2016年北京地区一次雷暴大风的观测研究

2021年7月31日16-22时冀豫交界区出现了由多个超级单体风暴造成的强对流天气过程, 其中生命史最长的两个超级单体风暴(以下分别简称邯郸超级单体和濮阳超级单体)先后影响河北南部和河南北部, 导致5次极端下击暴流事件。本文利用常规观测资料、区域自动站观测资料及多普勒天气雷达资料, 并基于超级单体致灾下击暴流雷达回波预警指标, 分析了上述5次极端下击暴流导致的冀豫交界区雷暴大风的雷达预警效果。结果表明: (1)5次极端下击暴流事件中, 超级单体强回波伸展高度、中层径向辐合、低仰角径向速度大值区等雷达回波特征量化值均满足致灾下击暴流超级单体雷达回波预警指标, 平均每次极端下击暴流前会出现12个与雷暴大风相关的回波特征, 且最极端下击暴流出现前与雷暴大风相关的回波特征均最为显著或其特征量增至最强, 其中与对流风暴下沉气流和地面大风直接相关的特征可提前10~37 min预警极端下击暴流。(2)两个超级单体风暴导致的首次极端下击暴流前均出现了反射率因子核、中气旋核和中气旋底高下降的特征, 对极端下击暴流能提前19 min和22 min预警。(3)邯郸超级单体为典型的孤立超级单体风暴, 濮阳超级单体为镶嵌在多单体中的超级单体风暴, 前者比后者的回波结构清晰, 更易判识, 相关回波特征或特征量对其产生的下击暴流预警效果也更好。(4)超级单体风暴维持期间可导致多次极端下击暴流, 其出现后(特别是在减弱阶段)仍需持续关注相关回波特征变化。

     

华东地区冷季两次高架对流个例分析

利用多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及区域自动站气象资料,分析了2019年8月16日山东省特大冰雹和雷雨大风强对流天气过程。结果表明：（1）此次强对流天气过程是在东北冷涡背景下由地面β中尺度辐合线、γ中尺度涡旋触发产生的。（2）中低层较大的温度垂直递减率、近地面层的逆温层、上干冷下暖湿、适宜的湿球温度0℃层和-20℃层高度是雷暴大风和大冰雹出现的典型特征。（3）β中尺度辐合线触发的对流单体不断发展、合并,形成单体之间排列较为松散的飑线,而γ中尺度涡旋附近个别单体发展成超级单体风暴。（4）诸城强冰雹的超级单体风暴具有有界弱回波区、三体散射、旁瓣回波、中气旋等特征。另外,风暴强度达到鼎盛后迅速减弱、强中心高度快速下降、风暴低层左后方出现强反射率因子区、风暴低层右前侧气旋性旋转强度加强、深厚持久的中气旋、风的垂直切变强,均是造成日照极端雷暴大风的影响因子。

     

一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征

2009年8月27日15-18时,石家庄地区出现雷暴大风等灾害性强对流天气过程,石家庄地区北部新乐县境内的多普勒雷达探测到了此次天气过程中完整的阵风锋、飑线、中气旋等中尺度天气系统,并对此次雷暴大风的环境场和多普勒雷达产品进行分析。结果表明：低层逆温、中低层垂直风切变较强的不稳定层结为强对流天气的发生发展提供了有利的环境条件。阵风锋对对流风暴发展强度具有反馈作用,当二者逐渐远离时,对流风暴强度减弱甚至消亡;当二者逐渐靠近时,对流风暴发展加强,甚至发展为超级单体对流风暴。多单体对流风暴带状排列构成飑线系统,所经测站出现风速突增、风向急转、气压涌升、气温下降,钩状回波、人字型回波、弓形回波和深厚持久发展的中气旋是本次天气过程中的超级单体对流风暴所具有的典型特征。地面破坏性大风主要由超级单体对流风暴所引发。     

鄂西南冬末一次罕见的强冰雹过程分析

利用常规观测资料、多普勒天气雷达和风廓线雷达资料,对一次罕见的鄂西南冬季强冰雹（直径1～3 cm）天气过程进行了分析,结果表明:强冰雹产生在上干冷、下暖湿,低空辐合、高空辐散的环流背景下,地面中尺度辐合和“喇叭口”的有利地形,给冷锋前暖区对流性天气提供了触发机制;地面冷锋南下伴随的垂直风切变增强有利于已经生成的对流风暴的维持和加强。强冰雹分别由孤立的超级单体和超级单体复合体（多单体结构中含有占支配地位的超级单体）产生。比较而言,孤立的超级单体发展更为高大,持续时间更长。风暴具有中气旋、高悬的强回波、低层入流、弱回波区与回波悬垂、中层径向辐合、风暴顶强辐散等超级单体风暴的典型特征;垂直累积液态含水量及其密度分别较长时间维持在35 kg·m^-2和4 g·m^-3以上的冬季高值;新一代天气雷达冰雹探测算法输出的冰雹指数产品预测到高概率的强冰雹。此次过程出现在冬末,虽然对流出现之后呈现出典型的风暴结构,可以提前10～30 min做出强冰雹的临近预警,但对于对流出现之前的提前数小时的强冰雹短时潜势预报而言,常用做判断强降雹潜势的探空特征（包括对流有效位能...     

淮安一次强风雹天气超级单体风暴观测分析北大核心

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、多普勒天气雷达和双线偏振雷达以及自动站分钟级数据,通过诊断分析和风场反演,对2021年4月30日17—19时淮安地区发生的极端风雹天气的两个超级单体结构特征、维持机制和极端大风进行原因分析。结果表明:在500~700 hPa偏北急流背景下,地面强辐合中心和辐合区促使对流单体增强为超级单体风暴。淮安基准站的极端大风由超级单体A产生的下击暴流事件引发,表现为明显的风暴质心高度、最强回波高度和中气旋底高的下降,近地面层辐散风场等特征。产生强降雹的超级单体B最大反射率因子高度、风暴质心高度以及中气旋最强切变高度均达到湿球温度-20℃层高度以上。极端大风产生的原因包括强冰雹和大降水粒子下落过程中的重力拖曳和融化蒸发冷却,以及负浮力和低层强中气旋产生的垂直扰动气压梯度力。     

三门峡市2006年两次下击暴流天气过程诊断分析

2006年5月26日和6月25日三门峡辖区均出现了以地面大风、冰雹为主的灾害性天气.利用常规观测资料和非常规加密探测资料以及雷达、卫星云图资料对这两次灾害性天气过程进行诊断分析,结果表明:这两次灾害性天气均是由500 hPa华北冷涡后部的下滑槽或横槽转竖带动北方冷空气急剧南下造成的下击暴流引发的强对流天气.当雷达回波顶高超过10 km、强度≥50 dBz并出现回波悬垂结构的超级对流单体或多单体超级对流风暴移来时,易产生强对流天气;强回波质心在移动过程中不断下降或回波悬垂结构、低层弱回波区出现在风暴后部时,是下击暴流发生的前兆;冰雹指数、风暴跟踪信息、中气旋3个产品叠加对强对流风暴发生、发展、移向的预报具有较好的参考作用.     

一次超级单体风暴的天气学成因及多普勒雷达回波特征研究

对2002年5月27日发生在安徽蚌埠地区的一次超级单体风暴过程的天气形势、卫星云图、雷达回波进行了分析,此次过程为该地区近50 a来发生的最强烈的一次超级单体风暴过程。本文尝试从常规的高空、地面环流形势中寻找特殊的异常信息,结合卫星云图、多普勒雷达资料对超级单体的结构及其演变过程进行分析。发现这次强对流性超级单体风暴过程是在较为有利的大尺度环流形势下,多尺度天气系统相互作用,由中尺度对流云体激发产生的超级单体风暴;文章揭示了该地区超级单体风暴的多普勒雷达回波典型特征,旨在对这类强天气的监测、识别和临近预报提供天气学及雷达回波分析的参考依据。     

春季一次超级单体过程的成因分析

利用常规观测资料、卫星资料以及多普勒天气雷达资料,分析了2016年4月27日午后发生在鄂西北的一次超级单体风暴过程。结果表明:高空冷槽、上干冷下暖湿、强垂直风切变等提供了良好的环境条件;汉江河谷喇叭口地形、湖陆风环流、中尺度地面辐合线以及低层暖湿气流产生的扰动与雷暴出流导致超级单体强烈增强;多普勒天气雷达特征表现为中气旋、低层有界弱回波区、典型钩状回波等超级单体特征,同时出现了三体散射、旁瓣回波等大冰雹特征;强的垂直风切变使得雷暴更有组织性并具有更长的生命史,有利于强对流天气的产生。     

一次长生命史超级单体风暴的雷达观测特征和维持机制

2016年6月14日一个长生命史的超级单体风暴在山东产生了大范围的冰雹和雷暴大风天气。利用常规观测资料、中尺度自动站资料、多普勒天气雷达资料和风廓线雷达资料对其天气背景、雷达观测特征进行分析,对其维持机制进行探讨。结果表明:在华北冷涡的背景下,在较强的深层垂直风切变和中等强度对流有效位能环境条件下,地面中尺度辐合中心触发生成强对流风暴;维持阶段风暴右前方低层一直存在暖湿气流的入流槽口,垂直结构呈现出经典超级单体的结构特征,中气旋发展深厚且强盛,最大垂直涡度在1.0×10~(-2)s~(-1)以上,每次单体强中心高度的跃升和快速下降均伴有一次地面大冰雹事件的发生;发展和维持阶段地面冷池边界扩张与低层垂直风切变大小相当,达到平衡状态,在风暴前方形成较强的辐合上升运动,大于150m~2·s~(-2)的风暴相对螺旋度环境,风暴沿地面中尺度辐合线移动,这些都是超级单体风暴维持较长生命史的有利条件。     

一次引发黑龙江省大风与强降水的β中尺度系统物理机制与特征分析

利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料、T639和FY-2卫星云图、新一代天气雷达及NECP的1°×1°再分析资料,对2014年7月5日由β中尺度系统引发的黑龙江省中部地区一次疑似龙卷和局地性强降水天气过程的环境背景、强对流在卫星云图和雷达上的发生发展过程及其物理机制、中尺度特征等进行了分析。结果表明:在高空冷涡和地面低压共同作用下,中层弱冷空气与低层强暖空气汇合,形成条件不稳定,低空急流的低层强辐合为β中尺度系统的生成提供了有利的中尺度环境场;低层的强垂直风切变使强对流环境条件进一步增强,导致多个超级单体形成和发展。对流云团发展初期强度迅速增强,在成熟阶段前期以大风天气为主,超级单体的位置出现在成熟对流云团内部上冲云顶附近;当β中尺度演变为α中尺度时,云团强度减弱,强天气过程基本结束。在雷达回波上可清晰的看到3个超级单体的生消过程,中气旋和穹窿等特征回波明显且维持时间较长,垂直风廓线和径向速度表现了风暴的垂直气流特征,较强的降水回波移至朗乡地区后强度和位置的变化极缓慢,是造成该地区持续强降水的主要原因。     

Damaging surface wind mechanisms within the 10 June 2003 Saint Louis bow echo during BAMEX

2019年3月21日21：13（北京时）,广西桂林市临桂区国家气象观测站录到60.3 m ·s^-1极端大风,打破了广西气象站建站以来的历史极值。综合利用多种观测资料对临桂极端大风的发展演变和成因进行详细分析,结果表明：（1）地面锋前暖区对流在移近临桂站时地面冷空气的适时入侵促进其发展成超级单体风暴,其产生的下击暴流击中临桂测站造成极端大风。（2）雷达回波表明该超级单体具有明显的钩状回波、中层径向辐合、近地面强辐散及反射率因子核心下降等雷达特征;风暴垂直方向流场结构表现为上面是反气旋性旋转或辐合、中间为径向速度辐合、底下为气旋性旋转。（3）中层径向辐合加强导致中气旋旋转性加大、直径减小、厚度增加,近地面层的强中气旋对下击暴流有加强作用。（4）环境条件分析表明临桂上空具有极好的产生雷暴大风的环境条件和发展成超级单体风暴的潜势。（5）极端雨强与极端大风相伴出现,表明降水拖曳作用是极端大风产生原因之一;在地形作用下冷空气大风对极端大风形成有叠加效应。

     

造成临桂极端大风的超级风暴单体观测分析

2019年3月21日21:13 (北京时),广西桂林市临桂区国家气象观测站录到60.3 m·s-1极端大风,打破了广西气象站建站以来的历史极值。综合利用多种观测资料对临桂极端大风的发展演变和成因进行详细分析,结果表明:(1)地面锋前暖区对流在移近临桂站时地面冷空气的适时入侵促进其发展成超级单体风暴,其产生的下击暴流击中临桂测站造成极端大风。(2)雷达回波表明该超级单体具有明显的钩状回波、中层径向辐合、近地面强辐散及反射率因子核心下降等雷达特征;风暴垂直方向流场结构表现为上面是反气旋性旋转或辐合、中间为径向速度辐合、底下为气旋性旋转。(3)中层径向辐合加强导致中气旋旋转性加大、直径减小、厚度增加,近地面层的强中气旋对下击暴流有加强作用。(4)环境条件分析表明临桂上空具有极好的产生雷暴大风的环境条件和发展成超级单体风暴的潜势。(5)极端雨强与极端大风相伴出现,表明降水拖曳作用是极端大风产生原因之一;在地形作用下冷空气大风对极端大风形成有叠加效应。     

东北冷涡背景下超级单体风暴环境条件与雷达回波特征

利用常规观测、地面加密自动站、多普勒天气雷达观测资料以及NECP(1°×1°)逐6 h再分析资料对2016年8月16日内蒙古东南部地区由于超级单体风暴诱发的强冰雹、雷暴大风等强对流天气进行了分析。结果表明:这次超级单体风暴发生在高空东北冷涡和低层暖式切变线形成的强不稳定层结背景下,低层丰富的水汽、中等强度对流有效位能和大的深层垂直风切变,为强对流天气的发生提供了非常有利的环境条件;地面中尺度辐合线和露点锋两种对流系统耦合并加强是对流风暴的触发机制;雷达回波有钩状回波、弱回波区WER (Weak Echo Region)、回波悬垂、回波墙、中气旋等超级单体风暴特征,其中弱回波区,回波悬垂由反射率因子从低到高向低层入流一侧倾斜且回波强度梯度大;风暴内中层维持较深厚的气旋性辐合,风暴顶则表现出明显的气旋性辐散特征,标志大冰雹的三体散射长钉TBSS(Three-Body Scatter Spike)特征回波,50 dBZ以上的反射率因子核心的高度伸展到-20℃以上,为典型的产生冰雹的回波结构;垂直液态水含量VIL(Vertical Integrated Liquid Water Content)与风暴顶高之比即VIL密度达到5 g·m~(-3),这也是大冰雹的预报指标。     

“4·11”海南致灾雷暴大风环境场与多普勒雷达回波特征分析

利用海口多普勒雷达、海南省区域加密自动站和常规资料对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风过程进行天气学分析。结果表明:（1）这次雷暴大风过程发生在500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧的有利于对流发展的较大范围上升气流区域内;（2）对流风暴移动路径上的大气环境具有中等程度的条件不稳定、对流有效位能CAPE以及上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变,对流风暴形成后最终组织发展产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的多单体带状回波和弓形回波;（3）在多单体带状回波中镶嵌的风暴A和B各自发展成为具有中层径向辐合特征的超级单体,风暴B和C合并形成弓形回波,其中风暴C的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;（4）阵风锋对对流风暴的正反馈作用、对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流,长时间倾斜依存的自组织结构及其与强的低层环境风垂直切变的相互作用,是多单体风暴和弓形回波长时间维持和加强的主要原因;（5）地面原来存在的β中尺度辐合切变线,对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移等因素,有利于多单体带状回波和弓形回波的长时间维持。      

日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征

利用常规观测资料、区域自动气象观测站加密观测资料、多普勒雷达资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势、环境物理量和涡旋特征进行了分析。结果表明:地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统,较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。地面辐合线上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发了对流,较大的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)和较强的0~3 km垂直风切变有利于初生对流的发展、合并,形成超级单体风暴。龙卷发生时,超级单体风暴低层右前侧出现钩状回波、入流缺口。较强的风暴单体、深厚持久的中气旋、中气旋强中心和底部迅速下降并重合、气旋性涡旋加强、最大风切变跃增、多个时次体扫出现龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature,TVS)是地面龙卷发生的主要特征。对龙卷风暴单体移动起主导作用的因子在不同时段有所不同,前期主要受平流的影响;风暴单体合并的过程中,风暴移动受传播和平流的共同影响;风暴单体完全合并后,引导气流对风暴的移动又起主要作用。     

鄂西北一次超级单体风暴过程的观测分析

2016年6月7日下午鄂西发生一次伴有超级单体的强对流过程。利用常规地面和高空观测资料以及区域自动站、多普勒天气雷达等资料,对该过程超级单体形成的环境条件及雷达回波特征进行了详细分析。结果表明:(1)上干下湿不稳定层结、较高的对流有效位能与强烈的低空垂直风切变是有利于超级单体产生的环境条件,地面辐合线和鄂西北山区地形对超级单体的触发和增强起到关键作用;(2)宽大有界弱回波区以及位于其上的强悬垂回波,弱回波区前侧强入流与中层径向辐合(MARC)的存在,都表明超级单体具有降雹潜势;(3)大风核(27 m·s-1)持续时间超过2 h、中气旋深厚持久、阵风锋、高空强冷平流下传以及风暴内部下沉气流的共同作用,导致了地面大风;(4)前侧入流槽口斜升气流强而持久且风暴顶辐散长时间维持,造成强降水。     

基于多普勒天气雷达资料的“6.1”监利极端大风成因分析

2015年6月1日湖北省监利县发生一次由下击暴流带来的极端大风天气过程(简称"6.1"监利大风),受其影响,"东方之星"客轮在长江侧翻失事。应用常规观测资料以及加密自动站资料、探空资料、多普勒雷达产品与NCEP再分析资料,分析了"6.1"监利大风过程的环流背景与影响系统,基于雷达资料,重点探讨了其形成原因。结果表明:(1)较强的低层垂直风切变、较低的对流凝结高度等是其发生的有利条件,地面中尺度涡旋、冷锋的发展为其提供了触发机制;(2)"6.1"监利大风由线性多单体风暴造成,其在强盛阶段伴随有超级单体,并连续多个体扫出现中气旋;(3)风暴单体在发展成超级单体后,中气旋旋转速度逐渐增强、底部高度不断降低很可能是龙卷大风产生的先兆;(4)导致"东方之星"失事的下击暴流带来的极端大风(以下简称极端大风)发生前和期间均伴随低仰角速度大值区发展,而极端大风发生时风暴单体的中气旋特征已减弱,此外,极端大风产生前连续5个体扫强反射率因子核出现持续下降;(5)雷达径向速度产品、风暴属性表产品、中气旋属性表产品对"6.1"监利大风临近预警具有重要参考价值,风暴演变趋势、中气旋属性表、低仰角速度大值区在极端大风产生前均呈现出具有一定指示意义的特征。     

武汉一次下击暴流天气的成因分析

对流性大风是强风暴最常产生的天气现象,致灾严重,预报难度大。2021年5月10日和14日,湖北武汉先后发生了雷暴大风和龙卷天气过程(以下简称“5.10”大风和“5.14”龙卷)。本文利用常规探空和武汉多普勒天气雷达资料,对这2次过程的环境条件、多普勒雷达回波特征和雷达衍生参量进行了对比分析,结果表明：(1) 两次过程都发生在具有高不稳定能量、强垂直风切变和低抬升凝结高度的环境中,地面都有多支气流形成的辐合区,但下沉对流有效位能、能量螺旋度、强天气指数等强对流物理参量值有显著差异;(2) 两次对流性大风的产生机制和雷达回波特征不同,“5.10”大风主要由中层干冷空气和降水粒子相变发动强下沉气流产生雷暴大风,并在地面形成冷性雷暴高压。由多个对流单体合并的对流带产生的强下沉气流在径向速度场上表现为低层大风核,而对流带前侧相对孤立的单体产生的强下沉气流表现为低层径向辐散特征;“5.14”龙卷由超级单体产生,具有钩状回波、强中气旋和龙卷涡旋特征等特征;(3) 两次过程发生前垂直风速差和风暴相对螺旋度的变化差异显著,表明了两次过程环境气流的变化不同,这样的变化是否适用两种天气的识别还需要对大量个例进行统计分析。

     

基于加密探测资料解析2009年6月3日商丘强飑线形成机制

利用郑州、商丘新一代天气雷达资料、河南省逐分钟自动站等加密探测资料,对2009年6月3日发生在商丘地区的强飑线形成机制进行了分析。结果表明:低涡后部横槽携带冷空气沿西北气流下滑与低层暖湿空气在商丘汇聚,在低层辐合线、干线触发下,位于辐合中心的商丘爆发强飑线;初始对流回波沿边界辐合线发展加强并形成超级单体强风暴;在开封与商丘之间的露点锋(干线)作用下,发展起来的晴空边界辐合线触发新生对流并发展加强,与超级单体强风暴汇合成强飑线迅速东南移影响商丘地区;雷暴大风前商丘大片超折射回波预示该处有干暖盖存在,为飑线移到商丘爆发更为激烈的强对流天气提供了大量的不稳定能量;强飑线回波带上超级单体风暴和后来发展形成的弓形回波是造成商丘地区强天气的关键,雷暴大风发生在辐合线后侧,辐合线后侧具有典型的中尺度雷暴高压、中尺度低温中心、风场辐散等特征;强雷暴高压、高压前侧的强气压梯度以及强飑线的快速移动是宁陵、夏邑和永城等地有气象记录以来极端大风产生的直接原因。     

对流移入杭州湾后飑线发展机制分析

利用多源观测资料,对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明,此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强风垂直切变和层结不稳定环境中,地面气旋及锋面触发了初始对流,在之后近10 h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生、发展、合并与重组等不同阶段。期间,由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风：第一阶段,以江苏淮安站为代表,苏中极端对流性大风（36.2 m/s）是由发展强烈的超级单体风暴引发下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波特征,对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋,在地面极端大风临近时刻,中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状回波后侧,这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散,伴随风暴内强反射率核快速下降,导致淮安产生时、空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段,以江苏南通地区为代表,苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线状对流系统前部存在明显的阵风锋,造成较大范围10级以上的地面大风;南通通州湾极端大风（47.9 m/s）发生在阵风锋后侧,其形成一方面是由于线形对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加,形成更强的气压梯度,另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的快速发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传有关。