华南一次飑线升尺度增长过程的机制分析

利用中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量0.1°×0.1°网格数据集、1°×1°NCEP再分析气象资料、常规观测资料和高分辨率的WRF数值模拟资料对2016年4月13日前后发生在华南的一次飑线升尺度增长过程进行了动力和热力环境条件分析。飑线形成前,对流层高层有急流,华南位于急流入口区右侧,有利于高空辐散。高空有弱槽存在,并且温度槽落后于高度槽,有利于槽发展。近地面上有低压系统控制,并且有风场的辐合,加强了抬升运动。模拟的结果表明:WRF模式成功模拟了此次飑线升尺度过程,飑线的降水量和落区较为接近实况。与以往的飑线过程相比,此次飑线过程中,升尺度阶段有效位能较初始对流阶段要高,但是整个华南地区对流有效位能始终处于中低水平。除了天气尺度系统的影响,多种中尺条件的配合对这次飑线升尺度发展很有利。低层的垂直风切变、低位涡和较高温度递减率是触发条件,提供了一定的不稳定条件和抬升条件。低层风场转向加强,垂直风切变的方向改变,充足的水汽供应和后部入流的加深加剧了不稳定和垂直抬升运动,是促进β中尺度飑线升尺度的重要条件。冷池在升尺度阶段不明显,但冷池对维持成熟阶段的α中尺度飑线结构很重要。     

大别山地形对江淮飑线发展变化及组织结构的影响研究

利用中尺度WRF模式,NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象观测资料,对2014年7月11—12日发生在江淮地区的一次飑线过程进行数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,研究了在经过大别山地形时飑线内部组织结构的变化特征以及地形对其发展的影响。结果表明:(1)飑线经过大别山主体时在山前加强以及过山后迅速减弱的主要原因与山前对流不稳定、上升运动大于山后有关;(2)大别山东部边缘对飑线的加强有增幅作用:当午后飑线移至大别山东部边缘时,东部边缘的谷风加强并强迫对流单体在飑线的前部新生,试验得出谷风可使低层风速最大增强6 m·s~(-1)左右,若无山谷存在时前向新生单体不再出现;(3)经地形敏感性试验得出:地形引发的大别山东部背风一侧的背风波扰动,有利于飑线内部对流单体的发展与加强,同时充沛的水汽补充,也是下山后飑线加强的因子之一。     

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。     

飑线组织化过程对环境垂直风切变和水汽的响应

利用ARPS模式对飑线发生发展过程进行二维理想数值试验,讨论了低层环境垂直风切变和水汽条件变化时,飑线内部物理因子配置变化及其与系统强度演变的联系。研究表明,飑线发展过程中出现的动量、热量和水汽的再分配过程,造成系统内垂直环流结构和扰动温湿场分布发生变化,从而影响系统内部深对流的组织化过程和飑线强度的发展。基于低层环境垂直风切变和水汽两个要素的敏感性试验研究表明,低层环境垂直风切变增大（减小）时,飑线移速减慢（加快）,冷池前沿激发的新对流与中高层的垂直运动相互贯通（分离）,飑线系统强度随之增强（减弱）。此外,当低层水汽增加（减少）时,会导致输送到中层的水汽增加（减少）,中层凝结潜热释放增多（减少）,该层垂直运动增强（减弱）;同时,飑线系统区域环境释放的对流有效位能（CAPE）增大（减小）,新生对流的强度增强（减弱）。低层水汽条件通过水汽输送和能量释放,改变冷池前沿新对流与中高层垂直环流的组织化结构,从而影响飑线强度。     

华南飑线升尺度增长过程中的多尺度能量相互作用分析

采用WRF模式对华南飑线的升尺度增长过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为三个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化,以及三个尺度系统能量的相互转化。研究表明:动能的变化与飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应,β中小尺度对流的发展对应β中小尺度系统动能的变化,而在飑线升尺度增长过程中,α中尺度系统动能快速增长。在飑线发展过程中环境场通过位能向动能的转化使得β中小尺度对流快速发展加强,而β中尺度飑线的快速发展与合并加强导致了飑线的升尺度增长。在飑线的升尺度增长过程中,β中小尺度动能大量转化为α中尺度动能使得α中尺度飑线迅速增强,而环境场对飑线升尺度增长过程的直接影响较小。      

用地面加密自动观测资料对北京地区一次飑线过程的分析

利用北京地区S波段Doppler雷达和地面5分钟加密自动站资料对发生在北京地区的一次典型飑线过程进行分析。结果表明:(1)飑线影响时自动站气象要素出现风向突变、风速骤增、温度下降、气压陡升等突变;(2)降水和雷暴大风与地面涡度有很好的对应。降水发生的位置及其与正涡度区的距离的变化能预示对流单体未来的发展趋势;(3)地面水汽通量(P)能直观地反映雷暴单体的地面出流,地形辐合线以及低层水汽输送等中小尺度特征。雷暴单体地面出流造成的正水汽通量与地形引起的正水汽通量的合并以及低层的东风配合加强了山前的辐合和抬升作用,是此次过程中雷暴在山前地区得到发展并造成局地强降水以及雷暴大风的主要原因。利用地面水汽通量制作雷暴发展潜势预报有意义。     

一次飑线过程的雷达观测和数值模拟分析

利用NCEP再分析资料、国家级自动气象站降水资料、武汉探空和多普勒雷达回波资料,借助WRF模式,对2011年7月26日发生在湖北的一次飑线过程进行环境场分析和数值模拟研究。结果表明:此次飑线发生在弱的垂直风切变和强对流不稳定环境下。飑线形成阶段,系统内存在左、右2条强对流回波带。对不断发展增强的左支回波带进一步模拟发现:初期,环境风垂直切变较弱,飑线前部强不稳定能量是飑线新生单体不断发展加强的主要原因;此后,不稳定能量逐渐释放,垂直于飑线系统水平动量的垂直逆梯度输送使得与飑线发展方向平行的对流层低层风垂直切变增强,为飑线发展提供动力条件。在飑线发展过程中,新生单体不断在对流区前沿触发加强以及对流单体合并与增长使得飑线系统得以长时间维持,而成熟单体减弱为后方的层状云降水区,正是单体的生消交替保证飑线系统向前传播。     

盛夏苏北地区一次飑线过程的数值模拟研究

对一次盛夏苏北飑线过程采用区域三重嵌套WRF模式进行了数值模拟和结果分析,给出了飑线径向剖面的概念模型图。结果表明:模拟的飑线与实际飑线非常接近,两者具有相同的性质和特点,利用模拟的线状强降水带及其降水强度来确定模拟飑线的位置和强度是可行的。飑线成熟期,飑线处存在强辐合区、强垂直上升运动区以及假相当位温的高值区,三者均呈柱状向上伸展;飑线前方(飑线移动的方向),低层有位温高值的入流,为飑线带入大量水汽和能量,后方低层有浅薄入流;飑线过境时地面风向发生急剧变化;飑线中层位温值大致不变呈中性层结,这与对流凝结潜热释放有关。该飑线过程可大体看成是假绝热过程,并具有重力波的非平衡性质,其生成演变中存在多尺度的相互作用。     

台风“麦莎”的强度对台风前部飑线发展过程影响的研究

对2005年8月5日16时(UTC,下同)至6日00时发生的一次台风前部飑线过程进行了数值模拟,分析表明:台前飑线在母体台风和副高之间的湿区生成。台风为这次台前飑线过程提供了有利的条件,包括强的低空急流输送充沛的水汽,强的不稳定环境产生大的对流有效位能以及强的地表辐合,使得初始的离散的对流单体组织发展形成台前飑线。成熟时期的台前飑线虽然比中纬度和热带飑线的变压强度小,但是具有更强的低层暖湿空气入流,中层的入流范围也更加宽广。敏感性试验结果表明:台风强度越强,其台前飑线的回波强度越强,移动速度更快,生命史也更长。强台风使得低空垂直风切变更大,有利于台前飑线的生成和发展,在台前飑线发展成熟后,低空垂直风切变强度减小,不利于台前飑线的维持,加之低空水汽输送的减少,使其逐渐趋向衰亡。     

淮北地区一次弱天气尺度强迫背景下MCS过程分析与模拟

利用多源观测资料和WRF中尺度数值模式对2016年8月7日淮北地区一次中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systerm，MCS）过程进行诊断分析和模拟。结果表明，本次MCS过程发生在弱天气尺度强迫背景场下，系统性上升运动较弱，对流层低层存在较弱的源自西北太平洋的偏东风转东南风的水汽输送作用；MCS移动和形态变化与地面辐合线演变特征较为一致，地面流场的演变与降水强度之间有着密切的联系；WRF模式较好地模拟出本次降水的分布特征以及MCS演变过程中对流活动和地面辐合线相互作用的特征。模拟结果表明，本次过程中MCS在逐渐南移过程中完成了对流单体的更替，地面辐合线在此过程中发挥重要作用，并且处于不同发展阶段的对流单体环境场的对流不稳定度的垂直分布存在明显差异。     

冷涡对两类对流系统结构演变作用的个例模拟对比分析

2015年8月22日,在同一冷涡背景下,华北东北部形成了多单体风暴,而在黄淮地区出现飑线过程。本文根据观测资料给出冷涡对中尺度对流系统发生发展的动力和热力作用,并基于WRF中尺度数值模式的模拟结果,对比分析了两类对流系统的形态结构演变和运动过程的差异、差异产生的原因及冷涡的作用,主要结论如下:(1)两类对流系统均位于冷涡后部,但形态演变和运动过程差异显著,北部分散性对流受地面风辐合及地形抬升的共同影响发展形成多单体风暴,呈西北—东南排列,主要以前向传播的方式缓慢向东南偏南方向运动,带来短时强降水为主的天气;南部线状对流由山东西北部和河南北部形成的多个孤立单体合并后形成,随后在黄淮地区发展为飑线系统,在平流移动为主的作用下向东南方向快速运动,产生雷暴大风和冰雹天气。(2)北部多单体风暴在冷暖气团交界面形成,位于冷涡西南象限,低层水汽和能量充足;新对流单体在边界层被触发后,沿着低层切变线向高能区传播。(3)南部飑线系统在冷槽后的地面干暖区低压带中形成,中尺度对流系统产生的冷池和雷暴高压的出流与环境相互作用,低层水汽条件转好,使得单体不断传播和合并,发展为飑线系统。(4)中层后部入流的强度和环境水汽条件对两类对流系统组织化过程有不同影响,飑线中层后部入流的增强主要来自环境西风分量的增加,与冷涡发展演变使得环境风场增强有关;北部对流湿层深厚,所处的中层风场弱,不利于多单体风暴组织化发展;南部飑线系统位于更强的环境西风引导气流中,后部中层入流强、高层环境空气干,有利于强下沉气流形成,从而促进雷暴高压和冷池的发展,强下沉气流还使中低层的风速增加,垂直风切变增强,有利于对流单体组织化发展形成线状对流。     

Mesoscale modeling study of severe convection over complex terrain

Short squall lines that occurred over Lishui, southwestern Zhejiang Province, China, on 5 July 2012, were investigated using the WRF model based on 1°× 1° gridded NCEP Final Operational Global Analysis data. The results from the numerical simulations were particularly satisfactory in the simulated radar echo, which realistically reproduced the generation and development of the convective cells during the period of severe convection. The initiation of this severe convective case was mainly associated with the uplift effect of mesoscale mountains, topographic convergence, sufficient water vapor, and enhanced low-level southeasterly wind from the East China Sea. An obvious wind velocity gradient occurred between the Donggong Mountains and the southeast coastline, which easily enabled wind convergence on the windward slope of the Donggong Mountains; both strong mid–low-level southwesterly wind and low-level southeasterly wind enhanced vertical shear over the mountains to form instability; and a vertical coupling relation between the divergence on the upper-left side of the Donggong Mountains and the convergence on the lower-left side caused the convection to develop rapidly. The convergence centers of surface streams occurred over the mountain terrain and updrafts easily broke through the lifting condensation level(LCL) because of the strong wind convergence and topographic lift, which led to water vapor condensation above the LCL and the generation of the initial convective cloud. The centers of surface convergence continually created new convective cells that moved with the southwest wind and combined along the Donggong Mountains, eventually forming a short squall line that caused severe convective weather.     

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。     

一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

利用NCAR、NCEP和FSL/NOAA等共同研制的WRF中尺度数值模式,对2009年6月3日河南地区发生的一次飑线过程进行数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明:WRF模式成功地再现了高低空环流形势演变及强对流的分布发展特征,高空冷涡后部冷空气南下,近地层较暖,形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时,该地区出现的低空增温增湿、低空急流的爆发及低层急流核向东南快传、高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空,对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等对此次强对流天气过程有较好的指示意义。     

初值水汽场对华南春季一次强飑线触发和维持影响的数值试验

在对观测资料分析的基础上,采用WRF模式探讨初始场水汽分布对华南2014年3月30—31日产生雷暴大风、强降水的飑线过程触发和维持的影响。研究基于ERA-interim和NCEP-FNL再分析资料在华南地区水汽分布的差异性,设计了四组将两类资料水汽按比例融合作为初始场的数值试验,水汽场从NCEP-FNL越靠近ERA-interim水汽,模拟的飑线演变越趋近实况,试验结果表明更准确的水汽初始场有利于提高飑线等强对流系统的预报准确率。在对流初生阶段,区域内水汽含量增多,最大有效位能增大,对流越容易触发;对流发展中后期,充沛的水汽有利于飑线组织形态和强度的维持。      

一次华南强飑线过程的数值模拟及后方入流作用诊断

利用WRF中尺度模式对2014年3月30—31日发生在华南的一次强飑线过程进行数值模拟。本次飑线过程受高空槽和低涡切变线影响,水汽条件充足,低层垂直风切变较强。模拟结果表明:发展阶段,后方入流缺口开始出现,飑线逐渐呈弓形结构;成熟阶段,飑线后方入流逐渐下沉到地面并延伸至对流区前沿,冷池完全移入残留冷区并加强,配合九连山下坡过程,飑线得以加强。后方入流对本次飑线过程的发展和维持十分重要。后方入流受环境风及中层负压力扰动作用开始形成,随后受对流区后侧中低层涡旋对的影响迅速发展增强而进入发展阶段,反气旋式涡旋的北侧风场促进了后方入流的形成和发展;成熟阶段,气旋式涡旋的南侧风场使后方入流迅速增强。气旋式涡旋区域主要受涡管拉伸作用增长,反气旋式涡旋区主要受涡度倾斜增长作用。涡旋对垂直涡度主要是由低层水平涡度向上倾斜引起,而水平涡度则是由斜压作用产生。