1981-2020年北京市门头沟区部分灾害天气分析

文章中运用线性趋势分析方法和滑动平均法统计分析了1981-2020年北京市门头沟区的暴雨、高温、雷电、大风和低温灾害性天气事件的年际变化趋势,并对每种灾害天气的多年月际分布进行了统计,旨在了解门头沟地区灾害天气演变规律,以便做好气象灾害防御工作。分析结果显示门头沟区除高温日以每10年1.3天的线性趋势递增外,暴雨日、雷暴日、大风日和低温日均在逐渐递减;暴雨大多发生在7月与8月;高温日发生在每年的5月、6月、7月和8月;雷电最早于春季3月来临,最晚于冬季12月结束;冬季大风最为频发,冷空气过程全年均可能发生。

2010-2018年FY-2E全圆盘探测区域内雷暴云特征数据集

雷暴云是产生雷电的对流云,常伴随着灾害性天气过程,是天气监测和预报的重要对象。目前针对我国雷暴云特征的研究还相对较少,具有高时间分辨率和大空间范围的雷暴云数据集也较为欠缺。本数据集综合利用了风云2号E星(FY-2E)的相当黑体亮度温度(Black Body Temperature,TBB)产品、云分类(Cloud Classification,CLC)产品和全球闪电定位网(World-Wide Lightning Location Network,WWLLN)的闪电观测数据,通过对TBB不超过-32℃的云区进行提取和椭圆拟合,定义1小时内上述云区或椭圆区域有WWLLN闪电发生的个例为雷暴云,获得雷暴云时间、位置、形态、结构、闪电活动等特征参量,构建雷暴云特征数据集。本数据集时间范围为2010–2018年,时间分辨率为1小时,覆盖包括我国陆地和毗邻海域的FY-2E全圆盘探测区域,可以在雷暴活动研究中发挥重要作用。

一次强对流过程的环流形势和中尺度特征分析

本文分析了2021年5月14日上海地区的一次强对流天气过程。结果表明:(1)此次强对流天气过程是在高空前倾槽、低空暖湿急流和地面辐合线的有利形势下产生,地面变压风加强边界层抬升;(2)对流风暴呈现出钩状回波和外流边界的经典超级单体风暴特征,以及明显的龙卷涡旋特征TVS,低层反射率因子高梯度区、低层入流缺口、低层弱回波区和有界弱回波区BWER以及回波悬垂结构对应强上升气流区,从而有强对流天气的发生发展。

2022年河南“7·25”雷暴大风天气成因分析

利用常规观测资料、区域自动站资料、雷达数据和NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料等,对2022年7月25日河南雷暴大风的天气学成因进行了分析。结果表明:高层冷空气叠加在低层暖区之上形成的强烈位势不稳定层结及较强的垂直风切变,为强对流天气发生发展提供了有利的环境条件。700 hPa以下持续的西南气流对水汽输送和补充起到了重要作用。强对流区不稳定指数增大,对流有效位能(CAPE)、下沉对流有效位能(DCAPE)突增,且均大于河南强对流阈值,θ_(se)垂直递减率增大,为强对流提供了不稳定能量。对流层中高层有干冷空气侵入,使下沉气流蒸发加强,导致其气温急剧下降,形成地面冷池和小高压。当1 h正变压中心≥2.6 hPa,1 h变温中心下降达6℃以上,且强对流上下游的1 h变压差值≥3.2hPa时,1 h变温≤-4℃的地面冷池附近对应着国家基本气象站和气象观测站分别出现19~30 m·s^(-1)(8~11级)和25~38 m·s^(-1)(10~13级)的大风。地面中尺度辐合线促使对流云团的生成发展,云团发展强盛阶段移动加快(50~70 km·h^(-1))。雷暴大风、强降水发生在云团前沿TBB等值线梯度大值区和TBB≤210 K的冷云区。造成雷暴大风的主要雷达特征为阵风锋、飑线、弓形回波、中气旋;飑线回波尺度大(200~300 km),中心强度强(60~70 dBZ),强回波顶高(7~8 km),移速快(55~70 km·h^(-1))。飑线的形成和发展是造成河南中东部发生大范围雷暴大风的主要原因。

广西一次飑线大风天气的成因和预警分析

本文利用常规探测资料、多普勒天气雷达资料、自动站观测资料等对2013年3月27-28日发生在广西的一次飑线大风天气过程进行跟踪及监测预警,对其大尺度环流背景、雷达回波特征以及灾害性大风形成原因进行了较为详细的分析与研究。结果表明:此次飑线过程是由高空冷槽与地面高压后部形势所引起的;假相当位温、T-logp图等分析表明广西上空具有较好的热力、动力条件;地面辐合线触发初始对流活动;发展成熟的飑线地面气压场上存在雷暴高压、飑前低压和飑后低压等中尺度特征;飑线大风等灾害性天气出现在地面高压前侧气压梯度大值区和飑线的断裂处;雷达图像上中层径向辐合、反射率因子核心和中层风速大值区逐渐降低以及垂直风廓线图中低层风的转变等特征信息对地面大风天气临近预警有较好的指示意义;降水粒子的拖曳作用和飑线的快速移动都对地面大风的产生及增幅有一定的作用。

三次雷暴导致的阵风锋过程分析

利用多普勒天气雷达资料和自动站资料对2012年5月16日江苏、6月9日京津冀地区以及7月10日河北的三次阵风锋过程进行综合分析。结果表明:持续下沉的冷空气形成雷暴高压是阵风锋产生的直接原因。雷暴高压形成过程中,一方面,下沉气流在较小区域内迅速堆积形成雷暴高压,另一方面,新旧单体不断更替,风暴内稳定的下沉气流使雷暴高压发展。雷暴高压内强辐散气流与环境空气形成阵风锋。随着雷暴高压的移动和增强,阵风锋向前移动和增强,当雷暴高压减弱,阵风锋也逐渐消亡。温度梯度与气压梯度越大,瞬时大风越强,阵风锋也越强。阵风锋产生的瞬时大风与窄带回波的强度值不一定成正比。中层径向辐合对阵风锋产生有提前预示作用,提前量为半小时左右,辐合持续时间越长,阵风锋生命史越长。

“090603”强飑线过程动力结构特征的观测与模拟分析

利用各种观测资料和数值模拟结果,分析了2009年6月3-4日黄淮地区一次罕见强飑线过程的中尺度动力结构演变特征和发展机理。结果表明,在稳定的东北冷涡环境下,冷涡后部与短波扰动相伴的冷平流叠加于对流层低层暖脊之上,为飑线的发生构建了有利的大气不稳定层结;飑线的发生、发展与地面中尺度辐合线密切相关,两者相互依存、促进;飑线的移动对应着对流层低层水平涡管的传播。在传播过程中,水平涡管的倾斜会使垂直涡度向水平涡度转化,促进飑线的发展;在飑线发展的不同阶段,动力结构有显著的差异,发展成熟阶段的飑线结构具有较强的组织性,而当其减弱、消散时,动力结构逐渐松散,各因子间不再有密切的配合,其特定的对流组织作用就会不复存在。另外,在飑线的发展过程中,地面气压场呈明显的中尺度扰动特征,飑线后部产生的中尺度雷暴高压与风场的辐散中心相伴是地面大风形成的主要原因之一。

雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究

2009年6月3日,受冷涡后部次天气尺度横槽的影响,在相邻的两个区域先后出现雷暴大风天气,造成两地强风的风暴类型、地面大风分布及灾害程度差异显著。风暴结构分析表明:产生晋陕大风的雷暴类型为一般单体风暴和脉冲风暴,而产生商丘致灾大风的则为典型的弓形回波。结合观测和数值模拟资料分析产生上述两类雷暴大风的环境要素,并构建其环境温、湿度廓线,结果表明:(1)晋陕大风区环境探空温、湿度廓线呈倒V形,为典型的干下击暴流探空廓线,类似探空在中国西部高原地区夏季常见;(2)商丘雷暴大风区环境温、湿度廓线类似典型湿下击暴流探空。数值模拟给出了典型的一般单体特征结构,老雷暴单体出流在其前方触发新单体。在中低层相对干的环境下多个对流单体的冷下沉形成冷池,强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成。两类雷暴大风环境风垂直切变特点为:深层环境风垂直切变较弱、强水平风垂直切变集中在中低层。数值模拟表明:在这种风垂直切变配置下,低层湿度成为风暴结构的决定因素:中一高湿度环境下形成高度组织化的飑线,且其单体具有较强中层旋转;低湿度环境下产生组织程度差的一般单体和脉冲风暴,并基于高分辨率数值模式模拟结果给出了环境影响风暴结构的物理图像。

2007年济南“7.18”大暴雨的持续拉长状对流系统研究

利用常规观测、中尺度自动站、卫星和雷达等资料,分析了2007年7月18—19日造成华北南部强降水的持续拉长状对流系统(Permanent elongated convective system,简称PECS)的发生和发展过程。结果表明:持续拉长状对流系统的发生发展与低层来自东北方向冷空气和正在减弱的中尺度对流复合体尾部的向外气流有关。云图分析表明:这次持续拉长状对流系统先后由10个对流单体复合而成,其中2个α中尺度的对流单体复合时造成了济南市北部的商河县强降水,并且强降水发生在持续拉长状对流系统发展阶段,位于持续拉长状对流系统的后部,与低于201K的冷云盖相对应;当对流单体复合时,在可见光云图上出现云线(即飑锋),并且在窄小的云线中又包含4个γ中尺度的对流单体,其中一个产生高达13 km的降水回波;当云线出现时,地面冷锋后部出现γ中尺度雷暴高压,随后逐渐发展成为α中尺度的雷暴群,降水产生在雷暴高压前和冷锋后。济南市强降水过程则是由合并后的对流单体内部的2个强度不同的上冲云顶合并成一个更强的上冲云顶时造成的。雷达回波分析进一步显示,这次持续拉长状对流系统降水回波表现出后部扩建类和回波交叉类的特征,其中商河县的降水由主冷空气涌产生,而济南市强降水可能与主冷空气涌与次冷空气涌合并所形成的2个β中尺度和1个γ中尺度的多单体雷暴有关。

水汽含量对飑线组织结构和强度影响的数值试验

利用2009年6月3～4日一次产生大风、冰雹强对流天气的飑线个例进行数值试验,研究整层水汽含量及其垂直分布对中尺度对流系统的发生发展过程、组织类型和强度等的影响.本文的试验表明环境场中不同的水汽含量和垂直分布,会影响下沉气流和冷池的强度,从而影响对流的组织形态、维持时间和强度.整层水汽试验表明,增加（减少）水汽,对流增强（减弱）,冷池和雷暴高压增强（减弱）导致大风增强（减弱）.增加水汽越多发展阶段冷池强度越强,最大风速越强,但成熟阶段后期冷池减弱的越快,层状云区的后部入流减弱,不利于雷暴大风的出现和维持.不同层次水汽试验表明,在保持整层水汽含量不变的情况下,线状对流和雷暴大风易发生在中层干、下层湿的环境中,这种层结条件对雷暴高压的增强有重要作用,但不利于整个对流系统的长时间维持.

导致区域性雷暴大风天气的云型分类及统计特征分析

利用2005—2011年的静止卫星、常规探空和重要天气报资料,文章选取了18次典型区域性雷暴大风过程,在分析500 hPa天气形势基础上对导致雷暴大风的强对流云型进行了分类分析,其发展过程可划分为初始、发展、成熟和消亡四个阶段。对静止卫星观测的定量特征分析表明,对流云团中IR1通道和水汽(WV)通道的亮温差基本为负值,其值的不断减小预示着强对流在持续发展;在监测和预报雷暴大风天气时,需要特别关注长椭圆形强对流云带的右侧和其右侧的孤立对流云团,尤其是TBB(红外亮度温度)低负值区、TBB高梯度区、IR1和WV通道亮温差值区及大梯度区均配合的区域。在定性分析的基础上对静止卫星IR1与WV通道的亮温特征进行了定量统计分析,获得了雷暴大风出现站点附近的红外亮温、水汽亮温、IR1与WV通道亮温差和红外亮温梯度的分布情况,结果发现大部分站点的雷暴大风天气出现在以下时段:红外亮温由急剧下降到平缓下降之间的过渡期;IR1与WV通道亮温差由迅速下降转为缓慢下降或稳定少变的时间点前后,且多数处于IR1和WV通道亮温差由正转负临近的时间段内;红外亮温梯度达到最大的时间点附近或开始下降的时候。

江门市雷暴多发期气候特征研究

使用江门市1961—2010年和广东省其他20个地级市1971—2010年期间的逐日雷暴日数资料,用频率分析和主因子分析等方法,对江门地区雷暴多发期的气候特征进行了研究。结果表明,江门地区的雷暴气候特征与广东省其他市的相关性高,其雷暴发生的气候规律在广东地区有很强的代表性。江门地区的雷暴多发期为4—9月;其中雷暴多发期又分为4—6月和8—9月的前、后雷暴多发期,7月为过渡期。前雷暴多发期有先下降然后上升的气候变化趋势,突变年份是1983年,与西风带大气环流的20世纪80年代初的突变对应。在候尺度的突变分析中,发现突变出现在5月第4候,与很多研究公认的南海夏季风的平均爆发日期一致。

陕西东南部一次伴有雷暴的暴雪天气分析

利用常规观测、多普勒天气雷达和ERA—Interim再分析资料(0.25°×0.25°),对2016年11月22日陕西东南部地区一次伴有雷暴的暴雪天气过程进行诊断分析。结果表明:(1)此次暴雪是在低层东路回流冷空气与中层暖湿气流共同作用下形成的,700 hPa存在强的风向风速辐合,辐合区前部16 m/s的西南急流,为暴雪产生提供了有利的动力和水汽条件。急流加强是降雪增幅的主要原因。(2)冷季、强的锋区和低空急流、冷垫、逆温层、锋区之上湿的中性到条件不稳定层结、强切变低CAPE、雷达带状回波是此类天气预报中需要关注的特征。(3)整体层状云降水中,局地对流性云团旺盛发展,是此次暴雪的云系特征,暴雪发生在对流云团加强西伸、移速减缓的时段;与本地暖季相比,暴雪对流云团的面积较小,最大反射率因子所在的高度较高。(4)由动力锋生产生的次级环流上升支促使冷垫之上的暖湿气流快速上升,触发条件对称不稳定能量释放,使气块在逆温层之上获得正浮力,是暴雪发生并伴有雷暴的主要物理机制。

雷暴冲击风荷载的大涡模拟

雷暴冲击风具有同常规的大气边界层风完全不同的风场特征。为研究雷暴冲击风场中建筑物的风荷载,采用大涡模拟(LES)方法对方形截面高层建筑进行了雷暴冲击风场数值模拟,获得了高层建筑在雷暴冲击风作用下的风荷载参数。同时,对雷暴冲击风场进行了数值模拟,所得结果与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性。

江淮地区副高后部强对流的分析和数值模拟研究

选用1989年7月14日20时南京站的实测探空为初始资料，应用许焕斌的二维可压缩大气云尺度模式，对副热带高压（以下简称副高）后部的强雷暴产生及发展进行了数值模拟和分析。模拟结果与实际雷暴的出现情况较一致，并通过不同初始扰动方案模拟结果的对比分析，表明扰动方案1对这次过程的模拟效果最好。

江西副高边缘雷暴大风雷达拼图回波特征分析

利用MICAPS常规天气图资料、地面自动气象站资料、雷电资料和雷达拼图等资料,采用天气图中分析方法、统计方法、回波图像、回波廓线等分析方法,对2020年7月11日江西副热带高压边缘中尺度雷暴大风回波特征进行分析,结果表明:1)副热带高压控制或边缘上,江西上空100 hPa是东北风,500 hPa是西南风,高空呈现逆时针环流,T-lnP图上层结不稳定,对流有效位能CAPE(Convective Available Potential Energy)面积较大,对产生强对流天气有利;由于上下两层的风向不同,使得雷暴回波系统的移动与回波系统的云砧伸展方向不一致,从而加剧了对流上升运动,使得雷暴回波系统发展、加强、维持。2)回波产生初期是局地对流单体回波,通过不断新生单体和单体合并等方式,形成南北走向的回波短带,这种合并形成的回波短带发展旺盛时,会产生多站雷暴大风天气。3)南北走向的回波短带是产生雷暴大风的主要回波特征,虽然回波强度只有55 dBZ,但移动速度较快(60~70 km/h),造成地面大风。江西WebGIS雷达拼图上叠加多部雷达风暴跟踪信息STI(Storm Tracking Information),可以明确风暴的移动方向和移动速度,根据STI密集区判断,增加了STI的可用性。4)“前伸”或“延伸”回波反映了回波系统上方的高空风走向和积雨云的云砧飘离方向。“延伸”回波一定程度上表现出副高边缘雷暴回波系统的强弱程度。为改进副热带高压边缘中尺度雷暴大风的预警预报准确率提供依据。

高原雷暴地闪回击辐射场特征分析

该文主要利用微秒量级时间分辨率的慢天线电场变化仪资料,对甘肃平凉地区雷暴过程中云地闪电首次回击和继后回击的远区辐射场特征进行了观测研究,并与国内外结果进行了对比分析。发现高原夏季雷暴过程中的闪电特征具有较大的独特性,平均而言,高原雷暴正负地闪首次回击辐射场波形的过零时间分别为63ms、66ms;正负地闪首次回击负反冲深度分别为20%、31%,其二者均介于美国夏季雷暴和日本冬季雷暴之间。负地闪首次回击和继后回击初始峰值之后,通常叠加有明显的次峰现象,而正地闪相对较少,相邻次峰间隔依次增大,相对强度依次减小。

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远?本文对此进行了尝试,即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式,在只采用常规气象观测资料的条件下,对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验,分析了雷暴云的宏观动力、微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明:利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场,完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展,高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展;用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调,得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂,更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性,同时,模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪,且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合,从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中,水物质霰的最大质量比、最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。

河北省雷暴大风的雷达回波特征及预报关键点

应用河北省石家庄新乐CINRAD-SA雷达资料对2006—2008年河北省中南部地区262个站雷暴大风的雷达回波特征进行统计。分析发现,雷暴大风的主要雷达回波特征有弓形回波、阵风锋和径向速度大值区,出现其中一个或多个特征均可发布雷暴大风预警。根据以上雷达回波特征能够对66%的雷暴大风发布预警,34%的雷暴大风仅仅依据雷达资料无法预警,其中孤立块状回波占39%,带状回波占61%。弓形回波仅占雷暴大风的19.8%,能够观测到的阵风锋回波仅占16.8%,65.3%的雷暴大风观测到径向速度大值区,径向速度大值区是雷暴大风最重要的雷达回波特征。径向速度大值区的形成一般早于弓形回波和阵风锋回波,依据径向速度大值区可更早发布雷暴大风预警。

青海中北部边界层高度与不同灾害天气的关系

利用2013-2017年逐日07:00(北京时,下同)高空压温湿常规资料,19:00每隔50 m高空气温、气压、湿度和风速等加密资料,分别采用T-logP法和5点平滑位温梯度法计算了青海省茫崖、格尔木、都兰和西宁4个高空站的边界层高度,结合地面2006-2017年逐时、日资料,进一步分析其影响因子及其与灾害性天气的关系。结果表明:在研究区边界层高度西北高于东南,春季35月较高,4月茫崖最高达4500 m以上;边界层高度主要与最大地气温差、极大风速、气温日较差和降水有关,高原上地气温差越大、风速越大,湿度越小,边界层高度越高。浮尘边界层高度3月较高,为3578 m;其他风沙边界层高度均为4月较高,达3800~4000 m。沙尘暴持续时间越长,边界层高度越高;高原沙尘暴主要集中在下午到夜间,46月较高,夜间45月为3100~4200 m。降水对边界层高度有很大影响,随着降雨强度增强,边界层高度也随之降低,发生小、中、大雨时的边界层高度分别为3354,1855和1300 m;相应的边界层气压分别在480~640,590~720和650~710 hPa。高温边界层高度6月最高达5210 m,78月达3600 m以上;而雷暴边界层高度4月较高,达5050 m,56月在2100 m左右,79月降低至1100 m左右。由于510月95%以上雷暴伴有降水,因而雷暴边界层高度较低。