近地面冷池在飑线过程中对对流大风的预判作用浅析

利用江苏省气象观测站地面观测所观测的极大风、气温数据对2022年7月10日、7月26日、7月28日江苏先后发生的3次飑线过程进行分析。3次飑线均出现了大范围对流大风,极端大风不仅出现在水体山地附近,还出现在人员密集的城镇。飑线的移动方向主要取决于500 hPa引导气流的方向,7月10日飑线发生在暖区中,7月26日和28日飑线发生在冷暖气流的对峙中,其中7月10日和26日动力条件起主导作用,28日850 hPa水汽为飑线的产生提供了能量,飑线的发生是动力条件和能量条件共同作用的结果。冷池在近地面的活动对陆上极端大风的出现有一定的提前指示意义,在飑线影响下,站点气温的变化与风速的变化呈反相关,利用降温预判对流大风的提前量可以达到40 min以上。

一次强对流过程中两种不同类型风暴导致的极端对流大风分析

利用多源观测资料,对2021年4月30日发生在黄淮地区的一次强对流过程中由不同类型风暴系统造成的极端对流大风进行了探讨。研究表明,此次强对流过程发生在东北冷涡背景下的强风垂直切变和层结不稳定环境中,地面气旋及锋面触发了初始对流,在之后近10 h的传播过程中经历了组织化发展、孤立风暴新生、发展、合并与重组等不同阶段。期间,由两种不同类型风暴产生了特征相异的对流性大风:第一阶段,以江苏淮安站为代表,苏中极端对流性大风(36.2 m/s)是由发展强烈的超级单体风暴引发下击暴流所致。对流风暴低层呈现出明显的钩状回波特征,对应深厚的具有显著气旋性旋转的中气旋,在地面极端大风临近时刻,中气旋存在同时向上和向下拉伸、水平尺度快速收缩过程。贯穿整个风暴的下沉气流位于风暴钩状回波后侧,这支强下沉气流至地面附近迅速向外辐散,伴随风暴内强反射率核快速下降,导致淮安产生时、空尺度小且空间分布显著不连续的极端大风。第二阶段,以江苏南通地区为代表,苏东南地区极端大风的发展过程涉及多尺度天气系统的相互作用。线状对流系统前部存在明显的阵风锋,造成较大范围10级以上的地面大风;南通通州湾极端大风(47.9 m/s)发生在阵风锋后侧,其形成一方面是由于线形对流风暴造成的强冷池与地面冷锋相叠加,形成更强的气压梯度,另一方面与地面中尺度气旋入海过程中的快速发展以及风暴后侧倾斜向前的下沉气流导致的高空风动量下传有关。

与直线型对流大风相关的强风暴形态结构和热动力学过程

从预报预警业务的视角,重点讨论了直线型对流大风形成机理与对流风暴形态结构演变、风暴内部热动力学与云-水微物理过程之间的科学逻辑关系,以及它们在现代业务观测体系中的“显性表征”,对一些存在不同观点或解释的科学问题进行了探讨,以期帮助相关人员科学理解“观测现象”背后的物理逻辑、提高科学预警能力。主要结论:对流风暴引发的直线型地面强风,直接驱动因子来自于风暴内部的垂直运动,而垂直运动的主要贡献来自于“热力学作用造成的扰动气压垂直变化”和对流冷池效应强迫,它们又与风暴内部的蒸发(凝结)、融化(凝华)等云-水微物理过程直接相关;这些热动力学和云-水微物理过程的演变可以通过一系列的“观测现象”表征出来,例如雷达观测到的弱回波槽口、后侧入流急流、中层径向强辐合、中气旋、阵风锋等,以及地面气象要素随时间的剧烈变化。线型风暴系统的形态变化特征是由于风暴系统内部的动力学过程或者风暴系统与环境大气相互作用导致的,并不是所有的线型风暴系统都会演变为弓状回波特征的飑线;RKW理论本质上解释了整体飑线系统与环境风垂直切变之间的相互作用问题,实质上环境风场更多是在主导飑线移动和传播,而飑线的发展、维持可能主要是由风暴内部的热动力学过程控制的。

湖北三类组织形态强对流系统造成的地面强对流大风特征

利用湖北省2012~2017年区域自动站、天气雷达和周边探空站观测资料,对三类不同组织形态的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System, MCS)(线性MCS、非线性MCS和孤立对流风暴)造成的地面强风(极大风速≥17 m/s)的时空分布、移动与传播、对流环境特征等方面进行了统计对比分析,并结合个例讨论了地面入流大风的成因及其对对流系统发展、组织的影响。结果表明:(1)大量的非线性MCS可能是由更早发生在山区和丘陵的孤立对流风暴向平原地区移动过程中组织形成的,孤立对流风暴造成的地面大风出现的峰值时间在17:00(北京时,下同)前后,非线性MCS地面大风的峰值时间在19:00左右;线性MCS造成的强对流大风主要出现在平原地区。(2)非线性MCS和孤立对流风暴是造成湖北省地面大风的主导系统,其中,非线性MCS造成的地面大风站次数占强对流大风站次总数的41.9%,而39.3%的地面强对流大风站次是由孤立对流风暴造成的。(3)虽然大于17 m/s的地面入流大风占所有强对流大风的比例很小,但存在地面入流大风的强对流系统的影响范围、持续时间均远大于同一类型对流系统的平均值。基于一次长生命史线性MCS(飑线)造成强对流大风事件的分析表明:雷暴系统前侧的地面入流大风是由对流强烈发展造成,这支暖湿入流又进一步增强了对流风暴的发展,同时地面入流大风的形成进一步加强了垂直风切变,因而强的地面入流更有利于对流系统的组织化发展。(4)虽然暖季强对流系统的平均引导气流均以西南风为主,但线性MCS主要自西向东移动、非线性MCS以自西南向东北移动为主、孤立对流风暴的移动方向则更具多样性,也更易出现后向传播现象。孤立对流风暴相对组织化的强对流系统而言,往往发生在更不稳定或更干的层结大气中,且环境垂直风切变更弱、风速更小。

基于最大熵原理的强对流大风灾害致灾能力指数研究

选取四川省强对流大风灾害天气个例,利用2009~2019年自动气象站2min平均风速数据,基于最大熵原理,推导出表征强对流大风灾害天气过程时间、空间、强度的概率分布函数。根据其分布函数,确定可以完整表征强对流大风灾害天气过程时间、空间、强度的气象参量。利用灰色关联度法,以强对流大风灾害的直接经济损失为参考,计算气象参量关联度,确定参量权重,构建出表征强对流大风灾害天气过程的致灾能力指数。结果表明:该指数可以正确反映强对流大风灾害过程的致灾能力强度,指数越大,致灾能力越强,反之越弱。

2018年3月4日中国南方强对流大风天气分析

利用常规地面、高空观测资料、FY-2G卫星云图、ERA-Interim再分析资料和南昌昌北机场逐分钟自动观测数据,对2018年3月4日发生在华南、江南地区的一次大风强对流天气过程进行了分析。结果表明:本次大风天气过程是由暖区中的西南大风天气过程和冷区中的冷空气偏北大风共同构成;暖区西南大风是雷暴高压与江南地面倒槽低压中心异常偏大的气压梯度直接造成的;江南、华南地区在4日白天出现的异常高温,使锋区温差更大,有利于加强这些地区的抬升作用;午后,江南地区逐渐达到当天最高气温,与雷暴高压冷池的温差更大,TBB低于-52℃区域面积开始有明显增加。暖区和冷区的地面辐合线,江南地区高DCAPE和CAPE值,均有利于触发强对流天气。南昌昌北机场地面自动观测数据表明,在雷暴高压来临之前,地面气压有一个陡降的过程。在雷暴高压开始影响机场时,出现了29.7 m/s的最强瞬时大风,气温也出现大幅度下降,最大降温幅度达到1.5℃/min。

基于雷达三维组网数据的对流性地面大风自动识别

应用雷达三维组网数据和地面加密自动站风场资料,统计分析了对流性地面大风的6个主要雷达识别指标:风暴最大反射率因子、风暴最大垂直积分液态水含量、垂直积分液态水含量随时间变率、风暴最大反射率因子下降高度、风暴体移动速度和垂直积分液态水含量密度等参数。根据雷达识别指标和地面大风的相关程度,给出了识别指标的隶属函数和权重系数;采用不等权重法,建立了具有模糊逻辑的对流性地面大风识别方法。并将对流性地面大风的出现概率分为3级:当识别风暴单体的判据小于0.3时,出现对流性地面大风的概率小;当判据在0.3—0.5时,产生对流性地面大风的概率较大;当判据大于0.5时,出现对流性地面大风的概率很大。通过对河北省2012年6月21日线状风暴和2009年7月23日孤立单体风暴引发的灾害大风典型个例的识别效果检验,证明这种方法识别到的风暴单体跟踪效果良好,识别出的大风范围与实况风场基本吻合,命中率、虚警率和临界成功指数分别达81.8%、25.0%和64.3%,利用模糊逻辑原理建立对流性大风的识别算法是切实可行的。

云南对流性大风天气的潜势预报及雷达回波特征

为提高云南省对流性大风短时临近预报水平,使用历年大风日数和上百个对流性大风个例的探空、雷达资料,分析了T-lnp图、对流参数和雷达回波特征,总结提炼云南省对流性大风的预报预警指标。结果表明,非对流性大风和对流性大风具有不同的时空分布特征。非对流性大风受大尺度系统影响,主要出现在冬春季节,滇东、滇中和滇西北影响最重。对流性大风多受中小尺度系统影响,主要出现于夏季,呈现局地性特征。对流参数、T-lnp图在对流性大风的潜势预报中有一定指示意义。雷达产品在对流性大风的临近预报中有较好的反映。回波顶高和垂直累积液态水含量在对流性大风发生前和发生时的跃变特征是预警对流性大风发生的关键因子,可提供6~12min的提前预警时间。

2021年5月武汉两次对流性大风天气的多普勒雷达观测分析

对流性大风是强风暴最常产生的天气现象,致灾严重,预报难度大。2021年5月10日和14日,湖北武汉先后发生了雷暴大风和龙卷天气过程(以下简称“5.10”大风和“5.14”龙卷)。本文利用常规探空和武汉多普勒天气雷达资料,对这2次过程的环境条件、多普勒雷达回波特征和雷达衍生参量进行了对比分析,结果表明:(1)两次过程都发生在具有高不稳定能量、强垂直风切变和低抬升凝结高度的环境中,地面都有多支气流形成的辐合区,但下沉对流有效位能、能量螺旋度、强天气指数等强对流物理参量值有显著差异;(2)两次对流性大风的产生机制和雷达回波特征不同,“5.10”大风主要由中层干冷空气和降水粒子相变发动强下沉气流产生雷暴大风,并在地面形成冷性雷暴高压。由多个对流单体合并的对流带产生的强下沉气流在径向速度场上表现为低层大风核,而对流带前侧相对孤立的单体产生的强下沉气流表现为低层径向辐散特征;“5.14”龙卷由超级单体产生,具有钩状回波、强中气旋和龙卷涡旋特征等特征;(3)两次过程发生前垂直风速差和风暴相对螺旋度的变化差异显著,表明了两次过程环境气流的变化不同,这样的变化是否适用两种天气的识别还需要对大量个例进行统计分析。

粤西北对流性大风的物理参数及雷达回波特征

为了解粤西北对流天气的特点,对2015—2020年粤西北发生的60个大风和冰雹天气个例的物理参数、雷达产品的特征进行分析,结果表明:粤西北对流性大风的物理参数有明显的季节性和地域性,其中在春季K指数为27~40℃,出现冰雹时普遍≥32℃,TT为30~55℃,t_(700)-t_(500)>14℃、t_(850)-t_(500)>22℃,IQ为2800~5000 g·hPa·kg^(-1);夏季K指数为35~42℃,TT为42~46℃,IQ为4200~6600 g·hPa·kg^(-1)。沙氏指数、垂直风切变、特殊高度层等物理参数在对流性大风、冰雹的潜势预报指示意义有一定的局限性。对流性大风的雷达回波春季多为带状和块状,夏季以点状、块状发展为主,径向速度>12 m/s、ET为10~13 km、VIL值30 kg/㎡以上并有急增或急降现象;出现冰雹时多为超级单体,有三体散射现象、V形缺口等特征,回波强度>60 dBz、径向速度>18 m/s、Z_(DR)>2.4、K_(DP)>2.8 dBz。

2012—2017年珠江口海区短时强对流天气灾害的统计分析

利用2012-2017年珠江口海区一个自动气象站的分钟级观测数据,从年变化、季节分布、日变化、强度和维持时间等方面对对流阵性大风和阵性强降水两种短时强对流天气进行了统计分析,并对阵性强降水过程中雨强和能见度的关系进行了研究。结果表明:珠江口海区每年阵性强降水发生次数约为对流阵性大风的两倍,二者均主要发生在春夏季且均呈现为“双峰”结构,二者发生的日变化规律明显不同;对流阵性大风过程中最大风力平均为7级,最大可达10级,阵性强降水过程中最大雨强平均为1.4 mm/min,最大可达3.5 mm/min;二者维持时间均很短,平均为5 min左右,对流阵性大风持续时间相对更长且强度与维持时间不是线性关系分布;阵性强降水过程对能见度有强烈的影响,能见度和雨强呈幂函数关系分布,能见度随着雨强的增大先是迅速降低而后缓慢降低。

3类大风的多普勒雷达与风廓线雷达特征分析

利用多普勒雷达与风廓线雷达资料分析了浮梁县的强对流大风、台风大风和冷空气大风3类大风的的特征,主要结论如下:强对流大风多由飑线移动造成,回波强度可达45~60 d Bz或以上,强回波与≥20 m/s大速度区配合,VIL的强度在20~25 kg/m^2,有时伴有"弓形"、"V"型缺口等明显特征。而台风大风回波均匀,强度多为20~30 d Bz,速度场上伴有明显的偏东风低空急流和超低空急流,VIL很小。单纯的冷空气大风在多普勒雷达上无反映。强对流大风出现前,在风廓线中层有20 m/s或以上的西南急流出现,并逐渐下传,但底层不一定有风力明显加大的现象,而台风大风、冷空气大风出现时,底层有持续的12 m/s的大风区出现。强对流大风Cn^2在可表现为底层至高层一致达最大值,而台风大风仅表现为底层附近达最大值,冷空气大风则表现为整层最小。

浙江海岛大风特征及变化规律

引言 大风是一种经常出现在我省海岛的灾害性天气。海岛不仅大风多,且强度大,持续时间长。对海岛大风的特性及其变化规律的分析,将有助于我们对海岛大风的认识和防御,使其危害减少到最低程度。为此,本文利用海岛气象站多年历史气候资料,对我省海岛的大风作了分析研究。

基于自动站观测资料的朝阳地区强对流空间分布规律研究

通过对2011—2016年朝阳地区140个区域自动站观测资料进行筛选统计,得出强对流事件出现的总次数,绘制短时强降水和对流性大风的频发区空间分布图。结果表明,短时强降水主要分布在山地的迎风坡、河流与丘陵复杂分布的地区。对流性大风有三大块频发区,受山脉的阻挡和影响,对流性大风频发区集中分布于山谷、河流等地势平坦地区。

一次南支槽引发德宏州强对流天气成因分析

利用常规气象观测资料、静止气象卫星云图资料和多普勒雷达探测资料,对2013年5月3日一次南支槽引发云南德宏州发生雷暴大风和冰雹强对流天气过程的特征、中尺度环境场及成因进行了分析,结果表明:5月3日在南支槽天气背景下德宏区域内为对流不稳定,具上干下湿的不稳定层结,有强的垂直风切变;在干线和中尺度辐合线的触发下产生了这次强天气过程。高分辨率卫星云图能够清楚的监测MCS的发生发展,雷达监测提高了时空分辨率,监测到速度模糊、弓形回波、三体散射、后侧"V"型缺口、有界弱回波区等指示冰雹、大风等强对流天气的雷达回波特征。

2021年中国降水异常气候特征及4次典型极端天气过程分析

2021年,我国天气形势复杂,气候异常性显著,极端事件频发。本文简要回顾了我国主汛期和华西秋雨的异常性特征,并对河南和湖北4次高影响天气过程展开了初步分析。结果表明:(1) 2021年4-10月全国平均降水较常年同期偏多7.8%,其中河南、河北和山西等部分地区偏多1倍以上。(2)在外强迫因子“拉尼娜”异常海温的影响下,副热带高压外围水汽和北方冷空气异常活跃,导致华西秋雨降水量打破1961年以来历史记录。(3)河南“21.7”特大暴雨发生在台风、低涡、切变线和辐合线共同作用的背景下,大量来自西北太平洋的水汽,在低空急流与边界层急流耦合、地形的动力阻挡抬升和热力抬升共同作用下,强降水雨带出现在山前。(4)在有利的多尺度环流背景下,地形与低层风场辐合带的相互作用触发了对流,并使得降水维持在狭长山谷地形区域内,引发随州“8.12”极端强降水。(5)中γ尺度的强对流单体的合并加强导致了武汉两次对流大风事件,中层突然增强的水平风引发了下沉运动,下落后造成地面局地强冷池和地面极值大风。