机载双极化气象雷达雷暴回波仿真与验证

雷暴是一种短暂而剧烈的强对流天气,常伴有闪电、冰雹、强降水等危险天气,对民航飞机的飞行安全造成巨大威胁。机载气象雷达作为保证飞行器飞行安全必备的装备,用于探测与显示航路附近的实时气象信息,辅助机组人员规避危险气象。由于极化技术在气象探测方面的优势,双极化雷达成为机载气象雷达的发展方向。但是雷暴天气具有发展迅速、变化复杂,危险性高等特点,使得获取实测机载双极化气象雷达雷暴回波数据困难。为了解决这一问题,本文基于机载双极化气象雷达提出一种雷暴回波仿真方法并进行验证。方法首先利用数值预报模式WRF模式(Weather Research and Forecasting)对雷暴气象场景进行模拟;然后使用T-Matrix方法计算气象粒子的单个粒子散射振幅矩阵,同时结合场景内粒子的微物理特性,计算雷暴目标的反射率因子;最后应用雷达气象方程,基于机载气象雷达系统参数建立雷暴回波信号模型,实现机载双极化气象雷达雷暴回波信号仿真。最后,为检验方法的正确性和准确性,基于雷暴单体识别算法对回波仿真结果进行验证。通过仿真不同仰角下雷暴回波,实验结果表明,基于WRF模式的机载双极化气象雷暴回波仿真方法对雷暴天气具有良好的模拟能力,经单体识别算法验证,结果表明可准确体现雷暴单元的质心分布,结构属性和立体特征,对比实测数据,雷暴回波仿真结果与实测数据相吻合,实验结果具有真实性和准确性。

建德一次多条雷暴回波短带的闪电特征分析

为了进一步分析雷暴回波带与雷暴及闪电活动的关系,文章使用雷达拼图资料和闪电资料,对2024-04-02湖南、江西、浙江一带的多条雷暴回波短带及其闪电特征进行分析。结果表明:多条雷暴回波带发生在冷空气南下和西南倒槽中,东北西南走向辐合线上,短带回波最大强度达到65~70 dBZ;1 h雷电分布在湖南、江西、浙江一带,雷电分布带位置与雷暴回波带位置一致;雷暴聚类团移到建德上空,建德出现较密集的雷电天气。密切监视雷暴回波短带的移动有利于把握雷电的活动规律。

稳态雷暴冲击风作用下典型矩形梁断面风压特性数值模拟研究

为研究稳态雷暴冲击风作用下矩形梁断面的风压特性,采用大涡模拟方法,对不同径向位置下2∶1矩形梁断面的绕流场进行数值模拟,并将数值模拟值与风洞试验值进行对比。在此基础上,对矩形梁断面的绕流场和风压分布特性进行了分析,并对矩形梁断面风压功率谱及相关性进行了研究。研究结果表明:在r=0.6D jet(发展阶段)、r=1.8 D jet(成熟阶段)和r=4.0D jet(消散阶段)三个典型工况下,矩形梁表面风压系数基本沿着中心轴对称,且矩形梁距离射流中心越远,其风压系数绝对值越小。其中,迎风面风压系数均为正值,下表面及背风面风压系数均为负值,而上表面的风压系数随不同径向距离而变化显著。在r=1.8D jet位置处,气流在下表面后端发生一定程度的再附,使下表面后端的压力有所增大;在r=4.0D jet位置处,气流在上表面前端发生分离导致前端负压进一步变大。迎风面区域的旋涡已经形成稳定结构,各测点的脉动风压能量基本保持稳定,背风面的上拐角处附近能量达到最大,而上表面和下表面的前拐角处能量较低。矩形梁断面同面测点风压系数均为正相关,且风压相关性随着测点间距的增加而减小;迎风面测点脉动风压相干性较强,相干函数值在0.9左右;而上表面和背风面测点的脉动风压分别在0.05 Hz附近以及在频率低于0.2 Hz时具有很强的相干性。在气动导纳函数方面,传统的Sears函数值在雷暴冲击风环境下将不再适用。

基于模式物理量参数的云南雷暴大风概率预报技术研究

利用2019—2021年云南125个国家站大风数据和云南省地闪资料,统计云南雷暴大风个例,并挑选对雷暴大风有重要意义的物理量参数,结合NCEP再分析资料确定云南雷暴大风个例的物理量阈值,再基于ECMWF数值模式预报产品及确定的阈值,采用二分法进行云南雷暴大风概率预报。结果表明:在云南三次雷暴大风过程预报检验中,8月4日云南中部及东北部雷暴大风均命中,但在云南西部及西南部出现大范围的虚警,导致此次过程虚警率较高和临界成功指数较低;8月5日云南中部、东北及西北部雷暴大风预报正确,且云南西部及南部虚警范围小,虚警率较8月4日明显降低;7月7日云南自东北向西南出现大范围的雷暴大风天气过程,雷暴大风预报落区与实况基本吻合,呈现命中率高、虚警率较低的特征;三次过程命中率、临界成功指数、虚警率平均为0.873、0.203、0.789。

湖北冷季高架雷暴天气分类及环境参数特征分析

利用常规观测资料、加密地面自动站、闪电定位仪和ERA5再分析资料,将2011—2020年湖北冷季91次高架雷暴事件,按照形成机制分为雷雨型、强对流型和雷打雪型3类,并细致归纳了3类事件的时空分布特征、大气环流背景及关键环境参数等特征。(1)湖北冷季高架雷暴雷雨型最多,强对流型次之,雷打雪型最少。3类型存在明显的时空分布差异,雷雨型主要发生在秋末冬初(11月)和冬末初春(1—2月),强对流型及雷打雪型常出现在早春2月,3月基本以强对流型为主。(2)低槽冷锋、850 hPa切变线及低空西南急流是冷季高架雷暴发生的有利环流背景,近地面为稳定的冷气团控制,逆温明显,西南低空急流沿着锋面逆温层以上的850 hPa附近触发抬升,水汽、上升运动及不稳定层结均出现在850 hPa以上。雷雨型和雷打雪型距离冷锋超过100 km以上,强对流型不足100 km。(3)850 hPa是风场转换的重要层次。强对流型850 hPa露点温度(T_(d850))、K指数、850 hPa与500 hPa温差(ΔT_(85))、850 hPa假相当位温(θ_(se850))、西南急流厚度和强度(I700)、切变线强度(S_(850))最大,中低层(850~700 hPa)垂直风切变(SL78)最小;雷打雪型对水汽和不稳定能量的要求最低,SL78最大。

鄂东春季两次极端雷暴大风过程环境及雷达回波特征对比分析

2021年5月10日和2022年3月16日,湖北省东部分别发生14级和12级的极端雷暴大风天气过程(简称“5·10”和“3·16”过程)。本文利用地面加密气象站的观测资料和ERA5逐小时0.25°×0.25°再分析资料及多普勒天气雷达等资料,对比分析了两次过程产生的环境背景和雷达回波特征。结果表明:(1)两次过程均受川东低槽和中低层低涡东部暖切变的影响,呈现上干冷下暖湿、低层辐合高层辐散的特征,表征雷暴大风的物理量如对流有效位能、下沉对流有效位能等极端异常,环境场有利于极端雷暴大风发生。(2)两次过程均由冷池出流形成阵风锋触发雷暴大风,但“5·10”过程还受其他地面中尺度辐合影响。(3)两次过程强风暴均由多个单体合并发展而成,“5·10”风暴高度更高,而“3·16”则强度更强,“5·10”表现出小弓状回波及其后侧弱回波通道特征;“3·16”弱回波区清晰,表现出类超级单体特征。(4)速度图上均表现出低仰角大风区和小尺度的辐散特征。“5·10”过程以低仰角大风区为主,大风由超低空急流叠加下击暴流造成;“3·16”过程则以中层径向辐合和最大反射率因子的快速下降特征为主,为下击暴流大风。

陕西雷暴大风时空分布和气象条件分析

分析陕西不同区域雷暴大风形成环境差异,有助于更好地掌握此类过程的热力、动力和环流特征,为该类天气的预报预警提供参考。基于2017—2022年地面观测资料、闪电资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)发布的第五代全球气候再分析资料(ERA5),分析陕西雷暴大风时空分布特征,并分区域对比分析暖型雷暴大风的环境参数和环流特征。结果表明:陕北和关中东部为雷暴大风高发区,暖型雷暴大风明显多于冷型;夏季远多于其他季节,6—8月暖型雷暴大风陕北明显多于关中和陕南。雷暴大风高发时段为15:00—21:00(北京时,下同),且14:00—18:00暖型雷暴大风发生频率陕北明显高于关中和陕南。不同区域暖型雷暴大风发生前热力、动力条件存在一定差异,陕北过程前能量和水汽条件相对较弱,动力条件相对较强;陕南能量和水汽条件相对更强,动力条件相对较弱。频率高于15%的环流型为陕北西风型和反气旋配合西风型、关中西风型和反气旋配合西风型、陕南气旋配合西风型和反气旋配合西风型。陕北西风型和反气旋配合西风型,陕北位于冷涡低槽底部或低槽底部与副热带高压之间,850 hPa和500 hPa温差较大,为对流天气发生提供了一定的不稳定条件,过程平均发生位置附近有切变存在,有利于对流天气触发;关中西风型,低层偏南气流较强,温度露点差较小;陕南气旋配合西风型,T-ln P图表现为近V型且能量条件较好;关中和陕南反气旋配合西风型,T-ln P图表现为近V型且水汽条件较好。

廊坊市雷暴大风多普勒雷达特征指标预警应用分析

利用北京、天津和沧州多普勒天气雷达对2010—2019年廊坊市发生的29次雷暴大风天气过程中的阵风锋、径向速度大值区、垂直累积液态水含量(VIL)≥40 kg·m^(-2)等预警指标进行验证分析,结果表明:51.9%的站次出现了阵风锋,其中61.0%的雷暴大风出现在主体回波移动前方中部到右侧;17 m·s^(-1)以上大风速区作为预警指标,预警的平均提前量达47.2 min。100%的弓形回波雷暴大风出现前上游及可能影响区域存在≥17 m·s^(-1)的大风速区,以此发布预警可提前37.1 min;71.4%的雷暴大风站点上空或10 km范围内VIL≥40 kg·m^(-2),平均预警提前量最高,达到52.7 min;依据带状回波前侧或右前侧出现阵风锋发布预警的平均提前量为60.6 min。73.7%的块状回波雷暴大风天气上游及可能影响区域有≥17 m·s^(-1)的大风速区。结合上游及可能影响区域≥17 m·s^(-1)和≥20 m·s^(-1)大风速区、阵风锋、VIL≥40 kg·m^(-2)出现位置可以提前30~60 min发布雷暴大风预警信号,且可更加精准地预测灾害性大风的落区、出现时间和强度。

黑龙江省极端雷暴大风的环境特征分析

极端雷暴大风突发性强、破坏力大,极易给人民群众生命财产安全、农业生产等方面造成重大损失。本文结合极端雷暴大风出现的位置和地形地貌特征,将黑龙江省极端雷暴大风空间强度按区域进行划分,并对比分析了各个区域极端雷暴大风的环境参数特征,以供参考。

2022年广西雷暴活动特征分析

基于2022年广西三维闪电监测资料、雷达三维拼图数据,融合利用风暴识别追踪技术(Storm Cell Identification and Tracking,SCIT)和DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法,识别提取1131个雷暴单体构建雷暴特征数据集,并基于该数据集研究广西雷暴单体的时空分布、移动方向、持续时间、移动速度、移动距离等特征,并进一步对雷暴发生环境下雷达基本反射率、垂直积分液态水含量(VIL)、回波顶高等分布特征进行统计分析。结果表明:(1)广西雷暴呈南多北少的特征,南部沿海地区的雷暴活动最强;夏季(6—8月)雷暴高发,占全年雷暴数的65.3%,冬季(12—2月)雷暴占比仅为0.18%。一天之中雷暴活动主要发生在11—19时。(2)雷暴单体的移动速度集中在2~16 m·s^(-1),以4~6 m·s^(-1)为最多;移动距离集中在100 km以内,以10~20 km为最多;移动方向以东北向、北向、西北向和东向为主。不同移动方向的雷暴单体移动距离、速度均存在一定差异,其中朝东方向移动的雷暴单体速度偏快(8~16 m·s^(-1)),移动距离较远(10~40 km);朝南方向移动的雷暴单体速度总体偏慢(2~10 m·s^(-1)),移动距离较短(0~30 km);其他移动方向的雷暴单体速度集中在4~12m·s^(-1),但峰值区间略有差异。(3)雷暴内初闪常发生于雷达反射率大于45 dBz且VIL小于30 kg·m-2的区域中,初闪之后的闪电主要分布在雷达反射率为45~65 dBz且VIL≤40 kg·m-2的区域内;45 dBz的雷达强回波核顶高达到6 km可作为闪电预警的参考指标之一。

GB/T 38121-2023《雷电防护雷暴预警系统》编制解读及应用思考

GB/T 38121—2023《雷电防护雷暴预警系统》国家标准于2023年5月23日正式发布,于2023年12月1日正式实施。标准主要内容包括:范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语、雷暴阶段以及用于警报的可探测现象、雷暴探测仪及其性能说明、警报方法、安装、维护、性能评估、雷暴预警系统的应用等。标准为气象、电力、石化、建筑、航空、铁路等各相关行业的雷暴预警工作提供了科学的技术支撑,为其安全生产提供强有力的保障。本文介绍了该标准起草的主要过程,对标准中的主要内容和关键点进行解读,帮助标准使用者正确理解和认识该国家标准,以便该标准的推广应用。

组合八邻域跟踪算法监测全闪电雷暴活动时空演变过程及特征

雷暴是威胁电力系统安全可靠运行的重要因素,监测雷暴活动可以为电力系统雷电防护提供雷暴活动路径及预警信息。该文提出一种组合八邻域雷暴跟踪算法及跟踪结果评估指标,并采用该算法对珠三角地区九次雷暴活动进行时空演变特征分析和定量评估。结果表明,九个雷暴活动共识别出大于18 min的轨迹1490条,其中简单轨迹和含分裂合并过程的复杂轨迹各占一半。雷暴活动平均速度为51.4 km/h,速度中值为43.0 km/h,简单轨迹平均速度比复杂轨迹慢。评估指标命中率(POD)、虚假警报率(FAR)和临界成功指数(CSI)分别为64.3%、40.4%和42.7%,轨迹时长中值、平均轨迹偏差、非连贯性和平均合并分裂次数分别为24 min、2.80 km、0.0327 s^(-1)和2.51次。该方法可以很好地描述雷暴活动时空演变过程和评估跟踪结果,为雷电预警提供了有效手段。

内蒙古阿拉善盟雷暴天气特征分析及其防灾减灾措施分析

雷暴相对于其他灾害性天气,在时间上的分布呈现瞬时性和季节性,空间上的分布呈现离散性、局地性,破坏性极大。社会科技进步,雷暴引起的灾害日益增多,特别是内蒙古阿拉善盟地区,雷暴气候问题不容忽视。为加强对雷暴灾害的监控与预测,减少灾害损失,保障人们的生命和财产安全,应对此开展研究。以内蒙古阿拉善盟地区为例,分析了雷暴天气特征,探讨了雷暴天气防灾减灾措施,以实现对雷暴天气的有效预防与处理。

小浪底水库蓄水前后雷暴气候变化特征分析

利用小浪底库区及周边地区具有代表性的12个气象站蓄水前后共20 a逐日雷暴资料,采用数理统计方法对各站雷暴日数、初日、终日及其空间分布特征等进行统计,结果表明:小浪底水库蓄水后,因水域面积增大,对小浪底库区及周边雷暴气候特征等有较大影响,库区和周边东部年雷暴日数和初终间日数呈增加趋势,周边南部呈减少趋势;雷暴日数秋季增加,夏季减少;库区和周边雷暴初日均呈明显的提前趋势,终日多呈推迟趋势。

阿拉善盟雷暴灾害对农业生产的影响及雷电防御对策

随着全球变暖趋势的增强,极端天气事件发生的频率不断提升,雷暴灾害性天气发生的次数增加,严重影响了农业的生产和发展。为保障阿拉善盟农业的稳定发展,需加强对区域内雷暴灾害发生规律的研究,进而采取科学有效的雷电防御措施。研究显示,阿拉善盟东部发生雷暴日数较多,西部较少,西北部地区最少。雷暴毁损了农作物及农业基础设施,阻碍了阿拉善盟农业经济的进一步发展。因此,完善雷电防御机制及科学安装防雷设施,将降低雷电灾害对阿拉善盟农业的影响,有助于其特色有机农业发展。

江门市雷暴多发期气候特征研究

使用江门市1961—2010年和广东省其他20个地级市1971—2010年期间的逐日雷暴日数资料,用频率分析和主因子分析等方法,对江门地区雷暴多发期的气候特征进行了研究。结果表明,江门地区的雷暴气候特征与广东省其他市的相关性高,其雷暴发生的气候规律在广东地区有很强的代表性。江门地区的雷暴多发期为4—9月;其中雷暴多发期又分为4—6月和8—9月的前、后雷暴多发期,7月为过渡期。前雷暴多发期有先下降然后上升的气候变化趋势,突变年份是1983年,与西风带大气环流的20世纪80年代初的突变对应。在候尺度的突变分析中,发现突变出现在5月第4候,与很多研究公认的南海夏季风的平均爆发日期一致。

江苏雷暴大风双偏振雷达特征统计分析

利用双偏振雷达、地面自动站、闪电定位仪、探空等资料对江苏2012—2022年262次雷暴大风过程的环境参数和2020—2022年41个导致雷暴大风的对流风暴演变特征进行分析。结果表明:(1)雷暴大风发生在大气层结不稳定背景下,850 h Pa和500 h Pa温差中位数超过25°C,对流层中层存在干层;春季动力条件较好,0~6km垂直风切变中位数达到18.4 m·s^(-1),是夏季的2倍;夏季能量条件较好,CAPE平均值可达2 491.0 J·kg^(-1),而春季仅为977.5 J·kg^(-1)。(2)凝练和定量验证了基于双偏振特征量的雷暴大风风暴演变的概念模型:对流风暴的生命史分为3个阶段,初生阶段存在较强的Z_(DR)柱,Z和K_(DP)较弱且未及地;发展阶段K_(DP)柱显著增强,Z_(DR)柱稍有减弱;雷暴大风发生阶段Z、Z_(DR)和K_(DP)核心高度均明显降低。因此,较强的Z_(DR)柱,并伴随显著增强的K_(DP)柱是雷暴大风发生的前兆信号。(3)统计获得双偏振特征量预警指标:初生阶段和发展阶段多数分别发生在雷暴大风发生前60 min和前20 min;在0~2 km的高度上,3~4 d B的Z_(DR)大值区提前10~15 min到达雷暴大风站点。

静止型雷暴冲击风作用下列车气动导纳函数试验研究

为研究静止型雷暴冲击风作用下列车的气动导纳函数,利用雷暴冲击风试验装置模拟雷暴冲击风场,基于刚性模型测压试验,并考虑列车模型对周围风场的影响,测试并分析距雷暴冲击风中心不同径向距离的列车抖振力谱、脉动风速谱以及脉动风速相干函数特性。通过拟合脉动风速相干函数获得考虑顺风向和竖向脉动风速展向相关性的传递函数,识别出考虑脉动风速展向相关性的列车气动导纳函数,并与未考虑脉动风速展向相关性的气动导纳函数进行对比。研究结果表明,当径向距离较小时,如r/D_(j)=0.5时,列车抖振力谱的能量主要集中在极值频率附近的窄带范围内;随着径向距离的增大,列车抖振力谱极值频率附近的能量逐渐向低频部分转移,同时,脉动风速谱的低频部分能量分布逐渐变均匀,而高频部分逐渐符合“-5/3”定律。当列车模型放入风场后,不同测点位置处的顺风向和竖向脉动风速谱的幅值随径向距离而变化,但距列车模型中心2B处的顺风向和竖向脉动风速谱的变化趋势与空风场的较接近。不同径向距离时,脉动风速相干函数都存在峰值,列车的侧向力和升力气动导纳函数在低频部分均趋近于一个常数;当径向距离r/D_(j)=1时,侧向力和升力气动导纳函数的幅值最大,而其他径向距离的侧向力和升力气动导纳函数幅值均基本相同。考虑传递函数后,识别出来的气动导纳函数幅值显著增大,同时高频部分的气动导纳函数幅值随着频率的增加其变化趋势也不同。采用频响函数拟合列车的气动导纳函数时,气动导纳函数低频部分的幅值由系数k决定,同时径向距离越大,拟合参数a、b和k值均越大。

基于改进麻雀搜索的雷暴云电荷反演方法

为解决雷暴云电荷反演方法精度较差、现有电荷反演模型受多站组网观测造成的环境误差影响等问题。在假设雷暴云层等厚模型的基础上,推导雷暴云电荷反演所需非线性方程组,建立基于三维大气电场的雷暴云电荷反演模型,通过正弦混沌映射函数优化麻雀搜索算法(SSA)种群初始化方式,提高种群分布的非线性,使用莱维飞行(Levy)函数和反向学习策略优化算法发现者的位置更新方式,提出一种基于改进麻雀搜索算法(ISSA)的雷暴云电荷反演方法。利用三维大气电场仪对地面电场数据进行观测并分析电场特征,使用混合策略改进的SSA算法反演雷暴云充电模型参数。实验结果表明,使用三维大气电场仪观测所得数据进行反演,能够有效消除多站组网观测造成的误差,对比SSA,改进后的ISSA算法反演所得雷暴云两秒相邻电荷量的偏差率均在1%左右,适应度值最低达到5.38,能较为精确的反演雷暴云电荷参数,为研究其充放电过程提供一定参考。

雷暴电场对LHAASO观测面宇宙线次级光子的影响

LHAASO实验利用到达探测器的宇宙线次级粒子来获取原初宇宙线信息,而次级粒子中成分最多的是光子.雷暴期间,大气电场会影响次级带电粒子,进而改变地面光子信息.本文利用Monte Carlo方法,模拟研究了近地雷暴电场对LHAASO观测面次级光子的影响.模拟中使用了一个厚度均匀、方向垂直于地面的电场模型.结果表明,雷暴电场中光子的数目和能量变化显著,且依赖于电场强度.当电场为-1000 V/cm时,光子数目增加23%,能谱变软,当能量小于2 MeV时,数目增加超过29%.当电场为1700 V/cm时,光子数目呈指数增长,达到279%,能谱相较于-1000 V/cm变得更软,当能量小于2 MeV时,数目增加超过361%,符合相对论电子逃逸雪崩机理.这些变化主要源于电子被大气电场加速,数目增加(-1000 V/cm中增加65%,17000 V/cm中增加992%),能谱变软.同时,高能自由电子通过轫致辐射产生光子,导致光子的数目和能量也发生变化,且变化趋势与电子的一致.本模拟结果有助于理解雷暴期间LHAASO实验数据变化特点,并为大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制提供信息.