桂林一次强下击暴流成因分析

2019年3月21日广西桂林市临桂区发生一次极端大风天气过程(以下简称"3·21"临桂大风),当日21:13临桂观测站记录最大阵风风速为60.3 m·s^-1(17级)。通过风灾现场调查判断这是强度为EF2级的微下击暴流过程。应用常规观测资料以及加密自动气象站、探空、多普勒雷达等资料,分析了"3·21"临桂大风的环流背景与影响系统及其形成原因。结果表明:低层暖湿气流活跃,中层显著干层,强的低层垂直风切变是大风发生的有利条件,地面中尺度辐合线、冷锋南压为其提供了触发机制。"3·21"临桂大风由2个超级单体风暴合并加强造成,在下击暴流发生前,风暴单体最强反射率因子核心高度(HGT)超过6 km,有中等强度中气旋伴随,中层径向辐合明显,辐合值达36 m·s^-1;当反射率因子减弱、风暴顶高下降、HGT下降时,下击暴流发生;当HGT剧降,一个体扫间隔下降3.5 km,17级极端大风发生,低层0.5°仰角在强中气旋的出流区观测到强的径向辐散,其值达27 m·s^-1;中气旋表现出最强切变加强,底高迅速下降到1 km以下等特征。本次下击暴流发生与极端强降水和冰雹的拖曳作用有密切关系,冰雹与雨水粒子的拖曳和融化蒸发作用使下击暴流加强。当分钟降水量大于3 mm时,风速超过12级;当分钟降水量大于6 mm时,则出现17级极大风速。     

淮安一次强风雹天气超级单体风暴观测分析北大核心

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、多普勒天气雷达和双线偏振雷达以及自动站分钟级数据,通过诊断分析和风场反演,对2021年4月30日17—19时淮安地区发生的极端风雹天气的两个超级单体结构特征、维持机制和极端大风进行原因分析。结果表明:在500~700 hPa偏北急流背景下,地面强辐合中心和辐合区促使对流单体增强为超级单体风暴。淮安基准站的极端大风由超级单体A产生的下击暴流事件引发,表现为明显的风暴质心高度、最强回波高度和中气旋底高的下降,近地面层辐散风场等特征。产生强降雹的超级单体B最大反射率因子高度、风暴质心高度以及中气旋最强切变高度均达到湿球温度-20℃层高度以上。极端大风产生的原因包括强冰雹和大降水粒子下落过程中的重力拖曳和融化蒸发冷却,以及负浮力和低层强中气旋产生的垂直扰动气压梯度力。     

造成临桂极端大风的超级风暴单体观测分析

2019年3月21日21:13 (北京时),广西桂林市临桂区国家气象观测站录到60.3 m·s-1极端大风,打破了广西气象站建站以来的历史极值。综合利用多种观测资料对临桂极端大风的发展演变和成因进行详细分析,结果表明:(1)地面锋前暖区对流在移近临桂站时地面冷空气的适时入侵促进其发展成超级单体风暴,其产生的下击暴流击中临桂测站造成极端大风。(2)雷达回波表明该超级单体具有明显的钩状回波、中层径向辐合、近地面强辐散及反射率因子核心下降等雷达特征;风暴垂直方向流场结构表现为上面是反气旋性旋转或辐合、中间为径向速度辐合、底下为气旋性旋转。(3)中层径向辐合加强导致中气旋旋转性加大、直径减小、厚度增加,近地面层的强中气旋对下击暴流有加强作用。(4)环境条件分析表明临桂上空具有极好的产生雷暴大风的环境条件和发展成超级单体风暴的潜势。(5)极端雨强与极端大风相伴出现,表明降水拖曳作用是极端大风产生原因之一;在地形作用下冷空气大风对极端大风形成有叠加效应。     

基于S波段新一代天气雷达观测的下击暴流临近预报方法

下击暴流是对流风暴最常发生的天气现象,预报其初始爆发是强对流风暴预报中最具挑战性的内容之一。提出一种综合使用雷达和探空观测资料的下击暴流临近预报算法。在对雷达基数据进行地物杂波抑制和径向速度退模糊以及对探空资料进行处理得到0℃、-20℃和最小相当位温高度的基础上,该算法首先进行风暴单体识别追踪和冰雹指数的计算;然后进行中层径向辐合特征和中气旋识别,并使之与识别的风暴单体相关联;最后提取诸多风暴单体的雷达特征量,经批量下击暴流和非下击暴流个例统计分析后挑选出下击暴流的雷达先兆因子9个作为模糊逻辑法的输入,建立下击暴流临近预报方程。使用2015年6月1日发生在湖北监利导致"东方之星"客轮倾覆的下击暴流个例对该算法进行了测试,结果表明从20:41—21:21共有8个体扫时次预报了引起沉船事件的那个风暴单体将会产生下击暴流,首次预报时间比客轮侧翻时间21:28早47 min。使用2019年6—8月发生在湖北省的所有雷暴大风个例对下击暴流临近预报算法进行了效果评估,结果表明该算法预报下击暴流的击中率为86.4%,平均预报时效为39 min。按回波形态分类评估,则飑线类、线状对流类(飑线除外)和非线状对流类风暴的下击暴流临近预报击中率分别为93.2%、90.5%和75.6%。该算法模块已集成到中国气象局武汉暴雨研究所研发的分类强对流天气自动识别预警系统中,并于2019年开始投入业务运行。     

两类不同风灾个例超级单体特征对比分析

采用分钟级加密自动气象站观测资料,盐城、淮安和岳阳、荆州雷达探测数据,以及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）高分辨率的ERA-Interim全球再分析数据,对比分析了2016年6月23日江苏阜宁龙卷灾害和2015年6月1日湖北监利下击暴流大风灾害的环境特征与超级单体的结构特征。结果表明:（1）两次强对流大风灾害发生在相似的低空环流背景下:风灾发生在低空急流出口区左侧的暖区内、850 hPa低涡中心东侧6—7个经距的位置;环境大气的对流有效位能大于2000 J/kg。但是风灾的类型不同,江苏阜宁大风灾害主要由超级单体龙卷造成,监利“东方之星”沉船事故主要是超级单体触发的下击暴流造成。短时强降水中心与风灾中心的相对位置不同:阜宁龙卷移动方向的左侧伴随着最强短时降水;湖北监利沉船事件发生期间,风灾中心与短时强降水中心基本重合。鉴于不同性质的对流大风位置与超级单体母体的中心位置对应关系上存在差异,通过比较地面观测的瞬时大风与瞬时强降水中心的相对位置将有助于区分强对流大风的性质。（2）环境风垂直切变强度对对流风暴结构、发展、维持有重要影响:阜宁龙卷发生时,其上空0—6 km风垂直切变达4×10-3 s-1,超级单体有明显的向前倾斜结构,形成有界弱回波区;而监利强对流沉船位置0—6 km风垂直切变只有2.3×10-3 s-1左右,风暴单体中的上升气流近乎于垂直。阜宁超级单体中气旋,首先出现在0—1.5 km风垂直切变和0—3 km风暴相对螺旋度带状大值区,在向抬升凝结高度更低的环境移动过程中,其底部不断下降,形成龙卷;而在监利沉船区,中低层风切变和风暴相对螺旋度相对要弱得多,对应风暴单体中的中气旋强度、持续性较弱,中气旋底部高度维持在1.6 km左右。（3）环境湿度垂直结构特征不同可能是风暴单体形成不同类型灾害大风的重要环境因子。监利下击暴流造成的风灾发生时,在地面气温迅速下降过程中,气压变化呈现快速跳升又快速下降的“尖锥”形,气压峰值比降水峰值提前4 min出现。它与对流层中高层环境大气中较为深厚的干空气卷入对流风暴中造成水物质强烈蒸发、冷却过程有关。而阜宁风灾过程中,环境大气中层仅存在非常浅薄的干层,加之低层较为深厚的饱和大气环境,对应的地面冷池效应相对较弱。      

鄂东地区雷雨大风多普勒天气雷达回波特征

使用多普勒雷达速度场等资料,对2004-2005年发生在武汉附近五次灾害性大风过程进行了分析,同时,利用雷达风廓线产品(VWP)计算的0～1、0～3 km的风垂直切变和风暴相对螺旋度(SRH)等物理量,分析了低层环境风垂直切变与中气旋存在的关系.结果表明:(1)多普勒雷达速度图上灾害性大风有两个基本的特征:一是存在于相对孤立的风暴内的小尺度大风核,下击暴流尺度相近,是下击暴流在地面附近的反映;二是弓状同波后的大风区或尾入流急流.(2)强的低层垂直风切变下,风暴相对螺旋度较大,在强风暴发展过程中,强风暴伴随有中气旋的存在,天气也较剧烈.(3)多起下击暴流过程发生时回波顶、强回波中心高度下降,表明风暴减弱的开始是下击暴流开始形成的显著特征.     

一次连续下击暴流天气的成因分析

基于多普勒雷达、闪电定位、地面观测资料和现场勘察情况,对2016年5月2日皖西南发生的一次连续下击暴流天气的成因进行分析。结果表明:引起2次微下击暴流的风暴为同一风暴单体,且为超级单体,旺盛阶段的雷达回波表现为钩状分布和倾斜结构;下击暴流产生的初始原因是液态或固态降水粒子下降的拖曳作用,中后期则主要源于热力不稳定、对流层中层的动量下传和补偿性气流作用,伴随的水成物与环境之间的负浮力增大是下击暴流发生的重要原因;对流层中层盛行风向造成的动量下传决定了2次微下击暴流的地面风走向;超级单体风暴具有反射率因子核最高和下降速度最快的特点,反射率因子核高度超过6 km,1个体扫间隔下降3 km左右或以上;当6 min降水达4 mm以上时,是发生下击暴流的征兆之一。     

三门峡市2006年两次下击暴流天气过程诊断分析

2006年5月26日和6月25日三门峡辖区均出现了以地面大风、冰雹为主的灾害性天气.利用常规观测资料和非常规加密探测资料以及雷达、卫星云图资料对这两次灾害性天气过程进行诊断分析,结果表明:这两次灾害性天气均是由500 hPa华北冷涡后部的下滑槽或横槽转竖带动北方冷空气急剧南下造成的下击暴流引发的强对流天气.当雷达回波顶高超过10 km、强度≥50 dBz并出现回波悬垂结构的超级对流单体或多单体超级对流风暴移来时,易产生强对流天气;强回波质心在移动过程中不断下降或回波悬垂结构、低层弱回波区出现在风暴后部时,是下击暴流发生的前兆;冰雹指数、风暴跟踪信息、中气旋3个产品叠加对强对流风暴发生、发展、移向的预报具有较好的参考作用.     

一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析

该文首次利用我国新一代天气雷达资料对一次系列下击暴流过程进行了详细分析。2003年6月6日在安徽定远县和肥东县交界处附近发展起来的一个孤立的强烈多单体风暴, 产生了一次伴随强降雹的系列下击暴流事件。此次系列下击暴流事件实际上是由多单体风暴中3个相继发展的对流单体分别产生的3次下击暴流构成的。每轮下击暴流触地前, 都伴随着相应对流单体反射率因子核心的逐渐下降。在首轮下沉气流触地前6 min, 1.5°到4.3°仰角的径向速度图上都出现向着风暴中心的辐合, 其中以2.4°仰角 (地面以上约3~4 km) 的辐合最明显。因此, 反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的多普勒雷达回波特征, 可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生。     

一次下击暴流风暴的成因和结构特征分析

2017年7月28日四川省东北部出现了一次罕见的湿下击暴流大风天气过程。本文利用地面自动站、雷达、卫星等观测资料以及FNL数据、视频资料,对下击暴流风暴的成因和结构特征进行研究分析。研究表明:此过程发生前,对流层中低层的环境温度及其直减率均达到同期历史极端值,有利于雷暴大风类型中尺度对流风暴的形成;此次下击暴流,主要由阵风锋与地面中尺度辐合线相交后触发,阵风锋水平涡度不断输入对流系统内,产生正的相对风暴螺旋度,利于对流风暴持续发展到较高高度,为下击暴流的产生提供条件;下击暴流发生前的对流风暴,在视频截图和反射率因子剖面图上均表现为悬垂倾斜结构,倾斜方向与对流层中层平均风向较一致;对流风暴中层的气旋性涡旋结构特征可作为下击暴流的预警指标之一。     

广西临桂极端大风天气过程的中尺度特征分析

利用常规观测资料、桂林多普勒天气雷达资料,对2019年3月21日夜间广西桂林市临桂区极端大风天气过程的气象要素变化特征、对流潜势和对流风暴的中尺度特征进行分析。结果表明,这是一次由超级单体造成的下击暴流过程,极端大风出现在最强分钟降水之前,气压在极端大风出现前后变化剧烈;过程发生在冷锋前低空急流前端的不稳定层结下,地面中尺度辐合中心触发对流,在强的风切变环境下迅速发展成超级单体风暴;雷达图上具有前侧入流缺口、后侧弱回波通道、回波悬垂、强中气旋、地面强辐散等特征;雷达提前一小时识别出TVS,在今后的临近预警中值得高度重视。     

一次下击暴流显著弓形回波特征

利用天气图、卫星云图和天津新一代天气雷达资料对2007年7月31日凌晨发生在蓟县的强风过程进行分析。结果表明：此次过程是弓形回波与超级单体在合并过程中产生的下击暴流过程而并非龙卷过程。2007年7月30日夜间至31日凌晨,一条自西南向东北方向移动的弓形回波,先后影响天津地区的6个区县产生雷阵雨短时暴雨天气,最大雨强为37.6 mm.h-1,但6个气象站均未出现飑、冰雹和地面大风。对连续观测的雷达资料分析发现,反射率因子图上,显示一条维持了5 h多的弓形回波在移动过程中与一个预先存在低质心的超级单体在蓟县山区合并,产生了下击暴流;反射率因子图上弱回波缺口出现;同时弓形回波形态发生改变,2.4°仰角以上产生断裂;最大雷达反射率因子为53 dBz。在相对径向速度图上,早期呈现为明显的后侧入流急流,后期有中气旋生成并伴有中低层辐散;高层出现强反气旋特征。风暴发展高度较高,回波顶高超过15 km,随着下击暴流的发生,反射率因子核有一个3 km的急降。     

云顶亮温在一次区域性暴雨中的分析与应用

利用高、低空常规气象观测资料、卫星云图和多普勒雷达资料,分析了2006年6月12日发生在太原机场的一次强对流风暴过程,结果表明：高空气旋性冷槽的迅速东移和地面冷锋过境是本次强对流风暴发生的天气尺度系统背景,机场发生的地面大风是由下击暴流引起的,近地面强辐散引起阵风锋发生在弓形回波中低辐合层对应的下方;雷暴单体回波剖面随时间的演变发现确有反射率因子核心重心下降并接地的现象,并据此证实有两次下击暴流过程.第一次出现在16时前后距本场西北90 km处,第二次出现在18时04分,第二轮下击暴流直接造成本场的地面大风.下击暴流发生的过程始终伴随着中低层长时间的辐合和反射率因子核心的重心下降接地过程.     

两类不同风灾个例的灾情调查与观测对比分析

利用灾情调查、常规观测和雷达资料对比分析2018年6月8日佛山南海龙卷和2016年8月18日湛江雷州微下击暴流两次强风天气过程。结果表明:南海龙卷强度为F1级和EF1级,雷州微下击暴流强度为F2级和EF2级,且导致风灾的气流具有多尺度性以及时空尺度小的特征。两次过程均发生在低层辐合、高层辐散和中低层急流汇合有利的环流背景,但龙卷发生在台风环流内部,而微下击暴流发生在台风外围。环境参数表现为弱的条件不稳定、对流抑制能量小和抬升凝结高度低,但龙卷过程的0—1 km风垂直切变较强。导致风灾的风暴单体均伴有中气旋,但形成龙卷的微超级单体具有明显的钩状回波特征,低层存在中等强度中气旋,中气旋尺度较微下击暴流过程的小得多,底高较低,龙卷出现前中气旋底高降低,直径缩小。形成微下击暴流的为一椭圆形的β中尺度风暴单体,低层存在强中气旋,中气旋为辐散性气旋,底高较高,直径逐渐增大,垂直剖面图上存在中层径向速度辐合、强反射率因子核心下降特征。     

苏北地区超级单体风暴环境条件与雷达回波特征

利用江苏3个探空站、5部CINRAD/SA型多普勒天气雷达、地面常规与加密自动站等观测资料,分析2005—2009年苏北地区72个超级单体风暴发生的环境条件和多普勒天气雷达回波特征。探空和地面资料分析表明,苏北地区超级单体风暴可以产生在差别相当大的环境条件下:强降水超级单体通常产生在对流有效位能较高和垂直风切变中等的环境下,经典超级单体更多地产生在对流有效位能较高和垂直风切变较强环境下;产生大冰雹和(或)雷暴大风的超级单体,无论是经典还是强降水型超级单体,其环境特征均为0℃层、-20℃等温线高度较低,850—500 hPa温差较大,低层露点不高;产生龙卷特别是F2级以上强龙卷超级单体环境特征常常表现为低层(0—1 km)垂直风切变大、850—500 hPa温差相对较小、抬升凝结高度低、低层露点高,这类超级单体在产生龙卷的同时也常常伴有短时强降水甚至极端短时强降水。多普勒天气雷达资料分析表明,苏北地区超级单体具有持久的中气旋、回波墙和有界弱回波区或弱回波区结构,可以产生大冰雹、龙卷、短时强降水和下击暴流等强对流天气;超级单体的类型主要有经典超级单体、强降水超级单体以及强降水超级单体组成的复合风暴。经典超级单体一般为孤立风暴,中气旋多数情况下位于其右后侧(相对于风暴移动方向),低层有明显的钩状回波和入流缺口,入流缺口之上存在宽大的有界弱回波区,其上有强反射率因子组成的风暴核,最强的反射率因子可达75 dBz;强降水超级单体前侧有入流缺口和旁边粗胖的凸起部分与中气旋相伴,与经典超级单体的钩状回波在形态上区别明显,同样存在有界弱回波区或弱回波区,中气旋环流中有明显的降水回波;强降水超级单体组成的复合风暴内中气旋一般位于其前侧,主要结构与强降水超级单体相似,生命史较长。超级单体结构属性分析表明,绝大多数情况下,苏北地区超级单体风暴的最大反射率因子为55—76 dBz,基于单体的垂直累积液态水含量(VIL)为35—90 kg/m~2,垂直累积液态水含量超过60 kg/m~2时风暴有可能产生大冰雹,特别是在4—6月,冰雹直径随着垂直累积液态水含量的增大而增大,因此,垂直累积液态水含量季节性高值可以用来辨别产生大冰雹的超级单体;绝大多数情况下,中气旋旋转速度大于15 m/s,直径在3—10 km,持续时间超过40 min;中气旋的底越低,直径越小,产生龙卷的可能性越大。     

武汉天河机场一次下击暴流天气的多普勒雷达分析

利用常规气象资料、跑道自动观测资料(AWOS)、自动观测站资料和多普勒天气雷达资料等,对武汉天河机场的一次下击暴流天气过程进行了分析。结果表明:1)本次下击暴流发生在副热带高压减弱,西风槽向东移动,地面辐合线相配合的天气背景下;2)下击暴流影响机场期间,具有气压陡升、温度骤降、风向变化和风速突增等气象要素的演变特征;3)阵风锋与雷暴之间距离的变化一定程度上可以预示未来雷暴的强弱;4)本次下击暴流与阵风锋有紧密的联系,阵风锋北移过程中激发出β中尺度对流单体,β中尺度对流单体产生了下击暴流,并且雷达速度图上沿雷达径向的正负大值速度对是下击暴流发生的典型特征之一。     

“东方之星”客轮翻沉事件周边区域风灾现场调查与多尺度特征分析

2015年6月1日21:30左右长江湖北监利段发生"东方之星"客轮翻沉特大事故。本文根据事发周边陆地区域现场天气调查结果,结合卫星和雷达观测资料分析认为,6月1日21:00-21:40左右事发江段和周边区域发生了下击暴流导致的强烈大风灾害,最强风力超过12级,并具有空间分布不连续、多尺度和强灾害时空尺度小等特征。事发周边区域北部受中气旋影响陆地区域(顺星村、老台深水码头、四台村养猪场附近、新沟子养鸡场附近等)灾情较南部阵风锋及其后侧下击暴流影响的陆地区域更为显著。综合雷达观测资料和现场调查资料分析判断多数调查点灾害为显著微下击暴流所致,其中老台深水码头有龙卷发生的可能。导致此次风灾的强对流风暴气流具有显著的多尺度性;事发周边区域北部的四台村养猪场附近树林中同时发生了多条相邻的微下击暴流条迹,呈现出辐散和辐合交替分布的特征,展示了此次强对流风暴中大气运动的复杂分布特点。虽然下击暴流会伴随中小尺度的涡旋特征,但此次现场调查发现的与下击暴流相联系的辐合特征水平尺度仅几十米,远小于弓形回波两端的书挡涡旋或者中涡旋等几千米级的水平尺度。     

柳州盛夏一次下击暴流特征分析

2021年8月3日柳州市出现一次伴有短时强降水和下击暴流的强雷暴大风天气过程。利用观测资料以及柳州自动站分钟级数据、雷达、风廓线等资料，对此次过程中下击暴流的成因进行分析。结果表明：①此次过程是在大陆高压与热带辐合带间中低层为一致东北气流的背景下，弱垂直风切变与强不稳定能量、深厚干空气源、近地面的干绝热递减等有利环境条件下，由地面中尺度辐合线抬升触发的。②下击暴流初始回波具有脉冲风暴特征，之后发展成多单体风暴；下击暴流发生前有反射率核心下降，低层入流及中层径向辐合增强等特征，其垂直结构表现为低层辐散、中层辐合、中高层辐合旋转。③地面大风出现前风廓线雷达风场有明显高空动量下传和低层风速减小，大风出现在低层风速开始增强时刻，早于低层风速最强时。④下击暴流的产生与降水粒子的拖曳作用和负浮力有关；地形作用使得强对流回波沿地形运动，且下坡地形与峡谷效应对极端大风的形成有叠加作用。     

广州白云机场雷雨大风天气的特点及雷达回波特征分析

利用2013和2014年广州白云机场天气报告、机场多普勒天气雷达资料和机场跑道区域的自动观测资料,对发生在广州白云机场的雷雨大风天气出现季节、时段、强度和维持时间等特征进行统计分析;在此基础上,对雷雨大风天气过程的天气雷达强度和速度回波图像特征进行分析归纳,提出了4种分型:飑线、阵风锋型多单体、阵风锋型强单体(包括超级单体),下击暴流型强单体。广州白云机场出现雷雨大风天气时天气雷达的低仰角PPI速度回波图像会出现相应量级的负速度回波区或小尺度强烈辐散的速度特征。     

一次强雷暴阵风锋和下击暴流的多普勒雷达特征

利用江苏盐城多普勒天气雷达资料结合自动气象站和常规观测资料对2007年7月25日苏北兴化等地的一次雷雨大风过程进行了分析.结果表明:风灾是由两种不同类型的雷暴大风产生的.一种是阵风锋,产生于风暴前沿,影响时地面产生7～9级大风.另一种是下击暴流,产生于多单体风暴中,其反射率因子核初始高度高于-20℃等温线高度,有中层径向辐合和反射率因子核下降的特征.影响时风暴内部下沉气流在地面强烈辐散,产生10级以上的大风.阵风锋上空有新生单体合并进原风暴,风暴发展加强;当下击暴流产生、风暴减弱后,阵风锋上又有新生单体补充进原风暴,导致下击暴流连续产生,阵风锋持续影响.