一次渤海强对流天气系统监测与大风成因探讨

利用FY-2E卫星云图、天气雷达、雷电、海上平台、海岛站及海洋模式产品等资料,对2011年9月1日01—06时出现在渤海湾强对流天气成因进行综合分析。结果表明:位于燕山南麓较弱中β尺度云团,在500 hPa西风急流出口处、低层925 hPa切变线及层结不稳定条件下,触发多单体风暴重新发展,造成西岸区短时强降水天气及冰雹天气;中尺度系统主体入海后南压强度少变,在多单体风暴后部下沉气流与后部冷空气动量下传共同作用下,迅速加大渤海湾海区东北大风的分量,在同时具备天文大潮的条件下导致了南岸局部风暴潮灾害的发生。同步监测显示:云图中尺度象元TBB为-25°—-65℃,对流云团强弱交替变化时间为3—6 h,减弱后迅速转向东北岸区;三部天气雷达径向速度图先后监测到NE向低空急流"牛眼"时空尺度特征,同步垂直风廓线(VWP)反演出NE向低空急流由1000 m下降至300 m动量下传过程,与海岛站、平台监测值接近一致,中部与南部海区转为东北大风时间差为3—4 h;20时探空海岸带与风场垂直和水平切变明显,K指数为33℃,SI指数为-3.8℃,对流有效位能Cape为1555 J/kg;海洋中尺度数值产品3—6 h的K指数及海区辐合线的动态模拟与云图TBB中尺度象元、雷达回波移向相对一致,但风速明显偏小10—12 m/s。     

渤海强对流天气监测及概念模型初建

利用micaps系统个例库、秦皇岛雷达、天津雷达、FY-2E红外云图、海岛站、GPS闪电定位仪、探空及中尺度物理量场等资料,采用同步资料叠加分析方法,对2007-2011年4-10月出现渤海西岸区至海区强对流天气的25个例进行综合分析和对应关系的研究.初步得出:(1)强对流发生时三类天气尺度背景场条件下的高空与低层急流配置及K指数和SI指数对应值,渤海边界层辐合线与强对流天气落区对应关系;(2)同步卫星云图中尺度MCC象元动态特征及TBB值;(3)海区中β尺度单体及多单体风暴雷达反射率因子、回波顶高特征及阈值,回波顶高与雷电分布对应关系;(4)初步建立渤海强对流天气概念模型,归纳海区强对流预警指标.在2012年5-6月业务试验中效益显著,为渤海海洋强对流天气监测、精细化预报方法研究提供参考依据.     

4次大暴雨过程雷达径向速度和超低空西南急流特征分析

利用多普勒天气雷达VWP资料,结合探空资料和降水实况,对4次大暴雨降水过程雷达径向速度和超低空西南急流特征进行了分析。4次强降水过程有3次属于低槽冷锋类,1次属于切变线类,K值较大,850 h Pa与500 h Pa温差较小,较弱的垂直风切变,中低层具有充沛水汽。低层具有相似的流场结构,径向速度上零速度线表现为"S"型,即暖平流结构。上游超低空风速≥10 m·s-1,上下游雷达之间出现≥5 m·s-1的风速差之后,两部雷达之间出现小时雨量30 mm以上的强降水;上游超低空急流达到12 m·s-1以上,并且上下游超低空风速差超过15 m·s-1,降水强度进一步加强并维持。超低空急流的建立与维持,同时上下游雷达之间的超低空强辐合,为降水风暴的发展与维持提供了能量、水汽与动力条件,对强降水的形成与持续具有重要作用。     

“2011.07.25”山东乳山强降水中尺度分析

利用常规观测资料、自动站加密观测资料、NCEP1°×1°再分析资料、卫星FY-2E的TBB资料、多普勒天气雷达观测资料等,对2011年7月25日山东乳山强降水进行分析研究,结果表明:(1)这次强降水主要影响系统是高空槽、低层暖式切变线和副高边缘的低空急流。强降水产生在850h Pa和925h Pa切变线附近,低层850h Pa以下有较强的西南气流向北输送大量的水汽,强降水的水汽来源于低层近海面的水汽输送和辐合。(2)强降水产生在高温高湿区,强降水期间,低层有明显的暖平流,高层有明显的冷平流,低层暖平流增强或高层冷平流增强时,降水强度也明显增强。(3)强降水期间,乳山的特殊海岸线地形抬升作用产生的上升运动与中高层入侵的干冷空气(伴有下沉运动)相遇,从而触发对流不稳定能量释放,降水强度增大,产生强降水。(4)乳山出现短时强降水主要是由中-β尺度对流云团造成的,此次强降水的TBB在-63~-52℃,云团发展迅速,高度较高,在云团发展阶段,其反应的云顶温度比实际的云顶温度偏高。(5)风暴低层逆风区和中-γ尺度气旋性涡旋,及风暴顶的强烈辐散,利于回波发展与维持,同时使高值区维持在风暴中层及以下高度,在环境因子有利的情况下产生降水效率较高的强降水风暴。     

台风“巴威”外围致山东半岛西部强降水过程的中尺度特征及环境条件

利用自动气象站观测资料、青岛雷达产品以及“天衍”雷达拼图产品和ERA5再分析资料,对台风“巴威”外围致山东半岛西部强降水过程的中尺度特征及环境条件进行分析。结果表明：1）“巴威”在黄海北上期间,其外围暖湿气流与冷空气在山东半岛西部到鲁东南交汇,对流层中低层形成东北—西南向深厚的切变线,高层处于高空急流入口区右侧,低层辐合、高层辐散有利于产生强降水,强降水位于850 hPa切变线及其右侧偏东风一侧。2）前期降水回波先后表现为两条有组织的线形回波带,其形成、发展和移动与850 hPa切变线密切相关;后期切变线右侧偏东风气流中γ中尺度辐合不断触发单体新生,青岛即墨境内组合反射率因子CR、差分反射率因子ZDR、差分相移率KDP均显著增大,导致即墨南泉连续两个小时雨强大于100 mm•h-1。3）切变线附近垂直上升运动深厚,850 hPa以下水汽通量辐合较强,为中尺度系统提供了触发条件和水汽条件;850 hPa,θse暖舌位置与切变线一致,暖舌中心达352 K,为中尺度系统发生、发展提供了能量条件;对流层中高层弱冷空气对触发强对流天气起到一定作用。4）850 hPa以下水汽通量辐合量值≤-8×10-7 g•cm-2•hPa-1•s-1的区域与暴雨区基本吻合,水汽通量辐合中心及垂直上升运动中心越低越有利于出现强降水。     

鲁中地区强对流天气的气候特征及相关环境参数特征分析

利用鲁中地区2001—2016年伴随瞬时风力不低于8级的所有强对流天气个例共106次进行分析,总结其气候特征,并通过箱须图的形式研究了分类强对流天气相关环境参数的分布特征和预报阈值。结果表明:2001—2016年强对流天气分布呈山区多、平原少、中部多、北部和西南部少的特点; 6月和6月中旬是主要月份和旬份;地面辐合线是最主要触发机制类型;雷暴大风型、冰雹雷暴大风型和强降水混合型对应的地面和850 hPa的平均温度露点差,0～1 km和0～3 km垂直风切变,SWEAT指数、LI指数、K指数、风暴相对螺旋度、高度指数等环境参数各有不同的最低阈值;鲁中地区易发生强对流天气的0℃层高度为4. 1 km左右;对于伴随冰雹的强对流天气,其融化层高度比0℃层高度低0. 6 km左右。根据以上环境参数的分布特征、高低空垂直风切变的强弱变化可对3类强对流天气进行一定程度的区分。     

两次长寿命非超级单体孤立强风暴多普勒天气雷达观测对比分析

利用济南多普勒天气雷达资料,结合探空和天气实况资料,对2次历时超过4 h的孤立非超级单体风暴强度结构、流场结构和环境物理量及其差异性进行了分析。结果表明,0611和0915风暴均产生于东北冷涡底部西北气流和低层切变线环境形势下,上干冷下暖湿,0～6 km具有强垂直风切变,600 h Pa为起点的下沉对流有效位能(DCAPE)具有较大值。旺盛阶段,0915风暴的最大反射率因子(DBZM)、基于单体的垂直累积液态含水量(C-VIL)和强中心高度(HT)参数平均值明显大于0611风暴,差值分别是6. 7 dBZ、11 kg·m-2和2. 4 km。0915风暴成熟阶段的前期表现为明显中层径向辐合(MARC)特征,中期风暴中层表现为强气旋性旋转气流结构,后期又演变为MARC特征,同时辐合强度更加显著。0611风暴旺盛阶段中层具有双涡结构,但前期气旋性旋转强度明显大于反气旋性旋转强度,后期情况相反,反气旋性旋转强度明显大于气旋性旋转强度。两次过程中环境物理量差别明显的是对流有效位能(CAPE)和低层比湿,0915风暴CAPE和低层比湿明显大于0611风暴过程。在相似的形势背景下,低层湿度大,具有大的CAPE值,风暴内部上升气流的最大上升速度较大,利于强反射率核的悬垂和维持。     

一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论：（1）两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。（2）此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。（3）12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10^-3 s^-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。（4）13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。     

一次副热带高压边缘切变线暖区暴雨特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料以及卫星和雷达资料,对2018年6月25—26日副热带高压(简称"副高")边缘切变线暖区暴雨的大尺度环流背景、雨带的移动与传播、中尺度特征以及温湿特征等方面进行分析。结果表明:此次暖区暴雨过程是在副高稳定维持,500 hPa西风槽东移,并有低空急流配合,低空暖切变线触发不稳定能量释放的有利背景下产生的;暴雨落区位于700 hPa暖切变线和925 hPa暖切变线之间;暴雨期间,小尺度对流单体在鲁南地区触发,云顶亮温t_(bb)≤-60℃,并沿引导气流向东北方向移动;强降水区域有多个强回波中心持续影响,有明显的"列车效应",强回波持续时间长;红外云图能很好地反映天气系统的发生、发展和消亡,而水汽图像上色调暗区不明显,冷空气活动较弱;低层暖湿气流强烈发展,是造成此次暖区暴雨过程层结不稳定的主要原因;暴雨的水汽源地是孟加拉湾和南海,且强降水期间,随着西南暖湿气流的增强,水汽通量有一个跃增现象;云顶t_(bb)≤-70℃覆盖的区域、水汽通量散度负值中心可以作为暖区暴雨落区预报的参考点。     

下垫面对渤海西部雷雨大风影响的数值模拟分析

利用天津WRF中尺度数值预报业务模式系统,对2016年6月10日夜间渤海西部的一次强对流大风过程进行控制预报和敏感性试验预报(渤海到海峡修改为陆地)的对比分析。结果表明:海洋下垫面对渤海前半夜生成的雷雨大风有增强作用,增幅在5～6 m/s。海洋下垫面会使冷池出流边界具有更明显的温度梯度和气压梯度,增幅分别为3℃/经度,2 hPa/经度;海洋下垫面在雷达回波刚入海时对其强度变化没有明显影响,当回波持续一段时间(4 h以上)后,海洋下垫面对回波强度有减弱作用,可能是由于下垫面对近地面风速的增幅作用,使垂直风切变小,回波倾斜度和垂直速度也相应减小造成。     

2020年5月17日和6月1日山东强冰雹风暴双极化特征分析

利用济南、青岛和烟台S波段双偏振多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及天气实况,对2020年5月17日和6月1日两次强对流天气过程的关键环境物理量和风暴低层强冰雹区偏振量、三体散射、强冰雹衰减等偏振特征等进行了分析.结果 表明:1)两次强对流天气都具有大的温差和强垂直风切变,中层较干.5月17日山东半岛0～6 km垂直风...     

副热带高压边缘连续两次强降水形成机制分析

利用常规观测资料、自动气象站加密观测资料、GPS/MET水汽监测资料、FY-2E卫星云图和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对副热带高压边缘山东南部连续两次强降水的形成机制进行分析。结果表明,两次强降水都是由副热带高压边缘500 h Pa弱西风槽过境影响产生的,副热带高压主体加强西移,850~700 h Pa有较强的西南急流。强降水产生在西南低空急流的前方、暖式切变线附近;西南低空急流加强北上强降水开始,急流减弱强降水结束。强降水区与CAPE的高值区、低层水汽通量高值舌、水汽辐合中心、暖平流中心有较好的对应关系。西南低空急流、GPS/MET水汽监测对强降水的短时预报有一定的指示性。对流云团TBB最低为-78~-62℃,各观测站对应最大小时雨量为40~90 mm。强降水期间,850 h Pa及以下有中尺度涡旋发展,涡旋尺度小,气压场上表现很弱,流场上表现明显,有明显的气旋性环流中心,在925 h Pa涡旋中心东南部的暖平流中心降水强度最大。第一次强降水的中尺度涡旋源地发展,稳定少动,在其东南部上升运动强且降水强度大;第二次强降水中,冷空气在低层从西北部侵入,形成气旋,向东北移动,强降水产生在冷锋前部的暖区中,对流不稳定能量高,降水强度大、范围大。     

一次局地短时强降水的成因和预报误差分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和多普勒天气雷达资料,对2016年8月6——8日潍坊一次强对流天气的成因和预报误差进行了分析,结果表明:1) 500 hPa冷涡底部低槽、850 hPa低涡切变线和地面倒槽是主要影响天气系统,数值预报对此次天气过程的影响系统预报偏差大,而预报员对数值预报依赖程度高是此次预报失误的主要原因; 2) 850 hPa以下强的水汽辐合是强降水发生的重要条件,低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雨产生的动力机制,位势不稳定因中高层的冷空气入侵下沉得以加强; 3)列车效应和强回波维持少动是造成短时强降水的重要回波特征,逆风区的发展和移动对于判断强降水的落区有指示作用,多普勒雷达反演风场中的中尺度辐合线是导致局地强降水发生的直接原因; 4)风廓线雷达水平风场可以连续地反映降水过程中风场垂直结构及其变化,降水发生前探测高度明显升高,中高层冷空气侵入时间与强降水的时段相对应。     

渤海西岸两次强对流天气特征分析

利用Micaps、探空、卫星云图、雷达资料,对2011年9月1日凌晨和2012年9月27日下午在渤海西岸出现的强对流天气,从环流形势、不稳定能量、云图特征、雷达回波等方面进行了对比分析。结果表明:两次过程均出现了暴雨、大风、冰雹天气,9月1日凌晨影响系统为高空槽和切变线,灾害性天气以大风为主;9月27日下午影响系统为低涡和锋面,灾害性天气以暴雨、冰雹为主。两次过程渤海西岸上空均有一定的不稳定能量。亮度温度TBB越低表示强对流天气出现的几率越大,对流云团TBB小于-42oC预示有降水出现,TBB小于-52oC的区域与大雨或暴雨相对应。雷达回波强度大于35 d Bz区域与雷雨相对应,回波强度大于45 d Bz区域与冰雹、强降水天气对应较好。     

青岛短期降水空漏报及小量降水预报指标分析

对2011年青岛短期降水空漏报进行了分析,并利用近年来观测资料,对暖湿气流降水、伴随海雾出现的毛毛雨及冷流降雪三种小量降水预报指标进行了研究。结果表明,500h Pa西风槽尚未进入或刚进入山东省时,青岛处于槽前西南暖湿气流影响下,低层存在上升运动、925h Pa,850h Pa,700h Pa相对湿度两层达到80%且K指数大于32℃全区可出现有量降水;受台风外围东南暖湿气流影响时,除满足低层相对湿度、上升运动外,还需关注低空急流存在与否。伴随海雾出现毛毛雨的预报指标为湿层厚度大于等于300m,湿层平均相对湿度大于等于92%。青岛北部地区出现冷流降雪时,850h Pa以下风向多为N-NNW向,850h Pa风速基本达到10m/s或以上,850h Pa温度多在-12℃以下,925h Pa温度露点差多小于等于5℃,当500h Pa环流存在横槽转竖或横槽南压时,冷流降雪也可影响到青岛南部地区。     

鲁南初冬一次罕见特大暴雪的成因分析

利用常规气象观测资料和NCEP/NCAR逐6 h再分析资料,对2015年11月23—24日山东南部出现的一次罕见特大暴雪天气过程进行诊断分析。结果表明:1)这是一次典型的回流形势降雪,850 h Pa东南风急流影响的鲁南地区降雪强度较大,而东北风急流影响的区域降雪强度较弱。2)700 h Pa强西南低空急流、850 h Pa东南低空急流为鲁南地区降雪提供了充沛的水汽,水汽通量的强辐合区域即为大暴雪的发生区域。3)暴雪区上空散度呈现出弱辐散—强辐合—强辐散的垂直结构;暴雪落区与高空的强辐合中心以及强上升运动中心吻合度较高。4)暴雪期间,850~925 h Pa之间维持一个逆温层;强冷空气使得925 h Pa以下边界层温度锐降导致降雨迅速转雪,降雪持续时间长是鲁南地区产生异常强降雪的重要原因。     

济南春季一次罕见降雪过程成因分析

利用高空和地面观测资料、温度廓线仪资料、L波段雷达资料、NCEP资料对济南春季一次罕见的降雪过程进行了分析。结果表明:降雪过程的水汽输送主要来自于中层,由700h Pa西南急流提供;低层冷空气垫的维持,有利于中高层西南气流的爬升;强降雪发生在850h Pa冷平流开始减弱,700h Pa暖平流增强的时段内,是典型的回流降雪形势;925~1000h Pa的温度和降水相态的转变相关性更好,温度廓线仪资料可信度比较高,可以很好地反应降水相态转变时边界层温度的垂直分布;未出现降水时,市区和郊区边界层内的温差大;出现降雪后,市区和郊区边界层内的温差比较小。     

山东夏季强降水的影响系统和物理量特征

应用2009—2013年6—9月山东全省加密自动站资料、地面和探空观测资料,选出了98次区域性强降水过程。统计分析了产生强降水的天气系统特征,把500 hPa天气系统分为6种类型,850~700 hPa天气系统分为5种类型,地面影响系统分为7种类型。统计分析了强降水过程中及前期24个代表大气热力、水汽和动力特征的物理量,给出了最小值、最大值、平均值和各阈值所占百分率。850 hPa和700 hPa偏南风达到急流(≥12 m·s~(-1))强度的分别占56.1%和62.2%。对流有效位能(CAPE)≥300 J·kg~(-1)占72.6%。K指数≥30℃占86.7%。沙氏指数SI≤0占75.5%。925 hPaθse≥68℃占82.2%,850 hPaθ_(se)≥66℃占74.8%。GPS/MET水汽监测大气可降水量≥55mm占81.8%。850 hPa和700 hPa的水汽通量平均值分别为8.0和5.9 g·(cm·hPa·s)-1,水汽通量散度平均值分别为-4.6×10~(-9)和-2.7×10~(-9)g·(hPa·cm~2·s)~(-1)。925 hPa、850 hPa和700 hPa的涡度平均值分别为12.6×10~(-6)、12.3×10~(-6)和9×10~(-6)s~(-1),散度平均值分别为-5.5×10~(-6)、-3.1×10~(-6)、-3.4×10~(-6)s~(-1)。850 hPa、700 hPa和500 hPa的垂直速度平均值分别为-4.5×10~(-4)、-7.4×10~(-4)和-11.1×10~(-4)hPa·s~(-1)。     

山东夏季高温天气特征分析

选取1951—2008年山东121个站日最高气温观测资料和高空、地面常规观测资料做统计分析。结果表明:山东的高温具有明显的时空分布特征。山东≥35℃炎热日年际变化总趋势是两多一少,1951—1971年为第一多值阶段,1991—2005年为第二多值年1972—1990年为少值阶段。山东≥40℃酷热日出现在5月下旬—7月中旬,主要集中在6月和7月上、中旬,其中6月中旬最多;山东各地≥35℃炎热日以鲁西北西部、鲁西南西部和鲁中北部出现较多,其中淄博最多;山东日最高气温≥40℃的酷热日主要出现在鲁西北西部、荷泽和鲁中北部,最多出现在聊城的夏津,山东酷热天气虽多出现在内陆,但1980年以后山东半岛沿海部分站点也出现了酷热天气。山东的高温天气分为干热型和湿热型两类。干热型高温的天气形势为:850h Pa图上有≥20℃的暖区控制山东,地面图上山东处在东高西低的气压场内;当850h Pa在河套存在中心温度≥24℃的暖中心,24℃等温线延伸到济南东部,20℃等温线穿过山东半岛,山东就会出现酷热天气。湿热型高温的天气形势为:山东从低空到高空都受副高控制,且850h Pa≥20℃的暖区控制山东内陆地区。     

一次由气旋发展与边界层东北气流触发的强对流天气分析

利用多种探测资料及NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料,对2019年4月24日发生在山西的大范围强对流天气进行了分析。结果表明:1)此次过程是在弱天气尺度强迫背景下,地面锋面气旋发展和低层偏东北气流伸入河套地区,触发了1个持续拉长状对流系统(persistent elongated convective systems,PECS)和1个β中尺度持续拉长状对流系统(meso-β-scale PECS,MβECS)发生发展造成的。2)与MβECS对应,雷达回波上表现为涡旋状的回波中镶嵌着多个对流单体,PECS则表现为4个线状回波和1个强降水单体风暴。雷达产品能更精细刻画较小尺度系统特征,但分类强对流的某些典型特征并不明显。3)物理量诊断揭示,低层锋生作用不仅使暖锋加强触发MβECS发展造成北部强对流,且使得冷锋加强和气旋发展,此背景下形成的边界层急流和地面中尺度系统导致中南部对流单体合并、加强并高度组织化。强对流范围和强度与涡旋或辐合线尺度及风场辐合强度密切相关,气旋内温压风湿场的扰动特征能更好地解释较小尺度系统形成发展的物理机制,且这些特征较强对流提前1～3 h出现,对强对流临近预报具有很好的指示意义。4)低层东北气流是干冷与暖湿空气的一个倾斜交界面,该面上各种要素并不均匀,围绕该支气流形成一个气旋式次级环流圈,是中尺度对流系统的重要触发机制;气流两侧存在较大纬向风垂直切变,是造成对流风暴传播、持续时间长的重要原因之一。