飑线结构和强度对低层湿度和环境垂直风切变的敏感性研究

利用数值模式WRF进行二维飑线理想数值试验。通过改变初始场低层湿度和低层环境垂直风切变探讨了初始环境场对飑线在触发阶段与发展初期结构和强度的影响。低层湿度试验表明,增加低层湿度有利于初始启动阶段对流的发生从而使对流系统强度更强;飑线强度增加,对流上升运动增强,更有利于冷池前沿激发出新生对流单体,系统发展更快;同时激发更多降水,冷池强度增强。低层环境垂直风切变试验表明,在飑线触发阶段,更强的环境垂直风切变使对流主体前倾趋势更大,对对流的触发有阻碍作用;冷池和环境垂直风切变的相互作用被认为是飑线发展的重要机制,基于RKW理论,在飑线发展初期,近地面冷池相对较弱,在更弱的环境垂直风切变作用下更容易使对流结构呈直立状态从而产生更强和更深的上升运动,飑线强度增强。     

低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分同化技术,通过对6部新一代多普勒天气雷达观测资料进行快速更新循环同化和云尺度数值模拟,初步分析了2009年7月23日发生在华北地区的一次飑线过程的低层动力和热动力影响机制。结果表明,这次飑线过程处在低层中等强度切变的环境条件下,低层环境垂直风切变和冷池相互作用是本次飑线过程维持发展和传播的关键机制。在飑线发展的初期,低层垂直风切变较强,但冷池偏弱,冷池传播速度(C)和垂直于飑线的低层切变分量(ΔU)的比值C/ΔU<1,飑线回波前倾。而此时环境热力条件(对流有效位能较高和自由对流高度较低)对飑线的发展加强起到了积极作用,克服了这种低层切变和冷池不平衡所形成的不利条件。在飑线的加强和成熟阶段,由于对流降水使冷空气不断下沉,从而导致冷池快速加强,使低层切变和冷池强度逐渐达到近似平衡状态(C/ΔU≈1),低层大气处于最强的垂直抬升状态,飑线发展最为强盛,飑线回波直立。随着时间的推移,降水累积效应导致冷池强度明显大于低层切变强度(C/ΔU>1),不利的形势导致飑线逐渐趋于消散,飑线回波明显变宽、后倾,回波顶高显著下降。对模拟结果的定性分析和定量计算均表明,影响这次飑线过程发展维持的低层垂直风切变和冷池相互作用机制与Rotunno和Weisman等用来解释飑线发展演变的RKW理论一致。另外,模拟结果显示,低层0—3km风切变对飑线的发展维持最为重要,但是0—6km的中层风切变也有正面作用,特别是在飑线发展旺盛阶段,应该考虑其影响。     

华南一次飑线升尺度增长过程的机制分析

利用中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量0.1°×0.1°网格数据集、1°×1°NCEP再分析气象资料、常规观测资料和高分辨率的WRF数值模拟资料对2016年4月13日前后发生在华南的一次飑线升尺度增长过程进行了动力和热力环境条件分析。飑线形成前,对流层高层有急流,华南位于急流入口区右侧,有利于高空辐散。高空有弱槽存在,并且温度槽落后于高度槽,有利于槽发展。近地面上有低压系统控制,并且有风场的辐合,加强了抬升运动。模拟的结果表明:WRF模式成功模拟了此次飑线升尺度过程,飑线的降水量和落区较为接近实况。与以往的飑线过程相比,此次飑线过程中,升尺度阶段有效位能较初始对流阶段要高,但是整个华南地区对流有效位能始终处于中低水平。除了天气尺度系统的影响,多种中尺条件的配合对这次飑线升尺度发展很有利。低层的垂直风切变、低位涡和较高温度递减率是触发条件,提供了一定的不稳定条件和抬升条件。低层风场转向加强,垂直风切变的方向改变,充足的水汽供应和后部入流的加深加剧了不稳定和垂直抬升运动,是促进β中尺度飑线升尺度的重要条件。冷池在升尺度阶段不明显,但冷池对维持成熟阶段的α中尺度飑线结构很重要。     

边界层辐合线发展成飑线的数值试验

利用高分辨率η坐标模式，以一个实际飑线个例的常规资料为初值，通过嵌入一定强度的边界中层尺度辐合线，进行了边界层辐合线型飑线激发的数值试验，结果表明，飑线实例的大尺度环境场提供了累积的有效浮力能，小尺度积云对流则通过对流翻腾提供高层水汽凝结潜热加热和低层降温冷却，而中尺度幅合线通过提供带状辐合上升运动，起着胚胎和组织积云对流的作用，这样大、中、小三种尺度相互作用导致了边界层中尺度辐合线发展成为飑线。     

我国飑线发生条件研究

利用常规观测、地面自动站加密观测资料、NCEP（0.25°×0.25°）再分析资料以及多普勒雷达资料等,对2016年9月24日发生在内蒙古东南部一次致灾飑线天气过程进行分析。结果表明：（1）中高层干冷空气扩散东南下与低层西南急流的辐合急剧加强为强飑线提供了非常有利的大尺度环流背景;（2）对流有效位能（CAPE）在强对流爆发前有明显跃升;假相当位温（θ_se）中低层分布呈显著的倒漏斗状,而且随高度增高递减率明显增大,这种上干下湿的层结有利于雷暴大风和冰雹等强对流天气产生;（3）地面中尺度露点锋（干线）和中尺度辐合线长时间维持、耦合并加强成为这次强对流天气的直接触发和维持机制;飑线后部一直维持雷暴高压,表明有地面大风存在;（4）雷达回波伴有弓形回波特征,低层呈现有界弱回波区（BWER）,中高层有明显的回波悬垂,50~55 dBz强回波区延伸到7.5 km,表明对流风暴内有强烈的上升气流,有利于短时强降水和大冰雹的形成;（5）弓形回波径向速度剖面图上存在中层径向辐合（MARC）。

     

几种滤波器对地面飑线场的中尺度滤波试验

本文用Ｂａｒｎｅｓ带通滤波法，二十五点格式滤波法，对含有地面幅合线和飑线的地面加密观测资料和客观分析资料进行了中尺度滤波试验，结果表明，三种滤波器的作用结果都胡有效突出地面辐合线和飑线的中尺度特征，其中Ｂａｒｎｅｓ法的性能和结果较理想，二十五点法和高阶高通法各有特点。     

昆明机场一次飑线过程分析

对2003年8月7日发生在昆明机场的一次飑线个例进行分析,雷达图像显示,这个飑线由两个短带回波合并而成,其对应的出流边界发展出新的对流风暴;低层水汽和能量的聚集形成了对流不稳定区,高层的干冷空气入侵加大了对流不稳定度,触发机制除了东风波外,低层的垂直风切变起到了关键作用.     

不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响

为研究不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,对2009年6月5日发生在上海的一次飑线过程分别进行了3、1、0.5 km水平分辨率和一、二阶矩微物理方案的理想试验。结果表明,模式水平分辨率和微物理方案对模拟飑线阵风锋有明显的影响。随模式水平分辨率的提高,模式模拟的飑线弓状回波结构更精细。与3 km分辨率相比,1和0.5 km分辨率模式能很好模拟出飑线后部下沉气流和前部上升气流,模拟的冷池前沿最大风速相对更接近实况。二阶矩微物理方案更能模拟出飑线弓状回波前强后弱的结构特征和飑线过境地面降温幅度,模拟的飑线移动速度、冷池面积和强度、冷池前沿最大风速和雨水蒸发率等均小于一阶矩微物理方案的模拟值。采用1和0.5 km模式水平分辨率及二阶矩微物理方案模式模拟的飑线与WSR-88D多普勒天气雷达探测实况更接近。模式分辨率的提高有利于模拟飑线的维持。对业务数值预报模式模拟飑线阵风锋而言,在计算条件允许的情况下,模式水平分辨率达1 km并采用二阶矩微物理方案可能是需要的。结果还表明,冷池前沿最大风速、冷池强度、模式底层降温幅度、飑线移动速度与雨水蒸发率存在对应的变化趋势,飑线移动速度的变化对飑线阵风锋地面大风的预报有指示意义。改善数值模式对飑线阵风锋预报性能除需关注模式水平分辨率和微物理方案外,还需关注数值模式对雨水蒸发率的模拟能力。     

飑线中动量的产生和再分布

1.引言动量的垂直传输是中尺度对流系统影响大气,并且对系统的大尺度收支做贡献的途径之一.然而,中尺度对流系统不像简单、孤立的对流系统那样只是混合大气中环境场的垂直动量分布.中尺度对流系统中对流的不断再生(有时通过强迫抬升);对流单体相互作用,合并以及出现像飑线一样持久结构的倾向;以及通过加热或冷却的持续性分布     

对流凝结加热对飑线生成和演变的数值实验

本文用一个准二维的10层原始方程中尺度湿模式对飑线的生成和演变进行了数值模拟实验,得到了与实际飑线相一致的结果。实验表明,对流凝结潜热的释放是一类飑线的主要能源。大气低层潮湿十分有利于飑线的生成和发展。     

浙江一次强飑线系统结构特征的数值研究

利用常规观测资料、自动气象站资料、NCEP再分析资料和高分辨率WRF模式,对2016年5月5日发生在浙江地区的一次强飑线过程进行模拟研究。结果表明,切变线是影响此次强飑线过程的主要天气系统,飑线发生在充沛的水汽,较弱的对流有效位能和中等强度垂直风切变大气环境下。WRF模式对此次飑线的演变过程和降水分布有较好的模拟能力。通过进一步分析模拟资料发现,雷暴高压和地面冷池是此次飑线风暴的重要边界层特征,边界层辐合线有利于飑线的发展和维持。飑线后侧对流层中层以下的强下沉气流,是造成此次雷暴大风的关键因素。     

两种垂直风切变条件下飑线过程对比分析

本文应用常规天气图资料、地面加密降水观测资料、探空资料及美国NCEP/NCAR再分析资料,对2010年7月19日山东飑线过程和2011年7月26日河北飑线过程进行了分析研究。结果表明, 两次过程的相同点是：都位于500 hPa高空槽前;两次飑线过程均产生了雷雨大风和短时强降水天气;湿层均较深厚;下沉有效位能均较大。不同点为：2010年7月19日山东飑线过程属于有明显垂直风切变环境中的飑线;对流不稳定能量相对较低。而2011年7月26日河北飑线过程属于风垂直切变相对小的环境中的飑线;对流不稳定能量很大。除了雷雨大风和短时强降水天气之外还产生了冰雹。     

一次飑线过程雷达回波特征及环境条件分析

利用常规资料、NCEP/NCAR再分析资料及多普勒天气雷达资料等,对2014年3月30—31日广东一次飑线过程进行了分析。重点分析了飑线发生的环流背景、环境特征、不稳定条件、垂直风切变等及多普勒雷达回波演变过程。结果表明:(1)此次飑线过程发生在中高纬地区稳定的阻塞形势下,从四川盆地东移的高空槽和低涡切变线是造成广东强对流天气的主要影响系统。(2)低空急流水汽输送、低层强水汽辐合、强低空垂直风切变和上干下湿的水汽垂直分布为飑线的发生、发展提供了必要的热力和动力条件。(3)强盛阶段飑线具有明显的阵风锋和弱回波通道,速度图上飑线北端为强的气旋式切变,南端为弱的反气旋式切变,在"弓形"回波顶点处有强的速度辐合。飑线内部后侧为一支倾斜向下的冷空气入流,前沿是一支沿冷空气爬升的暖空气入流。(4)在"弓形"回波顶部后侧长时间维持着向后倾斜的后侧入流急流RIJ(Rear Inflow Jets),RIJ对"弓形"回波的形成、地面大风和飑线的维持和快速移动具有重要的作用。     

北京地区一次飑线过程的闪电特征及其与水汽条件的关系

利用北京闪电综合探测网(BLNet)的总闪定位和雷达回波资料,分析了2017年8月8日北京地区飑线过程的闪电活动特征,并利用变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)反演结果,分析了闪电分布与水汽通量散度的关系。结果表明：1)此次飑线过程的闪电以云闪为主,地闪以负地闪为主,后期正地闪占地闪的比例升高。2)闪电辐射源主要分布在对流区,沿对流线向后部层云区倾斜分布,层云区亮带附近并无辐射源。3)辐射源主要集中在5—10 km高度,其峰值主要出现在6—7 km高度,并且随着对流系统发展、合并辐射源峰值所在高度有所升高,但在对流系统合并后高度有所下降。闪电频数均在每次对流单体开始合并后的18 min达到峰值。4)闪电主要集中在水汽通量辐合区,且辐合强度值越大,闪电越集中。     

一次罕见飑前强降雹超级单体风暴特征分析

2009年6月5日,受一个飑线前超级单体雷暴的影响,上海部分地区出现了直径25—30mm的冰雹,随后,飑线尾随该超级单体扫过上海,造成大风、雷电和强降水天气。基于常规天气观测、多普勒天气雷达、风廓线仪和自动气象站等资料分析发现,该超级单体发生在东北冷涡西南侧的高空强冷平流与低空暖平流形成的强不稳定层结背景下,超级单体风暴发生、发展在飑线前的暖区中,经过由"热岛效应"和海陆风锋共同形成的低空辐合线时明显加强发展;该风暴呈现出"指"状、"楔"状、弱回波区(WER)等超级单体雷达反射率特征,"指"状回波处出现了中气旋的径向速度特征,具有标志大冰雹的三体散射长钉(TBSS)特征回波,通过三体散射长钉多普勒速度发现了大冰雹的下降区和增长区。分析还表明:东北冷涡西南侧横槽南摆导致中空降温,0℃层和-20℃层高度明显下降,为冰雹的空中增长提供较好的温度环境条件,较低的0℃层也保证冰雹在空中下落中融化较少。双风廓线仪对比观测表明,超级单体发展的低空风场环境中具有较大的垂直风切变和风暴相对螺旋度,中尺度对流系统与环境场的相互作用形成了有利于风暴发展和维持的正反馈机制。飑线前超级单体雷暴与飑线主体关系密切,起到类似"箭"与"弓"的引导作用,飑线主体的一部分进入超级单体所遗留下的"冷"区后明显减弱,东侧入海后也逐渐减弱,其余部分仍在发展加强;最终,强风暴逐渐减弱,超级单体特征也开始消失,飑线与之合并形成新的"人"字型中尺度对流系统,新的"弓"形回波带与原回波带相比移动方向发生右偏,因此,飑前超级单体在飑线主体移动和演变的临近预报中有重要指示意义。     

2015年4月2日江西一次强飑线天气过程分析

在CM1模式动力框架基础上,通过方程推导发现：平流、对流、网格距、湿度梯度、不稳定层结、水汽含量、温度以及沉降作用对强对流天气发生发展的模拟有着直接影响,其中网格距、湿度梯度、不稳定层结主要体现在湍流项中,而温度作用主要体现在水汽相变过程中。使用能激发飑线过程的探空资料进行理想模拟,采用模式数据做尺度分析,得到飑线系统中平流、对流以及沉降作用对水汽变量的影响最大,飑线的出现需要水汽分布和上升气流的配合,水汽相变影响次之,湍流作用相对较小。通过分析水平风场与水汽扰动的变化,证实了平流对飑线过程中水汽输送的重要作用。

     

景德镇地区一次早春飑线天气过程分析及数值模拟

利用常规高空、地面、雷达观测资料和FNL1°×1°再分析资料,应用天气学方法和数值模拟方法对2016年4月3日景德镇地区一次早春飑线天气过程进行了分析。结果表明:高空冷涡低槽引导的冷空气与西南暖湿气流强烈对峙是此次飑线过程的环流背景。高低空急流耦合作用加强了大气的垂直上升运动和锋面的次级环流,造成赣北地区上空大气具备较强的动力不稳定。回波强度超过55 dBz的低质心强对流云体是导致景德镇地区出现5 min降水量达14.3 mm强降水的重要原因。飑线的快速移动和近地面超20 m/s的大风速核可预示下游测站有大风出现。飑线前部辐合明显,上升运动剧烈,有利于强回波的发展。冷池的强度变化、持续时间与此次飑线的维持有关。