下击暴流形成机理及监测预警研究进展

下击暴流指对流单体强下沉气流引发的地面或地面附近的爆发性辐散出流,单个下击暴流会导致千米尺度地面强阵风,而下击暴流簇可导致较大范围间断性地面灾害性强阵风,其形成机制亦不限于强下沉气流辐散。文章回顾了下击暴流的界定,然后分为孤立风暴产生的下击暴流和中尺度对流系统内嵌的下击暴流两种情况进行讨论,内容包括对流大风和下击暴流产生的物理机理、风暴结构特征以及基于多普勒天气雷达的预警技术。在上述回顾基础上,对下击暴流形成机理及监测预警难点进行了讨论,提出了与下击暴流相关的亟需研究的问题。     

北京一次下击暴流的三维数值模拟分析

应用中尺度气象数值模式WRF模拟再现了2001年8月23日北京时间14时至24日00时发生在北京密云县附近的一次典型强对流风暴天气,重点发掘并分析了密云水库附近一次茁中尺度下击暴流的形成与演变过程。研究表明：（1）WRF模拟结果显示该茁中尺度下击暴流的生命期为1 h左右,水平尺度约为20 km,其水平和垂直流场与下击暴流流场的理论结构基本一致,但辐散气流流速在近地面层未能达到下击暴流定义的18 m/s;（2）模拟的下击暴流环境场中扰动位温、各水成物的比含水量与层结不稳定性以及上升气流的联系紧密,并可推断强下沉气流主要由雨水粒子拖曳作用产生,较大的位温扰动则加强了气流上升运动,迫使暖湿气块更大程度抬升,进一步维持和发展下击暴流系统。     

江苏典型下击暴流风暴结构特征统计分析

为了研究江苏地区下击暴流的结构特征,利用常规天气资料、雷达探测资料、自动气象站观测资料和ERA5再分析资料等,选取2007—2018年江苏地区19个典型下击暴流过程进行统计分析。结果表明:江苏下击暴流的分布呈北多南少,以湿下击暴流为主,7月是下击暴流的高发月份,孤立风暴型下击暴流具有弱的天气尺度强迫和上干下湿的结构,风暴移速较慢,飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫特征,风暴移速较快。下击暴流影响期间地面温度变化剧烈,温度降低伴随有明显风速增大过程。统计显示,产生下击暴流风暴的环境温度平均垂直递减率为6.8℃/km,能够保证负浮力的维持,干冷空气被中层辐合气流夹卷进入风暴内进一步加强了下沉气流,使得下击暴流得以维持和加强。下击暴流的初生阶段,强反射率因子核心和中层径向辐合出现在下击暴流发生前20—30 min,成熟阶段,强反射率因子核心高度有明显降低,低层呈辐散结构。      

一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析

该文首次利用我国新一代天气雷达资料对一次系列下击暴流过程进行了详细分析。2003年6月6日在安徽定远县和肥东县交界处附近发展起来的一个孤立的强烈多单体风暴, 产生了一次伴随强降雹的系列下击暴流事件。此次系列下击暴流事件实际上是由多单体风暴中3个相继发展的对流单体分别产生的3次下击暴流构成的。每轮下击暴流触地前, 都伴随着相应对流单体反射率因子核心的逐渐下降。在首轮下沉气流触地前6 min, 1.5°到4.3°仰角的径向速度图上都出现向着风暴中心的辐合, 其中以2.4°仰角 (地面以上约3~4 km) 的辐合最明显。因此, 反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的多普勒雷达回波特征, 可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生。     

微下击暴流的特征及其数值模似

文中概述了微下击暴流的特征 ,研究了 1 997年 7月 2 2日发生在北京地区的一个湿型微下击暴流的多普勒速度场结构 ;使用非静力全弹性中 -γ尺度模式 ,模拟了这个湿型微下击暴流线的主要结构和演变过程 ,与雷达实测结果吻合较好。结果表明 :在背景场为高温、高湿、垂直风速切变小的环境条件下 ,下沉气流的发展并非完全由蒸发、融化降温所产生的负浮力所支配 ,恰恰相反 ,降水拖曳力起主导作用 ;在不同的环境条件下 ,下沉气流发展的云物理过程可以有较大的差异。     

下击暴流的数值模拟研究

下击暴流是危害飞行安全的一种重要天气现象，特别是尺度为１—４ｋｍ的微下击暴流。为了了解下击暴流的发展过程，以及大气环境条件和云－降水微物理结构对下击暴流发生演变的影响，利用我们设计发展的非静力全弹性中尺度－γ模式，以一次发生了下击暴流的大气的温、湿、风实测资料为算例进行了数值模拟研究。计算结果给出了下击暴流发生发展的过程，以及在发展过程中各种物理量的变化，得出一些大气环境条件及水凝物粒子微结构对下击暴流发展的影响机理，有助于台站预报员掌握这种天气现象的出现和演变。     

2017年6月齐齐哈尔市一次下击暴流天气分析

本文利用CINRADCBROWSER雷达数据,对2017年6月30日齐齐哈尔市龙江县景星镇附近产生的下击暴流事件进行分析。本次下击暴流事件主要是由北部的对流单体不断发展融合产生,对齐齐哈尔地区共造成三次下击暴流,其中前两次下击暴流可观察到明显的弓状回波,第三次可观察到逗点回波;三次下击暴流均可观察到反射率因子核心的强度和高度有明显的下降过程,下击暴流的强度与反射率因子核心下降的高度和速度有关;径向速度图上三次下击暴流均有明显的辐合和辐散下沉过程,有明显正负速度对。     

2017年7月一次微下击暴流背景的多尺度特征

利用中尺度数值模式WRFV3.6模拟了2017年7月12日宁波机场附近的一次微下击暴流天气过程,结合浙江省自动站资料、机场自动观测数据、多普勒天气雷达资料等分析微下击暴流成因,结果表明：此次微下击暴流是由海风锋触发的强雷雨引起的,机场自动观测数据显示的风、温、压等气象要素的变化均呈现出明显的微下击暴流特征;数值模式较好地模拟出微下击暴流的水平风场结构;拖曳作用、下沉过程中冰雹融化、液态水和雨水持续蒸发降温作用是形成此次下击暴流的重要原因;低层位温扰动加强了垂直运动,中低层位涡异常增大区与雷暴强降水区域有较好对应关系。     

“东方之星”翻沉事件强对流天气分析及数值模拟

2015年6月1日21:32（北京时）左右,"东方之星"号客轮由南京开往重庆途中,行至湖北省荆州市监利县长江大马洲水道时遭遇狂风暴雨天气而翻沉。经调查分析,此次事故是由一次突发罕见的飑线天气伴随的下击暴流袭击所致。使用ARPS模式,同化常规资料及监利县周边4部雷达资料,综合多种观测分析飑线伴随下击暴流过程中系统结构及发展变化特点,结果表明:降水质点的拖曳和下沉气流的共同作用是强对流活动发生发展和下击暴流产生的重要原因,低层干燥、中层湿润的不稳定层结有利于动能向下传输及地面大风的生成。数值模拟表明:地面水平风场大值区、近地面水平和垂直风向风速变化、10 min累积降水量大值中心和组合反射率因子高值区走向呈一致的带状分布,与观测对应良好。受下击暴流直接影响,事故点附近的雷雨大风强度陡增,近地面出现狭窄的阵风锋,风切变明显;事故点附近主要受到超过10 m·s-1的下沉气流和超过18 m·s-1的强烈偏西风共同影响,降水中心分钟降水量超过10 mm。     

一次强雷暴阵风锋和下击暴流的多普勒雷达特征

利用江苏盐城多普勒天气雷达资料结合自动气象站和常规观测资料对2007年7月25日苏北兴化等地的一次雷雨大风过程进行了分析.结果表明:风灾是由两种不同类型的雷暴大风产生的.一种是阵风锋,产生于风暴前沿,影响时地面产生7～9级大风.另一种是下击暴流,产生于多单体风暴中,其反射率因子核初始高度高于-20℃等温线高度,有中层径向辐合和反射率因子核下降的特征.影响时风暴内部下沉气流在地面强烈辐散,产生10级以上的大风.阵风锋上空有新生单体合并进原风暴,风暴发展加强;当下击暴流产生、风暴减弱后,阵风锋上又有新生单体补充进原风暴,导致下击暴流连续产生,阵风锋持续影响.     

一次连续下击暴流天气的成因分析

基于多普勒雷达、闪电定位、地面观测资料和现场勘察情况,对2016年5月2日皖西南发生的一次连续下击暴流天气的成因进行分析。结果表明:引起2次微下击暴流的风暴为同一风暴单体,且为超级单体,旺盛阶段的雷达回波表现为钩状分布和倾斜结构;下击暴流产生的初始原因是液态或固态降水粒子下降的拖曳作用,中后期则主要源于热力不稳定、对流层中层的动量下传和补偿性气流作用,伴随的水成物与环境之间的负浮力增大是下击暴流发生的重要原因;对流层中层盛行风向造成的动量下传决定了2次微下击暴流的地面风走向;超级单体风暴具有反射率因子核最高和下降速度最快的特点,反射率因子核高度超过6 km,1个体扫间隔下降3 km左右或以上;当6 min降水达4 mm以上时,是发生下击暴流的征兆之一。     

广州白云机场一次微下击暴流引起的低空风切变过程分析

对2017年8月1日在广州白云机场产生的42.1 m/s强阵风成因进行分析,发现此次强阵风是微下击暴流的下沉气流到达地面造成的。利用广州白云机场的地面自动观测资料和C波段多普勒天气雷达资料分析微下击暴流经过机场时地面各气象要素的演变特征以及产生强风切变的对流单体的移动和强度演变情况。分析表明:微下击暴流到达地面后造成了强烈的风速和风向的低空风切变,气压骤升,温度迅速降低,利用高时空分辨率的地面自动观测数据可以发布低空风切变的告警;在微下击暴流产生强地面风前,对流风暴单体的雷达回波反射率强度突然降低、回波顶高减弱,径向速度图上出现了中气旋以及在近地层有强烈的反气旋辐散,可利用多普勒天气雷达发布低空风切变的预警。     

雷达数据外推与特征识别的下击暴流预警方法

现今利用普通气象资料对下击暴流进行识别预警的可行性很低,因此提出一种基于多普勒天气雷达资料的下击暴流识别追踪和预警方法。首先,采用光流法对反射率因子垂直剖面的光流场进行分析,得出风暴核心随时间演变的规律。然后,采用拉格朗日力学模型对风暴核心顶高的下降过程进行函数拟合。再采用直方图和巴氏系数统计分析法,对风暴核心中层径向速度场中的"正负速度对"图像进行匹配识别,综合一系列阈值的判定,最终实现下击暴流的智能预警。提出基于多层迭代的局部约束光流算法,有效改善了传统光流法对回波这类非刚体移动目标的不适用性。提出直方图和巴氏系数统计分析法,解决了因径向"正负速度对"图像的非对称结构而造成的图像匹配难题。个例检验结果表明,该方法可在风暴核心抬升和急速下沉的前期识别出潜在的下击暴流,并对风暴核心下沉速率和到达近地面的时间做出估测,从而实现下击暴流的智能识别、预警。     

一次下击暴流天气的多普勒雷达资料分析

利用多普勒雷达基本反射率、径向速度资料以及径向速度计算的风切变结果,对一次典型的下击暴流天气过程进行了分析．结果发现：强对流单体合并加强形成弓状回波,在弓状回波前沿反射率因子梯度大值区产生下击暴流,造成地面强风灾害;下击暴流过程中,中层以上一直存在强度不断增大的径向风辐合,为系统发展提供动力支持;下击暴流发生时,底层会出现相应的径向风辐散,是地面大风的直接反应;高低层垂直切变反映了强对流单体内部风场配置结构为底层有较强的暖湿入流、高层有明显的上层出流、中层以上升气流为主,这样的流场配置正是一般强对流单体中的常见特征．     

下击暴流的雷达预警量化指标研究

下击暴流是一种局地灾害性天气现象,对航空飞行安全有极大危害,也会对地面物体造成严重损害。依据下击暴流发生前母体雷暴(下文简称雷暴)反射率因子核迅速下降的特征,基于雷达体扫数据,定义了判断下击暴流发生、发展的“单位面积等效势能”概念,并结合下击暴流期间雷暴速度场中层辐合的事实,设计得到了下击暴流出流强度公式。结果表明:(1)单位面积等效势能值的变化准确反映了雷暴强中心高度变化。(2)相邻体扫的单位面积等效势能差,反映了雷暴能量的释放量,下击暴流发生前1—2个体扫的单位面积等效势能差达到最大,这反映了下击暴流的爆发;可通过设置单位面积等效势能的释放量为30%,预警下击暴流的发生。(3)单位面积等效势能的释放能够提前6—12 min预警出下击暴流的发生,并通过出流强度公式量化由下击暴流产生的地面大风值。预警风速的误差由雷暴距雷达的距离决定,距离越近风速误差越小,反之亦然。(4)对6次下击暴流预警结果表明,该指标能够准确预警下击暴流的发生,而出流强度受雷暴识别参数的影响较大,远距离误差较大。     

浅谈“Downburst”的汉译

近20年来,由于气象科学技术的迅速发展,新的名词不断出现,“Downburst”一词就是其一。这个词大约是在1976年T.T.Fujita的一篇题为《Spearhead echo and downburst near theapproach end of a John.F.Kennedy Air-port runway》的文章中首次采用的。到1978年,作者在一本专著《Manual of Downburst Iden-tification for Project NIMROD》中用得更广泛。由于书名太长,张杏珍同志将它简译为《下击暴流》(气象出版社1981年出版)。至今,国内对Downburst一词至少有4种译法:①下击暴流,②下冲气流,③下泻气流,④颓爆风。     

下击暴流的雷达预警量化指标研究北大核心CSCD

下击暴流是一种局地灾害性天气现象,对航空飞行安全有极大危害,也会对地面物体造成严重损害。依据下击暴流发生前母体雷暴(下文简称雷暴)反射率因子核迅速下降的特征,基于雷达体扫数据,定义了判断下击暴流发生、发展的"单位面积等效势能"概念,并结合下击暴流期间雷暴速度场中层辐合的事实,设计得到了下击暴流出流强度公式。结果表明:(1)单位面积等效势能值的变化准确反映了雷暴强中心高度变化。(2)相邻体扫的单位面积等效势能差,反映了雷暴能量的释放量,下击暴流发生前1—2个体扫的单位面积等效势能差达到最大,这反映了下击暴流的爆发;可通过设置单位面积等效势能的释放量为30%,预警下击暴流的发生。(3)单位面积等效势能的释放能够提前6—12 min预警出下击暴流的发生,并通过出流强度公式量化由下击暴流产生的地面大风值。预警风速的误差由雷暴距雷达的距离决定,距离越近风速误差越小,反之亦然。(4)对6次下击暴流预警结果表明,该指标能够准确预警下击暴流的发生,而出流强度受雷暴识别参数的影响较大,远距离误差较大。     

WINDEX在民航济南机场的应用举例

WINDEX是1994年McCann提出的预报下击暴流潜势的一个新指数。通过分析2001年7月2日的一次强雷暴带来的下击暴流，发现WINDEX在我国某些地区(例如济南)可能有一定用处，值得进一步尝试。     

武汉"6·22"空难下击暴流的三维数值模拟研究

使用武汉实测探空资料,利用三维强风暴冰雹分档模式对2000年6月22日发生在武汉的一次引起坠机事件的下击暴流进行了模拟和分析,并与实际观测进行了比较研究,结果表明:造成此次空难的下击暴流的发生发展与大的天气背景紧密相关;模拟微下击暴流的各种主要结构和生消演变特征与实测结果吻合较好;该下击暴流产生的直接原因是冰雹的重力拖曳作用引起,其次是冰雹的融化和雨水蒸发的冷却作用.空中散度和涡度的分布与变化同下击暴流也存在密切的联系.     

一次下击暴流天气特征分析

利用河南濮阳CINRDA/SB多普勒雷达探测资料,结合常规天气图资料、地面自动站资料等,对2011年7月10日发生在河南濮阳的下击暴流天气进行诊断分析。分析表明:此次下击暴流天气以高空快速下滑的低压槽为背景,高空冷空气叠加在低空暖舌之上,使大气具有强烈的层结不稳定。大气环境场呈倒"V"形的垂直温湿分布:云底位于700 h Pa高度,云底以下空气干燥,气温直减率约为9℃/km,接近干绝热气温直减率,有利于干下击暴流的发生。地面辐合线的存在和弱冷空气的侵袭,为强风暴单体的产生提供了动力抬升条件。从多普勒雷达产品上看,风暴初始回波发生在一条稳定的晴空窄带回波上,通过单体间的合并加强,发展成为孤立的多单体强风暴;风暴反射率因子反复在3—6 km高度强烈发展,风暴反射率因子强核高度反复4次快速下降,形成强烈的冷下沉气流,在底层出现强烈的径向辐散风;径向速度图上中层一直存在向着反射率因子核心的辐合特征,这正是下击暴流的风场特征。