一次华南强飑线过程的数值模拟分析

采用高分辨率中尺度数值模式WRF对2007年4月17日华南强飑线过程进行数值模拟,并利用数值模拟结果对强飑线过程进行诊断分析,探讨其触发和维持机制.结果表明,低层中尺度辐合线及切变线是本次飑线过程主要的触发系统和重要的维持机制之一,干侵入和对流性不稳定以及低空辐合高空辐散对飑线的发展和维持有着重要的作用.此外,WRF模式能成功地模拟出本次飑线过程的β中尺度结构特征,表明该模式对强对流天气系统有一定的模拟能力.     

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。     

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。     

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。     

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。     

一次副高影响下的局地强风暴触发及维持机制探析

利用自动站观测资料、FY-2G卫星资料和多普勒雷达等资料,对发生在副热带高压影响下的重庆局地强风暴过程进行了观测和数值模拟分析,探讨了其中尺度对流系统(MCS)演变,抬升触发和维持机制。结果表明:(1)在副热带高压影响下,重庆处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定;(2)此次局地风暴抬升触发的关键因子是地面附近浅薄边界层中尺度辐合线,辐合线由川渝盆地中西部MCS的雷暴高压与重庆地面热低压共同作用形成;(3)中尺度辐合线触发的对流风暴形成小范围冷池出流与环境风场形成新的辐合线,加强对流风暴发展,并再次触发新的对流单体。承载层平均风为偏南风,使得对流单体向北缓慢移动,冷池出流和边界层辐合线共同作用使得风暴单体向西向北传播和长时间维持。     

一次强降水过程的多尺度环流背景及成因分析

利用NCEP再分析资料、ERA5再分析资料和自动站逐小时观测资料对2014年7月19日影响黑龙江省西部中尺度对流过程的天气尺度、中尺度环流背景及地面要素演变特点进行分析。结果表明:此次强降水过程是在台风与西风带系统远距离作用的背景下,由高空急流、冷涡、低层切变线与冷锋相互配合产生的。过程持续时间短、强度大、局地性强。副高外围偏南风引导远距离台风携带的暖湿气流向东北地区输送,与高空冷涡后部干冷空气配合,形成低层暖湿高层干冷的不稳定层结,为中尺度对流系统的发生发展提供了有利的环境条件。冷锋和喇叭口地形的辐合抬升相互配合,使暖湿气流抬升,冲破中层抑制,触发对流,使前期累积的不稳定能量释放。高空急流的辐散和通风作用使上升运动和不稳定层结维持,降水持续,且强度增强。受干冷空气卷入和强降水粒子蒸发的影响,系统后部出现较强冷池,使强降水同时伴有雷暴大风。随着系统后部冷池及冷空气主体的抬升,暖湿空气抬离地面,过程结束。     

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。     

灾害性大风发生机理与飑线结构特征的个例分析模拟研究

2009年6月3日在我国河南发生了历史罕见的强飑线天气过程, 造成了严重的人员伤亡和灾害。为了解此次飑线天气的特征和产生的机理, 本文采用卫星、雷达及地面加密观测资料, 结合中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)数值模式, 研究了此次飑线产生的天气背景、宏微观结构特征及造成灾害性大风的机理。结果表明, 此次飑线过程的主要影响系统是东北冷涡, 其后部横槽引导的南下冷空气与西南暖湿气流在河南新乡南部一带交汇促发强对流过程, 最后演变为飑线。但由于低层西南风偏弱, 水汽条件不足, 飑线发生的环境较为干冷。飑线产生区大气处于条件性不稳定状态, 对流有效位能(CAPE, Convective Available Potential Energy)在1300 J/kg左右, 并具有适平的垂直风切变。地面气象场显示飑线具有相对冷湿的雷暴高压和强冷池, 飑线过程产生的灾害性天气以大风而非强降水为主。数值模式结果显示飑线下沉气流的最大值仅为-13 m/s, 而地面风速最大值达到35 m/s, 是最大下沉气流的2.7倍。进一步的数值敏感试验表明, 降水粒子的蒸发和融化冷却过程对降低地面温度和产生地面强风速具有重要影响, 其中雨水蒸发过程产生的最大等效冷却率为-3 K/min, 远大于霰融化冷却率-0.7 K/min, 因此雨水蒸发过程是影响冷池强度的关键因素, 而地面强冷池在此次飑线灾害性大风的产生中具有重要作用。     

2007年华南一次强飑线过程的雷达回波分析及数值模拟

2007年4月17日华南发生了一次强飑线天气过程.利用常规气象资料、多普勒雷达资料分析了这次强飑线过程的成因,并用高分辨率中尺度数值模式WRF对该过程进行数值模拟.结果表明:这次强飑线过程发生在欧亚中高纬地区两槽-脊的经向环流形势下,西风槽、地面冷锋为其主要的影响系统.雷达回波显示,这次强飑线过程的雷达回波具有典型的三体散射和弓形回波特征.此外,WRF模式能成功地模拟出本次飑线过程的中β尺度结构特征.数值模拟结果显示,飑线发生的带状区域内有明显的低层气流汇合和切变以及中低层的大气对流性不稳定结构,强对流带内有东北-西南走向的气流汇合线,汇合线附近有强的辐合,辐合中心强度达-0.8x10-3s-1,表明WRF模式对强对流天气系统有一定的模拟能力.     

福建沿岸一次飑线过程发生发展机理分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR(1°×1°)的逐6h再分析资料结合ARW-WRF中尺度数值模式模拟结果对2018年6月20日发生在福建沿岸的一次飑线过程的发生发展机理进行了分析,结果表明:①本次飑线过程属于槽前型,对流层低层存在发展的低涡切变,切变南侧有冷空气南下,低空西南急流不明显,但有持续的暖湿气流输送至福建中北部地区,飑线生成于低涡南侧的沿岸附近。②飑线发展期间系统南侧低层风速不断增大且维持高的水汽输送和不稳定能量;前期对流的触发因子包括锋面对流系统的冷出流、地形的抬升以及海风锋造成的冷堆强迫抬升;后期冷出流边界与海风锋边界碰撞合并,加强了低层辐合促进了对流的发展,是飑线形成的主要原因。③飑线成熟时期地面存在中高压和尾流低压,高压后部为强烈的辐散区,风速较大;成熟时期内部存在两支气流,前向入流为低层暖湿气流在飑线前方流入并在对流云区被抬升,后向入流为中层干冷空气在飑线后方流入,在低层形成下沉运动,是地面大风形成的重要原因之一。     

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。     

黑龙江省一次伴有龙卷的暖区暴雨成因分析

2014年7月19日夜间黑龙江克山出现雨强超过90 mm的短时强降水,利用常规观测资料、区域站资料、NCEP/NCAR再分析资料等对此次冷锋前部的暖区强降水成因进行分析。结果表明:(1)此次强降水出现在580 dagpm线附近,副高诱发的超低空急流为强降水提供了充沛的水汽和不稳定能量。(2)地面辐合线和地形抬升触发对流。高空急流东移,高空急流出口区左侧和辐散区与低层辐合相耦合促使对流快速发展增强。耦合消失,强降水则快速减弱。(3)低层暖平流明显,尤其地面具有暖锋锋生特征。强降水出现在不稳定层结和上升运动快速增强的阶段。(4)地面～200 hPa辐合层形成深厚的上升运动区,促使对流快速发展。(5)中尺度对流雨带沿地面辐合线生消。降水先出现在暖湿舌前部。随后,强降水产生的冷空气抬升暖湿空气形成冷锋特征的降水,由于强降水和冷空气的正反馈作用,降水持续时间长。冷空气势力最强时,伴随中尺度气旋性环流及0～1 km强垂直风切变有利于龙卷产生。(6)开口状地形的辐合作用、抬升及局地地形导致的中尺度环流风场对暖区降水的形成和维持作用显著。     

河北唐山一次飑线过程的中尺度天气分析

利用常规观测资料、自动气象站资料及雷达资料,对2013年8月4日影响唐山的一次飑线过程进行了中尺度分析。结果表明:500 hPa高空槽是产生这次飑线的主要影响系统,地面中尺度辐合线是这次过程的触发机制;对流层中层干冷空气入侵与低层暖湿气流的辐合增强了大气层结的不稳定;低层辐合、高层辐散进一步加强了垂直运动的发展;中低层垂直风切变则有利于飑线的发展、加强和维持。雷达回波图上可识别出中低空的中尺度辐合线、弓形回波、逆风区等中小尺度结构特征,对于此类强对流性天气的预报具有实际指示意义。     

华东地区一次飑线过程的数值模拟与诊断分析

本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)同化多部多普勒雷达观测资料和常规地面探空观测资料,对2009年8月17日发生在我国华东地区的一次飑线过程进行高分辨率数值模拟;利用模拟输出资料,分析该飑线过程的动力和热力特征和对流线单体后向新生的环境条件。研究结果表明:(1)在飑线系统初生阶段,从飑线后部(北方)的团状对流系统的低层MCV(mesoscale convective vortex)中南下的冷空气与西南暖湿气流相遇激发强对流,促进飑线发展;随着飑线系统的发展和南移,团状强对流系统的低层MCV的气旋性环流对飑线的影响逐渐减弱,而飑线本身产生的低层冷池向外辐散的冷空气与环境场西南暖湿气流辐合成为飑线持续发展的主要动力。(2)本次飑线系统属于典型的后向新生型飑线,由4条处于不同发展阶段的对流线合并而成,对流线上对流单体的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果,既需要一定的对流抑制能量促进对流有效位能的累积,也需要一定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡管向垂直涡度的转化。     

华南暖区暴雨中一次飑线的中尺度分析

利用地面加密观测资料、高空观测资料、多普勒雷达观测和雷达风场反演资料等,分析造成2010年5月6—7日华南暴雨中一次飑线的演变过程及三维结构特征。结果表明:(1)此次飑线过程发生于200 hPa高空辐散区、500 hPa高空槽后、地面准静止锋锋前暖区内,850 hPa飑线北侧为切变线,东南侧存在低空急流,中低层为中等强度垂直风切变。(2)该飑线系统初始对流单体由西风受广西大瑶山脉地形阻挡而触发。发展过程中两广交界处不断生成新单体,东移发展并入对流带,单体发展及对流带的形成与地面中尺度辐合线关系密切。(3)该飑线在形成过程中存在对流带与对流单体的锢囚过程,锢囚过程中地面辐合线及中层中气旋起组织作用,至盛期对流带东段出现弓形回波结构。强降水拖曳、雨滴蒸发冷却增强下沉气流及中层冷空气入流,造成地面冷池及后部辐散出流,促进弓形回波发展。(4)成熟期飑线系统包含弓形回波、冷池及不明显的层状云区,三维结构特征与经典飑线类似,但无涡旋对,雷暴高压也不明显。     

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。     

副高异常偏西背景下西北一次漏报的雷暴大风中尺度分析*

摘要：利用西安多普勒天气雷达、L波段风廓线雷达和加密自动站探测资料，结合天气实况，对2018年7月26日发生在陕西一次副热带高压影响下的的强风暴过程进行了中尺度分析。结果表明：（1）本次强风暴伴随的阵风锋共维持了4h，其中有3h出现7级以上的大风，且最大风力10级。（2）在副热带高压影响下，陕西处于高温、高湿气团中，大气层结极不稳定。（3）此次强风暴在高的对流有效位能环境下（CAPE）下，抬升触发的关键因子是关中地区中尺度辐合线，当初生的对流云团下山后，中尺度辐合线触发的对流风暴形成小范围冷池出流与环境风场形成新的辐合线，加强对流风暴发展。（4）当阵风锋移动过程中遇到前方的对流云团时，将低层暖湿空气抬升，并随着上升气流输送到主体对流风暴中，迅速补充了主体风暴的能量，使得主体风暴再次强烈发展，延长了阵风锋的生命史。     

一次极端降水的中尺度雨团分析

利用常规观测资料、ECMWF ERA-Interim 0.125°×0.125°分析资料、FY-2G卫星云图和多普勒天气雷达资料等,对2017年8月18-19日漯河极端降水的中尺度特征及降水成因进行分析。结果表明:(1)本次过程在200 hPa高空分流区、500 hPa高空槽以及副热带高压、低层急流切变、地面低压倒槽等天气尺度系统合理配置及其相互作用下发生。(2)探空显示漯河上空具有较高的对流潜势,有利于中尺度雨团初生和发展。低层饱和、厚暖云层、弱风切变有利于暴雨云团产生,高CAPE值、高比湿和高降水效率是极端雨团的重要原因。(3)中尺度对流云团一个随槽前西南气流东移北上,一个随低层切变线南压,相向合并发展为M_βCS,有利于暴雨云团增强。不同于以往本地区的云团"同向合并",持续的列车效应以及低质心高效率的中尺度对流单体后向传播导致强回波长时间维持,极端降水发展。(4)地面中尺度辐合线和强辐合中心对强降水起到动力触发作用,有利于对流发展。冷池出流与交汇北上的东南风和偏东风相互作用,导致水平温度梯度增大形成和冷池前侧锋生加强,一方面致使雨团组织化发展和单体后向传播,另一方面也在降水区下游触发新生雨团,冷池持续增强。(5)本次过程整层风场较弱,且低层气流传播速度大于引导气流速度,平移与传播方向的反向夹角大,导致两者矢量和大幅度偏离了引导气流方向,同时产生的减速效应导致暴雨中尺度系统移动缓慢,导致极端降水形成。