利用雷达资料反演方法对北京地区一次强对流天气过程的分析

利用多普勒雷达变分分析系统(VDRAS),对2006年8月1日傍晚北京城区出现的一次强对流天气过程(伴有冰雹、大风及强降水)的三维风场、温度场进行了初步分析.结果表明:(1)初始对流生成于北京西北部山区的河北省境内,系统过山移进北京城区时,受局地的动力及热力条件作用,迅速组织并强烈发展,形成带状的MCS即飑线;(2)在飑线生成之前,北京城区及东南部边界层低层存在较强的东风气流,并迅速扩展向西北方向延伸,与过山的西北偏北气流形成强的边界层辐合线.该近地面辐合线是飑线生成的主要触发机制,而边界层低层东风的加强和减弱以及北进和南退对辐合线的维持、飑线的生成、发展和减弱都起着重要的作用;(3)在边界层辐合线的作用下,不断有新生对流系统发展;(4)对流系统在整个发展过程中呈明显的带状分布特征,是一次典型的飑线过程,并伴有明显的阵风锋.     

华东地区一次飑线过程的数值模拟与诊断分析

本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)同化多部多普勒雷达观测资料和常规地面探空观测资料,对2009年8月17日发生在我国华东地区的一次飑线过程进行高分辨率数值模拟;利用模拟输出资料,分析该飑线过程的动力和热力特征和对流线单体后向新生的环境条件。研究结果表明:(1)在飑线系统初生阶段,从飑线后部(北方)的团状对流系统的低层MCV(mesoscale convective vortex)中南下的冷空气与西南暖湿气流相遇激发强对流,促进飑线发展;随着飑线系统的发展和南移,团状强对流系统的低层MCV的气旋性环流对飑线的影响逐渐减弱,而飑线本身产生的低层冷池向外辐散的冷空气与环境场西南暖湿气流辐合成为飑线持续发展的主要动力。(2)本次飑线系统属于典型的后向新生型飑线,由4条处于不同发展阶段的对流线合并而成,对流线上对流单体的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果,既需要一定的对流抑制能量促进对流有效位能的累积,也需要一定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡管向垂直涡度的转化。     

基于VDRAS资料探究河北中南部一次弓状强飑线的演变和机理

利用常规气象资料、ERA5再分析资料、北京VDRAS资料以及雷达资料,对2021年7月31日发生在河北中南部的一次弓状强飑线过程进行分析。结果表明：（1）此次飑线过程发生在冷涡的背景下,500 hPa涡后的冷空气与850 hPa的暖脊叠加,建立了不稳定层结,在地面辐合线附近触发。（2）雷达回波由分散的对流单体合并加强,强弓形出现时,最大强度值超过55 dBZ,存在径向速度大值区和中层径向辐合等特征,这些都预示地面大风的出现,而回波悬垂预示冰雹出现。（3）雷达反演的风场可以显示飑线的水平和垂直结构,能清楚地指示飑线的出流、入流以及辐合区,对指示飑线不同部位的发展趋势有重要指示意义。（4）地面风场辐合导致雷暴单体触发,雷暴单体在不稳定的大气层结中获得快速发展,发展过程中0～3 km的垂直风切变逐渐增强,低层形成冷池,热力不均匀区域扩大,沿着扰动温度梯度大值区与风场辐合区,新生对流向东向南传播,分散对流单体合并演变为飑线。（5）从飑线发展阶段的热动力结构分析中发现,由倾斜上升气流与下沉气流形成垂直环流,下沉气流增强时,冷池效应增强,低层环境垂直风切变也增强,环境条件的改变是飑线发展的结果,同...     

2013年汛期华中区域业务数值模式降水预报检验

利用常规气象资料、自动站加密观测资料、卫星云图和雷达资料、NCEP再分析资料、细网格模式资料以及区域中尺度模式,对2017年8月18日夜间沙颍河流域一次短时极端强降水过程的漏报原因和可预报性进行了探讨。结果表明：此次过程发生在西低东高的环流背景下,低层和边界层切变线稳定维持、超低空西南急流建立为强降水过程提供了水汽输送和辐合抬升条件;弱冷空气沿华北南部扩散南下逐渐侵入倒槽,在沙颍河流域形成中尺度辐合线（辐合中心）且长时间维持,触发不稳定能量释放,对暴雨有一定的可预报性。两个中尺度对流云团加强、合并发展为β中尺度对流系统,呈准静止状态,在沙颍河流域下游维持长达6 h是降水增强的直接原因。冷池及其前侧地面中尺度辐合线触发中尺度对流系统,强回波不断在中尺度冷池前侧温度梯度高值带中发展并维持,造成短时极端强降水。本次过程动力条件较弱,水汽主要集中在边界层,热力不稳定条件极为有利,但数值模式对此类对流性暴雨的捕捉能力有限,是暴雨漏报的原因。数值模式和业务预报对降水强度及极端性估计不足,以及预报员缺乏极端天气预报经验,也是造成这次过程预报失误的原因之一。

     

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。     

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。     

冷涡对两类对流系统结构演变作用的个例模拟对比分析

2015年8月22日,在同一冷涡背景下,华北东北部形成了多单体风暴,而在黄淮地区出现飑线过程。本文根据观测资料给出冷涡对中尺度对流系统发生发展的动力和热力作用,并基于WRF中尺度数值模式的模拟结果,对比分析了两类对流系统的形态结构演变和运动过程的差异、差异产生的原因及冷涡的作用,主要结论如下:(1)两类对流系统均位于冷涡后部,但形态演变和运动过程差异显著,北部分散性对流受地面风辐合及地形抬升的共同影响发展形成多单体风暴,呈西北—东南排列,主要以前向传播的方式缓慢向东南偏南方向运动,带来短时强降水为主的天气;南部线状对流由山东西北部和河南北部形成的多个孤立单体合并后形成,随后在黄淮地区发展为飑线系统,在平流移动为主的作用下向东南方向快速运动,产生雷暴大风和冰雹天气。(2)北部多单体风暴在冷暖气团交界面形成,位于冷涡西南象限,低层水汽和能量充足;新对流单体在边界层被触发后,沿着低层切变线向高能区传播。(3)南部飑线系统在冷槽后的地面干暖区低压带中形成,中尺度对流系统产生的冷池和雷暴高压的出流与环境相互作用,低层水汽条件转好,使得单体不断传播和合并,发展为飑线系统。(4)中层后部入流的强度和环境水汽条件对两类对流系统组织化过程有不同影响,飑线中层后部入流的增强主要来自环境西风分量的增加,与冷涡发展演变使得环境风场增强有关;北部对流湿层深厚,所处的中层风场弱,不利于多单体风暴组织化发展;南部飑线系统位于更强的环境西风引导气流中,后部中层入流强、高层环境空气干,有利于强下沉气流形成,从而促进雷暴高压和冷池的发展,强下沉气流还使中低层的风速增加,垂直风切变增强,有利于对流单体组织化发展形成线状对流。     

干侵入对我国东部一次强飑线过程的作用分析

利用常规观测资料、地面加密观测资料和多普勒雷达等多种资料,分析2018年5月27日广西飑线过程的天气背景、环境条件、发展机制及大风的成因,结果表明：500 hPa冷舌叠加低层暖脊建立了较强的层结不稳定结构,同时环境具有较大的对流有效位能,为飑线的生成和发展提供有利的环境条件;广西沿海中尺度辐合线是导致此次飑线系统初始对流形成的触发机制;飑线低层暖湿入流到风暴顶形成辐散,中层后侧干冷空气入流使得飑线内下沉气流加强,下沉气流出流在风暴前侧形成辐合,触发新的对流,以及入流和出流错开形成飑线系统的自组织结构,使得飑线在弱垂直风切变条件下发展维持;近地面冷池的合并加强,造成的冷池密度流是大风形成的主要原因。

     

弱天气系统强迫下北京地区对流下山演变的热动力机制

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分(4DVar)同化技术,通过对京津冀地区4部新一代多普勒天气雷达观测资料进行快速更新同化和云尺度模拟,初步分析了弱天气系统强迫下两次发生在北京地区对流风暴的低层动力和热力影响机制。这两次风暴过程处于弱天气系统强迫和弱层结背景下,局地冷池和环境风场的相互配合是造成山上对流风暴是否能够顺利传播下山的关键机制。起初,两个个例平原局地热、动力不均衡形成平原冷池,而冷池的“障碍物”作用进而阻碍环境风场的传播配置。在此机制下,导致在冷池东南边缘形成较强的辐合上升、垂直风切变和螺旋度。在6月26日个例中,由于冷池强度较强且位置偏南,因此阻断了东南暖湿气流向山区的输送,形成由平原至山区的辐散区使得山区的对流风暴不断减弱。但是,随着已经消散的对流风暴下沉气流,覆盖至冷池边缘东南气流上空形成了较强的风切变和垂直螺旋度,进而促使在冷池边缘形成新的对流风暴。而且,在新对流风暴生成后,由于平原地区整体切变强度较弱,因此形成了冷池扩张强度大于对流风暴传播速度的态势。这种配置会切断暖湿入流,从而导致对流风暴快速消亡。对于8月1日个例,冷池位置偏北,因而不受冷池阻挡作用的偏南风在山脚形成较强的辐合上升,同时与下山的偏西风形成明显辐合上升区,有利于山区对流风暴的不断增强;进而,受此影响,山上风暴降水产生若干冷池,新生冷池和原有冷池的相互挤压,在迫使中、北部风暴增强的同时,最终也导致这些风暴互相靠近,最终合并组织成带状对流系统。同时,北部冷池边缘形成的辐合带也为对流风暴向山下传播提供有利条件,而回波产生的冷池进一步增强,并明显扩展。低层风场指示冷池出流(阵风锋)更加强烈且存在明显的“前冲”特征,显现出部分飑线系统的热动力特征。但是由于此时平原地区处于弱切变环境中,风切变强度不能与冷池出流强度相平衡,同样冷池扩展将领先于对流风暴移动,切断东南暖湿入流,导致原有风暴快速减弱。在文章的最后,基于观测和模拟结果,对比分析这两个个例,初步得出了与对流风暴传播下山发展演变密切相关的低层热、动力配置概念模型。     

一次典型飑线过程多普勒天气雷达资料分析

利用多普勒天气雷达、卫星等观测资料和WRF模式模拟资料,对2016年6月19日发生在赣鄂皖交界地区一次飑线过程的演变特征和环境热力、动力条件进行分析,结果表明：（1）此次飑线过程由多个对流单体组织合并加强形成,降水云团稳定少动。（2）飑线的发生发展与地面辐合线、冷池密切相关,地面辐合线在飑线初期对对流单体有激发、组织作用,飑后气流引导冷空气下沉,配合水汽蒸发吸热形成地面冷池,而冷池向外辐散的气流与西南环境气流在飑线后部形成地面辐合线,新单体在地面辐合线附近发展,使飑线具有“后向”传播特征。（3）垂直于飑线系统方向的低层风垂直切变有利于飑线强对流组织发展,表现为风暴相对入流对水平涡度的转换作用。（4）风暴相对螺旋度是用来衡量风暴入流强弱以及沿入流方向水平涡度分量的大小,随着飑线的不断发展,正螺旋度的数值逐渐增大,飑线成熟时期达到最大,表明低层环境风状况处于最利于强对流系统和气旋性涡旋发展的时期,而后随着飑线系统的消亡逐渐减小。

     

新疆天山北坡中部一次冰雹天气成因分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、自动站资料和石河子CINRAD／CC多普勒天气雷达观测资料,对2010年7月11日发生在新疆天山北坡中部的一次强对流天气进行了综合分析。结果表明：这次冰雹天气发生在巴尔喀什湖低涡的环流背景形势下,较好的水汽条件、对流不稳定条件、0oC层和-20℃层的适宜高度以及较强的垂直风切变促使冰雹等强对流天气过程发生发展,同时山区和平原交界处的地形和热力不稳定作用对对流风暴的触发和发展成为冰雹云有着重要的作用。通过对多普勒雷达PUP产品的分析得出：这次强对流天气在组合反射率因子（CR）图出现了中心强度为63dBZ强对流单体和大面积〉50dBZ的强回波区;在反射率因子剖面（RCS）上表现为60dBZ强回波区的高度已达到5km,50dBZ强回波区的高度达到7．3km,整个回波顶高度达到12km的强回波墙,十分有利于冰雹的形成;在冰雹发生前期,平均径向速度图上出现了中气旋,促使对流风暴单体加强和维持;在冰雹形成区有低层辐合、高层辐散等特征;垂直累积液态含水量的跃增及其密度〉3．5g／m3十分利于冰雹的产生。     

强迫流与不稳定流的相互作用

通过数值试验的方法,研究非保守系统中的基流平衡被破坏和重建过程中,产生非平衡中尺度环流与不稳定能量造成的对流关系,着重探索在形成持续时间较长、尺度较大的深厚湿对流的物理过程中,强迫与不稳定的相互作用.研究结果表明:强迫流比不稳定流小一个量级.强迫流虽然本身的量值较小,但是强迫流是不稳定流的触发机制.如果环境场具有深厚的不稳定层(垂直或倾斜方向),并且环境场强迫出一定振幅的呈上升运动的强迫流,则在0～3小时以后,将在强迫流上升运动中心激发出不稳定流上升运动中心,或使已经存在的不稳定流上升运动中心向强迫流上升运动中心移动.     

TRMM揭示的南海不同回波顶高对流系统的季节变化特征

采用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)降水和云特征数据集,对南海2001年1月至2012年3月不同回波顶高对流系统的垂直结构、表面降雨率、数量时空分布的季节变化进行统计分析。结果表明:①浅对流、较深对流、深对流大于20dBz的回波区分别分布在4～8km、4～10km、4～14km之间;浅对流20dBz回波顶高的频率峰值为9km;冬季,较深对流、深对流20dBz回波顶高的频率峰值分别为13km、14.5km,其余季节偏高分别为14.5km、16km。②较深对流和深对流是南海地区面积平均降雨率较强的2种主要的降水系统;夏秋两季,较深对流的降雨率大于深对流;冬春两季,深对流的降雨率大于较深对流。③较深对流、深对流出现频次最少的季节为冬季,浅对流则为春季。④浅对流偏向于出现在12°N以南;深对流偏向于出现在12°N以北;较深对流在冬春季节集中在12°N以南,夏秋季节横贯南海。⑤夏秋两季在南海北部出现气旋性辐合上升的差异中心,南海中南部的西南水汽输送差异与700hPa以下水汽的辐合差异,是较深对流在夏秋两季比冬春两季带来更强降雨率的主要原因。     

Statistics of shallow convection on Mars based on large-eddy simulations. Part 1: shearless conditions

Results of large-eddy simulations of shallow, quasi-steady, shear-less convection in the Martian boundary layer are presented and discussed. In the considered three cases, turbulence is forced by the radiative flux divergence, prescribed as given functions of height, and the strength of the surface heat flux. It is constrained by the temperature inversion at the boundary-layer top. The resulting convective boundary layer exhibits horizontal cellular structures. The presence of radiative heating causes dimensionless statistics of turbulence to depend on the parameter F, defined in terms of the integrated radiative and turbulent heating rates in the boundary layer.     

赣北500hPa副高中心附近的一次对流天气分析

５００ｈＰａ副高中心附近的对流性天气是一种较少见的现象，它的形成机制与一般的对流天气明显不同。作者从天气形势，层结稳定度，锋区位置，湿度垂直分布等方面，对１９９３年８月１４日的对流天气过程进行了分析，找出了副高中心产生对流天气的一般条件。     

积云对流参数化方案对大气含水量及降水的影响

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL, 自从发展成R42L26新版本之后, 显示出对全球气候基本态的模拟能力, 但模式对流层低层以及热带地区整层偏干, 且对热带地区的降水模拟存在“双赤道辐合带”这一普遍误差, 在赤道地区以及北半球中纬度降水偏少, 而在拉丁美洲降水偏多。敏感性试验表明这些误差是相互联系的。通过将700 hPa以下的相对湿度趋近于“观测资料”的试验显示模拟的降水误差减小了。据此, 对Tiedtke 积云对流参数化方案中的浅对流部分进行修改, 增加了浅对流的侧向混合的卷入以及卷出率, 并减小了对流方案中的云水[CD*2]雨水的转换率, 将其耦合到模式中。积分结果表明, 修改后的方案明显改进了湿度和温度场的模拟, 对降水的模拟能力有了很大的提高, 基本消除了“双赤道辐合带”现象。     

GRAPES-Meso模式浅对流云辐射效应的改进试验

在万子为等（2015）对GRAPES-Meso模式浅对流参数化改进的基础上,进一步引入了浅对流云量诊断计算,并设计旨在完善浅对流云辐射效应的浅云云量和云中水凝物的补偿方案,以改进模式低层云量偏少和浅对流云辐射效应不足的问题。通过对数值试验结果的诊断和对比分析以及与观测的比较,重点考察了浅对流云量计算与浅对流激发的协调性、浅对流云对低云补偿后所产生的辐射效应以及对模式地面要素预报的影响等,验证了改进方案的合理性与有效性。结果表明:（1）浅对流云量诊断计算合理,其云覆盖区与浅对流激发区相吻合,引入浅对流云量的计算可减小模式云量的计算偏差、使其向观测结果靠近;（2）改进方案在浅对流发生区低层0.5-4 km高度范围内,对影响模式云辐射过程的浅云云量和云中水凝物形成有效补偿,最明显的浅云补偿在1-1.5 km高度处,浅对流活跃时期浅对流过程对浅云水凝物（云水和雨水之和）的补偿量可达20%-55%;（3）云光学厚度对浅云水凝物的补偿响应合理,即水凝物的补偿引起云光学厚度增大,两者的变化特征在时空分布上十分相似,且云光学厚度之变化受云水补偿的影响比受雨水补偿的影响更明显;（4）在白天时段,浅云补偿所产生的辐射效应使模式地表太阳总辐射有所下降,缩小了与观测的偏差,进而使地表温度和地面2 m气温模拟偏差减小。改进方案在缓解模式云量偏少、地表太阳总辐射偏强和地面2 m气温偏高等方面的作用,在批量试验中得到了验证。      

循环同化相控阵雷达数据模拟对流触发同化方案研究

利用WRF-EnKF同化系统,以2020年7月5日北京大兴发生的一次强对流天气背景下对流触发过程为个例,研究同化C波段相控阵雷达数据时更优的同化方案设置。本研究从同化频率、晴空数据处理阈值以及边界层杂波处理高度3个方面进行了研究。结果显示,高频同化可以抑制虚假回波,并有利于获得更准确的对流预报结果。将可靠晴空回波识别阈值设为-10 dBZ并剔除边界层内的低值回波可以有效改进对流触发的预报效果。为以后C波段相控阵雷达同化应用提供了新的同化方案思路。     

热带气旋内部非对称积云对流对其移动的影响

在一个简单的两层板对称CISK模式中，我们考虑了热带气旋内部非对称积云对流的作用，并由此推导出热带气旋移动的动力学速度公式。利用SPECTRUM-90这套热带气旋试验资料，本文着重分析了热带气旋内部非对称积云对流对其运动的影响，以探索热带气旋移动与引导气流偏差的可能机理。计算结果表明，考虑积云对流非对称作用产生的动力学速度确能明显改善热带气旋的路径预报效果，尤其对于一些疑难路径，这种改善作用更突出。因此，CISK理论不仅是热带气旋发展和维持的重要机制，而且对热带气旋移动的影响也不可忽视。     

强对流天气的雷达回波分析与预报

利用７１１转达做短时预报的关键是地雷达回波正确判别。根据观测资料及短时预报经验,并依据本地的特殊地形及气候特征,着重分析了强对流雷达回波的形状特征并引进了能量天气学的方法,以得出具有可操作性简明判据。