阵风锋自动识别与预警

根据阵风锋的回波特征,该文设计了阵风锋自动识别算法。在速度场中,考虑辐合线识别;在强度场中,考虑窄带回波识别;根据窄带与辐合线的空间一致性,综合二者识别出阵风锋。基于该算法,以锋线闪烁和物理量输出两种方式实现了预警功能。最后利用地面自动气象站资料和2009年6月3日河南商丘、郑州及2009年6月5日安徽阜阳3个雷达站探测的阵风锋98个体扫样本资料检验了识别效果,并采用临界成功指数进行评估。结果表明:双向梯度法能有效滤除大范围降水回波而保留窄带回波;该算法只需考虑较低仰角层,大大提高识别效率。在速度场中采用的算法能有效识别出径向辐合线,同时也适用于低空径向风切变和辐合线的识别;利用临界成功指数对98个体扫样本进行识别率评估,识别率达到68.4%。

1.55μm激光雷达高原机场下击暴流探测应用研究

为了探究激光雷达在湿下击暴流天气时的风场探测效果和低空风切变识别能力,采用多元资料结合具体事件进行理论分析和数据验证的方法,利用西宁曹家堡国际机场的测风激光雷达数据,结合地面观测记录,对2021-05-18的一次湿下击暴流过程进行了分析和研究。结果表明,下击暴流具有复杂的风场结构,主体到达机场前,首先造成了超过14 m/s的外流,并与环境风耦合形成逆风切变辐合线,且最强外流区位于辐合线后侧1 km~2 km;下击暴流抵达跑道上空时,造成了地面辐散风场,辐散中心风速远小于外流边缘且垂直气流存在着剧烈变化,下击暴流共持续约10 min;测风激光雷达对雷暴云内部垂直气流分布、跑道区域下击暴流辐散风场的水平和垂直结构以及地面风场辐合线的形成和演变均有良好的识别效果,交互使用雷达不同探测模式和数据产品有利于机场低空风切变的监测和预警。该研究为激光雷达在下击暴流风切变预报和研究中的应用提供了参考。

基于云雷达资料的那曲对流云粒子相态识别研究

本文利用第三次青藏高原大气科学试验的Ka波段云雷达资料,结合微波辐射计和探空资料,提出了以模糊逻辑算法为框架的相态识别方法,并利用那曲两个典型对流云个例对方法效果进行了分析。通过与前人方法的对比和对不同相态粒子回波强度谱的统计,进一步验证了本文方法的可靠性。结果表明:利用雷达功率谱资料反演下落末速度并代替径向速度作为相态识别的参量之一,可提升对流云内粒子相态分类结果的合理性。零度层亮带和抬升凝结高度参量的使用,能够进一步优化相态识别的初步结果。固态云粒子的下落末速度远低于相同反射率因子的降水粒子,多模态/多谱峰的谱形态特征能够帮助识别混合相态粒子。

深圳X波段双偏振相控阵雷达降水估测算法效果评估

为验证X波段双偏振相控阵雷达的降水估测能力,利用2020年深圳市X波段双偏振相控阵雷达探测资料和广州市S波段双偏振雷达探测资料,建立基于双偏振雷达参量强弱(即ZH、ZDR和KDP)的本地化混合降水反演方法,对不同降水使用最优的雷达参量进行定量降水估测,统计广东龙门县2016年雨滴谱观测资料,得到降水估测公式中的系数,分析不同时间、空间和降水强度下降水个例,利用本地化降水反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料对比。结果表明,高时空分辨率的X波段相控阵雷达可以提高降水估测精度。X波段相控阵雷达在高时间分辨率下,其估测降水强度变化趋势和自动站观测的降水强度变化趋势一致,并且对降水强度小于40 mm/h的降水估测较为准确。在最大观测范围内,X波段相控阵雷达能观测到低层的气象信息,其降水估测的评估结果优于S波段雷达。X波段相控阵雷达对暴雨以下的降水估测更加准确,对暴雨以上的降水估测结果误差较大,可信度不高。

利用双偏振参量估计降水粒子下落末速度及三维风场反演的应用

降水系统三维风场反演的关键问题之一是准确地估算降水粒子下落末速度(W_(t)),为了探究双偏振雷达估计W_(t)的能力,利用广东省龙门地区的雨滴谱数据,建立了W_(t)与S和X波段双偏振雷达观测量的关系,并且将其应用于广州和韶关两部雷达的风场反演。对华南地区2019年4月发生的一次飑线过程进行风场反演试验,分析讨论了此次飑线过程的风场结构配置,并探索了利用不同方法估算的W_(t)在反演出的风场结构上的差异。结果表明:S和X波段雷达通过回波强度(Z H)和差分反射率(Z DR)估算W_(t),其函数形式为幂函数和一次函数,通过Z DR估算的W_(t)均方根误差相较利用Z H估算的W_(t)均方根误差更小、相关系数更大,因此通过Z DR估算的W_(t)的效果更好。此次飑线过程主要从西北向东南方向发展,风场主要是西风和西南风,在飑线前部弓状回波区域内存在明显的辐合区,垂直结构是低层辐合、高层辐散。对比利用不同方法估算W_(t)得到的三维风场,其水平风场变化主要集中在±1 m·s^(-1)的范围,水平经向风速的变化(Δu)主要是正值,水平纬向风速的变化(Δv)主要是负值,垂直方向上风速的变化(Δw)集中在±0.15 m·s^(-1)内,主要是正值,低层Δu、Δv、Δw较高层小。研究结果为降水系统三维风场反演及垂直速度反演提供了参考依据。

藏东南墨脱地区云中过冷水的毫米波雷达观测

云中过冷水识别对于人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,但过冷水的识别一直是气象探测中的难点,毫米波雷达是连续探测云结构和物理特征的有效工具。利用布设在藏东南水汽通道入口处墨脱地区的Ka波段毫米波云雷达基数据,结合微波辐射计温度资料,采用基于模糊逻辑法、阈值法进行过冷水识别,识别出的粒子相态包含冰、雪、过冷水及混合态。并利用同址的微波辐射计的液态水路径(liquid water paths,LWP)对墨脱云雷达观测的两个层积云过程的过冷水识别效果进行了分析和初步验证。结果表明:模糊逻辑法和阈值法识别的过冷水基本合理,但模糊逻辑法可以识别更多的过冷水,从定量分析来看,模糊逻辑法相对于阈值法识别的LWP更接近于微波辐射计。藏东南墨脱地区层积云中过冷水的微物理参数与其他地区较为一致,有效半径主要位于7~15μm,液态水含量(liquid water content,LWC)主要分布在0.01~0.3 g/m^(3),但墨脱地区过冷水的分布比其他地区更为丰富,往往云顶、云底及云中同时存在过冷水。

新形势下《中小尺度天气学与强天气》课程教学改革与发展探讨

《中小尺度天气学与强天气》是大气科学专业本科课程之一,也是了解中小尺度天气系统特征和形成机制的基础课程。新形势下的防灾减灾政策对天气预报的精度和准确度提出了更高的要求,这要求大气科学专业人才对造成极端天气的中小尺度天气系统特征和形成机制有深入的了解。因此,新形势下的《中小尺度天气学与强天气》课程的教学改革对于大气科学专业人才的培养具有重要意义。本文基于该门课程的教学现状,从课程内容设置、教学方法改善和课程教学模式变革等方面,探讨了该门课程教学改革和发展的可能途径,旨在为《中小尺度天气学与强天气》课程的本科教育教学提供参考。

某V形稀柱大跨梁式转换高层结构设计

作为一种大跨转换高层钢结构,某展览中心具备其首层柱网大、V形斜柱造型及局部梁抬柱等特点,整体呈现出梯田式建筑风格。由于结构形式复杂,该建筑主体存在扭转不规则、楼板不连续及塔楼偏置等多项技术难题。为保障结构安全的同时得以实现建筑创意,论文结合两种有限元分析手段对结构主体进行小震弹性对比分析,并利用SATWE进一步获取小震弹性时程分析及大震弹塑性分析,进而帮助确定抗震设防参数、计算假定、性能目标及加强措施等多种因素对结构安全的影响。

双偏振天气雷达测雨误差及水凝物识别分析

利用北京2011年12次降雨过程的C波段双偏振天气雷达资料和自动站雨量资料,统计了不同雨强下的差分反射率因子ZDR、差分传播相移率KDP、相关系数ρhv值分布,重点对4种雷达测雨方程的测雨效果和误差进行了分析,并运用实例分析了双偏振产品在水凝物识别中的应用。得到了如下结论:①随着雨量的增强,ZDR、KDP和ρhv逐渐变大;冰雹对应的ZDR为负值,KDP比大雨大但小于暴雨;小雨到暴雨ρhv都超过0.90,冰雹的平均ρhv最小,仅为0.804。②对于4种雷达测雨方程,在小中雨时均高估了雨强,在大雨时均低估了雨强,但3种含KDP、ZDR的测雨方程比I-ZH方程的低估误差要小,在短时暴雨时,这3种方程的估测效果有明显的提高,4个方程中I-KDP-ZDR方程的估测效果最优,稳定性最好。③水凝物识别实例分析表明,利用双偏振产品可以更直接有效地判断冰雹等水凝物,能清晰地揭示出零度层亮带上下的水凝物相态并判断出零度层亮带高度。

Ka波段毫米波云雷达数据质量控制方法

针对国内首部固态、多观测模式体制的Ka波段毫米波云雷达观测资料,提出速度模糊、噪点-径向干扰杂波和悬浮物杂波的质量控制方法,并对方法效果进行了检验和分析.结果表明,该方法具有很好的成功率和稳定性,15个云过程检验的退模糊成功率都达到100%;能准确判断出速度模糊和类型并纠正平均多普勒速度和谱宽;能较好地滤除噪点和径向干扰杂波,并对缺测进行补值;能较好去除低空悬浮物杂波,同时保留小尺度的云.

云雷达回波强度谱密度定标及云内大气垂直运动速度反演试验

云内大气垂直运动在云动力和微物理过程中扮演了重要角色,云雷达功率谱数据是其反演的有效数据,但前提必需对谱线的回波强度进行准确定标,其中噪声电平的计算是关键步骤。本文首先提出了一种云雷达功率谱的模拟方法,利用模拟数据定量评估了三种噪声电平计算方法的准确性,对实测谱线回波强度进行了定标。基于以上方法,采用小粒子示踪法反演了2014年6月广东阳江对流云和层状云内的大气垂直运动速度,并提出了假定数浓度和直径下的谱线回波强度临界阈值,利用该阈值对反演结果进行定量检验。结果表明:(1)利用云雷达的高斯白噪声特征和云信号满足高斯分布特征,结合实测数据统计得到的涨落程度,可以模拟出给定谱参数的功率谱,模拟数据与实测十分相近,可作为功率谱定量研究的有效数据源。(2)三种噪声电平计算方法中,分段法的准确性和稳定性最好,最大速度法受噪声起伏的影响,客观法计算结果偏高,当谱宽和多普勒速度较大时客观法和最大速度法误差会达到很大。(3)谱线回波强度临界阈值的检验结果表明,该对流云内所有示踪谱线的回波强度均远小于临界阈值,云内100%距离库为被反演,反演结果可靠;该层状云内,除了少数距离库,大部分示踪谱线的回波强度在临界阈值以下,云内96.23%距离库可被反演,反演结果可靠。

那曲夏季云宏观特征的毫米波雷达资料研究

为提高毫米波雷达对高原地区云宏观参数的观测能力,提出一种改进的反演方法,对比了该方法结果与激光云高仪(CL31)、Himawari-8卫星(HW8)观测结果的差异,并研究了那曲夏季空中云宏观参数的垂直分布和日变化特征。结果表明,提出的方法可以改善以往云边界检测法的云层错位和距离旁瓣回波影响的不足。雷达反演的云底比CL31高、云顶比HW8高,但雷达与二者结果的垂直分布和日变化非常一致。雷达对多层云的云底探测优于CL31,对云顶反演也较HW8可靠。距离旁瓣对不同云类的宏观参数探测都有显著影响。

天气雷达产品色标改进

探讨了天气雷达色标配置规律,提出了两种改进的基本产品色标,利用实例对色标的改进效果进行对比分析。结果表明:改进后的色标可以使强度图的回波过渡性增强、回波中心更突出、阵风锋辨识度增强;速度图能更好显示出大风速区、急流、风切变和速度模糊、零速度线;谱宽图的过渡性增强,能更好反映出湍流强弱。两种改进的色标能有效满足视觉需求,并突出雷达图像中的关键信息。

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。

“天气分析预报综合实验”课程教学中存在的问题及改进措施

通过对近几年大气科学专业"天气分析预报综合实验"课程教学情况分析,发现存在着学生基础不扎实、教师教学方法单一、考核方式有漏洞、师资力量薄弱和学科基础设施更新较慢等问题。针对以上问题提出课程建设建议,以期能起到一定的改善效果。

下击暴流的雷达预警量化指标研究

下击暴流是一种局地灾害性天气现象,对航空飞行安全有极大危害,也会对地面物体造成严重损害。依据下击暴流发生前母体雷暴(下文简称雷暴)反射率因子核迅速下降的特征,基于雷达体扫数据,定义了判断下击暴流发生、发展的"单位面积等效势能"概念,并结合下击暴流期间雷暴速度场中层辐合的事实,设计得到了下击暴流出流强度公式。结果表明:(1)单位面积等效势能值的变化准确反映了雷暴强中心高度变化。(2)相邻体扫的单位面积等效势能差,反映了雷暴能量的释放量,下击暴流发生前1—2个体扫的单位面积等效势能差达到最大,这反映了下击暴流的爆发;可通过设置单位面积等效势能的释放量为30%,预警下击暴流的发生。(3)单位面积等效势能的释放能够提前6—12 min预警出下击暴流的发生,并通过出流强度公式量化由下击暴流产生的地面大风值。预警风速的误差由雷暴距雷达的距离决定,距离越近风速误差越小,反之亦然。(4)对6次下击暴流预警结果表明,该指标能够准确预警下击暴流的发生,而出流强度受雷暴识别参数的影响较大,远距离误差较大。

不同波段垂直指向雷达功率谱密度对比

衰减对回波的影响是雷达探测中的一项重要课题,常用订正方法还有很大提升空间。由于垂直指向雷达观测的功率谱数据包含了非常丰富的微物理及动力信息,该文尝试在功率谱层面对衰减影响机理进行深入讨论,以期改进衰减订正方法。对2014 2016年广东阳江和广东龙门获取的Ka波段毫米波雷达、C波段调频连续波雷达、Ku波段微雨雷达功率谱数据进行对比表明:3部雷达功率谱谱型基本一致,具有一定可靠性。米散射效应反映在功率谱上即经过某一速度后回波强度谱密度的陡降,当降水下落末速度达临界速度时,会对衰减量的计算造成影响。雷达波长越短,受衰减影响越大,衰减对功率谱的影响表现为谱的整体下移,最终导致回波强度小于真值。对于对流云降水,单纯使用经验订正公式获得的结果可能与真实值相差很大,此时需要考虑降水粒子谱分布,在功率谱层面上对订正进一步改善。

青藏高原气象研究

高原涡的气象特征与结构研究高原涡是夏半年发生在青藏高原上空的一种α中尺度的浅薄系统,是夏季高原地区的主要降水系统,研究高原涡的气候和结构特征,对于认识其形成发展机理及其监测预报具有重要意义。利用新一代再分析资料CFSR,对青藏高原地区2000-2009年4-10月出现的高原涡进行分析:高原涡主要出现在5-8月,7月最多,大部分高原涡持续时间较短,平均持续时间约为15 h。

基于科研导师制度的实验教学模式创新探讨——以“数值天气预报”和“雷达气象学”本科教学为例

基于科研导师制度,提出对现有本科实验教学模式的创新探讨,将气象观测和数值天气预报教学与导师科研工作有效融合的教学形式,可使学生的学习动力及效率、专业知识综合应用,以及气象业务能力等方面均显著提升;科研论文、创新大赛成果较以往更为丰硕,形成“教”“学”互助的良性循环机制。创新性实验教学理念和方法为支持学院学科建设,培养既熟练掌握大气科学基本理论和观测应用技能,又能够在业务单位迅速熟悉气象预报系统的高素质应用人才,奠定了坚实的基础。

北半球环状模变化特征及其对中国冬季气温的影响

平流层异常对于对流层的影响研究，尤其是与中国天气气候的关系已成为近年来的研究热点。首先利用1951-2010年逐月NAM指数（NAMI）序列，采用小波方法分析了北半球环状模的时间变化特征。结果表明，近60年来，尤其是自1970年以来，北半球环状模NAM指数一直呈现持续增长趋势，并存在15a的年代际振荡周期，在1970s前8a的年际振荡明显。进一步挑出9个NAM指数强值年和8个NAM指数弱值年，结合中国160台站的气温资料和NCEP／NCAR再分析资料，探讨NAM指数变化对中国冬季气温的影响。结果发现，在NAM指数强值年，相对于NAM指数弱值年，中国北方、东部地区尤其在东北南部和华北地区气温偏高，西南的大部分地区气温偏低；NAM指数与中国东北冬季气温呈明显的正相关，同期相关性最好。