上海地区一次阵风锋结构特征与动量收支诊断分析北大核心CSCD

利用多普勒天气雷达资料、自动气象站资料以及WRF模式模拟结果,分析了2012年7月13-14日上海地区发生的一次阵风锋结构特征,并对阵风锋移速成因进行了动量收支诊断分析。结果表明：（1）此次阵风锋天气现象特征明显：气压陡升、风向突变、风速加大、温度及露点温度骤降等,并伴有短时强降水。（2）WRF模式较为完整地模拟了此次阵风锋发展演变及其对上海地区的影响过程。（3）阵风锋后面伴有冷池,冷池主体位于2 km以下,冷池上方伴有负的扰动气压,且2~3 km气柱内有扰动西风下传。冷池强弱直接影响阵风锋强度,扰动西风下传所带动量直接驱动冷池,进而影响到阵风锋形成及其强度。（4）动量收支诊断分析分析表明,垂直平流、气压梯度力对阵风锋的纬向移动有较大贡献。     

混合层的建立对一次强阵风天气过程的影响

利用NCEP再分析资料和常规地面观测资料,分析混合层的建立对2012年3月23日天津地区强阵风天气过程的影响机理。结果表明：强气压梯度和强变压梯度的共同动力作用是地面强阵风形成的背景条件。强阵风出现在午后气温较高、湿度较低且地面气压较低的时段。午后深厚混合层内的干热对流使高空急流北侧下沉气流将动量下传至对流层中层后向近地面层进一步有效下传,导致地面阵风增大。深厚混合层的建立也是地面强阵风形成的一个重要原因。WRF模拟结果表明,局地混合层强度差异使高空动量下传产生局地差异,这可能是天津各地区阵风强度存在空间差异的重要原因。     

不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响

为研究不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,对2009年6月5日发生在上海的一次飑线过程分别进行了3、1、0.5 km水平分辨率和一、二阶矩微物理方案的理想试验。结果表明,模式水平分辨率和微物理方案对模拟飑线阵风锋有明显的影响。随模式水平分辨率的提高,模式模拟的飑线弓状回波结构更精细。与3 km分辨率相比,1和0.5 km分辨率模式能很好模拟出飑线后部下沉气流和前部上升气流,模拟的冷池前沿最大风速相对更接近实况。二阶矩微物理方案更能模拟出飑线弓状回波前强后弱的结构特征和飑线过境地面降温幅度,模拟的飑线移动速度、冷池面积和强度、冷池前沿最大风速和雨水蒸发率等均小于一阶矩微物理方案的模拟值。采用1和0.5 km模式水平分辨率及二阶矩微物理方案模式模拟的飑线与WSR-88D多普勒天气雷达探测实况更接近。模式分辨率的提高有利于模拟飑线的维持。对业务数值预报模式模拟飑线阵风锋而言,在计算条件允许的情况下,模式水平分辨率达1 km并采用二阶矩微物理方案可能是需要的。结果还表明,冷池前沿最大风速、冷池强度、模式底层降温幅度、飑线移动速度与雨水蒸发率存在对应的变化趋势,飑线移动速度的变化对飑线阵风锋地面大风的预报有指示意义。改善数值模式对飑线阵风锋预报性能除需关注模式水平分辨率和微物理方案外,还需关注数值模式对雨水蒸发率的模拟能力。     

基于雷达资料四维变分同化技术对北京地区一次下山突发性增强风暴热动力机制的模拟分析

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分(4DVar)同化技术,通过对4部新一代多普勒天气雷达探测资料进行快速更新同化和云尺度模拟,初步分析了2009年8月1日发生在北京地区的一次短生命史、突发性增强风暴的低层动力和热力影响机制。此次风暴过程处于弱天气尺度背景和弱层结背景下,冷池和低层环境风场相互作用是造成山上对流风暴增强传播下山的关键机制,而风暴的短生命史和平原地区上空弱风垂直切变环境有关:在对流风暴产生的初期,由于平原地区局地热力、动力场分布的差异,在平原地区西部近地面形成冷池结构,而冷池的“障碍物”作用进而阻碍环境风场的传播。在此机制下,导致在冷池东南边缘附近形成辐合中心、较强的低层水平风垂直切变和全螺旋度大值中心,有助于风暴传播下山。在风暴临近山边阶段,平原地区原有冷池的“绕流”等机制仍然有助于形成有利于主体风暴传播下山增强的近地面辐合中心、强低层水平风垂直切变和全螺旋度大值中心等环境。此外,随着山上风暴降水产生若干冷池,由于风暴形成的阵风锋抬升作用以及新生冷池与老冷池的逐渐发展并相互靠近,使冷池之间暖空气不断抬升,在冷池之间低层形成较强的辐合中心、全螺旋度大值中心。并且,由于冷池边缘的热力场分布不均匀,同样在冷池边缘形成较大扰动气压和扰动温度,增大了垂直加速度,在冷池之间中高层形成上升气流区,这些机制使北部风暴重新增强和新生风暴产生的同时,最终也导致这些风暴互相靠近,合并组织成带状回波。风暴在平原传播阶段,带状回波产生的冷池进一步增强,并明显扩展。低层风场指示冷池出流(阵风锋)更加强烈且存在明显的“前冲”特征,显现出部分飑线系统特征。但是,由于此时平原地区处于弱风垂直切变环境,此时冷池强于低层风垂直切变,即冷池产生的负涡度大于低层风垂直切变产生的正涡度,因此,冷池前沿的上升气流向后倾斜并导致阵风锋逐渐离开主体风暴,不利于沿着出流边界形成新的对流单体,从而不利于维持对流风暴系统的发展传播。随后,阵风锋和前方东南气流交汇,形成新的孤立单体。并且,基于模拟结果计算了与对流系统发展密切相关的全螺旋度、风垂直切变。结果显示,风垂直切变(尤其是0—3 km)和全螺旋度与风暴发生和传播位置及强度相关性较高,反映出模拟量对带状回波风暴过程具有较好的指示意义。     

阵风锋差异及强迫作用对雷暴触发影响的模拟分析

为加深了解强对流的机制和特点,弥补雷达探测能力的不足,针对一次由3条阵风锋共同触发强对流过程,利用业务中尺度模式WRF进行了数值模拟,通过经本地化改进的指数探索触发关键因素,并与雷达探测资料对比分析。结果表明:(1)本地业务模式对此次过程天气背景与关键系统具有一定的模拟效果,但把握对流单体的能力十分有限,需辅以其他参数方可揭示新生雷暴触发机制。(2)本地化改进Micro Burst Index(MBI)与Turbulent Kinetic Energy(TKE)相互印证,体现了对流与阵风锋的重要特征。MBI高值区的范围、强度与原生对流特征相符,外缘与阵风锋位置吻合,强内核面积与各阵风锋强度一致,反映出各阵风锋及其触发能力存在差异。(3)3条阵风锋及MBI强度、850 hPa风场和下垫面特征的不同,决定了阵风锋各个交汇点是否触发新生对流,以及新生对流的强度与传播方式的不同。(4)强迫上升由3部分组成,其中阵风锋沿地形强迫上升贡献占垂直运动的1.1%,围拢挤压占40.9%,阵风锋的直接强迫最强占58.0%。上述共同作用导致强烈的上升运动,促使地表空气上升到海拔4300 m远超出LFC,并与局地水汽条件相配合,是触发异常强烈新生对流的关键。大气低层自东向西传播的重力波也有利于新生对流的触发。(5)MBI计算简单方便,可揭示模式难以直接反映的重要特征,经不断完善可望为无缝隙网格预报提供关键线索。     

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。     

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后,常骤发强风,甚至起沙扬尘,持续数小时甚至一二天,通过对边界层超声风温仪的资料分析,可知大风常叠加有周期为3～6 min的阵风,较有规律,且有明显的相干结构:阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主,横向和垂直方向的分量都较小,其本质是低频次声波和重力波的混合;阵风沿顺风向且向下传播.周期小于1 min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡.大风期间,无论是平均流、阵风和湍流脉动,至少在120 m高度以下,主要都有西风和北风动量下传,感热上传.平均流的动量下传强于由脉动下传的量,与一般天气情况不同,而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多.平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用.     

一次高空急流增强过程中的中尺度扰动和动量输送特征

本文利用中尺度数值模式的高分辨率模拟结果,研究了夏季东亚副热带西风急流一次短时间尺度强度变化过程中的中尺度西风扰动特征和相应的动量输送特征。结果表明,此次急流强度短时间尺度变化以急流轴线为界,北侧增强,南侧减弱。急流整体增强和急流内部中尺度西风扰动的积累效应有关。急流入口区(出口区)南侧主要为西风动量水平通量辐散区(辐合区),北侧为辐合区(辐散区),西风动量水平辐合辐散区的水平尺度只有百公里左右,也属于中尺度范围,并且辐合辐散区一般位于地形坡度较大区域上空。西风动量的垂直输送与西风动量水平通量散度分布几乎一致,但数值小一个量级以上。     

南京地区初夏一次阵风锋过程的分析与识别

阵风锋过程一般伴随中尺度强对流系统发生, 在近地层形成很大的阵风及风切变, 容易造成风灾, 特别是对航空部门有很大的影响。本文对2006年6月29日发生在南京的一次由强中尺度对流系统引发的阵风锋过程进行分析, 通过多普勒天气雷达资料以及地面中尺度观测网观测到的实况, 可以清楚地看出这个阵风锋系统的结构。当阵风锋经过时, 地面测站观测到明显的风向变化、 风速增大、 气压增强、 温度下降, 而后出现强降水等特点, 这些都符合阵风锋的结构特征。利用地面测站实时观测到的气压、 相对湿度、 温度等计算得到折射指数, 它在阵风锋刚经过时迅速增大, 而后随阵风锋外移逐渐减小, 但是因为阵风锋后对流系统的影响, 折射指数还要维持很长时间的高值。从雷达观测的反射率强度上能看到阵风锋位置的回波强度、 高度都比两侧要大, 与后方强对流系统之间的距离有5～10 km。对雷达观测到的径向速度进行反演, 可看到上层的速度大于近地层速度, 并且强速度中心靠前, 在近地层形成向后的气流(回流)。阵风锋在多普勒速度场中表现出明显的线状组合切变, 利用阵风锋的这个特点设计自动识别算法, 能够有效地对阵风锋进行识别, 组合切变也能有效地对阵风锋的发展以及移动作预报。     

咸阳机场一次阵风锋的探测和自动识别

利用西安多普勒雷达观测资料、NCEP再分析资料和自动气象站资料,对2016年6月4日发生在咸阳机场附近的一次阵风锋天气展开研究。这次过程是由蒙古低涡主导,低涡后部的冷空气南下触发对流引起的,阵风锋过境时咸阳机场产生了2.2mm降水和19.7m·s^(-1)的大风天气,多架次航班受到影响。从雷达回波的分析发现,这次阵风锋的特征表现为,生命史2h左右,回波强度5~25dBz,长度约70km,平均移速达49.7km·h^(-1),伴有明显的窄带回波和辐合线。对雷达基数据进行质量控制后,设计了自动识别软件,在强度场上利用双向梯度算法,以及速度场上使用Shear参量算法,根据窄带回波和辐合线的空间一致性,对该阵风锋的位置和强度进行识别。最后利用临界成功指数对这个软件进行评估,本次阵风锋的识别率达到83.33%,表明该软件能够识别阵风锋,可在业务中使用。     

1998年夏季风爆发前后南海地区的水汽输送和水汽收支

利用NCEP逐日再分析资料、Micaps系统提供的气象观测资料及局地经向环流线性诊断模式，定量分析了2003年夏季东亚地区局地经向环流的演变情况。结果表明：(1)东亚地区夏季雨带的移动与局地经向环流的演变紧密联系。当淮河流域发生强降水时，在淮河流域上升和华南地区下沉的副热带季风环流圈尤为显著，该环流圈主要由潜热加热、热量垂直输送、温度平流和西风动量经向输送等物理因子所驱动；(2)潜热加热主要影响副热带季风环流上升支的强度，反映了梅雨锋对流系统的重要作用；(3)热量垂直输送、温度平流及西风动量经向输送则主要影响副热带季风环流上升支的北移，其中热量垂直输送、与强(弱)斜压槽活动有关的经向温度平流和涡动西风动量经向输送(纬向温度平流和平均西风动量经向输送)对上升支北移的作用在华南地区汛期后期(在其余夏季降水阶段)较突出。以上这些物理因子具有预报东亚地区局地经向环流演变和雨带移动的参考价值。     

乌鲁木齐机场东南大风数值预报及地形敏感性试验

利用WRF模式和GFS资料对乌鲁木齐机场一次东南大风天气进行了预报和地形敏感性试验。模式预报的结果表明:WRF模式对东南大风的起风时间、持续时间、风速大小等方面有较强的预报能力。地形敏感性试验表明:1乌鲁木齐市区与机场300m左右的高度差对机场风速的影响很大;2机场上空下沉运动的强弱与东南大风的强弱有很好的对应关系;3机场东南大风的风速变化并不总是与峡谷两端气压梯度力的变化同步。此次东南大风天气的产生是低空动量下传、狭管效应和下坡风共同作用的结果。动量下传主要出现在海拔2000m以下的高度,下坡风主要出现在海拔935m以下的高度。     

2017年2月下旬浙江省一次冷锋引起的大风天气过程分析

利用常规地面气象观测资料和NCEP再分析资料,对2017年2月20—21日浙江省中西部地区的一次冷空气大风天气过程进行分析。结果表明：西伯利亚冷高压与东亚大槽共同作用形成的强气压梯度是此次大风天气过程的重要成因;高空槽槽后动量下传是此次区域性大风超出一般冷锋大风强度的关键因素;200 hPa高空西风急流入流区的辐合下沉运动与冷锋前的上升运动叠加形成的次级环流是此次大风天气出现的增强条件。     

多种观测资料在一次弱降水雷暴大风分析中的综合应用

利用多普勒天气雷达、宝坻和西青两部风廓线雷达、天津250m气象铁塔观测资料,结合NCEP再分析资料、探空资料、地面加密自动站和自动站分钟资料,对2014年6月8日发生在天津地区的一次弱降水雷暴大风过程进行分析。结果表明:(1)此次过程属于西北气流型雷暴大风,低层强垂直风切变和较大的温度直减率为雷暴大风的出现提供有利环境条件;(2)此过程共经历弓形回波复合体、阵风锋和单体弓形回波3个阶段,雷暴大风的强度与强回波核伸展高度以及下落时间有关,回波核伸展高度越高,下落时间越短,雷暴大风强度越强;(3)强冷池的快速移动是弓形回波复合体阶段雷暴大风的直接原因,冷空气首先从2.3km高度入侵,10min后地面出现雷暴大风。天津南部具有不稳定能量高值中心,配合地面中尺度辐合线的触发作用导致单体弓形回波阶段雷暴大风;(4)阵风锋阶段上升与下沉气流共存,下沉速度峰值的下传特征较地面雷暴大风的出现提前20min,2km以上的对流层中低层为上升运动。     

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。     

渤海湾海风锋与阵风锋碰撞形成雷暴天气的诊断特征

对2007年8月13日天津多普勒天气雷达(CIN RAD WSR/98D)探测的雷暴天气个例进行分析,结果表明:此次雷暴天气是由渤海湾海风锋与阵风锋碰撞形成的;碰撞后,在海风锋前端、阵风锋前部有新的雷暴单体形成;阵风锋后部的对流回波主体加强,对流回波主体由椭圆状加强为典型的弓状。应用天津36个自动气象站的地面六要素资料和北京850 hPa以上探空资料,组成新的诊断资料,对该个例进行诊断分析,结果表明:雷达探测的海风锋前端具有较强的低层垂直风切变梯度和露点温度梯度大值区,海风锋前沿与0～3 km垂直风切变梯度密集区相对应,且与露点温度梯度变化较快的区域基本吻合;海风锋与阵风锋相互碰撞时,0～3 km垂直风切变在2 h内变化较快,且有明显的增加趋势,CAPE(convective available potential energy,对流有效位能)值在雷暴形成前有较明显增加;随着雷暴天气结束,上述特征随之消失。     

2015年热带气旋“彩虹”的高分辨率数值模拟与风场诊断分析

利用WRF模式,对热带气旋“彩虹”（1522）登陆过程开展了高分辨率数值模拟,模拟验证表明:模式较成功地模拟出了“彩虹”的移动路径、强度变化和降水分布。利用高分辨率模拟资料,分析了“彩虹”登陆期间的大风分布以及热、动力结构特征,结合切向风动量方程开展了模拟诊断,结果表明:切向风动量方程各项在近地面层和边界层顶代表高度上的平面结构诊断分析显示,近地面（0.4 km）层上,VVOR（角动量径向平流项）和VPGF（切向气压梯度项）是切向风变化的最大贡献项;边界层顶（1.3 km）附近,VPGF和VVA（切向动量垂直平流项）对切向风起到正加速作用,而VVOR则根据入流（出流）特征,起到正（负）加速作用。切向风动量方程各项的轴对称平均结构诊断分析显示,“彩虹”登陆前,VVA和VVOR是决定切向风变化的主要贡献项。     

北京及周边地区雷暴阵风锋特征统计分析

为全面和系统研究北京及周边地区阵风锋各方面特征,使用2006—2015年暖季（5—9月）北京多普勒雷达探测资料及北京、河北、天津自动气象站观测资料对北京及周边地区的阵风锋过程进行综合统计分析。结果表明,346次阵风锋过程有232次触发了对流,占总数的67%,表明阵风锋对雷暴具有较强的抬升触发能力。阵风锋在6—8月出现的日数占5—9月阵风锋总日数的85%;出现的时段主要是午后至傍晚（12—21时,北京时）,维持时间0.5—3 h;阵风锋在北京东南方向生成的数量最多,且触发对流的次数也最多;其次为偏东和东北方向;偏南和西南方向生成阵风锋数量居中,而偏北、偏西和西北地区阵风锋个例相对较少,触发对流的比例也相对较低。产生阵风锋的母风暴中48%为孤立雷暴（包括孤立多单体和超级单体风暴）,31%为雷暴群,21%为飑线;97%的母风暴最强回波在50 dBz以上,阵风锋的回波强度为10—25 dBz。91%的阵风锋移动速度集中在10—60 km/h,84%的阵风锋与母风暴的最大距离为1—60 km;在母风暴回波强度减弱到30 dBz以下时,80%的阵风锋能够继续维持的时间不超过2 h。阵风锋母风暴向东南方向移动的个例最多,从阵风锋和母风暴移动方向的关系来看,阵风锋与母风暴移向一致的情况占比最高,为32%,其次为母风暴无移动及阵风锋弧形扩散情况,各占17%;阵风锋与母风暴移向相反情况所占比例最低,只有3%。最后统计了阵风锋经过地面自动气象站时,自动观测量的变化情况。结果显示,阵风锋在经过地面自动气象站时会造成风速增大、温度降低、相对湿度增大、气压升高。      

浙江一次强飑线系统结构特征的数值研究

利用常规观测资料、自动气象站资料、NCEP再分析资料和高分辨率WRF模式,对2016年5月5日发生在浙江地区的一次强飑线过程进行模拟研究。结果表明,切变线是影响此次强飑线过程的主要天气系统,飑线发生在充沛的水汽,较弱的对流有效位能和中等强度垂直风切变大气环境下。WRF模式对此次飑线的演变过程和降水分布有较好的模拟能力。通过进一步分析模拟资料发现,雷暴高压和地面冷池是此次飑线风暴的重要边界层特征,边界层辐合线有利于飑线的发展和维持。飑线后侧对流层中层以下的强下沉气流,是造成此次雷暴大风的关键因素。     

江淮地区一次副高边缘暖区暴雨成因分析

利用常规观测资料和风云2号静止气象卫星资料,结合WRF(weather research forecast)模式对2018年7月26日江淮地区一次副热带高压边缘暖区暴雨进行模拟分析.结果表明:此次暴雨过程发生在副高边缘,暴雨落区位于低空切变线以南的西南暖湿气流中;对流最先在安徽北部和东部发生发展,随着对流形成的冷池出流...