利用NCEP 1°×1°分析场资料, 对北京地区2000—2005年夏季和2006年5—6月出现的30个雷暴大风日对流有效位能(
Based on the reanalysis data of NCEP, some average fields from 30 thunderstorm days in Beijing area in summer from 2000 to 2005, such as CAPE, CIN, PWAT, ω, RH and LI, are analyzed to make out characteristics of large-scale environment fields of thunderstorm days. The results show that the CAPE has a rapid increasing process before thunderstorm occurrs, on the other handj the CIN decreases gradually. The co profile also shows that ascent activity occurs in the lower troposphere, while cold air and descent flow in the middle-upper troposphere are beneficial to the enhancement of instability layer. Stronger ascent velocity can touch the tropopause, higher RH area exists on the 600hPa, PWAT reaches its maximum, but LI is the minimum when thunderstorm takes place. By comparing average fields of 46 general storms with that of non-thunderstorms during May to August from 2004 to 2005, PWAT can be used to distinguish between the thunderstorm and general storm. The successful thunderstorm nowcasting could be achieved by analyzing Doppler weather radar reflectivity and radial velocity products.
雷暴大风是指雷暴与大风相伴出现的天气现象,是航空飞行的主要威胁,而华北地区是强对流天气频繁发生的地区之一,夏季容易产生雷暴大风、暴雨、冰雹等突发性强对流天气。
北京2008年第29届夏季奥运会期间正值主汛期,是灾害性天气(包括雷暴大风)的高发期[
关于雷暴大风的预报,气象学者已经做过很多研究,其中廖晓农等[
本文将雷暴大风中大风的标准规定为:雷暴发生前或发生时伴随平均风速≥10m•s-1或瞬时风速(阵风)≥17m•s-1的大风,只要达到其中任何一项标准,即视为一个雷暴大风过程。
本文主要用到了4种资料:制作对流有效位能(
通过对30个雷暴大风过程分析发现,北京地区的雷暴大风绝大多数发生在傍晚到前半夜(17—22时),占83%左右,而又以18—20时时段为甚,有18例之多。上述发生规律和北京的地理位置具有很大关系。北京三面环山,东南为渤海,在这样的地形条件下,当无较强的天气系统影响时,易形成山谷风,即白天吹偏南风,夜晚吹偏北风,受热力和地形共同影响,北京傍晚时易形成雷暴天气。首都机场的气候统计也表明[
对流有效位能(Convective Available Potential Energy, 简称CAPE)是指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分,是风暴潜在强度的一个重要指标,目前在对流天气分析中应用较为广泛。对流抑制能量(Convective Inhibition Energy, 简称CIN)是反映对流发生之前与能量储存相关的参数,客观评分结果(Marban和Stumpf,1998)表明,在各种参数中,对流抑制能量评分较高,大量研究[
北京地区30个雷暴大风日
2000—2006年北京地区雷暴大风日CAPE、CIN等物理量平均场分布特征
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2004—2005年北京地区夏季普通雷暴CAPE、CIN等物理量平均场分布特征
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20(M—2005年北京地区夏季非雷暴日CAPE、CIN等物理量平均场分布特征
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分析
(1) 在雷暴大风当日08—14时,
(2) 在雷暴大风当日14-20时,
(3) 当日20时至次日02时,随着雷暴大风天气的产生和不稳定能量的释放,
(4)
北京地区30个雷暴大风过程垂直速度垂直-时间剖面图
总之,在雷暴大风发生前,
形成对流天气的3个基本条件是不稳定层结、抬升和水汽条件。本文采用对流有效位能、垂直速度(
北京地区30个雷暴大风过程相对 湿度垂直-时间剖面图
从
由以上分析可以看出,在雷暴大风发生前,大尺度环境场的低层一般为上升运动,中层为干冷下沉气流控制,20时前后,是垂直运动发展最旺盛的时段,大气层中层存在一相对湿度为70%的大值中心,而雷暴大风天气多发生在这个时段内。22时之后,随着不稳定层结的破坏,下沉气流逐渐降低至地面,多数雷暴大风天气过程结束。
由以上分析可以看出,上述物理量相互配合,可以很好地预报雷暴大风潜势,但鉴于对流性天气系统的生命史短,范围小,要想准确、及时地监测到对流天气发生的地点、时间和强度,做好未来2小时内的临近预报工作,仅靠数值产品是远远不够的,必须配合使用雷达、卫星等探测手段。与常规雷达相比,多普勒雷达不仅能像常规天气雷达一样探测回波反射率,而且还能探测径向速度和速度谱宽,它们可以描述中小尺度流场特征,对于灾害性天气警戒,保障飞行安全有重要价值。
由于受雷达资料的限制,仅对2004年以后出现的10个雷暴大风过程多普勒雷达产品进行分析,主要基于反射率回波特征并结合多普勒速度图像特征,将形成北京地区雷暴大风的雷达回波大致分为3种类型,即阵风锋型(有时又称为窄带回波型)、强回波带Ⅰ型(或称为飑线型)和强回波带Ⅱ型(或称为大风核型)
雷达资料来自于首都机场车载雷达(C波段)和北京市气象局雷达(S波段)。
当雷暴成熟期间,由于降水的拖曳及中层干冷空气卷入等原因,在产生的下沉气流与其前方的暖湿空气入流之间会产生阵风锋,有时又称为窄带回波型[
2004年6月14日18时13分PPI
这是产生雷暴大风最常见的一种类型。反射率显示回波形状为一带状或弓形(弓形或钩状回波更强),强度较强,通常在40dBz以上,雷暴大风一般产生在回波带的头部、尾部、弓状回波的凸起部位或缺口处。强回波带Ⅰ型和Ⅱ型的划分标准主要在于多普勒速度图像特征的不同,其中强回波带Ⅰ型多普勒速度图像伴有一条明显的速度辐合带,而强回波带Ⅱ型则没有,仅伴有大风核。强回波带Ⅰ型所造成雷暴大风,其风向大多与回波的来向一致,最大径向速度一般与实际阵风风速相当或略小。
2006年6月24日18时PPI
2006年6月24日18时径向速度
在3种造成北京地区雷暴大风雷达回波类型中,强回波带Ⅱ型预报难度较大。此时,反射率图像显示为混合性降水回波,即在大范围降水回波中夹杂有带状或块状强回波,但速度图像没有辐合带。对于具体测站而言,该类型则表现为先出现连续性降水,之后在降水过程中随着强回波带的影响,再出现雷暴大风。2006年6月12日即为典型的混合性雷暴大风过程,当日降水开始时间为18:20, 降水开始46分钟后(19:06)才出现雷暴大风,风向310°,风速11m•s-1阵风16m•s-1。
2006年6月12日18:35PPI
2006年6月12日18:35径向速度图
通过以上分析,我们认识到:
(1) 在雷暴大风发生之前,
(2) 雷暴大风发生当日的20时,大尺度环境场为较强的上升运动控制,上升运动可达到对流层顶高度附近,与之配合,大气中层(600hPa左右)存在一相对湿度为70%的高值区,其中55%的相对湿度高度可伸展到300hPa,大气可降水量达到最大值,抬升指数最小,雷暴大风天气多发生在17—22时。
(3) 从22时左右开始,随着不稳定层结的破坏,500hPa以下逐渐转为下沉气流控制。通过与2004—2005年5—8月期间46个普通雷暴日和非雷暴日平均场对比分析还发现,大气可降水量对雷暴大风和普通雷暴有很好的指示意义,即普通雷暴要求大气中含有较髙的可降水量,而雷暴大风则较低,上述因子相互配合可以较好地预报雷暴大风潜势。
(4) 认真分析不同类型雷暴大风多普勒雷达回波特征,尤其是多普勒速度图像是做好雷暴大风临近预报的关键。
本文得到了中国气象科学研究院吴宝俊研究员的热心指导,特表示感谢!
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