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[知识普及]《强对流天气预报的一些基本问题》

楼主#
更多 发布于:2017-07-07 20:39
强对流天气预报的一些基本问题.pdf
最新一期《气象》带给我的最大惊喜就是这一篇论文了。显然这一篇论文与最近几年愈演愈烈的强对流灾害有关。虽然干货只有9页,但是信息量做的非常大。这一篇论文可以说是对各类强对流天气的预报技术方法的一个归纳,也许可以代表国内强对流预报的最高水平。同时也对一些预报业务提出了建议,包括制定国内“重大强对流天气”的标准。希望这一篇文章可以代表国内对强对流天气的预报和观测可以成熟到一个新的水准。
[菜鸟到底于2017-07-07 20:42编辑了帖子]
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templerlordtemple...
跟随着记号,往平淡或热闹。
templerlord
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1楼#
发布于:2017-07-08 23:26
我看了这篇文章,正好想到了这两天的的一个想法:最近集中收集低顶系统的资料,突然在想或许超级单体结构不是在风向顺转的强切变环境+高CAPE高抬升指数的不稳定环境中生成的,而是“超级单体结构就是此二者本身的可视化表现”,这样理解或许更直接一些。
具体来说,就是当一个环境适合产生垂直涡度的时候,那么在一定范围内,它会产生从上限到下限的各种尺度的涡度。这种类似湍流的现象会大量出现,但是当这些漩涡互相影响的时候,就会出现抑制和吞并之类的现象。我曾在视频里看到过,在一个适合超级单体发生的环境中,除了高顶系统之外,还有数个低顶系统先后发展,只不过最后被更大的系统所抑制、整合。整个过程就像是在一般对流发展过程中,有数个浓积云此起彼伏一样。其中有一些系统小得不仅不适合称为超级单体,就连称为雷暴单体都不太合适,因为它根本就不打雷。但是它又有超级单体的特征结构——因此我认为,超级单体的特征结构,就是在相应切变环境下发生抬升的一个必然结果。


图片:10May02_FortScott_KS_1360.jpg



例图:甚至不太能算作风暴的极其微小的对流结构。这两个小东西的对流柱强烈旋转,其外形和各部分特征结构都符合超级单体特征,只能在数值强度和灾害性方面加以区分。这样细小的特征结构,在雷达上很可能根本就无法分辨出来;但在实地观测中,类似的现象并不难见到,虽然多数情况下没有图中这么极端罢了。

这就意味着,在提前预报的时候,背景条件应引起的警惕性或许要高于对现有风暴发展的关注。包括台风螺旋雨带中的低顶系统引起龙卷风,以及和飑线中气旋相关的非超级单体龙卷,或许不在最典型的特征结构下出现,但肯定是在符合背景条件的情况下出现的。本文把龙卷风生成的条件归纳成了较简单的数值判断,这是这是一个重要的进步。事实上,对于在什么地方产生什么样的超级单体、超级单体平均寿命是多少,应该也是可以通过背景条件换算出来的。虽然不可能做到100%的准确,但大致上是可以作为参考的。这就好比我们在浴缸里排水的时候,虽然不能100%预测水涡的形状,但只要我们知道排水口的位置和大小,就能对水涡的形态和发展趋势有大致的了解。超级单体由于其苛刻的生成条件,它很可能不像一般对流风暴一样是开水锅里的泡泡,而是更接近浴缸里的水涡,只要我们了解浴缸,我们就能了解到它。正因为如此,本文大量探讨背景条件,尤其是数值化的背景条件在强对流预报中的应用,并指出现有参考值的不完善之处,实在是难得的资料。只要向这个方向深挖,在强对流研究和预报领域想必能够取得更大的进展。


以上是一个业余气象爱好者自己的想法,如果有错误还欢迎大家指正。
我算发现了,就算华北变成潮显半岛,天津市区肯定也是那个旱城
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2楼#
发布于:2017-08-30 18:56
最近快进入强对流淡季了,没事看了下楼主发的论文,才发现干货真的很多。以下是个人的见解
文章很明显提到了对CAPE的看法以及CAPE适用性优与劣,作为曾经一个刚入门强对流只对少数指数参量如CAPE(对流有效位能)了解的我,曾经认为CAPE就代表了强对流天气的发生浅势和大气的不稳定度,却没有考虑过如文章所说的CAPE的适用范围,今年夏季的时候我曾经碰到过很多次CAPE接近3000甚至超过3000的例子下,对流发展却十分疲软甚至没有(在副高592hpa的位势控制下,一些局地地形辐合产生的热对流系统顶高甚至不足4000m,而从地面观察云体也十分松散),也曾有人问过我关于CAPE和对流触发的问题。目前CAPE有很多分支(具体算法不便说了,因为很复杂),BCAPE(抬升对流有效位能),DCAPE(下沉对流有效位能),MU/MLCAPE(整层最优对流有效位能),SBCAPE(地面抬升对流有效位能)。可在实际预报中考量最多的还是CAPE和MU/MLCAPE,与此相同的还有CIN(对流抑制能量),由于两者在算法上都相当依赖气团的湿度和温度(取决于气团上升时是以什么绝热方式),而如果在大气不稳定层混合度相当高的某些区域(T-Inp图上常可见有露点曲线多次弯曲靠近层结曲线的特征),或者在一些不太常见的大气环境或者边界层下(热带气旋前缘,大型锋面系统等),两者的预报效果几乎是要打对折的,在这一点上预报就会出大错(低顶超单发生在浅薄环境和边界层中,而在某些高压控制强盛的区域,近地面层结非常不稳定然而对流却无法发展)
同样的问题也出现在露点身上,露点通俗来讲就是反应大气的含水量多少,通常认知含水量越高,降水概率越高,然而有些强单体(如低顶单体和LP超级单体中),降水量非常少,或者是降雹量很大,而如果这种单体一旦出现在我前面说的高CAPE高CIN或者某些高压控制强盛的区域恰被一些700hpa以下的浅槽和切变线影响时,短时内极快的风向转换会导致对流突然的集中爆发,即使在相当干燥的情况下,这种事件往往也会导致灾害性的天气发生,相同情况也可以参考山地地形,背风波以及其他地形波的抬升作用对激发对流的影响
再进一步深究,论文有提到了一个概念叫SRH(风暴相对螺旋度),这个数值常常被用于参考一些大规模龙卷风或强对流爆发的浅势预报中,SRH最基本的原理就是基于垂直风切变对于水平涡度的影响(当然需要考虑上升气流的强弱),但是同样在地形波(背风波)的影响下,又或者是极强的风切变中,如果上升气流无法达到触发超级单体的阈值,那么发展的对流很快就会被切离或者消散,而即使达到阈值了,正常超级单体的发展也会进一步被抑制或者发展成如T君所说的低顶系统和风暴不断分裂的情况,显然这点对于龙卷风和强中气旋的出现来说是相当不利的。而如果在高空急流或者高空的垂直风切变很强的情况下,往往垂直风切变的作用不是提供使风暴的上升气流涡度顺转的角动量而是对风暴的顶层产生抽吸和散热的作用,使风暴产生强烈的STD(风暴顶幅散),这种条件下往往对流单体的回波质心会发展的很高,成为脉冲风暴而非典型的超级单体。
文中还提到了F2/EF2及以上强龙卷风中母风暴的下沉气流偏弱,尽管这是通过大数据得来的,但是我并不认同,因为龙卷风几乎所有的动量都来自于RFD(后缘下沉气流),如果下沉气流偏弱,那么龙卷风也将偏弱,进一步极端化来讲,上升气流偏强而下沉气流偏弱的形态更容易让人想起一种风暴:LP超级单体,这和典型的龙卷风型超级单体又是一种背道而驰的概念。而在中国的一些案例中,又会出现一些F2/EF2及以上的非中气旋性龙卷风,这些龙卷风是在辐合边界层的切变不稳定环境下生成,主要机制是通过积云的上升运动对由水平切变造成的环境垂直涡度拉升,从低层向上发展,由于非中气旋性龙卷风的案例在国外偏少而国内却几乎与中气旋性龙卷风持平,而非中气旋性风暴的顶高和回波质心可以非常低,一些特征也不符合人们对于单体的普遍认知,这些在预报上面都是不小的难关
我接下来介绍的就是一次完全没有预报给出的LP超级单体的发展
首先介绍一下大尺度下的环境
2017年8月19日早上8点,上海位于700hpa槽前,500hpa副高588线西北侧,早上8点风场来看,全市盛行西南风,与槽前以及副高西北侧的低空西南急流符合,此时低空西南急流仍在长江以北,江苏北部山东南部地区有多个受槽前正涡度平流抬升以及在良好的急流动力条件下形成的MCS(中尺度复合对流体),其中的数个单体系统快速发展并在单体出现40-50分后合并为较稳定的弓状回波结构,受副高外围下沉影响,上海早上天气晴好,升温迅速,徐家汇测站于13:13达到37度高温
早上8点和晚上20点的58362站探空图来看,CAPE较强,达到了2638J/KG,露点曲线在850hpa和500hpA层面上大幅度远离层结曲线向外凸起,呈现典型的“喇叭口”结构,暗示着近中层和中层分别都有不同程度的干空气渗透,根据条件来看应该是槽前暖正涡度平流在向南扩散的过程中逐渐绝热升温以及和副高的干空气叠加的缘故,副高稳定控制范围在500hpa以上,可以看到风向的顺转。EA接近14516gpm,意味着自由对流高度较高,对流一旦触发可以充分发展,同时低层CIN较大,也与副高外围的下沉气流有一定关联,但同时也起到了储存热能并且热能转化为上升动能充分时间的作用。抬升凝结高度LCL(950hpa)处于较为适中的位置,而对流凝结高度LFC处于中位偏高的水准(854hpa),0度层为678hpa,处于适中位置,如果上升运动猛烈则有可能出现冰雹天气。

图片:1.jpg

图片:2.png



利用GRAPES-MESO中尺度数值可以看到,上海地区晚间20时中低空垂直风切变预报接近10m/s,为弱-中等强度的垂直风切变,由于条件良好,足以支持强雷暴,脉冲风暴,多单体风暴甚至超级单体风暴的发展。GFS对下午14时的CAPE预报仍然为2600J/KG,而NMC则认为接近2000J/KG,两个数值在临近化不稳定条件上面没有太大分歧

图片:QQ图片20170830182910.png


图片:QQ图片20170830182922.png

图片:QQ图片20170816085732.png



本地模式WRF对于近地面的风速和500hpa风速预测都可以清晰看到长三角位于正在下探的槽底,10m左右以10-13m/s左右的东南风而500hpa左右则盛行较弱的偏东风,这与实况基本相符,表面随着槽底的靠近垂直风切变在进一步增大, 值得一提的是由于提供的图片两个层面相距很远,所以很难说在850或者700hpa槽线或者槽所对应的切变线附近是否存在更强的风切递减/递增的情况,根据20时实时天气分析图来看,700hpa层面上西南急流已经随着槽底下探而南伸,暗示着到了晚间动力条件将进一步转化。而SRH预报则认为上海地区的相对螺旋度处在较低的水平,结合上述情况来看,傍晚到晚间发生强雷雨系统的概率较大,而超级单体风暴出现的概率则较小

图片:QQ图片20170816085556.png




图片:QQ图片20170830183041.jpg

图片:QQ图片20170830182947.jpg

图片:QQ图片20170830183006.png

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发布于:2017-08-30 21:57
当天14时NMC对于长三角地区雷暴天气的概率分布预报

图片:QQ图片20170830185552.jpg


在下午15:30分前后,市区东北部和长江沿岸地区开始有孤立对流系统发展,对流徘徊少动,其原因有可能是因为仍受到副高外围下沉气流的控制,热对流在出现之后迅速发展为雷暴系统,并沿着副高西北侧的西南气流向下风向也就是西南发展。出现雷暴的同时可以注意到近地面的气层比湿进一步加大且转为偏东风,与高层的南-西南-西风形成典型的垂直风切变,进一步加强雷暴的发展

图片:QQ图片20170830183017.png


结合14:20分浦东凌桥的风廓线雷达(位于雷暴出现地附近)可以看到,低层已经明显转为一致的东风,风向转变时间从12:20-13:20只有一个小时的时间,此时正好是海陆锋向内陆推进的时候,海陆锋进一步推进到市区以后,陆上西风已经完全转变为海上东风,垂直风切变位于地面高空600-900m处,属于低空范围。

图片:QQ图片20170830185531.jpg



结合预报来看,晚间随着槽底的进一步下探和副高的东退,海上东风的范围还将继续增强变大

图片:QQ图片20170830213616.png



根据16:27的雷达回波图可以发现,因为良好的条件,雷暴在原地不但没有减弱,而且还有增强趋势,南通-盐城地区已经有强烈对流云团和弓状飑线发展,弓状回波可以作为一个中尺度的动力源激发对流发展,这也正是19日夜间上海东北部强对流的出现原因

图片:QQ图片20170830185603.png

图片:QQ图片20170830185704.jpg



结合露点以及比湿的实时监测来看,由于受到副高的控制,上海-苏州-杭州一直到江南南部地区都有明显的比湿梯度,也叫露点锋或者干线,这将作为一个明显的触发源导致后期的LP超级单体的发展

图片:QQ图片20170830214124.png



17:05的青浦强天气探测雷达图可以看出,随着雷暴的进一步发展,地面已经有自动站观测到了暴雨和强雷暴天气,强降水区域主要分为两块,一块集中在横沙岛长兴岛区域,而另外一个则在市区东北部-长江沿岸发展,此外可以看到此时有两条显著的弱回波窄带向西北和东北两个方向扩散,这两条窄带分别代表了位于长兴岛横沙岛以及市区东北部的两个对流系统的外流边界。曾有论文指出在明显的深层垂直风切变环境下,雷暴系统的平流与传播大小近乎相当,方向相反,雷暴母体通常会停滞不动,即便此时700hPa以上高空风速较大,但不断有雷暴在原有对流系统西侧生成,同时风暴承载平均风矢量与传播矢量方向相反、风暴承载均风矢量略小于传播方向的矢量,便使得对流云团向西侧缓慢转播,同样的情况也出现在今年的7.05强对流天气过程中,证明深厚的垂直风切变对这类系统的外流边界的扩散有着指示性的作用,也说明了此时低空垂直风切变已经达到了一定可以促进强单体发展甚至出现旋转的水平。
外流边界是象征着冷而湿润/干燥(取决于绝热直减率)与深厚的暖性干燥/湿润气团碰撞的结果,外流边界作为一股近地面快速扩散的冷性空气,遇到暖气团后会将其强迫抬升从而触发对流活动,显然这次过程也不例外,在外流边界扩散的过程中,雷暴下风向的对流开始进一步发展,此时我位于雷暴的边界,正好观察到猛烈的上升运动

图片:991.jpg

图片:992.jpg


图片:993.jpg

图片:994.jpg



由于缺乏比较详细的雷达资料,我只能以肉眼看到的记录下强雷暴的发展过程

图片:996.jpg

图片:997.jpg

图片:998.jpg

图片:1000.jpg

图片:1001.jpg


上述可以清晰看到这个典型的LP超级单体的结构:FFD(前缘下沉区),RFD(后缘下沉区),中气旋下明显的漏斗云特征。以及一些LP超级单体典型的特征:FFD区域有降雹以及强雷电活动,暗示着云中有大量的水合物和冰相物活动。RFD区域下沉气流较弱甚至没有,但是其上方有典型的空槽结构,中气旋附近区域无降水,漏斗云较弱。。。
[冰雪中的冰橙汁于2017-08-30 22:08编辑了帖子]
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发布于:2017-08-30 22:11
如果此时结合雷达图,那普遍只会认为这个单体是一个普通的强雷暴单体,而由于LP超级单体中的RFD区域降水很弱,在雷达图上不能有显著的反射率体现,所以通常用雷达看无法观察到典型的钩状回波结构,考虑到此时单体回波最大值已经超过了55dbz,故已经不再是低顶系统了

图片:QQ图片20170830220024.jpg



雷暴单体整个生命史只有大约30分钟,随后开始减弱消散,这很有可能与城市下垫面以及热岛效应有关
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