不确定性显著影响降水模拟的原因