风廓线仪在中尺度试验中的应用

1985年5—6月期间,在堪萨斯和俄克拉何马中心进行了一次研究中尺度对流系统(MCSs)的试验,在试验过程中使用了许多大气科学领域内最新的测量技术。其中有3台50 MHz风廓线仪。通过初夏发生在美国高原上强对流环境下的两次飑线系统描述了廓线仪的性能。6月10—11日的飑线比较强烈和有组织;6月26—27日的飑线系统不太紧密。对于较强的天气,在飑线经过的前后时期,两个廓线仪都提供了很好的时间-高度范围内的水平风,但是当强对流线正在当地上空时不能很好地观测。相比之下,诺曼的廓线仪较好地提供了整个弱系统持续时间内的水平风资料,虽然有几个与廓线仪性能无关的数据失测。由风廓线及无线电测风资料证明两个飑线系统的中尺度结构相同。例如,在飑线后中层后部人流下有强烈的逆转风廓线,在飑线前面低层为顺转风廓线。在两个飑线系统的层状云区廓线仪比无线电探空测风仪探测的范围更完全些。但一个重要的问题是,50MHz廓线仪无法探测到地面以上1.5到2.0km的风。     

华北飑线系统的结构与演变特征

1983年6月27日有一次飑线群影响华北、华东地区的七个省市。本文利用天气雷达、卫星云图、高空探空测风和地面加密观测等资料,对飑线系统的结构与演变作了综合分析。飑线群由四个飑线系统组成,它们相继发生发展组成一次影响范围大、持续时间长的强对流天气过程。 本文提出了华北地区飑线系统生命史的中尺度天气模式,包括组织、扩展和消散三个阶段。生命史总共3—5小时。在组织阶段,几个孤立分散的对流单体组织成一条对流带——飑线。在扩展阶段,对流带扩展成一个中尺度对流系统——飑线系统,它包括系统前缘的飑线和后部不断扩大的砧云     

东北冷涡过程中的飑线分析

利用哈尔滨站的飑线资料和常规高空、地面观测资料,对冷涡过程中的飑线从天气尺度环流背景、大尺度动力条件和中尺度天气系统等几个方面进行了分析。结果指出：①飑线发生在冷涡发展较强阶段,②飑线发生在冷涡浊温压场结构不对称性较强的锋区上,③层结不稳定、低层水汽输送与辐合、强烈的上升运动等是必要的天气尺度条件,④地面上有明显的中尺度系统,⑤飑线发生时天气尺度动能明显向中尺度系统转换。     

一条具有宽阔尾随层状云区的中纬度飑线的中尺度结构

1985年6月11日,一条具有宽阔的尾随层状云区的强飑线经过美国堪萨斯—俄克拉荷马州的PRE-STORM中尺度网。本文应用由14个探空站得到的53个探空资料,对这条飑线在成熟价段和消亡阶展的运动学和热力学结构分别作了合成分析。分析表明,飑线系统有稳定的中尺度环流,一股由前向后的入流及一股由后向前的入流构成了环流框架。在对流区,高层辐散、低层辐合,整层上升。在层状云区,中层福合,高、低层分别为上升和下沉运动。雷达次级强回波区与层状云区高层的上升运动区相对应。在层状云区中低层有一气旋性涡旋。     

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。      

对两个飑线个例的数值试验

近年来随着观测手段的提高、计算机的发展以及中尺度试验计划的实施,中尺度数值模拟有了长足的进步。本文讨论了对1982年6月17日苏北飑线、1975年6月5日北京飑线所进行的数值模拟。限于计算条件,主要模拟飑线系统的产生及其机制。     

上海2004年7月12日飑线系统中尺度分析研究

利用上海地基单多普勒雷达观测资料反演2004年7月12日17—19时(北京时,下同)上海市一次飑线过程的水平风场结构,并用自动站观测的风场资料、卫星云图以及根据雷达回波和时间的连续性和径向速度的特征是否吻合等方面进行综合检验,结果表明反演风场可对飑线进行详尽分析提供可靠的高分辨率资料。在综合多种观测资料的基础上,对这次飑线过程的中尺度系统进行分析,结果表明:(1)这次过程是前倾冷锋前暖区3个主要的β中尺度对流单体和新生的小单体共同作用所致,这3个主要的β中尺度对流单体不是通常个例表现的线状排列,而是冷锋前的两个单体与相对方向的一个单体共同作用,在气团的边缘形成强烈风切变;(2)200多公里长的飑线是由具有独立结构的较小的对流系统串成。在飑线前部存在中尺度的气旋流场,飑线北部末端存在一个气旋流场,南部末端存在一个反气旋流场。而每个单独的弓状回波有自己独立的结构,包括弓状回波后部很强的辐散气流和飑前低压。文中给出了水平风场和回波的结构示意图;(3)在飑线出现以前,低空存在有利于不稳定天气产生的顺时针垂直风切变,而高层则是逆时针垂直风切变。此外,低层入侵的浅薄冷空气为飑线过程提供形成低层不稳定的又一有利因素;(4)飑线中对流单体的移动方向与低层风场方向存在夹角,与锋面云带整体向东移动的趋势也不同,但与1.5 km以上到4.5 km左右的西南气流方向相同,即整体向东北方向移动。这种特征可以对系统短时间移动方向的预报提供帮助。     

2005年北京城区两次强冰雹天气的对比分析

冰雹等强对流天气是北京夏季预报和服务的重点，针对2005年发生在北京城区的两次强冰雹天气，利用常规探测和自动站、雷达、风廓线等资料进行天气动力学和中尺度对比分析，结果表明：这两次冰雹天气在环流形势、局地气象条件和中尺度系统等方面有明显差异，5月31日的高低空急流配置、能量和风的垂直切变等更有利于强雹暴的发生；超级单体回波是5月31日北京城区降雹的直接影响系统，6月7日为典型的飑线天气过程，两次过程中雹云的发展演变、冰雹的落区与地面中尺度系统都有较好的对应；造成5月31日城区降雹的对流系统为中-γ尺度，6月7日为中-β尺度，因此5月31日冰雹天气的预警难度较大，今后需充分应用高时空分辨率的探测资料做好此类突发性天气的监测和临近预报。     

一次飑线过程的雷达回波分析与数值模拟

2003年4月12日, 一条飑线袭击了江西、福建、浙江三省, 所到之处出现冰雹、大风等强烈天气, 这次过程强度强, 影响范围大, 三省交界及附近区域有二十多个测站出现冰雹、大风, 冰雹直径有的达3 cm以上, 最大风速达32 m/s。该文利用建阳新一代天气雷达探测到的回波以及中尺度非静力数值模式 (MM5) 对这次过程进行数值模拟, 分析此次强对流过程。结果表明:雷达回波显示出飑线的带状强回波, 线状回波上呈现波型特征; 在数值模拟结果中看到在系统发生的带状区域内有多个中尺度涡旋存在, 在飑线内有中尺度涡旋簇和弓形回波。     

一次强飑线及飑前中小尺度系统特征分析

使用常规天气、灾情、自动站、卫星云图、雷达回波和风廓线雷达等资料,采用统计对比分析和特征提取等方法,对2012年4月10日强飑线天气系统进行分析和研究,结果表明:(1)此次强飑线是由若干个倾斜深厚对流单体所组成,具有紧密排列的回波带结构。(2)云图上表现为中尺度对流系统(MCS)结构特征,随着MCS东移降水冷却、西南气流输送暖湿空气和午后地面温度不断升高,地面开始形成温度梯度较大的温度锋区。(3)飑线形成前期,MCS南侧出现多条平行短带"梳状"回波特征,并在其南端不断产生对流单体回波,最后发展成飑线回波带。(4)飑线移动前方不断产生具有"前伸"、TBSS和假象回波结构的局地雹云超级单体回波群,这些飑前中小尺度系统是产生此次冰雹灾害的主要回波系统。(5)5 min风廓线雷达资料在前期阶段,能够观测到西南急流的演变情况,包括急流中的大风区。(6)当飑线系统临近时,受飑线中尺度环流的影响,飑线移动前方具有较强的上升运动,且伸展高度可以达到6000 m,但垂直速度、Cn~2和SNR都较小;当飑线系统过境时,具有很强的水平风切变,受到强降水的下曳作用,垂直速度、Cn~2和SNR都明显加大;飑线系统过境后,恢复到前期阶段。     

大气廓线综合探测系统及其应用技术

介绍了大气廓线综合探测系统——风廓线仪与RASS雷达的工作原理，并以具体实例来说明这种探测技术在国外高空探测领域中的广泛应用。它可以被用来推算湿度廓线，探测锋的热动力结构与垂直风结构，诊断热带地区行星边界层和降雨云系统。通过对中日科技人员2002年夏季在安徽省肥西县进行的中尺度天气观测试验资料分析，阐述了用风廓线仪和RASS雷达资料反演0．2～2．2km高度范围内湿度廓线的方法。     

“090603”强飑线过程动力结构特征的观测与模拟分析

利用各种观测资料和数值模拟结果,分析了2009年6月3-4日黄淮地区一次罕见强飑线过程的中尺度动力结构演变特征和发展机理.结果表明,在稳定的东北冷涡环境下,冷涡后部与短波扰动相伴的冷平流叠加于对流层低层暖脊之上,为飑线的发生构建了有利的大气不稳定层结;飑线的发生、发展与地面中尺度辐合线密切相关,两者相互依存、促进;飑线的移动对应着对流层低层水平涡管的传播.在传播过程中,水平涡管的倾斜会使垂直涡度向水平涡度转化,促进飑线的发展;在飑线发展的不同阶段,动力结构有显著的差异,发展成熟阶段的飑线结构具有较强的组织性,而当其减弱、消散时,动力结构逐渐松散,各因子间不再有密切的配合,其特定的对流组织作用就会不复存在.另外,在飑线的发展过程中,地面气压场呈明显的中尺度扰动特征,飑线后部产生的中尺度雷暴高压与风场的辐散中心相伴是地面大风形成的主要原因之一.     

陕北一次飑线过程的中尺度特征分析

使用常规探测资料、多普勒雷达资料以及自动观测站资料,对2009年5月16日陕西北部一次飑线过程进行分析,发现有利的环境条件是低层暖湿,高层干冷的不稳定层结,后方冷下沉气流表现明显;散度场具有双辐合结构,并且中层辐散强于低层辐合,从而促进地面低值系统发展,进一步加强垂直上升运动。飑线过程中尺度特征明显,雷达径向速度图上可以识别出中低空的中尺度辐合线,同时地面上与露点锋、中低压以及风场辐合线等中尺度系统关系密切。     

2013年7月31日京津冀飑线过程的数值模拟与结构分析

利用WRF (Weather Research and Forecasting Model)模式对2013年7月31日发生在京津冀的一次飑线过程进行了高分辨模拟,对比分析表明模拟结果和实况观测较为一致,因此,利用模拟结果分析得到的飑线结构和发展过程基本可信。模拟飑线系统的探空曲线再现了国外的研究得到的飑线系统具有的经典探空结构,如:层状云区接近饱和,尾流低压区具有"洋葱型"探空结构,以及尾流低压区之后与后方入流相联系的中层干区等。对该次飑线系统的风场、气压场进行的分析揭示出本次飑线过程在成熟阶段气压场呈"低高低"的不对称结构分布。其中,中高压有两个,分别位于飑线北部和中部的对流云区后方。尾流低压较弱,位于飑线中部层状云区后方。飑前低压位于飑线前偏南。飑线在成熟时期前方低层有一支入流,在飑线前部对流云区抬升后分为三支,分别向前方高层、后方高层和后方低层流出。同时后方中层有明显的后方入流,入流同时下沉到近地面辐散流出。对该次飑线的地闪特征进行的统计表明"起电层"中的冰相粒子混合比分布与地闪活动的特点可能有联系。本文的结果对于揭示华北飑线的中尺度结构具有重要参考意义,为进一步研究该次飑线的发生发展机理奠定了基础。     

黑龙江省一次飑线过程中尺度和雷达分析

正1引言飑线是由多个雷暴单体,可能包含超级单体,侧向排列而形成的线状对流系统,其水平尺度长一般由几十到几百公里、宽度最宽几十公里,持续时间较短,飑线的发生发展机制及其带来的天气特征一直是强对流天气预报研究的重要问题~([1]),关于飑线的触发机制和中尺度结构已有学者做了大量的研究。Fujita~([2-4])根据地面气压场和降水的演变,给出了飑线     

风廓线雷达资料在天气业务中的应用现状与展望

风廓线雷达是目前我国着重规划发展的垂直风廓线探测设备,其探测资料对天气预报预警具有重要价值。本文回顾了风廓线雷达资料在灾害性天气监测和预报中的应用,阐述了业务应用中存在的主要问题和未来发展的方向。风廓线雷达探测产品能够监测不同尺度天气系统的结构和演变,估计降水相态以及雨滴谱分布的云微物理信息,其提供的高空风资料进入快速同化系统和中尺度模式可以提高预报准确率,最后介绍了风廓线雷达单站和组网资料在强对流天气监测和业务中的应用情况,为预报员通过利用风廓线雷达资料了解天气系统的中尺度信息提供了一定的参考。     

东北冷涡对江淮飑线生成的影响研究

利用常规气象资料、自动站资料、卫星和雷达资料以及NCEP再分析资料,对近10年东北冷涡天气背景下强对流天气过程的物理机制和中尺度特征进行了分析,并重点分析了在东北冷涡背景下,2009年6月3、5和14日在黄淮和江淮地区分别产生飑线并造成大范围雷雨大风、冰雹等强对流天气。结果表明,在东北冷涡发展阶段,即温压结构不对称、大气斜压性强时,冷涡的西、西南、南至东南部容易发生雷雨大风、冰雹等强对流天气。在东北冷涡形势下,飑线生成时具备以下特征:(1)存在明显的中尺度气旋式环流,850 hPa、925 hPa和地面有辐合线或干线存在;(2)静力不稳定,中低层温度直减率大;(3)风垂直切变强,风随高度强烈顺转,400~500 hPa有西风急流存在,且与强对流天气的发生区域紧密相关;(4)伴随着飑线发展,在飑线后侧有显著升压,雷暴高压的强弱不仅指示了飑线发展的不同阶段,同时可作为地面大风预报的参考依据;(5)飑线的移动与对流回波的传播、出流边界和引导气流密切相关。     

利用风廓线雷达资料分析大理机场飑线天气过程的风垂直变化特征

飑线天气现象是航空气象中危险和复杂的天气现象之一,2018年大理机场出现两次飑线天气过程,利用风廓线雷达资料和航空气象地面观测资料,分析两次飑线天气过程的风垂直变化特征。结果表明:(1)在飑线天气过程开始前2～4 h,从底层到高层均出现明显的上升运动,飑现象开始前后,上升运动和下沉运动同时存在,为大气中垂直热交换过程提供了有利条件;(2)飑线天气过程存在垂直风的水平切变及垂直切变,反映了强烈的对流发展,发展到离地高度5000 m以上;(3)飑线天气过程存在径向速度突变增大、谱宽变宽和单波束径向速度折叠现象,说明本场出现的是风雨交加的强对流天气;(4)高空到地面存在湍流运动,能量交换频繁,气流紊乱。     

飑线群发展的若干特征

飑线,除了作为单一的对流性的中尺度系统外,在特定的天气形势下,还会同时出现多条飑线,我们称之飑线群。在卫星云图上则可以看到多个中尺度对流复合体(MCC),它们大多数是由许多对流单体组合而成的,其水平尺度可以到100—200千米。也有的是从一个对流单体发展为超级对流单体的。飑线群发生后,多数排列成一线,并向同一方向移动。有的飑线群排列不规则,移动方向也不一致。也有的飑线群由于两条飑线相近及其邻近环境相互作用,形成飑线的合流,在地面出现强烈的暴风区,造成严重的灾害。下面介绍两次发展不同的飑线群实例。     

2012年4月2日华东灾害性飑线大风成因分析

2012年4月2-3日华东地区出现8～11级灾害性大风,此次大风影响时间长,持续强度大,造成了严重的人员伤亡和经济损失。为探讨大风天气成因,运用传统的天气学方法和多普勒雷达等资料,对此次飑线大风过程产生的天气背景及中尺度发展演变特征进行了分析。结果表明,此次大风是由中尺度系统飑线和冷空气共同影响造成的。前期是在江淮气旋天气背景下,近地面激发出中尺度飑线系统,飑线经历了形成、发展、减弱三个阶段,在每个阶段,雷达强度图上的回波形状、强度、回波顶高,以及速度图上的逆风区、速度模糊等特征都与实况有很好的对应关系;在发展成熟阶段出现了冷湿雷暴高压和冷池,加剧了大风的发展和维持。后期大风主要是受冷空气影响产生。在实际业务工作中,传统的天气学分析方法和以多普勒雷达为代表的先进探测手段相结合,是监测和预警此类强对流天气的主要手段,能够在一定程度上弥补数值预报模式的不足。