“6.23”北京对流暴雨中尺度环境时空演变特征及影响因子分析

综合使用北京14时加密探空、常规观测资料、高时空分辨率资料等,针对2011年6月23日北京对流暴雨过程,采用基于构成要素的方法("配料法"),分析了暴雨发生前2~12 h北京中尺度环境的时空演变特征并探讨了变化原因,重点讨论了北京周围地区物理过程如何使得北京午后局地的中尺度环境更有利于对流暴雨的产生。结果表明:(1)在低层湿度平流(偏南水汽输送加强)和温度平流(出现温度直减率大值区和逆温)的共同作用下,北京午后的水汽在逆温层之下的低层积聚。(2)由于热力条件呈现出不均匀分布的特征,午后北京山前和城区具有最有利的水汽条件和不稳定条件。(3)早晨生成于河北西北地区的对流系统在东南移动过程中加强,16时强阵风出流下山后与北京平原地区的偏南气流形成强烈辐合抬升,最强辐合恰好位于山前水汽和不稳定条件最有利地区。同时午后北京地区的垂直风切变加强,因此对流系统下山后增强,致洪对流暴雨发生。(4)河北西北部的平流过程对北京的午后探空特征影响显著,张家口早晨的探空特征对北京午后探空的变化具有很好的指示意义。     

北京及周边地区雷暴阵风锋特征统计分析

为全面和系统研究北京及周边地区阵风锋各方面特征,使用2006—2015年暖季（5—9月）北京多普勒雷达探测资料及北京、河北、天津自动气象站观测资料对北京及周边地区的阵风锋过程进行综合统计分析。结果表明,346次阵风锋过程有232次触发了对流,占总数的67%,表明阵风锋对雷暴具有较强的抬升触发能力。阵风锋在6—8月出现的日数占5—9月阵风锋总日数的85%;出现的时段主要是午后至傍晚（12—21时,北京时）,维持时间0.5—3 h;阵风锋在北京东南方向生成的数量最多,且触发对流的次数也最多;其次为偏东和东北方向;偏南和西南方向生成阵风锋数量居中,而偏北、偏西和西北地区阵风锋个例相对较少,触发对流的比例也相对较低。产生阵风锋的母风暴中48%为孤立雷暴（包括孤立多单体和超级单体风暴）,31%为雷暴群,21%为飑线;97%的母风暴最强回波在50 dBz以上,阵风锋的回波强度为10—25 dBz。91%的阵风锋移动速度集中在10—60 km/h,84%的阵风锋与母风暴的最大距离为1—60 km;在母风暴回波强度减弱到30 dBz以下时,80%的阵风锋能够继续维持的时间不超过2 h。阵风锋母风暴向东南方向移动的个例最多,从阵风锋和母风暴移动方向的关系来看,阵风锋与母风暴移向一致的情况占比最高,为32%,其次为母风暴无移动及阵风锋弧形扩散情况,各占17%;阵风锋与母风暴移向相反情况所占比例最低,只有3%。最后统计了阵风锋经过地面自动气象站时,自动观测量的变化情况。结果显示,阵风锋在经过地面自动气象站时会造成风速增大、温度降低、相对湿度增大、气压升高。      

雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究

2009年6月3日,受冷涡后部次天气尺度横槽的影响,在相邻的两个区域先后出现雷暴大风天气,造成两地强风的风暴类型、地面大风分布及灾害程度差异显著。风暴结构分析表明:产生晋陕大风的雷暴类型为一般单体风暴和脉冲风暴,而产生商丘致灾大风的则为典型的弓形回波。结合观测和数值模拟资料分析产生上述两类雷暴大风的环境要素,并构建其环境温、湿度廓线,结果表明:(1)晋陕大风区环境探空温、湿度廓线呈倒V形,为典型的干下击暴流探空廓线,类似探空在中国西部高原地区夏季常见;(2)商丘雷暴大风区环境温、湿度廓线类似典型湿下击暴流探空。数值模拟给出了典型的一般单体特征结构,老雷暴单体出流在其前方触发新单体。在中低层相对干的环境下多个对流单体的冷下沉形成冷池,强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成。两类雷暴大风环境风垂直切变特点为:深层环境风垂直切变较弱、强水平风垂直切变集中在中低层。数值模拟表明:在这种风垂直切变配置下,低层湿度成为风暴结构的决定因素:中-高湿度环境下形成高度组织化的飑线,且其单体具有较强中层旋转;低湿度环境下产生组织程度差的一般单体和脉冲风暴,并基于高分辨率数值模式模拟结果给出了环境影响风暴结构的物理图像。     

“6.3”区域致灾雷暴大风形成及维持原因分析

利用商丘和郑州雷达资料,结合地面加密观测等多种资料,分析了2009年6月3日傍晚至次日凌晨,河南商丘、安徽和江苏北部出现的大范围致灾雷暴大风。本文分两个阶段从中尺度环境、风暴结构、风暴与环境相互作用、雷暴间相互作用的角度对商丘风暴的发展、维持及灾害性大风成因进行了深入探讨,得到以下结论:(1)商丘雷暴大风环境类似美国暖季型Derecho环境;(2)商丘风暴由晋冀雷暴群下沉气流导致的出流阵风锋移动到水汽相对充沛处触发,在有利的环境条件下迅速发展成具有较强的中层径向辐合超级单体风暴,多个超级单体的强下沉气流合并产生了超级单体阶段的地面大风;(3)飑线发展、维持的原因是飑线的自组织结构,飑线与环境入流的相互作用既有利于强上升气流发展,亦有利于强下沉气流发展,干线及叠加在干线上扰动触发的新生回波带不断并入飑线北端;(4)根据径向速度增幅估计,风暴强下沉气流辐散、强冷池密度流和层状云部分降水粒子蒸发对弓形回波阶段地面灾害性大风的增幅作用几乎相当,冷池合并是商丘极端雷暴大风产生的重要原因。     

2010年福建一次早春强降雹超级单体风暴对比分析

利用探空、地面资料以及建阳、龙岩、长乐三部新一代天气雷达资料,对2010年3月5日福建中北部地区5cm强降雹的两个超级单体风暴进行了对比分析。结果表明,干暖盖、强垂直风切变、中高层正涡度区及地面中尺度低压为超级单体的形成提供了良好的环境场。两个超级单体都是由多单体合并后发展起来的,在成熟阶段以右移为主,属长寿命右移风暴:第一个超级单体在发展过程中由于地形作用和新单体的并入经历了3次加强过程,低层出现明显的钩状回波、中高层三体散射特征;第二个超级单体经历了多单体风暴—超级单体风暴—多单体风暴3个阶段,成熟阶段低层呈现出明显的倒"V"形回波特征,中高层有明显向右伸展的云帖。两个超级单体风暴的中气旋都是由中层发展起来,随着中气旋强度不断加强和厚度加大,最强切变中心突降时出现冰雹、大风强对流天气。通过对第一个超级单体中气旋流场分析,发现风暴前、后侧的下沉气流与低层入流形成了明显的辐合旋转作用,下沉的干冷气流进一步推动低层的暖湿入流,形成强烈的上升气流,并在风暴顶形成强辐散,使得风暴长时间维持。第二个超级单体在风暴减弱阶段,风暴右侧出现中气旋分裂,之后减弱、消失。产生强对流天气时,中高层维持高反射率因子,出现三体散射现象、风暴顶强烈辐散以及较大的VIL密度等特征。     

逾量旋转动能在区分我国龙卷与非龙卷中气旋中的应用

多普勒天气雷达中气旋算法是为探测直径在1.8～9.2km(1～5nmi)的中气旋而设计的。绝大多数强龙卷都属于发生在中气旋内部的超级单体龙卷,但并不是所有的中气旋都能发展成龙卷。文中引入中气旋核的逾量旋转动能(ERKE)概念,结合中气旋算法和速度产品,分析了龙卷和非龙卷中气旋个例维持期间ERKE值的演变特征,并计算了一些超级单体风暴个例的中气旋初始的ERKE及其权重高度值。结果表明,与非龙卷中气旋相比,龙卷中气旋中ERKE的值普遍较大且其权重高度较低;超级单体风暴的初始中气旋ERKE值及其权重高度可以有效地区分中、低对流层中的龙卷和非龙卷中气旋,并可作为龙卷中气旋识别的定量指标。同时在我国平均中气旋气候特征的基础上,还绘制了ERKE图解,可从中气旋旋转速度和旋转半径快速查得对应ERKE值的大小。     

北京地区一次罕见的雷暴大风过程特征分析

分析了2006年6月24日北京地区一次罕见的瞬时极大风速超过32 m.s-1的雷暴大风事件。多普勒天气雷达观测表明,此次强雷暴大风与镶嵌在飑线回波带中的弓形回波相关。后侧入流急流促使飑线回波带南段快速移动并与其前面的新生单体合并加强形成弓形回波。深厚的中气旋、低层径向速度辐合和高层辐散等在构成弓形回波的强对流单体形成过程中起了重要的作用。根据雷达回波特征演变推断,这次雷暴大风直接由构成弓形回波的一个强对流单体内的下击暴流导致。使用微波辐射计和风廓线仪的观测资料揭示了上述强风暴发生的环境条件,即高的对流有效位能值、中等强度的风垂直切变,以及风切变的分布特征为飑线等的产生提供了有利条件。下沉对流有效位能和对流层低层环境大气温度直减率明显增加并接近干绝热,这对即将到来的下击暴流具有指示意义。     

S波段多普勒天气雷达旁瓣回波的特征分析

通过对2002～2005年S波段多普勒天气雷达上旁瓣回波的分析,描述了其在基本反射率因子、径向速度、速度谱宽PPI图及反射率因子和径向速度垂直剖面图上的形态特征.在7次强对流事件的19个雹暴云中发现有6次强对流事件10个雹暴云共产生旁瓣回波110次(基于反射率因子仰角产品的统计).统计结果表明:形成旁瓣回波最小反射率因子强度为60 dBz,97.3%的旁瓣回波出现在反射率因子强度≥63 dBz时,旁瓣回波出现在50～100 km距离段内的机率最大;旁瓣回波出现的最大高度为11 km,最低高度是1 km,97.3%的旁瓣回波出现在1～9 km高度之间,69.1%的旁瓣回波出现在3～6 km高度之间,以4～5 km高度出现次数最多,然后向上、向下减少.据灾情调查报告分析,强降雹发生在旁瓣回波首次出现后的0～42 min内,表明旁瓣回波对强降雹具有一定的临近预警作用.     

太行山地形影响下的极端短时强降水分析

2015年8月2日午夜和2011年8月9日前半夜,在两种不同天气系统背景下太行山东麓都出现了小时雨量超过50 mm的极端短时强降水天气,两次过程都是雷暴先在太行山区触发加强,经过下山2 h先后在丘陵站平山和山前平原站石家庄市区产生极端短时强降水。利用常规探测资料、地面加密观测资料、石家庄SA多普勒天气雷达资料,对不同天气系统背景下太行山特殊地形影响的极端短时强降水成因进行分析。结果表明:偏东气流被南北向的太行山地形强迫抬升,且与下山雷暴出流形成中尺度辐合线触发新的雷暴,雷达回波呈现后向传播特征和列车效应造成局地极端短时强降水。太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强。不同天气系统强迫下,太行山特殊地形对雷暴发展作用不同。在偏西气流引导下,暖区极端短时强降水由阵风锋触发,具有突发性、降水时间短、伴随风力大的特点,下山雷暴出流加快且与山前偏东风的辐合加强,陆续在丘陵区和山前平原触发对流与下山雷暴合并加强造成极端短时强降水;而在东北气流引导下,回流冷锋和阵风锋共同触发的极端短时强降水具有持续时间较长、降雨总量较大、伴随风力较小的特点,太行山东坡对东北冷湿回流有阻挡积聚作用,东北偏北来的雷暴出流边界西端在迎风坡上强迫抬升使雷暴触发并加强,东北气流遇山后发生气旋性偏转使雷暴出流转向东南下山,与平原的偏东风辐合加强,造成丘陵区和山前平原的总降雨时间更长、降雨总量更大。