Some Characteristics of the Surface Boundary Layer of a Strong Cold Air Process over Southern China

In southern China,cold air is a common weather process during the winter season;it can cause strong wind,sharp temperature decreases,and even the snow or freezing rain events.However,the features of the atmospheric boundary layer during cold air passage are not clearly understood due to the lack of comprehensive observation data,especially regarding turbulence.In this study,four-layer gradient meteorological observation data and one-layer,10-Hz ultrasonic anemometer-thermometer monitoring data from the northern side of Poyang Lake were employed to study the main features of the surface boundary layer during a strong cold-air passage over southern China.The results show that,with the passage of a cold air front,the wind speed exhibits low-frequency variations and that the wind systematically descends.During the strong wind period,the wind speed increases with height in the surface layer.Regular gust packets are superimposed on the basic strong wind flow.Before the passage of cold air,the wind gusts exhibit a coherent structure.The wind and turbulent momentum fluxes are small,although the gusty wind momentum flux is slightly larger than the turbulent momentum flux.However,during the invasion of cold air,both the gusty wind and turbulent momentum fluxes increase rapidly with wind speed,and the turbulent momentum flux is larger than the gusty wind momentum flux during the strong wind period.After the cold air invasion,this structure almost disappears.     

南京地区初夏一次阵风锋过程的分析与识别

阵风锋过程一般伴随中尺度强对流系统发生, 在近地层形成很大的阵风及风切变, 容易造成风灾, 特别是对航空部门有很大的影响。本文对2006年6月29日发生在南京的一次由强中尺度对流系统引发的阵风锋过程进行分析, 通过多普勒天气雷达资料以及地面中尺度观测网观测到的实况, 可以清楚地看出这个阵风锋系统的结构。当阵风锋经过时, 地面测站观测到明显的风向变化、 风速增大、 气压增强、 温度下降, 而后出现强降水等特点, 这些都符合阵风锋的结构特征。利用地面测站实时观测到的气压、 相对湿度、 温度等计算得到折射指数, 它在阵风锋刚经过时迅速增大, 而后随阵风锋外移逐渐减小, 但是因为阵风锋后对流系统的影响, 折射指数还要维持很长时间的高值。从雷达观测的反射率强度上能看到阵风锋位置的回波强度、 高度都比两侧要大, 与后方强对流系统之间的距离有5～10 km。对雷达观测到的径向速度进行反演, 可看到上层的速度大于近地层速度, 并且强速度中心靠前, 在近地层形成向后的气流(回流)。阵风锋在多普勒速度场中表现出明显的线状组合切变, 利用阵风锋的这个特点设计自动识别算法, 能够有效地对阵风锋进行识别, 组合切变也能有效地对阵风锋的发展以及移动作预报。     

Gustiness and Coherent Structure of Strong Winds and Their Role in Dust Emission and Entrainment

After the passage of a cold front,spring in northern China,the outbreak of strong wind is often accompanied by dust emissions.Through analyses of data in the atmospheric boundary layer during a typical case,it is revealed there are rather regular gust wave packets superimposed on the basic strong wind flow.The gust-wind wave packets have a period equal to around 3-6 mins and possess coherent structure.As the vertical transport of momentum is decomposed into separate parts by(a) basic flow,(b) gust-wind,and(...     

浙江海岛台风和冬季大风阵风特征的对比分析

为了提高阵风预报准确率,利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料,分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系,对比两种大风系统阵风的主要成因差异,最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上,台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2,波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时,阵风因子随稳定风速变化不明显,而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显,导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值,两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度,而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度,台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本;从Brunt-Vaisala频率来看,边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定,而台风样本总体为静力稳定;从总体理查逊数来看,台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同,冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关,而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型,比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%,误差方差也减少了10%~30%。      

基于测风塔实测台风威马逊登陆过程的强风特性分析

利用广东省徐闻县西连镇90 m测风塔在1409号超强台风威马逊登陆期间获取的具备完整的台风代表性的观测数据以及处于台风外围的广东省茂名市博贺镇100 m测风塔的观测数据,对台风威马逊的近地层强风特性进行了分析,西连测风塔结果表明:风速时程曲线呈明显的"M"型分布特征,台风中心经过测风塔前后,风向沿逆时针方向大幅偏转约170°。风速随高度增加而增大,风速廓线较好地符合对数和幂指数律;台风过境前后,各强风区的风速廓线幂指数和粗糙长度呈先减小后增大的特点;粗糙陆地下垫面的风速廓线幂指数和粗糙长度较大。湍流强度和阵风系数在前外围强风区或后外围强风区较大,在前眼壁强风区或后眼壁强风区较小,湍流强度和阵风系数随高度增加而减小,基本符合指数为负值的幂指数律;粗糙下垫面对湍流强度和阵风系数有增大的作用。外围强风区和眼壁强风区的10 min风向变率变化较为平稳,而在眼区变动较为剧烈,在眼区,当风速达到最低值或次低值时,10 min风向变率幅值达到最大值。博贺测风塔结果表明其总体上与西连测风塔台风前外围和前眼壁强风区的情形相似。     

九江地区一次无降水致灾大风天气过程分析

使用常规地面观测、风能观测、卫星云图和多普勒天气雷达等资料,对2009年6月5日23时-6日01时,江西九江地区出现的一次无降水致灾大风天气过程进行分析。结果表明,500hPa冷涡槽后强大的西北气流、925hPa波动型辐合线和异常3h变压是造成这次无降水致灾大风天气的主要影响系统和动力条件;中尺度对流云团在消散过程中,强烈下沉气流冲击地面形成阵风锋,即使对流云团消散后,这股下沉气流仍惯性移动,并继续影响下游长达百余千米范围;阵风锋前沿边界会造成大气折射率的改变,雷达可以从反射率和速度场上探测到这种不连续面的窄带回波。窄带回波移动速度可以定性判断地面大风级别,移速大风力大,移速小风力小。     

双多普勒雷达风场反演对一次后向传播雷暴过程的分析

利用常规观测、雷达和加密自动站资料,对2013年9月13日上海地区的一次以后向传播为主要特征、伴有强降水和大风的强对流过程进行了分析,并采用双多普勒雷达风场反演等技术,对其形成的环境条件及后向传播机制进行了研究。由于上海连续多日处在副热带高压(副高)西北侧边缘,具备了充足的水汽和较强的不稳定条件,地面辐合线在上海北部触发了初始对流,其出流与地面风场的辐合在西南侧不断触发出新的对流单体,出现了与引导气流相反、指向西南方向的雷暴传播矢量,当单体的新生传播速率大于引导流速率时,雷暴整体产生了与引导气流相反的后向移动。针对该后向传播机制的研究表明:对流单体强下沉运动形成的阵风锋在其西南方向与环境西南风辐合,并与该处原有的地面辐合线碰撞造成更强烈的上升气流,触发新的单体生成,新单体发展成熟后产生强降水和强下沉运动,加强和维持了其西南侧的阵风锋,使得阵风锋向西南方向推进并继续触发新单体生成;风场反演的垂直运动分布和演变也显示了多个对流单体从东北向西南依次表现出消散、成熟和新生阶段的特征。因此,本次过程中形成了"雷暴单体新生发展—成熟后缓慢东北向移动—产生强降水、下沉运动和大风在其西南侧触发新单体"的循环;向西南方向推进的地面阵风锋与原有的地面辐合线共同形成了雷暴西南侧局地锋生区,与新生对流区的位置一致,是该次过程后向传播的主要原因。     

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析.结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3-7 min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0.阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度.此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性.     

成都双流机场“7.9”低空风切变天气过程分析

利用多普勒雷达对2010年7月9日发生在成都双流机场的两次低空风切变飞行事件进行分析,这两次低空风切变过程是由中尺度对流系统（MCS）产生的阵风锋和下沉气流造成的。利用实时的多普勒气象雷达和地面自动观测数据,确定阵风锋的传播方向和速度,估计阵风锋引起的风切变发生的时段和位置;多普勒反射率因子的形态及多普勒速度图像能有效判断下沉气流的区域,对下沉气流造成的风切变有很好的指示和预警作用。     

成都双流机场“7.9”低空风切变天气过程分析

利用多普勒雷达对2010年7月9日发生在成都双流机场的两次低空风切变飞行事件进行分析, 这两次低空风切变过程是由中尺度对流系统 (MCS) 产生的阵风锋和下沉气流造成的。利用实时的多普勒气象雷达和地面自动观测数据, 确定阵风锋的传播方向和速度, 估计阵风锋引起的风切变发生的时段和位置;多普勒反射率因子的形态及多普勒速度图像能有效判断下沉气流的区域, 对下沉气流造成的风切变有很好的指示和预警作用。      

VDRAS产品在奥运气象服务中的应用

着重分析了VDRAS要素在奥运会期间对流天气形成过程中的演变特征。典型对流天气个例分析表明,阵风锋之间的碰撞对雷暴天气的形成具有指示意义,其中VDRAS强梯度的存在能够预示将要分离出阵风锋;冷中心的加强意味着降水还将发展,减弱意味着降水要减弱。应用风廓线和自动气象站资料对VDRAS的信息做检验,表明在0.18～1.6km高度上风向基本一致,但是风速有时偏小2m/s;1.6～2.8km高度上,风向和风速大体一致;2.8～3.5km高度上,风向基本一致,但风速有时偏小2m/s。VDRAS气温高于地面自动站的气温约3～4℃。     

Gust Front Statistical Characteristics and Automatic Identification Algorithm for CINRAD

Gust front is a kind of meso-and micro-scale weather phenomenon that often causes serious ground wind and wind shear. This paper presents an automatic gust front identification algorithm. Totally 879 radar volume-scan samples selected from 21 gust front weather processes that occurred in China between 2009 and 2012 are examined and analyzed. Gust front echo statistical features in reflectivity, velocity, and spectrum width fields are obtained. Based on these features, an algorithm is designed to recognize gust fronts and generate output products and quantitative indices. Then, 315 samples are used to verify the algorithm and 3 typical cases are analyzed. Major conclusions include： 1） for narrow band echoes intensity is between 5 and 30 dBZ, widths are between 2 and 10 km, maximum heights are less than 4 km （89.33%are lower than 3 km）, and the lengths are between 50 and 200 km. The narrow-band echo is higher than its surrounding echo. 2） Gust fronts present a convergence line or a wind shear in the velocity field;the frontal wind speed gradually decreases when the distance increases radially outward. Spectral widths of gust fronts are large, with 87.09% exceeding 4 m s-1 . 3） Using 315 gust front volume-scan samples to test the algorithm reveals that the algorithm is highly stable and has successfully recognized 277 samples. The algorithm also works for small-scale or weak gust fronts. 4） Radar data quality has certain impact on the algorithm.     

基于ERA5再分析资料的余姚地区阵风预报模型探究

利用2007—2017年余姚地区44个气象自动站观测数据和欧洲中心ERA5再分析资料,对余姚地区日极大风分布进行了统计分析,并提出一种本地化的经验阵风预报模型(雷暴日除外)。研究发现:余姚地区日极大风呈正态分布,风力峰值为4～5级,平均每年大风日占比达7.03%,累计大风时次占比3.32%,年平均大风日26 d。风力越小,阵风与平均风之间的线性拟合效果越好。影响阵风预报的因子主要有10 m平均风速、925 hPa风速、地面粗糙度、摩擦速度和3 h变压。6级及以下阵风预报中,业务中的阵风经验系数1.4容易造成余姚本地阵风预报偏低,适用于余姚本地阵风预报经验系数为1.775;6级以上阵风预报经验方程考虑了平均风速、垂直动量下传、水平动量传输、地面摩擦和海拔高度订正,其与925 hPa风速的平方呈正相关,与摩擦速度呈自然指数相关,经验方程相对于经验阵风系数的预报拟合优度提升了59.61%;经验阵风预报方程通过了2018—2019年的数据检验,该方程对1～2级阵风预报偏高,3～5级效果最好,6级阵风的预报偏低;6级以上的阵风等级预报准确率达55.2%。地形摩擦作用在冷空气大风与台风大风过程中尤为重要,这两类过程阵风系数分布类似,但台风带来的动量下传比冷空气更为明显。     

三次雷暴导致的阵风锋过程分析

利用多普勒天气雷达资料和自动站资料对2012年5月16日江苏、6月9日京津冀地区以及7月10日河北的三次阵风锋过程进行综合分析。结果表明：持续下沉的冷空气形成雷暴高压是阵风锋产生的直接原因。雷暴高压形成过程中,一方面,下沉气流在较小区域内迅速堆积形成雷暴高压,另一方面,新旧单体不断更替,风暴内稳定的下沉气流使雷暴高压发展。雷暴高压内强辐散气流与环境空气形成阵风锋。随着雷暴高压的移动和增强,阵风锋向前移动和增强,当雷暴高压减弱,阵风锋也逐渐消亡。温度梯度与气压梯度越大,瞬时大风越强,阵风锋也越强。阵风锋产生的瞬时大风与窄带回波的强度值不一定成正比。中层径向辐合对阵风锋产生有提前预示作用,提前量为半小时左右,辐合持续时间越长,阵风锋生命史越长。     

Observation of a Straight-Line Wind Case Caused by a Gust Front and Its Associated Fine-Scale Structures

A straight-line wind case was observed in Tianjin on 13 June 2005, which was caused by a gust front from a squall line. Mesoscale analyses based on observations from in-situ surface stations, sounding, and in-situ radar as well as fine-scale analyses based on observation tower data were performed. The mesoscale characteristics of the gust front determined its shape and fine-scale internal structures. Based on the scale and wavelet analyses, the fine-scale structures within the gust front were distinguished from the classical mesoscale structures, and such fine-scale structures were associated with the distribution of straight-line wind zones. A series of cross-frontal fine-scale circulations at the lowest levels of the gust front was discovered, which caused a relatively weak wind zone within the frontal strong wind zone. The downdraft at the rear of the head region of the gust front was more intense than in the classical model, and similar to the microburst, a series of vertical vortices propagated from the rear region to the frontal region. In addition, strong tangential fine-scale instability was detected in the frontal region. Finally, a fine-scale gust front model with straight-line wind zones is presented.     

阵风因子与大气边界层要素的关系及预报试验

利用2008—2016年舟山4个海岛气象站大风资料和欧洲中心的ERA-interim再分析资料,分析了阵风因子随平均风速、风向、小时、月份等分布的气候特征,统计阵风因子与边界层的大气稳定度、250～1000m风速与10m风速的比值、6h变温等要素的相关后,选取最佳预报因子,利用BP人工神经网络方法,根据不同因子组合对阵风进行循环试报。结果表明:①平均风速较小时阵风因子波动范围大;靠近大陆站点的阵风因子及来自陆地方向气流的阵风因子偏大。②白天11:00—16:00受太阳辐射影响大气湍流相对较强,阵风因子偏大。7—9月沿海受台风影响频繁,其阵风因子要大些,而11—12月阵风因子偏大则与来流方向的地表粗糙度较大有关。③阵风因子和边界层不同高度的风速与10m风速比值,及气温具有明显正相关,与边界层大气稳定度参数具有负相关,相关结果印证了阵风主要物理成因与动量的垂直湍流输送有关。④阵风循环试报表明最佳组模型试报的绝对误差及方差均比对比组模型减少约11%～25%,具有较好的预报效果。     

北京及周边地区雷暴阵风锋特征统计分析

为全面和系统研究北京及周边地区阵风锋各方面特征,使用2006—2015年暖季（5—9月）北京多普勒雷达探测资料及北京、河北、天津自动气象站观测资料对北京及周边地区的阵风锋过程进行综合统计分析。结果表明,346次阵风锋过程有232次触发了对流,占总数的67%,表明阵风锋对雷暴具有较强的抬升触发能力。阵风锋在6—8月出现的日数占5—9月阵风锋总日数的85%;出现的时段主要是午后至傍晚（12—21时,北京时）,维持时间0.5—3 h;阵风锋在北京东南方向生成的数量最多,且触发对流的次数也最多;其次为偏东和东北方向;偏南和西南方向生成阵风锋数量居中,而偏北、偏西和西北地区阵风锋个例相对较少,触发对流的比例也相对较低。产生阵风锋的母风暴中48%为孤立雷暴（包括孤立多单体和超级单体风暴）,31%为雷暴群,21%为飑线;97%的母风暴最强回波在50 dBz以上,阵风锋的回波强度为10—25 dBz。91%的阵风锋移动速度集中在10—60 km/h,84%的阵风锋与母风暴的最大距离为1—60 km;在母风暴回波强度减弱到30 dBz以下时,80%的阵风锋能够继续维持的时间不超过2 h。阵风锋母风暴向东南方向移动的个例最多,从阵风锋和母风暴移动方向的关系来看,阵风锋与母风暴移向一致的情况占比最高,为32%,其次为母风暴无移动及阵风锋弧形扩散情况,各占17%;阵风锋与母风暴移向相反情况所占比例最低,只有3%。最后统计了阵风锋经过地面自动气象站时,自动观测量的变化情况。结果显示,阵风锋在经过地面自动气象站时会造成风速增大、温度降低、相对湿度增大、气压升高。      

“东方之星”翻沉事件强对流天气分析及数值模拟

2015年6月1日21:32（北京时）左右,"东方之星"号客轮由南京开往重庆途中,行至湖北省荆州市监利县长江大马洲水道时遭遇狂风暴雨天气而翻沉。经调查分析,此次事故是由一次突发罕见的飑线天气伴随的下击暴流袭击所致。使用ARPS模式,同化常规资料及监利县周边4部雷达资料,综合多种观测分析飑线伴随下击暴流过程中系统结构及发展变化特点,结果表明:降水质点的拖曳和下沉气流的共同作用是强对流活动发生发展和下击暴流产生的重要原因,低层干燥、中层湿润的不稳定层结有利于动能向下传输及地面大风的生成。数值模拟表明:地面水平风场大值区、近地面水平和垂直风向风速变化、10 min累积降水量大值中心和组合反射率因子高值区走向呈一致的带状分布,与观测对应良好。受下击暴流直接影响,事故点附近的雷雨大风强度陡增,近地面出现狭窄的阵风锋,风切变明显;事故点附近主要受到超过10 m·s-1的下沉气流和超过18 m·s-1的强烈偏西风共同影响,降水中心分钟降水量超过10 mm。     

一次冷锋过境时引发多种天气现象的成因分析

利用观测数据、雷达产品、ERA5再分析资料对2021年4月15日河北保定一次天气过程进行综合分析，结果表明：(1)天气背景高层干冷，低层有暖脊，整层大气较为干燥。冷锋过境引起地面风力加大，锋面触发干对流后，冷池出流进一步加大了地面风速，湍流加强并出现扬沙。(2)对流云内存在水平弱风区，其径向速度近于0 m/s，弱风区后侧的雷达回波强度呈增加趋势。雷达低仰角0径向速度区的上方有水凝物粒子迅速集中、生长，生长区内径向速度为5～10 m/s，降雹区域上空各仰角均为0径向速度。(3)下击暴流和动量下传引发了干对流大风，降水粒子的蒸发、拖曳作用进一步加剧了气流下沉，其中蒸发作用的贡献更显著。(4)干对流消亡后，锋面东移，锋后西北风减弱，扬沙天气结束，较小的近地层风通量有利于沙尘粒子缓慢下降，地面能见度好转但PM₁₀浓度依然较高。(5)夜间冷空气下沉，上游输送的沙尘粒子随之沉降，造成了浮尘天气。     

中尺度对流系统的动热力特征及其演变对风垂直切变的响应

为探究环境风切变在对流系统发生发展与维持过程中的重要性,利用2009年6月5日20时（北京时）上海宝山站的探空资料生成理想试验初始场,设计了包含改变整层、中层和低层风切变在内的多组试验,对比分析各试验系统的动热力结构特征及其演变发现:(1)整层环境风切变的改变对中尺度对流系统的影响最显著,其次是中层风切变。增大整层风切变时,对流系统强度及组织性最强,生命史增长。减小整层风切变时,系统强度最弱且组织结构易发散。(2)风切变增加,水平涡度增大,其受垂直运动影响转化为垂直涡度,涡旋对与垂直运动间相互作用形成的正反馈过程是系统强度增强并可以长时间维持线状结构的重要原因。(3)风切变减小,对流系统移动速度远小于阵风锋,阵风锋移至系统前方,阻断系统前沿上升气流必需的暖输送。阵风锋后冷而稳定的环境令系统逐渐消散。