一次飑线过程的雷达回波分析与数值模拟

2003年4月12日,一条飑线袭击了江西、福建、浙江三省,所到之处出现冰雹、大风等强烈天气,这次过程强度强,影响范围大,三省交界及附近区域有二十多个测站出现冰雹、大风,冰雹直径有的达3 cm以上,最大风速达32 m/s。该文利用建阳新一代天气雷达探测到的回波以及中尺度非静力数值模式(MM5)对这次过程进行数值模拟,分析此次强对流过程。结果表明:雷达回波显示出飑线的带状强回波,线状回波上呈现波型特征;在数值模拟结果中看到在系统发生的带状区域内有多个中尺度涡旋存在,在飑线内有中尺度涡旋簇和弓形回波。

一次强风切变过程的分析及成因讨论

2006年6月21日09:04南京禄口机场监测到较强风切变。龙王山(南京)多普勒天气雷达观测图上显示,此时恰有一直径为50 km的对流云团自西向东经过禄口机场。南京市地面自动气象站的观测也表明,此时在南京地区近地层气流出现急剧变化。利用多普勒天气雷达资料对风暴进行立体结构分析,并结合地面自动气象站资料分析得知,这次过程在3 km以下的低层有水平方向的风切变,在1 km高度处有垂直方向的风切变。从多普勒天气雷达的垂直积分液态含水量产品能够更直接地看到对流云团的发展过程,这有助于预报风切变发生的位置。这次雷暴系统中宏下击暴流引起的高空气流下沉,至地面后向两侧辐散,造成水平方向及垂直方向都有强风切变存在。

准线形对流系统中强度—速度负相关性的特征研究

准线形对流系统(如飑线、弓形回波)是常见的强对流性系统,伴随它出现的一般是大风、旋风甚至冰雹等严重的灾害性天气现象。弓形回波有的是由一个单体产生的,也有嵌套在飑线或其他线形系统中,作为整个线形回波的一个部分。弓形回波能在很长的带上产生灾害性的直线风。在我们的研究中发现,准线形对流系统中,反射率因子(R)和径向速度(V)之间存在一定的负相关性,对发生在中国东部地区(24.5°—34.29°N,116.01°—119.52°E)的16个个例进行统计分析,发现在这些系统中都存在这种R-V负相关的特征,负相关的程度随高度有规律性的变化。通过对2006年6月29日个例的风场分析证实这种特征确实存在。对流系统与雷达射线方向接近垂直时,R-V负相关特征明显,这是因为该方向上,观测到的径向速度近乎等于实际风速,数值最大;而因垂直运动造成的水平风速减小并不因探测位置的不同而有很大变化。文中通过分析,推断R-V的这种负相关性与准线形系统中对流的强弱、中层径向辐合的强弱以及后向入流都有很大的关系。

基于AWOS数据的南京禄口机场低能见度特征统计研究

利用南京禄口机场2011 2016年分钟级地面观测数据对禄口机场低能见度现象进行分析,统计低能见度天气发生的时间分布特征;分析其他气象要素与能见度的关系,归纳低能见度天气下各气象要素的阈值,建立低能见度天气的预警指标。结果发现,禄口机场发生低于2 000 m能见度现象时,逐月平均相对湿度均超过90%,表明禄口机场低能见度主要是由雾造成的。禄口机场能见度表现出明显的季节、次季节变化特征,呈现双峰双谷结构,4月及7、8月为两个峰值,6月及12月和次年1月为两个谷值。这种特征的形成与近地层大气的温度、湿度、层结有密切关系。能见度分布具有较为明显的日变化特征,凌晨至早晨能见度最低,午后能见度达到最高,秋季能见度的日变化幅度较大,冬季低能见度可能出现的时间分布范围广。通过分析发现能见度与气象要素之间的关系复杂,并不呈现某种线性关系。分析不同等级低能见度天气对应的气温、温度露点差、水平风速范围,发现气温在不同月份有较大差异,温度露点差及水平风速的范围较稳定。

江苏沿江地区一次强冰雹天气的中尺度特征分析

利用常规气象资料、卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料,对发生在江苏沿江地区一次强冰雹天气形势背景、环境热动力条件、强冰雹发生前地区环境场变化、超级单体雷达回波中尺度特征等进行了详细分析。结果表明:(1)在东北冷涡槽后干冷气流影响下,中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结,高低空急流以及地面辐合系统的配置为此次强对流天气的产生提供了有利热动力条件;高CAPE值、逆温层、低层适当水汽条件及较强的深层垂直风切变有利于强冰雹天气的发生。(2)利用多普勒天气雷达、风廓线仪数据反演垂直分布的物理量场(平均散度、平均垂直速度、相对风暴螺旋度、垂直风切变)能够反映本站上空环境场的快速变化情况:强对流系统移入本站前雷达站上空逐渐调整为低层辐合、中高层辐散的风场配置结构,螺旋度和垂直风切变数值逐渐增加,表明环境场有利于强对流系统的维持发展。(3)强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外,持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。应用双多普勒雷达风场反演技术揭示了超级单体内部环流结构:低层气旋性旋转,中层旋转加强,高层风场辐散。超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于支撑空中大冰雹的增长。

雷达径向速度资料同化中不同坐标转换方案的对比试验

利用江苏省气象局与美国强风暴实验室联合开发的高精度数值分析及预报系统(Precision Weather Analysis and Forecast System,PWAFS)对雷达资料同化中径向速度资料的两种坐标转换方案进行对比分析。Grid方案将雷达径向速度资料通过最小二乘法从极坐标映射到模式三维网格;Tilt方案将雷达径向速度资料通过双线性插值在水平方向插值至标量水平网格,但在垂直方向不进行插值,保留在雷达仰角对应的高度上。两种方案对反射率资料的处理均是插值到模式三维网格点。Grid方案在近雷达处进行平滑,在远雷达处进行插值,会导致低层数据平滑,Tilt方案减少了雷达径向风观测垂直插值引发的误差,更多的保留了雷达观测的特性。本研究分别通过龙卷、大风及梅雨锋暴雨个例对这两种方案的同化结果进行对比分析。龙卷个例中Grid方案得到了部分虚假的较大的同化风场,Tilt方案结果清楚展示了龙卷发生位置的回波及流场的精细结构。大风个例中两种方案得到的最大风速值差3 m·s^-1,Tilt方案的结果更接近观测最大风速值,且得到的大风速区分布更符合观测。梅雨锋暴雨个例中Grid方案对东北及西南两个区域的大风速区均未能很好的反映,Tilt方案得到的水平风速大值区范围明显优于Grid方案。在靠近雷达中心的低层,观测资料密集,Tilt方案能够更好的反应实际大气状态。但是因为缺乏其他观测资料进行验证,两种方案的效果还需要利用数值预报或其他方法进行对比。

南京地区初夏一次阵风锋过程的分析与识别

阵风锋过程一般伴随中尺度强对流系统发生,在近地层形成很大的阵风及风切变,容易造成风灾,特别是对航空部门有很大的影响。本文对2006年6月29日发生在南京的一次由强中尺度对流系统引发的阵风锋过程进行分析,通过多普勒天气雷达资料以及地面中尺度观测网观测到的实况,可以清楚地看出这个阵风锋系统的结构。当阵风锋经过时,地面测站观测到明显的风向变化、风速增大、气压增强、温度下降,而后出现强降水等特点,这些都符合阵风锋的结构特征。利用地面测站实时观测到的气压、相对湿度、温度等计算得到折射指数,它在阵风锋刚经过时迅速增大,而后随阵风锋外移逐渐减小,但是因为阵风锋后对流系统的影响,折射指数还要维持很长时间的高值。从雷达观测的反射率强度上能看到阵风锋位置的回波强度、高度都比两侧要大,与后方强对流系统之间的距离有5～10 km。对雷达观测到的径向速度进行反演,可看到上层的速度大于近地层速度,并且强速度中心靠前,在近地层形成向后的气流（回流）。阵风锋在多普勒速度场中表现出明显的线状组合切变,利用阵风锋的这个特点设计自动识别算法,能够有效地对阵风锋进行识别,组合切变也能有效地对阵风锋的发展以及移动作预报。

数字天气雷达虚拟终端的硬件和软件设计

设计了一套基于PC机的数字天气雷达虚拟终端系统,用普通的PC机代替传统数字天气雷达信号处理分机[1,2]直接完成雷达信号处理和实时显示。该系统在硬件方面,设计了基于PCI总线的三通道高速数据接收卡,以满足大容量数据高速传输要求;在软件方面则利用高级语言(C++)和虚拟设备驱动程序(WDM)技术开发了一套基于WINDOWS2000/9X操作系统的实时处理软件,以此控制数据接收卡和雷达工作,并完成信号处理和实时显示。实际应用表明,该系统结构简单、界面友好、操作方便、便于升级,完全能够实时、高效地处理常规天气雷达信号,而且处理后的雷达回波层次清楚,具有较高精度。本研究也为虚拟终端应用到多普勒天气雷达打下了一个良好的基础。

分类型最优法在江苏沿江地区降水估测中的应用与讨论

为提高现有天气雷达产品生成模块中处理系统算法精度、并为其他短时临近预报系统或数值预报模式提供合适的Z-I关系为目的,选择江苏沿江地区作为试验区域,采用分类型最优法建立相应的Z-I关系,并比较分类型最优法与单一Z-I关系对过程雨量和分段雨量的估测能力。结果表明:分类型最优法比单一Z-I关系法明显提高过程雨量估测的精度,梅汛期降水估测精度提高近2.5倍,夏季台风降水估测由低估72%降低至低估45%。对不同雨量段进行估测比较后发现,分类型最优法对强降水雨量段改善较为明显,对雨强>10 mm/h的梅汛期对流云降水和台风降水所有雨量段的雨量估测改善明显。最后在气候统计的基础上,通过改进雷达估测降水产品色标数值等级,以达到优化雷达估测降水产品图像的显示能力。

辽宁省7～8月降水回波特征

为配合辽宁省夏季人工催化积云试验，沈阳、鞍山雷达和雨量站网在2002～2003年7～8月进行了系统的观测。本文利用雷达资料，分析了辽宁夏季降雨回波类型，并重点研究了积层混合云降水的主要特征。结果得出，辽宁夏季冷涡天气系统降水和江淮梅雨一样，以积层混合云降水为主，大到暴雨常属于强积层混合云降水。

区域生长法在多普勒天气雷达速度场分析中的应用

随着多普勒天气雷达技术的诞生及其迅速发展,多普勒天气雷达速度场资料在强对流天气系统分析、数值模式资料同化中的应用越来越广泛.但是由于采样的限制,尽管在硬件上已经采用了双PlusRepeatFrequency技术,但多普勒天气雷达能探测的速度范围依然有限,常常在大风区会出现多普勒速度模糊现象.这给资料分析、风场反演和资料同化带了很多的困难,因此解决资料中出现的速度模糊问题已经越来越重要,通过风场分片光滑的性质,提出了区域生长法在多普勒天气雷达速度场分析中解决速度模糊现象的技术.最后以目前全国布网的CINRADSA型多普勒天气雷达探测资料为主,进行了大量的试验,结果证明该方法能较好的退出多普勒速度场中的速度模糊现象.

单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法

文中提出的EVPP(Extended Velocity Plan Processing)方法是根据风场连续及局部分片光滑的性质,假定在一很小的分析窗内风矢量保持线性变化关系,使得在分析窗内反演得到的风场在矢径上的投影与实际观测的多普勒雷达径向速度场之间的误差达到最小,并利用零速度线这一特点对问题的求解做出约束,使得所得解尽可能达到全局最优,即:(1)利用变分的思想求出水平风速的大小及方向;(2)利用风场局部分片光滑,对风的方向做出矫正。虽然由于风场受到线性假设这一限制,使得其使用的范围得到了局限,但是在本文中利用零速度线这一特征使得反演的结果得到了进一步的提高。文中利用模拟的理想个例和实际观测到的个例分别进行了研究分析。为了证明其理论的可行性,首先我们利用三维冰雹云模式模拟了辽宁2005年7月8日的一次冰雹云过程,考虑到个例的代表性,我们选择了辐合、辐散、旋转以及均匀风场等4种类型的流场结构进行了模拟分析,同时为了验证该种方法对于资料质量的依赖性以及噪声的敏感性,我们在理想质量中加入了随机噪声。从对模拟风场的反演,证明了该方法理论上的可行性,而且噪声对其结构的影响不大。然后针对台风、飑线、强对流等实际天气过程作了进一步分析。最后对反演结果进行了误差分析,结果表明这一方法能较好地反演出中尺度系统的水平流场结构。

一次夏季雷暴天气过程中闪电活动特征分析

利用探空资料、多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年7月30日发生在南京地区一次雷暴天气过程的雷达及闪电数据时空演变特征。结果表明:对流有效位能Ecap比起K指数(IK)等对于对流潜势预报具有更明显的指示作用,0℃层和-10℃层高度的降低有利于雷暴云的雷电活动;整个过程以负闪为主导,闪电强度越大,闪电频数也越高,每次闪电峰值后,都对应一次谷值;闪电数据与多普勒天气雷达回波叠加后分析发现,回波的生消演变对应着闪电频数和强度的生消演变,负闪主要落在强回波中心区域,正闪零星分布于回波强度梯度较大的区域;雷达径向速度图像特征变化更能揭示闪电发生发展的机制,逆风区对应雷暴中心区域,不仅是强降水的中心区也是闪电的中心区,对逆风区的识别监测能够更好的指导雷暴预警报工作;利用雷达数据计算的云底动能施力参量,能够很好的描述支持闪电起电的热动力特征,云底动能施力对雷电增长的贡献有一段持续传输过程,该参量峰值比频闪峰值和强度峰值都约有0.5 h的提前量。

基于VAD技术的迭代法在实测多普勒速度缺测区域的填补研究

多普勒天气雷达径向速度场缺测区域的存在是影响速度二次产品算法精确度的重要因素,在实际风场为线性分布的假设条件下,文中详细介绍了一种基于VAD技术的迭代填补技术。在合理考虑迭代约束条件的情况下,应用实测多普勒速度数据,根据缺测区域类型随机制造非连续累积10°-180°缺口的缺测区域和连续累积10°180°缺口的缺测区域进行填补试验。与原数据进行对比分析表明,该方法适用于非连续累积缺口180°以内的缺测区域以及连续累积缺口110°以内的缺测区域,平均绝对误差约在2 m/s以内,填补效果良好。另外,在同时满足线性插值填补法和迭代填补法的前提条件下,对比结果表明两种方法精度可信度均较高,相对于插值法对速度数据正负交替的敏感性,迭代法适用范围更广。

阵风锋自动识别算法的试验研究

利用江苏省6部S波段全相参多普勒天气雷达测得的2007-2011年28个阵风锋观测实例,检验多普勒天气雷达的阵风锋自动识别算法的效果。该算法主要包括熵函数模板的反射率强度边界识别、风切变算法,并综合依据径向速度及谱宽进行阵风锋识别。在阵风锋的识别中,多普勒速度的径向切变有利于判别雷达波束垂直于阵风锋边界的辐合,旋转切变可更好地显示平行于波束的阵风锋边界。在参与检测的28个个例中,成功检测出的有13个;因雷达资料质量影响,7个个例检测出部分阵风锋;8个个例未检测到阵风锋。经过检验,该算法的识别效果较好,但仍存在一些不足,需要进一步完善雷达资料的质量控制,和对低层弱切变特征的提取研究。

一次阵风锋过程的数值模拟与分析

利用中尺度数值模式ARPS,模拟了2006年6月29日发生在南京的一次由强中尺度对流系统引发的阵风锋过程,并分析了该过程的天气形势。结果表明,在对流系统经过南京站之前,近地层出现了明显的逆温,当对流系统经过南京站时中低层湿度一直在加深;背景形势显示有中低层急流和垂直风切变。在这次数值模拟中,虽然未模拟出阵风锋的细线回波,但是较成功地模拟出雷暴单体前侧的下沉出流、冷出流与环境气流形成的辐合上升气流,以及辐合上升气流处对应阵风锋发生的位置。

2017年6月上旬江苏南部一次极端暴雨过程分析

从环流形势、弱冷空气影响、大气稳定度、水汽收支等方面分析了2017年6月上旬江苏南部的一次极端暴雨过程,并与该区域同期其他暴雨事件进行了对比。结果表明,暴雨区位于加强的200 hPa西风急流入口区的右侧,偏强的副热带高压西北侧的西南气流与东北冷涡西南侧的西北气流交汇及850 hPa异常的风场切变是造成本次强降水过程的重要条件,中层弱的干冷空气入侵对降水有增幅作用,32.5°N附近江苏西部冷平流和冷锋锋生强度明显强于东部,造成江苏南部西侧降水强于东侧。暴雨区存在明显的条件性对称不稳定,水汽水平辐合强度、垂直输送强度、总的水汽辐合强度和垂直上升运动及潜热加热强度为其他年份同期暴雨过程的3倍,极端性明显。此外,本次过程中气旋的移动路径易导致江苏南部地区出现强降水。

湖南资水流域切变线天气形势下中β尺度对流系统的数值模拟研究

本文对湖南资水流域700hPa层呈现相似切变线天气形势的两次天气过程进行了研究,其中一次是2001年6月19日08BST出现大暴雨,另一次是2001年8月13日08BST至14日08BST仅出现小雨,文中对这两个个例进行中尺度数值模拟,对比分析了这两个个例演变过程的差异,并对6月19日中β尺度对流系统在暴雨强盛期的动力结构特征和热力结构特征作了详细分析。研究结果表明6月19日在演变过程中生产的中β尺度对流系统引发了这次暴雨,而8月13日虽然有类似于6月19日的切变线,但是没有形成中β尺度对流系统,也就没有引发暴雨。由此表明,相似的700hPa形势可以有根本不一样的演变,而暴雨的发生与中β尺度对流系统的生产和发展有十分密切的关系。

南京空域一次高空致灾冰粒过程的可预报性分析

利用常规天气分析、雷达资料分析及数值模拟对2011年8月10日南京附近一次引发航空灾害的对流天气过程进行了研究。结果表明,对飞机受损部位检查后推断此次灾害由雹击造成,但是地面未观测到冰雹。当日南京处于副热带高压外围、河套低涡槽前的西南气流中,且位于低层切变线附近,具备发生强对流的潜在条件。垂直方向水汽呈上干下湿分布特征,利于形成冰雹。雷达资料也分析出此次对流系统发展高度较高,核心反射率因子强度较强,垂直累积液态水含量及冰雹指数都较高。从雷达反射率分析得到中气旋、中层径向辐合等特征。此次对流系统的流场结构及动力配置与典型冰雹云一致。此次过程为多单体风暴引发的高空冰雹/霰过程。冰粒子尺寸小,产生高度高,地面温度高,导致冰雹在下降过程中融化。

典型强龙卷风暴中的地闪活动特征

闪电活动对于强龙卷天气的发生有一定的指示作用,基于闪电定位资料,结合多普勒天气雷达、探空和ECMWF再分析资料对两次典型强龙卷风暴中地闪的时空演变、雷电流强度及正地闪活动特征进行了统计分析,结果表明:地闪主要发生在组合反射率因子≥30 dBZ的区域内,龙卷发生期间,地闪活动减弱且较为分散。不同龙卷风暴的地闪频次差异较大,这与风暴中上升气流的强度有关;当地闪频次从峰值降至最小值期间,龙卷及地,两次过程中地闪频次峰值分别提前龙卷发生约33 min和28 min。同时,龙卷及地之前,地闪会出现连续多次闪电跃增;龙卷等级越强,正地闪表现越活跃,特征越明显,在江苏盐城阜宁龙卷发生期间,还出现了地闪极性从正地闪主导向负地闪主导的反转;两次龙卷风暴雷电流强度随时间的变化规律并不明显,但均小于历史平均值,地闪发生愈频繁的龙卷风暴,对应的雷电流强度值愈小。