风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。     

一次东北冷涡MCS边界层特征数值模拟分析

边界层是中尺度对流系统(MCS)动力和水汽的主要来源.针对东北冷涡中MCS的边界层特征及边界层对MCS的触发和维持机理,应用MM5模式耦合Noar陆面模式对2004年7月5日发生在辽宁中西部的强对流过程进行了数值模拟.重点分析了MCS不同发展阶段边界层三维气流结构、边界层冷丘、边界层层结结构及其在MCS触发和维持中的影响.结果表明,本次MCS在边界层有3股明显的气流汇合于雷暴区,1股是来源于东北部长白山稳定气团的东北气流,1股是西北部的西北下沉气流,1股是西南气流,浅薄的东北部底层冷空气有利于西南气流的上升,形成对流.MCS初期边界层低层的辐合强于边界层高层辐合,边界层气流旋转作用较弱,边界层辐合线是对流触发的重要因素之一.MCS边界层卜层的中尺度辐合涡旋主要由环境场辐合,边界层摩擦抽吸形成,是对流重要的能量、水汽输送系统,它伴随着强对流的发展而出现,同时对对流的维持、发展有重要的反馈作用,是边界层与自由大气进行交换的重要系统,是对流系统维持的人流的主要入口.MCS边界层冷丘内部为潜在稳定层结,特别在近地面层形成了非常稳定的层结,其温湿层结及气流结构改变了边界层人流.     

2019年7月3日辽宁开原EF4级强龙卷形成条件、演变特征和机理

综合应用高时空分辨率多源观测资料,分析了2019年7月3日下午辽宁开原EF4级强龙卷的天气形势、环境条件、对流触发、对流风暴演变特征和龙卷的形成与消亡机制。开原龙卷发生在东北冷涡西南侧500 hPa西北气流、850 hPa切变线、地面强西南暖湿气流中;除了对流层中下层相对湿度低、抬升凝结高度较高是开原龙卷的不利环境条件外,其他有利于强中气旋龙卷的环境条件都具备。但风廓线雷达观测和天气雷达观测的径向速度场显示0～1 km垂直风切变的增强具有中尺度特征,表明边界层强风与中层急流相耦合形成了非常有利于龙卷的垂直风切变条件。形成开原龙卷的直接系统是一孤立超级单体,具有典型的超级单体雷达回波特征、强中气旋和龙卷涡旋特征等;其由地面干线辐合线与东侧的阵风锋辐合线共同作用触发。该对流风暴前部产生的降水先使得开原及周边地区大气快速饱和、显著改善了大气低层湿度条件,当对流风暴后部钩状回波部分移动到该区域时,有利于其不太强的下沉气流产生强度适宜的冷池,加之边界层强暖湿气流入流、强低层和中层垂直风切变与强烈上升气流的共同作用,从而产生了该次开原龙卷。地面自动站观测温度分布表明,开原龙卷超级单体的冷池与环境大气温度差异在2~4℃时有利于龙卷形成,而当对流风暴的强下沉气流使冷池温差加大到7℃时,不利于近地面垂直涡度维持,导致龙卷消亡。     

2017年5月14日合肥地区雷暴大风过程机理分析

利用地面、探空、机场自动观测、多普勒雷达等资料,以多普勒雷达数据产品为重点,对合肥机场及周边地区一次雷暴大风的成因进行了分析。结果表明：机场西北部两个对流风暴在3—6 km高度层合并,5 km高度处形成强反射率因子核,强反射率因子核高度10 min内迅速下降4 km,风暴内下沉气流在地面形成强冷池,强冷池的快速移动导致机场大风形成。下沉气流产生的初始原因是降水粒子的下降拖曳作用;吸入作用、水成物与环境间的负浮力增大、动量下传、补偿性气流的作用是下沉气流产生的重要原因。机场西南部的大风带由雷暴出流边界过境造成,出流边界破坏了边界层结构导致超折射现象的消失。风暴后部持续的冷空气补充和风暴前部源源不断的上升气流维持稳定的垂直环流,持续的下沉补偿气流导致机场东部大风的长时间维持。     

草原垦荒行星边界层的数值研究

本文主要用修改的Nickerson等(1986)提出的中尺度模式,研究了在我国北方(49°19′N,119°55′E)草原开垦地所形成的行星边界层。其基本结果是:1)正午开垦地的“热岛”强度达4—6℃。下垫面的热力扰动可达700m高度,而对流扰动可达行星边界层顶,对流速度为1-2cm·s~(-1);2)一旦草原被大范围开垦,其边界层气候就会朝干热方向演变;3)灌溉可以减轻开垦地的“热岛”强度和旱情,但不能阻止气候的干热化过程,4)行星边界层内局地环流的方向在一昼夜内保持不变,即低层150—200m高度以下的气流由草原吹向开垦地,风速达2m·s~(-1)左右,上层为返回气流,速度略小于下层。草原上的湿气流在水平方向伸入开垦地可达30-50km。     

一次雹暴过程中对流系统演变特征的模拟分析

利用区域高分辨率数值模式WRF对2015年4月28日冷涡背景下发生在苏皖地区的冰雹过程进行模拟,并结合地面加密自动站、多普勒天气雷达等观测资料讨论了此次过程中对流系统结构演变特征及影响其组织发展的可能机制。结果表明:导致冰雹的对流系统在发展、传播及组织过程中与中尺度重力波相联系,重力波源于地面中尺度低压附近的初始对流的强烈发展,在条件性不稳定和较强的垂直风切变环境中传播,激发并组织形成一列波状结构的对流风暴,这列风暴动力结构高度组织化,上升-下沉气流相间排列,每个风暴内伴有强盛的上升气流,位于风暴后侧的下沉气流至地面后在风暴低层前后两侧各形成一支次级环流,将这列风暴单体有序地组织成波状对流带,对流风暴与重力波通过wave-CISK机制相互促进与发展,导致苏皖北部出现冰雹带。随着大气层结不稳定进一步发展,重力波的传播环境不再适宜,对流风暴列发展不平衡,波列前端的风暴单体加强,后部的风暴减弱,波列状结构特征逐渐改变。     

合肥机场一次低空风切变机理分析

应用地面、探空、机场自动观测、NCEP再分析资料、多普勒雷达等资料,重点分析了多普勒雷达数据产品,探讨了机场低空风切变形成原因。结果表明:(1)机场低空风切变的主要原因是γ中尺度对流单体底部的紊乱气流造成,此对流单体由北阵风锋与地面中尺度辐合线交汇诱发生成,多个γ中尺度对流单体迅速消亡后产生的下沉气流加强了地面中尺度辐合线,阵风锋和辐合线引起机场低空风切变的产生;(2)风切变过程发生前,皖北地区为不稳定大气层结,925hPa的风场辐合为强对流天气提供触发机制,流经黄海的偏东气流为低层带来充足水汽,皖北强对流风暴的发展和消亡是北阵风锋发生的根本原因;(3)风暴后侧中层干冷空气的侵入阻碍了风暴前沿上升的暖湿气流,促进了风暴内部冷空气的下沉和垂直动量交换,增强了近地层出流强度,两次强反射率因子核高度的迅速下降是北阵风锋发生的直接原因。     

前倾槽背景下河套地区一次强冰雹天气成因分析

利用常规观测资料、多普勒雷达资料以及NECP(1°×1°)逐6 h再分析资料,对2016年9月22日内蒙古河套地区强冰雹天气成因进行分析,结果表明:在前倾槽有利的天气尺度环流背景下,中高层干冷空气叠加在低层暖湿空气上形成了对流不稳定层结条件。较大的对流有效位能(CAPE)、假相当位温θse高能区、0～6 km中等强度的垂直风切变有利于强冰雹的形成。反射率因子有"钩状回波"、前侧入流缺口、后侧入流缺口;前侧入流缺口表明有上升气流,强盛的上升气流有利于空中大冰雹的增长,后侧入流缺口表明有下沉气流,有可能引起破坏性大风。基本径向速度剖面有明显的中气旋特征,强烈的辐合有利于对流风暴上升运动的进一步发展;对流风暴后侧有辐散下沉气流降落到地面,辐散风出流促使对流风暴前沿的暖湿气流强迫抬升,从而使上升运动得到进一步的加强。反射率因子剖面有弱回波区、回波悬垂且55 dBZ以上的强回波核心位置超过-20℃层等温线高度以上;弱回波区左侧的回波强度高达55～60 dBZ且已经接地,表明有大冰雹降落到地面。     

热带一次致灾龙卷形成物理过程研究

2016年6月5日海南出现了一个弱风垂直切变背景下的EF2级致灾龙卷。利用海口多普勒天气雷达观测资料、10 min间隔的地面自动气象站观测资料以及风廓线资料,研究了该龙卷风暴的结构、龙卷风暴与龙卷形成的可能物理过程。初始风暴在文昌附近向西传播,而同时海口风暴亦由海风锋触发并向东移动,两风暴下沉气流导致的出流相遇在海风锋辐合线上,触发了龙卷母云体。龙卷初始涡旋在低层两风暴出流相遇的切变辐合线上形成,当初始涡旋与其上方深厚且强烈的上升气流叠置时,拉伸作用加强了垂直涡度,使得龙卷形成。深厚的强上升气流有3个来源:对流风暴的出流边界相遇形成的辐合抬升,环境正浮力造成的对流单体内强上升气流,还可能与中高层强中气旋强迫的扰动低压有关。龙卷形成过程中,中高层强中气旋位于6—9 km高空并向上发展,龙卷初始涡旋先于龙卷母云体出现且比一般微气旋尺度大,伸展至更高的高度,属于非典型中气旋龙卷（或非典型超级单体龙卷）。此次热带强龙卷出现在弱的大尺度系统强迫的天气背景下,水平风垂直切变弱,海风锋、出流边界等边界层β中尺度辐合线边界在龙卷形成过程中可能起决定性作用。      

长生命期飑线的环境条件：涡度与动量

1.引言经典的飑线模型把飑线看成为与风切变垂直,排列成带状的由对流性上升和下沉气流形成的系统(Ludlam,1963).一般地理解,飑线的演变结果取决于上升气流的倾斜方向.压向垂直风切变的倾斜(逆切变倾斜)上升气流,把降水倾泻到下沉气流区,由于蒸发增强了地表冷空气堆;另一方面,顺切变倾斜的上升气流把雨水直接注入低层流入气