2021年9月通辽一次龙卷形成机理和雷达回波特征分析

2021年9月8日午后分别有两个EF1级龙卷对内蒙古通辽市科尔沁区左翼中旗、科尔沁区造成严重影响。为深入认识东北冷涡背景下内蒙古东南部平原地带龙卷的形成机理和特征,利用常规观测资料、ECMWF-ERA5的0.25°×0.25°再分析资料、多普勒雷达探测资料等对本次龙卷过程进行分析。结果表明：龙卷发生于东北冷涡底部、低空冷切南部的西南暖湿气流、地面辐合线南侧偏南气流中,龙卷发生前中低层有干空气入侵,增强大气对流不稳定度;较低的抬升凝结高度,低层位温随高度减小,0～3 km有较强的风垂直风切变、强的垂直上升运动,低层存在正垂直螺旋度大值中心,均是龙卷形成的有利条件;辐合线和干线相伴作用共同触发龙卷。通辽多普勒雷达探测出两龙卷钩状回波、入流缺口、有界弱回波区、气旋性风场辐合、中气旋特征;分析雷达数据反演的风场得出,龙卷发生在近地面辐合线附近的偏南气流中,位置在发展阶段钩状回波移向的东南侧、入流缺口附近;龙卷发生前中低层具有气旋性辐合,气旋性辐合中心逐渐下降,垂直方向上具有较强的垂直风切变,呈现低层辐合高层辐散特征;在低层和中低层的辐合中心接近时,龙卷形成并逐渐接地。     

梅雨期龙卷环境条件与典型龙卷对流风暴结构特征分析

利用逐日4次1°×1°FNL/NCEP分析资料及多普勒天气雷达、地面自动气象站等观测资料,在对近十年江苏梅雨期龙卷天气的环境特征进行合成分析并提炼对流参数特征值后,着重对2013年7月7日发生在安徽天长至江苏高邮一带导致龙卷的对流风暴的形成和结构特征演变进行了分析。结果表明:江淮梅雨期间,地面中尺度气旋的右侧附近(100 km)、对流层低层中尺度低涡右下方约200~300km处和低空急流左后侧之间区域是龙卷易发区;梅雨期大气环流背景为龙卷的发生提供了对流层低层充沛的水汽和有利的不稳定层结与动力条件,低层气旋性涡度在龙卷发生前强烈发展,边界层内强的垂直风切变促进了龙卷风暴内气旋性涡度的迅速增强,而对流层低层辐合的增强将有利于初始对流的触发;但梅雨期龙卷对对流不稳定能量蓄积条件要求低于冰雹和雷暴大风;龙卷对流参数特征值及其与气候平均值的差异性为龙卷天气的短期预报提供了参考依据。引发2013年7月7日龙卷的对流风暴起源于地面辐合线附近,地面辐合及中尺度锋区的增强有利于对流风暴的快速发展,此次系列龙卷是由一个生命史较长的超级单体风暴产生,该对流风暴具有典型超级单体的回波特征,风暴内的中气旋维持2h之久,中气旋相关参数的演变对龙卷的临近预警有较高的参考价值,当中气旋底高较低且中气旋切变值明显增强时,发生龙卷天气的可能性较大。     

冷涡背景下一次微型超级单体龙卷的雷达特征和物理过程探究

2019年8月16日渤海北部沿岸出现了一次冷涡背景下的EF1级龙卷。利用营口S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料、5 min间隔的地面自动气象站观测资料、盘锦风廓线雷达探测资料及ERA5再分析资料,研究了该龙卷风暴产生的环境条件、龙卷风暴结构特征及龙卷形成的可能物理过程。结果表明:此次龙卷过程发生在500 hPa冷涡主体控制下,低空位于“利奇马”台风残涡西侧水汽输送带内,环境条件表现为弱的风垂直切变和强低层热力不稳定。营口双偏振雷达位于距龙卷发生地15 km处,探测到产生龙卷的微型超级单体钩状回波、下沉反射率核心（DRC）、弱回波洞（WEH）、龙卷残片特征（TDS）等结构。处于消亡阶段雷暴的阵风锋出流向西传播,而营口附近海风锋缓慢东移,两条边界层辐合线相遇加强,在水平切变不稳定的作用下,辐合线上有γ中尺度涡旋形成。辐合线相遇造成的辐合抬升、低层强热力不稳定导致的环境正浮力以及中层中气旋扰动低压共同作用产生强上升气流,γ中尺度涡旋与上升气流叠置,强拉伸作用增强了垂直涡度,可能是低层微尺度气旋形成的关键机制。微尺度气旋直径收缩至最小伴随旋转速度达到最大时刻,对应龙卷生成,中层中气旋与微尺度气旋分离导致龙卷消亡。      

华南一次非中气旋海面龙卷的大气条件和雷达特征分析

利用S波段双偏振雷达、风廓线雷达、L波段探空雷达、区域自动站等观测资料和ERA5再分析资料, 对2019年5月26日发生在华南地区一次季风暴雨中海上龙卷过程的大气条件和雷达特征进行了详细分析。(1)低层辐合、高层辐散、中层短波槽东移的环流特征为龙卷的对流风暴提供了有利的大尺度动力抬升条件, 与大多数陆龙卷的形成机制相似。(2)该龙卷形成的环境条件也与一般非中气旋陆龙卷近似, 具有中等大小的对流有效位能, 对流抑制能量接近0, 为该对流风暴发生发展提供了热力条件, 具有发生龙卷的潜势; 强0~1 km低层风垂直切变和0~6 km深层风垂直切变为该对流风暴发展提供了动力条件, 其中低层风垂直切变远高于过去对陆龙卷低层风垂直切变统计的下限。(3)雷达发现: 龙卷出现前后, TVS(Tornadic Vortex Signature)雷达产品多次定位提醒, 但中气旋产品并未有提醒, 有一定示警作用; 径向速度产品揭示了龙卷正负速度对的发展变化; 龙卷低层旋转速度大值区多位于带状回波前沿, 对应的差分反射率Z_DR减小, 相关系数CC较低, 有利于确定龙卷的持续时间和影响范围。      

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。     

2019年6月17日河北张家口线状对流中的龙卷环境场与特征分析

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析资料以及卫星雷达资料，对2019年6月17日发生在张家口的一次与线状对流伴随的龙卷天气进行分析。结果表明：（1）龙卷天气发生在对流层中低层高能中心、强垂直风切变以及中层强风速区的环境中。（2）中低层强的正水平螺旋度、低层强辐合与高层强辐散配置为龙卷发生提供了有利的环境条件。（3）在对流不稳定区，边界层辐合线是对流的触发条件，弧状云线的发展加强和上冲云顶的识别分析有利于判断对流云团的发展趋势，对强对流的短临预警有重要参考意义。（4）通过雷达资料与风场反演分析，线状对流中的龙卷是由γ中尺度涡旋在低层强辐合与上升气流的拉伸下形成的。强辐合区主要位于3 km高度以下。     

河北张家口一次超级单体龙卷雷达回波特征分析

利用ERA5 再分析资料、雷达资料以及北京VDRAS资料，对2021年7月1日发生在张家口的一次与超级单体伴随的龙卷天气特征进行分析。结果表明：①此次龙卷天气发生在高空冷涡的东南象限、低空切变线前侧暖区及地面辐合线附近。②雷达资料分析显示在超级单体的南侧产生了此次龙卷，龙卷过程中超过50 dBz的高度在6 km以下，强核中心在3 km以下，为低质心的对流系统，反演的风场上在低层1 km高度存在闭合的气旋性环流。③北京VDRAS资料分析表明低层强辐合与高层强辐散配置、中低层强的正风暴相对螺旋度为龙卷发生提供了有利的环境条件；垂直速度分布显示龙卷生成地存在强上升运动，其两侧均存在下沉运动；扰动温度的垂直分布表明4 km以下存在负中心，4 km以上存在正中心。     

2011年7月31日黑龙江省暴雨天气诊断分析

应用常规观测资料、NCEP再分析资料和卫星云图产品,对2011年7月31日黑龙江省西部暴雨天气成因进行诊断分析。讨论了产生暴雨的天气系统特征,大气不稳定条件及产生暴雨的水汽条件和动力触发机制。结果表明：暴雨是由低涡、低涡槽前暖湿气流与冷空气的共同影响产生的。低层强盛的偏南气流建立起水汽通道,将水汽源源不断地向暴雨区输送。低层增温增湿使得大气层结不稳定。低层较强的西北气流与强盛的东南暖湿气流汇合,产生强切变,辐合上升运动增强,为暴雨的产生提供了动力条件,有利于不稳定能量释放。高层辐散与低层辐合相配合,有利于上升运动发展和维持。地面中尺度低压和中尺度辐合线为中尺度云团的发展和维持提供了条件;中尺度云团在暴雨区旋转停留近21 h,这是暴雨发生的主要原因。     

重庆2008年7月21日强对流天气成因及其特征

对2008年7月21日重庆市一次强对流天气过程进行诊断分析,通过分析天气背景,雷达回波,并应用四维变分同化方法反演风场,研究了强对流天气的发展机制.结果表明:高层冷空气入侵和中低层低涡系统强盛的暖湿气流形成的辐合切变是发生强对流的主要原因.雷达观测具有明显的弱回波区和"逆风区";反演水平风场表现为低层强回波前部有一条辐合上升带,到中层辐合上升带与强回波区重合,高层则对应辐散区;从风场的垂直剖面来看,强对流后部为入流区,到达中部后,形成强烈的上升气流,低层辐合带和强烈的上升气流形成强回波.在前部弱回波区处存在强降水下落形成的出流,该气流与暖湿气流辐合造成了浅薄的出流边界.     

一种预报龙卷发生的新方法

1.龙卷发生的基本因素大家已经知道,强烈的龙卷是在与中尺度气旋有关的雷暴涡旋中形成的。因此,龙卷发生的基本因素就是形成雷暴涡旋的那些因素,即: A.高层辐散——在200mb—300mb的急流层呈明显的辐散; B.低层辐合——和低层急流相关联的侧向辐合; c.抬升指数——测量上升质点的静力不稳定     

复杂地形下雷暴增强过程的个例研究

本文基于多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）反演的对流层低层热力和动力场,并结合多种稠密观测资料,对北京地区2009年7月22日一次弱天气尺度强迫下雷暴在山区和平原增强的机理进行了较深入的分析。研究结果表明：雷暴过程受大尺度天气系统影响不明显,对流前期地面弱冷锋,是此次雷暴新生的触发机制,高层冷平流、低层偏南暖湿气流的稳定维持和对流不稳定能量的聚集是本次雷暴增强的必要条件。雷暴从河北北部移进北京西北山区后,在下山和到达平原地区时,经历了两次明显的发展增强阶段。雷暴第一阶段下山增强,地形强迫起着主要作用,具体表现在三个方面：（1）地形斜坡使得雷暴冷池出流下山加速与稳定维持的偏南气流形成了强的辐合区;（2）地形抬升使得偏南暖湿入流强烈地上升,从而加剧了对流的发展;（3）地形抬高了冷池出流高度,使得出流与近地面偏南气流构成随高度顺转的低层垂直风切变,低层暖空气之上有冷平流叠加,使得雷暴前方的动力和热力不稳定增强。雷暴第二阶段在平原地区再次增强的主要原因是：组织完好的雷暴到达平原地区后,其冷池与低层暖舌在城区（朝阳地区）的对峙,产生了强的扰动温度梯度;强的冷池出流与势力相当的偏南暖湿气流相互作用产生了强的辐合上升气流,并与下沉气流在较长时间内共存;冷池出流形成的负涡度与低层切变产生的正涡度达到近似平衡状态。运用RKW理论,三者导致雷暴前方低层的辐合抬升最强,最有利于雷暴的维持发展。     

2017年8月13日东洞庭湖水龙卷特征

利用常规观测资料、自动气象站资料及湖南省岳阳多普勒天气雷达资料对2017年8月13日东洞庭湖水龙卷（简称扁山水龙卷）进行分析。结果表明:高空辐散、中低空低压切变、边界层气旋式辐合与特殊环境共同形成强烈辐合上升流场，3个相继北上的γ中尺度低涡中第2个低涡在上升流场和前后低涡共同作用下，在扁山水域迅速加强形成水龙卷，扁山湖心自动气象站风向风速、气压、能见度等变化较为显著，但仅伴随0.2 mm阵性降水。雷达产品显示:扁山水域强辐合带北部强降水质心低、强风切变低、切变上空水平径向风速小，但整条辐合带无风暴跟踪信息、中气旋和龙卷式涡旋特征；风廓线显示扁山水龙卷形成时边界层0.6 km中气旋与0.3 km近地面辐合流场上下叠加。通过与安徽升金湖水龙卷以及洞庭湖区历史上多次龙卷进行比较，认为低空强烈气旋式辐合流场对水龙卷生消有重要作用，高空大范围辐散与中低空、边界层、地面辐合垂直叠加产生的强烈抬升抽吸作用则是扁山水龙卷的主要成因。     

一次华北暴雨过程中边界层东风活动及作用

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料,针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析,结果表明:对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动,东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果;东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动,同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生,相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用,中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。     

宁波机场附近一次孤立强雷暴大风事件分析

利用区域自动气象站资料、天气雷达资料、宁波机场AWOS(automated weather observation system)资料和NCEP再分析资料等对2017年7月22日发生在宁波机场附近的一次孤立强雷暴大风环境条件和雷达回波特征进行分析。结果表明：1)雷暴大风发生在较强的对流有效位能、弱的垂直风切变和上层干燥近地面暖湿的大气层结配置下,海风锋是主要触发系统。2)雷暴大风发生时,地面出现明显冷池和中尺度雷暴高压。3)强反射率因子顶部高度快速下降,中层径向辐合达到18 m·s-1,低层速度辐散超过25 m·s-1等指标,对雷暴大风预警具有较好的指示意义。     

上海地区移动型雷暴阵风锋特征统计分析

文章利用常规天气资料、双多普勒雷达资料、GFS 3 km分辨率分析场资料以及地面自动站资料等,统计分析了上海地区2009-2014年共18次移动型雷暴产生的阵风锋的个例,包括天气背景、温湿环境特征以及阵风锋在雷达图上的特征等。根据阵风锋生成的时段以及与其母体雷暴的相互作用和影响,将移动型雷暴产生的阵风锋分为两类:(1)一类出现在雷暴发展、成熟阶段,阵风锋通常与雷暴保持一定的距离同向运动,出现阵风锋的雷暴主体通常伴有高悬的后侧人流急流,生命史长达2h以上;(2)另一类出现在雷暴的减弱消亡阶段,出现后即逐渐远离雷暴,出现阵风锋的雷暴主体通常伴有从雷暴系统后侧倾斜向下正好到达雷暴前侧阵风锋处的后侧人流急流。阵风锋出现后,逐渐远离雷暴运动,大部分阵风锋(12个个例)出现在雷暴移动方向的前侧,与雷暴移动同向,少数阵风锋(4个个例)出现在雷暴移动方向的异侧,与雷暴移动不同向。统计分析结果表明:第一类阵风锋一方面与雷暴同向移动,不断将其前侧低层的暖湿空气抬升,并沿着阵风锋输送到雷暴中去;另一方面,由于较强的垂直风切变和较强的对流有效位能对后侧人流急流高度的维持起到了关键作用,高悬的后侧人流急流和垂直风切变共同产生的正涡度和冷池产生的负涡度平衡,有利于维持雷暴的发展传播。因此,阵风锋后侧的雷暴持续稳定的发展,并在其后侧可观测到雷暴的新生。第二类阵风锋生成后即逐渐远离雷暴主体,仅以孤立波的形式传播,受经过的环境的影响,其后侧的干冷气流的性质逐渐减弱。与雷暴同向运动的阵风锋切断了暖湿气流向雷暴的输送,不利于雷暴的发展;同时在弱-中等切变和弱-中等对流有效位能的环境中,从雷暴后侧向前侧倾斜向下的后侧人流急流和冷池共同产生的负涡度强于垂直风切变产生的正涡度,强冷池前沿的上升气流向后倾斜,不利于新对流单体的发展,雷暴大都在阵风锋出现2h内消亡。     

沈阳桃仙机场春季冷锋型雷暴与冷锋型大风合成对比分析

以1996～2005年逐年沈阳桃仙国际机场春季雷暴的天气演变过程相似资料为依据,采用合成方法,选取4个典型冷锋雷暴个例进行分析。结果表明:蒙古气旋前部的暖平流、大范围正涡度区和正涡度平流导致了我国沈阳地区不稳定层结的建立和加强;高空辐散和低空辐合为雷暴天气的发生和加强创造了动力抬升条件;高空具有高湿位势涡度值的干冷空气叠加在低层扰动上,有利于不稳定层结的加强和降水发生。与相似形势下只产生春季大风而未产生雷暴的4次大风个例天气过程的合成对比分析,结果显示:冷锋的伸展方向及沈阳上空深厚的辐散层和低空湿位势涡度的不同分布可能是产生雷暴和大风不同天气现象的主要成因。     

辽宁东南部一次强降雪天气的成因分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、多普勒雷达资料等对2015年2月25日辽宁东南部一次强降雪过程进行分析。结果表明：此次强降雪过程发生在低空切变线东侧暖湿区对应高空急流出口区左侧的辐散区内,有强的水汽辐合中心;地面偏南气流受山前地形抬升作用在强降水区形成风向辐合和850 hPa以下急流中心,是造成强降雪的主要原因之一;暴雪过程开始前6 h出现温度平流随高度减小的配置,假相当位温空间分布上锋区的形成,有利于不稳定层结的建立;8～12 h前正涡度平流、中低层风向辐合带、近地面冷空气层的建立以及次级环流的形成加强了上升运动,对强降雪预报具有很好的指示作用;在降水相态是雨或雨夫雪时,雷达回波最大强度达到40～45 dBZ,而强降雪时回波强度为20～25 dBZ;当大连本站850 hPa温度以及1 000 hPa与850 hPa两层等压面之间的厚度处于雨雪转换临界值时,大连南部为雨或雨夹雪,北部为雪,此时出现强降雪,回波高度基本在6 km以下,最强回波25～35 dBZ维持在1 km以下,近地层为弱偏北风,与其上的西南风在边界层形成切变层,将暖湿气流抬升,为强降水提供动力条件。     

京津冀一次飑线过程的精细时空演变特征分析

利用常规探空资料、多普勒天气雷达资料和风廓线雷达资料对2013年3月19日夜里到20日凌晨发生在湖南中南部和广东北部的一次区域性雷暴大风天气进行了分析,发现本次强对流天气过程的天气尺度背景是北支高压脊的崩溃和南支槽的建立,槽前出现较强的低空急流和切变线并在湖南中南部和广东北部形成了上干冷下暖湿的温湿配置结构下发生并强烈发展的;地面自动站观测显示北风侵入到前期露点温度较高的贵州黄平地区并形成风向辐合触发了对流,之后对流单体东移进入前期地面辐合线和露点锋相配合,同时500 hPa极为干冷的湖南中部偏南地区不断发展加强成对流带;雷达观测显示19日夜里在湖南西部不断出现对流单体并在其东移南下过程中最终形成飑线结构,该飑线中存在多个超级单体;通过多普勒天气雷达的中气旋产品与雷暴大风出现时间对应比较发现：大多数由中气旋引发的雷暴大风,在雷暴大风出现前2~3个体扫,其中气旋底高不断下降至2 km左右或以下,且在雷暴大风出现前1~2个体扫,中气旋的最强切变高度显著下降至中气旋底高位置附近;通过风廓线雷达数据与雷暴大风出现时间对应比较发现：底层大气折射率结构常数(C2n)大幅度的跃升通常在雷暴大风出现前10~15 min左右出现,其对雷暴大风的出现可能具有一定的指示意义。基于雷达资料快速更新四维变分同化（RR4DVar）分析系统,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达资料和区域（约700个）自动站资料对2013年7月30—31日京津冀地区一次飑线系统在移动过程中系统不同部位的热动力结构及其环境场时空演变特征进行了分析。结果表明,这次飑线过程是在有利的天气尺度背景形势下发生发展的。飑线形成初期,其中段和南段前部有强的暖湿空气辐合上升运动,并受到强的中层垂直风切变的影响,且在飑线中南段两侧水平正负涡度近似平衡,这种环境下,十分有利于飑线中南段的组织发展。而北段前部受弱的中层垂直风切变及辐散下沉运动影响,不利于北段系统有组织的发展;随着飑线移动下山,中段和南段前部在较强的中层垂直风切变控制下,出现强的暖湿空气辐合上升运动,且存在偏南暖湿气流稳定输送到系统上升运动区中,这对飑线系统中段和南段自身对流单体新生及高度组织化极为有利。随着飑线演变为弓形回波,中段环境场仍维持强的中层垂直风切变且位于冷池出流边界的控制之下,由于地形强迫效应,有利于弓形回波前沿低空偏南暖湿气流的辐合上升,是飑线下山迅速增强并发展成弓形回波,且稳定维持的主要原因。     

2019年7月3日辽宁开原伴随EF4级强龙卷的超级单体风暴分析

综合利用多普勒雷达、地面自动气象站以及风廓线等观测资料和ERA5再分析资料,对2019年7月3日发生于辽宁开原的超级单体风暴伴随EF4级强龙卷环境条件、多普勒雷达回波特征和形成机理进行详细分析。结果表明:本次过程发生于低层暖湿高层冷干强的热力不稳定环境条件下,在地面干线汇合流场形成地面辐合线附近触发湿对流并发展为伴有龙卷的超级单体风暴。龙卷发生于低层钩状回波附近,多普勒雷达上呈现经典超级单体风暴雷达回波特征,低层强的垂直风切变将水平涡度转化为对流风暴中垂直涡度,强上升运动使得顺流涡度倾斜拉伸,从而龙卷发生前17 min在多普勒雷达2.4°仰角首先出现中气旋结构,随后风暴向南移动过程中,风暴的后侧下沉气流(RFD)将中低层的涡度“压低”致使龙卷接地,因此龙卷发生后1 min在0.5°仰角也出现强中气旋并有类龙卷涡旋特征(TVS),中气旋最强时的旋转速度达到28 m·s^(-1)(强中气旋标准),因此本次龙卷符合“自上而下”I型龙卷特征。由于环境干燥空气夹卷造成水滴强烈蒸发和冷却,使得地面出现了1 h降温达10℃的强冷池,过强的冷池可能在促使龙卷消亡过程中起到关键作用,致使龙卷持续了约30 min后消亡。