一次长三角地区飑线过程的数值预报分析

2019年4月9日,长三角地区发生了一次罕见的长历时强飑线天气过程。在分析其天气形势背景和发展演变基础上,利用新一代华东区域数值模式对此次过程进行了预报分析,初步分析了其演变过程中的中尺度结构特征。结果表明,此次飑线发生在高空槽前、低层强烈辐合抬升天气背景下,强的垂直风切变、冷空气向南侵入与低层暖湿气流叠加建立了强的对流不稳定层结,是飑线发生发展和长时间维持的重要原因。数值模式成功模拟了飑线前部低层暖湿空气上升和后部中层干冷空气下沉这两支入流,以及飑线过境时边界层高度和大气可降水量迅速下降,地面中尺度冷池向东南方向的传播过程,冷池与对流风暴的移动速度基本一致,导致对流前部低层一直有风场的切变辐合抬升,有助于对流维持并发展。     

飑线结构和强度对低层湿度和环境垂直风切变的敏感性研究

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。     

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

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分同化技术,通过对6部新一代多普勒天气雷达观测资料进行快速更新循环同化和云尺度数值模拟,初步分析了2009年7月23日发生在华北地区的一次飑线过程的低层动力和热动力影响机制。结果表明,这次飑线过程处在低层中等强度切变的环境条件下,低层环境垂直风切变和冷池相互作用是本次飑线过程维持发展和传播的关键机制。在飑线发展的初期,低层垂直风切变较强,但冷池偏弱,冷池传播速度(C)和垂直于飑线的低层切变分量(ΔU)的比值C/ΔU<1,飑线回波前倾。而此时环境热力条件(对流有效位能较高和自由对流高度较低)对飑线的发展加强起到了积极作用,克服了这种低层切变和冷池不平衡所形成的不利条件。在飑线的加强和成熟阶段,由于对流降水使冷空气不断下沉,从而导致冷池快速加强,使低层切变和冷池强度逐渐达到近似平衡状态(C/ΔU≈1),低层大气处于最强的垂直抬升状态,飑线发展最为强盛,飑线回波直立。随着时间的推移,降水累积效应导致冷池强度明显大于低层切变强度(C/ΔU>1),不利的形势导致飑线逐渐趋于消散,飑线回波明显变宽、后倾,回波顶高显著下降。对模拟结果的定性分析和定量计算均表明,影响这次飑线过程发展维持的低层垂直风切变和冷池相互作用机制与Rotunno和Weisman等用来解释飑线发展演变的RKW理论一致。另外,模拟结果显示,低层0—3km风切变对飑线的发展维持最为重要,但是0—6km的中层风切变也有正面作用,特别是在飑线发展旺盛阶段,应该考虑其影响。     

地形对华南飑线升尺度影响机制的数值模拟研究

本文利用NCEP/NCAR提供的1°×1°的再分析资料,应用WRF4.0中尺度数值模式对2016年4月13日华南地区的一次飑线升尺度过程进行模拟,并设计一系列的敏感性试验,详细研究了南岭对飑线升尺度增长的影响以及可能的机制。结果表明:WRF模式较好的模拟了本次飑线过山前后的变化以及其降水的分布。强对流在过山后比过山前发展要强烈,水平的尺度增长快。但不同高度的地形敏感性试验表明,适宜的地形高度对于风暴的发展更有利。地形影响了飑线的尺度和组织,地形过高会使得广东北部的对流分散。地形可以通过改变水平流场、水汽场、垂直运动以及低层的垂直风切变等来间接影响飑线中的对流单体的分布和对流单体的强度。无地形阻挡时,有利于急流的北进,水汽输送更为有利。但是,一定的地形高度对低层的垂直运动是有利的。地形较高,则会利于高层的垂直运动,低层更多的可能以绕流为主。当地形超过一定高度时,低层的辐合场也相应的减弱。     

一次华南强飑线过程的数值模拟及后方入流作用诊断

利用WRF中尺度模式对2014年3月30—31日发生在华南的一次强飑线过程进行数值模拟。本次飑线过程受高空槽和低涡切变线影响,水汽条件充足,低层垂直风切变较强。模拟结果表明:发展阶段,后方入流缺口开始出现,飑线逐渐呈弓形结构;成熟阶段,飑线后方入流逐渐下沉到地面并延伸至对流区前沿,冷池完全移入残留冷区并加强,配合九连山下坡过程,飑线得以加强。后方入流对本次飑线过程的发展和维持十分重要。后方入流受环境风及中层负压力扰动作用开始形成,随后受对流区后侧中低层涡旋对的影响迅速发展增强而进入发展阶段,反气旋式涡旋的北侧风场促进了后方入流的形成和发展;成熟阶段,气旋式涡旋的南侧风场使后方入流迅速增强。气旋式涡旋区域主要受涡管拉伸作用增长,反气旋式涡旋区主要受涡度倾斜增长作用。涡旋对垂直涡度主要是由低层水平涡度向上倾斜引起,而水平涡度则是由斜压作用产生。     

伊犁地区一次罕见特大暴雨中尺度系统的数值模拟

利用自动气象站观测资料、FY-2G卫星TBB资料和NCEP/NCAR再分析资料,针对2016年6月16—17日伊犁地区的一次罕见强降水过程,在天气形势和中尺度系统分析基础上,借助WRF模式高分辨率模拟资料对强降水的形成过程进行细致分析。结果表明:中亚低槽、高空偏西急流、低空切变线和辐合线是此次强降水过程的主要天气系统。多个中尺度云团受伊犁北部天山地形抬升作用,长时间维持在沿天山地区,并持续产生强降水。模拟结果显示,不断移至北部沿天山地区的中尺度对流单体是造成此次伊犁地区强降水的直接中尺度系统,其发生发展与低空急流、低层风场辐合和地形有密切关系。低空急流增强引起动力辐合增强,触发不稳定能量释放,加之地形抬升,使得垂直运动维持并快速发展,并在有利的水汽条件配合下引发低层辐合线附近对流系统加强,导致伊犁北部沿天山地区出现强降水。     

不同强度台风相伴随的内陆台前飑线对比分析

本文应用多种常规观测资料和非常规观测资料,以两个强度差异较大的台风(201409号台风威马逊和200606号台风派比安)在内陆造成的台前飑线为研究对象,从飑线产生的实况、大尺度环流背景及飑线不同阶段进行分析,重点以飑线初生阶段的环境条件和成熟阶段的地面中尺度特征、垂直结构进行对比分析。分析结果表明:(1)"威马逊"飑线主要是台风倒槽和副热带高压(以下简称"副高")的相互作用引起的;而"派比安"飑线则是由台风倒槽、副高、西风槽相互作用引起的;两次过程副高位置的不同造成台风外围东南急流位置的差异,"派比安"飑线过程中东南急流更有利于飑线的持续。(2)飑线初生阶段,充沛的水汽来源、明显的条件不稳定、不稳定能量的积累、对流抑制能量的减小均为飑线的初生提供了有利的条件,地面辐合线使得离散的对流单体组织发展成飑线;而水汽条件、地面辐合线位置的差异导致了两次飑线初生位置的不同;对流有效位能(CAPE)、对流抑制位能(CIN)差异预示着"派比安"飑线过程对流发展潜势强于"威马逊"飑线过程。(3)飑线成熟阶段:由地面温压场特征分析出"派比安"飑线冷池中心比"威马逊"飑线更明显;垂直动力结构更有利于强对流的产生和发展。(4)西风槽底部和台风倒槽顶部在湘北的结合,使得已衰减的"派比安"飑线再次增强发展形成Ⅱ阶段飑线。(5)和以往研究的西风带飑线相比,这两次飑线过程并没有分析出那么强的"雷暴高压"、正变压,但有冷池、明显的温度梯度、气压梯度,低层的垂直风切变主要是由风的方向变化所导致。     

云南南支槽飑线雹暴中尺度特征及环境条件

利用自动站、FY-2E卫星、地闪及1°×1°NCEP再分析气象资料对春季两次南支槽影响下云南飑线雹暴中尺度特征及环境条件进行分析。结果表明:南支槽前的高低空偏西急流不仅为强对流雹暴提供水汽条件,而且相互耦合加强上升运动为强对流雹暴提供动量条件,雹暴发生在500 h Pa和700 h Pa南支槽前的偏西急流耦合区内;高空深厚强急流带和强垂直风切变导致中高层强斜压性加大而加强上升运动促使雹暴发展,且中低层强垂直风切变影响雹暴的组织和发展,雹暴发生在中低层垂直风切变大于等于3×10~(-3)s~(-1)的区域;青藏高原500 h Pa低槽东南移引导北方冷空气南下,形成中层冷空气入侵和低层暖脊控制的上冷下暖大气强烈不稳定,为强对流雹暴发生发展提供重要的对流不稳定条件,雹暴发生在850 h Pa与500 h Pa温差T_((850-500))≥27 K的强烈不稳定区域内;上冷下暖的强烈不稳定和强烈垂直风切变导致南支槽对流积状云形成,后侧中层冷平流侵入和高空急流动量下传作用进一步发展形成逗点状对流云系和弓形飑线,而偏西急流强弱和强垂直风切变大小是导致两次飑线雹暴发展差异的直接原因。     

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。      

飑线组织化过程对环境垂直风切变和水汽的响应

利用ARPS模式对飑线发生发展过程进行二维理想数值试验,讨论了低层环境垂直风切变和水汽条件变化时,飑线内部物理因子配置变化及其与系统强度演变的联系。研究表明,飑线发展过程中出现的动量、热量和水汽的再分配过程,造成系统内垂直环流结构和扰动温湿场分布发生变化,从而影响系统内部深对流的组织化过程和飑线强度的发展。基于低层环境垂直风切变和水汽两个要素的敏感性试验研究表明,低层环境垂直风切变增大（减小）时,飑线移速减慢（加快）,冷池前沿激发的新对流与中高层的垂直运动相互贯通（分离）,飑线系统强度随之增强（减弱）。此外,当低层水汽增加（减少）时,会导致输送到中层的水汽增加（减少）,中层凝结潜热释放增多（减少）,该层垂直运动增强（减弱）;同时,飑线系统区域环境释放的对流有效位能（CAPE）增大（减小）,新生对流的强度增强（减弱）。低层水汽条件通过水汽输送和能量释放,改变冷池前沿新对流与中高层垂直环流的组织化结构,从而影响飑线强度。     

黄淮流域一次飑线天气的数值模拟与分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和探空资料,对2009年6月3日发生在黄淮流域的强飑线天气过程进行诊断分析,并采用WRF模式进行天气过程模拟和进一步研究。结果表明：本次飑线天气是东北冷涡后部横槽引导冷空气南下与南方暖湿气流相遇引发的。地面干线附近是雷暴和飑线的高发区。这次飑线天气发生在高空急流减弱之际、低空急流建立之前。高低空急流的U、V风分量变化对飑线有一定的指示意义。不同阶段的飑线降水和大风出现位置不同。     

山东省2006年4月28日飑线天气过程分析

对2006年4月28日山东省一次飑线天气过程进行诊断分析,应用湿位涡守恒理论研究了飑线的发展机制。结果表明：飑线是由500hPa西风槽影响产生的,为低层增温增湿,高层冷空气南下,低能舌叠加在高能舌之上,导致大气对流性不稳定。850hPa切变线和地面低压槽中的辐合上升运动触发对流不稳定能量释放,产生中尺度对流云团,在热力不稳定和风垂直切变的环境条件下对流云团东移发展,形成飑线。低层大气湿斜压性增强,破坏了地转平衡,倾斜涡度发展,上升运动增强,对流发展;高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大,导致其垂直涡度增大,有利于对流层低层中尺度涡旋发展,对流增强。较强的上升运动与风垂直切变相互作用,促使对流系统发展形成飑线,产生雷雨大风。     

北京地区一次飑线的组织化过程及热动力结构特征

2015年8月7日华北西北部的一次断线状对流系统向东南方向移动,并与平原地区多单体雷暴合并、组织,最终形成强飑线,造成北京地区出现较大范围的风雹和局地短时强降水天气.基于多源资料的研究结果表明:(1)飑线形成有三个阶段:上游线状对流发展移动、平原多个单体雷暴的新生和合并、线状对流并入本地多单体后组织成飑线.第二阶段中,...     

利用双多普勒雷达研究强飑线过程的三维风场结构

山东齐河CINRAD/SA和滨州CINRAD/SC雷达相距125.5km,组成了双多普勒雷达观测网,利用2004年6月21—22日的一次强飑线过程的多普勒天气雷达探测资料,分析了双雷达观测资料的质量控制结果,并根据双多普勒雷达反演的三维风场研究了飑线的三维结构。结果表明,两部雷达探测的回波在水平位置上有2.0km的差别,回波强度滨州雷达低5.2dBz,回波结构也有一定的差别,径向速度在可比较的区域一致性很好。飑线不同位置的水平风场结构有很大不同,在飑线北端,低层是气旋性辐合风场,飑线南端是反气旋性辐合风场,而中部沿强对流窄带的前部是偏西和东南风的风场辐合。中高层云中风逐渐转为西北风,强对流回波带上空对应辐散风场;垂直于强对流带方向的风场垂直结构表明:成熟阶段,强对流窄带前部的低层是入流气流,即东风气流,它与对流带后部的西风相遇后向上倾斜上升,在中高层向前流出形成飑前砧状云。减弱阶段,低层的西风分量增强并向前穿过强对流回波带,导致前面的入流气流风速减弱、下边界抬高,这一垂直风场结构和演变特征与美国中纬度飑线的结构基本一致。     

2011年7月29日山西大暴雨过程的多尺度特征

利用1°×1°的NCEP再分析资料、红外辐射亮温（TBB）、多普勒雷达和气柱水汽总量等资料,对2011年7月28-29日发生在山西境内的区域性暴雨进行多尺度特征分析。结果表明：（1）乌拉尔山阻高崩溃,西风槽东移、副高进退是此次暴雨发生的环流特征;（2）850 hPa低涡切变和700 hPa暖式切变线及地面冷锋是暴雨发生的中α尺度触发系统;（3）〉30 dBZ的雷达回波呈南北向位于地面冷锋与700 hPa切变线之间,雷达回波随地面冷锋和700 hPa切变线的东移而东移;（4）低空低涡切变受500 hPa强盛西南气流的引导向东北移动,暴雨落区始终与低涡切变相伴随;（5）暴雨过程山西境内共有9个中β尺度对流云团活动,山西西南部的暴雨主要由5个中β尺度对流云团的相继移入并在自动站极大风速风场切变线附近触发对流发展所致;山西东南部的大暴雨则是3个中β尺度对流云团合并发展的结果,中γ尺度气旋是导致局地大暴雨发生的直接影响系统;（6）暴雨发生在气柱水汽总量空间分布图中水汽锋的南部和东部及靠近气柱水汽总量的大值区一侧,水汽锋的形成比降水开始提前17 h,比暴雨发生提前24 h以上,对暴雨的短期、短时预报有指示意义。     

“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。