基于北京市区实测数据的雷暴风风场时空统计特性研究

雷暴风引发的结构破坏、财产损失和人员伤害屡有发生,其风场特性的认识和研究是结构抗雷暴风设计的基础。该文基于北京市区325 m高气象塔实测数据识别的70个雷暴风事件,采用经典雷暴风模型对其平均风及脉动风时空特性等进行了统计分析,研究结果表明:雷暴风频发于夏季,其峰值风速主要出现在北京时间的下午及傍晚时分且较易发生于西北方向;在峰值风速发生时段,平均风速剖面均值呈现轻微的鼻形特征;雷暴风湍流强度和阵风因子剖面与大尺度稳态强风特性存在较大差异,且雷暴风统计结果均大于大尺度稳态强风的对应值;北京市结构抗雷暴风设计中可考虑应用Von Karman谱计算雷暴风荷载。该研究结果可为雷暴风风场统一模型的建立和结构抗雷暴风设计提供参考。

海风锋导致雷暴生成和加强规律研究

应用雷达和地面自动气象站资料结合订正的天津探空资料,分三种类型统计分析了2004—2009年雷达监测到的50次由渤海湾海风锋导致雷暴生成和加强的规律及对应的天气背景;应用VDRAS系统资料分析了第三种类型(在不稳定环境下,沿海风锋直接触发雷暴)的热力、动力结构特征。结果表明:(1)强对流不稳定环境下,沿海风锋可以直接触发雷暴并沿海风锋移动的同时发展加强;(2)不同的类型在雷暴生成的位置、发展加强的速度、强度等方面都有明显的不同;(3)Ⅰ型对应背景场的动力条件更为有利,强对流天气更为剧烈,Ⅲ型对应背景场的热力、动力条件和水汽条件更为有利,对流抑制指数(CIN)小;(4)海风锋使得低层形成中尺度辐合线,沿海风锋垂直上升速度从地面一直延伸至3 km高度,强中心出现在1.5～3.0 km高度,最大风速达1.9 m·s^(-1)。

复杂地形下北京雷暴新生地点变化的加密观测研究

2008年8月14日北京发生了雷暴群形式的局地暴雨,雷暴新生地点复杂多变,形成了多个γ中尺度的强降水中心。本文利用近年来北京气象现代化建设取得的加密地面自动站、多普勒雷达、风廓线仪、微波辐射计等多种新型高时空分辨率观测资料及雷达四维变分同化系统(VDRAS)反演资料,通过精细分析地面(边界层)风场、温度场等的演变特征,讨论了雷暴新生地点变化的机制。结果表明:复杂地形与雷暴冷池出流作用相结合,主导了雷暴新生地点的变化,进而影响γ中尺度强降水中心的变化;天气尺度高低空涡、槽的配合不一致,并且系统移动缓慢,以及对流层低层的弱的环境垂直风切变,是雷暴冷池结合复杂地形发挥雷暴新生地点主导作用的重要前提;复杂地形使得冷空气在一定范围内流动,在边界层产生碰撞和辐合,起到触发和增强对流作用,并使得对流风暴的形态和走向与地形呈现出紧密相关性;一定强度的冷池出流、边界层前期的暖湿空气和对流不稳定能量的积累,是冷池出流触发雷暴新生和演变的必要条件;北京周边地区的雷暴,通过其雷暴冷池出流沿着沟谷地形或向平原地区流动,与北京山谷或城区的边界层暖湿空气形成辐合抬升机制,触发雷暴新生。

北京香山“7.29”γ中尺度短时局地大暴雨过程综合分析

基于加密自动站、风廓线、微波辐射计等多种稠密观测资料,结合多普勒天气雷达变分同化分析系统(VDRAS)反演的对流层低层热力动力场,对2009年7月29日发生在北京香山地区的局地暴雨过程(简称"7.29"过程)进行了综合分析。结果表明:该过程是一次典型的局地新生雷暴引发的γ中尺度局地大暴雨过程,其发生发展突然、持续时间短、局地性强、降水强度大;降水环境场上,较低的抬升凝结高度和自由对流高度使得新生雷暴的触发不需要太强的辐合抬升机制;北京北部山区雷暴冷池出流形成的300 m左右厚度的边界层偏北风与环境场偏南风的辐合,对香山雷暴的新生起到关键触发作用,有利的局地水汽条件为香山雷暴产生强降水提供了充沛的水汽;香山雷暴发生后,由于缺乏雷暴冷池出流与环境低层垂直风切变的相互作用,导致香山雷暴难以获得有组织的进一步发展,在其发展成熟后很快消亡;复杂地形在对流发生发展过程中具有十分重要的作用,一方面在雷暴新生前期通过山前辐合抬升起到触发机制作用,另一方面对大气垂直上升运动起到增幅作用。

复杂地形下北京一次局地雷暴新生和增强机制初探

利用变分多普勒雷达分析系统,结合多普勒雷达观测、地面自动站、风廓线仪、加密探空等非常规观测资料,对北京地区2011年8月9日局地雷暴的新生和增强机制进行了较精细的分析。结果表明:该过程是一次发生在弱垂直风切变环境下的局地强对流雷暴大风过程,环境场有较强的不稳定能量(CAPE达2 798 J.㎏-1),地面高比湿带(>20 g.kg-1)在山前聚集,城区西部山前存在一较强γ中尺度热辐合中心,前期大气环境条件十分有利于对流发生发展;上游移进北京的强雷暴受地形强迫作用影响,其产生的冷池出流被抬高,冷空气叠加在地面γ中尺度热辐合中心之上,使山前局地大气层结更不稳定,另一方面,强冷池出流产生的边界层高层偏北风与近地面弱的偏南风构成有利于对流新生的垂直风切变,地面热辐合中心、边界层热力和动力不稳定的增强共同作用是局地雷暴新生的主要机制;上游冷池出流边界(阵风锋)伴有的强温度梯度和边界层辐合上升运动是原有局地新生雷暴显著增强的主要原因;多单体雷暴相互碰撞合并产生的辐合上升运动是局地雷暴得以持续的关键因素。

地形、冷池出流和暖湿空气相互作用造成北京一次局地强降水的观测分析

利用地面和探空常规探测资料、多普勒天气雷达以及风廓线雷达资料,对2015年8月7日发生于北京的一次伴随有闪电和冰雹的突发性局地强降水过程的成因进行了分析。结果表明:这次过程发生在强层结不稳定环境中,对流层中层低槽配合低层切变线,促进河北西北部对流发展,并向东南方向移动,形成北京西北部短时强降水;北京中部地区强降水的直接制造者则是新生的局地性雷暴单体,由雷暴冷池出流和暖湿空气在边界层交绥和辐合所触发。北京西北部地形促使冷池出流下山速度加快、冷池出流高度抬高,以及偏东暖湿气流的辐合抬升作用,则是局地雷暴新生的重要影响因子。

强对流风暴新一代雷达产品特征分析

利用濮阳、三门峡新一代天气雷达产品,结合卫星、探空、天气图、地面雨量等资料对2006年6月25日发生在河南省北部、西部和中部的强对流风暴过程进行分析发现:(1)此次强对流风暴表现为多个处于不同发展阶段的的强对流回波单体组成长80～400km、宽40km的NE—SW向中β对流回波带即飑线;(2)强对流风暴在发展旺盛期间,其前沿有雷暴出流边界;(3)低层强NW风推动对流回波带向前发展成弓型带状回波;(4)在强对流风暴前侧,紧挨雷暴出流边界内侧产生了一条弧线窄带速度线,随着雷暴出流边界远离强对流风暴主体,该弧线窄带速度线也远离大片的速度区,并逐渐消失;(5)不同性质的强对流天气,其基本反射率、回波顶高、垂直液态积分含水量时有差异。北部雷雨大风伴短时强降水的强对流天气,强中心基本反射率在53～63dBz,回波顶高9～14km,垂直液态积分含水量在38～48kg.m-1之间;而西部中部的雷雨大风伴随局部冰雹和短时强降水的强对流天气,强中心基本反射率在53～65dBz,回波顶高度11～16km,对应垂直液态积分含水量在48～63kg.m-1之间;(5)在强对流风暴发展旺盛时期一直有中气旋伴随,中气旋出现在强对流单体前侧或前侧的入流槽口处。强对流风暴的新一代雷达产品特征是强对流天气监测预警的重要参考依据。

2014年7月14日新乡强对流过程成因分析

利用常规和区域自动站观测资料、卫星和多普勒雷达监测产品及NCEP再分析资料,对2014年7月14日新乡强对流过程进行了综合分析。结果表明:高空东移冷槽与低层暖脊叠加使新乡上空形成明显的不稳定层结,而中低层暖湿空气在午后表现出明显的北抬和向高空扩展的趋势,使大气对流不稳定度进一步加强,有利于雷暴大风和冰雹强对流天气的出现;同时,强对流天气发生前0—6 km垂直风切变达到中等偏强程度,有利于对流系统的形成和维持。地面中尺度辐合线起对流触发作用,辐合线尾部前侧的对流云团发展更强更快。云团合并导致对流云团迅猛加强,对流单体合并有利于对流回波的暴发性发展及回波顶快速抬升。过程中雷暴外流边界也是强对流的重要触发机制,太行山脉东侧的雷暴外流边界受地形抬升作用,触发大范围分散的对流单体,导致了局地短时强降水天气。风灾主要是由多单体风暴中的下击暴流和雷暴外流边界造成的,下击暴流造成的大风比由雷暴外流边界导致的大风更强。此外,强回波中心强度增强、质心高度迅速升高,回波顶高和VIL值跃增等对强对流过程中局地冰雹预报有较好的指示意义。

2017年7月豫北一次雷雨大风过程成因分析

通过对2017年7月9日夜里发生在豫北地区的雷雨大风强对流过程进行综合分析可知： 高空东移冷槽和低层暖脊叠加造成较强的大气层结不稳定, 有利于雷雨大风强对流天气的出现; 同时, 强对流天气发生前, 0～6km垂直风切变达到中等偏强程度, 有利于对流系统的形成和维持; 边界层辐合线和雷暴外流边界是主要触发机制.