城市热岛与海风锋叠加作用对一次局地强降水的影响

利用常规观测资料、天津255 m气象塔资料、多普勒雷达资料和VDRAS反演资料及中尺度TJ WRF模式输出资料,对2010年8月16日天津城区出现的一次局地强降水过程进行分析,重点分析了城市热岛与海风锋叠加作用对此次局地强降水的触发机制。结果表明：此次局地强降水发生在低层槽后弱的反环流条件下,具有明显的γ中尺度对流降水特征;城市热岛效应能造成局地的热力不均匀,这对形成地面中尺度辐合线非常有利。海风锋由岸边向市区移动中与中尺度辐合线相遇,能激发局地不稳定能量的释放,从而产生强对流天气。城市热岛对海风锋的移动有明显阻挡作用;当海风锋移到城市热岛效应明显区域附近时,其后侧气流会出现明显分支绕流和爬升现象,而且两者相遇处的辐合上升运动会迅速加强,这为该地不稳定能量的释放及雷暴的发生发展提供了有利的动力热力条件。中尺度TJ WRF模式可以很好地模拟出这一现象。     

复杂地形下北京雷暴新生地点变化的加密观测研究

2008 年8 月14 日北京发生了雷暴群形式的局地暴雨,雷暴新生地点复杂多变,形成了多个γ 中尺度的强降水中心。本文利用近年来北京气象现代化建设取得的加密地面自动站、多普勒雷达、风廓线仪、微波辐射计等多种新型高时空分辨率观测资料及雷达四维变分同化系统（VDRAS）反演资料,通过精细分析地面（边界层）风场、温度场等的演变特征,讨论了雷暴新生地点变化的机制。结果表明:复杂地形与雷暴冷池出流作用相结合,主导了雷暴新生地点的变化,进而影响γ 中尺度强降水中心的变化;天气尺度高低空涡、槽的配合不一致,并且系统移动缓慢,以及对流层低层的弱的环境垂直风切变,是雷暴冷池结合复杂地形发挥雷暴新生地点主导作用的重要前提;复杂地形使得冷空气在一定范围内流动,在边界层产生碰撞和辐合,起到触发和增强对流作用,并使得对流风暴的形态和走向与地形呈现出紧密相关性;一定强度的冷池出流、边界层前期的暖湿空气和对流不稳定能量的积累,是冷池出流触发雷暴新生和演变的必要条件;北京周边地区的雷暴,通过其雷暴冷池出流沿着沟谷地形或向平原地区流动,与北京山谷或城区的边界层暖湿空气形成辐合抬升机制,触发雷暴新生。     

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。     

渤海西岸偏东风对天津局地大暴雨的影响分析

利用加密自动气象站、多普勒天气雷达和风廓线雷达等高时空分辨率资料,分析2017年7月6日天津一次局地大暴雨过程的中尺度对流系统发展演变特征,讨论渤海西岸边界层偏东风的垂直结构、温湿特性及其对局地大暴雨的作用。结果表明:局地大暴雨由两个暖区中尺度对流系统和一个低涡切变线系统造成,偏东风作用下的暖区第二个中尺度对流系统主导了局地大暴雨的形成。大暴雨中心两侧的温湿特征均呈“东高西低”分布,偏东气流具有暖湿特性,为暖区对流暴雨的发生发展提供了有利的环境条件。由于海陆地形差异,偏东气流自渤海向内陆推进过程中呈现明显的风速扰动特征,不仅导致水汽辐合,同时有利于上升运动发展。其中,0.6 km以下偏东风的中尺度扰动对局地大暴雨的触发和维持起重要作用,风速辐合强迫产生的上升气流是γ中尺度对流单体的重要触发机制,而强降水冷池出流与不断增强的暖湿偏东人流相互作用形成地面中尺度辐合线,使对流系统得以稳定维持,40 dBz以上强降水回波持续近3 h,平均6 min降水量达6.8 mm。此外,局地大暴雨的雨强变化与东风急流波动关系密切,急流的建立、发展、减弱和消失分别对应降水的陡增、峰值、减弱和陡降四个阶段。     

天津城市热岛效应对海风(锋)环流影响的数值模拟试验

利用中尺度数值天气模式TJ-WRF,通过对发生在天津城区的局地雷暴天气个例进行模拟,重点通过改变模式中下垫面土地利用类型进行敏感性模拟试验,研究天津城市热岛对海风(锋)环流强度及移动速度等的影响。结果表明:不同土地利用类型城市下垫面造成的城市热岛效应不同,当城市周边郊区下垫面土地类型改为城市建筑用地时,城市热岛效应更加明显且影响范围明显扩大;当城市下垫面改为旱作农地和牧场时,天津城区附近没有出现城市热岛效应。当海风(锋)环流向城区方向移动还未到城区附近时,城市热岛对其有明显加强和加速作用,城市热岛效应越明显其对海风(锋)环流的加强和加速作用越明显,海风(锋)环流移动加快的速度比没有城市热岛时快9.3km·h~(-1)。当海风(锋)环流移动到城区附近时与城市热岛环流相遇,海风(锋)环流受到城市热岛环流阻挡其移速又迅速减慢,其后侧气流南、北分支绕流和向上爬升现象变得明显,两环流相遇叠加后辐合上升运动也明显加强;城市热岛效应越明显其对海风(锋)环流的阻挡作用越明显,海风(锋)环流的移动速度减慢得越多,两环流相遇叠加后的辐合上升运动就越强。另外在向城区移动过程中,海风(锋)环流会使其经过地区低层空气增湿降温,但其后侧湿空气层厚度会因城市热岛效应的存在而明显减小;城市热岛效应越明显,海风(锋)环流后侧湿空气层厚度减小得越明显。     

一次苏皖特大暴雨过程中边界层急流结构演变特征和作用分析

利用加密自动气象站、多普勒雷达和NCEP再分析资料,结合中尺度数值模式的模拟结果,详细分析了2008年8月1日苏皖地区特大暴雨过程的演变特征及形成机理。研究表明,与特大暴雨过程始终伴随的边界层急流促进了降水的发展与加强,在特大暴雨产生的动力和水汽输送条件上扮演着重要角色。边界层急流的波动与降水的发展密切相关,中层弱冷空气的入侵使边界层急流明显减弱,导致了降水区中大气对流不稳定结构与垂直风切变的增强,使对流性降水发展,在经历短暂的减弱之后,边界层急流后部南风再次增强并推动其北侧切变线的发展,在两者的共同作用下,暴雨区内局地的辐合与气旋性涡度大大增强,并强迫出一支狭窄而深厚的上升气流,促进了暴雨区及附近的中小尺度对流系统发展,使降水发展至最强。另外,与边界层急流相伴随的一支水汽通量辐合带是这次暴雨主要的水汽输送通道。     

天津地区城市热岛环流与海风环流相互作用的研究

利用中尺度数值模式（TJ WRF）模拟资料及天津加密自动气象站资料等,选取几个典型天气过程（城区附近局地强雷暴天气过程、受海风影响明显的无天气过程）个例,分析研究天津城市热岛环流与海风环流的空间结构特征及相互作用;重点对城市热岛环流与海风环流相互作用触发局地强雷暴的机制进行分析。结果表明：城市热岛环流的伸展高度基本在800 hPa 附近、空间范围约为20 km、环流内有弱的辐合上升;海风环流的伸展高度在800~750 hPa、空间范围40~60 km,海风环流前沿海风锋的伸展高度为950~900 hPa,垂直上升速度平均为0.2 m·s-1 ,略强于城市热岛环流。海风环流对城市热岛环流有明显消弱作用,城市热岛环流对海风环流有一定的阻挡作用,其阻挡的程度与城市热岛环流强度有关。随海风环流向内陆推进,海风环流与城市热岛环流相遇出现叠加,叠加后的辐合上升运动明显加强,最大上升速度可达0.6 m·s-1,并在不稳定天气形势条件下能触发局地强雷暴天气的出现。     

冷池对引发新乡“7·9”特大暴雨的中尺度对流系统的影响分析

利用NCEP再分析资料、常规观测资料、FY-2E卫星TBB资料、多普勒雷达探测资料和地面加密自动站资料分析了2016年7月9日新乡特大暴雨过程的中尺度特征,并揭示了冷池形成原因及其对产生强降水的中尺度对流系统发生发展的影响。研究结果表明:新乡地区特大暴雨是由一个"低质心"结构的后向传播-准静止-涡旋状中尺度对流系统产生的。由层状云和对流性降水产生的冷池出流形成的中尺度温度梯度导致地面辐合进而触发了对流。冷池出流与环境风场形成的假相当位温密集带为对流系统提供不稳定能量,两者强度相当的对峙使能量密集带稳定少动,而中尺度对流系统的上风方即冷池出流南侧由于锋生作用将暖湿空气抬升并不断触发新对流,这种后向传播方式导致中尺度对流系统移动缓慢处于准静止状态,新生对流单体在地面中尺度涡旋流场的作用下呈有组织的涡旋状旋转,不断经过新乡地区造成强降水持续。湿冷的冷池同时也是本次强降水过程近地面水汽来源之一。太行山的阻挡作用导致冷池在山前堆积后向承载层平流方向相反的方向移动;小地形的峡谷效应有助于冷池出流南移,而且为中尺度地面涡旋形成提供了一支重要的西北气流。     

梅雨锋上两类中尺度对流系统形成的边界层特征

采用具有较高时空分辨率的地面观测资料以及WRF（Weather reasearch and forecasting）模式输出资料,分析了2009年6月29一-30日梅雨锋暴雨过程中两类不同的中尺度对流系统（rnesoscale convective system,MCS）边界层特征及边界层对两类MCS的触发维持机理,重点分析了海平面气压场特征、边界层冷池、干线及其在MCS中的影响。结果表明：两类中尺度对流系统的海平面气压特征存在着明显的差异,对流爆发阶段地面风场存在辐合线,再次激发阶段气压场呈“跷跷板”型的中尺度扰动,即由前置中低压和后置中高压组成,最强的对流带位于中低压和中高压之间的过渡区内;边界层辐合线是第一类中尺度对流系统（MCSl）维持的重要因素;MCSl爆发后边界层冷池生成,冷池前的冷出流与低层环境风产生的强辐合触发了第二类中尺度对流系统（MCS2）;存在于中低压和中高压之间的中尺度干线是MCS2的重要特点之一。     

北京地形和热岛效应对一次β中尺度暴雨的作用

针对2010年7月9日北京地区一次典型的β中尺度暴雨过程,利用常规天气观测资料、地面加密自动站资料、风廓线雷达数据以及VDRAS（Variational Doppler Radar Analysis System）提供的精细化分析资料,研究了本次过程中地形、热岛效应以及两者相互作用对暴雨的影响。研究表明：地形的抬升作用对暴雨有明显的增强作用,降水过程中有地形雨带的生成;降水前城区热岛效应明显,由此造成的风场垂直切变和边界层辐合为β中尺度系统提供了有利的触发和加强条件,边界层辐合线的位置对暴雨落区有一定的指示意义;降水在西部山前城区发生后低层偏东风与降水之间形成了明显的正反馈,是β中尺度暴雨得以维持和发展的重要机制。     

一次突发性暴雨的机理分析及短期预报思考

2015年9月4日白天,天津出现突发性暴雨过程,利用多种观测资料对此次过程进行分析,结果表明:偏南气流与高压底部东北风相遇,在蓟州山区以南形成辐合,触发雷暴发展;雷暴形成后,回波形成"后向传播"机制,配合中低空的南风脉动,在天津北部形成南北向的"列车效应",导致北部强降水的发生;上游的高空槽降水在近地面形成冷池,其向东辐散气流与偏东风相遇,在降水区下游触发新的雷暴,使得雨带快速东移,且当辐散气流与偏东风相遇后,出现小尺度辐合性气旋式环流,导致下游强降水增幅;当高空槽降水云团主体移过城区后,在γ中尺度辐合流场作用下,触发小尺度对流云团的生成和发展,影响天津城区再次出现强降水。在短期预报过程中,预报员在大尺度模式环境场分析的基础上,对于中尺度模式仅参考了其降水预报,而忽略了对中尺度环境场的分析,分析表明,虽然中尺度模式对此次过程的降水时段预报存在偏差,但其中尺度环境场预报,可以为此次暴雨过程在短期时效内(24h)的预报订正提供参考。     

海风锋在渤海西岸局地暴雨过程中的作用

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、多普勒雷达观测资料及中尺度TJ-WRF模式输出资料,对2009年7月6日天津宁河地区出现的暴雨天气过程进行了分析,重点分析了渤海湾海风锋对沿岸局地暴雨的触发机理。结果表明：此次局地暴雨过程是在有利天气背景条件下发生的,暴雨发生地存在局地层结不稳定和较好的水汽条件。海风锋本身有一辐合抬升区,区域内有弱对流存在;当海风锋移到局地存在层结不稳定且水汽充足的区域,其抬升区的辐合上升运动迅速加强,从而触发该地区雷暴的新生发展;海风锋与迎面移来的雷暴相遇,会对雷暴的加速发展起到加强作用。利用中尺度WRF模式输出资料进行分析看到,两条辐合线相交处易激发出强雷暴,雷暴出现在近地层大气暖干区的北端、湿空气的交汇处;海风锋对雷暴的新生发展有明显的触发抬升作用。     

一场突发性局地大暴雨触发作用的分析和探讨

利用多种非常规高时空分辨率观测资料并结合ERA5(ECMWF Reanalysis V5)再分析资料,分析了2019年6月2日长春市区的一场突发性局地大暴雨的中尺度特征,结果发现,低层或高层冷中心、暖湿气流和冷池出流三者之间不同的相互作用是该过程两段不同强度降水产生的根本原因：第一时段降水较强,并伴有强雷电和冰雹,700 hPa附近较弱冷中心在低层偏南风急流作用下北移至长春站北部并叠加在高层强冷中心之下,其下沉气流在边界层顶附近受该处降水形成的冷池和冷锋后部冷平流阻挡向南回流,冷池出流强度增强并在长春站附近迫使强暖湿气流抬升,长春站上空层结不稳定性加强,当上游对流云团东移至该地时强烈发展,回波强度超过60 dBZ,后向传播作用形成东西向线状对流,列车效应显著;第二时段降水相对较弱,仅伴有雷电,长春上空中低层仍为暖平流控制,高层冷空气继续加强并南压,其下沉气流在边界层顶附近受低层急流作用向北辐散,冷平流较强并与第一阶段强降水产生的冷池出流(较弱冷平流)在长春站附近辐合,迫使其低层相对较暖的气团抬升,700 hPa以下转为垂直上升运动,对流云团移至该处再次发展并与周围对流云团合并形成线状对...     

城市化对太原暴雨变化的影响

利用太原1981—2016年城市化发展与7个国家气象站降水资料、59个区域气象站2008—2015年气温、降水资料,分析了城市化与暴雨时空分布变化的关系及其影响机理。结果表明:(1)近36 a来,太原暴雨具有明显的局地性和年代际特征。太原单站暴雨日数占总暴雨日数的61. 4%,1990年代较1980年代局地暴雨日数增加较快; 1990年代中期以后,区域性暴雨的日数快速增多,范围扩大。1980—2010年代,城区暴雨明显多于县区,降水时间更集中,且城区暴雨东、西部存在明显差异。(2)太原城市化各项发展指数与短时暴雨发生频次均存在显著正相关,而城市人口增长和空间的扩大使得暴雨显著增多。(3)城市化使中心城区成为明显的热岛,城郊间的温度梯度增大。城市热岛的存在,使中心城区大气层结较其他区域更加不稳定,热力强迫在城区产生的中尺度热低压或边界层辐合线有利于触发强对流,从而产生短时暴雨。另外,在天气尺度背景下,热岛平均扰动场通过与偏东风(盛行风)相互作用,使得边界层平均热力稳定度在城区东部减小、西部增加,太原三面环山的地形结构强化了城区与山区间的温度梯度,使得城区东部雨强加大、短时暴雨易发。城市摩擦效应通过延长天气系统在城区滞留时间,也增大了城区暴雨的发生概率。     

双雨带过程中的回流暖区暴雨个例对比研究

利用常规观测资料、NCEP 1 °×1 °FNL资料、自动站降水资料,对华南两次双雨带过程中的回流暖区暴雨个例进行了对比分析,结果表明:(1)与暖湿的南到西南气流相比,变性高压脊后部回流的东到东南气流具有一定干冷属性,边界层两支不同性质的气流汇合形成辐合渐近线和边界层锋区。回流暖区暴雨实际是先有回流、预先在东侧形成浅薄的冷池,后有高空槽加深东移、带来边界层西南风,与东南风辐合,形成低层辐合抬升条件,西南风暖平流使边界层锋区加强并缓慢东移,产生的暴雨。回流和高空槽均起到关键的作用;(2)回流暖区暴雨区域在边界层内具有弱对流性不稳定或湿中性层结、而在中低层具有明显对流性不稳定,其发生发展机制有别于锋前暖区暴雨和典型锋面暴雨;(3)边界层较大水平螺旋度与回流暖区暴雨有良好对应关系,对回流暖区暴雨预报有指示意义,是回流暖区暴雨区别于锋面暴雨的重要动力学特征;(4)回流暖区的水汽输送主要集中在850 hPa以下,以925 hPa最显著,北侧锋区的水汽输送主要集中在850~700 hPa;南北两支雨带低层的水汽输送通道可能存在部分重合,当南侧暖区雨带的对流发展起来后,部分水汽可能被南侧辐合系统截留,从而影响北侧的水汽输送强度。这可能是导致北雨带降雨强度不如南雨带的一个原因。      

2017年“5.7”广州特大暴雨的中尺度特征分析与成因初探

2017年5月7日发生在广州北部的特大暴雨,局地性强,最大雨强达184.4 mm/h,3 h雨量突破了广东省历史极值,强降水持续时间长,具有明显的中尺度特征。特大暴雨有A区（花都）和B区（增城、黄埔）两个中心,它们在降水特点、地面中尺度特征及触发、对流的发展演变等方面各有特点。由于天气尺度强迫背景弱,数值模式无明显反映,给预报带来了很大的挑战。利用常规及加密自动站、多普勒雷达、风廓线、地基GPS等非常规观测资料,结合ERA-Interim 0.125 °×0.125 °逐6 h再分析资料重点分析和讨论了此次过程的中尺度特征、对流的触发与演变,以期为今后这类暴雨预报提供着眼点。结果表明:（1）此次过程突发性强,降水强度大,A区降水开始时间早,范围较B区小,但B区小时雨强更强,强降水持续时间更长;（2）次天气尺度边界层“7”字型的风压场形势下,脊后回流并加强的偏南风使暖层和湿层增厚,“下密上疏”的温度垂直结构,为强降水的发生提供了有利的环境条件。进入对流云中水汽质量无异常但产生了大量降水,极高的降水效率很可能是对流系统内部云水高效转化的结果,云的微物理过程在形成此次高强度的降水发挥着重要作用;（3）A区强降水发生前暖空气在山前堆积造成升温升压,东、西两支绕流广州城区的气流汇合并在工业区暖中心、山前暖空气堆积具有较高的对流边界层位置触发了对流;（4）B区强降水发生前持续降压并形成中尺度低压槽,A区中尺度对流系统前方入流造成的负变压,与地形强迫造成的风速辐合共同作用触发了B区对流。中尺度反气旋底部的偏北风与偏南、东南两支气流辐合稳定,使强降水长时间维持;（5）回波具有后向传播,垂直顶高低、质心低的热带对流回波特征,降水效率高。降水的拖曳下沉及蒸发冷却使边界层形成冷池,并与前侧暖湿空气相互作用,不断激发新的对流,冷池出流是持续抬升机制,是强降水持续时间长的重要原因。B区冷池厚度、暖湿气流爬升的高度与坡度比A区更大,冷池出流与暖湿气流辐合强度也比A区更强,造成B区雨强更强、持续时间更长,累积雨量更大。      

用多普勒雷达资料对一次区域性暴雨的中尺度分析

利用多普勒雷达资料,对2006年6月2日夜间出现在陕西中部和北部地区的区域性暴雨过程进行分析。结果发现:低层暖湿急流和弱冷空气相互作用产生的两条中尺度辐合线是这一地区出现大暴雨的主要影响系统;低空东南急流为降水区提供的大量的水汽和不稳定能量堆积,在弱冷空气的触发下释放,是产生大暴雨的主要原因;低空急流的输送方向与中尺度辐合线的移动方向,决定了未来辐合线的发展状态;低空急流的日变化引起了暴雨夜发性。     

安徽北部一次局地特大暴雨过程的中尺度特征分析

利用NCEP 0.25°×0.25°再分析资料、自动站加密观测资料、卫星和雷达资料,对2018年6月27—28日安徽北部出现的一次局地特大暴雨过程进行特征分析,结果表明:(1)此次特大暴雨过程发生在冷涡后部的大尺度天气背景中,低槽具有前倾结构,环境场提供了充足的水汽和能量条件;(2)降水具有低质心暖云降水特征,后向传播、低槽移动缓慢和引导气流弱是导致降水长时间维持的主要原因;(3)雷暴高压的地面出流和环境西南风的辐合导致的边界层中尺度辐合线是对流的主要触发、维持和增强机制,与对流风暴主体靠近时边界层中尺度辐合线触发、维持和增强作用强,远离对流风暴主体时作用减弱;(4)边界层中尺度辐合线的位置与等温线密集带暖侧保持一致,对流单体主要在其冷侧新生或发展增强,强降水中心位于雷暴高压冷中心附近;(5)位于风暴后部的边界层中尺度辐合线呈准静止状是造成后向传播长时间维持,进而强降水持续降落在安徽北部地区的重要原因。     

地形、冷池出流和暖湿空气相互作用造成北京一次局地强降水的观测分析

利用地面和探空常规探测资料、多普勒天气雷达以及风廓线雷达资料,对2015年8月7日发生于北京的一次伴随有闪电和冰雹的突发性局地强降水过程的成因进行了分析。结果表明:这次过程发生在强层结不稳定环境中,对流层中层低槽配合低层切变线,促进河北西北部对流发展,并向东南方向移动,形成北京西北部短时强降水;北京中部地区强降水的直接制造者则是新生的局地性雷暴单体,由雷暴冷池出流和暖湿空气在边界层交绥和辐合所触发。北京西北部地形促使冷池出流下山速度加快、冷池出流高度抬高,以及偏东暖湿气流的辐合抬升作用,则是局地雷暴新生的重要影响因子。     

具有“双对流云线”特征的北京局地暴雨初步分析

2009年7月13日北京出现了一次罕见的有双“对流云线”现象的局地暴雨,对此记载并主要采用雷达资料四维变分同化系统(VDRAS)得到的分析场资料进行了初步分析,结果表明: 在高空槽、低层风场辐合的有利天气尺度背景下,在北京西南部与河北交界处,由于地形作用首先出现数个对流单体;同时由于北京城区南部存在伴随中尺度风场辐合的温度梯度带,为单条对流云线的形成提供了重要条件,因而出现了对流单体呈东东北-西西南走向线状排列的形态,单条对流云线形成。在出现单条对流云线后,强降水开始发生,对流云线两侧由于强降水产生的边界层冷池出流与环境场风场形成辐合,其中南侧出流与环境场的偏南风产生狭长辐合线,北侧出流与附近雷暴冷池及雷暴高压产生的西北气流产生辐合,同时这两条辐合线阻挡削弱了环境场对原对流云线的能量和水汽输送,从而原对流云线减弱消失,在其两侧新生出两条新的对流云线。在对流云线两侧冷池出流附近,如果环境场存在较强的温度梯度、湿度梯度以及风场辐合,则可以激发出走向与环境风场垂直相交的两条平行分布的对流云线。伴随较强垂直上升速度的边界层辐合线对对流风暴的新生有显著的动力学指示意义,时效约30～60 min。