内蒙古冰雹特征及基于机器学习的冰雹识别方法研究

利用1959—2021年内蒙古人工观测冰雹记录,分析冰雹分布的时空特征,并基于机器学习算法构建了冰雹识别方法。结果表明:(1)时间分布上,冰雹事件出现的站数和站日数均呈现下降趋势;空间分布上,冰雹多集中在阴山山脉和大兴安岭一带,冰雹多发区沿山脉伸展分布。(2)冰雹发生具有明显的季节变化和日变化特征,每年5—9月是冰雹频发月份,占全年雹日的91.79%,雹日中12:00—19:00是冰雹的多发时段。(3)利用随机森林、LightGBM、K近邻和决策树4种机器学习算法,通过数据预处理、预报因子选择、模型训练、模型调优等步骤,对内蒙古冰雹天气过程进行建模与评估。评估结果表明,采用机器学习方法可以有效地识别冰雹天气过程,各模型的TS评分均达到0.83以上,命中率达到92%以上,随机森林算法在测试集上识别效果最优。研究结果可为内蒙古冰雹预报预警和人工防雹工作提供参考。

基于双偏振雷达和FY-4A卫星资料的一次湖南秋季强冰雹预警特征分析

为提升秋季冰雹监测预警能力,基于双偏振雷达和风云四号A星(FY-4A)资料,对2023年11月湖南一次罕见的秋季强冰雹过程进行分析,探讨其预警特征。研究发现:(1)强冰雹由超级单体风暴产生,在降雹阶段,强回波中心(水平反射率因子Z H≥65 dBz)底部接近地面,相关系数(CC)<0.9,差分传播相移率(K DP)为空洞,差分反射率因子(Z DR)为-3~0 dB,对应直径≥5 cm的大冰雹降落,与实况吻合。(2)Z DR柱上升和下降可表征上升气流的加强和减弱,Z DR结合CC有助于识别三体散射(TBSS)和旁瓣特征。强回波面积和质心高度对超级单体风暴不同发展阶段有很好的指示作用,结合监测可使冰雹预警提前量达12 min以上。此次过程超级单体造成的TBSS长度达到罕见的73 km,TBSS的出现、风暴顶辐散呈明显减弱趋势较降雹时间提前17 min以上。(3)冰雹、雷暴大风发生区域与冰雹云黑体亮温(TBB)、云顶温度(CTT)、云顶高度(CTH)、云顶气压(CTP)梯度大值区对应较好。结合雷达分析冰雹云发展过程发现,可将TBB≤-58℃,CTT≤-56℃,CTH≥13 km,CTP≤180 hPa且TBB≤-52℃面积持续增大作为FY-4A卫星秋季冰雹云特征参量的监测预警指标。(4)TBB最大递减率发生时间较降雹时间提前11 min以上。13.3μm和10.8μm通道亮温差对冰雹云的发展和减弱反应最为敏感,6.5μm和10.8μm通道亮温差则在单站对流监测指标中对冰雹过境前后较其他亮温差反应敏感。

江西春季一次大冰雹的雷达回波特征分析

为更好地做好冰雹天气的监测预警工作,使用MICAPS天气图、雷达拼图、雷达PUP产品等资料,采用天气学和雷达气象学原理与研究方法,对2021年3月30-31日江西大冰雹过程进行分析。结果表明:(1)500 hPa低槽、850 hPa西南急流、925 hPa切变线和地面倒槽等天气系统,以及大气层结具有“上干下湿”有利条件。(2)≥5 cm的大冰雹回波系统有孤立超级单体和回波带上超级单体两种。其共同特征是:回波强度≥60 dBZ,并有65 dBZ以上的回波核;60 dBZ强回波面积≥100 km^(2);30~60 dBZ强回波梯度(最密集区域距离)≤7 km和具有云砧回波。(3)垂直积分液态水含量(VIL)达到60 kg/m^(2);径向速度V0.5°仰角具有正负速度对;反射率因子垂直剖面(RCS)有悬挂、穹窿、回波墙等特殊回波结构;径向速度垂直剖面(VCS)具有辐合型气旋结构。(4)超级单体在3 km等高平面显示(CAPPI)上,反射率因子都在60 dBZ以上,有65 dBZ回波核,风场处于辐合型气旋性环流中。上述研究结果有助于大冰雹天气雷达回波特征的认识和应用。

1971—2023年广西冰雹日数和范围的气候特征分析

利用广西88个国家气象观测站1971—2023年逐日冰雹观测资料,采用线性趋势、低通滤波、小波分析等方法,分析广西冰雹日数和范围的变化特征,定义广西冰雹过程及综合指数,综合评价冰雹过程的持续时间和影响范围。结果表明:(1)1971—2023年,广西年冰雹日数和冰雹站数均呈显著减少趋势,春、冬季冰雹日数和冰雹站数呈减少趋势,夏、秋季呈增加趋势。(2)广西年冰雹日数和冰雹站数阶段性变化特征明显,在20世纪70年代先降后升,20世纪80年代至21世纪00年代波动下降,21世纪10年代后有所回升。年代际尺度上,冰雹日数存在12~16 a的变化周期,冰雹站数存在10~16 a和16~20 a的变化周期。(3)广西冰雹过程综合指数排在前十位的过程有6次发生在20世纪70年代至80年代,20世纪90年代有1次,其余3次发生在21世纪10年代后。

基于SWAN的冰雹探测算法研究

为了提高冰雹短时临近预报的准确性,首先介绍了WSR-88D冰雹算法原理,提出了在SWAN中使用垂直高度阈值进行改造的方法,通过和PUP产品数据进行对比,验证了算法的正确性。其次,针对业务中出现的冰雹尺寸计算值过大问题,通过与有冰雹尺寸记录的实例进行比较,使用最佳的幂函数拟合进行了修正。最后,对业务中常见的由超折射引起的虚警进行了分析。结果表明,设定风暴中心附近的反射率垂直梯度阈值>3,可以消除大部分的超折射。对于由冰雹产生的阈值<3的风暴,继续使用二维风暴个数>7的阈值进行识别,可以减少误判率,取得较理想的效果。

一次强冰雹超级单体风暴双偏振参量特征分析

利用济南S波段双偏振多普勒天气雷达资料、章丘探空和地面常规气象观测资料及灾情调查,对2021年7月9日发生在济南章丘的一次特大冰雹超级单体风暴双偏振和微物理结构特征进行了分析。结果表明:冷涡天气背景下,强的垂直风切变和强的对流有效位能,利于超级单体的形成与维持。阵风锋是风暴触发机制,也是风暴长时间维持机制。初始风暴由阵风锋触发,经过合并发展产生超级单体。成熟阶段,风暴西侧与阵风锋交汇区域不断激发新生单体,并与主体合并,风暴长时间维持。风暴顶强辐散是中气旋长时间维持和风暴顶高度较高的关键因子之一。特大冰雹阶段风暴底层右后有明显的入流缺口,其前侧有差分反射率(Z_(DR))弧,表现为少量大的液态粒子或小的湿冰粒子,入流缺口左侧强反射率因子区对应小的Z_(DR)和小的相关系数,为冰雹降落区。垂直结构上,强上升气流区一侧存在深厚的有界弱回波区,0℃层高度之下分布有Z_(DR)环,有界弱回波区内及上方存在Z_(DR)柱,且高度较高,含有少许偏大的液态或融化的小的冰相粒子。较高的Z_(DR)柱表明风暴内上升气流强盛且高度较高,利于风暴的发展与维持以及冰雹粒子的湿增长。

河南省冰雹短期预报方法研究

利用1999—2010年共45个冰雹日个例(全省同一天有≥2站出现冰雹),分析冰雹日高低空、地面形势特征和降雹落区,发现降雹与500 h Pa环流形势关系密切。因此依据冰雹日08时500 h Pa高空形势及对流层低层的特点,将河南省冰雹天气形势划分为西北气流型、东北冷涡型、华北冷涡型及低槽型4个天气类型,并依据不同的天气类型给出可能发生冰雹的大致落区。由于冰雹的形成除有利的天气形势背景条件外,还必须具备低层水汽辐合、大气不稳定层结、触发机制3个基本条件,因此本文进一步对河南省冰雹日当日500 h Pa低槽低涡位置、地面冷锋位置、地面温度、露点温度、探空资料等进行分月统计,获得冰雹预报的判别指标。基于以上条件,引进中国科学院大气物理研究所研发的完全弹性三维冰雹云模式,依据河南省内及周边的共7个探空站资料制作河南省的区域客观预报。通过4个月的业务应用,发现利用micaps实时资料并结合三维冰雹云模式来预报河南省的冰雹天气,空报率较高,漏报率较低,提高了冰雹的预报时效,为重点防雹作业区争取到了充分的作业准备时间。

冰雹天气的环境参量及预报模型

利用1959—2021年内蒙古119个国家站的冰雹观测记录与ERA5再分析数据,对比分析冰雹与非冰雹层结、水汽、特殊温度层高度、垂直风切变及云微观物理量的差异,建立冰雹预报模型,为冰雹的潜势预报提供客观定量的依据。结果表明:冰雹、非冰雹K指数、假相当位温差、垂直风切变、比湿及云微观结构差异不显著。总指数(TT)>50℃,850 hPa与500 hPa温度差≥28.4℃,大气可降水量≤24 mm,-20℃层高度<7.05 km,-20℃距0℃高度≤3.15 km,以上环境参量阈值可以判别超过70%的冰雹样本,同时,反向条件能判别超过70%的非冰雹样本。基于环境参量的分析,采用Fisher判别方法,利用TT、850 hPa与500 hPa温度差、-20℃距0℃高度、大气可降水量建立冰雹预报模型,模型判别准确率超过80%。

果树冰雹灾害防范与减灾技术

冰雹天气发生频繁且预报较难,对幼果期果树影响较大,导致涉灾产区产量严重下降。介绍了冰雹天气发生特点及发生时期、对果树造成的危害和对辽宁省果树产区的影响,从预警技术、科学选址、推广防雹网和加强灾后田间管理等方面提出避雹减灾技术。

川西高原冰雹时空分布特征及大冰雹环境条件分析

选取2001—2016年川西高原31个县市气象站逐月冰雹日、3个探空站资料及ERA5逐小时再分析资料,分析川西高原冰雹时空分布特征及冰雹发生的天气背景和环境条件。结果表明:(1)近16 a川西高原冰雹日数总体呈减少趋势,高海拔降雹次数多于较低海拔地区。降雹频率分布曲线呈双峰偏态型,阿坝州的峰值出现在5月和9月,甘孜州出现在6月和9月。降雹主要发生时段为11—21时,占比95.5%,峰值出现在15时和17时。冰雹直径<5 mm冰雹占年降雹的72%以上。(2)连续冰雹天气的发生多伴随有高原低值系统的东移,黄淮低涡西侧的切变是影响夏季阿坝地区的重要天气系统之一。不同季节阿坝北部的大冰雹天气均是在高原低值系统的影响下发生,春、夏季大冰雹个例受明显的冷空气或冷平流的影响。(3)大冰雹个例中,-20℃层高度为7.2~8.6 km,0℃层高度距离地面4 km左右,对流有效位能CAPE≥980 J·kg^(-1)。无论春夏还是秋季,红原大冰雹个例的中低层温差(T600~400 hPa)≥21℃且600~400 hPa垂直风切变达到15~21 m·s^(-1),有利于形成高度组织化的对流风暴。

2006—2022年黔南州冰雹特征分析

【目的】为进一步提高对黔南冰雹特征的认识。【方法】利用2006—2022年多普勒天气雷达、常规气象观测资料以及人工影响天气作业站点冰雹观测等资料,采用统计学方法分析了影响黔南州的冰雹直径、降雹持续时间、冰雹日变化、冰雹云移动速度等特征。【结果】黔南州的降雹主要出现在3、4月份,降雹以中冰雹为主,冰雹日变化明显;一天中冰雹主要发生在15时—次日00时,白天17—20时冰雹频发。降雹持续时间短,65%的降雹持续时间在5 min以内。冰雹云单体的移动速度范围为16~102 km·h^(-1),平均速度50 km·h^(-1)。冰雹云单体的维持时间最短仅为17 min,最长可达290 min,平均122 min。【结论】冰雹云移动路径主要以西南路径为主,其次是西北路径和偏西路径。西南路径降雹点主要分布在黔南州中部一线,西北路径降雹点主要分布在黔南州中西部的惠水、长顺,偏西路径的降雹点主要在黔南州中北部。影响黔南的冰雹云源地有境外移入和黔南州境内生成两类,主要源地在安顺市、黔南州、黔西南州东部和北部、毕节市东部和南部以及贵阳市南部,不同路径的冰雹云源地具有明显的分布差异。

1971-2020年陕西渭北地区冰雹气候特征及成因分析

基于1971—2020年陕西渭北地区32个国家气象站的降雹数据和NCEP再分析资料的动力、温度、湿度、风速等月平均数据,分析了陕西渭北冰雹变化特征和关键影响因素。结果表明:渭北地区冰雹呈现北多南少,夏季多,冬春少,冰雹主要出现在5—8月,降雹频次6月最多;渭北地区年、月降雹频次呈减少趋势,6月降雹频次减少趋势最为明显;渭北地区对流有效位能和垂直速度减小,0℃层的高度升高,高空风速减小,是渭北地区降雹频次减小的主要原因;渭北地区广泛开展的地面防雹作业,也是降雹频次减小的因素之一。

乌蒙山东侧冰雹云形成机制及催化机理研究

【目的】解决山区冰雹预报及防控技术难题,深入认识复杂山地环境下冰雹灾害天气形成机理。【方法】采用多源观测资料与数值模拟结合,使用乌蒙山东侧雹源地(贵州冰雹防控外场试验基地)布设的垂直观测系统加密观测资料及ERA5高分辨率再分析资料,结合云贵高原下垫面资料,研究贵州西部冰雹源地的地形影响、环境条件、深对流触发动力因子、云微物理形成和人工防雹催化等方面的特征和机制。【结果】建立贵州西部冰雹观测数据集;探讨冰雹源地地形位涡的存在性、演变及其产生机制;分析雹源地上空不稳定层结条件下深对流触发的动力学特征,发现存在3个加减速关键区:云底加速、云顶加速、下沉减速,上升气流、下沉气流和水汽条件等因素对冰雹增长具有重要影响;对贵州西部1次冰雹过程进行了催化模拟研究,结果表明不同催化高度、催化剂量和催化时间的催化效果存在显著差异,给出了最佳的催化方案。【结论】研究为理解和预测雹暴等深对流的发生发展提供了重要的理论依据,也为实际的防雹作业提供了科学依据。

蛋鸡场冰雹灾害的防范和应对指南

一、关注天气预报利用气象信息做好提前防护。养殖人员应该经常关注天气预报,特别是冰雹频发季节,充分利用手机、电视和广播等媒体,及时收集天气信息,预测冰雹到来的时间、地点和强度,提前做好各项预警工作。二、强化简易鸡舍房顶保护措施对于简易大棚蛋鸡养殖,棚顶较薄,再加上多年使用后,棚顶老化、变脆,下冰雹时,很容易把棚顶砸坏、砸烂,因此,在冰雹到来之前,为保护好养鸡大棚不受冰雹损坏,应在养殖大棚房顶上加盖一层草苫子,同时用铁丝等加以固定。

一次超级单体引发的秋季特大冰雹和龙卷雷达探测分析

利用烟台S波段双偏振多普勒雷达和荣成CINRAD/SA新一代天气雷达探测数据,结合探空、地面气象观测、ERA5再分析和冰雹、龙卷实地调查等资料,对2021年10月1日在山东半岛东部烟台、威海发生的特大冰雹和龙卷风暴的天气形势、环境参量和雷达探测特征进行分析。主要结果为:与气候平均场相比,造成本次强对流过程的500 hPa东北冷涡异常强盛,850 hPa自华南到东北地区西部有持续偏南水汽输送;在此异常环流背景下,山东半岛东部具有上干冷下暖湿、强的0~6 km垂直风切变和对流有效位能等有利于强冰雹、龙卷发生的环境条件;近地面的风暴前低压、雷暴高压和冷池特征明显。降雹时的风暴呈现典型超级单体特征,低层具有明显的钩状回波和倒“V”字型前侧入流缺口,垂直剖面显示出明显的有界弱回波区、差分反射率柱(Z DR柱)特征;根据大冰雹落点和降雹开始时间等信息,统计对应雹云的反射率因子、Z DR、相关系数(CC)的中位数分别为48.7 dBz、0.89 dB和0.90;地面出现龙卷和大冰雹时,风暴顶辐散强度最大达到71.5 m·s^(-1)。后侧阵风锋对应的出流边界北端的偏北气流与风暴前侧的偏南气流形成强涡旋上升运动,导致EF1级龙卷产生;龙卷发生在钩状回波的顶端,大冰雹多出现在入流缺口的北侧。地面发现龙卷发生前约5 min,雷达探测到龙卷碎片特征,Z DR和CC分别最低至-0.1 dB和0.81;龙卷发生前约11 min,探测到风暴低层的Z DR弧和风暴右后侧的下沉反射率因子核特征;荣成、烟台雷达分别提前22 min、5 min识别出中气旋和龙卷涡旋,可为龙卷预警提供重要参考。基于观测分析,给出了本次超级单体风暴的低层流场及龙卷、大冰雹落区的示意图。

冰雹天气分型和预报方法研究

作为一种极端天气现象,冰雹对人类生活、农业和交通等方面造成严重威胁。因此,研究冰雹的天气分型和预报方法显得尤为重要,旨在深入探讨冰雹的定义、形成机制以及其与气象环境的关系,进而对传统预报方法、气象数据分析与机器学习、数值模拟与预报模型等方面进行综合研究,最终构建一种综合性冰雹天气预报方法。

播撒碘化银人工消雹对冰雹云微物理过程和起放电过程影响的数值模拟研究

为了全面了解人工消雹对云中冰相粒子的浓度和时空变化以及冰雹云微物理过程和起放电的影响,本文利用包含了AgI催化方案的三维强风暴动力电耦合数值模式,以AgI播撒量为唯一变化量进行了多组模拟实验。结果表明,催化过后,整体上,-40~0℃范围内的冰晶、雪花和霰粒子数浓度和比含水量增多。播撒AgI使霰的平均尺度减小,向雹的转化比例大为降低,因此冰雹的比含水量和浓度都减小。随着AgI播撒剂量的增加,冰晶、雪花和霰粒子的数浓度和比含量整体变化趋势不变,增大与减小区域相对应,但变化更明显;消雹效果会更好,但降雨量呈先增加后减小。播撒AgI会使冰雹云前期正的非感应起电率区出现时间提前,中心增强,上界高度抬升,后期负的非感应起电率区中心增强。所以,播撒后前期主要使底部次正电荷区增强,后期主要使上方主正电荷区和中部负电荷区增强。随着催化剂量增多,这些变化越明显。播撒AgI对地闪有一定的抑制作用,而使云闪和总闪少量增多,首次放电和云闪的峰值时间提前,放电持续性更强,闪电频发时段的闪电频率略有降低。

赤峰市一次强冰雹天气形势及雷达特征分析

文章利用常规气象观测资料、C波段多普勒雷达资料、ecwmf再分析资料对“低—高—低”环流背景下的一次冰雹过程进行分析。结果表明:高空冷涡配合低层切变线抬升、较好的水汽条件造成了此次强冰雹的发生;对流有效位能较强、垂直风切变较强、整层湿度大、午后迅速升温导致“上冷下暖”的不稳定层结、上升运动明显、0℃层高度和-20℃层高度适宜,有利于大冰雹的产生;雷达回波具有低层的“V”形缺口、三体散射、回波悬垂结构、径向速度低层辐合高层辐散的特征;反射率因子最大值64.5dBZ,最大高度在-20℃温度层对应的高度之上,表明了冰雹存在;最大垂直累积液态水含量(VIL)值59.5kg·m^(-2),同时VIL的跃增和骤降也对于判断冰雹的增长情况具有重大的指示作用;风廓线雷达指示本次过程“上冷下暖”,且存在较强垂直风切变向上输送暖湿气流。

信都苹果种植区域近十年冰雹特点及人工防雹技术分析

邢台市信都区是中国农业部规划的太行山山地苹果优势产区。2017年注册了“浆水苹果”区域公用品牌。浆水苹果生产区域为北纬37°,海拔500--800米之间,年平均气温为12.8℃,年平均降水量688.8毫米,昼夜温差大;果色泽艳丽,甘甜可口。2023年苹果种植面积近7万亩,总产量超13万吨,总产值达9亿多元。近年来,全球变暖及厄尔尼诺气候影响,信都区冰雹突发频率较大,几乎年年发生或大或小气象灾害,对浆水苹果的产量与品质影响较大,分析冰雹分布的特点,进而开展人工防雹为浆水苹果产业健康发展保驾护航。

滇东南地区三次典型冰雹天气特征分析

文章结合滇东南地区的三次降雹天气过程,利用垂直累积液态水含量、冰雹指数、反射率垂直剖面、云顶高度等产品对天气过程冰雹云的回波特征展开分析。分析发现,在冰雹发展阶段速度场出现速度强势辐合,降雹过程中存在非典型钩状回波、“V”形缺口回波、三体散射、悬垂回波、中气旋等典型的降雹回波特征。经检验,各类雷达产品观测不同过程冰雹云的效果存在差异,综合使用雷达产品对准确做好降雹预警有重大意义。