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。     

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。     

滇东北一次飑线过程的中尺度结构特征

利用常规观测资料、卫星云图和多普勒天气雷达资料,综合分析了2007年6月14日发生在滇东北的一次飑线过程。结果表明:飑线发生在700 hPa切变线前和冷锋前暖区中,位于高层冷舌和低层暖舌相叠置的地区,高层冷空气侵入和地面中尺度切变线的触发作用是飑线形成和发展的主要动力过程。飑线前沿形成含有5个强单体的带状强回波,成熟阶段的强单体出现了弓形回波特征。飑线前沿出现低层辐合、中层径向辐合和高层辐散的特征,低层β中尺度辐合线随高度增加向飑线后部倾斜。飑线前沿存在前侧低层入流、中高层出流急流以及后侧低层入流急流。飑线上存在深厚的上升气流,两侧为下沉气流,且前方的下沉气流比后方强。低层强垂直风切变有利于飑线的产生和发展。     

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.     

湖北一次飑线过程的观测分析及数值模拟

用武汉新一代多普勒天气雷达(CINRAD)9层体扫模式观测资料、常规和地面加密观测资料、以及NCEP一日4次的1°×1°再分析资料,采用中尺度非静力模式(WRF)对2007年5月31日湖北飑线过程进行观测分析及数值模拟研究。结果表明,雷达回波显示出飑线前方强而窄的回波带、过渡带、后方宽广的次强层状回波区特征;新单体在对流区前沿周期性地产生,成熟单体减弱为后面的弱回波区,在不断的生消交替过程中系统向前传播。数值模拟表明,在飑线前方上空是强而窄的上升气流,后方中层偏上是一支宽广的从前向后(由南向北)斜上升气流,下方是从后向前(由北向南)的斜下沉气流;飑线低空有两支入流:前方偏南气流和后方下沉入流,高空出流一部分向北倾斜上升,另一部分翻转向南。飑线系统内气流沿着湿而高θse值带进入和上升,在干而低θse值区下沉。低层风切变和飑线后部冷丘的作用是造成飑线垂直结构的可能原因。飑线结构的数值模拟与雷达观测结构基本一致,其特征与美国经典飑线概念模型(TS型:拖曳层状)类似。     

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。     

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。     

利用风廓线雷达资料分析大理机场飑线天气过程的风垂直变化特征

飑线天气现象是航空气象中危险和复杂的天气现象之一,2018年大理机场出现两次飑线天气过程,利用风廓线雷达资料和航空气象地面观测资料,分析两次飑线天气过程的风垂直变化特征。结果表明:(1)在飑线天气过程开始前2～4 h,从底层到高层均出现明显的上升运动,飑现象开始前后,上升运动和下沉运动同时存在,为大气中垂直热交换过程提供了有利条件;(2)飑线天气过程存在垂直风的水平切变及垂直切变,反映了强烈的对流发展,发展到离地高度5000 m以上;(3)飑线天气过程存在径向速度突变增大、谱宽变宽和单波束径向速度折叠现象,说明本场出现的是风雨交加的强对流天气;(4)高空到地面存在湍流运动,能量交换频繁,气流紊乱。     

一次飑线过程多普勒雷达资料分析

利用济南CINRAD/SA多普勒雷达产品,针对2006年7月5日飑线天气过程,分析回波发展演变、流场结构,讨论外流边界、强下沉气流与大风的关系,分析组合反射率因子、垂直液态含水量、中气旋产品特征.结果发现,飑线过境时风速出现两个极大值,一个出现在外流边界影响时段,另一个发生在强回波下沉气流影响时段;在横槽南下过程中,飑线后部强入流不断补充,前侧暖湿气流沿着后部入流爬升,不断产生新的单体,使得风暴得以维持发展;在垂直流场结构上表现为前侧暖湿气流倾斜上升,然后主体部分向后倾斜,后部有冷空气注入,形成下沉气流,下沉气流在地面附近辐散,与前侧入流形成低层阵风锋,是造成地面破坏性大风的主要因素.在水平流场结构上表现为低层存在气流辐合上升运动,中层有气旋性旋转气流,风暴高层为辐散气流.飑线消散阶段后期中层出现MARC,带来大风天气,而同时伴有冰雹天气的风灾产生在飑线达到最强至开始减弱的时段.当回波强度≥50dBz,且垂直液态含水量≥35kg·m-2,当有中气旋时,有利于产生冰雹和大风天气;外流边界的出现,反映了强对流回波后部下沉气流较强,是灾害性大风的前兆.     

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...     

风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。     

山西北部一次飑线大风的多普勒雷达资料特征分析

利用大同多普勒雷达的基本反射率因子、组合反射率因子、速度剖面图、垂直液态含水量、回波顶及vwP产品,结合环流形势和自动站分钟数据资料,对2010年6月16日发生在大同地区的飑线天气过程进行分析发现,这次飑线过程是在高中低三层冷涡环流控制及地面锋前暖区的流型配置下发生的;飑线过境时压、风、温三要素出现剧烈变化;飑线过境时,2个大风站出现速度极大值的时间与外流边界的影响时间相吻合,4个大风站出现速度极大值的时间与强回波下沉气流影响时间相对应。分析结果表明：冷涡携带的冷空气使飑线后部入流不断得到补充。前侧暖湿气流沿着后部人流爬升,不断产生新的单体,是飑线能够维持、发展的主要原因;飑线前侧暖湿气流倾斜上升,主体部分向人流倾斜,与冷空气汇合形成下沉气流并向外扩散,与前侧人流形成弧状的阵风锋是此次飑线的垂直流场结构特征。     

一次飑线过程雷达回波特征及环境条件分析

利用常规资料、NCEP/NCAR再分析资料及多普勒天气雷达资料等,对2014年3月30—31日广东一次飑线过程进行了分析。重点分析了飑线发生的环流背景、环境特征、不稳定条件、垂直风切变等及多普勒雷达回波演变过程。结果表明:(1)此次飑线过程发生在中高纬地区稳定的阻塞形势下,从四川盆地东移的高空槽和低涡切变线是造成广东强对流天气的主要影响系统。(2)低空急流水汽输送、低层强水汽辐合、强低空垂直风切变和上干下湿的水汽垂直分布为飑线的发生、发展提供了必要的热力和动力条件。(3)强盛阶段飑线具有明显的阵风锋和弱回波通道,速度图上飑线北端为强的气旋式切变,南端为弱的反气旋式切变,在"弓形"回波顶点处有强的速度辐合。飑线内部后侧为一支倾斜向下的冷空气入流,前沿是一支沿冷空气爬升的暖空气入流。(4)在"弓形"回波顶部后侧长时间维持着向后倾斜的后侧入流急流RIJ(Rear Inflow Jets),RIJ对"弓形"回波的形成、地面大风和飑线的维持和快速移动具有重要的作用。     

中纬度飑线的结构——个例分析

春夏,中纬度某些地区包括美国中部、东部的许多地区经常能观测到飑线的活动。以前,通过观测资料的分析,发现飑线之间有一些共同的特征,即:上升气流中存在暖性切变倾斜、湿空气从低层流入飑线、在中从层飑线后部流入的干空气具有较低的相当位     

基于多源资料的一次弓状强飑线成熟结构研究

利用局地分析和预报系统(Local Analysis and Prediction System, LAPS),结合多源资料,分析了2018年3月4日暖区强飑线成熟阶段的热动力结构和大风形成机制。结果表明：暖区内层结不稳定范围向东扩展和强的垂直风切变,驱动飑线组织化加强并向前移动和发展。成熟阶段飑线热动力结构呈现出两支强入流和冷池的典型特征,即前侧入流在低层(0～3.0 km)辐合上升,部分气流在高层翻转流向系统前侧,无后向流出;后侧中层(4.0～5.5 km)入流进入云体后部,在水凝物强烈相变降温作用下,密度增大转而下沉;下沉气流区降雨蒸发冷却增强了雷暴冷池。相比于飑线南段单一的对流线,北段弓形特点突出,后侧入流下降,加之存在尾随层状云,有更大的潜在冷却作用,促进气流加速下沉增强地面雷暴高压,最终导致更强的极端大风。     

2014年3月广东一次飑线过程观测及数值模拟分析

对2014年3月31日广东省一次飑线过程进行了观测资料分析和数值模拟研究。观测资料分析表明:飑线发生在强低空垂直风切变和"上干下湿"的水汽垂直分布的环境条件下。在强盛阶段,飑线上的对流单体多表现为强降水超级单体,有明显的有界弱回波区(BWER)和回波悬垂结构。飑线前沿有明显阵风锋,后侧有弱回波通道,弱回波通道和后侧入流急流(RIJ)相对应,RIJ维持时间较长,对"弓"形回波的形成、地面大风、飑线的维持和快速移动具有重要的作用。模式输出的高分辨率资料分析表明:在减弱阶段飑线移入残留的冷池中,冷池得到加强,此时西南暖湿气流加强,飑线二次发展。成熟飑线的三维结构表现为低层为2支入流、高层为2支出流,且前侧出流速度较快,使得气流倾斜上升,容易形成悬挂回波和弱回波区(WER)。后侧入流下部(600 h Pa高度层以下)的辐散下沉气流是地面大风形成的原因。对流两侧的"涡旋串"(Vortex bunch)对冷暖空气加速入流、对流发展强度和高度以及对流的长时间维持有很大的作用。     

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。     

华北一次冷涡背景下飑线雷暴大风成因分析

利用NCEP再分析资料、地面和高空观测资料、卫星和雷达资料等,对风暴系统在华北中部加强发展为飑线并产生地面大风的原因进行了分析。结果表明:①2017年8月5日,在冷涡影响下,华北中高层有干空气渗透,具有条件不稳定层结,11:00天津订正探空CAPE高达3184J·kg-1,且低层水汽充沛,有利于雷暴大风和湿对流的产生。②风暴出流边界与华北中部地面辐合线合并,且东南部地面露点更高,是飑线系统在华北中南部强烈发展的重要原因。③高温高湿环境使得风暴向南传播,在西偏北的引导气流作用下,最终风暴向南偏东方向移动。④北京探空0～6km垂直风切变达到3.3m·s-1·km-1,气流在前侧上升后侧下沉,强垂直运动与强垂直风切变作用产生了强旋转,使飑线系统初期具有中气旋特征。⑤中层强辐合和风暴顶辐散产生强下沉气流,地面最大风出现在中气旋发展阶段和冷池合并阶段。     

两种垂直风切变条件下飑线过程对比分析

本文应用常规天气图资料、地面加密降水观测资料、探空资料及美国NCEP/NCAR再分析资料,对2010年7月19日山东飑线过程和2011年7月26日河北飑线过程进行了分析研究。结果表明, 两次过程的相同点是：都位于500 hPa高空槽前;两次飑线过程均产生了雷雨大风和短时强降水天气;湿层均较深厚;下沉有效位能均较大。不同点为：2010年7月19日山东飑线过程属于有明显垂直风切变环境中的飑线;对流不稳定能量相对较低。而2011年7月26日河北飑线过程属于风垂直切变相对小的环境中的飑线;对流不稳定能量很大。除了雷雨大风和短时强降水天气之外还产生了冰雹。     

青海省三江源机场低空风切变的初步分析

本文使用三江源机场4个声雷达和10个侧向风观测点风向风速资料,分析了三江源机场风的基本气候特征和低空风切变。结果表明:三江源机场主导风向以偏西风为主,跑道周围风速平均值在2.3~3.1m/s之间;水平风速的水平切变主要出现在跑道东头,侧向风切变要明显大于顺风(顺跑道)切变,侧向风切变跑道两头大于中部,东头大于西头;顺风切变跑道北边出现几率和强度明显大于南边。在285m~315m高度出现严重、强烈水平风速的垂直切变的频率最高,水平风速的垂直切变强度较大,出现严重、强烈风切变频率较高;平均而言15m~195m高度和275m~465m高度表现为上升气流,而在195m~265m高度多表现为下沉气流。在雷暴、阵雪、大风等强对流天气下,风速的水平和垂直切变强度均有明显的加强现象。