金沙江下游峡谷一次飑线和下击暴流的机理分析

产生极端灾害性大风的飑线对水电站安全至关重要。本文以2016年6月4日金沙江下游白鹤滩水电站峡谷产生13级大风的飑线为例,从天气系统和中小尺度上讨论其形成机制。获得以下结论:(1)飑线到达前,受飑前低压影响水电站气压稳降了9 hPa,气温上升超过14℃。飑线到达时受雷暴高压作用1 h内气压陡升10 hPa,气温骤降超过10℃,相对湿度陡增到70%,伴随短时降水发生。飑线过境后以上要素恢复到原值。(2)天气尺度环流的分析发现,飑线当天水电站在高空急流入口右侧辐散和低空西南涡南侧切变辐合的耦合作用下,次级环流的上升运动为飑线深对流提供了环境背景。飑线前中高层干冷平流叠加在中低层暖湿平流上,加上低空强烈升温增加了气温直减率,积累了对流发展的静力和对流不稳定,为飑线长生命提供了有利环境条件。垂直风速显示峡谷的上空下沉运动增强了动量下传,促进飑线前侧的抬升,正反馈作用下促进风暴稳定发展。(3)昭通雷达探测表明,飑线中30 dBZ以上多单体紧密聚合成带状回波,镶嵌着超过10 km高度柱状发展的50 dBZ以上强回波核。径向速度场上,垂直于峡谷的中尺度辐合线与带状强回波吻合,是飑线的触发机制,对应深厚的中层径向辐合MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)特征。在云体剖面结构上,飑线前强上升运动形成穹窿,飑线到达时高悬的回波核快速下降,形成下击暴流,并诱发顺着河谷的新单体生成,改变了飑线走向,形成顺着的峡谷的极端大风。

四川盆地一次西南低涡影响下的飑线天气特征及其成因

2019年6月4日夜间到5日白天,四川盆地东部出现一次西南低涡影响下的飑线过程,采用多源观测及欧洲中心再分析资料,分析此次飑线过程的特征及成因。结果表明:飑线形成前四川盆地中部已出现暴雨,该对流性暴雨在高空低槽和暖性西南低涡的环流背景下产生,相应的对流层大气湿层深厚且具有一定对流有效位能。飑线发生在冷空气翻越秦岭进入西南低涡后部的显著锋生过程中,在高空低槽、西南低涡及强冷锋的共同影响下,冷锋垂直环流与西南低涡垂直环流合并,锋区抬升机制显著增强,为飑线在重庆西部形成提供了有利的动力抬升条件。重庆西部的大气环境有利于飑线形成,具有较大的对流层中下层垂直减温率、对流有效位能及深层垂直风切变,且对流层中层干空气特征显著。雷达上表现为冷切变线形成的线状对流与西南低涡锋生区中的强降雨对流合并发展,在重庆西部形成“人字形”回波,回波后部边界层内由前期暴雨形成的冷区在冷锋南下和锋后干空气中的雨滴蒸发冷却作用下进一步降温形成冷池出流,利于飑线的形成;弓状飑线在形成之后维持了约1.5 h。冷锋后部强低空水平动能的向南及向下输送,以及地面冷暖空气间位温梯度的显著增强,均有利于地面大风的形成。

江苏沿海“7.26”飑线大风过程诊断模拟分析

利用加密自动观测资料、EAR50.25°×0.25°再分析资料、常州和盐城SA天气雷达资料等和基于三维变分技术(3DVAR)的多雷达风场反演技术,并利用WRF数值模式,对2022年7月26日发生在江苏的一次大范围飑线大风过程进行了分析。结果表明:在此次飑线大风过程中,高空出流区辐散、低层低涡切变辐合,上干冷下暖湿的环境并且配合低空西南急流源源不断输送水汽,为对流的触发和组织化发展提供了较好的动力、水汽条件;飑线入海前,不稳定能量、垂直风切变、垂直上升和水汽条件均较好,而飑线入海后,众物理量配置较差,这与飑线在陆上的组织化发展、强度维持及入海后强度减弱的变化对应较好;飑线入海后,底层后侧入流减弱,使得干空气减少,不利于飑线维持,导致海上大风强度减弱。同时,纬向海陆热力差异变小使得海风的强度也逐渐减小,导致风场辐合效果变差,这可能是飑线系统入海减弱和其引发的海上大风风力变弱的原因之一,数值试验成功模拟了减小纬向热力差异会引发飑线对流系统的减弱。

辽宁地区飑线特征和形成条件

应用2015—2020年5—9月辽宁地区的雷达组合反射率拼图产品,在制定飑线识别标准的基础上,识别出36次飑线过程,在总结飑线时空分布等特征的基础上,得到了不同组织特征下的辽宁飑线环境特征条件。结果表明,辽宁西北部及赤峰市区至敖汉旗一带是影响辽宁地区飑线形成频率最大的区域,其次为渤海西部到渤海海峡海面,形成频率最小的区域为河北东部的唐山、秦皇岛沿山一线。绝大多数的飑线过程出现在6—8月,5月出现的最少。飑线主要形成于12—21时,而14—17时为出现飑线的集中时段。飑线的长度介于114~273 km,最大反射率为65 dBz,平均生命史为3.2 h,平均移动速度为59.4 km· h^(-1) (16.5 m·s^(-1))。辽宁地区的飑线过程33.3%为断线型,19.4%为后部生成型,36.1%为碎块型,11.1%为层云嵌入型。主要组织形式是层状云尾随型(TS)、平行层状云型(PS)及层状云超前型(LS),LS出现次数较少。55.6%的飑线以反转断线形式消散,8.3%的以收缩线型消散,36.1%的以颠倒破碎面型形式消散。辽宁地区飑线形成环流形势中冷涡前部型最常见,其次为低槽前部型;比较特有的飑线形成环流形势为冷涡后部型,占比为16.7%。每个环流型的对流有效位能和下沉对流有效位能都呈“双1000”的特征,不同的环流型在水汽、层结不稳定、垂直风切变等物理量的特征都各有不同。

一次飑线初始阶段的极端大风成因分析

利用常规天气图、多普勒天气雷达、风廓线雷达、自动气象站等多源气象观测资料和现场勘查情况,对2022年7月26日发生在江苏中南部一次飑线初始阶段的极端大风成因进行了初步分析。结果表明:此次过程发生在冷涡天气背景下,前倾槽东移和西太平洋副热带高压减弱南退,显著的上下层温差、中层异常干的层结、大的环境温度直减率,加上前期积聚较大的不稳定能量,为雷暴大风强对流的发生提供了有利的对流环境。随着近地层冷空气侵入,低空急流范围扩大下移,边界层垂直风切变陡增,对流回波进入江苏后由地面中小尺度辐合线触发的初始对流在扬州—镇江加强为组织化的飑线。飑线顶端出现强烈的辐合旋转,12级极端大风处于超级单体风暴核心区前侧的暖湿上升入流区,风向由暖区指向强回波,中气旋表现出强烈旋转和向上拉伸,并伴随龙卷涡旋特征(Tornado Vortex Signature,TVS),大量水汽和能量也随入流气流向对流系统输入,风暴的垂直环流倾斜和拉伸涡度进一步加大,预示着飑线将强烈发展。

一次导致大风的暖区飑线后侧入流分析

长生命史飑线极易造成大范围灾害性大风天气,研究其结构及其维持机制对灾害性大风天气预报有重要参考意义。利用浙江地面加密观测和雷达资料、美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)FNL(Final Operational Global Analysis)再分析资料及高分辨率模式模拟结果对2018年3月4日江南地区出现的一次造成大风的暖区飑线后侧入流进行分析,探讨飑线维持机制。结果表明,飑线发生在南支槽前高低空一致西南气流的暖区环境中,环境具有0~6 km中等到强垂直切变、高对流有效位能、中层和近地面有明显干区的特征;3 h负变压异常指数对此次过程具有一定的指示作用。飑线表现为“TS”结构,但层云区相对较窄;反射率因子核位于中层径向辐合下方下沉气流中。模式模拟结果表明,后侧入流及下沉气流在系统内部、后部分别强迫出逆时针和顺时针垂直环流,构成了飑线最主要结构特征;后侧入流紧靠系统后缘而位于对流层中层,促使上升气流由倾斜转为垂直;此后后侧入流远离系统,与低层出流合并持续抬升暖湿空气,后侧入流与前侧入流的协同作用有利于飑线维持更长时间。

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。

哈尔滨市区一次飑线天气过程特征分析

利用地面、高空等常规观测资料,结合多普勒雷达、地面自动站等非常规观测资料,对2020年6月28日哈尔滨市主城区一次飑线造成的雷雨大风、超短时强降雨、局地小冰雹天气过程进行综合分析。结果表明:这次飑线过程发生在高空槽后与850-925 hPa高度自西南向东北伸展的暖温度脊叠置的大环流背景下,由地面温度锋区和中尺度辐合线触发的动力强迫产生飑线、冰雹等强对流天气。强降雨主要集中发生在15~20 min内,分钟降雨量较大值一般持续10~20 min,哈尔滨市不同行政区域降雨大值间隔在10~15 min左右,同时表现出气压陡增、温度骤降、风速变大的天气实况特征。在雷达拼图上表现出明显的飑线弓形回波特征。通过对本次天气过程的成因、雷达回波演变进行分析,并探讨本次飑线过程的预警着眼点及其可预警性,可以提高专业气象服务的能力和水平。

初值场水汽含量对华南飑线升尺度增长过程的影响研究

春夏季我国华南地区水汽充足,飑线可以在短时间尺度迅速增长。为探究水汽含量对飑线升尺度增长过程的影响,利用WRF模式对2020年5月11日华南地区的一次飑线进行数值模拟,分析华南飑线系统升尺度增长机制,并研究不同层次水汽的变化对其强度及结构的影响。分析显示此次飑线发生在“上干下湿”的不稳定层结中,存在高空急流与低层切变相互配合。模拟结果显示,前期广东省西南部的最大对流有效位能(MCAPE)较大,利于不稳定能量在此积累,同时此处的低层垂直风切变较大,飑线线性结构能更好地维持,随后南移与暖区对流合并,尺度进一步增长。水汽试验表明,MCAPE值主要受低层水汽的影响,低层水汽越多,雷暴高压更强,较大的MCAPE值及低层垂直风切变使得对流后向新生尺度增长,维持时间更长。减小中层水汽后地面强降水减少,对流强度减弱且很快分散为对流单体,但当飑线移动到MCAPE值大值区时又一次发展形成线性结构。因此增加低层水汽或减少中层水汽后的环境利于对流新生,但减少中层水汽后中层干空气相对而言使得线性结构难以维持。进一步研究飑线内部结构表明,垂直运动及后向入流也能影响飑线的尺度增长,此次对流系统中较强的后向入流增强了上升运动,同时形成向前的出流,造成地面大风天气。增强低层水汽后,对流后部层状云区范围更大,系统中的上升运动更强,且保持垂直,利于对流长时间维持;减小中层水汽后,对流强度减弱,回波顶高度降低。发展阶段后向入流增强,干冷空气迅速下沉,地面冷池增强,向前的出流形成大风天气。

山东一次飑线双偏振结构与地面降水滴谱特征分析

基于济南双偏振雷达探测资料,并辅以降水现象仪雨滴谱资料和常规实况观测资料,对2021年8月1日山东一次飑线过程的双偏振特征和降水滴谱特征进行了分析,得到以下结论:飑线前侧为宽阔的倾斜上升气流区,低层为强下沉气流区,前侧上升气流区不断有新生单体激发发展,新生单体与主体回波合并发展,飑线后侧单体减弱,在这种较快的循环过程中飑线得以发展、维持、快速前进。前侧新生发展中的单体以少许偏大的液态粒子为主,与主体回波合并发展,具有较高的ZDR柱和KDP柱,液态粒子浓度迅速上升。主体回波后侧冰相粒子下降到湿球0℃层之下出现明显的融化导致Z_(DR)和K_(DP)均增大,底层KDP增大更加明显,以高浓度的液态粒子为主,导致强降水。强降水最明显的滴谱特征是粒子浓度高,直径2 mm以下粒子占比较高,降水开始增强时直径1—3 mm的粒子对降水贡献较大且有特大粒子出现,降水最强阶段直径2—4 mm的粒子对降水贡献较大。飑线主体回波低层双偏振参量和雨滴谱存在较好的对应关系,随着降水增强,Z_(DR)减小而K_(DP)增大,粒子浓度明显升高而直径6 mm以上粒子浓度明显降低。

基于多源资料的一次弓状强飑线成熟结构研究

利用局地分析和预报系统(Local Analysis and Prediction System,LAPS),结合多源资料,分析了2018年3月4日暖区强飑线成熟阶段的热动力结构和大风形成机制。结果表明:暖区内层结不稳定范围向东扩展和强的垂直风切变,驱动飑线组织化加强并向前移动和发展。成熟阶段飑线热动力结构呈现出两支强入流和冷池的典型特征,即前侧入流在低层(0~3.0 km)辐合上升,部分气流在高层翻转流向系统前侧,无后向流出;后侧中层(4.0~5.5 km)入流进入云体后部,在水凝物强烈相变降温作用下,密度增大转而下沉;下沉气流区降雨蒸发冷却增强了雷暴冷池。相比于飑线南段单一的对流线,北段弓形特点突出,后侧入流下降,加之存在尾随层状云,有更大的潜在冷却作用,促进气流加速下沉增强地面雷暴高压,最终导致更强的极端大风。

海南岛一次强飑线系统演变的双偏振特征分析

2020年4月22日发生在海南岛的一次长生命史飑线系统导致海南岛中北部地区遭受大风、强降雨等气象灾害影响。结合常规气象资料及双偏振雷达等探测数据对该次飑线天气系统的演变发展过程进行分析,结果表明:该次飑线天气过程发生在副热带高压带西北边缘地区,地面受准静止锋控制,冷空气强度偏弱,主要受西南暖湿气流影响,配合地面辐合线及合适的热力条件提供较好的环境触发因素。在飑线成形至后续发展演变过程中,雷达反射率因子始终保持较强盛状态(大片云体超过55 dBZ);在飑线初始阶段(16:20—16:43),云系内部的差分反射率因子(ZDR)出现大片区域超过5 dB(垂直方向伸展至8~9 km);在飑线影响过程中海口站和文昌站上空的ZDR均在降水前期达到最大值,随后伴随降水的逐渐增大而进入减弱阶段,差分传播相移率(KDP)基本与降水强度的变化呈现同升同降趋势。此外,地闪频数在降水前期15~20 min内有明显跃升趋势,并且较ZDR提前6~12 min左右达到最大值,比KDP提前24~48分钟左右达到最大值。

2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究

运用多种观测数据,结合WRF模式分析了2013年3月19日发生在黔湘地区一次飑线形成期的中尺度特征。(1)此次飑线发生在高空500 hPa槽前的西南气流中,地面冷锋附近。环境风为西南向,且垂直于飑线长轴的分量小于沿着飑线长轴的分量。(2)飑线东、西两段存在显著差异:东段所在环境干燥,下沉对流有效位能DCAPE大,故雷暴大风强而短时强降水弱,对流单体初始于锋区及冷空气一侧,呈碎块状分布;西段环境湿润,短时强降水和冰雹集中,对流单体出现于地面锋区附近中尺度辐合线内,辐合线持久,其上辐合中心处不断有单体新生。(3)此次过程有重力波作用,且飑线西段重力波特征更明显。急流中的波动与中尺度辐合线相交,波动上升气流叠加辐合线上升运动,引起对流发生并迅猛发展,使得对流单体趋向于沿着波动等振幅面排列成带状,进而形成飑线。(4)旧单体南、北两侧均有新对流单体发生:北侧新单体高、低层重力波反相位叠加,对流受到抑制;南侧的新单体高、低层波动同相,上升气流加强,对流得以发展;新旧单体不断迭代更新,飑线整体向东南传播。

华北地区强飑线的时空分布与发展移动特征

基于2013—2017年华北地区的雷达组合反射率因子数据和雷暴大风观测数据,总共识别了27次强飑线过程,对27次强飑线过程的时空分布及发展移动特征进行了统计分析。结果表明,华北地区强飑线最集中的时间为7月下旬至8月上旬,强飑线最强的时次集中于16:00—22:00;强飑线形成前40 dBz回波起始位置最集中的区域为山西、内蒙古和河北3省交界处附近,强飑线形成位置多在京津冀境内;山西东部到河北西部沿山一带是最长长度达到400 km以上且维持时长超过7 h的强飑线形成位置集中区域;40 dBz回波起始时间为02:00—07:59的强飑线平均形成时长最长,14:00—19:59的强飑线平均形成时长最短;强飑线的最长长度与发展时长及维持时长有较好的对应关系;回波起始时间为14:00—19:59的强飑线形成期移动距离较短但发展期移动距离较长,而回波起始时间为02:00—07:59的强飑线则相反;大多数强飑线发展期的移动速度要快于形成期移动速度。

浙江连续两次暖区飑线发展机制分析

2022年4月25日连续两次飑线影响浙江且造成大范围风灾,研究连续飑线的发生发展对此类灾害性天气预报有重要参考价值。应用ERA5再分析资料、地面自动气象站实况数据、云顶亮温资料和多普勒雷达数据,分析连续飑线发展过程及机制。结果表明:连续两次飑线(按照飑线发生先后顺序分别称“飑线1”和“飑线2”)是在高层急流辐散区内、中层槽前、低层低涡南侧和西南急流轴顶端的暖区中发展起来的。飑线1为中β尺度飑线,初生阶段受高层干侵入和近地面弱冷锋触发,底部出流与杭州湾东南风强入流造成的中尺度辐合线和低层垂直风切变促使其移动过程中逐渐增强;飑线2初生到成熟阶段从中β尺度升至中α尺度,其初生与上游对流系统移入有关,受高层干侵入、低层垂直风切变、飑线1后部弱冷锋辐合线和上游回波并入影响,成熟阶段出现升尺度增长现象,当垂直风切变减小,且飑线2北段入海移速加快后,飑线2出现断裂。

弱垂直风切变条件下一次飑线大风的特征分析

利用宣城市7个国家观测站及266个区域观测站观测数据、NCEP再分析、探空资料、风云卫星及宣城S波段多普勒雷达观测资料,分析2022年7月26日飑线过程。结果表明:1)该过程飑线系统发生在500 hPa高空槽附近,位于副高边缘,过程发生前宣城地区处于槽前及槽线附近,正涡度平流增强,之后高空槽过境,转为西北气流,干冷空气注入触发不稳定能量释放。2)探空资料显示飑线发展时段,层结为上干下湿,近地层有浅薄的逆温层,有利于能量的储存和触发,订正后超过4000 J/kg的对流有效位能和35℃以上的K指数说明能量条件非常好,而0~6 km垂直风切变只有14 m/s左右,说明此次过程是在强不稳定能量和弱切变环境下触发产生的。飑线后侧入流急流的动量下传及干冷空气的卷入促进了蒸发作用,从而形成强烈的下沉气流,促使冷池快速移动并引起地面大风。3)区域性10级雷暴大风的雷达特征明显:飑线过境前的弓形回波,中心强度55~60 dBZ,飑线前先后出现两条阵风锋快速移动,并在宣城站附近相遇触发对流再次加强。低层径向速度出现模糊,形成大片径向速度大值区。4)中层明显的径向辐合和风暴顶的强辐散都对地面大风有指示意义。

“威马逊”台风外围飑线对铜鼓的影响

为了做好铜鼓县雷暴大风天气的预警预报工作,文章使用铜鼓国家站数据、江西省闪电数据、江西WebGIS雷达拼图数据等,分析了雷暴大风年分布与地面要素的关系以及“威马逊”台风外围飑线回波带的回波特征和演变规律,以期为监测预警铜鼓飑线天气提供分析依据。

基于VDRAS资料探究河北中南部一次弓状强飑线的演变和机理

利用常规气象资料、ERA5再分析资料、北京VDRAS资料以及雷达资料,对2021年7月31日发生在河北中南部的一次弓状强飑线过程进行分析。结果表明:(1)此次飑线过程发生在冷涡的背景下,500 hPa涡后的冷空气与850 hPa的暖脊叠加,建立了不稳定层结,在地面辐合线附近触发。(2)雷达回波由分散的对流单体合并加强,强弓形出现时,最大强度值超过55 dBZ,存在径向速度大值区和中层径向辐合等特征,这些都预示地面大风的出现,而回波悬垂预示冰雹出现。(3)雷达反演的风场可以显示飑线的水平和垂直结构,能清楚地指示飑线的出流、入流以及辐合区,对指示飑线不同部位的发展趋势有重要指示意义。(4)地面风场辐合导致雷暴单体触发,雷暴单体在不稳定的大气层结中获得快速发展,发展过程中0~3 km的垂直风切变逐渐增强,低层形成冷池,热力不均匀区域扩大,沿着扰动温度梯度大值区与风场辐合区,新生对流向东向南传播,分散对流单体合并演变为飑线。(5)从飑线发展阶段的热动力结构分析中发现,由倾斜上升气流与下沉气流形成垂直环流,下沉气流增强时,冷池效应增强,低层环境垂直风切变也增强,环境条件的改变是飑线发展的结果,同时新的环境条件驱动飑线向前移动并发展加强。

雷达资料同化对一次飑线过程的次公里尺度数值模拟影响研究

针对2019年6月5日重庆地区发生的一次飑线天气过程,利用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式和ARPS(The Advanced Regional Prediction System)的3DVAR三维变分同化系统及其ADAS(ARPS Data Assimilation System)云分析系统,探究了不同模式水平分辨率下雷达资料同化对该飑线系统的模拟改进效果。结果表明:(1)未同化雷达资料时,模式水平分辨率从900 m提高到300 m,模式模拟结果无明显改进。(2)不同模式水平分辨率下,同化试验的模拟效果相比同化前,对于雷达回波的形状、强度和落区都有一定改善。(3)使用雷达资料同化的情况下,同时提高模式水平分辨率,能进一步优化调整模式的动力、热力及水汽条件,使得对本次飑线系统的发生发展和组织结构特征的模拟与实况更接近。

一次飑线过程中龙卷及飑锋生成的中尺度分析

对１９８３年９月４日发生在陕西中部一次灾害性强风暴过程的天气形势、雷达回波、卫星云图、地面中尺度风场资料及灾情进行了综合分析研究，结果表明：此次灾害性强风暴是一次龙卷过程；龙卷出现在冷锋飑线带状回波尾部，呈典型的弓状回波（环状回波）；在卫星云图上表现为南北云系交绥处发展旺盛的中尺度涡旋云团，呈新月状；龙卷发生在地面“人”字形辐合线交点后部强西北风中；龙卷是由地面两条冷锋的共同作用造成的；飑锋回波出现在龙卷雷暴后部，表现为两条平行的线状回波，与经典理论有不同之处。