线状中尺度对流系统内多个强降水单体的结构演变及闪电活动特征

利用多普勒雷达、SAFIR3000三维闪电定位系统和气象自动站等观测资料,以线状中尺度对流系统内多个γ中尺度强降水单体为研究对象,揭示了单体之间、单体与β中尺度线状对流系统的多种相互关系,设计多种雷达参量对单体的结构演变进行定量化描述,进一步建立了对流单体结构演变与闪电活动的相互关系。得到以下结论:(1)线状中尺度对流系统内顺义、房山、固安、宝坻对流单体分别造成了1 h降雨23、50、27、70 mm,在其演变过程中,顺义单体被另一个单体追逐、供给,房山单体包括2个更小单体的合并过程,而固安、宝坻单体的初生和发展与线状中尺度对流系统是被喂养、吞食的关系。(2)设计的雷达参量V_(40)(40 dBz强回波核的体积大小)、V_(40UP-6)(6 km高度以上40 dBz强回波核的体积大小)、S_(ET11)(回波顶在11 km处的回波范围大小)量化描述了单体的三维结构演变特征,F_(ic)(云闪频数)和F_(cg)(地闪频数)与上述雷达参量关系密切,如与V_(40UP-6)的相关系数为0.63—0.97;而F_(ic)比F_(cg)更敏感地呼应单体结构的变化。(3)固安单体在成熟阶段,主正电荷区(即辐射点最大密集区所处的地方)维持在较低位置,远低于其他单体在成熟阶段主正电荷区的高度。(4)在对流单体合并后,F_(ic)和F_(cg)增大且主正电荷区明显抬升、闪电频数陡增对应降水强度增大、闪电频数峰值超前于降雨强度极值等特征,对灾害天气的预警具有积极意义。

长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅰ:组织类型特征

利用2010年6—7月长江流域雷达拼图和观测资料,统计分析了长江中下游地区梅雨期中尺度对流系统的类型和活动特征。结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统发生个数比非线状中尺度对流系统发生个数略多,存在8类典型的线状中尺度对流系统:尾随层状降水中尺度对流系统(TS)、准静止后向建立中尺度对流系统(BB)、邻接层状单向发展中尺度对流系统(TL/AS)、前导层状降水中尺度对流系统(LS)、平行层状降水中尺度对流系统(PS)、断裂线状中尺度对流系统(BL)、镶嵌线状中尺度对流系统(EL)、长带层状降水中尺度对流系统(LL)。其中,有6类和已有的研究结果类似,EL中尺度对流系统和LL中尺度对流系统是长江流域梅雨期新统计的两类线状中尺度对流系统。TS、LS、PS和BL等4类中尺度对流系统是移动性的,TL/AS、BB、EL和LL类中尺度对流系统为移动缓慢相对静止的。线状中尺度对流系统平均持续时间大多数在7h以上,TL/AS和TS类持续时间较长。线状中尺度对流系统多形成在长江两岸附近,重庆北部至鄂西沿江地带、江汉平原地区、皖南和赣北地区、大别山地区是中尺度对流系统的多发地;中尺度对流系统移动路径分为东、东偏北、东偏南、南等4种,这与环境场的引导气流有关。长江中下游地区中尺度对流系统发展阶段日变化呈现多峰型特征,在成熟阶段的下午至夜间发生强降水的概率明显大于凌晨至上午。

山东省线状中尺度对流系统的天气学特征

按照如下标准确定一个线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective system,LMCS):40 dBz以上反射率因子连续或准连续回波带尺度≥100 km并持续至少1 h,镶嵌着40 dBz回波的35 dBz回波要求严格连续,线状或准线状的对流区域拥有一个共同的前边缘,最大回波强度≥50 dBz。从2012—2016年雷达资料中挑选出27个影响山东的LMCS,分析其天气学特征。结果表明:影响山东的LMCS 8月出现次数最多,形成时间集中在傍晚到前半夜,生命史一般为1~2 h,大多数具有后向传播特征;形成LMCS的初始对流单体绝大多数位于河北省,单体生成后一般向东偏南方向移动;LMCS大多数是东北—西南向,尺度一般介于100~200 km。文章提炼了形成LMCS的后倾槽、前倾槽和冷涡等三类天气学模型。850 hPa伴有暖温度脊或暖中心是形成LMCS的一个重要特征,冷涡和前倾槽类500 hPa中空急流以及后倾槽类700 hPa以下低空急流在形成LMCS中起着重要作用。当850 hPa比湿>8 g·kg^-1,沙氏指数和抬升指数均为负值时,可能出现LMCS。若对流有效位能>1000 J·kg^-1,对流抑制较小,且850 hPa与500 hPa气温差大于25℃,出现LMCS的概率达80%。LMCS出现时均伴有短时强降水,70.4%的LMCS造成雷暴大风、冰雹或强降水灾害。冰雹和大风比短时强降水需要大气层结的不稳定度更高,仅有短时强降水出现时,0℃层和-20℃层的高度明显比冰雹和大风出现时的高度高。

基于动态模板函数的线状中尺度对流系统自动识别

在中尺度对流系统(mesoscale convective systems,MCSs)自动识别、跟踪基础上,根据拟合椭圆长轴设计动态模板和得分函数,完成了雷达拼图资料上的线状MCSs自动识别。并利用不同类型中尺度天气过程对算法进行检验,分析结果表明:(1)算法能够实现对线状MCSs的自动识别,由于对流系统分裂与合并造成的回波形态"突变",得分值结果能得到较好的反映;(2)算法能够实现对线状MCSs天气的跟踪,一般情况下跟踪效果较好,在分裂或者合并发生的时刻跟踪效果较差。

长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统分析Ⅱ:环境特征

利用2010年6—7月长江流域雷达拼图、各种观测资料和NCEP逐日再分析资料,合成分析了长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统的环境特征及典型个例。结果表明,长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统环境风相对对流线分量的垂直分布是决定线状中尺度对流系统组织模型的重要因子。尾随层状降水中尺度对流系统和邻接层状单向发展中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层是从前向后,而前导层状降水中尺度对流系统垂直对流线的风分量在对流层中低层为从前向后,至中高层转为从后向前,这3类中尺度对流系统平行对流线的风分量都随高度明显增加;尾随层状降水中尺度对流系统和前导层状降水中尺度对流系统对流层风垂直切变主要是垂直于对流线,邻接层状单向发展中尺度对流系统则主要是平行于对流线方向。平行层状降水中尺度对流系统和准静止后向建立中尺度对流系统对流层平行于对流线的风分量占绝对优势,且随高度增大,前者增大得更显著,垂直于对流线的风分量较小。7月8日邻接层状单向发展中尺度对流系统形成于地面冷锋北侧的高湿、不稳定的环境中;6月7日准静止后向建立中尺度对流系统形成于一个变化的高温高湿的地面环境场中。高温高湿环境是各类线状中尺度对流系统发展环境的共同特征。

山东省线状中尺度对流系统与多单体风暴的合并特征

利用济南多普勒天气雷达产品和华北区域雷达拼图等资料,普查了2012—2016年影响山东的线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective system,LMCS),分析了LMCS与多单体风暴的合并方式以及合并后的演变趋势等特征,得到如下几条结论:1)LMCS(A)与多单体风暴(B)有A追B,A扩展,A、B相向和B追A四种合并方式;2)LMCS与多单体风暴合并的临界距离为30 km;3)LMCS与多单体风暴合并后,强度增强或维持,尺度增大,生命史延长,长轴将可能转向;4)LMCS与多单体风暴合并时,其本身合并部分将减弱,多单体风暴合并进入LMCS,成为LMCS的一部分;5)合并是雷暴的传播运动造成的;6)63.3%的合并案例会产生雷暴大风、冰雹或强降水灾害,雷暴大风灾害出现的概率最大。

线状中尺度对流系统的多普勒雷达统计特征分析

利用济南CINRAD/SA新一代多普勒天气雷达资料,统计分析了2004—2015年约15万km2区域内发生的148个线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective systems,简称LMCSs)的多普勒雷达回波特征。主要分析了LMCSs的年和月分布、典型尺度、典型回波强度的统计特征以及初始回波出现时间、位置、LMCSs持续时间、演变过程回波合并特征、移动速度和方向、发展后期回波演变特征、组织类型等。LMCSs存在明显的年际变化,不同年份之间有很大的差别,而每年的6月和7月是LMCSs的高发期;80%的LMCSs是大于50 km的中-β尺度,20%属于中-α尺度,成熟期97.3%LMCSs的最大回波强度在55~70 d Bz间;10—22时之间易开始形成LMCSs,14—16时是峰值,凌晨不易形成LMCSs,而LMCSs持续时间在2~18 h之间,6~8 h是峰值;一半的LMCSs在演变过程出现回波合并,合并过程可以分为与孤立对流单体合并、与对流回波群合并和与对流回波带合并三类;地形对LMCSs的触发有重要影响,太行山脉、鲁中山区的北麓和西麓容易触发形成LMCSs。这些研究为认识LMCSs发生、演变、减弱各阶段的特征,进一步提高对LMCSs的实时监测、短时预警水平提供了基础。

香港特大暴雨β中尺度线状对流三维结构研究

β中尺度狭窄线状对流系统是造成锋前暖区暴雨的主要角色，对其结构和机理的研究具有重要意义。作者使用高时空分辨率的多普勒雷达观测资料。对1998年6月8～9日香港暴雨过程中的β中尺度的狭窄线状雨带进行流场、回波强度和散度的时空四维结构的深入剖析。利用观测资料得到线状β中尺度对流系统的三维流场和水平散度结构。发现线状β中尺度对流系统的水平散度垂直配置与低层强降水回波之间存在一定的关系,并给出发展和成熟阶段中线状β中尺度对流系统的流场和散度场配置的基本结构。

一次TS型线状对流不同阶段LMI闪电特征分析

以2019年一次尾随层状(TS)型线状对流为研究个例,利用FY-4A闪电成像仪(LMI)观测资料、雷达组合反射率因子资料、地基闪电定位(ADTD)观测资料、FY-4A云顶亮温(TBB)资料和其他常规观测资料,对比分析LMI闪电数据在TS型线状对流3个不同演变阶段的数据可靠性及观测特征。结果表明:TS型线状对流不同演变阶段LMI观测的闪电具有一定的时空连续性,其分布与ADTD的闪电分布总体一致;对流发展阶段,LMI闪电位置略超前于TS型线状对流前导对流线,对未来0~1 h对流发展具有提前指示意义;对流成熟阶段,LMI观测的闪电与前导对流线位置较为一致,对线状对流发展具有监测意义;对流减弱阶段,LMI闪电一部分位于减弱的前导对流线中,另一部分位于其后侧尾随的积层混合云中。给出TS型线状对流不同演变阶段LMI闪电特征模型图,为LMI闪电产品在对流天气监测预警中的应用提供一定参考。

线状中尺度对流系统自动识别

在使用动态模板法识别中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)的算法中引入风暴单体识别跟踪算法(Strom Cell Identification and Tracking,SCIT),实现对MCS内部对流单体的定位,进一步计算出MCS的长宽比。利用该方法对20个多种类型中尺度天气过程进行处理,在选取不同识别阈值情况下对比评估动态模板法。结果表明:(1)动态模板函数、由SCIT得到的平均距离长宽比Wave和最大距离长宽比Wmax均能表征MCS长宽比,且在不同阈值情况下有较好的相关性;(2)动态模板函数与Wave和Wmax变化不一致的时刻是由于质心代表性不足和风暴单体较少引起的趋势变化波动较大造成;(3)综合分析结果表明动态模板函数法识别结果稳定可靠,与实际情况较为一致。

华北两类产生极端强天气的线状对流系统分布特征与环境条件

华北线状对流系统精细气候分布及其所产生的极端天气特征尚不清楚,本研究利用雷达拼图资料和客观识别方法普查2013—2018年华北171例线状对流系统的时、空分布特征,根据其所致强对流天气的统计结果,发现华北地区至少有2类线状对流系统,分别产生极端强雷暴大风和极端强降水。分析了这2类线状对流系统的环流形势、环境条件、地形作用和关键中尺度系统地面冷池等的特征。主要结论如下:华北线状对流系统的空间分布尤其是初始形成位置与大地形关系密切,京津冀的太行山和燕山山脚区域为其中的一个高发区;2类线状对流系统发生月份、空间尺度、移动速度、形成时刻和维持时间等都具有显著差异;2类线状对流系统的环流背景、环境条件和冷池也差别明显。强雷暴大风型线状对流系统的环境大气斜压性强,中层干和大的垂直减温率造成的最优对流有效位能、下沉对流有效位能大值区是产生极端大风的重要环境条件,地面强冷池以及0—3 km风垂直切变对前向传播起到了重要作用。强降水型线状对流系统产生的降水极端性较前一类型更为凸出,天气尺度强迫相对较弱,水汽条件极其充沛,地面弱冷池或地形与低层南风气流相互作用维持的后向传播是其发展和缓慢移动的主要机制,也是产生极端强降水的直接原因。

基于骨架的线状对流系统客观量化识别算法研究

本文将计算机图形学骨架概念应用到气象学领域,发展了回波图像预处理、骨架修剪处理以及长宽比量化处理技术,该方法能自动识别出雷达回波拼图中符合气象学标准的线状对流系统(quasi-linear convective systems,QLCSs)。首先结合2016年黄淮地区一次双QLCSs过程给出了基于骨架的QLCSs客观量化算法的具体技术流程,然后利用该方法对2016年6月安徽地区的QLCSs进行客观筛选,并进一步量化识别QLCSs的移动特征,结合灾害天气实况与主观识别进行对比评估,结果表明:结合气象学标准改造的骨架图像识别算法,较好保留了气象回波形状信息,在准确量化对流系统长短轴的基础上,实现QLCSs的有效识别。而获得的量化移动矢量等特征,一方面可应用于致灾QLCSs的分类研究,为开展长序列统计及致灾机理分析提供个例识别方法和量化特征,另一方面也为QLCSs的短临监测预警业务提供新的思路。

江淮流域无层状云线状对流系统发生的环境条件和地面特征分析

对2007—2010年6—9月发生在江淮流域的19个无层状云(NS型)线状对流系统个例进行环流背景和地面形势分析。根据个例发生环境的整层可降水量分为干环境(<50 mm)和湿环境(≥50 mm)。干环境下(5例)的天气形势可以分为槽后型和高压后部型两种,湿环境下(14例)的天气形势可分为槽前型、高压后部型和槽后型三种。干环境下以槽后型为主,对流系统多发生在干暖区,湿度较小,发展剧烈,易发生大风、冰雹天气;湿环境下槽前型的发生概率最高,地面系统较复杂,有静止锋、倒槽、冷锋和暖锋,最不稳定层相对较高,水汽充足,有利于强降水发生。研究表明,干、湿环境下NS型线状对流系统的触发和维持机制可能存在明显差异,需今后进一步深入研究。

北京地区两条线状对流相继下山发展的边界层条件对比研究

利用北京地区稠密的观测资料和变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)再分析资料,分析了2017年7月7日相继影响北京地区并造成短时强降水、大风、小冰雹等的两条线状对流活动。两条对流均生成于北京西北的河北张家口山区,且在山脚和平原地区继续发展,但其边界层条件是不同的,第二条对流带在第一条影响后的冷垫上发展。结果表明:平原及山脚一带较好的热力、动力条件,包括高温高湿的边界层环境、低层环境风场与对流带前侧冷池出流形成的辐合,为第一条对流带在下山过程中快速组织化发展形成飑线提供了有利条件。飑线发展强盛阶段,冷池的发展与环境低层垂直风切变达到平衡,冷池前沿自地面至1.5 km高度处形成强辐合区,上升运动呈近乎垂直的形态。第二条对流带在前一条飑线形成的冷垫上继续发展,形成暖季高架对流,虽然风暴上升运动呈倾斜状且强度有所减弱,但是强回波(≥45 dBz)面积未减。一方面,第二条对流带受前一条飑线能量方面的抑制;但另一方面,两条对流带在合适的距离下,低层流场形成辐合,尤其是在第二条对流带的冷池与前一条飑线形成的冷垫靠近叠加以后低层辐合进一步加强,第二条对流带回波继续北上。本例高架对流发展的能量来源主要为边界层以上层结不稳定的大气,可能伴随在第一条飑线过境后由偏南暖湿气流带来的边界层以上对流能量重建过程。所以,在强对流短时临近预报业务中,需要综合考虑热力、动力等多重因素,而VDRAS快速更新同化的再分析资料可以提供有效参考。

梅雨期一次线状对流系统的结构特征研究

利用观测资料和高分辨率的模拟资料研究了发生在江淮流域梅雨期的2007年7月8日的一次无层状云(NS)线状对流系统。观测资料分析表明,NS对流线在热低压和冷高压之间的梅雨锋附近发展起来。之后,梅雨锋南侧低压向东南方移动,受到武当山的地形作用,北侧冷高压南移受到阻挡,高低压之间强迫减弱,系统在向东南方向移动的过程中减弱。WRF模式成功地模拟此次过程,利用模拟结果分析了NS线状对流线在形成阶段、成熟阶段和减弱阶段的结构特点。在系统的成熟阶段,前部是向后的入流引导的上升气流,气流在斜升过程中在中层遇到对流后部入流,一部分形成了对流区下层的下沉运动,另一部分上升气流则与中层及高层后向入流一起继续向对流层高层的系统前方运动。通过2009年6月3日弓状回波(BE型)对流内部结构的对比分析,揭示了NS的结构特征以及系统没有或较少产生层状云的原因可能是后部中层以上的后向入流的阻碍作用。

一次华南准静止线状对流系统触发维持机制研究

2014年5月10日08时左右,在广东阳江市附近有分散对流单体出现并发展合并形成为尺度约200 km的准静止东西向线状MCS (Meso-scale Convective System),持续近16 h,造成广东阳江以东至珠江入海口以西沿海强降水。通过实况分析、WRF-ARW (the Advanced Research WRF)模式模拟及地形敏感试验发现,在有利的大尺度水汽热力条件背景下,特殊的中尺度动力热力结构与云雾山地形的持续相互作用是该MCS触发和维持机制的关键因素。在大气低层出现的SLLJ (Super-low Level Jet)构成了向北输送的暖湿气流"通道",增强了云雾山南侧上干冷与下暖湿的大气对流不稳定层结,使得暖湿空气在云雾山地形的阻挡作用下被强迫抬升达到自由对流高度,气块的CAPE (Convective Available Potential Energy)被触发释放,在云雾山附近生成分散的对流单体,配合中层偏西引导气流的作用,对流单体向东移动发展。由于以上大气中尺度动力热力结构特征的持续维持,配合云雾山地形抬升作用,在此后的十余小时内,云雾山附近不断触发新对流单体,在中层引导气流作用下向东移动的同时,持续的SLLJ为对流的发展供给大气不稳定能量使得对流单体逐渐发展合并,以此往复,形成了西端位于云雾山附近的准东西向线状MCS并长时间维持。

2019年6月17日河北张家口线状对流中的 龙卷环境场与雷达特征

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析资料以及卫星雷达资料,对2019年6月17日发生在张家口的一次与线状对流伴随的龙卷天气进行分析。结果表明:(1)龙卷天气发生在对流层中低层高能中心、强垂直风切变以及中层强风速区的环境中。(2)中低层强的正水平螺旋度、低层强辐合与高层强辐散配置为龙卷发生提供了有利的环境条件。(3)在对流不稳定区,边界层辐合线是对流的触发条件,弧状云线的发展加强和上冲云顶的识别分析有利于判断对流云团的发展趋势,对强对流的短临预警有重要参考意义。(4)通过雷达资料与风场反演分析,线状对流中的龙卷是由γ中尺度涡旋在低层强辐合与上升气流的拉伸下形成的。强辐合区主要位于3 km高度以下。

一次由线状风暴和阵风锋引发的致灾大风成因

2018年6月13日,多条线状风暴和阵风锋造成山东多地出现致灾大风,基于常规、加密气象观测资料、卫星云图和多普勒天气雷达资料,对此次大风成因进行了分析。结果表明:(1)冷涡后部横槽转竖引导冷空气叠加在低层暖脊之上,850 hPa与500 hPa温差高达34.7℃,同时925~600 hPa的干层与地面至925 hPa的近饱和层相叠置,上下层大气之间温、湿差异显著,形成强热力不稳定,持续并增强的低层逆温层使不稳定能量得到积累,显著干层和低层强温度垂直递减率为夹卷和蒸发冷却过程提供了有利条件。(2)线状风暴各生命期强阵风是由内嵌其中的普通单体或超级单体下击暴流所引发。单体间下沉气流合并使地面大风的影响范围和强度有所增大。强阵风均伴随较强降雨和降雹,雨滴和冰雹的拖曳是产生下击暴流的重要原因,极大风速与5 min降水量具有正向相关性,青岛34.8 m·s^(-1)的极端大风出现时5 min降水量达19 mm。(3)山东东南部的初生对流在地面辐合线、海风锋、对流云街上被接连触发,遇阵风锋后生命史延长,得以并入到主风暴,使风暴发展壮大,而风暴中的下沉气流又驱动多股阵风锋加速向南推进,增强地面风速,阵风锋与风暴主体之间存在相互促进机制。在对流潜势较高的条件下,需关注边界层辐合线对对流的触发作用。

蚕状强回波与其强对流天气的预报初探

一、简述 蚕状强回波是造成我地区春季局地强对流天气的重要回波之一。它通过常只有30—60公里长,5—15公里宽,强度≥50db。它生命史短,从产生到消失,一般在两小时以内。它出现的次数不多,平均每年春季约1—2次,但它的出现,几乎都伴有冰雹和破坏力很强的大风。

2010年秋季一次海南东海岸特大暴雨的中尺度分析

综合利用NCEP再分析资料、地面加密观测、多普勒雷达观测和卫星观测等常规和非常规资料,对2010年10月5日海南琼海特大暴雨过程的天气背景、环境场特征以及中尺度云团的活动特征进行分析。这次过程发生时热带辐合带(ITCZ)异常活跃,热带低压在海南岛附近活动,为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景,偏东气流在海南岛的东岸特殊地形的影响下形成中尺度切变线。切变线上有中尺度对流系统自南向北移近琼海,并发展加强。采用WRF模式的精细模拟结果,进一步研究了造成琼海特大暴雨的中尺度对流系统形成和维持的主要原因。结果表明,在海南岛东岸稳定维持的β中尺度对流带及其上活跃的对流系统是造成特大暴雨的直接影响系统。新的对流系统不断地沿对流带尾部生成,并沿对流带自南向北移动发展可能是造成琼海地区强降水持续的直接原因。该模拟阶段雨强的发展加强,伴随着偏东风急流的发展和北抬。急流的扰动不仅增强垂直风切变,还通过倾斜项的作用将水平涡度转化为垂直涡度,同时,在海南岛中尺度地形的抬升和阻滞下,并有水平平流及热力条件的配合,使对流在迎风坡的上游发展加强,造成此次特大暴雨。