贵州威宁对流单体雷达回波分层结构特征分析

本文选取了2017—2020年威宁县111个对流单体(35个冰雹云单体和76个雷雨云单体),着重分析了对流单体雷达回波在垂直指向上的分层结构特征,并结合双偏振雷达观测分析了对流云单体偏振参量和水凝物相态分布特征。研究分析结果表明:①威宁对流单体雷达回波典型特征量基本一致,对流单体生命史周期约为100 min,最大反射率因子主要位于与0℃层高度差±2.0 km的范围内;②当对流单体雷达回波强度从45 dBz发展到55 dBz以上时,冰雹云具有发展迅速且持续时间长的特点,冰雹大小则与强回波在融化层高度以上的扩展高度存在一定的对应关系,高度越高、冰雹越大;③X波段双偏振天气雷达能够较好地反映降水粒子类型,基本符合粒子形状、大小和相态分布的特点,但应考虑降水相态粒子处于临界过渡区域的转化特点;④威宁多小冰雹主要与垂直风切变较弱、对流有效位能CAPE值不稳定能量偏低,且中小冰雹在下落过程中逐渐融化变小有关。

二维多单体雷暴系统中对流单体生成和发展的新机制

在多单体雷暴系统的发展和演变过程中,系统内新对流单体的生成和发展是系统维持最为重要的因素。文中利用中尺度数值模式,研究了环境风场存在低层反向切变(U_z<0)情况下,一种新对流单体的生成和发展机制——处于"亚最优切变态"的多单体雷暴系统的维持和发展机制。与以往处于"最优切变态"条件下新对流单体的生成和发展机制不同,由于环境风场存在低层反向切变,此时密度流产生的水平涡度要大于环境风切变产生的水平涡度,密度流向外扩展较快,使两者处于"亚最优切变态",此时多单体雷暴系统中的新对流单体不再是从密度流前沿的阵风锋前上升气流分离出,而是由发展旺盛的主体对流体在其前部中低层激发的垂直上升运动引起。新生成的对流单体因其前部低层湿空气的流入得到快速发展,而其西侧原有的主体对流体因湿空气的流入被切断而开始减弱、消亡并最终被新对流单体所替代。这种新机制的出现与低层环境风反向切变的强度及地表风速有关。在一定的低层反向风切变条件下,这种新机制可与"最优切变态"机制交替作用:当密度流较强时,多单体雷暴系统中新对流单体的生成主要是以"亚最优切变态"机制为主,且新生成的对流单体强度也较弱;当密度流较弱时,多单体雷暴系统中新对流单体的生成主要以"最优切变态"机制为主,此时阵风锋前上升气流得到快速发展,当发展到一定程度时,新对流单体从阵风锋前上升气流中分离出。

强垂直风切变环境下对流单体对飓风强度的影响

利用高分辨率模式输出资料,诊断分析强垂直风切变环境下飓风Bonnie(1998)中风暴相对螺旋度的分布特征,再现了Molinari等(2008)利用下投式探空仪获得的该飓风内部风暴相对螺旋度的离散观测结果。通过对比不同垂直风切变环境下,不同区域风暴的相对螺旋度、对流有效位能及风速的水平分布,揭示出与高值风暴相对螺旋度相联系的强对流单体的分布与环境垂直风切变的密切联系。基于风暴相对螺旋度和对流有效位能的配置分析,研究强环境垂直风切变时段,眼壁附近的深厚涡旋对流以及螺旋雨带中的小型对流单体的三维结构和演变特征。分析表明,环境垂直风切变较强时,在眼壁附近的顺切变区存在典型的深厚涡旋对流系统,这类深厚涡旋系统能够激发二级垂直环流,有利于旋转上升运动的维持,并在近眼心区域引发补偿性的干暖下沉气流,有助于飓风暖心的维持和加强;同时,螺旋雨带中也存在以涡度为特征的小型对流单体,这些对流单体随着平流不断移入飓风中心,使得飓风中心垂直涡度增加,最终导致飓风强度的增强。

非均匀粘性基流中带状浅对流单体的发展

用WKBJ方法讨论了非均匀基流中带状浅对流单体的发展问题 ,只有在二维非均匀基流的热成风平衡条件下 ,带状对流环流的传播才具有重力惯性波特征 ,由于非均匀介质的作用 ,缓变波列的频率变化不仅是位相变化的源 ,还可能是振幅变化的一部分 ,纵向云带和横向云带的发展除粘性致稳作用是共同的 。

一次典型强对流单体对的雷达回波相似性特征分析

基于值相似和形相似相关方法,分析2015年4月30日贵州大娄山脉一次多单体强对流天气过程中2个对流单体对(A、B单体,C、D单体)的回波特征参量随时间变化的一致性特征,并通过时移(相移)技术和数理统计方法分析强对流单体与回波特征参量的相关性。结果表明:(1)单体对的最大回波强度Z_(max)、0 dBZ高度H_(0)、45 dBZ高度H_(45)的值相似程度较高,垂直累积液态水含量VIL的值相似程度较差。(2)通过时移技术处理后,2个单体对的特征参量变化趋势一致性更好,相似性程度更高。(3)2个单体对的Z_(max)和VIL波动周期均具有很好的一致性,C、D单体对H_(0)、H_(45)的波动周期一致性更好。(4)导致单体对VIL值相似性较差的主要原因是每个体扫层雷达反射率因子Z的大小及Z所在垂直高度的不同。

一次冰雹过程的对流单体识别与防雹效果分析

利用2018年6月12—13日山东鲁西北地区一次冰雹过程的常规气象资料,分析了冰雹形成的天气形势和物理量指标条件以及防雹效果。结果表明:人工防雹作业前后雷达回波指标呈明显的下降趋势,其中VIL值、回波顶高指标变化分别平均下降49.9%、37.4%,冰雹概率由作业前99.3%下降到作业后的28.7%,回波强度、回波顶高、VIL值下降最大值分别为10 dBz、7 km、48 kg·m-2。通过对比分析两个相似对流单体的发展演变,实施防雹作业的对流单体回波强度下降7 dBz、回波顶高下降3 km、VIL值下降11 kg·m-2、冰雹概率出现剧烈波动,防雹作业后较作业前回波强度、回波顶高、冰雹概率下降速度明显加快,而没有实施防雹作业的对流单体雷达回波综合指标在编号期间变化幅度小,进一步证实了人工防雹作业有效。

对流单体在杭州湾入海时的强度变化分析

为了研究对流单体在杭州湾入海时的强度变化情况,更好地预报对流单体的变化趋势,统计了2007年1月到2010年6月舟山雷达观测到的148个对流单体,以组合反射率因子、顶高、垂直液态含水量、径向速度、冰雹指数等条件来判断对流单体是加强还是维持或减弱。发现对流单体在海岸线附近加强或维持的几率比较大,在北岸入海后加强以及在南岸入海后减弱的几率较大,在傍晚到凌晨加强或维持的几率较大。对三个加强的典型个例,分别分析了海岸线附近的温湿特性、地面风的辐合、大气的层结稳定性等情况。对148个单体所处时刻的气温和相对湿度资料用GRADS进行插值,绘出等值线,然后统计整个杭州湾海域的最大气温差和相对湿度差以及水平风切变情况。统计结果:加强的单体,其环境温度、湿度梯度、风切变明显比减弱的大。最后得出结论,判断一个对流单体在杭州湾入海时是加强还是减弱,应从海岸线附近的温湿特性、地面风的辐合情况、大气的层结稳定性三方面的条件综合考虑。

春季一次典型强对流单体降雹雷达产品特征分析

利用文山新一代天气雷达回波资料及PUP提供的雷达产品对2008年4月12日下午发生在文山州东北部的强对流降雹过程进行分析。结果表明:此次强对流风暴表现为一带状单体强降雹回波分裂为2条EN-W S向带状强对流回波带。在两条带状回波沿雷达径向的伸展方向又有多个强对流回波单体的生成发展。在强对流发展旺盛阶段一直有风向辐合和逆风区伴随。最大回波强度达61.2 dB z,≥50 dB z的强回波高度,最高≥10 km,回波垂直伸展高度大于13 km,最高≥16 km。在强对流风暴发展旺盛阶段,相应的垂直液态水含量和密度分别超过50kg/m2和10 kg/m2,最大达55 kg/m2。强降雹过程具有非常典型的冰雹云回波特征:"V"型缺口、回波悬垂结构、回波墙及有界弱回波区非常明显。

线状中尺度对流系统内多个强降水单体的结构演变及闪电活动特征

利用多普勒雷达、SAFIR3000三维闪电定位系统和气象自动站等观测资料,以线状中尺度对流系统内多个γ中尺度强降水单体为研究对象,揭示了单体之间、单体与β中尺度线状对流系统的多种相互关系,设计多种雷达参量对单体的结构演变进行定量化描述,进一步建立了对流单体结构演变与闪电活动的相互关系。得到以下结论:(1)线状中尺度对流系统内顺义、房山、固安、宝坻对流单体分别造成了1 h降雨23、50、27、70 mm,在其演变过程中,顺义单体被另一个单体追逐、供给,房山单体包括2个更小单体的合并过程,而固安、宝坻单体的初生和发展与线状中尺度对流系统是被喂养、吞食的关系。(2)设计的雷达参量V_(40)(40 dBz强回波核的体积大小)、V_(40UP-6)(6 km高度以上40 dBz强回波核的体积大小)、S_(ET11)(回波顶在11 km处的回波范围大小)量化描述了单体的三维结构演变特征,F_(ic)(云闪频数)和F_(cg)(地闪频数)与上述雷达参量关系密切,如与V_(40UP-6)的相关系数为0.63—0.97;而F_(ic)比F_(cg)更敏感地呼应单体结构的变化。(3)固安单体在成熟阶段,主正电荷区(即辐射点最大密集区所处的地方)维持在较低位置,远低于其他单体在成熟阶段主正电荷区的高度。(4)在对流单体合并后,F_(ic)和F_(cg)增大且主正电荷区明显抬升、闪电频数陡增对应降水强度增大、闪电频数峰值超前于降雨强度极值等特征,对灾害天气的预警具有积极意义。

华北局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统发生发展对比分析

利用常规地面高空观测、多普勒雷达、风廓线、VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)和NCEP再分析资料,对2018年8月5—6日副热带高压(以下简称副高)控制下华北一次局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统触发和发展机制进行了分析。结果表明:这次大暴雨发生在副高控制下,处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定。暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成,分别是太行山迎风坡上西南—东北向、华北平原地区保定一带南北向、保定至霸州附近西南—东北向和以雄安新区为中心东西向原地生消的准静止MCS-Ⅰ、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ和MCS-Ⅳ,均属于β中尺度。在相似的环境中,不同中尺度对流系统触发机制有较大差异,太行山迎风坡上的MCS-Ⅰ是由近地层偏东暖湿气流在迎风坡与山风形成的辐合抬升触发;由辐射差异和前期强降水形成的局地冷池受MCS-Ⅰ影响再次加强后,其出流与环境风形成的两条地面辐合线分别触发了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,并组织对流沿辐合线呈带状发展;而超低空偏东风增强叠加冷池出流在地形抬升作用下促使沿山暖湿气团进一步抬升,使得原本消亡的MCS-Ⅰ再次重建。MCS-Ⅳ发展最旺盛、持续时间最长,是大暴雨中心的直接制造者,一方面MCS-Ⅱ与MCS-Ⅲ、MCS-Ⅰ与MCS-Ⅳ的两次合并过程,是MCS-Ⅳ增强、持久的重要原因;另一方面边界层偏东风急流为MCS-Ⅳ的发展提供了水汽和不稳定能量等有利条件,同时推动其左前方中尺度涡旋的发展,导致MCS-Ⅳ所在地的气旋性涡度大大增加,加强了以急流轴为中心的垂直次级环流发展,造成MCS-Ⅳ的发展维持,形成华北平原地区以雄安新区为中心的东西向大暴雨带。

风云二号多通道卫星数据对流单体检测

在对流单体检测中,相邻的对流云核很难区分。为了解决这个问题,基于红外和水汽通道卫星数据,提出一种新的检测对流单体方法。首先,针对卫星数据的特点进行数据处理,去除亮温大于241 K(对流系统的基准阈值)的像元,并将其归一化到[0,1]。其次,利用H极大值变换技术提取对流核种子点,设计一种八连通域准则使相邻种子点形成聚类并按顺序进行标记,有效地区分了相邻的种子簇。然后,设计一个新的准则判断相邻的种子簇是否需要合并。最后,根据多个阈值产生的种子点设计了种子簇累加合并方法使种子点生长或者与其他相邻的种子点合并,形成最终的对流核。选取红外和水汽通道的多通道数据开展验证实验,并和雷达资料和其他方法进行对比实验,结果表明该方法可以有效地区分相邻的对流单体,在初生、成熟和消散等中尺度对流系统生命周期均准确。此外,所提方法不仅对单个对流核有效,而且对多个对流核也能准确地检测。

一次罕见的强对流单体分裂过程的数值模拟及其结果分析

引言 强对流由于组织程度高、结构特殊，常造成雷暴、冰雹、龙卷和短时强降水等灾害性天气，一直是国内外学者研究的重点。大量个例和统计分析表明，由于我国地处北半球，强对流由许多单体合并发展成熟后，大多以右移为主，并且没有出现明显的分裂过程。

X波段相控阵天气雷达对流过程观测外场试验及初步结果分析

中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室与安徽四创电子股份有限公司联合研发了专门用于快速观测对流过程、具有多波束观测能力的X波段相控阵天气雷达（XPAR）,并利用该雷达与C波段双线偏振雷达（CPOL）于2013年4~6月在广东省江门市鹤山站进行了对比观测试验,以检验该雷达观测模式及其对快速变化的对流云演变过程的观测能力,为进一步改进雷达观测模式提供依据。本文首先介绍了XPAR的主要技术指标和观测模式,利用实测数据对比分析了三种观测模式观测的回波结构、灵敏度,并与C波段双线偏振雷达数据进行了对比,详细分析了2013年5月30日一次中尺度线状对流系统后部的单体的发展和消亡过程,讨论了XPAR分钟级数据在分析对流过程演变中的作用。结果表明：（1）XPAR三种观测模式获取的降水回波结构合理,实现了在1 min内完成一个高空间分辨率的体扫的探测功能,数据的时空分辨率远远高于现有的机械扫描雷达;（2）XPAR的精细观测模式数据揭示了单体触发、发展和演变过程,清晰给出了两次径向辐合发展过程及其与回波发展的关系,给出了新一代天气雷达和C波段双线偏振雷达不能提供的新的事实;（3）XPAR分钟级数据对进一步认识对流单体内部γ中尺度及其更小尺度系统的发展和演变有非常大的帮助。

广东省后汛期强对流天气潜势预报方法研究

利用2007—2008年两年7—10月广东后汛期强对流天气出现时的雷达资料、对应的GRAPES模式资料以及地市台站上报的强对流天气发生的实况,把瞬时大风>17.2 m·s^(-1)、冰雹、龙卷作为强对流发生的依据,对上述数据进行整理。根据广州热带海洋研究所中尺度模式的输出GRAPES资料,结合雷达CAPPI数据,计算单体的各层风速、温度、湿度、有效位能等环境特征量,将单体特征和模式计算的单体环境场要素以及强对流发生实况,通过多元逐步回归方法建立后汛期强对流天气潜势预报方程,据此对发生于广东省后汛期强对流天气(如雷雨大风、冰雹和龙卷风)进行0～1小时临近预报。用预报成功率(POD)、虚假警报率(FAR)和关键成功指数(CSI)衡量方法的预报性能。共有5540个有效样本参与回归计算,31个因子中有12个引入了回归方程,建立的预报方程在阈值取为0.26时,得到的预报成功率POD为0.73,虚假警报率FAR为0.61,关键成功指数CSI为0.338,各项指标均要好于前汛期预报性能;从实际的预报能力来看,在后汛期强对流潜势预报中,后汛期强对流潜势预报方法得到的空报率和漏报率都要低于前汛期,预报效果较好,可用于广东后汛期的强对流天气潜势预报中。

青藏高原一次冰雹强对流天气过程的诊断及雷达回波特征分析

利用青藏高原第三次科学实验的C波段双偏振雷达(C-POL)的观测资料、ERA-Interim 0.125°(纬度)×0.125°(经度)气象再分析资料、常规气象探空资料,对2014年7月30日午后发生在西藏那曲地区的冰雹强对流天气过程进行了天气诊断及雷达回波特征分析。结果表明:1)此次冰雹强对流过程发生在有切变线伴随的高原低涡东移过程中,低涡尾部前倾的切变线为这次冰雹的发生提供了动力、水汽条件。2)强对流天气的水汽输送主要来自从孟加拉湾、印度及尼泊尔翻越喜马拉雅山脉的水汽,强对流发生前水汽输送显著增加,低层水汽集中在400 hPa以下,有明显的辐合及垂直输送。3)那曲400 hPa以下为假相当位温随高度递减区,也是水平辐合及垂直上升运动的重合区,有明显的对流不稳定能量集聚及动力抬升条件。4)雷达回波图上可看到,此次强对流天气主要由局地新生的多个中γ尺度孤立对流单体造成,其移动路径与切变线前西南气流一致。大部分单体水平尺度不大,生命史短,但仍有部分单体强度大,生命史较长。局地气流辐合扰动会导致新的单体产生,单体的发生、发展及维持离不开低层气流辐合提供的动力条件。5)在距离高度显示图上表现出了弱单体雹云特征,雹云云顶伸展至16 km,高于夏季平原地区普遍对流云高度,但未突破对流层顶,0℃层远低于平原地区,为深厚强对流降水;强降水中心位于云团下部,即有降雹也有降水,降雹以霰粒为主;垂直方向存在强烈的入流和上升气流,悬挂回波出现在入流上升气流之上,中层辐合区的气流下沉区对应降雹区;中层辐合区与上层的高空辐散区配合导致对流风暴的垂直增长和强烈发展。

青奥开幕式期间南京地区浅层对流成因及逆向移动特征分析

利用常规观测资料、加密自动站资料、多普勒雷达资料及NCEP 1°×1°再分析资料,针对第二届青年奥运会开幕式期间形成发展于对流层低层偏东气流中的对流引发南京局地短时强降水天气进行了分析,探讨了低层偏东气流中浅层弱对流的形成机制、降水期间伴随在降水云系中逆向移动的两类对流单体的雷达特征和移动原因。结果表明,降水期间,南京上空对流层低层维持偏东风,中层以上则为西南风,两者之间的过渡区对应一干层,该干层由对流层中层的一支偏北气流携至的干空气形成,叠置于对流层低层较浅薄偏东暖湿气流之上,促进了对流层中低层对流不稳定层结的发展。地面风场扰动形成的局地辐合及地面非锋性斜压带激发了对流层低层偏东气流中对流的形成。镶嵌于降水回波中逆向移动的两类对流单体结构差异明显,两类对流单体质心高度、垂直伸展厚度与所在高度层中所盛行的背景风场决定了对流单体的传播与移动。

一次引发强降水的热带低压对流云团的多尺度特征分析

利用每10分种一次地面自动站常规观测资料,以及每5分钟一次多普勒天气雷达和每小时一次卫星等非常规资料,对一次造成上海地区特大暴雨的热带低压对流云团的多尺度特征进行分析,取得主要结果:(1)本次暴雨过程由三次强降水造成,每次强降水都由β和γ中尺度雨团构成,表明引发强降水的热带低压对流云团内部的多尺度特征;(2)热带低压对流云团在上海地区的维持和加强是由其移动方向右后侧的β和γ中尺度对流单体不断新生、发展和合并的结果,这一过程对应于雷达强回波带的新生、发展和合并现象;(3)自动站风场分析出中尺度辐合线的位置和强度与中尺度雨团的落区和强度对应,雷达基本反射率和径向风资料进一步证实了气流辐合区是对流单体生成的区域。

汉中市2013年8月11日强对流天气过程分析

利用常规的高空观测资料、卫星云图及多普勒雷达资料,对2013年8月11日发生在汉中市的一次明显强对流天气过程进行了综合分析。结果表明:①此次强对流天气是在大陆高压和西太平洋副热带高压相互对峙,汉中市处于两高之间的低值区的环流背景下发生的,西风槽是强对流天气的主要影响系统,这种中高层干冷、低层暖湿,以及不稳定层结的上下叠置造成了汉中市剧烈的强对流天气;②对流层低层925hPa附近的逆温层所形成的干暖盖,有利于深厚对流活动的产生,对流有效位能(CAPE)的大小与对流天气的强弱有很好的对应关系;③此次强对流天气产生的强降水属于混合云降水,混合云中的对流单体直接导致了出现在汉中局部地方的短时强降水。

霰谱分布特征对强对流云高频微波亮温影响的模拟研究

利用WRF中尺度模式和MWRT微波辐射传输模式,对一次理想对流单体云降水过程进行模拟,研究了霰谱参数对强对流降水云高频微波辐射亮温的影响。结果表明:霰谱参数的改变对对流单体云中冰相水凝物质量浓度分布和高频微波亮温均有影响。减小(增大)霰密度参数会导致霰谱宽度增大(减小),从而导致霰的碰并效率提高(降低),霰空间最大质量浓度增大(减小),而使冰晶和雪空间最大质量浓度减小(增大),最终导致最低亮温减小(增大);增大(减小)霰形状参数会导致霰谱宽度增大(减小),霰空间最大质量浓度增大(减小),而冰晶和雪的最大质量浓度减小(增大),最终使得模拟区域的最低亮温减小(增大)。区域最低亮温对不同霰谱参数或者相同霰谱参数的不同改变量的敏感程度不同。

利用相控阵及双偏振雷达对2016年6月3日华南一次强对流过程的分析

本文结合X波段相控阵雷达(XPAR)和S波段双偏振天气雷达(SPOL)及地面和探空观测资料,分析了2016年6月3日发生在华南的一次超级单体中小尺度特征,结果表明:(1)SPOL的多普勒参量和双偏振参量可以观测到超级单体的强度、速度和相态分布,超级单体的入流和出流影响钩状回波的形成。(2)XPAR可以获取时空分辨率远高于SPOL的观测资料,可以弥补SPOL仰角层严重不足的缺陷,观测到超级单体完整的垂直结构,可更精确地描述超级单体的短时演变。(3)超级单体钩状回波附近给地面带来了降温、大风和强降水,超级单体经过地区均有明显降温和风区。研究结果证明相控阵雷达和双偏振雷达对认识对流单体中小尺度系统的发展演变有较大帮助。