鲁中地区分类强对流天气环境参量特征分析

将山东中部地区16 a暖季(4-9月)106次伴随瞬时风力不低于8级的强对流个例划分为雷暴大风、冰雹雷暴大风和强降水混合型等3种类型,利用常规探空资料和地面观测资料,通过箱须图的形式分别讨论3种类型对应的一系列关键环境参数的分布特征和预报阈值。进一步,又将上述106次个例中的特强对流个例,包括产生25 m/s以上瞬时大风的特强雷暴大风个例、产生不小于20 mm直径冰雹的特强冰雹个例以及50 mm/h或以上强度的特强短时强降水个例提取出来构成一个子集,讨论其关键环境参数分布特征和预报阈值,并与全部对流个例的相应关键环境参数进行比较。最后,对鲁中地区强对流系统的触发机制进行了简要阐述和讨论。结果表明:(1)雷暴大风型、冰雹雷暴大风型和强降水混合型对应的850和500 hPa温差的最低阈值为25℃; 3种类型对应的地面露点最低阈值分别为13、16和24℃; 相应的大气可降水量最低阈值分别为20、24和32 mm; 相应对流有效位能的最低阈值分别为300、900和1300 J/kg; 相应的0-6 km风垂直切变最低阈值分别为12.0、12.5和8.0 m/s。(2)通过地面露点、大气可降水量以及暖云层厚度等关键参数的分布特征可以将上述3种类型的前两种与第3种类型即强降水混合型进行一定程度的区分,但要通过各个关键参数的分布特征区分前两种强对流天气是困难的。(3)对于伴随冰雹的强对流天气,适宜的融化层高度为3.0-3.9 km; (4)特强雷暴大风、特强冰雹和特强短时强降水等3种特强对流类型与全部强对流个例的3种类型相比,其条件不稳定度明显增大,体现为850和500 hPa温差的增大、水汽条件有所加强、对流有效位能明显增大,3种类型特强对流天气对应的对流有效位能最低阈值分别为1000、1100和2000 J/kg; 相应的0-6 km风垂直切变最低阈值分别为16、12和11 m/s,即特强雷暴大风型和特强短时强降水型的风垂直切变阈值明显增大。上述工作构成了山东中部伴随雷暴大风的强对流天气短时预报的一个基础,结合各类强对流天气发生的气候概率,可以通过决策树或模糊逻辑方法制作成适合于地、市气象台的分类强对流天气短时预报系统。      

中国短时强对流天气的若干环境参数特征分析

利用中国2005-2009年2 000多个国家级气象观测站雨量资料和2002-2011年部分探空站探空资料,研究了中国短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征,通过环境参数特征的对比分析,将上述四种强对流天气加以区分,并对所选取的探空数据和环境参数进行了分类和对比分析,结果表明:(1)通过T-logp图温湿曲线形态、500～700 hPa和850～500 hPa温差、0℃、20℃层和平衡层高度、地面和1.5 km高度的露点温度、1.5 km高度温度露点差、对流有效位能和0～6 km垂直风切变等区分上述四种类型强对流天气的环境背景;(2)纯粹短时强降水天气(包括1、II型)与强冰雹天气、雷暴大风天气环境参数的区别比较显著,前者与后两者相比主要表现在较小的700～500 hPa和850～500 hPa温差,弱的垂直风切变,较高的0℃层、-20℃层和平衡层高度,较大的地面和地面以上1.5 km处的露点温度,其中短时强降水I型(占了纯粹短时强降水的大多数)以其整层较高的相对湿度与其他类型强对流的环境背景差异最为明显;(3)混合型强天气与强冰雹天气、雷暴大风天气在T-logp图温湿曲线形态、对流有效位能及0～6 km垂直风切变诸方面特征相似,表现为对流层中层存在明显干层、较大的对流有效位能和0～6 km垂直风切变,但在相对较高的平衡层高度、较高地面和地面以上1.5 km处露点温度及较小的850～500hPa温差等方面与纯粹短时强降水更为接近.     

北京雷暴大风日环境特征分析

雷暴大风是指由对流活动带来的除龙卷以外的地面灾害性强阵风。根据北京地区21个观测站2000～2007年的观测资料,将出现在该期间的雷暴大风按强阵风出现时降水量的大小划分为干、湿两种类型,探讨了两类雷暴大风日环境大气的热力稳定度条件、环境风垂直分布及演变等特征。结果表明,绝大多数干型雷暴大风产生在对流有效位能较小但对流层中低层环境风垂直切变却比较大的环境中,因此反映热力不稳定性的对流参数在干型雷暴大风的预报中具有一定的局限性,给对流初生的预报带来了一定难度。而湿型雷暴大风则多发生在热力不稳定的条件下。两种类型雷暴大风日环境大气温湿廓线有较大差别是造成热力不稳定性不同的原因之一。因此在预报雷暴大风时,除了环境大气的热力不稳定性外,还应考察环境风垂直切变等因素。下沉气流的热力稳定性和对流层中下层环境风速的演变是判断对流活动能否给地面带来短时强阵风的两个重要因素。下沉对流有效位能（DCAPE）的分析结果表明,多数雷暴大风日临近时刻的下沉对流有效位能大于600 J·kg-1,而且86%的干型个例和59%的湿型个例在地面大风出现前DCAPE呈现增加的趋势,这对雷暴大风特别是干型雷暴大风的潜势预报具有一定的意义。在雷暴大风来临前,抬升凝结高度以下的环境温度直减率明显增加,这种演变趋势也可为临近预报提供有用的信息。此外,风廓线仪观测资料是对常规探空的有效补充。分析表明,有一些雷暴大风的产生与高空水平动量下传有关。在雷暴大风出现前,高空环境风陡增,具有较高数值的等风速线连续下落,在雷暴大风产生时到达地面。有效地使用风廓线仪观测资料,将有利于提高雷暴大风的临近预报和预警水平。       

雷州半岛雷暴大风时空分布与环境参数特征

根据2012—2019年雷州半岛110个自动气象站的资料，统计分析了雷暴大风(风力≥17.2 m/s)的时空分布特征，结果表明：雷州半岛雷暴大风主要发生在3至6月，全年呈双峰型分布，其中5和8月各是1个峰值；具有日强夜弱特征，白天主要发生在午后。雷暴大风主要集中在雷州半岛东部和南部沿海，其中3—6月高值区集中在中北部和南部，7—10月高值区位于南部和东部。雷暴大风关键环境参数中值分别为大气可降水量55.9 mm、对流有效位能2 555.8 J/kg、下沉有效位能689 J/kg、K指数37℃、潜在下冲气流指数1.4,特征表现较为明显；但垂直风切变整体表现偏弱，0～6 km垂直风切变6.7 m/s。雷暴大风天气背景主要可归纳为3类：槽前切变型和副高边缘南风型、东风扰动型，占比分别为54%、24%和21%。对比发现，槽前切变型环境参数整体差异较为明显，其中CAPE、风暴承载层平均风速在3种天气背景下差异更为显著。     

南疆西部两种强对流天气环境参数特征分析

利用南疆西部近20 年暖季（5-9 月）多源气象资料，通过箱线图的形式对冰雹（102 次）和短时强降水（159次），以及上述个例中的特强强对流个例的关键环境参数分布特征和预报阈值进行讨论。结果表明：(1) 850 hPa和500 hPa之间的温差、地面至700 hPa露点温度、大气可降水量和暖云层厚度等关键参数的分布特征可以区分短时强降水和冰雹。短时强降水和冰雹对应参数的最低阈值：850 hPa 和500 hPa 间温差分别为29 ℃、31 ℃、地面至700 hPa露点温度分别为4 ℃和-3 ℃、对流有效位能分别为1152 J·kg-1和1470 J·kg-1、0-6 km垂直风切变分别为4.0 m·s-1和7.0 m·s-1。(2) 强降水暖云层厚度最低阈值为1.2 km。冰雹适宜的融化层高度在3.5~4.3 km；(3) 特强强对流天气主要体现在水汽条件有所加大、对流有效位能的增大、有效抑制的减小和0-6 km垂直风切变的增强。同时，对南疆西部强对流天气短临预报的潜势进行初探，为本地分类强对流天气智能网格预报奠定基础     

基于大气不稳定参数的广东地区雷暴特征分析

利用广东省清远地区2011、2012和2014年6—8月地闪定位资料将每天发生的雷暴情况进行分级,并结合对应的探空资料,计算对流有效位能、沙氏指数、K指数等反映大气稳定性或能量关系的参数,分析其在发生时间和强度不同的雷暴发生前的分布情况。结果表明,沙氏指数、抬升指数、K指数、全总指数、强天气威胁指数和对流有效位能与雷暴强度有一定的相关性,而对流抑制能量、粗理查森数与雷暴强度间没有发现较好的相关性。广东地区雷暴发生前沙氏指数小于0℃,抬升指数小于-2℃,K指数大于30℃,对流有效位能大于500J/kg,更容易产生中强雷暴。广东地区的K指数高于青藏高原地区20℃左右,对流有效位能的平均值高于青藏高原及陕甘宁地区约300J/kg,其余参数分布特点与部分地区相似,进一步反映了广东地区雷暴特征的特殊性,加深了对广东地区雷暴特征的认识。     

咸阳三类强对流天气环境物理量指标研究

利用探空资料对2016—2020年咸阳市暖季（4—9月）雷暴大风、短时强降水和冰雹三类强对流天气发生的环境物理量特征进行分析,提炼强对流天气的关键物理量参数及预报指标。结果表明：（1）咸阳雷暴大风的高发期在4—5月,短时强降水和冰雹的高发期在6—8月,三类天气均主要出现在14—20时。（2）K指数、CAPE值、垂直风切变、0 ℃层高度和-20 ℃层高度均有明显的季节变化,相对高的0 ℃层高度、较厚的暖云层厚度以及相对小的中高层温度露点差可以区别短时强降水和其他两种强对流天气类型。（3）雷暴大风和冰雹发生时中低层一般表现出“上干下湿”的层结特征,雷暴大风的下沉对流有效位能相对较大,应超过120 J/kg。冰雹形成除了考虑较大的对流有效位能和深层垂直风切变外,还需要适宜的0 ℃层高度（39～51 km）。短时强降水要求“整层湿”,即500 hPa和850 hPa的温度露点差均较小,同时暖云层厚度应超过35 km。     

渤海湾海风锋与阵风锋碰撞形成雷暴天气的诊断特征

对2007年8月13日天津多普勒天气雷达(CIN RAD WSR/98D)探测的雷暴天气个例进行分析,结果表明:此次雷暴天气是由渤海湾海风锋与阵风锋碰撞形成的;碰撞后,在海风锋前端、阵风锋前部有新的雷暴单体形成;阵风锋后部的对流回波主体加强,对流回波主体由椭圆状加强为典型的弓状。应用天津36个自动气象站的地面六要素资料和北京850 hPa以上探空资料,组成新的诊断资料,对该个例进行诊断分析,结果表明:雷达探测的海风锋前端具有较强的低层垂直风切变梯度和露点温度梯度大值区,海风锋前沿与0～3 km垂直风切变梯度密集区相对应,且与露点温度梯度变化较快的区域基本吻合;海风锋与阵风锋相互碰撞时,0～3 km垂直风切变在2 h内变化较快,且有明显的增加趋势,CAPE(convective available potential energy,对流有效位能)值在雷暴形成前有较明显增加;随着雷暴天气结束,上述特征随之消失。     

哈尔滨雷暴大风天气分型和特征参数分析

使用MICAPS天气资料和探空资料,对哈尔滨市2016-2020年5-9月产生的雷暴大风天气以500 hPa天气系统为主进行分型,并统计低层影响系统和地面天气系统出现的比率。然后利用NCEP资料计算各个雷暴大风天气发生前的环境参量,并采用百分位数法统计各型发生时的物理量,以25%分位数为阈值给出临界值。结果表明:(1)哈尔滨市雷暴大风天气分为冷涡型、槽前型和西北气流型。(2)850 hPa与500 hPa温度差≥24℃,CAPE值≥310 J/kg,0-6 km垂直风切变≥10 m/s,地面露点温度≥12℃对于哈尔滨市雷暴大风天气有良好的指示意义。(3)槽前型雷暴大风天气的850 hPa与500 hPa温度差最小,西北气流型个例中高CAPE值并不多;水汽条件并不是制约冷涡型雷暴大风天气发生的重要因素。     

北京地区雷暴大风的天气—气候学特征研究

依据北京近郊地区沙河、南苑和西郊3个测站15年(1990~2004年)的观测资料和常规探空资料,对北京地区局地雷暴大风发生的天气、气候特征和日变化特征进行了统计分析。研究从环流形势、探空结构和环境参数特征入手,分析了有利于北京地区产生雷暴大风的不稳定度指数和能量特征,得出在此期间最有利于雷暴大风产生的探空结构为:低层暖湿,中高层有干冷空气,不稳定度较大,风垂直切变较大。还探讨了一些对流参数,如最佳对流有效位能BCAPE、下沉对流有效位能DCAPE、风暴相对螺旋度SREH、大风指数WINDEX、风暴强度指数SSI、深厚对流指数DCI等对北京地区强对流天气发展潜势的指示意义。     

NCEP再分析资料在强对流环境分析中的应用

为考察NCEP再分析资料在我国强对流天气产生环境分析中的适用性,选取2002—2009年多普勒天气雷达识别的60例超级单体风暴个例,对比分析常规探空资料和NCEP再分析资料提取的温、湿、风垂直廓线,结果表明:NCEP再分析资料计算的对流有效位能因对抬升气团湿度敏感而与观测间差异较大,宜用K指数、温度直减率分析大气层结稳定度;因对流层中高层风与探空差异不大,其中500~700 hPa的风与探空近乎一致,因此NCEP再分析资料计算的深层、中层风垂直切变参量可靠性较高;NCEP再分析资料水汽参数与探空资料差异大,特别是在大气边界层,需用观测资料订正;边界层物理量,特别是风向与探空差异显著,因此不宜用NCEP再分析资料讨论雷暴触发问题;平均而言,NCEP再分析资料湿度廓线低层偏干而中层偏湿,925 hPa以上风速偏小,降低了强对流发生概率。     

2021年黑龙江两次超级单体龙卷过程多尺度特征

2021年6月1日和6月9日黑龙江省哈尔滨尚志市及阿城区和齐齐哈尔梅里斯区分别发生双龙卷事件。利用常规气象观测、多普勒天气雷达等资料对比分析二者的多尺度特征。结果表明:两次龙卷均发生在东北冷涡的东南象限，高空急流出口区左侧，中低层偏南气流有利于暖湿气流输送和垂直运动发展。6月1日和6月9日分别以短时强降水和雷暴大风天气为主，6月1日水汽条件、垂直运动、0~1 km高度垂直风切变和抬升凝结高度更有利于产生强龙卷，且中尺度气旋维持时间更长。干线与地面辐合线为中尺度触发机制。雷暴冷池出流与中尺度暖锋形成的伪冷锋有利于龙卷的发展和维持。龙卷出现在地面伪冷锋与干线交界处的湿区一侧，冷池前沿，龙卷母云为超级单体。暖湿气流产生的入流缺口是钩状回波发展的前兆，中等到高强度的中尺度气旋在3 km高度产生并发展，5~10 min后触地，当钩状回波与中尺度气旋同时出现时龙卷产生。     

一次华北暴雨过程中边界层东风活动及作用

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料,针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析,结果表明:对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动,东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果;东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动,同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生,相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用,中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。     

浙北沿海连续3次飑线演变过程的环境条件

利用雷达和地面加密自动气象站、日本气象厅（JMA）区域谱模式（RSM）再分析资料,对2008年7月2日发生在浙北的连续3次飑线过程（其中第3次在近海生成了弓形回波）进行诊断分析。分别探讨3条飑线发展演变情况和对应的各种环境场条件,侧重对比下垫面温度、湿度、风辐合等条件与对流发展演变的关系,尤其是海陆边界对对流新生与加强的作用。从水平、垂直方向分析第3条典型弓形飑线形成过程中单体的发展、减弱、出流、入流、新单体生成、传播等过程。研究发现,在天气背景相似的小范围区域内,气温高、湿度大之处、锋面、辐合线、海岸线附近容易新生单体和加强对流。强对流系统对下垫面也有反馈作用,进而影响对流系统的发展变化:强雷暴单体的下沉气流在近地面形成冷池,其前侧冷空气向外辐散形成阵风锋,迫使锋前暖湿气流在冷池上抬升,在阵风锋附近产生新的对流单体,形成对流系统的传播。强单体经常在海岸线附近生成、加强,尤其是阵风锋与海岸线相交时。     

基于集合预报极端天气预测指数的浙江分类强对流预报模型

利用2016—2021年ECWMF集合预报资料、浙江自动站实况资料等,计算浙江短时强降水、雷暴大风和冰雹等强对流天气相关物理量的极端天气预报指数（EFI：Extreme Forecast Index）,分析EFI分布特征,并构建了分类强对流预报模型。结果表明：强对流天气与物理量的EFI有密切联系,发生短时强降水时,对流有效位能、整层可降水量、850 hPa与500 hPa温差和位温差的EFI较大,而垂直风切变的EFI为负值,因而较小的垂直风切变更有利于出现极端降水;发生雷暴大风和冰雹时,对流有效位能、850 hPa与500 hPa温差和位温差以及850 hPa温度露点差的EFI较大,700 hPa露点温度的EFI为负值,与上层干冷下层暖湿的有利层结条件有关。利用支持向量机多分类方法,将强对流天气相关物理量的EFI作为特征值开展训练,构建的预报模型对于非局地强对流天气有较好的预报效果,其中短时强降水的误判率明显低于雷暴大风。     

黄淮地区触发对流天气的干线特征

利用高空和地面观测、欧洲中期预报中心再分析资料(ERA5)以及卫星云图,统计2010-2019年4-9月我国黄淮地区触发对流天气的干线特征.结果表明:干线主要出现在山东德州附近和豫北周边地区,多呈准西北—东南向和准东北—西南向;长度集中在100～200 km,宽度在50～100 km;多出现在14:00(北京时,下同)...     

对流降水云中大气垂直运动反演及个例试验

为深入认识对流降水云结构及动力特征,基于降水频段调频连续波5520 MHz垂直指向雷达(VPR-CFMCW),使用地面至15 km高度的反射率因子及径向速度,建立对流降水云中大气垂直运动的反演方法,分析对流垂直结构及大气垂直运动随高度分布的演变特征.对在广东龙门测站探测的2019年4月20-22日前汛期4次对流降水进行...     

浙东冬季和夏季两次强雷暴天气过程对比分析

利用多种观测资料,结合NCEP再分析资料,对比分析了浙东冬季和夏季两次强雷暴过程中的各种环境条件,结果表明:以对流有效位能CAPE表达的深厚湿对流潜势条件夏季个例的比冬季的好,二者分别为1148 J·kg~(-1)和490 J·kg~(-1)。冬季个例的动力抬升条件更好:低层到地面受冷锋影响;700、850 h Pa因急流风向风速的不连续而产生较强的辐合;500 h Pa处于长波槽前的上升气流中,最大的垂直速度达1.1 Pa·s~(-1)。两次过程的共同特点是强回波分布与地面θ_(se)高值区和切变线叠加区对应关系比较好,为雷暴系统的临近预报提供了重要线索。地面有冷锋影响时,要考虑冷锋入海后风力加大,地面辐合加强,使对流发展。由海陆不同比热属性造成的海陆之间白天和夜间的不同温差,对白天和夜晚系统入海后的强度变化有不一样的影响。10个浙东冬季雷暴个例天气形势分析结果表明,冬季雷暴的共同特点是都有冷暖空气在浙东强烈交汇,华南到华东中低层有很强的西南急流,850 h Pa最大风速达到20 m·s~(-1)以上。两季雷暴各种对流参数对比分析结果显示,冬季雷暴比较好的预报指标是总指数和垂直风切变,重点关注西南急流的强度、冷锋和850-500 h Pa的对流稳定性及动力抬升条件。     

边界层风廓线雷达对登陆台风观测适用性评估

利用20142019年6个台风合计34组数据,通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比,分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性.初步分析表明:有30组数据完整度高于80％,且平均标准差为3.64m·s-1,平均误差为4.67m·s-1.30组数据中有19组数据的对比结果较好,均呈现风廓线雷达与探空廓...