沙尘暴个例的热力动力结构分析

运用Micaps常规气象观测资料,结合天气动力学分析方法,从沙尘暴发生发展的动力、热力角度,对2011年4月29—30日发生在巴彦淖尔市沙尘暴天气个例深入分析,结果表明:沙尘暴发生前,近地层气温较高,200h Pa附近有超低温,垂直温度梯度增大,对流旺盛。高空急流入口左侧辐合下沉运动形成逆温层,有利于不稳定能量在底层积累。500 h Pa以下高度相对湿度由底层到高层迅速增大,500 h Pa高度以上相对湿度呈减小趋势。饱和假相当位温曲线在600 h Pa以下与温度轴成钝角,饱和假相当位温曲线和假相当位温曲线距离较远,表明600 h Pa以下大气层结呈不稳定结构,且近地层到高空水汽含量较小,不稳定结构为沙尘暴发生提供了有利条件。200 h Pa附近,位温、假相当位温、饱和假相当位温三条曲线一致向左倾斜又向右倾,表现明显的超低温,假相当位温曲线上低层偏南风,高层西风、西北风,整个对流层大气表现顺滚流。700—850 h Pa高空槽前有一致的暖平流,槽后有一致的冷平流,暖区的上升运动和冷区的下沉运动得到发展,形成明显的对流运动,由冷区的下沉运动、低层由冷区指向暖区的水平运动和暖区的上升运动构成了一个垂直方向上的次级环流,次级环流的下沉支处于高空急流轴入口区的左侧下方,进一步把高空急流的动量传递到地面,次级环流在低层由冷区指向暖区的水平运动加大地面风速,致使风力增大,为此次沙尘暴提供了动力条件。     

民勤一次沙尘暴的观测分析

给出了2004年5月23~24日民勤站爆发沙尘暴前后以及沙尘暴内部的温度、比湿和风速垂直廓线,分析了沙尘暴发生前后及沙尘暴期间高空气象要素的演变特征,同时对大气的热力、动力稳定度参数进行了计算和分析。结果表明:沙尘暴来临前边界层内具有深厚的混合层,大气层结处于不稳定状态,温、湿结构及风的垂直分布有利于沙尘暴的发生、发展;沙尘暴发生期,出现了稳定与不稳定层相间的情形,对流减弱,抑制了沙尘暴的发展;沙尘暴天气结束后中低层大气湿度增加显著;沙尘暴的强度与相对风暴螺旋度具有良好的对应关系。     

河西走廊一次强沙尘暴天气的螺旋度诊断

应用NCEP再分析资料计算了螺旋度,通过总螺旋度、螺旋度的水平和垂直分布特征对河西走廊一次区域性强沙尘暴天气进行了诊断分析。结果表明:沙尘区位于总螺旋度负值区或零线附近;沙尘暴爆发区水平螺旋度高层300 hPa为负螺旋度控制,低层700 hPa为正螺旋度控制;在沙尘暴发生时,高层负螺旋度中心有一个明显增大的过程,沙尘暴爆发区对应高空低层螺旋度强梯度区内;沙尘暴爆发区的垂直螺旋度分布特征是上负下正;螺旋度对沙尘暴爆发区有较好的指示意义。     

河西走廊一次特强沙尘暴的热力动力特征分析

使用NCEP再分析资料、高空和地面观测资料对2010年4月24日发生在河西走廊的一次特强沙尘暴天气进行了热力和动力作用诊断分析。结果表明:沙尘暴发生前,感热通量达最大值,湍流运动增强,增加了大气的不稳定性;大风沙尘暴发展和强盛期与动量通量大值区对应,动量通量对沙尘向上输送起了重要作用;在强锋区附近,地转关系被破坏,大风沙尘暴大气主要出现在变压梯度大,即变压风大的区域,变压风是产生地面强风的主要成分;河西走廊这次沙尘暴过程有明显锋生活动,锋生过程使锋面次级环流加强;水平螺旋度负值中心值越大,近地面层风速越大,大风沙尘暴天气主要出现在水平螺旋度负值中心前方与零值线之间;在河西走廊上空,高空急流沿等熵面穿越等位势高度面下滑到2000gpm,形成偏西风低空急流,低空急流的形成和维持在大风沙尘暴过程中起到关健作用。     

一次强沙尘暴天气过程的z-螺旋度特征分析

利用M ICAPS常规资料和NCEP 1°×1°再分析产品,对2010年3月19—20日陕西榆林市一次强沙尘暴天气的z-螺旋度诊断分析。结果表明:西伯利亚阻高引导脊前冷空气下滑到新疆堆积,新疆横槽东移转竖是这次沙尘暴天气发生的高空引导系统,地面冷锋过境是沙尘暴过程的触发条件,地面强大的冷高压提供了沙尘暴大风天气长时间持续的气压梯度,局地z-螺旋度在沙尘暴的诊断分析中具有较好的特征。沙尘暴发生前在中高层,螺旋度先形成负值区,低空有弱正值区,沙尘暴发生期间,螺旋度变为-(60~80)×1-0 7m/s2的负值中心,螺旋度负值中心的持续时间与沙尘暴持续时间有较好的对应关系。     

塔克拉玛干沙漠一次强沙尘暴的辐射特性及 气象要素分析

应用遥感资料及塔中80 m观测塔探测系统采集的数据,对塔克拉玛干沙漠一次强 沙尘暴过境前后情况进行了监测,并分析了近地层短波辐射特性以及风速、风向、温度、湿度、气 压的演变特征。结果表明：沙尘暴过境前后,总辐射、反射辐射明显降低,且达到峰值的时间滞后, 短波辐射日变化与地面风速日变化相对应,主要受控于湍流作用,沙尘暴不仅严重影响能见度, 而且还严重影响到达地表的太阳辐射,从而影响到天气气候。沙尘暴过境前,地面水平风风向经 历了多次调整,风向调整时,风速减弱,调整之后,风速加大;沙尘暴过境时风速急剧增强,但风向 较为稳定。沙尘暴来临前夕,地面空气干热,处于低压控制之下;而沙尘暴过境时和过境后,地面 空气呈湿冷状态,气压急剧上升,最终处于高压控制之下。整场沙尘暴过程是一个降温增湿增压 的过程。     

一次强沙尘暴天气过程热力动力场数值模拟分析

本文利用GRAPES模式对2006年4月9日-11日大范围强沙尘暴过程进行了热力动力数值模拟分析,结果表明：整个强沙尘暴天气发生过程中,大气基本上呈稳定层结。西路第一阶段强沙尘暴天气爆发时高值位温下凹区明显下传,西路第二阶段强沙尘暴主要爆发在等位温线密集陡峭的弱稳定层结区域里,其次在高值位温下凹东移区。西北路强沙尘暴爆发时等位温线密集陡峭。暖平流是产生西路第一阶段强沙尘暴的重要热力因子。700hPa冷平流对西北路强沙尘暴的贡献最大,冷平流在河西走廊的骤增对预报西北路强沙尘暴爆发有很好的指示意义。     

一次β-中尺度暴风雪的成因及动力热力结构

利用多普勒雷达、地面加密自动站监测资料、常规观测资料、4DVAR雷达风场反演和中尺度数值模式WRF模拟结果,对华北东部一次β-中尺度暴风雪的成因和影响天气系统的热力、动力结构及演变进行了分析。结果表明,(1)造成暴风雪的天气系统是回流形势下的冷锋锢囚锋,其在形成过程、生命史、尺度范围等方面均与温带气旋锢囚锋不同。(2)暴风雪过程分为东路弱冷锋降雪、锢囚降雪、西路强冷锋降雪3个阶段。降雪回波顶高在3～4km,回波强度均在35dBz以下。降雪量集中在锢囚降雪阶段。(3)风廓线(VWP)下层东风层和上层西南风的厚度在降雪各阶段不同,东风急流和西南风急流的变化和配置与降雪量关系密切。锢囚降雪阶段,地面和低层水平风场具有β-中尺度气旋性环流,是造成降雪回波旋转且长时间维持的动力。"人"字状回波的形成是因为风向或风速辐合线的作用。(4)锢囚锋的垂直结构和锢囚过程表明,西路冷锋比东路冷锋陡峭且势力强大,暖湿气团被东西两侧冷锋夹挤、抬升;锢囚时,两侧锋面形成冷式锢囚;锢囚消失时,大风首先在900hPa高度附近出现,进而下传到地面。     

一次强沙尘暴和雪暴天气过程的诊断及模拟分析

利用基本气象资料和T213数值预报产品资料,对发生在内蒙古大部分地区的一次强风、强沙尘暴、强雪暴和强降温天气过程进行了动力诊断和模拟分析。结果表明,强冷空气活动是造成多种灾害的主要动力,高空急流是强风的动量来源,蒙古气旋强烈发展造成的气压梯度风加剧了地面大风和沙尘暴。强烈的冷、暖平流空间配置使大风、沙尘暴和降温更为剧烈。散度场的空间配置有利于沙尘暴、暴风雪的发展。高空西风急流对低空西南急流具有耦合和触发作用,低空西南急流的建立和长距离的水汽输送与辐合,成为内蒙古东部产生暴雪的重要条件,低层东风切变带中的正涡度平流的输送,叠加到了较好的水汽输送及辐合区域,加大了降雪。后期低层西北急流的形成,是产生暴风雪的重要原因。数值模拟结果表明,模拟高压、低压中心位置和强度与实况较为吻合,气旋的气压梯度强度与实况较为接近;冷暖平流在分布区域、输送方向、强中心位置上也与实况具有较相似的特征,但是温度平流模拟的结果在量值上略大于实况。     

2016年山东一次阵风锋触发的强对流天气分析

利用常规观测、区域自动气象站、NCEP/NCAR再分析和雷达回波资料,对2016年6月30日山东一次阵风锋触发的强对流天气进行了分析。结果表明,此次强对流主要发生在高空槽与副热带高压相互作用、山东高低层受一致西南气流影响的环流形势下,阵风锋、地面辐合线和负变压中心所产生的抬升作用及近地面层冷空气的侵入使气温骤降是触发对流的关键因素。低层水汽充沛、湿层厚,属于上干下湿的不稳定层结。强对流发生区域处在假相当位温差（Δθse）和风暴相对螺旋度（storm relative helicity,SRH）的大值中心及其右侧位置。对流有效位能（convective available potential energy,CAPE）、850 hPa与500 hPa之间温差、大风指数、强天气威胁指数等都对此次强对流有较好的指示作用。0 ℃层高度和融化层高度较高是此次过程未出现大冰雹的原因。较强的0～3 km垂直风切变在强对流预报业务中需要注意。此次强对流过程是线状回波带前侧风暴内出现了阵风锋,阵风锋又不断触发雷暴使个别强单体风暴发展加强成为超级单体风暴,具有持续时间较短的中气旋、高悬的强回波、有界弱回波区、风暴顶辐散、窄带回波、径向速度大值区等回波特征。风暴移动速度比风暴承载层平均风速大,缩短了超级单体存在时间。此外,风暴参数与天气的强烈程度密切相关。     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

一次左移反气旋超级单体的观测分析

2006年8月10日在甘肃河西走廊山丹县境内发生了一次左移（反气旋）超级单体灾害性天气,在其2 h生命史期间,山丹县境内降了最大直径2 cm的冰雹。从其发生、发展的天气尺度环境条件、多普勒天气雷达反射率因子、径向速度以及风矢端图、相对风暴螺旋度等角度,揭示了左移超级单体的特征,并利用ID方法对这次左移超级单体的移动路径进行了预报。结果表明：风矢端图上,在1.2~4.5 km高度层,左移超级单体的垂直风切变矢量呈反时针旋转;左移超级单体在发展阶段,0~3 km内相对风暴螺旋度为负值;通过比较,ID方法预报的超级单体位置比现行PUP产品中的SCIT算法绝对误差要小。     

塔克拉玛干沙漠腹地晴天与沙尘暴天气大气边界层对比分析

根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。     

一次典型飑线过程多普勒天气雷达资料分析

利用多普勒天气雷达、卫星等观测资料和WRF模式模拟资料,对2016年6月19日发生在赣鄂皖交界地区一次飑线过程的演变特征和环境热力、动力条件进行分析,结果表明：（1）此次飑线过程由多个对流单体组织合并加强形成,降水云团稳定少动。（2）飑线的发生发展与地面辐合线、冷池密切相关,地面辐合线在飑线初期对对流单体有激发、组织作用,飑后气流引导冷空气下沉,配合水汽蒸发吸热形成地面冷池,而冷池向外辐散的气流与西南环境气流在飑线后部形成地面辐合线,新单体在地面辐合线附近发展,使飑线具有“后向”传播特征。（3）垂直于飑线系统方向的低层风垂直切变有利于飑线强对流组织发展,表现为风暴相对入流对水平涡度的转换作用。（4）风暴相对螺旋度是用来衡量风暴入流强弱以及沿入流方向水平涡度分量的大小,随着飑线的不断发展,正螺旋度的数值逐渐增大,飑线成熟时期达到最大,表明低层环境风状况处于最利于强对流系统和气旋性涡旋发展的时期,而后随着飑线系统的消亡逐渐减小。

     

Power and cross-power spectral studies of electric and meteorological parameters under fair weather conditions in the atmospheric surface layer

The influence of micrometeorological parameters (wind speed, temperature stratification and atmospheric stability) upon electric polar conductivity, potential gradient, vertical total current density and vertical convection current density is studied by means of power spectral and coherence spectral analysis. The analyses show great variations in the atmospheric electric parameters for frequencies corresponding to the diurnal wave (0.042 cph) and in many cases great variances are noted for the frequencies 0.083, 0.125 and 0.17 cph. The influence of the micrometeorological parameters upon atmospheric electricity seems to be significant for these frequencies. Annual changes of the power and coherence spectra are also observed.     

江淮地区龙卷超级单体风暴及其环境参数分析

利用多普勒雷达探测资料和NCEP再分析资料,对2003—2010年发生在江淮地区的6个龙卷超级单体风暴及其环境参数进行了分析。研究表明：（1）龙卷超级单体风暴H_BASE平均为1.7 km,H_TOP平均为9.1 km;H多在风暴的下部,近于下部的1/4处。H_BASE平均值比江淮地区各种超级单体的平均值低得多,H_TOP则略低。（2）龙卷超级单体I_VIL平均为25.6 kg/m²,Z_MX平均为54.8 dBz。和江淮地区超级单体相比,龙卷I_VIL要小得多,而龙卷Z_MX略低。（3）龙卷超级单体的中气旋M_BASE、M_TOP和M_SHR平均值分别为1.2 km、3.9 km和14.4×10^-3s^-1,和江淮地区超级单体相比,龙卷M_BASE、M_TOP明显低,而M_SHR略高。（4）TVS参数最强时的V_AD在12—45 m/s,V_LLD多大于30 m/s,V_MXD多超过30 m/s,V_MXD的高度不低于0.8 km,T_DPT在2.4—6.4 km,T_BASE在0.7—1.5 km,T_TOP在2.3—6.4 km,T_MXSHR超过22×10^-3s^-1。TVS参数最强时间与龙卷实际时间基本吻合,平均相差4.2 min;平均而言,TVS出现后6 min有龙卷发生。（5）雷达推算的龙卷超级单体的0—6 km风垂直切变比江淮地区超级单体的风垂直切变平均值高15.2%;龙卷发生前I_CAPE平均为1752 J/kg,I_K为38℃,850 hPa到地面风切变平均超过12 m/s,850—500 hPa温差平均为23.7℃。龙卷发生前能量处在中等到强的状态,大气不稳定性较强,风垂直切变大。     

XJ-RUCv1.0系统不同边界层方案对地面气象要素预报的影响初探

基于沙漠绿洲戈壁区域同化预报系统（Desert Oasis Gobi Regional Assimilation Forecast System,简称DOGRAFSv1.0）不同边界层方案（YSU,ACM2）对2013年1月和7月的预报结果和实况资料,利用客观检验方法,初步探究不同边界层方案对地面气象要素预报的影响,结果表明：ACM2方案对地面气象要素预报效果总体优于YSU方案,尤其对1月份ACM2方案预报结果优势显著;对于2 m温度,ACM2方案对低温预报偏高的问题有一定改善,但对高温预报偏低的问题有所加重;对于10 m风速,ACM2方案的预报误差明显低于YSU方案;对于降水,ACM2方案在一定程度上改善了1月漏报和空报的问题,但对7月改进不明显,这主要由于ACM2方案在稳定或中性层结下采用的局地闭合算法削弱了边界层顶卷挟和边界层内混合作用,进而抑制了边界层物理过程与对流过程的耦合作用。     

一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析

利用石家庄SA多普勒天气雷达和饶阳X波段双偏振雷达探测资料,结合常规综合观测资料,对2018年6月13日下午发生于太行山东麓的雹云的天气背景、降雹特征、雷达回波演变特征及回波三维立体结构进行了综合分析,重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点的三维风速(流场),并结合回波特征分析了雹云云体结构。结果显示,高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖,槽后冷空气沿偏北气流南下,形成上干冷、下暖湿的不稳定层结,在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气;双多普勒雷达反演风场表明,雹云的中层强回波中心呈明显的"S"形水平流场和悬挂回波配置特征,构成了具有成雹的"0线"结构;不仅佐证了雹云降雹"0线"结构的存在,而且证明其呈现形式具有多样性。     

一次深厚浓雾过程的边界层特征和生消物理机制

2007年12月13-14日,南京出现一次厚度达600 m、持续近14 h的浓雾过程,其中强浓雾阶段维持4 h.通过系留气球边界层探测系统、涡动协方差测量系统、雾滴尺度分布和自动气象站等外场试验资料分析了此次深厚浓雾过程的边界层结构特征和生消物理机制.结果表明,此次雾过程首先由地面辐射冷却形成贴地雾层,而后因低空平流冷却形成低云.在发展阶段,伴随低云不断下伸,贴地雾层不断抬升.在贴地雾层受到地面弱冷空气平流降温影响下,雾中微物理过程迅速发展,雾滴数密度、含水量、平均直径、最大直径等微物理参数在15 min内跃增,雾体爆发性升高,最终导致地面雾和低云上下贯通形成深厚雾层,地面能见度骤降至15 m以下.雾体爆发性增强时,地面垂直动量通量和向下长波辐射通量密度增大,净辐射趋于零.整个雾过程中,由于贴地层持续弱冷平流降温和上层雾阻碍了下层雾的辐射降温,二者的共同作用使贴地强逆温结构始终维持.