雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究

2009年6月3日,受冷涡后部次天气尺度横槽的影响,在相邻的两个区域先后出现雷暴大风天气,造成两地强风的风暴类型、地面大风分布及灾害程度差异显著。风暴结构分析表明:产生晋陕大风的雷暴类型为一般单体风暴和脉冲风暴,而产生商丘致灾大风的则为典型的弓形回波。结合观测和数值模拟资料分析产生上述两类雷暴大风的环境要素,并构建其环境温、湿度廓线,结果表明:(1)晋陕大风区环境探空温、湿度廓线呈倒V形,为典型的干下击暴流探空廓线,类似探空在中国西部高原地区夏季常见;(2)商丘雷暴大风区环境温、湿度廓线类似典型湿下击暴流探空。数值模拟给出了典型的一般单体特征结构,老雷暴单体出流在其前方触发新单体。在中低层相对干的环境下多个对流单体的冷下沉形成冷池,强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成。两类雷暴大风环境风垂直切变特点为:深层环境风垂直切变较弱、强水平风垂直切变集中在中低层。数值模拟表明:在这种风垂直切变配置下,低层湿度成为风暴结构的决定因素:中-高湿度环境下形成高度组织化的飑线,且其单体具有较强中层旋转;低湿度环境下产生组织程度差的一般单体和脉冲风暴,并基于高分辨率数值模式模拟结果给出了环境影响风暴结构的物理图像。     

超单体风暴中的气流和雹的生长以及抑制冰雹的一些推论

作者K.A.布朗宁(Browning)和G.B.富特(Foote)认为雹暴可分颮线风暴、多体风暴、超单体风暴和强切变风暴,其中最基本的是多体风暴与超单体风暴。大多数雹暴属于多体风暴,它由一连串单体组成,每个单体都经历上升气流一下沉气流的生命史。另有一些雹暴它的特征只有一个持续性的单体,它偏于     

三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析

利用济南和烟台多普勒天气雷达资料,结合环境物理量和天气实况,对发生在山东境内的3次非超级单体龙卷风暴进行了分析。结果表明,三次龙卷过程发生在利于雷暴产生的环境形势下。低层湿度大,低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件。三次龙卷都发生在风暴单体发展阶段,风暴顶高和强中心高度在1个体扫时间内迅速增高。上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。风暴单体的迅速发展,需要强的上升气流配合,上升气流将水平方向的旋转切变抬升为垂直方向,在复杂地形作用下可产生局部小尺度涡旋运动,诱发小尺度范围的强切变,从而导致龙卷发生。     

三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析北大核心CSCD

利用济南和烟台多普勒天气雷达资料,结合环境物理量和天气实况,对发生在山东境内的3次非超级单体龙卷风暴进行了分析。结果表明,三次龙卷过程发生在利于雷暴产生的环境形势下。低层湿度大,低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件。三次龙卷都发生在风暴单体发展阶段,风暴顶高和强中心高度在1个体扫时间内迅速增高。上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。风暴单体的迅速发展,需要强的上升气流配合,上升气流将水平方向的旋转切变抬升为垂直方向,在复杂地形作用下可产生局部小尺度涡旋运动,诱发小尺度范围的强切变,从而导致龙卷发生。     

二维多单体雷暴系统中对流单体生成和发展的新机制

在多单体雷暴系统的发展和演变过程中,系统内新对流单体的生成和发展是系统维持最为重要的因素。文中利用中尺度数值模式,研究了环境风场存在低层反向切变(U_z0)情况下,一种新对流单体的生成和发展机制——处于"亚最优切变态"的多单体雷暴系统的维持和发展机制。与以往处于"最优切变态"条件下新对流单体的生成和发展机制不同,由于环境风场存在低层反向切变,此时密度流产生的水平涡度要大于环境风切变产生的水平涡度,密度流向外扩展较快,使两者处于"亚最优切变态",此时多单体雷暴系统中的新对流单体不再是从密度流前沿的阵风锋前上升气流分离出,而是由发展旺盛的主体对流体在其前部中低层激发的垂直上升运动引起。新生成的对流单体因其前部低层湿空气的流入得到快速发展,而其西侧原有的主体对流体因湿空气的流入被切断而开始减弱、消亡并最终被新对流单体所替代。这种新机制的出现与低层环境风反向切变的强度及地表风速有关。在一定的低层反向风切变条件下,这种新机制可与"最优切变态"机制交替作用:当密度流较强时,多单体雷暴系统中新对流单体的生成主要是以"亚最优切变态"机制为主,且新生成的对流单体强度也较弱;当密度流较弱时,多单体雷暴系统中新对流单体的生成主要以"最优切变态"机制为主,此时阵风锋前上升气流得到快速发展,当发展到一定程度时,新对流单体从阵风锋前上升气流中分离出。     

“4·11”海南致灾雷暴大风环境场与多普勒雷达回波特征分析

利用海口多普勒雷达、海南省区域加密自动站和常规资料对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风过程进行天气学分析。结果表明:（1）这次雷暴大风过程发生在500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧的有利于对流发展的较大范围上升气流区域内;（2）对流风暴移动路径上的大气环境具有中等程度的条件不稳定、对流有效位能CAPE以及上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变,对流风暴形成后最终组织发展产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的多单体带状回波和弓形回波;（3）在多单体带状回波中镶嵌的风暴A和B各自发展成为具有中层径向辐合特征的超级单体,风暴B和C合并形成弓形回波,其中风暴C的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;（4）阵风锋对对流风暴的正反馈作用、对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流,长时间倾斜依存的自组织结构及其与强的低层环境风垂直切变的相互作用,是多单体风暴和弓形回波长时间维持和加强的主要原因;（5）地面原来存在的β中尺度辐合切变线,对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移等因素,有利于多单体带状回波和弓形回波的长时间维持。      

一次中尺度温度和湿度锋区对冰雹回波系统的影响

为了更好地监测预警冰雹和雷暴大风等强天气，使用常规天气图、TBB云图、自动气象站、雷达拼图、雷达PUP产品等资料，对2021年5月10日江西雷暴回波群冰雹天气过程，采用中尺度气象学和雷达气象学等方法进行分析，结果表明：雷暴回波群中超级单体产生大冰雹并伴随雷暴大风天气，没有出现短时强降水；超单往往造成较大冰雹，强单出现较小冰雹；樟树、丰城的对流云系发展成为中尺度对流系统MCS。湿度锋区达到≥40%/100 km和温度锋区达到≥10℃/100 km时，就能够触发产生对流运动而形成新的对流回波；当原有对流回波移到锋区附近时，回波会快速发展加强，强回波面积迅速扩大。风暴跟踪信息STI能较好地指示超级单体和强单体回波的移动方向和移动速度，多条STI指向一致时可信度更高。超单CR在65 dBZ以上，强回波面积较大，VIL在60 kg/m2，V0.5有正负速度对，RCS有冰雹回波特殊结构特征；VCS有正负速度切变；强单CR在60～65 dBZ之间，强回波面积较小，VIL在45～50 kg/m2之间，V0.5不一定有速度切变，RCS冰雹回波特殊结构特征不明显，VCS表现在负值区中出现大值区。     

山东省线状中尺度对流系统与多单体风暴的合并特征

利用济南多普勒天气雷达产品和华北区域雷达拼图等资料,普查了2012—2016年影响山东的线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective system,LMCS),分析了LMCS与多单体风暴的合并方式以及合并后的演变趋势等特征,得到如下几条结论：1)LMCS(A)与多单体风暴(B)有A追B,A扩展,A、B相向和B追A四种合并方式;2)LMCS与多单体风暴合并的临界距离为30 km;3)LMCS与多单体风暴合并后,强度增强或维持,尺度增大,生命史延长,长轴将可能转向;4)LMCS与多单体风暴合并时,其本身合并部分将减弱,多单体风暴合并进入LMCS,成为LMCS的一部分;5)合并是雷暴的传播运动造成的;6)63.3%的合并案例会产生雷暴大风、冰雹或强降水灾害,雷暴大风灾害出现的概率最大。     

多单体雷暴的形变与列车效应传播机制

本文利用变分多普勒雷达分析系统(Variational Doppler Radar Analysis System,简称VDRAS)基础上构建的四维变分(4 Dimensional Variational assimilation,简称4DVar)低层热、动力反演系统,针对发生在北京地区的几次多单体雷暴系统演变过程,研究了线性多单体对流系统传播过程中发生的形变过程、强弱变化和“列车效应”等现象的物理机制.结果表明:(1)对于雷暴单体的传播方向与雨带的移动方向基本一致的多单体雷暴系统(如飑线系统),单体的传播速度不同最终造成多单体雷暴在形态上发生变化(如由直线形回波演变为“弓”形回波等),以及雷暴单体传播过程中的强弱变化等,是雷暴单体传播过程与低层环境大气相互作用的结果:如果雷暴前端的入流本身是暖湿的,并存在较强的水汽辐合现象时,雷暴单体发展更旺盛,传播速度更快,反之则趋于减弱,传播速度减慢.因此,对飑线系统的临近预报而言,需要特别关注多单体雷暴系统传播方向与近地面层中尺度水汽通量辐合带的交叉区域,该区域的雷暴单体“移动”速度更快、发展更为强烈.(2)对于“列车效应”多单体雷暴而言,其传播环境、传播机制与上述多单体雷暴系统几乎完全不同:“列车效应”一般发生在低空暖湿气流或低空急流附近,环境大气表现为条件性静力不稳定.雷暴单体的传播机制可能是惯性重力波的激发、传播的结果,由于西南暖湿气流或急流是一支暖湿气流输送带,惯性重力波由假相当位温θ_se的高值区向低值区传播,重力波将从背景场中不断获得能量而发展.因此,雷暴传播过程中不断增强的现象造成波动排列的多单体雷暴形成的最大降水中心往往出现在波列的前端.     

一次多单体风暴的雷达回波特征分析

本文对一次发生在鲁中山区北部多单体风暴的雷达回波演变特征进行了分析,结果表明:造成此次大风、降雹的强对流风暴为一个典型的多单体风暴,它的生成、发展与雷暴外流边界激发有关;受当日环境风场影响,其发展过程及移动路径较复杂,在风暴单体初生期间,由于风暴北部不断有单体新生,形成典型的左向传播风暴,随风暴发展,风暴分裂,背风方右侧单体加强成为超级单体,演变成为右移风暴,带来地面的大风、冰雹天气.     

“6.3”区域致灾雷暴大风形成及维持原因分析

利用商丘和郑州雷达资料,结合地面加密观测等多种资料,分析了2009年6月3日傍晚至次日凌晨,河南商丘、安徽和江苏北部出现的大范围致灾雷暴大风。本文分两个阶段从中尺度环境、风暴结构、风暴与环境相互作用、雷暴间相互作用的角度对商丘风暴的发展、维持及灾害性大风成因进行了深入探讨,得到以下结论:(1)商丘雷暴大风环境类似美国暖季型Derecho环境;(2)商丘风暴由晋冀雷暴群下沉气流导致的出流阵风锋移动到水汽相对充沛处触发,在有利的环境条件下迅速发展成具有较强的中层径向辐合超级单体风暴,多个超级单体的强下沉气流合并产生了超级单体阶段的地面大风;(3)飑线发展、维持的原因是飑线的自组织结构,飑线与环境入流的相互作用既有利于强上升气流发展,亦有利于强下沉气流发展,干线及叠加在干线上扰动触发的新生回波带不断并入飑线北端;(4)根据径向速度增幅估计,风暴强下沉气流辐散、强冷池密度流和层状云部分降水粒子蒸发对弓形回波阶段地面灾害性大风的增幅作用几乎相当,冷池合并是商丘极端雷暴大风产生的重要原因。     

天津雷暴大风天气的环流场及雷达回波特征分析

利用加密自动站、闪电定位仪、FNL和多普勒雷达资料对2018—2020年汛期(4—9月)天津地区出现的47次雷暴大风过程的时空分布、天气形势和雷达回波特征进行统计分析。结果表明：(1)天津地区雷暴大风多出现在北部山区和东部沿海,高发月份为6—8月,多出现在傍晚到前半夜,持续时间多为1～4 h;(2)天津地区雷暴大风的天气形势主要有西北气流型、冷涡型、低槽型和西太平洋副热带高压边缘型,其中冷涡型出现频次最高;(3)造成天津地区雷暴大风的对流风暴类型主要有非线状多单体风暴、线状多单体风暴(不包含飑线)、飑线、弓形回波和普通单体风暴,其中飑线数量最多,飑线和弓形回波是造成雷暴大风极端值的主要风暴类型;(4)当最大反射率因子为61 dBZ、强回波中心下降率为260 m·min^-1上下时发生雷暴大风的可能性最高;(5)根据低层径向速度大值区,可对15.4%的非线状多单体风暴、14.3%的线状多单体风暴和22.2%的飑线雷暴大风提前30 min发布预警。     

一次夜间弓形回波特征分析

针对2012年7月13—14日一次发生在高空槽前暖湿环境中产生短时强降水和7—9级雷雨大风的夜间弓形回波系统,进行了天气过程分析和数值模拟,发现弓形回波系统由两个多单体雷暴合并发展,强降水特征明显,在弓形回波的弓形顶点经过的浙江北部的嘉兴到上海青浦、宝山等一线出现了长距离的直线大风。分析表明,在整层湿度较大的环境中,来自对流系统南侧的中高层干暖气流卷人,加强了雷暴中降水的蒸发冷却作用,导致雷暴中的下沉运动明显增强,是产生长距离直线大风的关键环境因素;弓形回波系统后侧维持向前、向下倾斜的后侧人流急流,与雷暴内的下沉运动共同作用增强了风暴前侧的气压梯度,是产生此次弓形回波大风的主要原因;强低空环境风垂直切变阻止了冷池快速离开风暴主体,弓形回波前侧的阵风锋与低层环境风垂直切变形成的匹配涡对使得前侧新生对流垂直发展,是该弓形回波系统发展、维持的关键机制。     

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。     

江西副高边缘雷暴大风雷达拼图回波特征分析

利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和雷达拼图等资料，采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像、回波廓线等分析方法，对2020年7月11日江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行分析，结果表明：1）副热带高压控制或边缘上，江西上空100 hPa是东北风，500 hPa是西南风，高空呈现逆时针环流，T-lnP图上层结不稳定，对流有效位能CAPE （Convective Available Potential Energy）面积较大，对产生强对流天气有利；由于上下两层的风向不同，使得雷暴回波系统的移动与回波系统的云砧伸展方向不一致，从而加剧了对流上升运动，使得雷暴回波系统发展、加强、维持。2）回波产生初期是局地对流单体回波，通过不断新生单体和单体合并等方式，形成南北走向的回波短带，这种合并形成的回波短带发展旺盛时，会产生多站雷暴大风天气。3）南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征，虽然回波强度只有55 dBZ，但移动速度较快（60～70 km/h），造成地面大风。江西WebGIS雷达拼图上叠加多部雷达风暴跟踪信息STI （Storm Tracking Information），可以明确风暴的移动方向和移动速度，根据STI密集区判断，增加了STI的可用性。4）“前伸”或“延伸”回波反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向。“延伸”回波一定程度上表现出副高边缘雷暴回波系统的强弱程度。为改进副热带高压边缘中尺度雷暴大风的预警预报准确率提供依据。     

相似环流背景下海南两次不同类型强对流天气对比研究

2016年6月5日和6日海南岛处在类似的环流背景下,5日海南出现了大范围8级以上阵风且伴有EF2级龙卷,而次日以短时强降水为主。为了研究两日产生不同类型强对流天气的原因,基于常规地面-高空观测、海南逐10 min的地面加密观测、海口多普勒雷达观测、NCEP-GFS 0.5°×0.5°分析资料进行对比分析,结果表明:(1)5日整层大气相对较干(可降水量为49 mm)且中层干层尤为清晰(700—500 hPa平均相对湿度41%),925—700 hPa温度垂直递减率为7.25℃/km,有利于产生强下沉气流及冷池形成,从而产生雷暴大风天气,而6日气层高湿,可降水量为60 mm,环境风弱,风暴移速慢,有利于产生强降水;(2)两日均属于弱的环境背景气流下的对流,相对而言,5日0—3 km风垂直切变均较6日大,有利于形成飑线;(3)结构分析表明5日对流风暴伴有较强阵风出流,较强的风垂直切变加之多个单体阵风出流合并抬升下,产生了持续1.5 h的飑线,并出现了弓形回波,而6日为低质心一般单体且阵风出流相对弱,尽管多个单体合并成了准线性的风暴,其持续时间亦与一般单体生命史相当;(4)5日对流抑制能量相对较大,需较强的地面辐合抬升和午后强烈升温触发雷暴,雷暴触发后强烈发展;6日对流抑制能量近乎为0,弱的海风锋辐合及热力作用均触发对流;(5)此次龙卷过程的风垂直切变与典型超级单体龙卷差异显著,产生龙卷的低层中气旋出现时间与龙卷发生时间仅差3 min,故提前预警龙卷的可能性极小。      

湖北宜昌超级单体风暴发生的环境条件分析

利用Micaps高空、地面实况资料以及雷达基数据产品资料,分析2004—2009年湖北宜昌境内出现的10例强对流天气过程中的超级单体风暴生成的环境条件和回波结构。结果表明:产生冰雹的湿层相对浅薄,产生强降水的湿层较深厚。使用雷暴发生前地面温度和露点进行订正后的CAPE值可判断午后是否有冰雹发生:若订正后CAPE值有较大幅度增长,其值超过1000J.kg-1以上,则出现冰雹的可能性较大;反之则小。0—6km中等到强的垂直风切变有利超级单体风暴生成和发展,垂直风切变越大,越有利出现极端大风。若超级单体风暴高度的特征值和特征底有迅速下降迹象,则未来0.5h内很可能出现8级以上大风。超级单体风暴中正负速度对的切变值越大,风力越大,风灾越明显。超级单体风暴反射率因子的低层或表现为钩状、或向着入流方向突起、或密实块状等回波特征,中高层有强度达55dBz的强回波。超级单体风暴中,中气旋大多从逆风区或切变区中发展而来,且其在垂直气流结构上表现为低层气旋式辐合,中层辐合逐渐增强,为气旋式旋转,有时出现气旋式旋转与反气旋式旋转共存的双涡结构,至高层,则转为反气旋,表现为辐散。VIL密度(DVIL)对大冰雹有一定的指示意义,当DVIL≥3.5g.m-3时,出现直径超过2cm的大冰雹的可能性非常大。     

关中一次阵风锋触发的强对流天气分析

利用雷达、探空和自动站等观测资料以及NCEP1°×1°再分析资料对2018年7月26日关中地区快速发展移动的强对流天气进行研究,重点分析了出流边界在对流风暴局地生成、快速发展中的作用。结果显示:26日上午关中东部地区存在有利于对流风暴发生、发展的中尺度环境条件,包括明显的热力不稳定,低层强的偏南气流及暖平流;午后秦岭山区对流云团下山过程中和西安南部多个对流单体合并加强,形成强的冷池和雷暴高压,激发出阵风锋,阵风锋是本次强对流天气的触发机制;雷达图上新的对流单体在阵风锋前径向风风向切变最大处触发,大风天气出现在阵风锋后部强的反射率因子梯度区;阵风锋位于冷池前沿,两者的发展演变密切相关,雷暴合并补充加强了冷池强度,有利于阵风锋及强对流天气维持较长时间;边界层风向与阵风锋移动方向相反,而边界层以上的风向与之相同是阵风锋触发的对流风暴维持发展的一个因素。     

一次飑前降雹超级单体分裂过程的雷达回波及流场特征分析

2019年4月23日浙江南部发生一次明显的超级单体分裂过程,为研究超级单体风暴分裂特征,利用多部雷达构成的双雷达三维风场反演组网技术,结合雷达基本产品、风廓线雷达及探空资料对此次分裂过程做了分析。该超级单体风暴在较强的风垂直切变环境下（地面—500 hPa大于15 m/s）发生,形成于飑线主体弓形回波前端,具有明显的三体散射特征且持续时间较长。分裂从初始风暴的北侧中层开始,然后迅速向上、下伸展,左移超级单体具有明显的中反气旋涡旋结构,呈现由悬垂、强回波柱、强上升气流配合构成的典型超级单体结构,与右移超级单体无论在形态或是流场结构上都形成近似镜像对称的特征。在两者即将分离时,两风暴均发生了降雹,对应强下沉气流。在新风暴分裂形成的发展阶段其垂直廓线中最大垂直速度和最大负散度均在增大,而对应时段原风暴这两个物理量数值减小;整个分裂过程两个风暴正、负涡度数值均一同逐渐增大,气旋—反气旋涡旋的旋转程度变大趋势一致。低层风垂直切变矢量随高度上升逆时针旋转,分裂的左移反气旋超级单体加强发展,右移的气旋式超级单体受到一定抑制,与理论研究结论一致。该个例雷达反演的风场特征与径向速度分布吻合,反演风场基本...     

局地强风暴:观念与认识

一.概述早期对于雷暴的认识主要是根据肉眼观测结果推导出来的。由于缺乏适合探测雷暴内部结构的工具,使雷暴发展机制的研究遇到重重困难。到了二十世纪四十年代,随着气象雷达和气象飞机的发展,获得了关于上升气流,下沉气流,降水类型以及风暴单体发展过程等的初步定量资料。在五十年代,由于广泛地应用雷达,发展雷暴在诱发机制不出现的情况下仍可出现较强的高空风切变,而且风暴向环境风的左方或右方移动,可以维持几个小时。于是,更加清楚地认识到雷暴与其周围环境相互作用的复杂性。六十年代,通过特殊的