一次飑前降雹超级单体分裂过程的雷达回波及流场特征分析

2019年4月23日浙江南部发生一次明显的超级单体分裂过程,为研究超级单体风暴分裂特征,利用多部雷达构成的双雷达三维风场反演组网技术,结合雷达基本产品、风廓线雷达及探空资料对此次分裂过程做了分析。该超级单体风暴在较强的风垂直切变环境下(地面—500 hPa大于15 m/s)发生,形成于飑线主体弓形回波前端,具有明显的三体散射特征且持续时间较长。分裂从初始风暴的北侧中层开始,然后迅速向上、下伸展,左移超级单体具有明显的中反气旋涡旋结构,呈现由悬垂、强回波柱、强上升气流配合构成的典型超级单体结构,与右移超级单体无论在形态或是流场结构上都形成近似镜像对称的特征。在两者即将分离时,两风暴均发生了降雹,对应强下沉气流。在新风暴分裂形成的发展阶段其垂直廓线中最大垂直速度和最大负散度均在增大,而对应时段原风暴这两个物理量数值减小;整个分裂过程两个风暴正、负涡度数值均一同逐渐增大,气旋—反气旋涡旋的旋转程度变大趋势一致。低层风垂直切变矢量随高度上升逆时针旋转,分裂的左移反气旋超级单体加强发展,右移的气旋式超级单体受到一定抑制,与理论研究结论一致。该个例雷达反演的风场特征与径向速度分布吻合,反演风场基本可靠,为直观理解超级单体风暴分裂的动力学特征提供了进一步参考。

基于对流风暴结构的双偏振雷达Z_(DR)柱识别及应用研究

双偏振雷达观测到的垂直伸展至环境0℃层之上的柱状差分反射率因子增强区(即Z_(DR)≥1 dB),被称为Z_(DR)柱。Z_(DR)柱可以提供对流风暴上升气流的位置和强度信息,是分析对流风暴演变的有力工具。为了实现对Z_(DR)柱的自动识别并提供用于对流风暴预警的诊断信息,基于对流风暴的三维形态特征,使用厦门双偏振雷达观测数据设计了Z_(DR)柱识别算法,并提取Z_(DR)柱形态参数。结合地面观测资料,探索Z_(DR)柱形态参数在对流风暴定量化分析领域的应用。研究表明:(1)强风暴和非强风暴在Z_(DR)柱形态参数上存在统计学上的明显差异,这为预报员据此判别两类对流风暴提供了参考依据。当Z_(DR)柱深度达到1500 m后,至少有60%的雷达体扫个数与强风暴相关。Z_(DR)柱体积、质心高度和最大Z_(DR)值的阈值达到20 m3、500 m和3 dB时,这一比例分别达到70%、70%和50%。(2)Z_(DR)柱的演变可较好地指示对流风暴的发展过程,其形态参数的极值早于强对流天气现象出现。在连续性强对流天气过程中,Z_(DR)柱的再度发展预示着对流风暴的再次增强。(3)Z_(DR)柱对于风暴的合并与分裂过程具有预示性。在风暴合并(分裂)过程中伴有Z_(DR)柱合并(分裂)的现象,其中有57%(69%)的过程Z_(DR)柱提前于对流风暴发生合并(分裂)。(4)Z_(DR)柱的位置与对流风暴的后续传播方向存在相关,可为改善对流风暴移动路径的预测提供参考依据。

两次强对流天气对500 kV输电线路的影响

分析了某500 kV输电线路风偏和倒塔两次事故的气象成因,利用自动气象站的观测风速,结合基于雷达反演的三维风场,获得线路事故区域的风速分布特征:两次事故周边自动气象站观测的最大风速和极大风速偏小;雷达反演的三维风场对事故出现地点和时间均有较好的指示,导致输电线路倒塔的强对流天气与导致风偏的强对流天气相比,具有更高的回波高度、更强的上升气流,其反射率因子核心高度在6 min内下降了3.5 km以上,造成更大的地面破坏,但其局地性强,影响范围较小。分析结果表明:目前的线路设计风速在导致风偏的强对流天气下是偏安全的,但也要尽量避开可使风速放大的不利地形;对于可导致输电线路倒塔的微下击暴流,建议以“防串倒”为主要思路;在强对流天气影响下,观测风速计算的阵风系数明显大于相关规范中的取值。

三雷达、双雷达反演降雹超级单体风暴三维风场结构特征研究

为研究降雹超级单体风暴的三维结构特征,利用厦门、龙岩、梅州3部新一代天气雷达(CINRAD/SA)基数据,采用基于动态地球坐标系的双雷达和三雷达三维风场反演技术,分析了2016年4月8日傍晚福建省南部漳州地区出现的一次冰雹过程的回波强度、三维风场及相关物理量分布变化。主要结果为:(1)冰雹云初生、发展阶段,低层水平流场出现气旋性辐合,云体内部形成较强的上升运动。(2)冰雹云强盛阶段,回波顶高度达16 km,其中大于60 dBz的回波高度由5.3 km发展至9 km,最强回波达74.5 dBz,伴随出现最长达25 km的三体散射长钉回波和32.7 km的旁瓣回波。低层水平维持气旋性流场的同时,高层出现反气旋性流场。4—8 km高度内,大于20 m/s的强上升气流持续近37 min。最大垂直速度达51.06 m/s,出现在超级单体悬垂部(约7.5 km高度处)。(3)降雹时段,出现明显的下沉气流。降雹超级单体的三维流场结构表现为:风暴移向前沿低层气旋性气流进入风暴后逐渐倾斜上升,到达风暴顶形成反气旋性气流,并逐渐向下形成下沉气流。(4)系统减弱阶段,出现系统性下沉气流,强回波底及地。双雷达和三雷达能较好地反演降雹超级单体的三维风场精细结构,有助于加深对冰雹云结构的认识进而提高冰雹预报能力。

基于CST软件的零度层亮带成因分析

利用南京信息工程大学C波段雷达和南京市六合区气象局的风廓线雷达观测资料,得到了2014年4月15日层状云降水零度层亮带的基本特征.总结出零度层亮带形成的5个因素,对零度层亮带中的粒子模型进行假设,建立了冰晶、雪、冰水混合粒子和雨滴等10种粒子的假设模型.利用计算机仿真CST软件对10种假设模型进行了理论计算,分析了不同高度下不同模型对应的雷达散射截面(RCS)的变化趋势,模拟了毫米波雷达观测零度层亮带的特征.结果表明,当冰晶融化成冰水混合粒子时RCS值增大;在下降过程中,冰水混合粒子有强烈的碰并聚合作用,粒子尺度增加,使其散射电磁波的能力大大增强;冰水混合粒子完全融化之后,将迅速破碎成小的椭球形水滴粒子,下降速度也会增加,导致单位体积内粒子数目减少,总的散射能力减小.

飑线回波结构与环境风垂直切变的关系

为研究春季和夏季的环境风垂直切变对飑线结构的影响,结合雷达、卫星及探空资料,重点分析了2014年7月27日浙江宁波地区飑线过程的天气背景和不稳定能量垂直结构特征,揭示了产生飑线天气的先兆信息。为进一步研究飑线的回波结构与环境风垂直切变的关系,利用雷达回波的垂直剖面图,对比分析了20140727飑线与20140319台州飑线个例的垂直结构,发现在浙江地区,春季飑线强回波主体有向环境风方向倾斜的趋势;而夏季个例强回波主体无倾斜。暖空气入流上升后的出流方向受高空环境风的影响,春季高空风强,风速垂直切变大,入流上升后在风暴高层向前部出流,类似于中纬度引导型飑线的结构;夏季高空风弱,风速垂直切变小,入流气流上升后向风暴高层的后部出流,类似于热带传播型飑线的结构。为了改进飑线的临近预报水平,计算了20140727飑线的径向散度场。结合回波强度和速度分析飑线的辐合区,可以更准确地预测强对流的位置,揭示回波的生消演变。研究结果有助于深入理解飑线回波结构与环境风垂直切变的关系。

包含三次降雹的雹暴过程地闪活动特征分析

为研究雹暴的地闪活动特征,利用地闪资料与3组双雷达探测资料反演的风场,对包含3次降雹的一次雹暴过程的地闪活动特征及其与雹暴动力、微物理条件的关系进行了分析与讨论.主要结果为:(1)整个雹暴过程中发生了3次持续降雹事件,并伴随着3次地闪活动出现峰值,在降雹前地闪频次均有跃增现象.降雹开始后,地闪频次均迅速减少.(2)整个雹暴过程中对应地闪接地位置的0℃层、-20℃层高度的垂直速度范围分别集中在-2-2 m/s和-10-10 m/s.但3次降雹时段的地闪接地位置分别对应-20℃层高度的强下沉气流区附近、强上升与下沉气流区的交界区和弱的下沉气流区.(3)选取的雹暴内最大反射率(Zmax)、-20℃层高度最大反射率(Zmax_-20℃)、-20℃层高度大于40 dBz格点数(Sum(Z-20℃>40 dBz))3个雷达回波参量与地闪频次变化趋势一致,其相关系数分别为0.64、0.64、0.76.选取的对应地闪接地位置-20℃层高度的最大垂直速度绝对值(|W|max-20℃)和-20℃层高度以上垂直速度绝对值大于5 m/s的体积(|V|5 m/s↑-20℃)两个垂直速度参量与地闪频次成正比,且阶段最大值与地闪频次阶段最大值对应,相关系数分别为0.72、0.65.综合考虑动力和微物理影响的可降冰质量通量(F)与地闪频次的相关最显著,相关系数达0.85.整个雹暴过程发展最旺盛的第2次降雹阶段的地闪频次较低,推测强动力过程作用下的电荷结构特征不利于地闪发生.但动力过程在整个雹暴过程中具有正向支配作用,上升气流变化超前于冰晶质量和闪电频次变化,影响着雷达回波变化.

适用S波段多普勒天气雷达的径向速度自动退模糊方法

径向速度模糊问题限制了雷达速度资料的广泛应用,针对退速度模糊中孤立回波或被距离折叠隔离的回波出现模糊、受杂点干扰影响以及大多算法往往将径向直线作为初始参考等问题,提出了一种新的自动退模糊方法:(1)通过查找0速交界点插值得到两条0速线以进行正、负速度区域的大致分区;正、负分区后,分区域段识别杂点干扰区与非杂点干扰区;对杂点干扰区,逐点判断其是否满足模糊特征条件,对非杂点干扰区,识别模糊边界以圈定模糊区域块进行退模糊,并做遗留点的逐点扫尾退模糊处理。(2)对于未能确定0速线的情况,使用上层记录的0速线信息或搜索符合条件的径向直线0速线。(3)对于仍未能确定0速线的情况,用逐点判断的方法退模糊。利用S波段雷达观测的飑线、冰雹、强台风等事件11个个例3407个速度模糊体扫资料对该算法进行了验证,总体速度退模糊准确率高于98%。利用0速线确定正负分区、识别模糊区域块以及在逐点判断中考虑扩展邻域搜索,有助于孤立回波及被距离折叠隔离回波的退模糊处理,该方法比业务方法更有效,2018年3月4日冰雹个例的速度退模糊准确率高于业务方法10%。对杂点干扰区使用逐点判断方法可正确退去模糊区,使其免受杂点影响。综合考虑上层0速线信息及图像中有助于确定0速线的相关信息,经严格把关和检验,确保0速线的准确性,有益于退速度模糊处理。

双雷达风场反演拼图在登陆台风“莫兰蒂”(1614)强降水精细预报中的同化应用试验

利用福建龙岩、漳州、泉州新一代多普勒天气雷达和厦门海沧双偏振雷达探测资料,采用动态地球坐标系下双雷达三维风场反演与拼图技术,基于天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting,WRF)及其资料同化系统,对登陆台风"莫兰蒂"(1614)引起的2016年9月14-15日福建强降水过程进行了双雷达风场反演拼图资料检验及其三维变分同化对强降水精细预报影响的数值试验,结果发现:(1)动态地球坐标系下双雷达反演风场能合理反映实际风场分布状况,其误差相对较小。相较厦门翔安风廓线雷达及厦门探空秒级测风数据,反演风风向(风速)平均绝对误差分别为7.8°(2.6 m/s)及3.4°(1.1 m/s);(2)反演风场水平方向稀疏化对同化及预报结果极为重要,过密的反演风场资料会给同化及预报结果带来负效果。文中采用18、6、2 km 3重嵌套,在3重嵌套区域均进行同化以及仅在2 km区域进行同化两种情况下,均表现为当反演风场资料水平分辨率提高到0.1°时,同化分析及预报的台风环流开始受到负影响;且当反演风场资料水平分辨率越高时,负效果越明显。敏感性试验结果显示,分辨率取0.2°时数值预报效果最好;(3)以美国国家环境预报中心全球预报系统(National Centers for Environmental Prediction/Global Forecast System,NCEP/GFS) 0.5°×0.5°分析场为初值,基于3个不同起报时刻(2016年9月14日14时、20时及15日02时)(北京时,下同)模拟的福建省境内台风内核雨带和螺旋雨带逐时演变、台风路径与强度、逐时降水TS评分和空间相关差异显著,其中14日14时起报试验效果最好;而14日20时起报试验效果最差,这与该试验初始台风大风轴风速明显偏大有关;(4)在上述3个不同起报时刻试验基础上,分别增加双雷达反演风场资料的三维变分同化后,福建境内地面风场和台风内核雨带、螺旋雨带逐时分布、逐时降水TS评分和空间相关、台风环流结构以及U、V风垂直廓线分布均有明显改善,最大正影响时效可达24 h;但仅对1-6 h时效内台风路径有改善。

基于Spring的气象数据服务系统设计与实现

为使用户便捷、稳定、高效地共享气象数据和服务,设计并实现了面向气象业务应用的数据服务系统。系统基于Spring框架的多层架构实现数据模型、业务逻辑和数据服务,通过REST方式的Web服务为前端应用提供后端支撑。叙述了系统设计思路、技术架构和实现机制,详细分析了Spring框架在组件解耦以及对RESTful Web服务支持等方面的关键技术,并通过浙江台风网应用实例说明了气象数据服务系统在气象业务中的应用效果,表明该气象数据服务系统具有一定的推广应用价值。

基于Silverlight的大风监测系统研究

针对桌面版和传统B/S架构的大风监测系统,存在移植性差、响应速度慢等缺点,采用Silverlight技术在大风监测系统开发设计中的应用进行研究,介绍基于Silverlight技术的大风监测系统的系统框架和功能设计,实现基于Silver-light的大风监测系统。应用效果表明,系统不仅实现大风实时监测可视化,还提供高可用的大风监测数据和丰富的功能。Silverlight技术的运用使得大风监测系统响应更快、表现元素更加生动,操作和用户体验更加友好,具有较好的应用效果。