超低空急流的形成及其对飞机起落飞行的影响

本文用天津气象铁塔资料,分析了一次超低空急流过程均演变与塔层内逆温变化的关系,并讨论了超低空急流对飞机起落飞行的影响及飞行人员应该注意的事项。

乌鲁木齐城区一次极端东南大风的形成机制——重力波与超低空急流耦合

东南大风是乌鲁木齐城区独有的强灾害性天气,通过研究发现东南大风是天山峡谷特殊地形造成的大振幅重力波与超低空急流耦合触发的强下坡风暴。针对2012年3月30日乌鲁木齐城区出现的近10 a最强的一次东南大风天气过程,使用中尺度WRF模式进行数值模拟,分析模式输出的高时空分辨率产品发现:在气压梯度力作用下,气流从天山峡谷南端进入,一方面由于狭管效应在峡谷内300~400 m高度形成超低空急流;另一方面气流在进入峡谷过程中,因爬坡强迫抬升形成重力波。重力波在峡谷内与超低空急流发生耦合,在峡谷北端背风坡形成大曲率背风波,背风波的下沉运动引起动量下传,将超低空急流的能量输送到地面,形成水跃型下坡风暴即东南大风。在此过程中背风坡上空风向切变的临界层吸收上层波能量加强了超低空急流,对流层低层稳定层结对背风波的下沉运动起到加速作用。

农林复合系统上空超低空急流和逆温之间关系的诊断研究

根据湍流参数化闭合方法讨论了黄淮海平原农林复合系统上空超低空急流和夜间晴空逆温之间的关系。结果表明，春末夏初生长茂盛的农林植被可以有效地加强近地层逆温强度，而边界层内一定强度的逆温存在将有利于形成超地转的低空急流，逆温强度越大，超低空急流越强。利用上述方法还进一步研究了地转强迫强度和地面粗糙度等外强迫作用对超低空急流的形成和加强的影响。

超低空急流形成的爬、绕流对长白山地区一次突发性暴雨的影响

为了研究、揭示超低空急流与地形作用对暴雨的增幅机制,以2021年7月14日夜间发生在辽宁东部长白山地区的一次山地突发性暴雨为例,利用辽宁省地面观测降水数据和ERA5再分析数据,针对超低空急流形成的爬流及绕流对此次暴雨的影响进行研究,结果表明:(1)在东北冷涡东南部、副热带高压后部的有利环流背景下,偏南低空、超低空急流建立,为辽宁东部带来充沛的水汽和能量,降水的阶段性变化与低空急流的强度、位置、方向存在一定关系。(2)山地与平原过渡区的地形高度差强迫气流产生爬流运动,爬流所强迫的垂直运动由下至上逐渐减弱,大值区位于山地坡面上,山地区域爬流极值中心处于雨带中心位置,地形的爬流运动对降水范围及强度至关重要。(3)以东西方向为主导的绕流对暴雨区域局地涡旋的形成具有一定贡献,并且绕流对暖湿气流在降水中心起到汇聚的作用,间接为空气抬升提供增幅效果。爬流、绕流共同作用下,坡地区域次级环流上升支触发对流发展,不稳定能量释放,导致山区局地大暴雨的出现。

超低空急流的数值研究

用设计的求定常方程数值解的方法，计算了超低空急流和边界层逆温在数量上的对应关系。研究表明，超低空急流的形成除要求逆温强度Is≥0．11k／10m外，还要求逆温层具有相当大的厚度，这些结论和观测资料统计分析较一致。利用上述方法还进一步讨论了地转强迫强度对超低空急流的影响。

超低空急流背景下的景德镇市大暴雨过程分析

分析了超低空背景下景德镇市大暴雨的特征,主要结论如下:景德镇市的大暴雨与超低空急流关系密切,有超8成的大暴雨伴有超低空急流或准超低空急流。在超低空急流背景下的大暴雨分为梅雨型、台风型、冷锋型、低涡型、高空偏北气流型和涌线型等6种形势,以梅雨型和低涡型居多。暴雨主要与中低层切变线密切相关。梅雨型有南北两支气流及相伴的带状(块状)副热带高压,台风型要形成两高一低的阻塞形势。暖区中的低空急流易在地面诱发辐合线,在冷锋型、涌线型等形势中在辐合线附近触发强降水。在低涡移向的右前方和上下重合的低涡中心易出大暴雨。高空偏北气流型多发生在7-8月,低空急流将副高控制区的高能、高湿空气向东北方向输送,与高空偏北气流构成强不稳定,在低空多层辐合系统的作用下,出现强降水。大暴雨过程中不伴有超低空急流的有大风速型、7至8月辐合型、副高型和低槽+切变+低涡+中层西南急流型。

4次大暴雨过程雷达径向速度和超低空西南急流特征分析

利用多普勒天气雷达VWP资料,结合探空资料和降水实况,对4次大暴雨降水过程雷达径向速度和超低空西南急流特征进行了分析。4次强降水过程有3次属于低槽冷锋类,1次属于切变线类,K值较大,850 h Pa与500 h Pa温差较小,较弱的垂直风切变,中低层具有充沛水汽。低层具有相似的流场结构,径向速度上零速度线表现为"S"型,即暖平流结构。上游超低空风速≥10 m·s-1,上下游雷达之间出现≥5 m·s-1的风速差之后,两部雷达之间出现小时雨量30 mm以上的强降水;上游超低空急流达到12 m·s-1以上,并且上下游超低空风速差超过15 m·s-1,降水强度进一步加强并维持。超低空急流的建立与维持,同时上下游雷达之间的超低空强辐合,为降水风暴的发展与维持提供了能量、水汽与动力条件,对强降水的形成与持续具有重要作用。

一次中尺度急流激发的辽宁大暴雨观测分析

应用地面加密自动气象站、常规探空、卫星及多普勒雷达探测资料对2008年7月31日夜间发生在辽宁省的一次大暴雨过程中的急流特征进行了分析。分析结果显示,在超低空环流场中同时存在着大尺度偏南急流和中尺度西南急流。在中尺度西南急流左侧生成的西南—东北向的中-β尺度云团列直接引发了大暴雨。进一步分析表明,超低空中尺度西南急流与高空急流方向相近且风速相当,形成了二次切变型的空间垂直分布,在其左侧激发了涡旋Rossby重力波的不稳定发展,从而生成中-β尺度云团列。

急流对江西省一次暴雨过程的作用以及模式预报检验分析

利用NCEP fnl 1°×1°全球资料、常规气象观测资料和风廓线雷达资料,从急流角度入手对2014年5月16-18日江西中北部地区的暴雨过程进行诊断分析。结果表明,超低空、低空急流的加强为暴雨区持续提供能量以及水汽,且急流前端辐合抬升加强了上升运动;高空200 h Pa我国东北地区低涡和南亚高压配合形成的分流区产生的辐散作用对降水存在促进作用;超低空急流脉动有利于强降水的产生;高、低空急流的适宜配置产生的动力场耦合作用,为大暴雨的发生、发展提供非常有利的动力条件。对模式风场预报检验发现,模式预报稳定性较好,但是模式预报在急流核强度上与实况存在一些差别。

黑龙江一次暖区极端对流性暴雨成因分析

利用常规气象观测等资料,对黑龙江省一次低涡暖区中发展的中尺度对流系统和暴雨成因进行分析。结果表明:暴雨由低涡前暖区中触发中尺度对流系统造成;在低槽加强为低涡的过程中,高低空风速加大,垂直风切变和对流有效位能显著增大,超低空急流的建立使得不稳定区暖湿条件维持,中层弱冷平流,低层强暖平流,有利于对流区位势不稳定层结的重建与维持;对流在中低层辐合线上触发,进入暖湿高能区维持,主要强降水系统为弓形回波与强降水超级单体,弓形回波形成的冷池与低层偏南气流的辐合有利于风暴维持并触发新的对流,延长风暴的生命史,对流单体并入弓形回波后降水效率翻倍。

江南北部不同阶段暴雨性质及触发条件差异分析

利用国家站常规观测降水资料、自动站观测资料、NCEP再分析资料、江西景德镇、上饶TWP系列风廓线雷达产品等对2022年4月25—26日江南北部一次暴雨过程的2个暴雨阶段性质和触发机制差异进行分析,研究表明:(1)700~925 hPa在暖区暴雨阶段江南北部处于温度暖脊中、南侧低空气流及超低空急流中心均达20 m/s以上、该地区有强风速辐合、对流层中低层有持续的暖平流,近地面有辐合线以及偏南大风,以上均是暖区暴雨的重要的热力和动力触发条件;强不稳定层结和较大的垂直风切变更有利于暖区对流性暴雨的产生。(2)锋面暴雨阶段急流明显减弱,暴雨触发条件一是近地面有浅薄的冷空气渗透在地表,低空为暖湿空气,从而强迫抬升触发强降水;二是锋面和切变线移近,有正涡度平流,利于该地区强降水的产生。(3)暖区暴雨前在风廓线雷达产品中有动量下传的特征;锋面移入的动态特征在风廓线雷达产品中表现为偏北风的转变高度自下而上呈阶梯状上升。

一次弱天气背景下浙江局地暖区暴雨成因分析

利用多源观测资料及ERA5(0.25°×0.25°)再分析资料,对2021年6月9日夜里浙江首场梅汛期局地暖区暴雨的降水成因进行了诊断分析。结果表明:此次过程环流形势与典型梅雨完全不同,属于弱天气背景下的局地暖区暴雨;南海低压和西太平洋副热带高压之间东南气流的维持,为暴雨区提供充沛的水汽来源,925 hPa超低空偏南风急流的加强有利于低层增温增湿,不稳定层结加剧,暴雨区位于急流轴左侧;整层高湿背景及较低的自由对流高度导致的弱抬升条件就能触发对流,中高层气旋性辐合旋转加强使暴雨加强,较厚的暖云层有利于提高降水效率;地面中尺度辐合带的生成激发了初始对流,其维持和加强不断激发对流云团生成,产生列车效应,导致暴雨形成。龙门山小尺度地形有利于东南气流在迎风坡强迫抬升,对流加强,且垂直速度的发展程度与地形有较好的对应关系,地形高度越高,激发的垂直速度越强。

宜昌市致洪中尺度极端降水成因分析

极端降水对河流防洪调控、水库蓄水泄洪等具有重要的影响,研究极端降水成因成为强化区域洪水资源管理的必要环节。基于多源观测资料和ERA5再分析资料,利用HYSPLIT后向轨迹模式和锋生强度诊断等方法,对2023年8月26日夜间宜昌市致洪中尺度极端降水成因进行分析。结果表明:①此次极端降水过程关键影响系统为低空急流、超低空急流、边界层冷空气和中尺度低涡。强降水可以分为中尺度低涡新生、低空急流发展,冷暖对峙、冷锋南下,低涡中心东移3个阶段。②此次过程中低层主要有4条暖湿输送通道,强降水区水汽通量超800 kg/(m·s),可降水量超70mm。③强降水时段低层相对涡度正值中心与垂直速度负值中心基本重合,加之锋生作用增强,强降水中心低层垂直速度达-7.1 Pa/s。④强降水时段,地形过渡带附近形成θ_(se)(假相当位温)能量锋区,垂直方向上出现高能舌,800 hPa附近中心强度达360 K以上。⑤中尺度地形形成了“西北冷干、东南暖湿”中尺度温湿锋区,并起到了阻挡抬升和触发作用,使强降水出现在山前喇叭口内。研究成果可为汛期区域洪水资源管理策略制定提供依据。

秦岭北麓一次冷锋触发的短时强降水成因分析

2015年8月3日秦岭北麓突发短时强降水,强度之大近年少有,并引发山洪造成人员伤亡。应用高空观测资料、地面加密资料、NCEP再分析资料,并结合风廓线雷达和多普勒天气雷达资料分析发现,此次降水过程具备较好的对流潜势及湿度条件,由冷锋系统触发,冷锋系统结构特点包括:锋区前近地面水汽含量>18 g·kg^(-1),锋面上升运动处于下沉运动之上、自由对流高度以下,850 h Pa以下强冷平流造成该层浅薄逆温,锋前出现显著对流不稳定,均为对流性强降水发生创造有利条件。强冷平流带来水平锋生,对流不稳定产生垂直锋生,总体强锋生主要出现在对流层中下层,达到20×10^(-10)K·s^(-1)·m^(-1)。秦岭的阻挡作用使得冷锋过境转为偏西风,并与强降水正反馈形成超低空强西风带。偏西风与迎面山体配合对降水产生增幅作用,并为降水区带来水汽输送,但超低空西风较强容易破坏雷暴单体的垂直结构,又使得降水不能长时间维持。风廓线雷达能够探测到冷锋系统的精细化垂直风场结构,反映了冷锋的垂直结构信息,并较其他气象要素更能提前预判系统发展,具有较强的预报指示意义。

山东半岛南部一次沿海强降雨成因分析

利用常规气象观测资料、区域自动站观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和雷达探测等资料,对2012年9月21日山东半岛南部沿海强降雨过程的成因进行了天气学诊断分析,结果表明:1强降雨是在500hPa第1个西风槽过后第2个西风槽逼近的过程中产生的,850hPa以下为偏南的向岸风,且风速随时间增大,形成偏南的超低空急流,持续地向沿海输送水汽和能量,造成水汽辐合、湿度增大、对流有效位能升高。产生强降雨的水汽和不稳定能量条件远小于内陆地区。2在向岸的超低空急流的左侧产生中小尺度的涡旋和辐合上升,海岸地形抬升作用使得上升运动加强,触发对流不稳定能量释放,造成强降水。3在雷达回波中,小尺度的对流单体沿海岸线向西南方向发展,后期在日照附近的沿海形成弓状回波,向东南海区移动。

海陆风和地形对一次弱天气背景下暖区特大暴雨的影响分析

利用区域气象站、海岛站、测风塔、风廓线和多普勒天气雷达等多种非常规观测以及NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料,对2017年6月22日凌晨广东西部沿海发生的一次预报失败的局地特大暴雨过程的成因进行了综合诊断,重点探讨了局地海陆风和地形(相互)作用对该过程的影响。结果表明:(1)暴雨发生在弱天气尺度环流背景下,华南地区无锋面和高空槽活动,边界层超低空偏南急流为暴雨提供了不稳定能量,不同性质下垫面的热力差异导致天露山山前形成海陆风(偏南)与偏北风的中尺度辐合线,致使初始对流在关键区触发。(2)偏南暖湿气流向北推进受阻后,在天露山地形强迫抬升下对流增强发展成中尺度对流系统(MCS),下垫面热力差异在山前强迫产生的中尺度垂直切变与降水之间可能存在正反馈现象,延长β中尺度对流系统生命史。(3)中尺度辐合线上不断激发的对流云团,形成降水的列车效应,导致了这场罕见的局地特大暴雨过程,凸显海陆风环流对本次暖区暴雨的重要作用。(4)该过程发生前,所有业务客观数值预报模式均未预报出明显降水,数值模式难以做出暖区尤其是弱天气背景下的暴雨以上降水预报,目前的监测和短时临近预警是主要手段。

2018年广西东南部一次暴雨过程分析

利用Micaps高空和地面资料、新一代天气雷达、卫星云图、地面中尺度自动站观测资料及NCEP 1°×1°再分析资料,对广西东南部2018年5月10日暴雨过程的环流形势、环境场、中尺度对流系统特征及其可预报性进行分析。结果表明:此次桂东南暴雨过程的高层辐散条件不明显,但中低层环流形势有利、具有高压后部“回流”降水的典型特征。配合超低空东南气流加强,导致局地暴雨增幅明显。地面中尺度辐合线的长期稳定维持及地形抬升作用使得降水系统在陆川、博白一带不断发展和维持,雷达回波上形成“列车”效应,造成暴雨天气。全球数值模式ECMWF对天气尺度背景把握较好,GRAPES、华东模式等中尺度模式能够提供类似系统形成、发展的有价值的参考信息。通过中尺度模式产品发现暴雨天气过程前兆,及时根据最新实况观测资料和模式偏差分析对全球模式预报结论进行订正,同时注意叠加局地地形地貌特征信息辅助短时临近预报订正,是提高类似较强过程预报的可行做法。

一次梅雨锋特大暴雨中尺度气旋和MCS的分析

利用自动气象站、多普勒雷达、FY4A、ECMWF模式、NCEP再分析资料,对2020年7月17—19日特大暴雨过程进行分析。结果表明:特大暴雨出现在安徽大别山附近和庐江两地,是中尺度气旋扰动环境下准静止的中尺度对流系统(MCS)以及MCS中准静止的涡旋状单体所产生。特大暴雨在高能量、强不稳定背景下,由中部和东部的中尺度气旋传播所致。中尺度气旋传播过程中单体不断新生、合并增强且移动缓慢,配合急流、辐合、干侵入、垂直环流等因素对组织化的MCS发展演变起到相当作用。低层切变线南侧到华南的西南急流,将水汽输送到安徽并在此有强烈辐合;高空、低空和超低空都存在急流,高低空急流耦合加剧MCS的强烈发展;地面辐合线是前期MCS的触发机制,伴随干冷空气的入侵,加大了大气的斜压性和MCS的对流不稳定;梅雨锋南北两侧都有垂直环流圈,即对流与高空急流之间通过对流加热在高空急流入口处产生热成风调整,维持梅雨锋的发展演变,强的上升下沉运动促进MCS的加强和降水的连续发生;大别山地形抬升和上游狭管效应是两地特大暴雨诱因。

贵州一次短时强降水雷达演变特征分析

利用贵阳多普勒雷达资料及自动站观测资料对2012年7月16日影响贵州大部且持续时间长的短时强降水天气进行详细分析。研究表明:短时强降水出现开始阶段,雷达回波显示出强度为35 d Bz,且回波局地性强、回波顶高<8 km、垂直液态水含量>5 kg/m^2;短时强降水大面积发展阶段,回波发展迅速并不断合并成片,回波顶高达到10~12 km,且垂直液态水含量>1.8 kg/m^2,配合超低空急流形成大面积强度为40~45 d Bz的回波;短时强降水趋于结束阶段,片状回波逐渐减弱分散,但仍存在强度为40 d Bz、回波顶高8 km、垂直液态水含量>1.8 kg/m^2的小块状回波。

一次MCC红外云图演变特征及成因分析

利用FY-2E红外云图及TBB资料,结合环境形势及物理量,对2011年8月15日夜间发生在河北南部和山东北部的强降水过程进行了分析。结果表明,冷锋触发的云团与地面中尺度辐合线触发的云团合并形成MCC:冷锋触发对流云团,云团脱离冷锋东移、发展、加强,形成MβCCS;MβCCS前侧有对流云团沿地面中尺度辐合线生成、发展、少动,与冷锋触发形成的MβCCS合并发展,形成MCC。MCC系统维持阶段,其西侧有新的对流云团生成,合并到MCC主体,使其向低压中心一侧发展。小时强降水并不是产生在MCC云团的冷中心,而是基本产生在TBB冷中心的西侧,实测小时强降水发生在MCC形成前2个小时以及发展成熟阶段的前4个小时之内,MCC减弱阶段的降水量明显减小。MCC成熟阶段,TBB基本维持在-73℃以下,最低达-78℃。华北南部上空明显的上升运动及低层强的正涡度区为强降水的产生提供了动力条件。低空东北气流及低空西南气流在华北南部形成辐合,超低空东北急流和超低空西南急流的形成与维持使得辐合进一步加强,维持强的辐合上升运动导致了强降水形成。