海风和阵风锋对超级单体演化的影响:观测与数值分析的见解

《Atmospheric Research》:Sea-breeze and gust front influences on supercell evolution: Observational and numerical insights

【字体: 时间:2026年02月24日 来源:Atmospheric Research 4.4

编辑推荐:

  本研究分析2017年7月5日上海背向发展超级单体雷暴事件,发现海风锋和急流前峰通过增强低层垂直风切变和改变边界层风结构,促进对流初生、发展和传播,重力波激发可能加剧冷池深厚化和低层新jet形成,为沿海地区雷暴预警提供机制依据。

  
孙敏|戴建华|袁慧玲|徐建明|陈浩军|朱家凯
中国南京大学国家强天气气象科学技术重点实验室

摘要

本研究探讨了海风锋(SBFs)和阵风锋(GFs)如何影响对流细胞的形成、增强和演变,重点关注2017年7月5日发生在上海的一系列“后向增强”超级单体现象。研究分析了多种观测和建模数据,包括天气雷达、探空数据、风廓线仪以及云分辨模型CM1。结果表明,海风锋的发展显著改变了边界层风结构,并增强了低层垂直风切变。当这种风切变与超级单体的强出流边界叠加时,会导致风暴相对螺旋度显著增加,从而影响对流细胞的强度、寿命和传播——这些都是超级单体形成和发展的关键因素。研究还发现了一种可能的反向传播机制:海风锋和阵风锋的增强在冷池上方形成了一个不稳定的Kelvin-Helmholtz层,这可能激发了重力波。这些重力波有助于增强上升气流并使冷池变厚。此外,冷池与周围西南风急流的相互作用产生了新的低层急流,进一步增强了上升气流。这些发现加深了我们对中国东部沿海地区后向增强超级单体动力学的理解,并为临近预报和预警提供了宝贵见解。

引言

超级单体是最有组织性、发展最强烈且持续时间最长的孤立深对流风暴类型之一,常引发暴雨、冰雹、强风和龙卷风等严重天气现象。其显著特征是存在一个深且持久的中尺度气旋(Fujita, 1963; Donaldson, 1970; Lemon and Doswell, 1979; Li et al., 2025)。虽然超级单体通常表现为孤立的对流细胞,但在某些情况下,一个区域内也可能同时出现多个超级单体。在中国,关于超级单体的研究仍然相对有限。例如,Zhang等人(2018)分析了内蒙古由多个超级单体引发的EF3级龙卷风,发现连续的超级单体形成是由地面干线汇聚引起的。同样,Yin等人(2021)指出,在云南的一次强对流事件中,地面汇聚线和强垂直风切变促进了多个超级单体的形成。国内外研究表明,超级单体发展的关键条件包括充足的水分、大气不稳定、中尺度抬升机制和垂直风切变(Zhang et al., 2018; Sun et al., 2019; Weisman and Rotunno, 2000; Rasmussen, 2003; Liang and Li, 2024),其中垂直风切变对风暴的组织和持久性尤为重要。
由低层环境风场形成的边界层汇聚线在对流天气的形成、发展和消散中起着关键作用。当大气分层条件有利时,严重对流往往在这些汇聚线的交汇处开始,这些汇聚线也有助于雷暴的增强(Carbone et al., 1990; Wilson and Mueller, 1993; Nishimura et al., 2024; Abulikemu et al., 2026; Komjáti et al., 2026)。边界层汇聚线可以表现为天气尺度上的冷锋或露点锋,以及与雷暴相关的中尺度特征,如海风锋(SBFs)和阵风锋(GFs)(Wilson and Mueller, 1993; Liang et al., 2017)。尽管严重对流通常在强天气尺度强迫下发生,但在弱天气尺度强迫下也可能形成,例如在副热带高压附近,此时海风锋和阵风锋等中尺度边界成为关键触发因素(Xiao et al., 2022; Zeng et al., 2023; Jiang et al., 2025)。虽然海风锋引发对流细胞的过程已有较多文献记载(Gu et al., 2017; Landreau et al., 2025; Xiao et al., 2025; Fu et al., 2026),但海风锋本身如何继续影响和组织后续对流细胞生命周期的具体机制仍需进一步研究。
尽管观测能力有所提高,但对严重对流环境的高分辨率三维监测仍然不足。此外,像Weather Research and Forecasting(WRF)这样的中尺度模型在模拟海风强度、垂直发展和内陆传播方面仍存在局限性。因此,海风锋的发展如何影响严重对流的触发、传播和增强,特别是超级单体风暴的机制尚未完全明了。多源观测数据(包括天气雷达、无线电探空仪和风廓线仪)与机理数值建模相结合,对于深入理解边界层汇聚线(如海风锋和阵风锋)如何调节对流发展以及支持临近预报和预警至关重要。
2017年7月5日,上海发生了一次严重的对流事件,其特征是一系列自东向西传播的超级单体,表现出明显的后向增强模式,即新的对流细胞不断在成熟细胞的东侧形成。该事件产生了强短时降雨、大冰雹、强风和疑似龙卷风,并在副热带高压边缘的弱天气尺度强迫下发展。在这项研究中,我们利用天气雷达、无线电探空仪和风廓线仪观测数据分析了这些超级单体的形成和演变过程,特别关注了不同发展阶段海风锋和阵风锋的作用。为了进一步探讨潜在机制,我们使用Cloud Model 1(CM1)进行了敏感性实验,该模型采用了事件不同关键阶段的观测边界层风场数据。我们的目标是阐明海风锋或阵风锋在弱天气尺度强迫下如何影响超级单体的形成、传播和增强,这对于提高对它们严重性和持续时间的预报至关重要,从而为东部沿海地区的严重对流风暴预报和预警提供参考。

观测数据

本研究使用的数据包括:(1)用于诊断天气尺度环境的高空站数据;(2)来自宝山探空站的垂直探空数据,提供热力学和风的垂直剖面;(3)来自上海南汇雷达的地面天气雷达数据,对于分析对流风暴的三维结构和演变至关重要;(4)来自浦东世博园站的风廓线仪数据,提供连续的风速信息。

案例概述

2017年7月5日05:00至10:00 UTC期间,中国东部的长江三角洲地区出现了一系列超级单体,产生了强降雨(最大降雨量达63.5毫米/小时)、强风(青浦记录到的最大阵风速度为47.1米/秒)、大冰雹(最大直径约3.5厘米)以及疑似龙卷风(青浦报告出现漏斗云,但地面调查未确认为龙卷风)。

实验设置

设计了四个敏感性实验,以研究北部和南部海风锋及其与阵风锋的相互作用对超级单体形成和发展的影响(表1)。对照实验(CTRL)使用00:00 UTC的宝山探空数据初始化。其他三个敏感性实验则使用修改后的探空数据初始化,其中00:00 UTC宝山探空的数据被替换为相应情景下的具体风场数据。

结论

对流系统的演变受到临近风暴环境的强烈影响。在弱天气尺度强迫下,低层热力学、动力学和水分条件的变化会显著影响对流的起始、发展和传播。通过用风廓线仪数据替换初始探空中的低层风场数据,使用CM1模型成功模拟了不同阶段的超级单体,验证了观测分析结果。一系列理想化实验表明……

CRediT作者贡献声明

孙敏:撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。戴建华:监督、方法论设计、数据分析、概念构建。袁慧玲:撰写与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、概念构建。徐建明:监督、资源协调、方法论设计。陈浩军:方法论设计、数据管理。朱家凯:方法论设计、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(U2342218)、华东区域气象技术合作创新基金(QYHZ202301)的合作项目以及山东省自然科学基金(ZR2025LQX005)的资助。南京大学的高性能计算中心提供了计算资源。我们感谢George Bryan免费提供CM1模型。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号