“5.7”广州局地突发特大暴雨中尺度特征及成因分析

2017年5月7日广州局地突发特大暴雨,降水集中爆发于广州北部复杂地形区,单点小时雨量大、强降雨持续时间长。然而降水发生于副热带高压边缘、无明显的低空急流等天气系统配合,为弱强迫背景下的华南前汛期暴雨,加之珠三角地形复杂,其触发和组织维持机制等问题引起了气象科研和预报工作者的广泛关注。针对其降水特点,采用5 min自动气象站观测、分钟雨量、风廓线雷达、葵花8号气象卫星红外等高时空分辨率观测数据探讨中尺度对流系统的触发和组织维持过程,发现:中纬度入海高压南侧偏东风和低层切变系统为珠三角边界层南风风速辐合提供了有利的天气背景,喇叭口地形增强了风速辐合。小尺度地形辐射降温配合城市热岛在山前形成高温度梯度区,山风与南风对峙使地面辐合线在山前移速变慢有助于热带云团的生成。地形阻挡抬升和高温度梯度加强上升运动,南风风速脉动使云团迅速向山前移动,最终对流爆发。以暖云降水为主的对流系统产生弱冷池驱动对流系统连续传播,使强降水回波面积增大并在小尺度地形影响下稳定位于增城附近,产生极端小时雨强;中尺度对流系统的单体移动方向和传播方向近乎相反导致系统移动非常缓慢,后向传播明显,最终导致长时间强降水。      

复杂山区上空垂直速度场和热力对流活动的理想数值模拟

利用英国气象局高分辨率的边界层数值模式BLASIUS,针对中国西北一个复杂山区进行了一系列的理想数值模拟,分析了在不同天气条件下山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响,同时讨论了与地形有关的对流触发机制。模式结果表明,复杂山区的垂直运动在稳定层结和风速较大的情况下较易预测,而在中性层结下,山区上空的垂直运动分布随机性强。在Froude数小于0.5的条件下,气流往往被山峰阻塞而在迎风坡造成地形强迫和辐合性抬升,从而易在迎风坡触发深对流活动;在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合而造成垂直运动。绕流的辐合是触发深对流活动的另一重要因子。在大风或Froude数较大的条件下,地形重力波容易在山地下游被激发。地形重力波与对流活动的相互影响在模式中清楚可见。在适当的条件下,重力波除了可以与对流活动相耦合从而使气团上升到更高的高度外,重力波的走向很可能会影响到深对流系统的传播路径。研究还发现稳定度对相邻两条对流线之间的距离长短也有影响。稳定度较小时,相邻两条对流线之间的平均宽度趋向变大而单个对流线的强度也相应变大。定量化的结论和理论升华值得进一步的数值模拟研究。     

登陆台风Matmo(2014)北侧对流雨带的触发和发展过程

登陆台风Matmo（2014）北侧弱回波区突发多条强对流雨带,造成严重影响。本文利用NECP/NCAR的FNL（Final）再分析资料,地面自动站加密观测资料、雷达拼图资料等对台风北侧连续出现的3条对流雨带的触发和发展过程进行研究。结果表明:初始对流是在弱的对流不稳定和条件对称不稳定条件下,由锋面强迫和地形抬升作用共同触发。接二连三发生的3条对流雨带是在台风北部高湿环境,长时间稳定的水汽辐合,明显的对流不稳定,局部弱条件对称不稳定条件下,由近地面辐合线在辐合稳定并加强后触发的,有利的环境和多层不稳定的叠加有利于雨带的发展和维持。先后触发对流雨带的3条辐合线在发生位置上相当接近。辐合线的形成一方面由海陆下垫面差异、江苏和山东南部海岸线曲率、台风风速随半径分布特点所决定;另一方面,辐合线2和3的形成还与它们北侧对流雨带的冷出流密切相关。对流带上的强降水中心往往对应着稳定的辐合中心,辐合中心主要位于风速大小梯度明显的位置上。而辐合线上的风速梯度主要受海岸线、地形附近的降水分布影响。     

海南2008年秋季持续性暴雨过程的物理机制分析

利用地面常规与加密自动站降水观测、卫星云图、NCEP FNL全球分析等资料对2008年10月12—14日海南持续暴雨天气过程进行诊断分析。分析表明:热带低压、冷空气以及副热带高压三者的相互作用,导致海南低空出现持续的东(东南)风急流,该急流在海南东部沿海形成的向岸风辐合及地形强迫抬升是MCS的重要触发机制,其暖湿输送作用是暴雨区不稳定能量得以循环建立的主要途径。南海东北风冷涌前沿强辐合、潜热加热以及高空强辐散有利于热带扰动的发展与维持。热带低压与冷空气相互作用导致大气斜压性增强,地转强迫作用与惯性振荡机制使得低压北侧东北风急流加强。东北与东南急流之间的形变与辐合导致持续锋生过程,锋生强迫产生的热力直接环流上升支与低空急流左前侧次级环流上升支是对流系统发展的主要动力触发机制,低空强潜热加热也有利于对流向更高层次发展。     

一次副高影响下的局地强风暴触发及维持机制探析

利用自动站观测资料、FY-2G卫星资料和多普勒雷达等资料,对发生在副热带高压影响下的重庆局地强风暴过程进行了观测和数值模拟分析,探讨了其中尺度对流系统(MCS)演变,抬升触发和维持机制。结果表明:(1)在副热带高压影响下,重庆处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定;(2)此次局地风暴抬升触发的关键因子是地面附近浅薄边界层中尺度辐合线,辐合线由川渝盆地中西部MCS的雷暴高压与重庆地面热低压共同作用形成;(3)中尺度辐合线触发的对流风暴形成小范围冷池出流与环境风场形成新的辐合线,加强对流风暴发展,并再次触发新的对流单体。承载层平均风为偏南风,使得对流单体向北缓慢移动,冷池出流和边界层辐合线共同作用使得风暴单体向西向北传播和长时间维持。     

华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究

2016年7月24日午后河北中东部至天津南部出现了一次短历时暴雨过程,暴雨中心位于天津南部,模式客观预报和预报员主观预报均存在偏差。利用常规地面高空观测资料、卫星云图、多普勒雷达探测资料和同化了雷达和地面加密资料的VDRAS资料等,对导致此次强降水过程形成原因进行分析,特别是对本次暴雨最为关键的问题——雷暴触发和传播机制进行了深入细致的分析,结果表明:(1)本次暴雨过程发生在副热带高压加强北上过程中,从传统流型识别的角度看不利于副热带高压西北侧的高空槽东移影响华北东南部,这是一次发生在副热带高压588 dagpm线控制下的暖区暴雨,是非典型流型下的短历时暴雨,预报难度大;(2)邢台探空较北京探空距离暴雨区更远,但对于副热带高压西北侧西南气流影响下的暖区暴雨,位于暴雨区西南的邢台探空更具参考价值,邢台站24日11时的订正探空显示:大气层结极不稳定、低层水汽异常充沛且湿层深厚,CAPE值达3874 J·kg~(-1),对流抑制仅为22 J·kg~(-1),8 g·kg~(-1)比湿达600 hPa,地面露点出现接近30℃的极端高值;(3)850 hPa暖式切变线附近,两条地面辐合线合并和中尺度锋生是触发中尺度对流系统的重要因素,卫星云图上亦可见两条云带合并,其合并使得边界层辐合加强,因而积云在辐合区发展,暖切变线附近上午有小积云发展,随着辐合加强形成东西向排列中尺度对流系统;(4)雷暴触发后,其移动和传播是预报的难点,因其决定了对流降水持续时间,本例中受辐合线和风暴阵风出流共同作用,切变线西段有新的雷暴触发,加之切变线南侧南北向的云街与切变线相遇,使得雷暴在向西传播的同时向南发展,即传播方向为西偏南,在环境西南气流的作用下,对流单体向东偏北方向移动,即平流方向东偏北,平流与传播方向相反,因而形成"列车效应",另外,南北向云街表明切变线南侧逆温层之下有偏南暖湿气流补充,加之对流风暴阵风的出流再次触发雷暴使得对流风暴持续。     

弱天气系统强迫下黄土高原强对流云的初生及演变

基于NCAR的风暴识别追踪系统(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting,TITAN)及其对流云识别算法,在个例分析的基础上,归纳总结弱天气系统强迫下陕北黄土高原对流云的初生、演变机制。结果表明:(1)夏季弱天气系统强迫下,对流云的触发可分为地形、干线、冷池、暖堆、辐合线等5种机制,其中地形强迫作用最为显著,其次为干线、辐合线、暖堆、冷池;(2)合适的湿度场是触发对流云的关键条件,如果有干线存在,即使动力或热力条件较弱,也会触发较多对流云生成,但当抬升作用较弱时,对流云通常不会进一步发展;(3)地形、暖堆、边界层辐合线的作用在于加速对流云触发并促使其强度加强,但这些因子在不同时段所起的作用是不同的,清晨至正午地形抬升占主导作用,正午前后地面暖堆作用加强,午后地面辐合线的作用更为显著。     

一次由边界层冷空气引发的豫南对流性暴雨成因分析

利用常规观测资料、地面加密观测资料、FY-4A卫星云图资料、多普勒天气雷达资料和ERA5再分析资料,对2021年6月14日傍晚到夜间豫南一次对流性暴雨过程进行了分析。结果表明：此次过程发生时,850 hPa以上为西南到偏西气流,边界层内冷空气侵入豫南,风场形成了气旋性切变和辐合,过程中水汽条件和热力条件较好,动力强迫主要位于边界层。本次降水可分为两个阶段：14日18∶00—15日00∶00时为对流的触发与演变阶段,冷空气南下形成的地面中尺度辐合线南压到豫南触发了准线状对流,之后辐合线断裂,位于驻马店的东段辐合线进一步南压,对流随之南压减弱,而南阳盆地内风场形成了中尺度气旋性旋转和辐合,对流在此维持;15日00∶00—06∶00为对流的再次增强与维持阶段,随着近地面冷空气再次增强,南阳中部到驻马店西部一带的对流增强并稳定少动。南阳站附近形成了中尺度气旋式辐合中心并长时间维持,利于此处对流不断生成并东移,驻马店西部山地的喇叭口地形对风场的辐合抬升作用也促进了对流的维持。     

下垫面物理过程在一次北京地区强冰雹天气中的作用

北京地区下垫面具有地形和城市边界层的双重性造成了天气变化的多样性.结合2005年5月31日发生的强冰雹天气个例,分析了下垫面物理过程在北京强对流天气中的作用.结果表明,山区的地形、城市边界层对雹云发生发展的不同阶段以至冰雹的落区、强度等都有相当大的影响.其中,此次降雹的初始回波是在西部山区地形的热力环流和动力强迫下局地触发的;城市下垫面热力作用形成的地面中尺度风场辐合线以及所造成的上升运动和能量、水汽的聚集,是对流回波在城市中心上空明显增强的主要原因;北部山区的喇叭口地形、西部山区的迎风坡抬升作用对局地强对流的发生、入境积云的发展亦有重要影响.     

盛夏渤海湾大气边界层辐合线触发对流风暴对比分析

本文对渤海湾2008—2009年,由大气边界层辐合线引起的对流风暴进行了分析。结果表明,在高温、高湿不稳定大气层结环境条件下：（1）单一的海风锋在其端点可产生对流性降水。（2）海风锋与弱冷锋相遇,或者两条海风锋相交,或者雷暴单体的出流边界与海风锋相遇均会产生强对流风暴。（3）渤海湾边界层辐合线触发对流风暴大多发生在每年7 8月,且在副热带高压控制渤海湾后东退的过程中,此时大气层结处在高温、高湿不稳定状态。辐合线触发的对流风暴是沿辐合线移动,移动方向取决于辐合线两侧的主导风向。（4）边界层辐合线触发对流风暴,具有突发性强,持续时间短等特点,分析渤海湾边界层辐合线的移动与演变能提高强对流风暴的临近预报、预警,减少突发性天气引起的灾害。     

Convective initiation by topographically induced convergence forcing over the Dabie Mountains on 24 June 2010

The initiation of convective cells in the late morning of 24 June 2010 along the eastward extending ridge of the Dabie Mountains in the Anhui region,China,is studied through numerical simulations that include local data assimilation.A primary convergence line is found over the ridge of the Dabie Mountains,and along the ridge line several locally enhanced convergence centers preferentially initiate convection.Three processes responsible for creating the overall convergence pattern are identified.First,thermally-driven upslope winds induce convergence zones over the main mountain peaks along the ridge,which are shifted slightly downwind in location by the moderate low-level easterly flow found on the north side of a Mei-yu front.Second,flows around the main mountain peaks along the ridge create further convergence on the lee side of the peaks.Third,upslope winds develop along the roughly north–south oriented valleys on both sides of the ridge due to thermal and dynamic channeling effects,and create additional convergence between the peaks along the ridge.The superposition of the above convergence features creates the primary convergence line along the ridge line of the Dabie Mountains.Locally enhanced convergence centers on the primary line cause the initiation of the first convection cells along the ridge.These conclusions are supported by two sensitivity experiments in which the environmental wind(dynamic forcing) or radiative and land surface thermal forcing are removed,respectively.Overall,the thermal forcing effects are stronger than dynamic forcing given the relatively weak environmental flow.     

泰山地形对一次局地强降水过程动力作用的数值模拟分析

文章针对2005年9月2日发生在济宁郭楼镇的一次泰山背风下游区局地特大暴雨过程（438 mm/7 h）,利用济南SA雷达资料和WRF中尺度数值模式资料,分析了泰山山区地形造成的对流层中低层大气动力过程及其对暴雨中尺度系统的影响,开展了地形敏感性数值试验。结果表明：对流层低层回流南下的东北气流受鲁中山区地形影响,水平方向发生绕流,垂直方向被迫抬升,从而在泰山背风向的暴雨区附近形成准定常的绕流汇合区和重力波扰动区,两项作用强迫的垂直运动,与天气系统辐合区共同作用触发该地区的对流活动,并使移入该地的对流系统增强和维持。改变地形后引起低层风场和散度场变化,进而影响降雨带中的强降水落区和强度,但对主雨带的分布无明显影响。     

神农架南坡山前气流涌升效应对一次强风暴的触发和维持作用

利用宜昌多普勒天气雷达回波资料,分析了2001年7月2日发生在三峡坝区瞬间极大风速达28.8m·s-1的强对流风暴。结果发现:在环境风场为偏南气流的引导下,神农架南坡有一条中尺度辐合线,对流云在该辐合线附近生成和发展,然后沿神农架东缘东北移动并影响三峡坝区,表明神农架南坡的山前涌升效应对该强风暴有一定的触发和维持作用。     

西太平洋副热带高压下热对流降水结构特征的个例分析

利用热带测雨卫星的测雨雷达和红外辐射计的探测结果,对2003年8月2日15时(北京时)中国东南部副热带高压下发生的热对流降水结构特征、云和降水云之间的关系进行了分析研究。大气背景分析表明,500 hPa副热带高压中心附近的较强上升运动和850 hPa的水汽通量辐合为此次午后热对流降水云团的发生提供了动力和水汽条件。热带测雨卫星的测雨雷达探测结果表明,热对流降水云团的水平尺度多为30~40 km,平均垂直尺度均超过10 km,最高达17.5 km;云团的最大近地面雨强超过50 mm/h。热对流降水云团的平均降水廓线表明,其最大降水率出现在5 km的高度,这一高度比估计的环境大气0℃层高度低1 km。与“98.7.20”中尺度强降水的对流降水廓线比较表明,两者的最大降水率高度相同,但热对流降水云团更深厚;在4 km高度至近地面,热对流的降水率减少速度比“98.7.20”强对流降水的快,表明前者雨滴在下降过程中因气温高而发生强烈蒸发。对降水云团顶部特征与近地面雨强关系的分析结果表明,雨顶高较低时,云顶高度变化范围大;当雨顶越高时,云顶高度与雨顶高度越相近;平均而言,给定地面降水率,云顶高度比雨顶高度高出1~4 km;当近地面雨强越大,则云顶高度和雨顶高度越高、且越相近。结果还表明,非降水云面积约占86%,晴空面积仅占2%,而降雨云面积约为云面积的1/8。     

A High-Resolution Modeling Study of the 19 June 2002 Convective Initiation Case during IHOP 2002: Localized Forcing by Horizontal Convective Rolls

The initiation processes of one of the initial convective cells near and on the east side of a dryline on 19 June 2002 during the IHOP 2002 field experiment in the central United States is analyzed in detail based on a high-resolution numerical simulation. Prominent horizontal convective rolls and associated near-surface moisture convergence bands [called roll convergence bands(RCBs) here] develop within the convective boundary layer(CBL) due to surface heating, in the hours leading to convective initiation(CI). The RCBs east of the dryline are advected toward the primary dryline convergence boundary(PDCB) by the southerly moist flow as the CBL deepens with time. Backward trajectories of air parcels forming the initial precipitating updraft of the convective cell are found to primarily originate at about 1–1.5 km above ground, within the upper portion of the shallower CBL earlier on. The representative air parcel is found to follow and stay on top of a surface RCB as the RCB moves toward the PDCB, but the RCB forcing alone is not enough to initiate convection. As this RCB gets close to the PDCB, it moves into a zone of mesoscale convergence and a deeper CBL that exhibits an upward moisture bulge associated with the PDCB. The combined upward forcing of the RCB and the mesoscale PDCB convergence quickly lifts the representative air parcel above its level of free convection to initiate convection. A conceptual model summarizing the CI processes is proposed.     

大别山地形对江淮飑线发展变化及组织结构的影响研究

利用中尺度WRF模式,NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象观测资料,对2014年7月11—12日发生在江淮地区的一次飑线过程进行数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,研究了在经过大别山地形时飑线内部组织结构的变化特征以及地形对其发展的影响。结果表明:(1)飑线经过大别山主体时在山前加强以及过山后迅速减弱的主要原因与山前对流不稳定、上升运动大于山后有关;(2)大别山东部边缘对飑线的加强有增幅作用:当午后飑线移至大别山东部边缘时,东部边缘的谷风加强并强迫对流单体在飑线的前部新生,试验得出谷风可使低层风速最大增强6 m·s~(-1)左右,若无山谷存在时前向新生单体不再出现;(3)经地形敏感性试验得出:地形引发的大别山东部背风一侧的背风波扰动,有利于飑线内部对流单体的发展与加强,同时充沛的水汽补充,也是下山后飑线加强的因子之一。     

低纬高原地区一次中尺度对流复合体个例研究

利用地球静止气象卫星(GMS)资料和有限区域暴雨预报模式(HLAFS)分析场,对1999年6月6日低纬高原地区发生的一次中尺度对流复合体(MCC)进行了分析.研究结果表明,MCC发生在副热带高压与滇缅高压之间辐合区中;受两高之间辐合区及云贵高原地形的影响,MCC位于500hPa一个明显的中尺度辐合线上,垂直速度中心强度比其他地区的MCC约大1倍,无辐散层位于400～500hPa之间,北侧准静止锋锋区很强.