复杂地形下北京一次局地雷暴新生和增强机制初探

利用变分多普勒雷达分析系统, 结合多普勒雷达观测、 地面自动站、 风廓线仪、 加密探空等非常规观测资料, 对北京地区2011年8月9日局地雷暴的新生和增强机制进行了较精细的分析。结果表明: 该过程是一次发生在弱垂直风切变环境下的局地强对流雷暴大风过程, 环境场有较强的不稳定能量(CAPE达2 798 J·㎏^-1), 地面高比湿带(＞20 g·kg^-1)在山前聚集, 城区西部山前存在一较强γ中尺度热辐合中心, 前期大气环境条件十分有利于对流发生发展; 上游移进北京的强雷暴受地形强迫作用影响, 其产生的冷池出流被抬高, 冷空气叠加在地面γ中尺度热辐合中心之上, 使山前局地大气层结更不稳定, 另一方面, 强冷池出流产生的边界层高层偏北风与近地面弱的偏南风构成有利于对流新生的垂直风切变, 地面热辐合中心、 边界层热力和动力不稳定的增强共同作用是局地雷暴新生的主要机制; 上游冷池出流边界(阵风锋)伴有的强温度梯度和边界层辐合上升运动是原有局地新生雷暴显著增强的主要原因; 多单体雷暴相互碰撞合并产生的辐合上升运动是局地雷暴得以持续的关键因素。     

地形、冷池出流和暖湿空气相互作用造成北京一次局地强降水的观测分析

利用地面和探空常规探测资料、多普勒天气雷达以及风廓线雷达资料,对2015年8月7日发生于北京的一次伴随有闪电和冰雹的突发性局地强降水过程的成因进行了分析。结果表明:这次过程发生在强层结不稳定环境中,对流层中层低槽配合低层切变线,促进河北西北部对流发展,并向东南方向移动,形成北京西北部短时强降水;北京中部地区强降水的直接制造者则是新生的局地性雷暴单体,由雷暴冷池出流和暖湿空气在边界层交绥和辐合所触发。北京西北部地形促使冷池出流下山速度加快、冷池出流高度抬高,以及偏东暖湿气流的辐合抬升作用,则是局地雷暴新生的重要影响因子。     

复杂地形下雷暴增强过程的个例研究

本文基于多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）反演的对流层低层热力和动力场,并结合多种稠密观测资料,对北京地区2009年7月22日一次弱天气尺度强迫下雷暴在山区和平原增强的机理进行了较深入的分析。研究结果表明：雷暴过程受大尺度天气系统影响不明显,对流前期地面弱冷锋,是此次雷暴新生的触发机制,高层冷平流、低层偏南暖湿气流的稳定维持和对流不稳定能量的聚集是本次雷暴增强的必要条件。雷暴从河北北部移进北京西北山区后,在下山和到达平原地区时,经历了两次明显的发展增强阶段。雷暴第一阶段下山增强,地形强迫起着主要作用,具体表现在三个方面：（1）地形斜坡使得雷暴冷池出流下山加速与稳定维持的偏南气流形成了强的辐合区;（2）地形抬升使得偏南暖湿入流强烈地上升,从而加剧了对流的发展;（3）地形抬高了冷池出流高度,使得出流与近地面偏南气流构成随高度顺转的低层垂直风切变,低层暖空气之上有冷平流叠加,使得雷暴前方的动力和热力不稳定增强。雷暴第二阶段在平原地区再次增强的主要原因是：组织完好的雷暴到达平原地区后,其冷池与低层暖舌在城区（朝阳地区）的对峙,产生了强的扰动温度梯度;强的冷池出流与势力相当的偏南暖湿气流相互作用产生了强的辐合上升气流,并与下沉气流在较长时间内共存;冷池出流形成的负涡度与低层切变产生的正涡度达到近似平衡状态。运用RKW理论,三者导致雷暴前方低层的辐合抬升最强,最有利于雷暴的维持发展。     

中尺度模式探空资料在北京局地暴雨预报中的应用

基于加密自动站、风廓线、微波辐射计等多种稠密观测资料,结合多普勒天气雷达变分同化分析系统(VDRAS)反演的对流层低层热力动力场,对2009年7月29日发生在北京香山地区的局地暴雨过程(简称“7.29”过程)进行了综合分析。结果表明:该过程是一次典型的局地新生雷暴引发的γ中尺度局地大暴雨过程,其发生发展突然、持续时间短、局地性强、降水强度大;降水环境场上,较低的抬升凝结高度和自由对流高度使得新生雷暴的触发不需要太强的辐合抬升机制;北京北部山区雷暴冷池出流形成的300 m左右厚度的边界层偏北风与环境场偏南风的辐合,对香山雷暴的新生起到关键触发作用,有利的局地水汽条件为香山雷暴产生强降水提供了充沛的水汽;香山雷暴发生后,由于缺乏雷暴冷池出流与环境低层垂直风切变的相互作用,导致香山雷暴难以获得有组织的进一步发展,在其发展成熟后很快消亡;复杂地形在对流发生发展过程中具有十分重要的作用,一方面在雷暴新生前期通过山前辐合抬升起到触发机制作用,另一方面对大气垂直上升运动起到增幅作用。

     

2016年北京地区一次雷暴大风的观测研究

利用常规气象观测资料、风廓线资料、北京观象台多普勒天气雷达产品、多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）的反演资料和地面自动气象站客观分析资料,对2016年7月27日北京地区出现的一次雷暴大风天气的环境条件特征、风暴结构特征及演变机制进行了分析。结果显示：本次雷暴大风天气过程出现在弱天气尺度强迫环境中,较好的热力不稳定增强机制促使线状对流发展为弓形回波,形成雷暴大风天气。探空曲线中低层接近于干绝热的环境温度直减率和下沉对流有效位能突增等现象,对预报大风天气有较好的指示意义。上游雷暴的冷池出流与山前偏南暖湿气流在北京西部形成了明显的风向辐合,在强烈的扰动温度梯度和地形抬升的共同作用下,位于地面辐合抬升最强处触发新生单体并迅速发展。新生单体与风暴主体合并下山过程中,由于地形作用抬升了冷池出流高度,与平原地区偏南暖湿气流形成显著的不稳定层结,产生显著的扰动温度梯度,触发不稳定能量使雷暴在下山过程中强度增强。多普勒雷达产品上也表现为强的反射率因子核,并出现回波悬垂和有界弱回波区等特征,速度产品上可看到一对明显的端点涡旋。在冷池不断加强和端点涡旋对后入气流不断加速的共同作用下,后侧入流气流加强成为后侧入流急流,在低仰角速度产品上表现为显著的大风区。后侧入流气流将环境中的干冷空气夹卷进入云体,通过蒸发作用产生负浮力,使冷空气加速下沉,加之降水粒子的拖曳作用,最终造成剧烈的地面大风。     

地面辐合线演变与多尺度天气过程的相互作用分析

受河套低槽和低涡切变的共同影响,2022年6月26日12∶00—13∶00(北京时,下同)陕西商洛境内商南县西部的金丝峡出现了极端短时强降水(简称“6.26”过程),小时雨强高达108.3 mm·h^-1,是一次典型的由中尺度新生雷暴引发的局地强降水过程。局地性和突发性强、持续时间短、降水强度大,各家业务模式均出现漏报。本文基于常规气象观测资料及加密自动站观测资料、多普勒天气雷达资料与欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA5),对此次短时强降水成因进行了详细分析。结果表明：(1)该过程发生在500 hPa河套低槽配合700 hPa低涡切变缓慢东移的环流背景下,商南地区动力抬升条件和能量条件较好,对流发生前K指数达到42.83℃。(2)局地充沛的水汽加之低层较强的垂直上升运动可将水汽迅速向上输送,有利于在金丝峡形成极端短时大暴雨。(3)金丝峡附近热力非均匀下垫面造成的局地环流和变压风引起的局地流场之间形成的中小尺度地面辐合线是导致金丝峡极端短时强降水的主要原因。金丝峡特殊的河谷地形, 一方面有利于触发对流,另一方面阻挡了低层东南气流沿山爬坡抬升,进一步加强了金丝峡上空大气的辐合,促使暴雨增幅。

     

复杂地形下三维局地环流的模拟研究

利用复杂地形上的三维雾模式研究了重庆市冬季局地环流的形成，演变过程及其主要特征。结果表明，重庆市冬季夜间四周山区有下坡冷空气向市中区汇集，中午前后逐渐向谷风环流转变。这种局地环流结构以重庆雾的生消起着重要作用。     

复杂地形上三维局地环流的模拟研究

利用复杂地形上的三维雾模式研究了重庆市冬季局地环流的形成、演变过程及其主要特征。结果表明，重庆市冬季夜间四周山区有下坡冷空气向市中区汇集，中午前后逐渐向谷风环流转变。这种局地环流结构对重庆雾的生消起着重要作用。并就成雾、山脉、初始大气稳定度等因子对局地环流的影响进行了数值试验。     

华中地区不同地形下的雷暴地闪特征分析

利用湖北省2013-2018年6-8月ADTD闪电探测数据对该地区的闪电活动进行特征分析后发现,地闪密度和日变化特征与地形密切相关,其中,闪电密度高值区出现在海拔500～1500m的中尺度山脉向平原的过渡地带以及山脉之间的平原(河谷)地区;山区的地闪集中在午后至傍晚时段,具有明显的单峰特征,平原的地闪日变化相对平缓,虽...     

山区复杂地形条件下的风场分析

利用实测资料对山区复杂地形条件下风场的一般特征和局地性特点作了计算分析,详细分析了山谷风的时空变化规律,比较了山谷风演变的不同阶段以及不同季节的特点和差异.     

2018年8月22日宁夏北部局地浓雾天气形成机制分析

利用宁夏972个地面自动站的10 m风场、2 m温度及露点温度,银川、大武口、平罗、贺兰4个常规地面观测站的能见度、温度及相对湿度逐时观测资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-Interim逐6 h再分析资料（0.125°×0.125°）,对2018年8月22日宁夏北部局地突发浓雾天气过程的环流形势、逆温结构及其热力、动力条件和形成维持机制进行分析。结果表明：8月22日宁夏北部局地浓雾发生在地面冷高压、高空暖脊及近地面微风的静稳天气条件下;较为深厚的暖平流和近地面冷空气侵入所形成的稳定大气层结,是大雾形成的必要条件;弱上升运动使混合层扩展至840 hPa左右,是该地区雾的发展和维持的重要原因。在本次过程中,深厚的弱水汽辐合较水汽自身的饱和与否更为重要,是大武口站浓雾形成的关键性因素。浓雾呈现平流-辐射雾特征,地面热通量在过程前期促进浓雾的发生,后期对浓雾起到抑制作用。     

复杂地形下地面观测资料同化III. 两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点。本文通过个例和单点试验对第I和第II部分 (徐枝芳等, 2007a, 2007b) 中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法 (即增加温度地形代表性误差和温度订正方法) 进行对比分析, 并将这两种方法应用于WRF_3DVAR, 进行3个月的连续数值试验。研究结果表明: 随着地形高度差异的增加, 采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值 (背景场值) 靠近, 在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义; 温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感, 在有探空资料参与同化分析时, 温度递减率取值敏感性相对减弱。当采用的订正值较为准确时, 采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异, 地面资料信息应用更充分, 得到的估计值最有可能接近真实值。当模式地形与观测站地形高度差异较小 (小于100 m) 时, 两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致。单点及个例试验表明, 有探空资料等高质量观测参与同化分析时, 采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场。三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时, 采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案 (Guo et al., 2002) 同化地面资料效果好, 且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善。当地面资料同化方案没处理好时, 加入地面资料同化的效果反而不如不加地面资料同化。