冷涡背景下山东省“5·17”极端强对流天气环境条件分析

2020年5月17日,山东省出现大范围强对流天气(简称“5·17”强对流),冰雹范围之广为近10年之首。对流风暴高度组织化,区域性的超级单体群以及一条长度超过500 km的强飑线造成此次极端强对流天气。利用ERA5再分析、加密自动气象观测站、多普勒天气雷达等资料,剖析了此次极端强对流天气的环境条件。结果表明:冷涡位于最有利于山东出现强对流的关键区,大尺度天气系统强迫强,对流层中层异常强的冷空气南下影响前期异常增暖的山东地区,造成“5·17”极端强对流。天气系统的异常程度更能代表动热力强迫的强度,异常程度达到2σ以上有可能造成极端强对流天气。当冷涡南下过程中强度减弱,但异常程度增加时,其东南象限仍能产生极端强对流天气。强的深层垂直风切变有利于对流风暴组织化发展,飑线的长轴走向与0～6 km垂直风切变矢量方向相同,新单体发生、发展、合并的区域位于风矢量差大值中心前沿。低层暖湿平流源源不断地向山东输送暖湿空气,是CAPE重建的机制,是超级单体群和长飑线得以长时间维持的主要能量来源。     

一次影响江西的致灾性飑线天气成因分析

利用常规探测、加密自动站、多普勒天气雷达和风廓线雷达等资料,分析2012年4月10日发生在江西省中北部地区的一次致灾性飑线天气过程,着重分析该过程形成的有利环境条件及强对流持续加强的原因。结果表明,此次过程由槽前暖平流强迫触发形成,并由飑线和非飑线上的超级单体风暴共同影响;强垂直风切变的存在、适宜的0/-20℃高度和"上干下湿"的结构配置是形成地面降雹和雷雨大风的有利环境条件。地面中尺度辐合线和中尺度温度锋区在江西中北部地区的长时间维持,也是飑线及非飑线上的超级单体风暴在江西境内持续加强的有利条件之一。强对流回波形成于地面温度梯度较大处,且位于风场辐合附近。     

长生命史飑线在强、弱对流降水过程中的异同点分析

利用常规气象资料、自动站资料、NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,对发生在我国中纬度地区不同对流环境下两次长生命史飑线过程的物理机制和中尺度特征进行了分析。结果表明:(1)飑线在近地面层有较强的水汽辐合,但强对流降水过程中的飑线湿层深厚,水汽辐合的层次更为深广、强度更强,存在较低的抬升凝结高度。(2)高层强冷平流与低层暖平流的叠加是飑线的共同特征之一;不同之处在于弱对流降水过程中飑线不稳定层结的建立更多地依靠高层冷平流的作用,有更高的温度直减率,具有弱降水超级单体的一些特征;强对流降水过程中飑线低层暖平流的加强也是造成大气不稳定的重要原因,θse在中层呈现出湿中性层结特征,存在更大的热力不稳定度,是典型的强降水超级单体特性。(3)长生命史飑线的发展离不开强环境风垂直风切变;强对流降水过程中垂直风切变主要是风速随高度变化而产生的,弱对流降水过程中垂直风切变主要表现为风向随高度的变化。(4)飑线沿着出流边界和引导气流方向移动。(5)飑线在雷达回波上的共同点:都出现典型弓形回波,减弱的标志亦是阵风锋逐渐远离回波主体,弓形回波逐渐断裂,强回波后侧的层状云回波面积开始增大;不同点在于弓形回波的演变方式不同,弱对流降水过程中的弓形回波有超级单体风暴的典型结构,而强对流降水过程中弓形回波的形成是由强降水超级单体的发展而来,单体结构明显不同于经典超级单体中非降水或弱降水超级单体。(6)速度场上低层存在着径向速度的大值区,中低层有辐合,并伴有中气旋存在,中层存在明显的MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)。1km高度以下的径向速度大值区、MARC和中气旋对地面灾害性大风有提前预警作用。     

一次罕见飑前强降雹超级单体风暴特征分析

2009年6月5日,受一个飑线前超级单体雷暴的影响,上海部分地区出现了直径25—30mm的冰雹,随后,飑线尾随该超级单体扫过上海,造成大风、雷电和强降水天气。基于常规天气观测、多普勒天气雷达、风廓线仪和自动气象站等资料分析发现,该超级单体发生在东北冷涡西南侧的高空强冷平流与低空暖平流形成的强不稳定层结背景下,超级单体风暴发生、发展在飑线前的暖区中,经过由"热岛效应"和海陆风锋共同形成的低空辐合线时明显加强发展;该风暴呈现出"指"状、"楔"状、弱回波区(WER)等超级单体雷达反射率特征,"指"状回波处出现了中气旋的径向速度特征,具有标志大冰雹的三体散射长钉(TBSS)特征回波,通过三体散射长钉多普勒速度发现了大冰雹的下降区和增长区。分析还表明:东北冷涡西南侧横槽南摆导致中空降温,0℃层和-20℃层高度明显下降,为冰雹的空中增长提供较好的温度环境条件,较低的0℃层也保证冰雹在空中下落中融化较少。双风廓线仪对比观测表明,超级单体发展的低空风场环境中具有较大的垂直风切变和风暴相对螺旋度,中尺度对流系统与环境场的相互作用形成了有利于风暴发展和维持的正反馈机制。飑线前超级单体雷暴与飑线主体关系密切,起到类似"箭"与"弓"的引导作用,飑线主体的一部分进入超级单体所遗留下的"冷"区后明显减弱,东侧入海后也逐渐减弱,其余部分仍在发展加强;最终,强风暴逐渐减弱,超级单体特征也开始消失,飑线与之合并形成新的"人"字型中尺度对流系统,新的"弓"形回波带与原回波带相比移动方向发生右偏,因此,飑前超级单体在飑线主体移动和演变的临近预报中有重要指示意义。     

“11.04.17”南沙区一次罕见强对流天气过程分析

分析了2011年4月17日广州市南沙区一次历史罕见的瞬时极大风速达14级以上的雷雨大风并伴有冰雹、强降水事件。多普勒天气雷达表明,此次强对流天气为弓形回波中的超级单体风暴影响造成;反射率回波图的"V"型缺口指示冰雹的出现。对流有效位能数值和K指数的突增显示了层结的不稳定性;对流层中下层环境风,随高度顺转说明了低层的暖平流特征。风廓线仪资料在本次雷雨大风过程中对短临预报,有很好的时效性:水平风资料提前24 min出现了中高层大风突增。风廓线仪虚温资料显示,09:30以后温度开始有持续的增加,指示低层能量的不断累积。     

2013年湖南首场致灾性强对流天气过程成因分析

应用湖南多部雷达和探空资料、中小尺度自动气象站资料、南岳高山站逐时观测资料及LAPS局地分析资料,对2013年3月19日湖南首场致灾性强对流天气过程的成因进行综合分析,并探讨强冰雹和雷暴大风预警着眼点及其可预警性。结果表明:强对流发生前,近地面晴空辐射增温、对流不稳定层结、强的垂直风切变、强温度梯度直减率以及近地层较好的水汽条件为强对流风暴发生发展提供了良好的潜势条件;中低层冷平流、地面中尺度辐合线、能量锋和露点锋以及近地面层弱辐散、中低层强辐合、高层强辐散的动力耦合结构是强对流发生的有利天气背景,中低层冷空气是这次强对流过程的触发机制;强对流风暴的前期以超级单体风暴和多单体风暴为主,超级单体风暴东移北上过程中与湖南西部不断新生的对流回波结合后发展成飑线,飑线维持、发展过程中出现"弓形"回波、中层径向辐合(MARC)、低层辐散、速度大值区等特征;在短临预警服务中,中低层明显的钩状回波结构、持续偏高的反射率因子和垂直积分液态水含量(VIL)值为靖州强冰雹预警的发布提供了有效依据,而低仰角距离地面1 km内的径向速度大值区(大于20 m.s-1)则为道县雷暴大风预警提供重要参考。     

甘肃河西走廊两次强对流天气对比分析

使用地面高空观测资料、NCEP 1°×1°6小时再分析数据和张掖CINRAD/CC雷达观测数据,对2006年7月7日、8月10日发生在甘肃河西走廊中部的两次强对流天气的环流形势、大气稳定度、相对风暴螺旋度(SRH)、天气雷达回波特征进行了对比分析.分析结果表明:产生这两次强对流天气环流形势不同.7月7日飑线对流系统产生于北部沙漠戈壁由北向南移动,右移飑线前部结构为气旋式旋转;8月10日对流系统产生于青藏高原由南向北移动,来自高原上的暖湿气流水汽充足,不稳定层比7月7日深厚,产生冰雹的左移超级单体结构为反气旋式旋转.7月7日右移飑线相对风暴螺旋度降雹前为正值,降雹开始后转为负值;8月10日左移反气旋超级单体相对风暴螺旋度在发展期为负值,降雹开始后跃增到60m2·s-2以上.     

一次超级单体分裂过程的雷达回波特征分析

2007年7月9日16—20时（北京时）在河北南部非常罕见地观测到了多个超级单体风暴在相近地点连续生成及分裂的过程。利用石家庄新乐SA型多普勒天气雷达资料、地面自动站及常规天气资料,对超级单体分裂过程及环境条件做了分析。表明这次的多个超级单体风暴是在强的对流有效位能和垂直风切变的环境条件下发生的。由于垂直风切变矢量方向随高度逆时针旋转,因此,分裂后左移的反气旋风暴得到加强,发展成为具有深厚中反气旋的左移超级单体风暴,而右移的气旋性风暴受到抑制,与理论研究结果一致。但也有不同之处,沿着地面高湿区内热力边界偏暖一侧移动的气旋性风暴没有受到明显抑制,有利的地面环境条件抵消了气旋性风暴受抑制的程度,使气旋性风暴能够持续更长的时间。该强烈发展的带有明显中反气旋的超级单体风暴具有低层钩状回波和入流缺口、中高层有界弱回波区及位于有界弱回波区之上的高层具有反射率因子核心和强烈风暴顶辐散,与经典的气旋式右移超级单体风暴的回波特征非常类似,除了是反气旋涡旋外,其回波特征与气旋式超级单体近似成镜像。风暴分裂是在单体形成不久的发展初期开始的。分裂先从中高层开始,然后迅速向下延伸。分裂后相对于0—6 km风切变矢量,左侧的单体为反气旋左移风暴,右侧的为气旋性右移风暴。     

一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征

2009年8月27日15-18时,石家庄地区出现雷暴大风等灾害性强对流天气过程,石家庄地区北部新乐县境内的多普勒雷达探测到了此次天气过程中完整的阵风锋、飑线、中气旋等中尺度天气系统,并对此次雷暴大风的环境场和多普勒雷达产品进行分析。结果表明：低层逆温、中低层垂直风切变较强的不稳定层结为强对流天气的发生发展提供了有利的环境条件。阵风锋对对流风暴发展强度具有反馈作用,当二者逐渐远离时,对流风暴强度减弱甚至消亡;当二者逐渐靠近时,对流风暴发展加强,甚至发展为超级单体对流风暴。多单体对流风暴带状排列构成飑线系统,所经测站出现风速突增、风向急转、气压涌升、气温下降,钩状回波、人字型回波、弓形回波和深厚持久发展的中气旋是本次天气过程中的超级单体对流风暴所具有的典型特征。地面破坏性大风主要由超级单体对流风暴所引发。     

长生命史超级单体结构特征与形成维持机制

利用地面加密自动站、多普勒天气雷达等观测资料及NCEP再分析资料对2015年4月28日冷涡背景下发生在苏皖地区的强对流天气过程进行了分析,重点探讨了此次过程中导致苏南区域性冰雹的长生命史超级单体风暴结构特征及形成维持机制。结果表明:冷涡后部偏北急流的建立及其携至南下的冷平流,促进了条件性不稳定层结和深层垂直风切变的发展,为强对流天气的发生提供了有利的环境。地面中尺度低压及与之伴随的辐合线是对流风暴的触发机制之一。长生命史超级单体风暴起源于对流层中层,成熟阶段具有高度组织化的动力结构,风暴内伴有显著旋转特征,中层旋转最为明显,风暴内中层及以下对应较深厚的辐合区,风暴顶则表现出明显的辐散特征,有利于风暴内上升气流和风暴低层暖湿入流的增强,促进了低层较丰富的水汽向风暴内输送,导致对流风暴的垂直增长和强烈发展。冰雹出现前后,风暴顶高、质心高度呈现波动特征,冰雹出现在对流风暴顶高及质心高度迅速下降阶段,质心高度下降趋势更显著。超级单体风暴较长时间维持与对流层中层持续南下的冷平流、强垂直风切变的维持及风暴内旋转特征持续有关。     

一次左移反气旋超级单体的观测分析

2006年8月10日在甘肃河西走廊山丹县境内发生了一次左移（反气旋）超级单体灾害性天气,在其2 h生命史期间,山丹县境内降了最大直径2 cm的冰雹。从其发生、发展的天气尺度环境条件、多普勒天气雷达反射率因子、径向速度以及风矢端图、相对风暴螺旋度等角度,揭示了左移超级单体的特征,并利用ID方法对这次左移超级单体的移动路径进行了预报。结果表明：风矢端图上,在1.2~4.5 km高度层,左移超级单体的垂直风切变矢量呈反时针旋转;左移超级单体在发展阶段,0~3 km内相对风暴螺旋度为负值;通过比较,ID方法预报的超级单体位置比现行PUP产品中的SCIT算法绝对误差要小。     

Supercell simulations with simple ice parameterization

Summary A three-dimensional cloud model derived from the Klemp-Wilhelmson model has been used to perform simulations of a right-moving supercell with the purpose of testing the effects of terminal velocity of precipitation on the storm dynamics. The model has no ice variables and computes a fall velocity for condensed water. We simulate one of the effects of ice presence, without including phase transition, by reducing the fall velocity of the precipitation in the coldest cloud layers. The reduction of precipitation terminal velocity is shown to have a strong influence on supercell dynamics and to be responsible for nearly all the improvements in the simulation of supercells that are obtained with full ice microphysics. This includes the transition to tornadic phase, which is sharper than in the case of a pure rain supercell. The vertical component of vorticity is seen to increase at all levels, as observed in real storms, instead of just at the surface as is common in simulations with no ice phase.Our results indicate the primary importance of terminal fall speed among the effects due to the presence of ice.With 13 Figures     

重庆一次超级单体风暴的综合分析

利用MICAPS常规天气资料、卫星和多普勒雷达等资料对2008年6月5日发生在重庆的一次超级单体风暴进行了综合分析。结果表明,该超级单体是在典型的"上层干冷、下层暖湿"的大气垂直结构下产生的,产生风雹的区域正好位于低空急流出口区及中低层风速辐合区;多普勒雷达观测表现为典型钩状回波、低层有界弱回波区和"穹隆"、中气旋、阵风锋等超级单体特征;垂直累积液态水(VIL)的突然跃增比冰雹降落时间提前2~3个体扫,对冰雹预报具有一定的指示意义;卫星反演的云粒子有效半径的大值区与冰雹落区较为一致;云中粒子半径36μm的粒子越多,所占比重越大,降雹的可能性就越大。     

强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究

利用多普勒雷达资料,对发生在安徽的3次强烈龙卷过程进行了分析.重点研究了导致F2～F3级强龙卷的3次超级单体风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体风暴的差异.另外,利用安徽省、市、县气象报表、历年气候评价灾情资料(部分来自民政部门的灾情报告),对1960年至今的龙卷天气的时空分布及变化趋势、产生龙卷的环流形势特征进行了分析,结果表明:(1)龙卷主要出现在淮北东部和江淮之间东部地势平坦地区,7月份出现龙卷的概率最高.(2)超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度较低.(3)3次F2～F3级龙卷在发生前、发生时在多普勒雷达上都探测到强中气旋和龙卷涡旋特征TVS.与非龙卷超级单体风暴相比,导致强龙卷的中气旋底高明显偏低,基本在1 km以下.同时风暴结构也有所不同,造成龙卷天气的超级单体风暴最大反射率因子与风暴质心高度接近,基本在3 km左右,反射率因子在50～60 dBz.造成强冰雹的超级单体风暴在冰雹产生前,风暴最大反射率因子高于风暴质心的高度;当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5km左右,反射率因子在60～70 dBz.     

一次超级单体风暴的雷达回波特征分析

利用兰州CINRAD／CC雷达对2008年7月18日甘肃省定西市境内的降雹过程连续观测,对探测到的资料进行分析,总结出此次降雹过程的反射率因子、径向速度、RCS垂直剖面、垂直累积液态含水量等产品的主要特征,初步探讨了使用多普勒雷达监测冰雹的方法,找出了超级单体风暴呈现出的钩状弓状回波、有界弱回波区、回波墙、悬挂回波、明显的人流缺口、存在中气旋等典型的回波特征,归纳出VIL剧烈变化、ET与冰雹过程的一致对应关系、明显的三体散射特征等一些对冰雹的临近预报有指导意义的信息,为使用天气雷达探测此类灾害性天气提供了参考。     

华北地区一次长生命史超级单体雹暴特征观测

对2020 年6 月25 日河北南部从保定涞源到沧州东光的超级单体雹暴环境条件、雷达观测及风场反演特征进行了分析。结果表明：①本次超级单体雹暴是在水平对流卷上触发起来并经过不断加强形成的。②超级单体雹暴长时间处于中等到强的基本顺时针旋转环境风的垂直风切变环境中、中气旋维持时间超过3 h以及较强冷池作用，是本次超级单体雹暴维持长生命史的可能原因。③对流单体VIL持续7 h基本维持在55～80 kg·m-2区间,与单体移动路径上降雹时段一致，超过4 h持续出现三体散射长钉或旁瓣回波特征，与本次过程中灾情调查和气象站观测到的大冰雹时间段基本一致，对大冰雹有较好指示意义。④超级单体雹暴出现钩状回波（低层）、回波悬垂“穹隆”结构、风暴顶辐散、ZDR柱和KDP柱等特征。“穹隆”顶部为65 dBz以上反射率因子，该处风场以垂直上升为主，水平风分量较弱，呈现出“穴道〖CD*2〗零域”结构，利于大冰雹增长。超级单体垂直速度随高度增大，利于中气旋形成和维持。     

2011年4月中旬华南一次超级单体风暴过程分析

利用常规资料和WRF模式计算的结果,对2011年4月17日华南地区一次超级单体风暴过程进行综合分析。结果表明,此次强对流发生在高空槽、切变线配合地面锋面的天气背景条件下,切变线和地面锋面共同作用触发了强对流天气的发生;沿倾斜的等θse面下滑的高层正位涡冷空气与低层暖湿空气相互作用,产生明显的辐合上升区,促使强对流不断发展;新的超级单体在原有单体的右前方不断生成,从而维持了强对流较长的生命史,使得超级单体风暴在移动过程中呈现东南向移动的特点。     

超级单体风暴中大冰雹增长机制的模拟研究

为调查超级单体中大冰雹的运行增长机制,使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式,对一例超级单体风暴进行了数值模拟.实测风暴的结构如中气旋、弱回波区、前悬回波等被很好地模拟再现,显示了模式对超级单体具有良好的模拟能力.雹胚在风暴发展阶段由过冷雨滴冻结产生,主要分布在主上升气流区上部,在主上升气流区西北侧中高层也有相当数量的雹胚粒子,冰雹主要分布在主上升气流区东侧.风暴发展阶段产生的雹胚有7％～8％增长到1 cm以上,1％左右增长到2 cm以上,这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区,气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长,少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层,气旋性地沿着主上升气流区的边缘按照下—上—下形式运动增长,表明了超级单体中大冰雹存在两条增长路径.     

一次超级单体风暴的气流场结构特征分析

利用新一代天气雷达强度场、速度场的资料，分析了2003年7月22日发生在玛河流域的一次超级单体风暴的中尺度气旋、旋转上升气流、阵风锋等气流场结构特征。     

一次超级单体风暴的多普勒雷达回波特征

利用滨州CINRAD／SC雷达产品资料,对2008年6月25日发生在鲁北沿海地区的超级单体风暴过程进行了分析。结果表明,超级单体右前方的低层反射率因子呈现明显的“钩状”结构,弱回波区上方存在强大的回波悬垂,低层存在中尺度辐合现象,中层呈现气旋性旋转结构,风暴顶为强烈辐散。风暴成熟阶段反射率因子维持在60dBz以上,最强达70dBz,相应的垂直累积液态水含量维持在60kg·m^-2以上,最大值达到78kg·m^-2。风暴内部强烈的旋转上升气流使得风暴维持较长时间,造成了严重的风雹灾害。