多单体雷暴的形变与列车效应传播机制

本文利用变分多普勒雷达分析系统(VariationalDopplerRadarAnalysisSystem,简称VDRAS)基础上构建的四维变分(4DimensionalVariationalassimilation,简称4DVar)低层热、动力反演系统,针对发生在北京地区的几次多单体雷暴系统演变过程,研究了线性多单体对流系统传播过程中发生的形变过程、强弱变化和"列车效应"等现象的物理机制。结果表明:(1)对于雷暴单体的传播方向与雨带的移动方向基本一致的多单体雷暴系统(如飑线系统),单体的传播速度不同最终造成多单体雷暴在形态上发生变化(如由直线形回波演变为"弓"形回波等),以及雷暴单体传播过程中的强弱变化等,是雷暴单体传播过程与低层环境大气相互作用的结果:如果雷暴前端的入流本身是暖湿的,并存在较强的水汽辐合现象时,雷暴单体发展更旺盛,传播速度更快,反之则趋于减弱,传播速度减慢。因此,对飑线系统的临近预报而言,需要特别关注多单体雷暴系统传播方向与近地面层中尺度水汽通量辐合带的交叉区域,该区域的雷暴单体"移动"速度更快、发展更为强烈。(2)对于"列车效应"多单体雷暴而言,其传播环境、传播机制与上述多单体雷暴系统几乎完全不同:"列车效应"一般发生在低空暖湿气流或低空急流附近,环境大气表现为条件性静力不稳定。雷暴单体的传播机制可能是惯性重力波的激发、传播的结果,由于西南暖湿气流或急流是一支暖湿气流输送带,惯性重力波由假相当位温θse的高值区向低值区传播,重力波将从背景场中不断获得能量而发展。因此,雷暴传播过程中不断增强的现象造成波动排列的多单体雷暴形成的最大降水中心往往出现在波列的前端。

鄂东一次下击暴流天气的中尺度分析

利用自动气象站观测网资料,计算了逐分钟地面散度场,并将散度场等与多普勒天气雷达资料叠加形成综合分析场,对2007年7月27日鄂东地区雷雨大风天气过程进行了中尺度分析。结果表明:地形辐合线对中尺度对流系统(MCS)触发和加强起到重要作用。MCS发生发展期间,多普勒天气雷达上相继有两个弓状回波形成。第一个弓状回波在速度图上因弓状回波移动方向与雷达波束有较大夹角后部入流急流特征不明显,但强度图上有弱回波通道特征;第二个弓状回波沿雷达径向移动,后部入流急流特征明显。武汉地区灾害性雷雨大风是一个强盛的多单体风暴所产生的系列下击暴流造成的,它位于第二弓状回波向前突出的位置。系列下击暴流发生期间,地面附近强辐散峰值与多单体风暴强回波高度显著下降的时间和位置基本一致。除弓状回波特征、后部入流急流、中层速度辐合及回波重心高度下降等特征外,弱回波通道、风暴相对速度图上沿雷达波束方向的正负速度对等也是下击暴流发生的典型特征。

一次高层东风波背景下风雹过程成因分析

2015年7月29日浙江出现大范围冰雹和雷雨大风,影响范围、强度远超各级台站预判。利用地面气象站、区域自动站、FY-2G红外云图、多普勒雷达产品、NCEP(1°×1°)分析资料,对该过程进行综合分析。结果表明:1)由多单体风暴组成、位于高层东风波槽前的中尺度对流复合体是本次大范围强对流天气过程的直接制造者。2)中等偏弱的垂直风切变、上干下湿的水汽垂直分布及东风波西进叠加于低层暖区之上形成强不稳定层结是多单体风暴发生发展的有利环境背景。3)热带东风急流和高层东风波形成的辐散抽吸、近地面非绝热加热升温、地形抬升和边界层辐合线为对流发生发展提供有利动力抬升和对流触发条件。4)逆风区的出现、发展和控制与雹暴单体强度的发展、维持和减弱阶段有很好的对应关系。脉冲风暴单体中层径向气流辐合与核心反射率因子的下降对地面大风预报存在2个体扫的时间提前量。5)东风波系统以动能转换的方式为本次对流天气过程中的中尺度系统发展提供动能补给。6)加强500 h Pa以上中高层东向系统的监测和雷达产品短临实时监测,可提高此类对流过程预报的时间提前量。

湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析

基于2016—2021年湖北多普勒雷达及加密自动气象站资料,对湖北雷暴阵风锋特征进行分析。结果表明:(1)湖北阵风锋主要出现在6—8月,占总数的96%,其中8月最多;一天中主要发生时段为15:00—18:00(北京时,下同),峰值在17:00;大多数阵风锋持续时间为1.5~3.0 h;产生阵风锋的母雷暴中35%为多单体雷暴,40%为多单体雷暴群,25%为飑线。(2)阵风锋主要有5个生成区域,分别为省外、鄂东北、江汉平原、鄂西北的襄阳和鄂西南的宜昌,相同区域生成的阵风锋移动方向有较好的规律性。鄂东北生成的阵风锋最多,占总数的33%。(3)不是所有母雷暴及其阵风锋都能引发地面大风,69%的母雷暴和9%的阵风锋产生的地面极大风速大于等于17.0 m·s^(-1)。在多单体和多单体雷暴群中,母雷暴的回波强度越强,母雷暴及其阵风锋产生的地面大风概率越大,阵风锋产生的地面风速强度与其回波强度、空间尺度关系不大。(4)阵风锋有较强对流触发能力,91%的阵风锋在其后部、附近和前侧触发对流单体。母雷暴与其阵风锋反馈作用不同,对流触发与阵风锋的相对位置有差别,正反馈型大多在阵风锋后部触发对流,负反馈型在阵风锋后部、附近和前侧均可触发对流,29%的触发对流回波强度大于等于55 dBZ。35%的阵风锋与周边已有雷暴合并发展形成合并型阵风锋,此型在鄂东北发生次数最多。

桂林初春一次冰雹天气过程分析

利用常规气象资料、FY-2G卫星资料和桂林多普勒雷达资料,对2016年3月19日夜间桂林一次冰雹天气过程的环境条件和雷达回波演变和结构特征进行了详细分析。结果表明:过程发生在地面暖低压和低空急流共同发展,暖切附近的不稳定层结条件下;合适的-20℃和0℃层高度、上干下湿层结以及强的垂直风切变有利于产生冰雹;冰雹发生前反映大气不稳定度的各项参数发生显著变化,对于做出冰雹的潜势预报具有很好的指示意义;强回波中心强度超过60dBz、具有倾斜结构和V型缺口、 VIL值维持在40kg·m^(-2)以上、回波顶高维持在12km以上的雷达回波特征可用于识别冰雹。

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。

一次强雷暴阵风锋和下击暴流的多普勒雷达特征

利用江苏盐城多普勒天气雷达资料结合自动气象站和常规观测资料对2007年7月25日苏北兴化等地的一次雷雨大风过程进行了分析。结果表明:风灾是由两种不同类型的雷暴大风产生的。一种是阵风锋,产生于风暴前沿,影响时地面产生7～9级大风。另一种是下击暴流,产生于多单体风暴中,其反射率因子核初始高度高于-20℃等温线高度,有中层径向辐合和反射率因子核下降的特征。影响时风暴内部下沉气流在地面强烈辐散,产生10级以上的大风。阵风锋上空有新生单体合并进原风暴,风暴发展加强;当下击暴流产生、风暴减弱后,阵风锋上又有新生单体补充进原风暴,导致下击暴流连续产生,阵风锋持续影响。

重庆“5.6”强风雹天气过程成因分析

利用常规观测、NCEP分析场及雷达、自动站等资料对重庆"5.6"强风雹天气的成因进行了分析,结果表明:冷锋和副热带高空急流在风雹发生地近乎重叠的配置结构促进了次级环流的形成并有利于上升运动的强烈发展;风暴天气发生前,下垫面强烈加热、低层增温增湿、中高层干冷对大气对流不稳定性增强的作用显著;对流有效位能(CAPE)、K指数、SI指数高值区边缘的强指数梯度区、对流抑制(CIN)的小值区以及较强的垂直风切变对大风冰雹的预报有重要的指示意义;雷达回波显示多单体风暴具有三体散射、弱回波区等冰雹回波特征,中层径向辐合和反射率因子核心的反复上升下降也是形成地面大风和冰雹的重要特征;四川盆地东部东北西南向山脉对冷空气的移动有阻挡作用,山脉之间的槽状地形为多单体风暴的持续发展保留了较大的空间,明月山南麓的地形起到了强迫抬升和触发的作用,由于地形的阻挡形成狭管效应,加强了下击暴流形成的地面大风,是形成11级大风的重要因素。

浙中一次多风暴类型强对流天气成因及多普勒雷达特征

利用常规资料、区域自动站加密资料、探空资料、GFS 0.25°×0.25°逐6h的分析场数据和SB多普勒天气雷达资料对2018年5月18日发生在浙中地区的一次强对流天气过程进行分析。结果表明:此次过程产生了脉冲风暴、中等到强多单体风暴和飑线这3种风暴类型,分别出现冰雹、大范围强降水和雷雨大风等强天气。3种风暴的雷达回波在回波形态、强度、垂直结构、平均径向速度、垂直累积液态水含量VIL等特征如下:①脉冲风暴呈块状,初始回波高度在6~9km,强回波所在高度在-10℃等温线附近,强回波值达60dBz以上,VIL值出现跃升且最大值在50kg·m^-2以上,冰雹出现在反射率因子核和VIL值迅速下降之后;②中等到强多单体风暴呈带状,大降水效率和“列车效应”是发生大范围强降水的主要原因,雷雨大风天气则与反射率因子核迅速下降、MARC、低层强辐散区有关;③飑线呈弓形回波形态,移速快,引起了大范围的雷雨大风天气。此次过程影响系统多,天气复杂,存在较大预报难点,在短时临近预报技术研究上有重要借鉴意义。

鄂西山区一次早春局地强冰雹过程分析

利用常规的地面、高空形势图以及雷达观测资料,对2017年4月15日发生在湖北恩施山区的一次局地性强冰雹天气过程的成因进行了分析。结果表明:锋前地面暖低压的热效应,加强了地面辐合和不稳定能量的积聚,使上干冷下暖湿的不稳定层结更加明显,地面辐合线和中低层切变辐合区的存在,为风暴单体形成提供了良好的环境条件;在中尺度辐合线动力抬升作用下,低层辐合上升触发了对流不稳定能量的释放,加上山区“喇叭口”有利地形的抬升作用,更激发了强对流天气的发展;此次强对流天气过程中,表现出了多单体风暴此消彼长的特征,在有利的大气环境条件和地形条件下,多单体风暴的发展加强,强风暴较长时间维持,是此次局地出现强冰雹的重要原因。雹暴单体的垂直结构反映出了低层入流、弱回波区、高强回波悬垂等典型特征,中层径向辐合和风暴顶辐散共同作用,有利于风暴单体得以维持和发展,也是造成局地冰雹天气的重要原因。单体风暴反射率因子较长时间维持在60dBz以上,并对应较大的VIL值出现;此次强冰雹天气,局地性强,影响范围小,其主要原因是0~6km垂直风切变不大,同时,中低层湿层浅薄,地面湿区明显偏南,仅在冰雹落区附近出现一个小范围的近饱和湿区,不利于风暴天气有组织的大范围发展。

一次下击暴流天气特征分析

利用河南濮阳CINRDA/SB多普勒雷达探测资料,结合常规天气图资料、地面自动站资料等,对2011年7月10日发生在河南濮阳的下击暴流天气进行诊断分析。分析表明:此次下击暴流天气以高空快速下滑的低压槽为背景,高空冷空气叠加在低空暖舌之上,使大气具有强烈的层结不稳定。大气环境场呈倒"V"形的垂直温湿分布:云底位于700 h Pa高度,云底以下空气干燥,气温直减率约为9℃/km,接近干绝热气温直减率,有利于干下击暴流的发生。地面辐合线的存在和弱冷空气的侵袭,为强风暴单体的产生提供了动力抬升条件。从多普勒雷达产品上看,风暴初始回波发生在一条稳定的晴空窄带回波上,通过单体间的合并加强,发展成为孤立的多单体强风暴;风暴反射率因子反复在3—6 km高度强烈发展,风暴反射率因子强核高度反复4次快速下降,形成强烈的冷下沉气流,在底层出现强烈的径向辐散风;径向速度图上中层一直存在向着反射率因子核心的辐合特征,这正是下击暴流的风场特征。

一次西南气流中长生命史多单体风暴过程的演变特征及成因

利用常规天气探测资料、自动站资料、FY-2G云顶温度资料、多普勒天气雷达产品和闪电定位资料,对2017年4月8日造成江西省东北部强雷暴大风的长生命史多单体风暴过程进行了分析。结果表明:对流层中层干的西南气流叠加在低层西南暖湿气流之上和发展旺盛的地面倒槽,为江西东北部提供了较强的动力、热力不稳定环境。中低层风速矢端图表现为单一方向的风切变,强的垂直风切变集中在低层,有利于风暴的发生和维持。风暴移动和传播同向,呈前向传播特征。风暴前冷池与移动前方高温区之间的局地温度锋区与地面辐合线是风暴的触发条件和维持机制。雷暴下沉气流及地面辐散、高空动量下传和地面气压梯度风的共同作用,导致了地面大风。地闪活动演变超前地面大风1—2 h。

豫东北一次春季大暴雨的环境条件与中尺度特征分析

利用常规观测资料以及卫星云图、雷达产品、区域自动站降水量资料与NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2018年5月15日豫东北罕见大暴雨过程的降水特征、环境条件与中尺度特征进行了分析。结果表明:(1)副热带高压西侧西南急流输送、对流层中层短波槽影响、低空急流加强发展及北上、高空强辐散等天气系统合理配置,是这次暴雨过程发生的有利环流背景;强低空急流为暴雨的形成提供了充沛的水汽和位势不稳定条件;低层切变线触发、弱冷空气扩散及地面中尺度辐合线抬升是暴雨形成的动力机制。(2)超低空充足的水汽输送及强辐合、对流不稳定能量偏高、大气层结极不稳定是此次暴雨发生的主要环境特征。(3)强降水过程主要由2个β中尺度对流系统造成,暴雨区上空对流云团新生维持(或移入)是强降水维持较长时间的重要原因。(4)雷达观测显示,在极强对流不稳定环境下,位于对流云团前温度大梯度区的豫北多地不断有γ中尺度回波单体生成,其东移加强并在豫东北强烈发展为线(带)状多单体风暴,形成明显的局地强回波"列车效应",导致豫东北局地大暴雨。

湘西北山区人工防雹作业个例分析

选取湖南省人工防雹重点试验区湘西北张家界市2006～2009年的2个典型人工防雹作业个例,对冰雹云的形成、冰雹云雷达定量判别指标、人工防雹催化方法和作业效果评估等环节进行了详细分析与介绍,对跨区域开展人工防雹作业展开了探讨。结果表明,多单体风暴是湘西北山区人工防雹作业的重要对象,雷达定量判别冰雹云、提前作业和防止各单体间合并是人工防雹作业成功的关键,过量催化(用弹量)是要特别引起注意的技术问题,效果评估是不能忽略的重要环节。区域冰雹联防除开展雷达预警和资料共享外,在炮点设置和防雹作业时都要充分考虑下游地区。使用这套方法在湘西北地区已开展了5年时间的人工防雹作业实践,获得了良好的人工防雹效果和显著经济社会效益。

广东一次特大暴雨的雷达特征分析及其应用

利用广州市双偏振多普勒雷达、广东省自动气象站及Micaps常规资料对2020年5月22日发生在广州及东莞的特大暴雨进行分析,结果表明:(1)该次过程出现在高空槽后西北气流中,低层的低涡切变线配合低空急流仍具有强的辐合抬升作用,在充沛水汽背景、弱冷空气的触发下出现局地性特大暴雨;(2)弱冷空气分别向南及西南扩散先后触发多单体风暴,在高空西北气流引导下以西北-东南传播,路径顶端的单体最早成熟,新生的单体因旧单体形成的冷池驱动而不断发展,造成高组织化的后向传播特征,列车效应式的回波造成局地特大暴雨;(3)这是一次低质心、高降水效率的多单体风暴过程;中尺度径向辐合特征利于单体强度维持或发展;(4)同样的反射率值时,K_(DP)大说明降水更强,对判断雨强有参考意义。

昭通一次多单体风暴冰雹灾害诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、高空探测资料、昭通多普勒天气雷达资料对2018年8月20日彝良县发生的冰雹灾害进行诊断分析,结果表明:①此次冰雹天气是一次多单体风暴造成的局地性强对流天气;②探空图上出现逆温层、喇叭口和垂直风切变等特征;③雷达回波表现出假尖顶回波、弱回波区等特征;④降雹前后垂直累积液态含水量(VIL)出现了跃增和陡降的现象;⑤防雹作业对对流风暴发展有抑制减弱效果,抓住合理的作业时机是取得防雹成败的关键。