Correlations of the Evolution of a CCOPE Squall Line with Surface Thermodynamics and Kinematic Fields

A midlatitude squall line passed over the array of the Cooperative Convective Precipitation Experiment (CCOPE) on 1 August 1981. The structure and evolution of the squall line, and the correlations of the storm with sur-face thermodynamics and kinematic fields are investigated, mainly by using radar and surface mesonet data in CCOPE. The storm-wide precipitation efficiency is also estimated.The squall line was of an obvious process of metabolism. Thirty-four cells formed successively in front of the primary storm und eventually merged into it during the period 1700-2010 MDT. The newest cells formed near sur-face equivalent potential temperature maxima, and near surface moisture flux convergence zones or / and the “tem-perature break lines”. The thunderstorm rainfall, with the precipitation efficiency of 54%, lags 25-30 min behind the moisture flux convergence on the average.     

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     

热带飑线结构和演变的数值模拟研究第一部分：云分辨模式

利用风暴尺度、云分辨的数值模式ＡＲＰＳ模拟了 １９９３年２月 ２２日 ＴＯＧＡＣＯＡＲＥ试验期间在赤道南太平洋观测到一次热带海洋飑线过程的发生发展过程，验证该模式的模拟热带对流系统的能力，并详细地分析了该次飑线的结构特征和动力学形成机制。通过数值敏感性试验研究了不同的云微物理过程对热带飑线的结构和发展演变过程的影响，所考虑的云微物理过程分为包含六种水相态的冰相过程和 Ｋｅｓｓｌｅｒ暖雨过程。模拟结果表明，云分辨模式ＡＲＰＳ采用合适的物理过程可以较成功地模拟出热带飑线的三维结构及其演变过程。数值敏感性试验结果表明，在对流上升过程中，由于与冻结作用有关的冰相微物理过程能释放更多的潜热，这种潜热能产生垂直方向上的浮力梯度从而较明显地加强系统的深对流，有利于对流系统组织性的对流带的长时间维持；相比之下，暖雨过程中飑线的生命周期缩短，而系统倾斜结构更明显，层状云区的发展比较旺盛。     

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。     

山东半岛海风锋在一次飑线系统演变过程中的作用

2016年6月30日生成于华北南部的一次长生命期的强飑线过程,造成了山东地区大范围风雹天气。文中利用常规观测资料、区域自动气象站观测数据及雷达监测产品,分析了山东半岛复杂的海风锋特征在这次飑线系统的断裂、再组织化以及极端大风、冰雹灾害形成过程中的重要作用。结果表明:（1）初始对流是在地面冷锋辐合线上触发的弱对流,在对流系统向更不稳定区域移动时与水平对流卷相交,对流迅速发展,并组织成东西走向的直线型飑线。（2）飑线系统在平原地区继续向前移动的过程中发生断裂,这一过程与渤海湾在黄河三角洲形成的两条移动方向不同的海风锋以及飑线系统的阵风锋有关:向内陆推进的两条海风锋与阵风锋在飑线系统中段的前部相交,诱发新生单体,造成该处对流系统更快地向前传播,最终导致飑线系统断裂;与此同时,断裂后的西段风暴因低层暖湿入流被切断而逐渐减弱。（3）断裂后西段残留风暴系统出流阵风产生的新生风暴向东北方向发展,与断裂后的东段风暴的后向传播（向西南方向发展）机制相互作用,完成了飑线的再次组织化,形成了具有典型弓状特征、水平尺度更大、近似于东北—西南走向的飑线系统。（4）长生命期飑线系统造成的极端雷暴大风和最大冰雹出现在飑线再组织化初期,位于飑线系统“弓部”位置,地面极端雷暴大风是冷池密度流、后侧入流急流和水成物对应的前侧下沉气流共同作用的结果,其中与后侧入流急流几乎完全分离的、与水成物对应的前侧下沉气流在这次极端地面大风发生时可能起到了重要作用。（5）山东半岛东侧的黄海海风锋向内陆推进（东南向西北）过程中与自西北向东南移动的飑线相遇,加强了风暴前侧的抬升、水汽供给和组织化程度,为飑线的长时间维持提供了有利条件。      

一次拖曳型飑线过程雨滴谱演变特征研究

利用Thies激光雨滴谱仪观测资料和CINRAD/SA多普勒雷达观测资料,分析了2017年7月18日一次典型中纬度拖曳型飑线过程不同发展阶段雨滴谱和积分参数的演变特征,主要结果为：1）成熟飑线回波包括对流带、过渡区和拖曳层状云区三部分,对流带前侧不断有对流带生成并合并到主对流带中,使得对流带的前沿具有强的反射率因子,并且有多个雨强大值中心。2）垂直穿过飑线对流带,雨强增加阶段有较少的小粒子（直径小于1 mm）和特大粒子（直径大于5 mm）,以及较低的雨滴浓度和反射率因子,而雨强减弱阶段有较多的小粒子和特大粒子,以及较高的雨滴浓度和反射率因子;飑线加强阶段,雨滴谱有较大的峰值直径（0.44 mm）、较多的大（直径大于3 mm）和特大粒子,而飑线减弱阶段,雨滴谱有较小的峰值直径（0.19 mm）、较少的大粒子。3）对流带、过渡区和层状云降水雨滴谱的Gamma谱三参数N0、μ、λ随雨强增大有明显的分层特征,相同雨强时,对流云和过渡区降水的三参数比层状云降水的数值大;而飑线不同发展阶段、不同降水类型的λ-μ关系具有一致性,二次多项式可以很好地拟合λ-μ关系。4）归一化雨滴谱参数NW和D0的分布可以用来区分对流云和层状云降水,并给出了新的分离线方程;另外,飑线在发展和减弱阶段的雨滴谱特征有明显差异,表明飑线演变过程降水形成的微物理机制发生变化,前期冷云过程有重要影响,而后期暖云过程起主导作用。     

华东飑线过程中的地面中尺度物理特征

本文利用华东中尺度天气试验资料和雷达回波,分析了9例强飑线过程中逐时地面物理量场的变化。提出中尺度散度场的配置及变化与中尺度强对流天气有十分密切的关系,而中尺度扰动辐合强度演变与锋前暖区内的中尺度扰动风场汇合线有关,这些关系往往能预示中尺度强对流天气的出现和发展。有时,在飑线发展的过程中具有中尺度重力波特征。     

地面资料同化的飑线数值模拟及中尺度特征分析

为了揭示飑线的中尺度精细结构特征,针对2006年6月25日发生在河套地区的一次飑线天气过程,在分析其过程天气背景的基础上,使用WRF模式和三维变分资料同化技术,对此次飑线过程中的地面常规观测和自动气象站加密观测资料进行了同化试验.结果表明:同化地面观测资料可以有效地提高模式对飑线这样的强对流天气系统模拟效果,输出的高分辨率模式资料可以更加精细地刻画出中纬度飑线中尺度结构特征.     

一次强飑线的中分析

本文对一次强飑线过程进行分析,指出高空“阶梯槽”的出现是这次飑线过程大尺度环流背景的重要特征。在此背景下,苏北和山东广大地区,有一支西南低空急流输送水汽和热量,大气层结趋于不稳定,为鼬线发展提供了不稳定能量,而高空疏散槽为不稳定能释放的一种触发机构。在飑线过境前,大气的层结在800毫巴附近的强下沉逆温,对不稳定能的储存和积累有重要意义。 这次飑线发展如此之强,除一般所说的一些条件之外,同飑线内部对流云体的合并以及与其它天气系统的碰头有密切关系;另外,中低空之间的强垂直风切变也有特殊作用。     

Lightning and Doppler radar observations of a squall line system

A typical squall line with damaging wind and hailstones occurred on 28 April 2006 in Shandong Province, middle eastern China, and caused great economic loss. The characteristics of cloud-to-ground lightning (CG) in the squall line were studied in detail by combining the data from the ground-based CG location network, two Doppler radars and the Lightning Imaging Sensor on the TRMM satellite. Results show that positive CG flashes accounted for 54.7% of the total CG flashes. During the initial developing stage, the CG flash rate was lower than 0.5fl min^{− 1} and most of the CG flashes were positive. It increased significantly, up to 4.5fl min^{− 1}, along with the rapid development of the squall line, and the percentage of positive CG was more than 75% during this period. The CG flash rate began to decrease but the percentage of negative CG flash increased gradually and exceeded that of positive CG during the mature and dissipating stages. Positive CG flashes tended to occur on the right flank and negative ones on the left flank. Strong wind at the surface occurred in or near the regions with dense positive CG flashes. Almost all positive CG flashes occurred near the strong radar echo regions, in the front parts of the squall line. However, the negative CG flashes almost exclusively occurred in the regions with weak and uniform radar echoes. The total flash rate in the storm was very high, up to 136fl min^{− 1}, and its ratio of intracloud flashes (IC) to CG flashes was 35:1. Dense positive CG flashes corresponded to updraft regions, they did not occur in the core of the updraft, but just behind and close to the main updraft instead. The rear inflow jet, between 3 and 6 km, played an important role in the formation of the bow echo and very strong wind at surface. The CG distribution features in the squall line were obviously different from that of an ordinary MCS. The charge structure could be roughly described as an inverted charge structure.     

一次飑线大风的多种资料分析和临近预报

利用临沂新一代天气雷达(CINRAD/SC)观测资料,结合MICAPS资料、加密自动气象站观测资料、MM5模式数值预报产品,对2006年4月28日发生在临沂的一次以灾害性大风为主、有弱降水相伴随、局部还有冰雹发生的飑线天气过程进行了分析.文中利用多种资料重点探讨了弓形回波带来的灾害性大风的形成机制.模式产品分析表明:灾害性大风发生区处在高空急流左侧,此处是正涡度平流和辐散区,强的垂直风切变导致了重力波的产生,300～500 hPa高度上产生的中尺度重力波(MGW)是本次大风过程的启动机制.造成地面大风的强下沉气流是来自于对流层中上层的干冷空气.雷达观测表明:本次过程中,大风区雷达径向速度出现模糊,强回波区对应径向风速辐合,具有较小的VIL值、有界弱回波区和中层径向辐合等特征.雷达径向速度图上高层负径向速度中心值的迅速减小和低层负径向速度中心值迅速增大是高空下沉气流迅速下沉的结果,是产生地面灾害性大风的直观表现.     

一次飑线过程的数值模拟及诊断分析

利用NCAR、NCEP和FSL/NOAA等共同研制的WRF中尺度数值模式,对2009年6月3日河南地区发生的一次飑线过程进行数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料对该次过程进行诊断分析。结果表明:WRF模式成功地再现了高低空环流形势演变及强对流的分布发展特征,高空冷涡后部冷空气南下,近地层较暖,形成了上冷下暖的位势不稳定层结及地面辐合线是这次强对流和飑线天气过程的触发机制。强对流发生时,该地区出现的低空增温增湿、低空急流的爆发及低层急流核向东南快传、高空急流轴稳定在强对流天气发生地上空,对流有效位能积累和释放随时间的演变过程及垂直螺旋度大值中心等对此次强对流天气过程有较好的指示意义。     

大气环境条件对夜间飑线影响的敏感性试验

利用CM1数值模式,以2017年8月7日发生在长江三角洲地区的一次夜间飑线过程为例,开展弱切变背景下中层相对湿度、低层风切变和对流有效位能的敏感性试验。结果表明:中层相对湿度升高,有利于夜间飑线雷达回波面积、回波强度和地面降温幅度增大。湿度降低,虽导致夜间飑线的雷达回波宽度变窄,但有利于夜间飑线结构和强度的维持。中层相对湿度的改变对夜间飑线成熟阶段的地面最大风速的影响并不十分明显,但是中层相对湿度的降低会增大地面最大风速的波动;低层风切变的增大使夜间飑线雷达回波强度增强、面积增大、移速变慢,也使飑线冷池强度增强,而对成熟飑线的冷池厚度和地面最大风速影响不大,但是更弱的环境风垂直切变更容易出现脉冲风暴地面强风。低层风切变的减小不利于夜间飑线的发展以及成熟夜间飑线结构和强度的维持;对流有效位能越大,越有利于夜间飑线雷达回波强度和回波面积以及冷池强度和厚度的增大,也有利于夜间飑线地面降温幅度和地面最大风速的增大。中等大小的对流有效位能更有利于成熟夜间飑线强度和结构的维持。低对流有效位能不利于夜间飑线发展,但在中层湿环境条件下依然能发展成为成熟的夜间飑线。该研究揭示了中层相对湿度、低层风切变和对流有效位能等大气环境条件对夜间飑线发生、发展的影响机制,为夜间飑线的预报提供了参考依据。      

一次东北冷涡下槽后强风与飑线后向入流演变及成因分析

本文利用NCEP分析资料、多普勒雷达观测资料、常规气象观测资料以及数值模拟结果,对2016年7月30日发生在华北、辽宁附近的一次强飑线过程中后向入流的演变及成因进行研究。结果表明,此次飑线发生在中纬度新生冷涡槽前,低层有水汽辐合区和地面辐合线对应,且过程中伴有较强的对流有效位能释放。飑线后部中层(冷涡槽后)一直存在α中尺度西风大值带,此大风速带造成了上下层相反的水平涡度,并形成喇叭形环流结构,该结构不同于经典飑线结构。飑线后部水平方向上水平涡度分布不均匀,并形成水平涡度旋度上正下负的分布,即导致中层强风区上部上升运动、下部下沉运动,该下沉运动引发飑线中的后向入流和低层强风速带形成。在中层,飑线的后部边缘始终有较强的风速大值带伴随飑线的发展,该大值带的形成与对流强弱和非热成风涡度有关,对流过程中低层非热成风涡度为负,中上层非热成风涡度为正,导致飑线后部中层西风加速和低层西风减速,有利于后向入流的发展和飑线的维持,当对流减弱时,非热成风涡度与后向入流均减弱。文中给出了后向入流形成演变的概念模式。     

用双多普勒雷达分析华南一次飑线系统的中尺度结构特征

飑线是中国春、夏季常见的一种天气现象.2007年4月23-24日华南地区的一次强飑线过程,因强度强、持续时间长,给广东部分县市造成巨大的经济损失.利用广州和深圳的新一代多普勒天气雷达的探测资料,采用双多普勒雷达风场反演方法和热力动力反演方法,研究此次飑线内部的三维风场、动力和热力结构.在此基础上,通过质量、动量诊断探讨其维持机制.同时,结合地面、高空常规观测及自动站资料分析系统伴随的环境和地面中尺度特征.结果表明,系统发生于中等强度垂直风切变(0-3 km,18 m/s)和中等强度对流不稳定度的环境中,其移动速度最快达17 m/s,属快速移动的飑线.飑线过境时,地面测站呈现风向突变、风速骤增、气压上升、温度与露点骤降等现象.其成熟期的雷达回波和风场结构与过去观测的热带、副热带快速移动飑线系统特征相似.由前(前方指系统移动方向)向后,降水结构依次为对流区、过渡带和层云区.其中,对流区由多个对流单体组成,对应强回波和上升运动,而单体之间为弱下沉运动.气流特征呈准二维结构,包括系统前方深厚的从前向后气流和系统后部低层的从后向前气流.这两支气流在系统前缘低层辐合形成动力高压,触发新对流单体,是系统长时间维持的主要机制.在对流区倾斜上升气流的下方,存在一凝结潜热释放增暖引起的低压区.另外,在对流系统西侧不断有新对流单体形成,并被平流至系统中,促进对流维持.进一步对对流区的质量和动量通量诊断揭示,垂直于飑线系统的水平动量的垂直输送有逆梯度输送的特性,将增加垂直飑线方向的环境垂直风切变,有利于系统维持.相对的,平行飑线方向的水平动量具有顺梯度输送特征,使该方向上风切变分量有被均滑趋势.     

北京地区一次飑线过程的闪电特征及其与水汽条件的关系

利用北京闪电综合探测网(BLNet)的总闪定位和雷达回波资料,分析了2017年8月8日北京地区飑线过程的闪电活动特征,并利用变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)反演结果,分析了闪电分布与水汽通量散度的关系。结果表明：1)此次飑线过程的闪电以云闪为主,地闪以负地闪为主,后期正地闪占地闪的比例升高。2)闪电辐射源主要分布在对流区,沿对流线向后部层云区倾斜分布,层云区亮带附近并无辐射源。3)辐射源主要集中在5—10 km高度,其峰值主要出现在6—7 km高度,并且随着对流系统发展、合并辐射源峰值所在高度有所升高,但在对流系统合并后高度有所下降。闪电频数均在每次对流单体开始合并后的18 min达到峰值。4)闪电主要集中在水汽通量辐合区,且辐合强度值越大,闪电越集中。     

一次伴有雷暴大风的飑线天气过程分析及数值模拟研究

利用NCEP/NCAR(1°×1°)的逐6 h再分析资料、WRF中尺度预报模式,对2014年7月30—31日发生在江淮地区的一次强飑线天气过程进天气学分析和数值模拟研究。研究结果表明,此次飑线过程是在高空槽后有强冷空气输送、中层阶梯槽引导干冷空气南下并叠加在低层暖湿气流之上的有利背景条件下产生的,低空切变线是此次飑线过程的重要触发机制。在飑线成熟阶段,气流下沉速度极大值区在高(低)层与霰(雨水)混合比极大值区有很好的对应关系,水凝物粒子下落时对周围空气的拖曳作用是下沉气流形成的关键。雨水蒸发率影响飑线维持期间地面冷池的强度和分布,雨水蒸发率越大,地面冷池强度越强、范围越广;雨水蒸发率越小,地面冷池越弱,甚至消失。雨水蒸发率与地面风速也有很好的正相关性,增大雨水蒸发率可使地面风速增大,使模拟的地面最大风速更接近实况。     

区域地面天气图上华北飑线的特征及其临近预报

应用1970—1980年常规资料及逐时区域加密的观测资料,分析了百余次飑线过程,并对发展完整的十个飑线过程做了逐时诊断分析。分析了华北飑线的中尺度气候特征和不同天气型的环境条件;给出了飑线各发展阶段的地面中尺度概念模型;还讨论了应用逐时地面加密资料制做飑线临近预报的基本思路。     

低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟

春夏季我国华南地区水汽充足,飑线可以在短时间尺度迅速增长。为探究水汽含量对飑线升尺度增长过程的影响,利用WRF模式对2020年5月11日华南地区的一次飑线进行数值模拟,分析华南飑线系统升尺度增长机制,并研究不同层次水汽的变化对其强度及结构的影响。分析显示此次飑线发生在“上干下湿”的不稳定层结中,存在高空急流与低层切变相互配合。模拟结果显示,前期广东省西南部的最大对流有效位能(MCAPE)较大,利于不稳定能量在此积累,同时此处的低层垂直风切变较大,飑线线性结构能更好地维持,随后南移与暖区对流合并,尺度进一步增长。水汽试验表明,MCAPE值主要受低层水汽的影响,低层水汽越多,雷暴高压更强,较大的MCAPE值及低层垂直风切变使得对流后向新生尺度增长,维持时间更长。减小中层水汽后地面强降水减少,对流强度减弱且很快分散为对流单体,但当飑线移动到MCAPE值大值区时又一次发展形成线性结构。因此增加低层水汽或减少中层水汽后的环境利于对流新生,但减少中层水汽后中层干空气相对而言使得线性结构难以维持。进一步研究飑线内部结构表明,垂直运动及后向入流也能影响飑线的尺度增长,此次对流系统中较强的后向入流增强了上升运动,同时形成向前的出流,造成地面大风天气。增强低层水汽后,对流后部层状云区范围更大,系统中的上升运动更强,且保持垂直,利于对流长时间维持;减小中层水汽后,对流强度减弱,回波顶高度降低。发展阶段后向入流增强,干冷空气迅速下沉,地面冷池增强,向前的出流形成大风天气。