对流凝结加热对飑线生成和演变的数值实验

本文用一个准二维的10层原始方程中尺度湿模式对飑线的生成和演变进行了数值模拟实验,得到了与实际飑线相一致的结果。实验表明,对流凝结潜热的释放是一类飑线的主要能源。大气低层潮湿十分有利于飑线的生成和发展。     

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。     

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。     

华北强飑线生成环境与地形作用的数值试验研究

应用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（简称LASG）η坐标有限区域数值预报模式,简称为LASG-REM,对1983年6月27日一次华北强飑线生成与地形作用进行了数值试验研究。首先运行的对照试验,获得了以往分析得到的有关飑线的现象。模拟1小时后,飑线发生前,对流层高层有较强的冷平流侵入华北地区。3小时后,在燕山及其南侧背风坡地区,对流层中、低层出现明显的锋生现象,这对飑线的生成和发展起了重要的作用。模拟至6小时,近地面层在日变化增温的时段内,开始出现降温现象,这时实况的飑线开始形成,这降温现象是与飑线后方的中尺度湿绝热下沉运动有关。8小时后,对流层高层在继续维持西北气流冷平流的条件下,由降温转变为明显升温,并产生一个α中尺度的温度脊,这是由飑线上强的深对流过程引起的热量向上输送造成的。这也是飑线发生发展后,中尺度系统对大尺度背景场的反馈的结果。紧接着近地面层出现最强的降温。这与中尺度湿绝热下沉运动的发展和小尺度的下击暴流有关。这一过程与过去分析结果相一致。其次,在对照试验成功的基础上,对地形作了敏感性试验,试验结果表明:在西北流型条件下,高层有较强的冷空气侵入,低层受地形强迫引起的强烈锋生,是华北飑线形成和发展的主要动力过程。     

对流移入杭州湾后飑线发展机制分析

为加深对杭州湾影响下飑线维持机制的理解,利用多普勒天气雷达、常规和加密观测资料以及NCEP GFS资料,分析了2014年7月27日浙北飑线成因,并重点探讨了此次飑线过程中对流从北岸和南岸移入杭州湾的演变过程及对飑线整体发展的作用。分析表明:南北向辐合线触发新的雷暴单体生成及中等强度的深层垂直风切变,是此次飑线生成和发展的关键环境条件;飑线中对流从南北两岸移入杭州湾后强度均加强,使得飑线得到更好的维持发展;杭州湾上更好的水汽和更强不稳定能量条件,使从北岸移入杭州湾的对流单体加强并连接苏南、浙北两条线状对流,这是进而使得飑线持续发展的重要原因;杭州湾表面与陆地相当的温度和湿度,以及海上较强的垂直风切变,使南岸入海对流强度维持,并在地面冷池和后侧入流的共同影响下发展成弓形回波,这也是飑线维持的重要因素。     

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。     

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。     

华南地区西风带飑线和台风飑线环境场特征统计对比分析

利用2012—2015年3—9月华南地区的雷暴大风和雷达数据,挑选了华南地区20次典型飑线过程并进行统计分析表明:华南地区的西风带飑线出现于春季和初夏,台风飑线出现于盛夏;3—4月的西风带飑线一般在凌晨开始发展,中午前后趋于减弱,而7—9月的台风飑线一般在中午或下午开始发展,前半夜趋于减弱。挑选了4次西风带飑线过程和4次台风飑线过程,使用2012—2014年的NCEP物理量分析场,在考虑季节变化的基础上分析两类飑线各种物理量的异同点,结果表明:西风带飑线850 hPa与500 hPa的温差较大,台风飑线则是925 hPa与700 hPa的温差较大;西风带飑线低层暖平流较强但中层不明显,台风飑线相反;在西风带飑线造成的雷暴大风出现前,500 hPa温度平流随时间的变化为显著负值,台风飑线则不明显;西风带飑线的高层辐散和低层辐合较台风飑线更强;台风飑线925 hPa的相对湿度较西风带飑线小,在西风带飑线造成的雷暴大风出现前,500 hPa以干平流为主而925 hPa以湿平流为主,台风飑线则相反。对两种飑线过程进行对比分析表明,雷暴高压的持续加强、扩大及相应冷池的扩大导致西风带飑线的不断加强发展,而台风倒槽的气旋性切变和高低压之间的等压线锋区可能对回波的生成和前期发展有重要作用。      

自动气象站资料在模拟苏北一次飑线过程中的应用

为了研究自动气象站资料在模拟中国东部飑线过程中的影响,利用WRF模式模拟了2009年6月14日发生在苏北地区的一次飑线过程。首先设计了两个数值试验,两个试验都只用FNL资料作为初始场和边界条件,但是模拟开始时间分别为北京时间10时和08时,离观测的飑线过程开始时间分别有3 h和5 h。在10时开始的试验(控制试验)中,模拟飑线过程时间上有3~4 h延迟,空间上向东偏移了100 km左右,但是试验可模拟出与观测相似的飑线发展过程,即对流从山东省南部开始、飑线弓形回波在江苏北部成熟和在江苏南部消亡的过程。而在08时开始的试验中(对比试验),没有能够模拟出与观测相似飑线发展过程,降水范围和飑线水平尺度偏小,对流强度明显偏弱,时间上比控制试验更晚。分析发现,FNL资料中的相对湿度低于观测,通过增加低层水汽,可提高模拟效果,对流触发时间也与观测更加接近。在加入地面自动气象站资料的敏感性实验中,对流触发时间比控制试验提前1 h,可模拟出与观测相似的飑线发展过程。因此,低层水汽对这次飑线过程模拟具有重要影响,在飑线数值模拟中加入地面自动气象站加密观测资料可有效提高模拟能力。      

Mangkhut（1822）台风飑线在江西的影响过程分析

主要利用常规气象资料和NCEP 1° ×1°再分析资料,对2018年22号超强台风Mangkhut在江西引发的飑线天气过程进行分析.结果表明:飑线在台风和副热带高压间的湿区生成,台风为此次飑线提供了有利条件.台风外围的低空急流输送充沛水汽,较强的对流有效位能和持久的地面辐合线使得初始离散对流单体组织发展成为台风飑线,而较强的低空垂直风切变为飑线的进一步发展提供了动力条件.江西省中南部中层入流环境及地面冷池等有利于雷暴大风的生成,江西省北部深厚的湿层和强烈的垂直上升运动等利于短时暴雨的发生.     

A NUMERICAL EXPERIMENT OF SQUALL-LINE FORMATION WITH CONVECTIVE CONDENSATION HEATING

A numerical experiment of squall-line formation has been made with a baroclinic quasi-two-dimensionalPE-model.The results show that the latent heat released by cumulus convection plays an important role in theformation of a certain kind of squall-line.In the process of the formation of squall-line,the nonlinear concentra-tion of perturbation is clearly shown.     

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.     

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。     

The Predictability of a Squall Line in South China on 23 April 2007

This study investigated the predictability of a squall line associated with a quasi-stationary front on 23 April 2007 in South China through deterministic and probabilistic forecasts. Our results show that the squall-line simulation was very sensitive to model error from horizontal resolution and uncertainties in physical parameterization schemes. At least a 10-km grid size was necessary to decently capture this squall line. The simulated squall line with a grid size of 4.5 km was most sensitive to long-wave radiation parameterization schemes relative to other physical schemes such as microphysics and planetary boundary layer. For a grid size from 20 to 5 km, a cumulus parameterization scheme degraded the squall-line simulation (relative to turning it off), with a more severe degradation to grid size <10 km than >10 km. The sensitivity of the squall-line simulation to initial error was investigated through ensemble forecast. The performance of the ensemble simulation of the squall line was very sensitive to the initial error. Approximately 15% of the ensemble members decently captured the evolution of the squall line, 25% failed, and 60% dislocated the squall line. Using different combinations of physical parameterization schemes for different members can improve the probabilistic forecast. The lead time of this case was only a few hours. Error growth was clearly associated with moist convection development. A linear improvement in the performance of the squall line simulation was observed when the initial error was decreased gradually, with the largest contribution from initial moisture field.     

新一代天气雷达产品在增雨作业时机判别中的应用

利用天津新一代天气雷达(CINRAD)的基本反射率、基本径向速度、回波顶高、累积含水量等产品和地面降水实况资料,分析了2003年5月28日飑线天气过程。结果表明:在同一环流背景条件下,局地作业时机的选择正确与否,将直接影响到作业效果。CINRAD可以监测到对流云的移动及生消演变过程,在进行人工增雨作业期间,要密切注意雷达回波的发展、演变趋势,选择最佳作业时机,特别是选择发展中的对流云作业效果更好一些;并给出了雷达判别指标。     

广东前汛期飑线天气过程的云型及其演变

本文概括出5种飑云型及其5种云系演变型式,并绐出飑云系形成发展时天气系统配置的概念模式。尝试使用卫星云图识别和预报飑线天气,对中尺度强对流云区与天气尺度云系间的关系也进行了一些探讨。     

A sensitivity of squall-line intensity to environmental static stability under various shear and moisture conditions

Squall lines develop in various climate regions having diverse environmental profiles of wind shear, moisture, and temperature. In order to explore the sensitivity of squall lines to these environmental profiles, we have performed an extensive set of numerical simulations under various shear and moisture conditions in midlatitude-continental and tropical–oceanic temperature environments. From the results of the sensitivity simulations and the analyses of the environmental parameters, it is found that the static stability in a convectively unstable layer is of primary importance in determining the strength of squall lines. Under temperature environments having the same static stability, convective available potential energy (CAPE) and precipitable water content (PWC) well describe the squall-line intensity. Vertical shear also plays an important role in determining the squall-line structure as well as the intensity through the interaction with surface cold pool. The combination of the static stability in a convectively unstable layer, CAPE, and PWC should be examined in diagnosing the intensity of squall lines that develop with an optimal shear for their environment.     

北京地区一次飑线的组织化过程及热动力结构特征

2015年8月7日华北西北部的一次断线状对流系统向东南方向移动,并与平原地区多单体雷暴合并、组织,最终形成强飑线,造成北京地区出现较大范围的风雹和局地短时强降水天气。基于多源资料的研究结果表明:（1）飑线形成有三个阶段:上游线状对流发展移动、平原多个单体雷暴的新生和合并、线状对流并入本地多单体后组织成飑线。第二阶段中,城区北部边缘地面热力分布不均,配合局地风场辐合,触发了雷暴。雷暴冷池范围不断扩大,温度梯度区向南扩展,造成新生对流向南传播。（2）飑线的组织化过程,呈现出两支强入流为典型特征的动力结构:一支位于雷暴冷池后侧中层（4500～5000 m）,另一支位于低层飑线前侧,由强辐合区垂直于飑线指向云内。这两支强入流分别构成飑线前侧和后侧两个独立的顺时针垂直环流圈。后侧入流和前侧入流在同时加强,造成飑线前侧垂直环流不断加强,与之对应的环境垂直风切变也同步增强。这一动力过程形成了有利于飑线组织化的中尺度垂直切变环境,垂直风切变增大的本质实际上是飑线发展反馈的结果,同时也是驱动飑线快速向前移动和发展的重要因素。当后侧中层入流消失,前侧垂直环流也随之逐渐减弱,预示着飑线从成熟开始减弱消亡。（3）从热力结构看,下山的线状对流冷池与平原地区多单体雷暴的冷池合并,形成了扰动温度低于?8°C、厚度加深到1.5 km的强冷池,其前沿的β中尺度锋面附近的辐合上升运动加强,进一步促进了飑线在平原地区发展加强,并出现阵风锋。     

A numerical study of a TOGA-COARE squall-line using a coupled mesoscale atmosphere-ocean model

1. Introduction Air-sea interaction plays an important role in theglobal seasonal to inter-annual climate variability,most notably, the El Ni?no and Southern Oscillation(ENSO) phenomenon (Webster and Lukas, 1992). Be-cause of its widespread impacts on …     

Application of Multi-Scale Tracking Radar Echoes Scheme in Quantitative Precipitation Nowcasting

A new radar echo tracking algorithm known as multi-scale tracking radar echoes by cross-correlation(MTREC) was developed in this study to analyze movements of radar echoes at different spatial scales.Movement of radar echoes,particularly associated with convective storms,exhibits different characteristics at various spatial scales as a result of complex interactions among meteorological systems leading to the formation of convective storms.For the null echo region,the usual correlation technique produces zero or a very small magnitude of motion vectors.To mitigate these constraints,MTREC uses the tracking radar echoes by correlation(TREC) technique with a large "box" to determine the systematic movement driven by steering wind,and MTREC applies the TREC technique with a small "box" to estimate small-scale internal motion vectors.Eventually,the MTREC vectors are obtained by synthesizing the systematic motion and the small-scale internal motion.Performance of the MTREC technique was compared with TREC technique using case studies:the Khanun typhoon on 11 September 2005 observed by Wenzhou radar and a squall-line system on 23 June 2011 detected by Beijing radar.The results demonstrate that more spatially smoothed and continuous vector fields can be generated by the MTREC technique,which leads to improvements in tracking the entire radar reflectivity pattern.The new multi-scale tracking scheme was applied to study its impact on the performance of quantitative precipitation nowcasting.The location and intensity of heavy precipitation at a 1-h lead time was more consistent with quantitative precipitation estimates using radar and rain gauges.