长江流域中尺度对流暴雨系统的大范围积云分辨率数值模拟研究及相应的观测研究

本项目拟深入研究长江流域致暴雨的中尺度对流系统的结构形态分类及产生的天气学环境条件、从动力学到云微物理深度上揭示其产生和自组织机理、持续机理、移动/传播和特定条件下准静止的机理、多尺度相互作用机理以及"上-下游效应"的机理。研究也包括长江流域复杂地形对上述各方面的影响。为达到这些研究目的，在观测分析中努力将我国近年大有增进的雷达、卫星等中尺度观测资料条件结合常规观测资料和中尺度再分析资料利用到极致；采用大区域积云分辨率数值模式结合最新一代资料同化系统，以在上述问题的模拟研究深度上有所突破；对数值模拟的诊断不仅利用其输出的动力、热力要素，也利用其输出的各种相态的水分布以及相态转换中的热效分布以深入揭露多尺度机理；在上述研究基础上将构造出具有一般性和长江流域独特性的中尺度对流系统的物理模型。

本项目通过观测分析、大范围积云分辨率数值模拟、敏感性试验以及理想数值试验等研究方法，深入探讨了长江流域造成暴雨中尺度对流系统(HRPMCS)的组织模型、结构及其发生发展的环境条件、关键影响因子和形成机理、地形作用，主要完成了以下研究内容：(1) 普查了长江流域连续3年梅雨期6—7月MCS个例，分析了MCS的活动特征，对MCS进行了组织分类；(2) 选择多个个例合成分析了不同类型MCS的环境条件；(3) 通过积云分辨率数值模拟研究了MCS的三维结构特征；(4) 设计理想实验结合实际个例模拟研究了MCS发生发展的影响因子及其形成机理；(5)设计敏感性试验，研究了中尺度地形对MCS降水的影响；(6) 根据典型MCS个例，设计半理想数值试验，研究了山脉-平原环流对梅雨锋降水的影响；（7）利用典型MCS个例，研究梅雨期中尺度对流涡旋的结构和发展机制；(8) 对比分析了梅雨期西南涡和大别山涡旋两类涡旋的演变机制；(9) 根据梅雨期MCS降水过程的能量转换和输送特征，分析了尺度间相互作用；(10) 研究了与MCS触发有关的若干中尺度非平衡非绝热动力学问题。主要研究进展如下：(1) 完成了国内基于最大样本的MCS组织模型分类，提炼了线状和非线状MCS发生发展的环境条件，发现新生单体产生机制和移动特征及环境风场影响MCS移动的快慢，基本气流、风垂直切变、冷池、重力波、低空急流是决定MCS组织模态的关键影响因子，概括了几类重要MCS的三维结构模型；(2) 提出了长时间准静止MCS静止维持的主要动力机制，即强的低空急流和弱的中层环流形成的风垂直切变主要平行于对流线方向是MCS准静止维持的主要机制；(3) 发现了山地－平原环流（MPS）对梅雨期对流降水有夜间加强的作用，给出了梅雨锋上MPS环流、MCS和MCV发展的概念模型；(4) 提出了中尺度地形对MCS降水的影响机制，地形的尺度、高度、形状与不同气流配置下对流降水模态的差异与地形重力波属性不同有关，单一地形参数不能决定地形对流降水模态；(5) 提出旋转风的动能制造是西南低涡动能增加的主导因子，旋转风的动能输送是大别山涡动能增加的主要机制；(6) 推导出新型散度方程、非均匀饱和大气的相当湿位涡方程，得到了MCS激发和维持机制的解析解。本项目在国内外期刊上发表论文54篇，其中SCI(E)13篇。