水汽含量对飑线组织结构和强度影响的数值试验

利用2009年6月3～4日一次产生大风、冰雹强对流天气的飑线个例进行数值试验,研究整层水汽含量及其垂直分布对中尺度对流系统的发生发展过程、组织类型和强度等的影响。本文的试验表明环境场中不同的水汽含量和垂直分布,会影响下沉气流和冷池的强度,从而影响对流的组织形态、维持时间和强度。整层水汽试验表明,增加（减少）水汽,对流增强（减弱）,冷池和雷暴高压增强（减弱）导致大风增强（减弱）。增加水汽越多发展阶段冷池强度越强,最大风速越强,但成熟阶段后期冷池减弱的越快,层状云区的后部入流减弱,不利于雷暴大风的出现和维持。不同层次水汽试验表明,在保持整层水汽含量不变的情况下,线状对流和雷暴大风易发生在中层干、下层湿的环境中,这种层结条件对雷暴高压的增强有重要作用,但不利于整个对流系统的长时间维持。     

中尺度对流系统的动热力特征及其演变对风垂直切变的响应

为探究环境风切变在对流系统发生发展与维持过程中的重要性,利用2009年6月5日20时（北京时）上海宝山站的探空资料生成理想试验初始场,设计了包含改变整层、中层和低层风切变在内的多组试验,对比分析各试验系统的动热力结构特征及其演变发现:(1)整层环境风切变的改变对中尺度对流系统的影响最显著,其次是中层风切变。增大整层风切变时,对流系统强度及组织性最强,生命史增长。减小整层风切变时,系统强度最弱且组织结构易发散。(2)风切变增加,水平涡度增大,其受垂直运动影响转化为垂直涡度,涡旋对与垂直运动间相互作用形成的正反馈过程是系统强度增强并可以长时间维持线状结构的重要原因。(3)风切变减小,对流系统移动速度远小于阵风锋,阵风锋移至系统前方,阻断系统前沿上升气流必需的暖输送。阵风锋后冷而稳定的环境令系统逐渐消散。      

华北两类产生极端强天气的线状对流系统分布特征与环境条件

华北线状对流系统精细气候分布及其所产生的极端天气特征尚不清楚,本研究利用雷达拼图资料和客观识别方法普查2013—2018年华北171例线状对流系统的时、空分布特征,根据其所致强对流天气的统计结果,发现华北地区至少有2类线状对流系统,分别产生极端强雷暴大风和极端强降水。分析了这2类线状对流系统的环流形势、环境条件、地形作用和关键中尺度系统地面冷池等的特征。主要结论如下:华北线状对流系统的空间分布尤其是初始形成位置与大地形关系密切,京津冀的太行山和燕山山脚区域为其中的一个高发区;2类线状对流系统发生月份、空间尺度、移动速度、形成时刻和维持时间等都具有显著差异;2类线状对流系统的环流背景、环境条件和冷池也差别明显。强雷暴大风型线状对流系统的环境大气斜压性强,中层干和大的垂直减温率造成的最优对流有效位能、下沉对流有效位能大值区是产生极端大风的重要环境条件,地面强冷池以及0—3 km风垂直切变对前向传播起到了重要作用。强降水型线状对流系统产生的降水极端性较前一类型更为凸出,天气尺度强迫相对较弱,水汽条件极其充沛,地面弱冷池或地形与低层南风气流相互作用维持的后向传播是其发展和缓慢移动的主要机制,也是产生极端强降水的直接原因。      

飑线结构和强度对低层湿度和环境垂直风切变的敏感性研究

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。     

冷涡对两类对流系统结构演变作用的个例模拟对比分析

2015年8月22日,在同一冷涡背景下,华北东北部形成了多单体风暴,而在黄淮地区出现飑线过程。本文根据观测资料给出冷涡对中尺度对流系统发生发展的动力和热力作用,并基于WRF中尺度数值模式的模拟结果,对比分析了两类对流系统的形态结构演变和运动过程的差异、差异产生的原因及冷涡的作用,主要结论如下:(1)两类对流系统均位于冷涡后部,但形态演变和运动过程差异显著,北部分散性对流受地面风辐合及地形抬升的共同影响发展形成多单体风暴,呈西北—东南排列,主要以前向传播的方式缓慢向东南偏南方向运动,带来短时强降水为主的天气;南部线状对流由山东西北部和河南北部形成的多个孤立单体合并后形成,随后在黄淮地区发展为飑线系统,在平流移动为主的作用下向东南方向快速运动,产生雷暴大风和冰雹天气。(2)北部多单体风暴在冷暖气团交界面形成,位于冷涡西南象限,低层水汽和能量充足;新对流单体在边界层被触发后,沿着低层切变线向高能区传播。(3)南部飑线系统在冷槽后的地面干暖区低压带中形成,中尺度对流系统产生的冷池和雷暴高压的出流与环境相互作用,低层水汽条件转好,使得单体不断传播和合并,发展为飑线系统。(4)中层后部入流的强度和环境水汽条件对两类对流系统组织化过程有不同影响,飑线中层后部入流的增强主要来自环境西风分量的增加,与冷涡发展演变使得环境风场增强有关;北部对流湿层深厚,所处的中层风场弱,不利于多单体风暴组织化发展;南部飑线系统位于更强的环境西风引导气流中,后部中层入流强、高层环境空气干,有利于强下沉气流形成,从而促进雷暴高压和冷池的发展,强下沉气流还使中低层的风速增加,垂直风切变增强,有利于对流单体组织化发展形成线状对流。     

合肥机场一次低空风切变机理分析

应用地面、探空、机场自动观测、NCEP再分析资料、多普勒雷达等资料,重点分析了多普勒雷达数据产品,探讨了机场低空风切变形成原因。结果表明:(1)机场低空风切变的主要原因是γ中尺度对流单体底部的紊乱气流造成,此对流单体由北阵风锋与地面中尺度辐合线交汇诱发生成,多个γ中尺度对流单体迅速消亡后产生的下沉气流加强了地面中尺度辐合线,阵风锋和辐合线引起机场低空风切变的产生;(2)风切变过程发生前,皖北地区为不稳定大气层结,925hPa的风场辐合为强对流天气提供触发机制,流经黄海的偏东气流为低层带来充足水汽,皖北强对流风暴的发展和消亡是北阵风锋发生的根本原因;(3)风暴后侧中层干冷空气的侵入阻碍了风暴前沿上升的暖湿气流,促进了风暴内部冷空气的下沉和垂直动量交换,增强了近地层出流强度,两次强反射率因子核高度的迅速下降是北阵风锋发生的直接原因。     

连续两次飑线大风成因对比分析

采用多源气象观测资料,对2018年5月16日江苏省北部的连续两次飑线过程进行综合观测对比分析和数值模拟研究。结果表明:(1)两次飑线过程在相同天气系统影响下的不同环境场中产生,大别山背风坡的背风波扰动是这两次飑线的共同触发机制。(2)两次过程的雷达回波图上均有后部入流急流和中层径向辐合特征,第一次过程的后部入流急流强度更强、高度更高,中层径向辐合的强度更强、厚度更厚,环境风垂直切变的差异是两次飑线组织结构特征存在明显差异的主要因素。(3)在CAPE值相近条件下,第一次过程的整层水汽更丰富、垂直风切变更强、垂直切变伸展高度更高,导致第一次飑线对流系统发展强度更强。(4)两次飑线大风形成的主要物理机制不同,第一次飑线的后部入流急流引导中高层(5~8 km)干暖空气下沉并入侵风暴体,促使其降水粒子强烈蒸发并形成冷池,同时引导高层动量下传产生强烈的出流气流,最终导致地面大风的形成;而第二次飑线后部入流急流引导中低层(3~5 km)干冷空气入侵对流系统,形成冷池和地面大风。(5)第一次过程环境场垂直风切变条件下形成的飑线组织结构特征,更有利于降水粒子强烈蒸发形成更强的冷池和下沉气流,致使第一次飑线地面大风较第二次飑线更强。     

冷池对引发新乡“7·9”特大暴雨的中尺度对流系统的影响分析

利用NCEP再分析资料、常规观测资料、FY-2E卫星TBB资料、多普勒雷达探测资料和地面加密自动站资料分析了2016年7月9日新乡特大暴雨过程的中尺度特征,并揭示了冷池形成原因及其对产生强降水的中尺度对流系统发生发展的影响。研究结果表明:新乡地区特大暴雨是由一个"低质心"结构的后向传播-准静止-涡旋状中尺度对流系统产生的。由层状云和对流性降水产生的冷池出流形成的中尺度温度梯度导致地面辐合进而触发了对流。冷池出流与环境风场形成的假相当位温密集带为对流系统提供不稳定能量,两者强度相当的对峙使能量密集带稳定少动,而中尺度对流系统的上风方即冷池出流南侧由于锋生作用将暖湿空气抬升并不断触发新对流,这种后向传播方式导致中尺度对流系统移动缓慢处于准静止状态,新生对流单体在地面中尺度涡旋流场的作用下呈有组织的涡旋状旋转,不断经过新乡地区造成强降水持续。湿冷的冷池同时也是本次强降水过程近地面水汽来源之一。太行山的阻挡作用导致冷池在山前堆积后向承载层平流方向相反的方向移动;小地形的峡谷效应有助于冷池出流南移,而且为中尺度地面涡旋形成提供了一支重要的西北气流。     

东北冷涡影响下江淮地区一次飑线过程的模拟分析

利用四维变分同化分析系统模拟和雷达拼图资料分析了2012年5月16日东北冷涡影响下的弱飑线过程。结果表明:较强的地面辐合线是该次过程在较弱稳定条件下被触发的重要原因,也是系统前期快速发展的重要原因;东北冷涡影响下中层不断输送干冷空气到江淮地区,飑线内对流部分由降水拖曳导致的下沉气流遇到夹卷进入下沉气流内的环境干空气,使得其中雨滴蒸发造成空气冷却,下沉到地面形成冷池;冷池形成之后,垂直风切变方向不垂直于系统,且切变值较弱,造成水平涡度不平衡,是该飑线发展相对较弱的主要原因,此外不稳定条件和湿度条件较差也可能是系统没有发展为强飑线的原因。该次飑线过程的重要特点是较强的地面辐合线;较干的环境条件,意味着凝结潜热释放较少,而系统中的垂直运动更多取决于冷池和垂直风切变之间的水平涡度平衡。     

2018年8月华南超历史极值降水事件的观测分析与机理研究

2018年8月30~31日一条超长生命期的中尺度线状对流（线状β-MCS）引发了华南沿海一次极端降水事件[1056.7 mm（24 h）?1],刷新广东省24小时雨量历史纪录,造成严重洪涝并引起社会极大关注。文章采用多源观测资料与NCEP/NCAR_FNL分析资料,首先从观测分析角度提炼该次过程的降水特点与卫星、雷达的基本演变特征,然后分析了极端降水的天气尺度背景与中尺度环境条件,最后从中尺度大气动力学角度探讨超长生命期线状β-MCS的触发演变与海陆边界风向旋转维持的关系,并揭示线状对流组织与维持的可能物理机制。结果表明:季风低压作为稳定的天气尺度背景,大气层结表现为深厚暖湿与持续不稳定,季风云团北推上岸造成华南沿海大范围暴雨,一条超长生命期、准静止、低顶高、低质心并具备后向传播特征的线状β-MCS造成高潭持续性强降雨,降水强度大、持续时间极长是累积雨量破纪录的主要原因。对流触发及线状β-MCS组织发展与地面风场有密切关系,海陆边界风向旋转率方程定性分析发现地面风场受多尺度调节影响,季风低压的天气尺度项、局地地形摩擦项与中尺度气压梯度项对地面风场协同形成的反向强迫及平衡机制,是偏南气流长时间维持的关键。斜坡地形与黄江河谷一侧偏南气流增强并建立“暖脊”,致使山脉一侧冷池出流边界无法向南扩展,形成强烈的水平温度梯度,基于中尺度动力学方程定量诊断表明β-MCS的线状组织过程及对流维持的动力机制来源于局地垂直风切变,这种局地垂直风切变有别于环境垂直风切变,其显著增强是对地面强烈纬向水平温度梯度响应的结果。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析，应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的，为低层增温增湿，高层冷空气南下，低能舌叠加在高能舌之上，导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放，产生中尺度对流云团，在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展，形成飑线。低层大气湿斜压性增强，破坏了地转平衡，倾斜涡度发展，上升运动增强，对流发展；高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大，导致其垂直涡度增大，有利于对流层低层中尺度涡旋发展，对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用，促使对流系统发展形成飑线，产生雷雨大风。     

地形与城市环流共同作用下的β中尺度暴雨

从中尺度天气动力学理论入手, 利用尺度分析的方法, 得到了地形与城市热岛共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理论特征。利用北京地区稠密的地面观测网资料以及分布于距暴雨中心区不同距离的两部风廓线仪观测资料, 通过分析2006年夏季发生的3次β中尺度暴雨酝酿、 发生、 发展、 维持过程中的气温、 降水、 风场的配置关系, 对β中尺度暴雨的部分理论特征进行了验证。主要结论: (1) 由城市热岛形成的水平温度梯度有可能在靠近城区的山前迎风坡强迫产生相对独立的中尺度风的垂直切变, 由此产生的低空风的垂直切变是维系中尺度对流降水发生、 发展的重要条件。另一方面, 一旦迎风坡出现强降水, 将形成吹向迎风坡的风速与降水强度之间的正反馈现象, 这种正反馈过程对β中尺度暴雨的形成过程起到了重要作用; (2) 地形越靠近城区, 山前越容易形成强的水平温度梯度, 进而越容易出现低空风的垂直切变。形成强低空风的垂直切变的响应时间取决于水平温度梯度的强度; (3) 地形坡度越大的地方, 产生的上升运动越强, 中尺度系统的水平尺度越小, 对于地形坡度较为平坦的地方, 更有利于产生水平尺度较大的中尺度系统; (4) 一般情况下, 地形与城市热力过程造成的中尺度暴雨过程多发生于傍晚前后或凌晨前后。     

WRF模式对一次河西暴雪的数值模拟分析

利用NCEP再分析资料,使用WRF模式模拟了2005年3月14~15日出现在甘肃河西西部(祁连山西段北坡)的一次暴雪天气过程。结果表明:WRF模式能较好地模拟出暴雪的区域,对这种中尺度天气系统具有良好的预报能力。在这次暴雪过程中,地面冷锋、低空风场切变线,以及与高空强锋区相对应的高空急流的合理配置加强了暴雪区的垂直环流的发展,使降雪区对流发展;出现暴雪时最大辐合层在600 hPa附近,500 hPa以上表现为一个深厚的辐散层。随着强降雪的开始,降雪区近地面层由辐合变为辐散,反映出由于能量释放,降雪的影响系统开始逐渐消亡;在降雪过程中始终伴随着中小尺度特征的强烈的垂直上升运动,最大上升速度层在500~400 hPa之间;降雪的水汽来源于西风气流,水汽输送在600 hPa最强。600 hPa的强水汽输送和强辐合保证了产生强降雪必需的水汽条件。     

高空急流对青藏高原切变线影响的数值试验与动力诊断

利用NCEP 1°×1° FNL分析资料和中尺度数值模式WRF对一次青藏高原（简称高原）切变线过程进行了数值试验,主要研究高空急流强度对高原切变线的影响,并结合ω方程分析了影响高原切变线上垂直上升运动的若干因子。研究得出高空急流的强度对低层风场有重要影响,急流增强会使高原切变线上的风切变增大,切变线变长,同时高空急流强度的增强也有利于高原切变线上水汽的辐合。高空急流可通过影响高层辐散、低层辐合的散度场垂直配置对高原切变线上的正涡度柱与辐合上升运动产生作用。ω方程的诊断分析表明,温度平流的拉普拉斯项对高原切变线上的垂直上升运动起主导作用,低层暖平流有利于切变线上产生上升运动。高空急流强度的变化对差动涡度平流项的影响要大于温度平流拉普拉斯项,高空急流强度的增强会放大差动涡度平流项和温度平流项的正贡献,从而更加有利于上升运动及高原切变线的维持。      

DIAGNOSTIC ANALYSIS OF ASYMMETRIC SPIRAL RAINBANDS AROUND THE LANDING OF TYPHOON HAITANG (2005)

By using WRF mesoscale model, this paper carries out a numerical simulation and diagnostic analysis of the structural characteristics of the asymmetric spiral rain bands around the landing of Typhoon Haitang during the period of July 19 to 20, 2005. The result indicated that the two rainbands associated with the precipitation centre was mainly located northeast of the typhoon centre. The movement and intensity of the southern rainband corresponded well with the 850-hPa positive vorticity band from 0200 to 1800 UTC July 19, 2005. Under the effect of cyclonic circulation, the positive vorticity band at 850 hPa connected with a southern rain band, leading to the intensification of rainfall in the southern centre of the precipitation. The southward rainband gradually moved toward and then merges with the northward one, strengthening the rainfall in the northern centre of the precipitation. Besides, the relationship between the heavy rainfall and the divergence field of vertical shear wind in the high altitude is analyzed. Finally, the relationship is revealed between the development of the vertical component of convective vorticity vector and the rainfall near the two centres of precipitation in the low altitude.     

大气对春季东海黑潮锋响应的气压调整机制分析

采用美国国家环境预测中心的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料和QuickSCAT(Quick Scatterometer)、AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)、TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)高分辨率卫星资料,研究了大气对春季东海黑潮锋响应的气压调整机制及其年际变化。结果表明,春季东海黑潮锋位于黑潮暖舌的西北侧,呈西南-东北走向,与大尺度气压背景场的等压线走向一致,锋区东南侧暖水与西北侧冷水之间产生的局地气压梯度与大尺度气压梯度形成同向叠加,使得锋区附近西北指向东南的气压梯度达到最大,造成该处的海表面10 m矢量风速也最大,在摩擦作用下形成东北偏北风(NNE)。锋区与其东南侧的NNE风之间沿锋区走向(跨锋区走向)的分量差,会在暖舌附近产生气旋性切变涡度(风速辐合),由此产生上升运动和强降水;而在锋区西北侧的冷水区情况正好相反,有反气旋性切变涡度(风速辐散),并伴有下沉运动和弱降水,从而形成跨锋区的次级环流圈。东海黑潮锋区偏强(弱)年,锋区东南侧暖水与西北侧冷水之间的局地气压梯度也偏强(弱),与大尺度气压梯度同向叠加后形成偏强(弱)的NNE风,造成锋区东南侧暖舌附近的气旋性切变涡度、风速辐合、上升运动和降水均偏强(弱),而锋区西北侧冷水区的反气旋性切变涡度、风速辐散和下沉运动均偏强(弱),跨锋区次级环流圈偏强(弱),这表明在年际时间尺度上气压调整机制仍起作用。     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的结构和准平衡特征分析

利用2008年6月广西致洪暴雨过程高分辨率数值模式资料,分析引起暴雨的中尺度涡旋在移动和持续性发展过程中其内部结构的演变以及系统的动力学特征。研究结果表明,中尺度涡旋是导致此次广西暴雨的主要系统,其发展移动过程中伴随有强烈上升运动的深厚湿对流,并在中高层持续形成明显的暖心结构。此次涡旋系统移动过程可分为涡旋南移和涡旋东移两个阶段,由于受到环境场的影响,涡旋中心区域动量、热量和水汽的再分配为其持续性发展提供有利条件。同时诊断分析表明,涡旋内部存在具有继发特征的长时间维持的组织化深厚湿对流系统,以强非地转分量为特征的超地转流,并表现出涡散运动共存且同量级的特征,具有典型的准平衡特征。     

巢湖地区一次梅雨期强对流暴雨中尺度特征分析

利用地面气象观测资料、ERA5再分析资料、FY-2E卫星和多普勒雷达资料,对2011年7月17日发生在巢湖地区的一次强对流暴雨过程进行诊断分析。结果显示:500hPa深槽、850hPa切变线及地面低压是此次暴雨过程的天气尺度影响系统,强降水发生在湿层和暖云层深厚、较低的抬升凝结高度、中等强度对流不稳定及弱垂直风切变条件下;FY-2E卫星云图分析表明,此次强降水过程主要是多个中尺度对流系统在巢湖合并所致,短时强降水落区主要落在中尺度对流系统TBB等值线密集区附近,TBB中心强度越强,TBB等值线梯度越大,对应的1h降水量越强;多普勒雷达分析揭示,短时强降水发生在两个对流回波合并期间,对流风暴移动缓慢,大于45dBz强回波均在6km以下,呈低层强烈气旋式辐合、高层辐散特征;地面中尺度辐合线是此次风暴的触发因子;湿位涡诊断结果表明,600hPa以下对流不稳定,600hPa以上对称不稳定,有利于暴雨和中尺度系统的发生发展。