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.     

影响预报员应用先进天气预报技术的因素分析

先进的天气预报技术只有被预报员有效应用才能发挥其重要作用。为了促进预报员应用先进技术,有必要对影响预报员应用先进技术的各方面因素进行分析研究并提出对策,以提升气象服务能力和提高气象服务质量。本研究对短时临近预报新技术产品从无到有、预报员对新技术产品从陌生到接纳应用的整个过程进行连续3年的互动式调查评估,以B08FDP技术产品被预报员在北京2008年奥运气象服务中的应用过程为例,采用问卷调查和深度访谈的方式,通过2006年预报员的需求调查,挖掘出先进的预报技术产品要被预报员接纳和应用所面临的3个突出问题,并进行分析研究提出对策建议反馈给气象部门;通过2007和2008年追踪分析B08FDP被预报员逐步接受并应用的情况,揭示出要提高预报员对先进技术的应用,就要深入调查预报员需求并给予满足、有针对性地开展预报员培训教育、建立完善预报员与科研人员互动反馈的常态机制。     

高分辨率WRF三维变分同化在北京地区降水预报中的应用

为迎接2008年北京奥运会,改进北京地区的天气预报,建立了一个基于三重嵌套区域(27/9/3 km)的WRF三维变分同化(WRFVar)和WRF模式的高分辨率快速更新循环同化预报(Rapid-Up-date Cycle)系统,并针对2006年8月1日发生在北京地区的强对流天气进行了一系列数值试验,结果表明:高分辨率的快速更新循环系统很好地预报出了此次强降水过程;在WRF三维变分同化里调节背景场误差和观测误差,提高了降水预报的效果;插值得出的3 km背景场误差可以作为一个合理的近似在3 km分辨率的WRFVar中使用,用户可以不必积累高分辨率的预报场去计算背景场误差,从而节省大量计算资源。3 h频次的RUC已经能满足预报要求,更高频次(1 h)的RUC并没有导致预报的进一步提高。     

新一代天气雷达与强对流天气预警

简要介绍了对流风暴的分类、对流风暴的强弱和强对流天气的多普勒天气雷达识别和预警技术，以及新一代天气雷达对强对流风暴预警水平的改进。     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

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。     

基于雷达资料四维变分同化技术对北京地区一次下山突发性增强风暴热动力机制的模拟分析

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4部新一代多普勒天气雷达探测资料进行快速更新同化和云尺度模拟,初步分析了2009年8月1日发生在北京地区的一次短生命史、突发性增强风暴的低层动力和热力影响机制。此次风暴过程处于弱天气尺度背景和弱层结背景下,冷池和低层环境风场相互作用是造成山上对流风暴增强传播下山的关键机制,而风暴的短生命史和平原地区上空弱风垂直切变环境有关:在对流风暴产生的初期,由于平原地区局地热力、动力场分布的差异,在平原地区西部近地面形成冷池结构,而冷池的“障碍物”作用进而阻碍环境风场的传播。在此机制下,导致在冷池东南边缘附近形成辐合中心、较强的低层水平风垂直切变和全螺旋度大值中心,有助于风暴传播下山。在风暴临近山边阶段,平原地区原有冷池的“绕流”等机制仍然有助于形成有利于主体风暴传播下山增强的近地面辐合中心、强低层水平风垂直切变和全螺旋度大值中心等环境。此外,随着山上风暴降水产生若干冷池,由于风暴形成的阵风锋抬升作用以及新生冷池与老冷池的逐渐发展并相互靠近,使冷池之间暖空气不断抬升,在冷池之间低层形成较强的辐合中心、全螺旋度大值中心。并且,由于冷池边缘的热力场分布不均匀,同样在冷池边缘形成较大扰动气压和扰动温度,增大了垂直加速度,在冷池之间中高层形成上升气流区,这些机制使北部风暴重新增强和新生风暴产生的同时,最终也导致这些风暴互相靠近,合并组织成带状回波。风暴在平原传播阶段,带状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特征。但是,由于此时平原地区处于弱风垂直切变环境,此时冷池强于低层风垂直切变,即冷池产生的负涡度大于低层风垂直切变产生的正涡度,因此,冷池前沿的上升气流向后倾斜并导致阵风锋逐渐离开主体风暴,不利于沿着出流边界形成新的对流单体,从而不利于维持对流风暴系统的发展传播。随后,阵风锋和前方东南气流交汇,形成新的孤立单体。并且,基于模拟结果计算了与对流系统发展密切相关的全螺旋度、风垂直切变。结果显示,风垂直切变(尤其是0—3 km)和全螺旋度与风暴发生和传播位置及强度相关性较高,反映出模拟量对带状回波风暴过程具有较好的指示意义。     

北京城区近地面比湿和风场时空分布特征

利用2008—2012年北京城区平均5 km的高密度自动气象站逐时观测数据,分析了北京城区近地面比湿、风向和风速的时空精细分布特征,初步探究了城市下垫面对局地气象要素的影响机制。研究表明:夏季白天北京城区为干岛,冬季城区表现为弱湿岛特征。受城市效应的影响,北京城区与郊区比湿日变化有明显差异。近地面10 m风受到地形、城市和季节性盛行风的共同影响。当气流经过城区时有明显的绕流现象。夏季05:00—10:00 (北京时,下同),受山风、弱的夏季偏南风和城市热岛共同作用,气流向城市中心辐合。冬季15:00—19:00,受季节盛行风偏北气流和谷风偏南气流的共同作用,在城区形成一条西北—东南走向的辐合线。对风速研究发现:城市粗糙下垫面使北京城区风速减小,二环路和三环路之间存在一条“n”状的风速小值带。由此可见,除已开展较多研究的城市热岛效应外,北京城市效应对近地面湿度和风场亦有显著影响。     

海底热流长期观测系统研制进展

浅海和俯冲海沟等海域,不仅是矿产和油气资源主潜力区,也是构造地震频发区,其浅表热流和深部温度信息对于了解板块俯冲和岩浆活动等过程至关重要.这些区域浅层地温场和热流场受到底水温度波动（BTV）强烈扰动,其背景热流需由长期观测来获取.在全面分析了国内外海底热流长期观测技术特点后,我们提出了系缆式海底热流长期观测方案,2013年起陆续开展了部分核心技术的预研究及一系列海底、湖底及浅孔试验.结果表明：（1）自主研制的长周期低功耗微型测温单元,在2~36℃的环境下可连续观测1年;系缆式投放与回收方案即使在地形陡峭、1.5 kn流速及无动力定位等条件下仍然可行.（2）南海北部BTV总体随水深变浅而增强,在浅水区对浅层地温场扰动不可忽略.例如,在水深2600~3200 m和850~1200 m海域分别为0.025~0.053℃（17天内）、0.182~0.417℃（2天内）,而台西南盆地北坡（水深763 m）夏季的海底热流由浅表的0.69 W·m^-2转变为0.83 m以深的-0.25~-0.05 W·m^-2.（3）兴伊措和湖光岩玛珥湖BTV向深部传导过程中其幅度逐渐减弱、相位滞后,进而导致热流方向与强度随季节发生变化.而康定中谷浅层（7 m内）地温在不同深度处同步波动,且冬高（35~36℃）夏低（28~32℃）.推测为夏季大量降雨所致;其热流浅部低（0.504 W·m^-2）深部高（0.901 W·m^-2）,指示着鲜水河断裂带深部热流体上涌.这些预研究工作为后续系缆式海底热流长期观测系统的正式研制与应用奠定了扎实基础.

     

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。