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。     

北京地区一次飑线的组织化过程及热动力结构特征

2015年8月7日华北西北部的一次断线状对流系统向东南方向移动,并与平原地区多单体雷暴合并、组织,最终形成强飑线,造成北京地区出现较大范围的风雹和局地短时强降水天气。基于多源资料的研究结果表明:（1）飑线形成有三个阶段:上游线状对流发展移动、平原多个单体雷暴的新生和合并、线状对流并入本地多单体后组织成飑线。第二阶段中,城区北部边缘地面热力分布不均,配合局地风场辐合,触发了雷暴。雷暴冷池范围不断扩大,温度梯度区向南扩展,造成新生对流向南传播。（2）飑线的组织化过程,呈现出两支强入流为典型特征的动力结构:一支位于雷暴冷池后侧中层（4500～5000 m）,另一支位于低层飑线前侧,由强辐合区垂直于飑线指向云内。这两支强入流分别构成飑线前侧和后侧两个独立的顺时针垂直环流圈。后侧入流和前侧入流在同时加强,造成飑线前侧垂直环流不断加强,与之对应的环境垂直风切变也同步增强。这一动力过程形成了有利于飑线组织化的中尺度垂直切变环境,垂直风切变增大的本质实际上是飑线发展反馈的结果,同时也是驱动飑线快速向前移动和发展的重要因素。当后侧中层入流消失,前侧垂直环流也随之逐渐减弱,预示着飑线从成熟开始减弱消亡。（3）从热力结构看,下山的线状对流冷池与平原地区多单体雷暴的冷池合并,形成了扰动温度低于?8°C、厚度加深到1.5 km的强冷池,其前沿的β中尺度锋面附近的辐合上升运动加强,进一步促进了飑线在平原地区发展加强,并出现阵风锋。     

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。     

大气环境条件对夜间飑线影响的敏感性试验

利用CM1数值模式,以2017年8月7日发生在长江三角洲地区的一次夜间飑线过程为例,开展弱切变背景下中层相对湿度、低层风切变和对流有效位能的敏感性试验。结果表明:中层相对湿度升高,有利于夜间飑线雷达回波面积、回波强度和地面降温幅度增大。湿度降低,虽导致夜间飑线的雷达回波宽度变窄,但有利于夜间飑线结构和强度的维持。中层相对湿度的改变对夜间飑线成熟阶段的地面最大风速的影响并不十分明显,但是中层相对湿度的降低会增大地面最大风速的波动;低层风切变的增大使夜间飑线雷达回波强度增强、面积增大、移速变慢,也使飑线冷池强度增强,而对成熟飑线的冷池厚度和地面最大风速影响不大,但是更弱的环境风垂直切变更容易出现脉冲风暴地面强风。低层风切变的减小不利于夜间飑线的发展以及成熟夜间飑线结构和强度的维持;对流有效位能越大,越有利于夜间飑线雷达回波强度和回波面积以及冷池强度和厚度的增大,也有利于夜间飑线地面降温幅度和地面最大风速的增大。中等大小的对流有效位能更有利于成熟夜间飑线强度和结构的维持。低对流有效位能不利于夜间飑线发展,但在中层湿环境条件下依然能发展成为成熟的夜间飑线。该研究揭示了中层相对湿度、低层风切变和对流有效位能等大气环境条件对夜间飑线发生、发展的影响机制,为夜间飑线的预报提供了参考依据。      

低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分同化技术,通过对6部新一代多普勒天气雷达观测资料进行快速更新循环同化和云尺度数值模拟,初步分析了2009年7月23日发生在华北地区的一次飑线过程的低层动力和热动力影响机制。结果表明,这次飑线过程处在低层中等强度切变的环境条件下,低层环境垂直风切变和冷池相互作用是本次飑线过程维持发展和传播的关键机制。在飑线发展的初期,低层垂直风切变较强,但冷池偏弱,冷池传播速度(C)和垂直于飑线的低层切变分量(ΔU)的比值C/ΔU<1,飑线回波前倾。而此时环境热力条件(对流有效位能较高和自由对流高度较低)对飑线的发展加强起到了积极作用,克服了这种低层切变和冷池不平衡所形成的不利条件。在飑线的加强和成熟阶段,由于对流降水使冷空气不断下沉,从而导致冷池快速加强,使低层切变和冷池强度逐渐达到近似平衡状态(C/ΔU≈1),低层大气处于最强的垂直抬升状态,飑线发展最为强盛,飑线回波直立。随着时间的推移,降水累积效应导致冷池强度明显大于低层切变强度(C/ΔU>1),不利的形势导致飑线逐渐趋于消散,飑线回波明显变宽、后倾,回波顶高显著下降。对模拟结果的定性分析和定量计算均表明,影响这次飑线过程发展维持的低层垂直风切变和冷池相互作用机制与Rotunno和Weisman等用来解释飑线发展演变的RKW理论一致。另外,模拟结果显示,低层0—3km风切变对飑线的发展维持最为重要,但是0—6km的中层风切变也有正面作用,特别是在飑线发展旺盛阶段,应该考虑其影响。     

基于VDRAS资料探究河北中南部一次弓状强飑线的演变和机理

利用常规气象资料、ERA5再分析资料、北京VDRAS资料以及雷达资料，对2021年7月31日发生在河北中南部的一次弓状强飑线过程进行分析。结果表明：（1）此次飑线过程发生在冷涡的背景下，500 hPa涡后的冷空气与850 hPa的暖脊叠加，建立了不稳定层结，在地面辐合线附近触发。（2）雷达回波由分散的对流单体合并加强，强弓形出现时，最大强度值超过55 dBZ，存在径向速度大值区和中层径向辐合等特征，这些都预示地面大风的出现，而回波悬垂预示冰雹出现。（3）雷达反演的风场可以显示飑线的水平和垂直结构，能清楚地指示飑线的出流、入流以及辐合区，对指示飑线不同部位的发展趋势有重要指示意义。（4）地面风场辐合导致雷暴单体触发，雷暴单体在不稳定的大气层结中获得快速发展，发展过程中0～3 km的垂直风切变逐渐增强，低层形成冷池，热力不均匀区域扩大，沿着扰动温度梯度大值区与风场辐合区，新生对流向东向南传播，分散对流单体合并演变为飑线。（5）从飑线发展阶段的热动力结构分析中发现，由倾斜上升气流与下沉气流形成垂直环流，下沉气流增强时，冷池效应增强，低层环境垂直风切变也增强，环境条件的改变是飑线发展的结果，同...     

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。     

一次华南海岸带台前飑线的结构特征与环境条件的观测研究

2007年8月8日,热带风暴“帕布”移动到华南近海,在珠江三角洲至湛江以西地区出现了一次强飑线天气过程。根据多普勒天气雷达、风廓线雷达和气象探空等观测数据,分析此次台前飑线的生成、演变过程、组织结构以及环境大气条件特征,并对热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系进行初步探讨。观测和分析结果显示:(1)此次台前飑线系统是由孤立的对流单体逐渐发展而成,陆风环流的抬升作用有可能对飑线的初始生成起到重要作用;(2)台前飑线移动路径和强度受海岸附近环境条件的影响;在海岸靠近陆地一侧的强度远比内陆和海洋上强,移动路径倾向于沿海岸线平行;(3)台前飑线在发展和成熟阶段,其水平结构具有典型的尾流层云降水特征;其冷池强度和垂直结构具有典型的热带飑线特征;(4)台前飑线发生在具有深厚水汽层、对流凝结高度较低的环境大气条件中,与热带飑线的环境大气条件类似;而对流不稳定能量和低层垂直风切变强度与中纬度飑线接近;(5)热带气旋外围大风一方面使低层风切变加强,同时为环境大气提供了高层的水汽。在下沉环流区内太阳辐射使陆地明显增温,一方面使位势不稳定能量增大,另一方面也使海陆温差增大、海风环流加强,导致低层风切变进一步加强,低层水汽输送增大。下沉逆温抑制了低层弱对流的发生,为强对流的发展积累了对流不稳定能量。      

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。     

弱垂直风切变下台前飑线不同发展阶段的热、动力特征分析

以2014年7月18日09号超强台风"威马逊"影响期间,发生在湘赣地区的一次台前飑线过程为例,讨论了在垂直风切变明显弱于中纬度飑线情况下台前飑线的生成与发展机制。研究表明:1)在飑线初生阶段,弱垂直风切变与较弱冷池相平衡使得飑线垂直发展,其前部上干冷下暖湿的不稳定环境条件是其发展加强的热力因素;台风倒槽右侧风向水平切变、飑线前侧的阵风锋是其发展的动力条件。2)在飑线成熟阶段,飑线后侧的地面冷池范围变大、强度变强,导致飑线前方的水汽及能量补给减弱;同时飑线后部中层干冷空气入侵加强,飑线上升气流向冷池方向倾斜,垂直抬升条件减弱,不利于台前飑线的发展维持。成熟阶段的这两个特点表明台前飑线由盛转衰。3)在飑线消散阶段,由于飑线远离台风,台风的影响减弱,导致台前飑线水汽和动力条件不足,从而消亡。     

Squall Line and Its Vertical Motion Under Different Moisture Profiles in Eastern China

The impacts of different moisture profiles on the structure and vertical motion of squall lines were investigated by conducting a set of numerical simulations. The base state was determined by an observational sounding, with high precipitable water representing moist environmental conditions in the East Asian monsoon region. To reveal the impact of moisture at different levels, the moisture content at the middle and low levels were changed in the numerical simulations. The numerical results showed that more convective cells developed and covered a larger area in the high moisture experiments, which was characteristic of the convection during the Meiyu season in China. In addition, high moisture content at low levels favored the development of updrafts and triggered convection of greater intensity. This was demonstrated by the thermodynamic parameters, including Convective Available Potential Energy (CAPE), Lifted Index (LI), Lift Condensation Level (LCL), and Level of Free Convection (LFC). Dry air at middle levels led to strong downdrafts in the environment and updrafts in clouds. This could be because dry air at middle levels favors the release of latent heat, thereby promoting updrafts in clouds and downdrafts in the environment. Therefore, high relative humidity (RH) at low levels and low RH at middle levels favors updrafts in the cloud cores. Additionally, moist air at low levels and dry air at middle levels promotes the development of convective cells and the intensification of cold pool. The squall line can be organized by the outflow boundary induced by cold pool. The balance of cold pool and environmental wind shear is favorable for the maintenance and strengthening of squall lines.     

一次江淮气旋大暴雨的诊断分析和数值模拟

利用ERA Interim Daily的0.5°×0.5°资料对2011年6月9—10日的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行天气学分析。结果表明:江淮气旋和低空急流是本次大暴雨过程的主要影响系统;高空200 hPa西风急流右侧的上升支和锋面的抬升作用提供了动力条件;低空西南急流提供了水汽条件,此次过程对流条件较好,具有较大的对流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE);大气的对流不稳定性远大于斜压性,强降水发生在湿位涡正负值过渡的等值线密集带附近。过程最强降水时段由一次长生命史的中尺度飑线过程导致,利用WRF v3.9可以进行较好地模拟。研究飑线的环境条件和结构特征发现,环境大气具有较大的CAPE值和较小的对流抑制能(Convective Inhibition Energy,CIN),有利于对流的触发;较强的0~3 km垂直风切变,有利于飑线的维持;尽管冷池较浅薄,但冷池出流的抬升作用有利于对流的触发和飑线的维持。     

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。     

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。     

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。     

用双多普勒雷达分析华南一次飑线系统的中尺度结构特征

飑线是中国春、夏季常见的一种天气现象.2007年4月23-24日华南地区的一次强飑线过程,因强度强、持续时间长,给广东部分县市造成巨大的经济损失.利用广州和深圳的新一代多普勒天气雷达的探测资料,采用双多普勒雷达风场反演方法和热力动力反演方法,研究此次飑线内部的三维风场、动力和热力结构.在此基础上,通过质量、动量诊断探讨其维持机制.同时,结合地面、高空常规观测及自动站资料分析系统伴随的环境和地面中尺度特征.结果表明,系统发生于中等强度垂直风切变(0-3 km,18 m/s)和中等强度对流不稳定度的环境中,其移动速度最快达17 m/s,属快速移动的飑线.飑线过境时,地面测站呈现风向突变、风速骤增、气压上升、温度与露点骤降等现象.其成熟期的雷达回波和风场结构与过去观测的热带、副热带快速移动飑线系统特征相似.由前(前方指系统移动方向)向后,降水结构依次为对流区、过渡带和层云区.其中,对流区由多个对流单体组成,对应强回波和上升运动,而单体之间为弱下沉运动.气流特征呈准二维结构,包括系统前方深厚的从前向后气流和系统后部低层的从后向前气流.这两支气流在系统前缘低层辐合形成动力高压,触发新对流单体,是系统长时间维持的主要机制.在对流区倾斜上升气流的下方,存在一凝结潜热释放增暖引起的低压区.另外,在对流系统西侧不断有新对流单体形成,并被平流至系统中,促进对流维持.进一步对对流区的质量和动量通量诊断揭示,垂直于飑线系统的水平动量的垂直输送有逆梯度输送的特性,将增加垂直飑线方向的环境垂直风切变,有利于系统维持.相对的,平行飑线方向的水平动量具有顺梯度输送特征,使该方向上风切变分量有被均滑趋势.     

THE RELATIONSHIP BETWEEN HORIZONTAL VORTICITY INDUCED BY VERTICAL SHEAR AND VERTICAL MOTION DURING A SQUALL LINE PROCESS

The horizontal vorticity equation used in this study was obtained using the equations of motion in the pressure coordinate system without considering friction, to reveal its relationship with vertical shear. By diagnostically analyzing each term in the horizontal vorticity equation during a squall line process that occurred on 19 June 2010, we found that the non-thermal wind term had a negative contribution to the local change of upward movement in the low-level atmosphere, and that its impact changed gradually from negative to positive with altitude, which could influence upward movement in the mid- and upper-level atmosphere greatly. The contribution of upward vertical transport to vertical movement was the largest in the low-level atmosphere, but had negative contribution to the upper-level atmosphere. These features were most evident in the development stage of the squall line. Based on analysis of convection cells along a squall line, we found that in the process of cell development diabatic heating caused the subsidence of constant potential temperature surface and non- geostrophic motion, which then triggered strong convergence of horizontal acceleration in the mid-level atmosphere and divergence of horizontal acceleration in the upper-level atmosphere. These changes of horizontal wind field could cause a counterclockwise increment of the horizontal vorticity around the warm cell, which then generated an increase of upward movement. This was the main reason why the non-thermal wind term had the largest contribution to the strengthening of upward movement in the mid- and upper-level atmosphere. The vertical transport of large value of horizontal vorticity was the key to trigger convection in this squall line process.