湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析

基于2016—2021年湖北多普勒雷达及加密自动气象站资料，对湖北雷暴阵风锋特征进行分析。结果表明：(1)湖北阵风锋主要出现在6—8月，占总数的96%，其中8月最多；一天中主要发生时段为15:00—18:00(北京时，下同)，峰值在17:00；大多数阵风锋持续时间为1.5～3.0 h；产生阵风锋的母雷暴中35%为多单体雷暴，40%为多单体雷暴群，25%为飑线。(2)阵风锋主要有5个生成区域，分别为省外、鄂东北、江汉平原、鄂西北的襄阳和鄂西南的宜昌，相同区域生成的阵风锋移动方向有较好的规律性。鄂东北生成的阵风锋最多，占总数的33%。(3)不是所有母雷暴及其阵风锋都能引发地面大风，69%的母雷暴和9%的阵风锋产生的地面极大风速大于等于17.0 m·s^-1。在多单体和多单体雷暴群中，母雷暴的回波强度越强，母雷暴及其阵风锋产生的地面大风概率越大，阵风锋产生的地面风速强度与其回波强度、空间尺度关系不大。(4)阵风锋有较强对流触发能力，91%的阵风锋在其后部、附近和前侧触发对流单体。母雷暴与其阵风锋反馈作用不同，对流触发与阵风锋的相对位置有差别，正反馈型大多在阵风锋后部触发对...     

关中阵风锋环境场和雷达特征分析

利用高空、地面天气图,宝鸡多普勒雷达资料统计分析了关中地区7例阵风锋天气成因及雷达回波特征。分析表明:西北气流携带的中空干冷平流是强对流发生的有利条件,地面干线是强对流的触发系统,地面气温35℃以上高温且湿度20%～35%是阵风锋发生的有利环境。雷达回波上,阵风锋从初生、发展、加强到减弱的生命史为1～3 h,与雷暴回波由强(≥55 dBz)减弱(≤30 dBz)的过程一致。阵风锋移动速度与雷暴径向速度有直接关系,雷暴出流快速达到最大(17 m/s)时,阵风锋发展达到强盛时段,其强度、长度达到最大;阵风锋移动方向与雷暴移动方向大体一致,呈西北—东南向;少数与主体风暴移向垂直,为东北—西南向。阵风锋在1.5°仰角出现最早,关注识别1.5°仰角阵风锋窄带回波前兆可为发布大风预警提供依据。     

阵风锋、海风锋和冷锋等触发局地强对流风暴实例分析

利用CINRAD/SA雷达探测资料,结合地面实况和探空资料,对7次典型中尺度辐合线触发强对流风暴的特征进行了分析。结果表明：阵风锋、海风锋和冷锋等边界层辐合线在一定条件下雷达低层反射率因子产品上表现为清晰的窄带回波,某些辐合线在反射率因子产品上不能得到任何有用信息,但在低层径向速度上可识别出线性径向速度辐合;识别出窄带回波或清晰的径向辐合线约1 h后,是雷暴首次触发的主要时间段;对于干型强对流风暴产生的阵风锋,其右侧往往是雷暴触发的主要区域,导致风暴右向传播;湿型强对流风暴产生的阵风锋,激发雷暴的方向与雷暴平均移动方向基本相反,导致风暴呈后向传播特征;海风锋向内陆推进速度快的区域是雷暴触发的主要区域,后继雷暴具有两侧传播特征;单纯的线性低层径向速度辐合在合适的环境条件下触发强对流,主要特征是对流风暴移动缓慢,可造成局地灾害性强降雨天气。     

山东中西部后向发展雷暴初步研究

基于山东济南新一代天气雷达多年资料,首先提出后向发展雷暴的概念,并规定了普查标准。通过普查2005—2012年8年济南多普勒天气雷达资料,选取了75个后向发展雷暴个例,分析了山东中西部后向发展雷暴的统计特征,给出了常见的3种后向发展雷暴概念模型。选取典型个例,分别对3种类型后向发展雷暴的演变方式及其物理机制进行了初步分析,为山东中西部后向发展雷暴的生成和演变提供了初步的认识。结果表明:(1)后向发展雷暴主回波以带状为主,生命史1—5 h,最大反射率因子在50 dBz以上,移动路径有西—西北、西南、原地新生3种类型;(2)新回波初生时间发生在16—17时(北京时)最多,初生地点在鲁西北和鲁中山区一带,强度一般在30 min内超过40 dBz,生命史在1 h以上,74.7%的新生回波与主回波合并或连接;(3)山东省中西部具有后向发展特征的对流系统产生的灾害性天气以冰雹和雷暴大风为主,很少伴随暴雨灾害;(4)新回波的源地特征可以分为随主回波移动、沿同一方向延伸以及位于两雷暴群之间3种类型;多个雷暴群共存时,新回波的源地介于两个回波带之间,使二者逐渐趋为一体;(5)当主回波传播方向与其长轴相交时,其长轴方向转向,距离新回波较远的一侧减弱;当主回波传播方向与其长轴方向一致,新回波源地位于主回波长轴的延长线上时,主回波加强;(6)天气尺度系统为后向发展雷暴提供了条件不稳定的大气层结和丰富的水汽,地面辐合线和冷池前沿阵风锋是产生新雷暴的主要抬升触发机制;适当的低层垂直风切变有利于新雷暴持续产生并加强;地形的阻挡使新回波源地在同一地点停滞,冷池阵风锋在低层风引导下沿地形向下游移动,新回波源地也随之移动。     

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。     

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。     

一次阵风锋的观测实例和分析

应用多普勒雷达观测资料和自动气象站资料,对2007年7月31目发生在陕西中部一次阵风锋天气过程分析,结果表明：阵风锋的强度为15-25dBz,生命史可达3h以上;阵风锋上有风向和（或）风速的辐合;阵风锋一般都对应边界层的弱辐合线,弱辐合线的演变与对流风暴和阵风锋的发生、发展、消亡密切相关;阵风锋过境时无降水产生,但会引起阵风涌升和产生灾害性大风;阵风锋可以作为未来目标区域大风预警的重要参考指标;阵风锋是触发新对流的因子之一。     

陕西两次阵风锋的多普勒雷达和自动气象站资料分析

对2004年7月发生在陕西中部的两次雷暴系统产生阵风锋的多普勒雷达观测和自动气象站资料进行了分析,结果表明:阵风锋位于雷暴前部10~50 km处,呈弧状;阵风锋的水平尺度为50~100km,宽度3~5 km,回波强度15~25 dBz,生命史1~5 h;阵风锋的典型速度为10 m.s-1;阵风锋过境时地面温度下降,风向转变、风速突增的现象明显;阵风锋的强度取决于雷暴的强度,雷暴群产生的阵风锋生命史更长;阵风锋对近距离的单体雷暴有显著的负反馈作用,对雷暴群的负反馈作用不明显;多普勒雷达径向速度场对阵风锋有较强的预报能力。     

2016年山东一次阵风锋触发的强对流天气分析

利用常规观测、区域自动气象站、NCEP/NCAR再分析和雷达回波资料,对2016年6月30日山东一次阵风锋触发的强对流天气进行了分析。结果表明,此次强对流主要发生在高空槽与副热带高压相互作用、山东高低层受一致西南气流影响的环流形势下,阵风锋、地面辐合线和负变压中心所产生的抬升作用及近地面层冷空气的侵入使气温骤降是触发对流的关键因素。低层水汽充沛、湿层厚,属于上干下湿的不稳定层结。强对流发生区域处在假相当位温差（Δθse）和风暴相对螺旋度（storm relative helicity,SRH）的大值中心及其右侧位置。对流有效位能（convective available potential energy,CAPE）、850 hPa与500 hPa之间温差、大风指数、强天气威胁指数等都对此次强对流有较好的指示作用。0 ℃层高度和融化层高度较高是此次过程未出现大冰雹的原因。较强的0～3 km垂直风切变在强对流预报业务中需要注意。此次强对流过程是线状回波带前侧风暴内出现了阵风锋,阵风锋又不断触发雷暴使个别强单体风暴发展加强成为超级单体风暴,具有持续时间较短的中气旋、高悬的强回波、有界弱回波区、风暴顶辐散、窄带回波、径向速度大值区等回波特征。风暴移动速度比风暴承载层平均风速大,缩短了超级单体存在时间。此外,风暴参数与天气的强烈程度密切相关。     

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。     

河北省雷暴大风的雷达回波特征及预报关键点

应用河北省石家庄新乐CINRAD-SA雷达资料对2006—2008年河北省中南部地区262个站雷暴大风的雷达回波特征进行统计。分析发现, 雷暴大风的主要雷达回波特征有弓形回波、阵风锋和径向速度大值区,出现其中一个或多个特征均可发布雷暴大风预警。根据以上雷达回波特征能够对66%的雷暴大风发布预警,34%的雷暴大风仅仅依据雷达资料无法预警,其中孤立块状回波占39%,带状回波占61%。弓形回波仅占雷暴大风的19.8%,能够观测到的阵风锋回波仅占16.8%,65.3%的雷暴大风观测到径向速度大值区,径向速度大值区是雷暴大风最重要的雷达回波特征。径向速度大值区的形成一般早于弓形回波和阵风锋回波,依据径向速度大值区可更早发布雷暴大风预警。     

阵风锋的雷达探测和研究

本文应用北京地区和美国Oklahoma地区天气雷达观测资料比较了两类阵风锋。快速运动的阵风锋常与猛烈发展的强风暴相伴随，它的出现，风暴将持续猛烈地发展。运动缓慢近于静止的阵风锋则常出现在风暴的减弱阶段，它的出现加速了风暴的消亡。阵风锋的形成与风暴中的下沉气流有关，两类不同的阵风锋反映了下沉气流与环境的不同作用。文中还对阵风锋形成雷达回波的原因进行了探索，认为阵风锋锋区的湍流对电磁波的散射是形成雷达回波的可能机制。应用多普勒天气雷达和高塔的探测资料，对阵风锋回波的强度进行了理论估算，估算值与雷达实测值比较一致。     

An Algorithm for Automated Identification of Gust Fronts from Doppler Radar Data

Gust fronts are weak narrow-band echoes of increased reflectivity at the background levels in the low-elevation fields of Doppler radar. An automated approach to gust front detection that relies on the image features of radar observations is presented in this paper. The algorithm is not sensitive to the variations in reflectivity values and gust front widths. The approach includes the following steps. First, a novel local binary with dual-template (LBDT) algorithm is designed as the fundamental algorithm to identify the potential areas of narrow-band echoes. Second, based on the disadvantages of the LBDT algorithm, several modifications are made, including splitting the intersecting lines, connecting the fragments, and filtering the edges and radial interference noise. Third, an optical flow method is used to determine whether a weak narrow-band echo is a gust front according to the prior knowledge that a gust front usually propagates in front of the associated generating storm. The results of experiments show that the proposed method can automatically identify gust fronts with a high probability of detection and a low false alarm rate. The automatic identification of gust fronts is potentially useful for accurate short-term weather forecasting, particularly in the forecasting of storm winds.     

三次雷暴导致的阵风锋过程分析

利用多普勒天气雷达资料和自动站资料对2012年5月16日江苏、6月9日京津冀地区以及7月10日河北的三次阵风锋过程进行综合分析。结果表明：持续下沉的冷空气形成雷暴高压是阵风锋产生的直接原因。雷暴高压形成过程中,一方面,下沉气流在较小区域内迅速堆积形成雷暴高压,另一方面,新旧单体不断更替,风暴内稳定的下沉气流使雷暴高压发展。雷暴高压内强辐散气流与环境空气形成阵风锋。随着雷暴高压的移动和增强,阵风锋向前移动和增强,当雷暴高压减弱,阵风锋也逐渐消亡。温度梯度与气压梯度越大,瞬时大风越强,阵风锋也越强。阵风锋产生的瞬时大风与窄带回波的强度值不一定成正比。中层径向辐合对阵风锋产生有提前预示作用,提前量为半小时左右,辐合持续时间越长,阵风锋生命史越长。     

Gust Front Statistical Characteristics and Automatic Identification Algorithm for CINRAD

Gust front is a kind of meso-and micro-scale weather phenomenon that often causes serious ground wind and wind shear. This paper presents an automatic gust front identification algorithm. Totally 879 radar volume-scan samples selected from 21 gust front weather processes that occurred in China between 2009 and 2012 are examined and analyzed. Gust front echo statistical features in reflectivity, velocity, and spectrum width fields are obtained. Based on these features, an algorithm is designed to recognize gust fronts and generate output products and quantitative indices. Then, 315 samples are used to verify the algorithm and 3 typical cases are analyzed. Major conclusions include： 1） for narrow band echoes intensity is between 5 and 30 dBZ, widths are between 2 and 10 km, maximum heights are less than 4 km （89.33%are lower than 3 km）, and the lengths are between 50 and 200 km. The narrow-band echo is higher than its surrounding echo. 2） Gust fronts present a convergence line or a wind shear in the velocity field;the frontal wind speed gradually decreases when the distance increases radially outward. Spectral widths of gust fronts are large, with 87.09% exceeding 4 m s-1 . 3） Using 315 gust front volume-scan samples to test the algorithm reveals that the algorithm is highly stable and has successfully recognized 277 samples. The algorithm also works for small-scale or weak gust fronts. 4） Radar data quality has certain impact on the algorithm.     

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。     

阵风锋自动识别与预警

根据阵风锋的回波特征, 该文设计了阵风锋自动识别算法。在速度场中,考虑辐合线识别;在强度场中,考虑窄带回波识别;根据窄带与辐合线的空间一致性,综合二者识别出阵风锋。基于该算法,以锋线闪烁和物理量输出两种方式实现了预警功能。最后利用地面自动气象站资料和2009年6月3日河南商丘、郑州及2009年6月5日安徽阜阳3个雷达站探测的阵风锋98个体扫样本资料检验了识别效果,并采用临界成功指数进行评估。结果表明:双向梯度法能有效滤除大范围降水回波而保留窄带回波;该算法只需考虑较低仰角层,大大提高识别效率。在速度场中采用的算法能有效识别出径向辐合线,同时也适用于低空径向风切变和辐合线的识别;利用临界成功指数对98个体扫样本进行识别率评估,识别率达到68.4%。