2019年8月16日沈阳极端降水事件的低空γ中尺度涡旋观测特征和机理分析

2019年8月16日沈阳市区受伴有低空γ中尺度涡旋的强对流系统影响,发生了1951年有观测记录以来的最大小时降水(102 mm)。为了提高对此类涡旋所致强降水天气的认识和预报能力,综合利用多源观测和ERA5再分析资料,对此次过程中低空γ中尺度涡旋的观测特征、形成原因和对强降水的影响机制开展研究。此次过程期间,500 hPa沈阳位于东北冷涡东南侧,850 hPa以下低空位于“利奇马”台风残涡西侧的偏北气流水汽输送带内,16日午后沈阳市区具有低层大气气温廓线接近干绝热递减率、较低抬升凝结高度和逐渐加强的风垂直切变等环境条件特征;风廓线雷达资料显示降水前0—6 km风矢量差最大达17 m/s,有利于较浅薄中尺度涡旋对发生。16时前后,沈阳市区内γ中尺度辐合风场首先触发局地风暴,随后有对流风暴群移入沈阳,在局地风暴具有反气旋式旋转处合并。合并风暴在初期产生强降水后,回波顶降低、降水强度减小,低空出现了生命期约30 min的γ中尺度涡旋对,更是出现罕见的具有辐合特征的反气旋式涡旋加强的现象,伴有低空涡旋的风暴再次加强并导致后期更强的降水。相比中国中气旋统计特征,本次低空浅薄涡旋生命期较短、尺度小、移速慢,产生了非常强的垂直涡度,但涡旋厚度小于中气旋。涡旋出现后所有5 min降水量超过10 mm的自动气象站均出现在中尺度涡旋对之间的区域,更是导致了自从1951年沈阳有观测记录以来的最大小时降水量。涡旋的旋转强度、伸展高度以及两个涡旋之间的距离表征了强降水的强度和范围。本次过程中的合并风暴具有暖云低质心回波特征,前期局地风暴降水使得近地面空气湿度升高、减弱了蒸发作用,使得后期降水具有更高效率,配合低空涡旋在近地面形成上升气流同时促进雨滴增长和碰并过程,进而增强雨强;强烈旋转的涡旋造成近地面强上升气流,有利于风暴再次发展,进而使得降水持续更长时间。低空反气旋式涡旋生成加强的原因是:冷涡风暴低空准线状的出流边界形成由北指向南的水平涡管,在降水初期下沉气流向下的扭曲作用下,近地面生成初始涡旋对;由于环境风切变矢量随高度逆时针旋转,更有利于反气旋式涡旋加强,合并后风暴内的强上升气流的拉伸作用也进一步加强了反气旋。最后给出了本次低空γ中尺度涡旋的形成机制和导致暴雨的物理模型。

天津城区一次γ中尺度短时暴雨的热动力环境分析

利用睿图-短期预报子系统的精细化预报结果、地面加密自动站、多普勒雷达、FY-4A卫星的逐5 min可见光云图以及北京探空等资料,对2018年7月22日发生在天津城区的一次突发性γ中尺度短时暴雨的热动力环境进行了详细分析。结果表明:此次暴雨发生在500 hPa副热带高压控制范围内,是由城区孤立风暴造成的一次局地强降水过程,具有范围小(不足20 km)、生命史短(1~2 h)、雨强大(62.4 mm·h^(-1))、中尺度边界层环境复杂等特点。暴雨是在上游降水系统的冷池边界还远离天津城区时,由城市热岛、上游冷池出流前的边界层弱冷空气、系统性东北风和午后逐渐形成的中尺度海风共同作用造成的。下垫面水平热力差异及地表能量平衡的结果导致天津中心城区形成较为显著的热岛效应,热岛强度达2~4℃,与热岛效应伴随的城市热岛暖低压的形成与发展导致城区形成中尺度辐合中心。上游降水产生的中尺度高压(上游降水区)和天津城市热岛暖低压(下游非降水区)之间的气压梯度导致冷池前沿形成了一支超越冷池出流边界而率先到达天津城区的一支北风,这支边界层弱冷空气与系统性东北风、海风在城市热岛暖低压作用下均向城区汇合,进一步增强了城区辐合中心的强度及维持时间。垂直方向上,沿城区的纬向、经向分别形成了两个方向相反的、非对称的中尺度次级环流,其上升支正好位于天津城区。上游冷池出流前中尺度锋区东移造成的水汽集中以及热岛效应伴随的局地热量累积使城区逐渐发展为高湿高能区,且垂直方向上不稳定度增强,为局地暴雨的发生提供了有利的中尺度环境条件。

2021年吉林中部一次极端雷暴大风的中尺度成因分析

基于常规观测资料、地面加密自动气象观测站、多普勒天气雷达和ERA5再分析资料等,对2021年9月9日上午发生在吉林省中部一次罕见的极端雷暴大风的中尺度成因进行了详细分析。结果表明:产生雷暴大风的飑线系统是在深厚的东北冷涡配合大尺度锋生作用在冷锋尾部激发形成的。中层较强干空气和逆温层以下接近干绝热的温度递减率有利于极端雷暴大风产生。干暖盖的存在导致低层暖湿空气迅速增强,临近时刻CAPE值超过1600 J·kg~(-1),层结在短时间内变为极不稳定结构,夹卷层平均风达到20 m·s~(-1)以上,动量下传有利于地面风速增强,极端雷暴大风发生在断裂后飑线尾部前沿γ中尺度涡旋附近,但涡旋附近2个站点极端雷暴大风形成原因明显不同,其中农大站极端雷暴大风发生时气压陡降,气温陡升且分钟降水量弱,是由飑线前侧强下沉辐散气流(冷池出流)在较强的偏南风气流作用下加速流入涡旋内部、辐合上升气流迅速增强导致,与其附近农博园站和长春站由降水粒子拖曳作用形成的强下沉辐散气流导致的极端雷暴大风明显不同。

2012年春末昆明大暴雨的中尺度对流系统特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR逐6 h1°×1°再分析资料、FY-2E红外云图TBB资料、昆明C波段多普勒雷达探测资料,结合中尺度数值模式的模拟结果,分析了2012年5月24日晚昆明大暴雨期间中尺度对流系统演变特征及形成机理。结果表明,此次大暴雨是在高低空系统最佳配置下产生的。降水峰值出现时,低层增暖湿,从地面到500 hPa呈显著的对流性不稳定层结,700～500 hPa垂直风切变达14 m·s^(-1)。纬向结构上,暴雨中心低层东风增强,300 hPa以下纬向风辐合,中心强度为-28×10^(-5)s^(-1),150hPa以下上升气流中心强度为21 m·s^(-1),近地面水汽通量辐合为-20×10^(-5) g·hPa^(-1)·s^(-1)·cm^(-2);经向上,暴雨中心500 hPa以下南风风速辐合,上升气流增强,强度与纬向一致,低层水汽通量辐合中心强度为-30×10^(-5)g·hPa^(-1)·s^(-1)·cm^(-2),强于纬向水汽通量辐合。此外大暴雨中地形对南风的强迫也是显著的,抬升速度在0.4～1.0m·s^(-1)。这次强降水分为初始、加强、回落和衰减四个阶段,昆明近地层浅薄冷空气加强时,引发其东侧对流单体移向昆明,强降水发生;然后南风出现脉动,局地湿层增厚和垂直风切变加大,促使对流单体两度增强并出现降水峰值;第三次峰值则是弱南风脉动及对流单体合并所造成,由于移入的单体较之原地发展的单体弱得多,原地单体作用的降水峰值也明显小于前面两次。对流降水回波属于暖云性质的热带低质心降水回波。

“7·20”气旋大暴雨中多尺度配置与MγCS发展的关系

受北上气旋影响,2016年7月20日京津冀地区出现了历史罕见的大暴雨,三地日平均降雨量均创50年来历史极值。利用风云二号F星(6min时间间隔,水平分辨率5km)和自动气象站的加密资料、雷达图像及拼图数据资料,结合NCEP1°×1°再分析资料,采用叠加分析、TBB梯度计算、雷达低空风场反演等方法,分析了北方气旋类暴雨的云图特征和多尺度(包括天气尺度和α、β、γ中尺度)组织、热力、动力的结构配置;并且针对造成北京、天津城区短时强降水的两个MγCS,分析了影响它们发生发展的多尺度环境。结果表明:(1)逗点云系中不同部位的热力、动力及水汽配置是:涡旋中心(文中D区)与气旋环流中心重合而且是700hPa假相当位温θ_(se)的低值区;在云系尾部云带(C区),低空急流带和θ_(se)高值区重合,云带西侧是干冷无云区,云带边缘的光滑地带对应着能量锋区;云系头部(A区和B区)与700 hPa θ_(se)高能区、850hPa急流核对应(A区和B区分别对应东北气流和东南气流急流)。急流带内700hPa的θ_(se)高达78℃,850hPa的比湿最大值为18g·kg-1,最大急流核风速达30m·s-1,整层可降水量是70mm。(2)逗点云系头部嵌着两个MαCS、一个MβCS,它们造成降雨的强度为20～30mm·h^(-1);而两个MγCS的雨强却达40～70mm·h^(-1)。北京MγCS-BJ和天津MγCS-TJ发展维持的背景不同:(a)MγCS-BJ位于涡旋中心——低空急流左前方的对流不稳定区内偏北风与东风形成的地面辐合线上,此辐合线的形成超前于对流系统约1.5h。(b)MγCS-TJ位于云头与涡旋中心之间边缘地带——θ_(se)高梯度的能量锋区中,东风风速形成的地面辐合线上。(3)MγCS-TJ的发展与MβCS边缘TBB梯度大值区的关系密切,MγCS-TJ内部具有深厚的中气旋(轴心随高度向西北倾斜),在旋转速度最强的时刻,其造成的雨强也最大。

基于新型监测资料对2013年7月4日的暴雨多尺度特征分析

为了更好地认识山西暴雨的形成机制,利用红外辐射亮温、多普勒雷达和气柱水汽总量等资料,对2013年7月3—4日发生在山西境内的强对流暴雨进行多尺度特征分析。结果表明:(1)700、850 h Pa暖切变线是暴雨发生的α中尺度触发系统,自动站极大风速风场切变线和气旋性涡旋是强对流暴雨发生的β中尺度触发系统,γ中尺度气旋是大暴雨产生的直接影响系统。(2)在700 h Pa与850 h Pa切变线之间,对流云团在自动站极大风速风场切变线、中尺度涡旋附近的合并与发展,是导致暴雨中心多次雨峰的主要原因。(3)-53℃的冷云盖超前40 d Bz以上的雷达组合反射率、-53℃的冷云盖几何中心与雷达组合反射率≥45 d Bz的区域相重叠,分别是阳城辽河第1次和第2次雨峰云的垂直结构特征。

北京“23·7”极端强降雨特征和成因分析

利用北京地区加密气象站、补盲的北京市规划和自然资源委员会雨量站、双偏振雷达、风廓线雷达、GPS水汽等观测数据和ERA5再分析数据,对北京“23·7”极端强降雨阶段性特征和成因进行了分析。结果表明:“23·7”极端强降雨累计降水量(331 mm)和单点最大降水量(1025 mm)均打破历史纪录,最大雨强(126.6 mm·h^(-1))排名历史第二位,具有显著的极端性。强降雨可分为5个阶段,其中第Ⅱ和第Ⅳ阶段降水量分别占过程累计降水量的37.1%和39.7%,第Ⅳ阶段雨强更大,对应急流更强,高温、高湿特征也更明显。地形对降雨的增幅作用显著,降水量在海拔100~300 m山区迅速增加,极大值出现在海拔约400 m的山区,第Ⅱ(第Ⅳ)阶段山区平均降水量和小时雨强分别是平原的2.1(3.0)倍和2.0(2.7)倍;第Ⅱ阶段主要为地形对急流的直接抬升,第Ⅳ阶段为地形绕流辐合和直接抬升共同作用。7月31日上午(第Ⅳ阶段)边界层急流出口区与低空急流入口区耦合导致低层上升运动增强,促使西部山前β中尺度对流系统由块状发展成线状并有γ中尺度涡旋产生,该β中尺度对流系统北上时形成短暂的列车效应,引发了西部山区8个站次100 mm·h^(-1)以上的极端短时强降水。

“8.8”舟曲特大山洪泥石流灾害天气特征分析

利用常规气象资料以及卫星、雷达资料,分析了"8.8"舟曲特大山洪泥石流灾害。结果表明,这次强降水是在高空冷平流入侵,与700hPa切变线配合,由地面冷空气扩散触发对流不稳定能量释放,造成的强对流天气。由于地形等原因形成的一系列γ中尺度气旋造成降水的分配极不均匀;强降水与亮温有很好的对应关系,但亮温并非唯一影响因素。多普勒雷达的径向速度对γ中尺度气旋具有很好的指示意义,表现在旋转速度可以指示涡旋强度;降水与γ中尺度气旋有很好的正相关关系。

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。

2017年苏南一次特大暴雨高分辨率模拟及特征分析

利用高分辨率(水平3 km)数值模式,结合FNL分析及预报场资料、地面加密自动站观测资料和多普勒雷达资料,对2017年6月9—10日苏南一次因江淮气旋沿切变线东移造成的特大暴雨过程进行研究。首先对模式模拟结果做了降水、风场等多方面的验证,随后利用模拟结果和观测资料对该特大暴雨过程的对流系统结构及其发展维持机制进行分析。结果表明:(1)高分辨率模式能较客观地反映该暴雨过程诸多大气参数的演变。(2)特大暴雨过程中锋面气旋东移且倾斜发展,深对流中心维持在气旋的东南方向,该中尺度对流系统的发生发展与锋面气旋的上述演变密切相关。(3)特大暴雨过程中相应的对流处于旺盛阶段时,大气不稳定能量持续释放,中层为相对较高的假相当位温区,即明显的暖心结构,垂直上升运动最强,且其南北两侧均有下沉气流,形成中尺度次级环流,维持强对流不断发展。(4)超低空急流的持续增强,沿低层切变线上不断有γ中尺度涡旋生成和足够的低层辐合区厚度是导致这次特大暴雨过程的关键因素。

山东省一次罕见强对流天气的环境场及雷达特征分析

利用多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及区域自动站气象资料,分析了2019年8月16日山东省特大冰雹和雷雨大风强对流天气过程。结果表明:(1)此次强对流天气过程是在东北冷涡背景下由地面β中尺度辐合线、γ中尺度涡旋触发产生的。(2)中低层较大的温度垂直递减率、近地面层的逆温层、上干冷下暖湿、适宜的湿球温度0℃层和-20℃层高度是雷暴大风和大冰雹出现的典型特征。(3)β中尺度辐合线触发的对流单体不断发展、合并,形成单体之间排列较为松散的飑线,而γ中尺度涡旋附近个别单体发展成超级单体风暴。(4)诸城强冰雹的超级单体风暴具有有界弱回波区、三体散射、旁瓣回波、中气旋等特征。另外,风暴强度达到鼎盛后迅速减弱、强中心高度快速下降、风暴低层左后方出现强反射率因子区、风暴低层右前侧气旋性旋转强度加强、深厚持久的中气旋、风的垂直切变强,均是造成日照极端雷暴大风的影响因子。

四川宝兴县短时强降水的时空分布特征

利用四川宝兴县1970—2000年及2008—2014年的小时和部分分钟降水量资料,对宝兴县5—9月汛期短时强降水的时空分布特征进行了分析。结果表明：宝兴短时强降水集中发生在7、8两月;由于地形地貌特征复杂,不同的海拔高度及地形位置,短时强降水强度差异较大,海拔1400~1500m之间的降雨强度最大、海拔2580m左右区域的降雨时数最长,此2种降水类型均易引发泥石流等地质灾害;海拔1300m以下,海拔高度愈高,γ中尺度系统发展愈均匀持久,降雨强度愈强,海拔1300 m以上,海拔高度愈高,γ中尺度系统发展愈激烈快速,降雨强度愈弱。

日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征

利用常规观测资料、区域自动气象观测站加密观测资料、多普勒雷达资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势、环境物理量和涡旋特征进行了分析。结果表明:地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统,较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。地面辐合线上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发了对流,较大的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)和较强的0~3 km垂直风切变有利于初生对流的发展、合并,形成超级单体风暴。龙卷发生时,超级单体风暴低层右前侧出现钩状回波、入流缺口。较强的风暴单体、深厚持久的中气旋、中气旋强中心和底部迅速下降并重合、气旋性涡旋加强、最大风切变跃增、多个时次体扫出现龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature,TVS)是地面龙卷发生的主要特征。对龙卷风暴单体移动起主导作用的因子在不同时段有所不同,前期主要受平流的影响;风暴单体合并的过程中,风暴移动受传播和平流的共同影响;风暴单体完全合并后,引导气流对风暴的移动又起主要作用。

环渤海湾连续两条阵风锋的关联与成因分析

为加深对雷暴阵风锋多样性的认识,利用多普勒天气雷达、风廓线雷达、边界层气象铁塔、地面加密自动观测资料结合VDRAS系统分析场资料,对比分析了2016年6月10日渤海湾连续出现的两条阵风锋的差异及相互联系。结果表明:两条阵风锋的结构存在明显差异,阵风锋1前沿强切变位置形成近地层γ中尺度涡旋,边界层和对流层低层的西南暖湿气流沿阵风锋1输送到雷暴母体;阵风锋2呈现两支强入流的典型动力结构,一支位于其后侧边界层内呈强东北入流,另一支位于前侧对流层低层呈强西南入流,两支入流分别构成阵风锋前侧反环流和后侧正环流圈。冷池与低层垂直风切变的配置对阵风锋的发展维持起到重要作用。阵风锋1后部冷池强度相对较弱,低层垂直风切变强于冷池传播速度,雷暴单体具有向冷区倾斜的层云结构,不利于系统的发展加强;阵风锋2后部冷池发展强盛,冷池传播速度强于低层垂直风切变,雷暴单体内的上升气流更加竖直,从而促进雷暴单体加强发展。阵风锋前沿γ中尺度涡旋和后部冷池存在相互影响及内在关联,近地层γ中尺度涡旋的碰撞,增强了两条阵风锋之间的辐合抬升,同时配合冷池的合并增强,加剧了低层不稳定,有利于维持上下层旋转,形成较强的水平涡度,从而导致对流风暴快速加强发展并演变为弓形回波。

基于区域站雷达观测的黔东南“7.20”极端降水成因分析

针对2016年7月20日黔东南西部至东部历时13 h大暴雨天气过程,采用常规观测和雷达、贵州区域站等资料对此次暴雨过程的成因及特征进行分析。结果表明:此次暴雨天气的影响系统主要是500 hPa高空槽、低空急流、地面辐合线,持续12 h低空急流为此次大暴雨的发生输送充沛水汽和不稳定能量;19日黔东南东西沿线地区及周边环境非常有利于大暴雨发生,包含接近1300 J/kg的CAPE值、深厚湿层、强低空急流和异常大的可降水量,降水过程东部水汽通量大辐合强,与该区大范围强降水很好对应;强降水为热带对流型中尺度对流系统MCS,触发机制为超低空强风在黔东南西部及附近遇地形强迫和地面辐合线,黔东南西部至东部长时间有强降水雨团经过而产生大暴雨和特大暴雨,对流云后向传播和低槽遇副高阻挡导致降水系统移动缓慢是长时间降水的直接原因,中尺度涡旋和超级单体是增强降水的因素。

齐齐哈尔6月19日暴雨成因分析

利用常规观测资料、黑龙江省地面加密雨量点资料、国家气象卫星中心FY-2C卫星TBB资料、NCEP再分析资料和齐齐哈尔雷达回波资料对2009年6月19日齐齐哈尔地区暴雨过程进行诊断分析。结果表明:高低空急流相耦合不断给暴雨区高层输送冷干空气和低层输送暖湿空气,大气中不稳定能量增加聚集,在能量锋和气旋辐合上升运动触发条件下,中尺度对流云系不断发展,暴雨区云顶TBB在-55℃以下,与高能量区对应;大暴雨区云顶TBB在-60℃以下,与高能量中心相对应;大暴雨区雷达回波反射率因子有明显的弱回波区,径向速度图上有γ中尺度气旋式辐合区和"逆风区"。

2009-04-11强对流天气分析

简要分析2009年4月11日一次强对流天气过程的环流背景、不稳定能量,并结合卫星云图及雷达生产品进行深入分析。分析结果发现:这次过程是由中尺度低涡系统、中低层中-β尺度气旋系统和西南低空急流共同影响造成的,新一代多普勒天气雷达对追踪强对流天气以及制作准确的短时预报具有重要作用。