Numerical Study on a Severe Downburst-Producing Thunderstorm on 23 August 2001 in Beijing

A thunderstorm that produced severe wind, heavy rain and hail on 23 August 2001 in Beijing was studied by a three-dimensional cloud model including hail-bin microphysics. This model can provide important information for hail size at the surface, which is not available in hail parameterization cloud models. The results shows that the cloud model, using hail-bin microphysics, could reasonably reflect the storm＇s characteristics such as life cycle, rainfall distribution and the diameter of the hailstones and also can reproduce developing processes of downbursts, where they can then be compared with the observed features of the storm. The downburst formation mechanism was investigated based on the cloud microphysics of the simulated storm and it was found that the downburst was primarily produced by hail-loading and enhanced by cooling processes that were due to hail melting and rain evaporation. The loading and melting of hail played crucial roles in the formation of downbursts within the storm.

一次强冰雹超级单体风暴双偏振参量特征分析

利用济南S波段双偏振多普勒天气雷达资料、章丘探空和地面常规气象观测资料及灾情调查,对2021年7月9日发生在济南章丘的一次特大冰雹超级单体风暴双偏振和微物理结构特征进行了分析。结果表明:冷涡天气背景下,强的垂直风切变和强的对流有效位能,利于超级单体的形成与维持。阵风锋是风暴触发机制,也是风暴长时间维持机制。初始风暴由阵风锋触发,经过合并发展产生超级单体。成熟阶段,风暴西侧与阵风锋交汇区域不断激发新生单体,并与主体合并,风暴长时间维持。风暴顶强辐散是中气旋长时间维持和风暴顶高度较高的关键因子之一。特大冰雹阶段风暴底层右后有明显的入流缺口,其前侧有差分反射率(Z_(DR))弧,表现为少量大的液态粒子或小的湿冰粒子,入流缺口左侧强反射率因子区对应小的Z_(DR)和小的相关系数,为冰雹降落区。垂直结构上,强上升气流区一侧存在深厚的有界弱回波区,0℃层高度之下分布有Z_(DR)环,有界弱回波区内及上方存在Z_(DR)柱,且高度较高,含有少许偏大的液态或融化的小的冰相粒子。较高的Z_(DR)柱表明风暴内上升气流强盛且高度较高,利于风暴的发展与维持以及冰雹粒子的湿增长。

一次影响江西的对流过程分析及数值模拟

利用常规高空、地面观测和雷达资料,基于高分辨的中尺度数值模式对2019年3月21日江西中北部一次对流天气过程形成的天气背景、环境条件及强对流持续加强的原因进行分析。结果表明,此次过程受高空冷涡低槽引导的冷空气、中低层切变与西南暖湿气流共同影响;强垂直风切变的存在,适宜的0℃和-20℃层高度及“上干下湿”的层结是形成冰雹和大风的有利环境条件。江西中北部近地面中尺度辐合线的长时间维持,与飑线及非飑线上的多单体雷暴群在江西境内的维持密不可分。模式能基本再现降水落区及飑线的结构,模拟的飑线前部辐合上升明显,有利于强回波的发展。

强冰雹和短时强降水天气雷达特征及临近预警

利用恩施多普勒雷达和常规分析资料,详细对比分析了2007—2008年发生在恩施山区强冰雹和短时强降水天气过程中的雷达产品特征。在此基础上,找出了适合恩施山区强冰雹和短时强降水天气的雷达临近预警指标:选取负温区回波厚度≥7km、CR强中心回波强度≥55dBz、强回波梯度≥15dBz·km^(-1)、45dBz强回波伸展高度≥7.5km、累积液态含水量(VIL)密度≥3.2g·m^(-3)和雷达风廓线1.8～6.1km风垂直切变均值≥2.3×10^(-3)s^(-1)作为强冰雹临近预警指标;当满足组合反射率(CR)强中心回波强度、VIL密度、40dBz强回波伸展高度和雷达风廓线(VWP)上1.8～6.1km风垂直切变值达43.0dBz,1.1g·m^(-3),7.0km和1.9×10^(-3)s^(-1),可以考虑该站点及附近地区进入短时强降水临近预警状态,并利用2009年发生的强冰雹和短时强降水天气过程检验了这些临近预警指标性能。

江苏沿江地区一次强冰雹天气的中尺度特征分析

利用常规气象资料、卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料,对发生在江苏沿江地区一次强冰雹天气形势背景、环境热动力条件、强冰雹发生前地区环境场变化、超级单体雷达回波中尺度特征等进行了详细分析。结果表明:(1)在东北冷涡槽后干冷气流影响下,中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结,高低空急流以及地面辐合系统的配置为此次强对流天气的产生提供了有利热动力条件;高CAPE值、逆温层、低层适当水汽条件及较强的深层垂直风切变有利于强冰雹天气的发生。(2)利用多普勒天气雷达、风廓线仪数据反演垂直分布的物理量场(平均散度、平均垂直速度、相对风暴螺旋度、垂直风切变)能够反映本站上空环境场的快速变化情况:强对流系统移入本站前雷达站上空逐渐调整为低层辐合、中高层辐散的风场配置结构,螺旋度和垂直风切变数值逐渐增加,表明环境场有利于强对流系统的维持发展。(3)强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外,持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。应用双多普勒雷达风场反演技术揭示了超级单体内部环流结构:低层气旋性旋转,中层旋转加强,高层风场辐散。超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于支撑空中大冰雹的增长。

天津“6.25”大冰雹过程的中尺度特征及成因

利用地面加密自动站、天津塘沽多普勒雷达、FY-2C静止卫星以及NCEP/NCAR再分析资料,对2008年6月25日下午天津地区一次罕见大冰雹过程风暴系统发展演变、结构特征和形成原因进行了观测分析和诊断研究。结果表明:此次大冰雹过程是在华北冷涡背景下,前倾结构的高空槽使高层干冷空气叠加在低层暖湿空气上,导致不稳定层结发展。中尺度对流系统由3个β-中尺度对流云团先后2次合并而成的α-中尺度对流系统,呈近似圆形结构。风雹发生前,天津地区大气层结呈现出强的对流性不稳定;700 hPa与近地面之间的风速差达到20 m/s,0～3 km垂直风切变明显增大;当上述有利的热力和动力条件形成后,在地面辐合线和干冷空气侵入的触发机制下,就造成了本次大冰雹过程。同时,由多单体合并而成的超级单体风暴,在其发展成熟阶段,多普勒雷达图上呈现出弓型回波、低层弱回波区和中高层悬垂回波区及三体散射结构;塘沽地区降雹前,垂直液态水含量出现一次明显的跃增。

一次强降雹过程中垂直累积液态含水量的特征分析

利用探空资料对垂直累积液态含水量(VIL)进行了分层,并分别计算出0℃层上、下两层的VIL值以及这两层的比值。再利用VIL、分层VIL以及VIL比值分析了2006年7月24日发生在山西阳泉的一次冰雹过程,发现在冰雹发生前后VIL、分层VIL以及VIL比值有明显的规律可循,这对冰雹天气的短时临近预报以及对冰暴灾害的防御有重要指导意义。

提高小概率事件预报成功率的一条途径

在给出小概率事件定义与评估小概率事件预报成功率参数的基础上 ,根据参数变换后的表达式推断 :变小概率事件为条件概率下的大概率事件 ,是提高小概率事件预报成功率的一条途径。

南疆塔里木盆地西部一次强冰雹天气过程分析

利用常规气象资料和CINRAD/CC新一代天气雷达资料以及对流云数值模式等,对2011年6月17日发生在南疆塔里木盆地西部麦盖提垦区的一次强冰雹天气过程进行了分析。结果表明:大气不稳定层结的存在和有利的高低空环流形势配置的动力作用,是触发这次南疆西部局地强对流天气产生降雹的主要原因。在冰雹天气发展过程中,探测到了如钩状回波、弱回波区、悬挂回波和中气旋等典型的冰雹云回波特征,这对冰雹天气邻近预报具有一定指示意义。数值模拟结果显示,冰雹云具有低层辐合、中层有一对涡旋、高层辐散的结构特征,这种结构有利于冰雹云的发展和维持。

CINRAD/SA雷达强冰雹识别算法的应用检验

为更好地应用HDA算法产品并为进一步优化冰雹识别算法提供参考,应用2004—2010年武汉雷达和2007—2008年济南、青岛、烟台、宜昌、郑州和重庆共7部雷达监测到的28个直径大于等于19 mm的致灾性强冰雹天气个例,对CINRAD/SA雷达的强冰雹识别及最大冰雹直径(MEHS)预测产品进行了检验分析,同时对我国北方(济南、青岛、烟台、郑州)雷达和南方(武汉、宜昌、重庆)雷达的冰雹识别及大小预测效果进行了对比。结果表明:1)在不订正0℃层和-20℃层高度时,该算法对强冰雹天气的识别效果较好,但对MEHS的预测效果较差。2)每个雷达站对强冰雹识别和MEHS预测的效果差别不大,南方雷达和北方雷达对强冰雹的识别效果相近,但南方雷达对MEHS的预测效果较好。3)强冰雹识别和MEHS预测在5月份效果最好,8月份最差;该算法对大冰雹的识别效果较好,但仅对直径为40～49 mm的冰雹直径预测效果较好。4)冰雹识别产品对强冰雹的识别效果随所识别冰雹概率(POSH)增大而增强,当POSH=100时,临界成功指数CSI为100%,发生冰雹天气的可能性非常大。

强冰雹天气的多普勒天气雷达探测与预警技术综述

主要介绍了强冰雹天气的有利环境背景条件和强雹暴的多普勒天气雷达识别和预警技术。主要结论如下：（1）有利于强冰雹的环境条件是-10℃和-30℃之间的对流有效位能较大；0～6km之间的垂直风切变较大；0cC层距离地面高度适中。（2）强冰雹的主要的雷达回波特征：高悬的强回波；低层的弱回波区（WER）、中高层的回波悬垂和有界弱回波区（BWER）；中气旋。（3）能够有效判断强冰雹发生的3个辅助特征指标：VIL密度，风波顶辐散和S波段三体散射长钉（TBSS），具体如下：①强冰雹发生对应的VIL密度阈值是3．5g／m^3，如果达到4g／m^3，几乎肯定发生强冰雹；②产生强冰雹的正负速度差值的阈值是38m／s；③s波段雷达回波中出现TBSS是存在强冰雹的充分非必要条件。

一次冰雹天气强对流(雹)云演变及超级单体结构的个例模拟研究

利用WRF中尺度数值模式,模拟了2005年5月31日发生在北京的冰雹强对流过程,成功地再现了冰雹天气发展过程中起重要作用的冷涡底部的小槽、低层暖湿舌、地形辐合线等中尺度系统;模拟的地面降水、强对流(雹)云移动路径与实况基本符合;模拟的一个长生命史强对流(雹)云的演变及单体结构与北京多普勒雷达观测的沿城市中轴线的雹云相似,具有超级单体概念模型给出回波墙—有界弱回波区(穹窿)—悬挂回波结构、对峙的倾斜上升下沉气流、分裂右移发展等特征。基于数值模拟结果,结合雷达观测,重点分析了这块雹云的演变过程,解剖了超级单体三维动力、热力及回波结构。

恩施山区强冰雹和短时强降水天气落区分析

利用恩施雷达资料,对湖北恩施山区强冰雹和短时强降水天气的落区进行了分析。结果发现：强冰雹的右移特征非常明显,当恩施州境内或边境临近地区有新生的中空回波,且回波移动方向上也同时有对流回波滋生时,则两回波源地之间的区域基本可以确定为此次冰雹过程的主要影响区域,新生中空回波向右偏离初始移动方向大约0~60°之间（两处回波源地之间的连线）,一般在1~3h内不断加强形成强冰雹而落下;而短时强降水右移特征不明显,发生短时强降水区域不仅与回波系统的走向和移动有关,还与回波单体移动和传播有关系,其回波系统的移动是对流单体的移动和传播两者的矢量之和,同时根据回波形态及其演变趋势,即可判断短时强降水的落区。

中国雷暴气候分布特征及变化趋势

利用1951—2005年雷暴和冰雹观测资料,统计出中国743个站点的雷暴以及冰雹发生日数。统计结果表明,中国雷暴和冰雹等强对流天气发生的概率分布具有明显的地理和日变化差异,日间与夜间强对流天气分布变化很大。中国雷暴发生频繁的区域共有5个,分别是青藏高原东部、云南中南部、四川境内、华南两广地区及新疆西部,各区域雷暴日数存在不同的年际变化特征。全国雷暴日数除青藏高原地区略有上升外,总体呈下降趋势。冰雹发生频繁的区域主要在青藏高原祁连山地区,天山地区和华北北部为冰雹活动的次频繁中心。冰雹日的年际变化也因区域不同而有所区别。由中国雷暴日数的REOF分析可以看出,华南、长江流域等地区都存在独立的异常时空分布,与特定的大尺度环流密切相关。

一次冰雹天气的WSR-88D双偏振雷达特征分析

受高空冷空气和低空切变线共同影响,2015年4月28日,一次长生命史冰雹强风暴袭击了上海西南部地区,位于南汇的WSR-88D双偏振雷达在可视范围内进行了全程监测。利用天气图资料和双偏振雷达资料,分析了这次风暴形态的时间演变和双偏振特征。分析结果表明,强风暴中心水平反射率因子普遍超过60 dBZ,发展高度超过了15 km,中下层出现了有界弱回波区和钩状回波,径向速度图上还出现了中气旋;风暴发展旺盛时段出现了明显的“非均匀波束充塞”现象,风暴中心附近中底层出现了低差分反射率的冰雹信号(差分反射率洞)、高差分反射率弧(超过4.0 dB)、高比差分相位脚(超过4°·km^-1)和低相关系数区(低至0.8),强烈的上升气流区将低层液态水和各种降水粒子带到高层,导致高层出现了差分反射率柱和比差分相位柱,高度伸展到了-20℃层以上,并与较低的相关系数(0.9左右)相对应,以上各种特征证明了冰雹的存在。最后,在强风暴传统概念模型的基础上,根据双偏振特征,归纳出了这次风暴的概念模型,给出了各种典型特征的水平和垂直位置关系,并根据传统的动力模型,分析了其形成的物理基础。与他人研究结果有所不同的是,本个例的低层高差分反射率弧的范围从风暴中心的前部扩展到相邻的弱回波区。

山西高原大冰雹与小冰雹的环境参量对比分析

本文利用1956-2017年山西省109个气象站的逐日冰雹观测资料研究了山西冰雹的空间分布特征,发现全省冰雹日数由东北向西南依次减少,与海拔有很好的对应关系,山地冰雹发生日数高于盆地,冰雹频发区主要集中在北部和东部山区。以冰雹直径2 cm为阈值,将冰雹分为大冰雹与小冰雹两类,统计了2008-2019年山西两类冰雹站的比例,结果表明山西高原以小冰雹为主,大冰雹仅占3.9%,盆地大冰雹比山区多,大冰雹容易发生在陡峭山地与盆地或河谷的交界处。为了进一步研究大冰雹与小冰雹产生环境条件的差异,选了2008-2019年山西的23个大冰雹日和44个小冰雹日,基于订正的观测探空对表征冰雹天气的动力、热力和水汽等环境条件的多个环境参量进行了统计分析,以箱须图的形式给出了环境参量的分布。结果表明:大、小冰雹日的水汽差异最为显著,大冰雹日对流层低层水汽含量相对丰富,中层则比小冰雹更干,二者地面露点中位数分别是16℃和14℃,700~400 hPa之间的平均温度露点差中位数分别是14.8℃和12.7℃,整层可降水量中位数分别为26.7 mm和23.7 mm;二者的垂直温度直减率差异不明显,但850 hPa与500 hPa假相当位温差的差异很显著,这是由于假相当位温包含了水汽信息;二者的干球温度0℃层距离地面的高度差异不明显,但大冰雹日湿球温度0℃层距离地面的高度更高,说明大冰雹日干、湿球0℃层的差距更小,0℃层附近的湿度更大。大冰雹出现在更大的条件不稳定和更高的低层露点条件下,因而对应环境有更大的CAPE值,大冰雹与小冰雹的CAPE中位数分别是2099 J·kg^(-1)和1588 J·kg^(-1);大冰雹出现在更大的环境垂直风切变中,0~6 km垂直风切变中位数分别为16 m·s^(-1)和12 m·s^(-1)。

一次强对流过程的多普勒雷达反演及预警分析

为进一步了解2009年6月5日发生在安徽的一次飑线天气过程的流场结构,本文将两步变分法应用于安徽省合肥多普勒天气雷达资料的风场反演,并利用反演结果检验发生冰雹、大风以及闪电等强对流天气过程的预警条件。结果表明,该次天气过程主要受到东北冷涡的影响,另外高空西北冷气流和地面暖气流以及深层的垂直风切变促进了该次飑线强对流天气的发生;冰雹、大风以及闪电等强对流天气对应的一些特征量关系符合相关预警条件。

黑龙江绥棱县一次超级单体强冰雹成因分析

利用常规天气资料、卫星及其反演云参数、雷达等综合观测资料,对2016年6月3日发生在黑龙江省绥棱县一次超级单体风暴进行不同尺度分析,研究降雹成因及降雹特点,并对人工防雹进行分析。研究表明:此次过程是高空冷涡和地面低压共同作用造成的,冷暖空气交汇、上干下湿不稳定层结配置及地面风速的辐合是这次过程的触发机制;冰雹云团在午后迅速发展,水平尺度迅速增长,云顶快速抬升,云高>9km的云团直径增加到90km,形成明显的卷云砧;分析雷达回波可知,此次超级单体风暴过程出现了中气旋、有界弱回波区及悬垂回波等典型特征,垂直累积液态含水量(VIL)在降雹前出现了跃增,且跃增时间提前10~15min,对于冰雹短时预报具有一定指示意义。作业时机应选择在单体或多单体的初始阶段就提前作业,作业成功率较大,作业部位可在有界弱回波区(BWER)及悬垂回波区域进行多站点联合作业,可取得较好的防雹效果。

ROSE系统在沈阳一次强冰雹过程分析中的应用

介绍新一代天气雷达业务建设软件ROSE系统,并通过ROSE产品结合地面自动气象站资料、高空天气图、探空T-lnp图、雷达组网拼图对沈阳2011年8月21日一次强冰雹过程的发展、演变及结构特征进行了分析和研究。分析表明:此次冰雹过程是在高空槽和风场辐合大尺度天气背景下,对流有效位能CAPE、垂直风切变及雷达回波特征均满足强冰雹发生的条件;通过分析降雹前后多种雷达导出产品提出强冰雹客观临近预报的一些指标。

2010年6月18日苏北一次强降雹过程及其催化数值模拟

结合实况资料,应用三维对流云模式,对2010年6月18日苏北地区一次持续时间长达5 h的强降雹过程进行数值模拟研究。结果表明,模式模拟出了雹云的3次涌升、降雹过程及雷达回波特征。冰雹来自霰的转化,主要靠碰冻过冷云水和雨水增长。催化试验表明,地面降雹刚形成或降雹强度刚增强时,在过冷雨水中心区播撒AgI,减雹效果显著,最大减雹量可达21.1%;催化后,霰的数量增加、尺度减小,导致霰向雹的自动转化减少,且大量小尺度霰成为雹胚后,争食云水,增长受阻。