近10年北京地区极端暴雨事件的基本特征

利用北京地区5 min间隔的自动气象站降水观测资料,SA雷达观测资料、FY-2卫星TBB(Temperature of Black Body)资料、常规气象探空资料和1°×1°NCEP/NCAR最终分析资料,对2006—2013年发生的10次极端暴雨事件(14个区(县)中,任意一个区县代表站24 h内降水量≥ 100 mm,且暴雨区内至少有一个自动气象站降水强度≥ 40 mm/h)的基本特征进行了对比分析。结果表明:(1)长生命周期的单体或多单体组织合并的中尺度对流系统(第Ⅰ类中尺度对流系统)形成的暴雨中心一般位于北京西部山前地区或中心城区,这种分布与低空偏东气流的地形强迫作用或城市强迫作用有关;"列车效应"对应的多单体中尺度对流系统(第Ⅱ类中尺度对流系统)形成的极端暴雨事件往往与两次不同属性的降水过程有关:锋前暖区对流过程和锋面附近的对流过程。因此,降水分布往往平行于低空急流轴或锋面。(2)第Ⅰ类中尺度对流系统形成的极端暴雨过程局地性更强,全市平均降水量远小于暴雨量级(50 mm),其中,由混合型降水主导的极端暴雨事件一般是由几乎不移动的长生命周期单体反复生消造成的,对流高度相对较低;而深对流主导的极端暴雨事件一般由多单体组织、合并、加强造成,由于对流单体的上冲云顶很高,最低TBB一般低于-55℃,这类极端暴雨事件的短时强降水具有显著的间歇性:第一阶段的强降水与单体对流发展过程对应,以后的短时强降水与对流单体组织、合并过程对应。(3)"列车效应"对应的多单体中尺度对流系统暴雨过程,初始阶段一般表现为相互独立的两个对流带,即与锋面系统对应的对流带和与低空急流轴对应的暖区对流带,随着锋面对流带逐渐向暖区对流带移动,低空冷空气逐渐侵入到暖区对流带中,两条对流云带逐渐合并,对流活动进一步发展;或者由于暖区对流带截断锋面对流带的水汽入流,造成锋面对流减弱,而暖区对流带组织性更强,发展更加旺盛。与第Ⅰ类中尺度对流系统形成的极端暴雨过程不同,这类暴雨过程往往造成全市平均降水量达到暴雨(≥ 50 mm)甚至大暴雨(≥ 100 mm)。(4)不同类型的极端暴雨过程,大尺度水汽输送条件不同:"列车效应"造成的暴雨过程多数情况下由源于孟加拉湾和源于西太平洋的两支暖湿季风气流共同构成,大尺度水汽供应充沛;而第Ⅰ类中尺度对流系统中的混合型降水造成的暴雨过程的水汽来源主要与低空东南气流造成的近海水汽输送有关;第Ⅰ类中尺度对流系统中的深对流主导的深对流暴雨过程中整层水汽含量并不大,多数情况下水汽输送仅出现在对流层低层甚至仅在近地面层内。(5)大多数情况下,无论哪类性质的极端暴雨过程,在强降水发生时刻,雷达强回波高度一般在4 km以下,仅有极个别时刻强回波中心高于5 km。极端暴雨过程中,环境大气对流有效位能(CAPE)的大小一般与对流发展高度(雷达回波顶高)具有较好的对应关系,但与强降水发生时刻回波强度、最强回波高度、降水强度的对应关系较差。     

一次副高阻挡型特大暴雨的中小尺度特征

该文利用常规及加密观测资料、NCEP再分析资料及FY-2G TBB资料,对发生在黔西南州2020年6月23—24日的特大暴雨过程进行了分析,结果如下:此次特大暴雨过程主要由地面弱静止锋触发黔西南北部不稳定能量的大量释放,配合高低空急流、南亚高压,强盛副高稳定维持在黔西南北侧,使得切变南压缓慢,再加上充沛的绝对水汽高效率释放配合外部强水汽辐合,共同造成了此次特大暴雨天气。低层辐合高层辐散及强垂直上升运动的特征在强降水发生前表现更为明显,暖式强切变向冷式强切变的转变、正涡度的增大均为局地特大暴雨提供了有力的动力条件,中高层锋面坡度加大、暖湿不稳定层结、能量锋区的南移加之能量的大量释放,为加大降水强度提供了有利的热力条件。地面风场辐合促使初始对流发展,与中低层切变叠加,加剧垂直运动发展,风场辐合出现时间基本提前于强降水时间,根据加密地面风场辐合区位置及其移动的路径可为推断下游强降水的落区提供参考;黔西南北部由于上坡及喇叭口效应,使得气流沿山坡辐合上升,山体使得山前低值系统移动缓慢,增大降水强度;晴隆紫马强降水集中在TBB低值区及云系发展阶段的梯度大值区(非消散阶段),MCS在黔西南维持时间达7 h。EC暴雨落区与实况更接近,但对大暴雨把握不足,华南中尺度对极端降水的把握明显好于其它数值模式。     

北方一次暖区大暴雨强降水成因探讨

2012年7月7日黄淮出现一次典型暖区大暴雨过程,降水持续时间长、强度大和强降水范围集中,中尺度特征明显。本文通过常规和非常规观测、NCEP分析资料对该次黄淮暖切变线引发的豫东北、鲁南和苏北等地大暴雨天气过程的成因进行探讨,结果表明:整层高湿环境有利于降低暖区暴雨对抬升条件的要求、提高降水效率和局地不断产生中尺度对流系统;低层垂直风切变和超低空急流在对流触发和维持中可能有重要作用;次天气及以下尺度的抬升条件,如地面辐合线、925和850 hPa切变和低空急流出口区的风速辐合等均可导致强降水,降水落区一般位于低层多层风速辐合的叠置区;暖区暴雨的雷达回波具有明显的后向传播、列车效应和热带降水型特点。     

梵净山东南侧夏季暖区暴雨中尺度系统演变与环境场特征个例分析

利用常规气象观测资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料、区域自动气象站资料与NECP/NCAR 1°×1°逐6 h全球再分析资料,对2016年7月3—4日梵净山东南侧暖区特大暴雨的中尺度系统演变与环境场特征进行了分析。结果表明:(1)该过程暴雨发生在副热带高压西北侧高空槽区、低层暖切变南侧、低空急流左前端及高空200 hPa分流辐散区,主要影响系统为500 hPa高空槽和850 hPa暖切变线,地面无明显冷空气影响,属贵州暖区极端暴雨。(2)此次暖区暴雨是由4个对流云团连续影响直接造成,强降雨出现在对流云团中心附近及其后侧云顶亮温(T_(BB))等值线梯度大值区。(3)暴雨由积状云为主的混合降水回波造成;暖云层和湿层深厚、低层水汽输送充沛、异常偏低的自由对流高度(LFC)和抬升凝结高度(LCL)及中等强度"瘦高"型对流有效位能分布,是形成高效率降水的有利环境条件。(4)梵净山对水汽向北输送具有阻挡作用,使水汽通量大值带和水汽辐合中心集中在其东南侧;边界层偏东风在山前转向南流与南来偏南气流在暴雨区形成东西向稳定中尺度辐合线,对流在辐合线附近触发、合并、加强和东移是造成特大暴雨的重要原因;迎风坡和喇叭口地形的中小尺度动力强迫有利于边界层水汽输送和抬升凝结。     

四川盆地西部两次暖区暴雨过程分析

利用地面、高空观测资料、卫星和多普勒雷达资料、ERA-Interim再分析资料,对2012年8月17日(12·08)和2017年7月16日(17·07)四川盆地西部两次暖区暴雨过程的环境条件、中尺度对流系统、雷达回波特征和动力抬升条件等预报着眼点进行了对比分析。结果表明:两次过程均出现在低层偏南暖湿气流和地面热低压之中,12·08暴雨发生在副高边缘,水汽输送条件更好,对流持续时间更长,17·07暴雨发生在高空低涡切变后部,高层冷平流使得位势不稳定更强,对流强度更剧烈;12·08暴雨中尺度对流系统沿副高外围自南向北缓慢移动,具有明显列车效应,其强回波质心高度较低,属于积状云为主的混合性降水,17·07暴雨中尺度对流系统在高空低涡后部偏北气流引导下自北向南快速移动,其强回波质心高度较高,属于积状云降水;地面辐合线为对流的发生发展提供了较好的动力触发条件,两次过程强降水均随着地面辐合线的生成而发生,且强降水中心出现在中尺度辐合线附近,并随着辐合线而移动。     

京津冀一次罕见的双雨带暴雨过程成因分析

2013年7月1日京津冀区域在副热带高压北抬、偏南低空急流加强、高空槽东移的环流背景下,出现了一次罕见的降水强度大、持续时间长的双雨带暴雨过程。利用常规观测、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料和多种加密观测以及雷达变分同化分析资料等对此次暴雨过程的成因和中尺度特征进行了分析。结果表明:南北两支暴雨带的形成机制和中尺度过程有显著差异,但是双雨带在形成与维持过程中也有相互促进作用。南支暴雨带发生于西南暖湿气流加强的环境下,对流不稳定层结显著、整层湿度大;强降水是在暖式中尺度辐合线的触发和组织下由中尺度对流复合体产生的,雷达回波具有明显的"列车效应"和后向传播特征,属于深厚的暖区湿对流暴雨,雨强和累积雨量极大、中尺度特征明显;地面辐合线及中尺度涡旋的位置决定了雨带和特大暴雨中心的位置,强降水产生的冷池出流和偏南暖湿气流形成的温度梯度最大区域指示了强回波的传播方向。北支暴雨带是在冷式切变线和低空低涡的影响下,由切变线云系形成的多单体回波带造成的;不稳定能量条件比南支暴雨带差,但是高低空系统耦合作用产生的上升运动强,中层的干冷侵入形成了明显的θse锋区,属于锋面对流系统,同时地形对降水有显著的增幅作用,多种因素综合作用造成雨强相对较弱,但是降水持续时间长,暴雨区面积大;过程中低空低涡的移动路径与强降水的落区和雨带的位置有较好的对应。南支暴雨带暖区降水后边界层形成的偏东风不仅为北支暴雨带提供水汽输送,而且在太行山前的地形抬升作用促使了强对流单体的发生发展,增强了北支暴雨带的降水强度,而太行山前强对流降水造成的冷池促进了地面中尺度涡旋的形成,造成南支暴雨带后期强对流回波的合并和降水的再度加强。     

低空暖式切变线引发局地特大暴雨成因分析

利用常规观测、加密自动站降水及NCEP 1°×1°再分析资料,结合铜仁多普勒雷达观测资料对2015年7月14日夜间发生在贵州省松桃县的一次局地特大暴雨进行分析,结果发现:此次局地特大暴雨是发生在中层500 h Pa中低纬"ω"环流型稳定形势下;低层高湿高能环境为暴雨提供了充足的水汽和能量;地面弱冷空气入侵激发了对流的产生,是产生强降水的触发条件;梵净山地形对气流既有抬升又有增强气流辐合的作用,对流单体不断在其迎风坡产生;雷达回波显示对流回波单体沿着地面中尺度辐合线生成、发展、合并、移动和消亡,出现了明显的列车效应,地面辐合线对对流单体起着组织、加强和引导作用;暴雨区位于850 h Pa暖式切变线南侧、地面冷锋前部、地面中尺度辐合线北侧,而地面中尺度辐合线北侧1~1.5个纬距内是强降水的主要落区。     

河北盛夏2次大暴雨过程对比分析

利用常规天气资料、NCEP再分析资料、地面区域站和多普勒天气雷达资料对比分析了2012年7月21~22日罕见特大暴雨和2011年7月24日大暴雨的天气形势、水汽条件、动力条件以及中尺度影响系统。分析发现:这2次暴雨过程都是低槽冷锋类暴雨过程,中尺度影响系统也基本相同,降水效率相当,但降水极值和暴雨范围相差很大;充足的水汽输送、强的动力条件和高降水效率是2012年7月21~22日极端降水的原因之一,河北中部长达6 h列车效应是这次极端降水的关键原因;低层θse锋区和切变线南侧急流的有利配置是造成河北中部列车效应的关键原因,是低槽冷锋类暴雨强降水持续时间和能否出现极端降水的预报着眼点之一;锋面前侧的地面中尺度辐合线是主要中尺度影响系统,强降水落区沿地面中尺度辐合线分布,根据地面中尺度辐合线的演变预报暴雨的落区比依据低层低涡东南象限预报暴雨落区更精确。     

一次东北暖锋锋生暴雨的中尺度特征分析及成因初探

使用常规观测资料、卫星云图、雷达回波资料、自动气象站降水量以及0.25°×0.25°的NCEP/NCAR再分析资料,对2017年8月1日发生在黑龙江南部的暖区暴雨过程的中尺度特征及成因进行了分析。结果表明:暴雨发生在副高加强西伸北抬及有台风活动的背景下,副高外围的水汽输送为暴雨提供了充沛的水汽条件;低层西南风的增大导致暖锋锋生,暖锋的辐合抬升作用加强,造成较大范围的暴雨天气;锋生区附近存在CSI,锋生作用及CSI的释放,加强了沿着锋面倾斜向上的斜升气流及锋面次级环流,CSI导致的斜升气流的发展进一步触发对流不稳定,导致大范围的垂直上升运动,降水显著加强;暖锋云带内部探空分析显示大气处于不稳定状态,有利于以短时强降水为主的对流发展。暴雨是由云团的后向传播造成的,强降水以暖云降水为主,降水效率高,雨强大,暖锋稳定少动,由暖锋锋生所致的对流单体在同一区域重复新生,并沿暖锋自西向东传播,形成列车效应,暴雨中心一直有最大反射率因子超过45 d Bz且降水效率高的强回波活动,持续时间超过4 h,导致强降水持续时间长,降水累积量大。     

江淮地区两类低涡型暖式切变暴雨的中尺度特征分析

为探究江淮地区低涡型暖切变暴雨的中尺度特征,利用常规观测资料、自动站加密观测资料以及FY-2E卫星云图和NCEP/NCAR再分析资料等,针对江淮地区两次不同类型的典型暴雨过程进行对比分析。其中,"稳定型"过程降水持续时间长、范围广,而"东移型"过程降水相对集中,持续时间短、雨强大。结果表明:(1)两次降水均发生在高空槽和低层暖切变影响下,"稳定型"系统少动,而"东移型"的500 hPa低压槽和低空低涡向东移动发展,与地面中尺度低压相对应,且中低层辐合较强。(2)"稳定型"对流组织形式为"前向次第发展",对流系统结构相对松散,而"东移型"对流组织形式为"后向次第发展",对流系统组织化程度较高。(3)两次暴雨过程均发生在整层高湿环境中,低空急流对水汽输送起关键作用,降水主要位于西南急流轴前部的风速辐合区。其中,"稳定型"水汽主要输送能力体现在850 hPa上,稳定形势下的持续性水汽输送有利于形成较大范围的强降雨;"东移型"西南低空急流风速相对较强,降水后期有活跃的超低空东南急流,两支急流共同作用有利于局地出现更集中的降水。(4)两次过程中,低空西南与东南风的风速辐合形成明显的中尺度抬升条件,且"东移型"比"稳定型"的外力抬升条件更好。强降水多位于地面辐合线附近,对应的中尺度风场辐合线是触发对流的有利条件,对短临降水落区预报有一定指示意义。     

对流温度在北京夏季局地热力对流云分析中的应用

利用北京近郊地区南苑机场1990-2000年6-8月观测资料,分析了北京夏季对流云出现日数、出现时间、云底高、生命史等基本特征;利用北京站1995-2000年6-8月常规探空资料,分析了北京夏季对流温度和对流凝结高度的特征,尝试用对流温度预报对流云的出现,用对流凝结高度预报对流云的云高。结果表明:对流温度在局地热力对流云的预报中具有一定的指示意义,对流凝结高度能在一定程度上反映出对流云的云高。有对流云时,对流温度与实测温度之差在4℃以内的,占对流云总数的80%。在对流温度与实测温度之差≤4℃的有对流云日内,对流凝结高度与实测对流云云高之差90%以上都是在1200m以内,500m以内的也达到了53%。     

华南雷暴大风天气的环境条件分布特征

利用中国气象局提供的观测资料研究了2010—2014年华南雷暴大风和普通雷暴的空间分布特征,并将华南春夏两季雷暴大风和普通雷暴的大尺度环境条件进行对比。结果表明:研究的华南区域08—20时(北京时)夏季雷暴大风略多于春季,而普通雷暴夏季样本数约为春季的3.6倍,雷暴大风主要发生在粤西到珠江三角洲地区。相比于普通雷暴,雷暴大风天气发生的环境条件具有更强的条件性不稳定,斜压性和动力强迫更强。春季雷暴大风发生时环境中的大气可降水量和中高层湿度均比普通雷暴更大,而夏季反之。华南春季雷暴动力条件明显优于夏季,而夏季热力强迫的作用大于春季。     

西南低涡对流云团及其降水的一些特征

基于FY-2C静止卫星红外和水汽通道资料,简单分析了发生在四川盆地的西南低涡暴雨云团生消过程,给出了一些有意义的云团生命特征。同时,结合相应的地面自动站降水资料,详细分析了卫星红外和水汽通道云顶亮温与对流云团降水之间的关系特征,结果表明:对于一完整对流降水过程,1小时内最低水汽亮温和水汽亮温增量能很好地描述地面1小时累计降水特征。然而,用静止卫星红外或水汽通道亮温来表征的云团降水特征是非常复杂的。尽管具有相同的最低云顶红外或水汽亮温,但对不同的对流过程其总体降水量级趋势不一样。而且,对于同一对流过程的不同发展阶段,即使出现云顶红外或水汽亮温一样,但其地面降水特征也是不一致的。甚至是对于同一时刻具有相同最低红外或最低水汽亮温特征的云,其降水落区与量级都不尽相同。正是这些复杂的降水特征,使得西南低涡对流云团的降水估算具有很大的难度。     

夏季青藏高原上的对流云和中尺度对流系统

运用1998年6～8月逐日逐时日本地球静止气象卫星(GMS)红外辐射亮温资料,计算和分析了青藏高原及周边地区对流云和中尺度对流系统的活动,揭示了它们形成和发展的月际变化和地理分布、强度、日变化、移动和传播等诸多特征,以及与长江流域暴雨过程的关系.     

对流边界层中泡状结构的大涡模拟研究

本文提出“连续垂直运动区”的概念，对边界层中的对流泡状运动进行了重新定义。由此将对流边界层划分为上升泡区、下沉泡区和环境气流区，并利用大涡模拟提供的对流边界层数值模拟结果研究这种泡状运动的结构。研究结果较好地解释了一些有关泡状运动结构方面的似乎相互矛盾的观测事实，并揭示了对流泡状运动的一些新的特征。     

一次引发强降水的热带低压对流云团的多尺度特征分析

利用每10分种一次地面自动站常规观测资料,以及每5分钟一次多普勒天气雷达和每小时一次卫星等非常规资料,对一次造成上海地区特大暴雨的热带低压对流云团的多尺度特征进行分析,取得主要结果：（1） 本次暴雨过程由三次强降水造成,每次强降水都由?和?中尺度雨团构成,表明引发强降水的热带低压对流云团内部的多尺度特征;（2） 热带低压对流云团在上海地区的维持和加强是由其移动方向右后侧的?和?中尺度对流单体不断新生、发展和合并的结果,这一过程对应于雷达强回波带的新生、发展和合并现象;（3） 自动站风场分析出中尺度辐合线的位置和强度与中尺度雨团的落区和强度对应,雷达基本反射率和径向风资料进一步证实了气流辐合区是对流单体生成的区域。     

云南对流性大风天气的潜势预报及雷达回波特征

为提高云南省对流性大风短时临近预报水平,使用历年大风日数和上百个对流性大风个例的探空、雷达资料,分析了T lnp图、对流参数和雷达回波特征,总结提炼云南省对流性大风的预报预警指标。结果表明,非对流性大风和对流性大风具有不同的时空分布特征。非对流性大风受大尺度系统影响,主要出现在冬春季节,滇东、滇中和滇西北影响最重。对流性大风多受中小尺度系统影响,主要出现于夏季,呈现局地性特征。对流参数、T lnp图在对流性大风的潜势预报中有一定指示意义。雷达产品在对流性大风的临近预报中有较好的反映。回波顶高和垂直累积液态水含量在对流性大风发生前和发生时的跃变特征是预警对流性大风发生的关键因子,可提供6~12 min的提前预警时间。     

通辽市一次强对流天气的环流背景和雷达回波分析

利用常规天气资料和新一代多普勒天气雷达资料产品,分析了2009年7月16日通辽市开鲁县、奈曼旗、科左中旗、科尔沁区遭受雷电、龙卷风、冰雹袭击的天气过程。结果表明：低层有较强的西南气流提供了丰富的水汽条件,中高层有弱冷平流,形成了不稳定的大气层结,为强对流的发展提供了有利的天气背景。同一条对流云带上的两个对流云团合并,在合并处有更强的对流云团,甚至龙卷发生。回波顶高度与反射率因子的强度有一定的对应关系,通常情况下回波顶高度越高,则反射率因子的强度越大,对流越强,发展越旺盛。     

Organizational Modes of Severe Wind-producing Convective Systems over North China

Severe weather reports and composite radar reflectivity data from 2010–14 over North China were used to analyze the distribution of severe convective wind(SCW) events and their organizational modes of radar reflectivity. The six organizational modes for SCW events(and their proportions) were cluster cells(35.4%), squall lines(18.4%), nonlinear-shaped systems(17.8%), broken lines(11.6%), individual cells(1.2%), and bow echoes(0.5%). The peak month for both squall lines and broken lines was June, whereas it was July for the other four modes. The highest numbers of SCW events were over the mountains, which were generally associated with disorganized systems of cluster cells. In contrast, SCW associated with linear systems occurred mainly over the plains, where stations recorded an average of less than one SCW event per year. Regions with a high frequency of SCW associated with nonlinear-shaped systems also experienced many SCW events associated with squall lines. Values of convective available potential energy, precipitable water, 0–3-km shear, and 0–6-km shear, were demonstrably larger over the plains than over the mountains, which had an evident effect on the organizational modes of SCW events. Therefore, topography may be an important factor in the organizational modes for SCW events over North China.     

一次对流云团合并的卫星等综合观测分析

利用FY2C卫星观测反演得到的云物理特征参数,结合雷达、微波辐射计和地面雨量等资料,综合分析了2008年7月17日中国安徽一次强降水过程的云合并特征。结果表明：对流云团发展合并是这次强降水发生的主要原因,同一区域内FY2C卫星反演的云光学厚度、雷达回波以及地面降水的分布演变具有较好的一致性,强降水落区与云光学厚度大值区以及雷达强回波区基本对应;对流云团中的液水分布不均匀,以团块状结构为主,对流云团合并时,常先有云体上部（云顶）的合并,一旦云中不均匀的液水合并,合并部位的云光学厚度迅速增加,地面微波辐射计观测的整层液水含量跃增,地面将会出现强降水;一般降水增强之前云顶抬升,光学厚度增大;若云顶高但光学厚度较小时,地面降水一般不明显,光学厚度与降水的关系更密切;对流云团合并初期,云底由小粒子组成,T-re图上表现为深厚的凝结增长区域,合并时整层云粒子的有效半径增长明显,粒子相态达到混合相态区和冻结层的温度不断升高。