基于相对风暴径向速度场的辐合区自动识别算法

该文提出一种从相对风暴的径向速度图中自动识别中层径向辐合特征的算法,即相对风暴中层径向辐合特征自动识别算法。算法首先识别出单仰角径向速度图上每个径向的正-负速度段,并按照一定规则对其进行配对,形成径向辐合段;然后在二维锥面上做水平相关分析得到二维径向辐合块,再对二维辐合块进行垂直相关分析,形成风暴的三维径向辐合体,计算其强度、厚度、中心高度等重要特征参数。利用2013年8月18日和2018年8月7日两次非典型“正-负速度区域对”径向辐合特征的飑线雷达资料对该算法进行测试,结果表明:径向辐合特征在相对风暴的径向速度图上的识别效果较原始径向速度场更优。统计分析特征参数与飑线大风的相关性表明:平均径向辐合强度、最大径向辐合强度、厚度与风速之间有较好的线性相关性,且均为正相关,其中平均径向辐合强度与风速之间的相关系数最大,达到0.79。通过算法识别的径向辐合特征可以提前约30 min预警飑线大风。

基于多普勒雷达数据的强辐合场识别方法

为了将对雷雨大风具有较强指示性的中层径向辐合(MARC)自动识别出来,利用"径向矩形映射"将放射状分布的雷达数据转变为格点数据;同时完成窗映射和等腰三角形检测模板的映射,从而在快速定位辐合点的基础上得到描述辐合点辐合强度及位置的参向量;以单仰角最强辐合点确定剖线,获得显示MARC的较佳剖面,得到MARC的深度信息.提出从辐合点生成辐合带,再借辐合带走向订正辐合强度的思想和算法,有效克服单仰角上MARC的低估甚至漏检的问题.测试结果表明,融入订正策略的从辐合点到辐合线再到辐合场的识别方法和量化参量,使通过检出的MARC对实际伴有强辐合现象的雷雨大风的报准率达到94.87%,,平均提前量为20.6,min,空报率低于6%,.

基于多普勒天气雷达数据的中层径向辐合自动识别及其与强对流天气的相关性研究

本文提出了一种从多普勒天气雷达单仰角径向速度图中的正-负速度区域对入手自动识别一类强对流天气的中层径向辐合的方法.首先,根据雷达探测机理,解释了由气流形成的辐合场一定会在径向速度图中形成局部最大正速度区域和局部最大负速度区域的特点,然后构建正-负速度区域对的识别算法,通过来自多个单仰角径向速度图的区域对配准和相关信息,判断雷达径向速度图中是否存在着中层径向辐合,推算辐合的强度、延伸厚度等重要参数,确定得到最优垂直剖面图的剖切方位.经对客观存在显著中层径向辐合的384例样本和不存在明显中层径向辐合的356例样本的测试,本文方法对显著中层径向辐合的识别率达到100%、误识率为0,与人工方法相比,本文方法把对中层径向辐合的识别时间从分钟级缩短到秒级,同时自动给出其强度、高度、厚度、位置等丰富的定量信息和恰当的可视化垂直剖面图.利用给出的参数信息进行了与强对流天气的相关性研究,验证了中层径向辐合与对流行地面大风的较强相关性,同时发现,最强中层径向辐合的高度对区分强冰雹与强降水、中层径向辐合的强度对估计冰雹尺寸具有良好的指示性.

金沙江下游峡谷一次飑线和下击暴流的机理分析

产生极端灾害性大风的飑线对水电站安全至关重要。本文以2016年6月4日金沙江下游白鹤滩水电站峡谷产生13级大风的飑线为例,从天气系统和中小尺度上讨论其形成机制。获得以下结论:(1)飑线到达前,受飑前低压影响水电站气压稳降了9 hPa,气温上升超过14℃。飑线到达时受雷暴高压作用1 h内气压陡升10 hPa,气温骤降超过10℃,相对湿度陡增到70%,伴随短时降水发生。飑线过境后以上要素恢复到原值。(2)天气尺度环流的分析发现,飑线当天水电站在高空急流入口右侧辐散和低空西南涡南侧切变辐合的耦合作用下,次级环流的上升运动为飑线深对流提供了环境背景。飑线前中高层干冷平流叠加在中低层暖湿平流上,加上低空强烈升温增加了气温直减率,积累了对流发展的静力和对流不稳定,为飑线长生命提供了有利环境条件。垂直风速显示峡谷的上空下沉运动增强了动量下传,促进飑线前侧的抬升,正反馈作用下促进风暴稳定发展。(3)昭通雷达探测表明,飑线中30 dBZ以上多单体紧密聚合成带状回波,镶嵌着超过10 km高度柱状发展的50 dBZ以上强回波核。径向速度场上,垂直于峡谷的中尺度辐合线与带状强回波吻合,是飑线的触发机制,对应深厚的中层径向辐合MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)特征。在云体剖面结构上,飑线前强上升运动形成穹窿,飑线到达时高悬的回波核快速下降,形成下击暴流,并诱发顺着河谷的新单体生成,改变了飑线走向,形成顺着的峡谷的极端大风。

浙北一次高空冷涡后部雷暴大风的成因分析

利用区域自动气象站资料、NCEP/FNL再分析资料、多普勒天气雷达产品等,对2020年4月12日出现在浙江北部的区域性雷暴大风天气成因进行综合分析。结果表明:(1)此次雷暴大风过程属于高空冷平流强迫类型。强烈的高低空温度差动平流为雷暴大风提供了有利的热力条件,强垂直风切变有利于对流风暴的维持和发展。(2)雷达回波PPI图上,两个β中尺度对流风暴分别呈弓形和带状回波;径向速度图上的强烈MARC特征、1 km高度以下出现20 m·s^(-1)以上的速度大值区、VWP产品的大风速核下降,都可作为雷暴大风临近预警的参考。(3)降水拖曳和蒸发冷却形成地面冷池和辐合线,辐合线有利于对流云团的维持和发展;对流云团后侧入流急流增强了1 h正变压,同时促使地面辐合线逐渐远离回波主体;在冷池密度流和变压梯度共同作用下形成地面大风,地面8级以上大风主要分布在地面冷池移动前方和1 h正变压中心附近。

多普勒雷达对一次阵风锋的三维结构研究

通过对济南地区一次春季阵风锋的多普勒雷达资料分析,反演出典型的密度流外流边界(阵风锋)的特征,在雷达回波图上表现为一条狭窄的弧状强回波带,强回波带的后方再发展出宽大较弱的回波区。体扫的各仰角速度场显示出阵风锋合理的空间结构;在雷达回波上阵风锋的长度表现为低仰角长,高仰角短,而距离表现为低仰角远,高仰角近。速度垂直剖面上存在典型的中层径向辐合MARC,高度大约在2.5-7 km之间,反映出强对流存在明显的后方中层入流。随着仰角的增大,可以分析出阵风锋是近地面现象。

一次典型飑线过程多普勒天气雷达资料分析

对2002年8月24日发生在安徽的一次大范围飑线过程进行了分析。该飑线影响范围大、持续时间长,产生于对流层中高层槽后干冷空气向南大范围扩散,低层辐合,大气层结非常不稳定,深层大气垂直风切变中等的背景下,在其影响的广大区域产生大风和部分地区的冰雹和暴雨。雷达回波呈现弓形,伴有明显的雷暴出流边界(阵风锋),与弓形回波相对应的多普勒径向速度明显地预示地面大风的中层径向辐合(MARC)。而中气旋的存在,通过加速干冷空气向雷暴内的夹卷,加强了下沉气流。另外,弓形回波前沿中低层存在弱回波区,中高层存在回波悬垂,强回波区延伸到-20℃等温线之上,表明雷暴内上升气流很强,有利于大冰雹和强降水形成。分析还表明雷暴出流边界与雷暴之间距离的变化在一定程度上可以预示未来雷暴强弱的变化。

广西一次飑线大风天气的成因和预警分析

本文利用常规探测资料、多普勒天气雷达资料、自动站观测资料等对2013年3月27-28日发生在广西的一次飑线大风天气过程进行跟踪及监测预警,对其大尺度环流背景、雷达回波特征以及灾害性大风形成原因进行了较为详细的分析与研究。结果表明:此次飑线过程是由高空冷槽与地面高压后部形势所引起的;假相当位温、T-logp图等分析表明广西上空具有较好的热力、动力条件;地面辐合线触发初始对流活动;发展成熟的飑线地面气压场上存在雷暴高压、飑前低压和飑后低压等中尺度特征;飑线大风等灾害性天气出现在地面高压前侧气压梯度大值区和飑线的断裂处;雷达图像上中层径向辐合、反射率因子核心和中层风速大值区逐渐降低以及垂直风廓线图中低层风的转变等特征信息对地面大风天气临近预警有较好的指示意义;降水粒子的拖曳作用和飑线的快速移动都对地面大风的产生及增幅有一定的作用。

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。

两次不同类型暴雪的雷达回波特征分析

利用常规天气资料和雷达资料对辽宁省2次不同影响系统暴雪过程的雷达回波特征及成因进行分析。结果表明:倒槽暴雪和蒙古气旋暴雪的雷达回波特征存在明显差异。倒槽暴雪时速度零线总体呈直线经过测站,风廓线上偏北风冷垫厚(1.5 km),强冷空气南下形成的强动力和持续降温作用触发降雪,虽然低层强冷空气下沉不利于降雪维持,但中层西南风增强和南北风径向辐合造成的辐合上升运动使得降雪维持并产生暴雪;在倒槽暴雪中,冷垫最厚、中低层西南风速最大提前于强降雪5 h,对暴雪预报预警有先兆意义。蒙古气旋暴雪降雪时速度零线由明显的"S"型迅速转为反"S"型,虽然风廓线上东北风冷垫浅薄,但由于降雪过程中总体维持偏南气流,有利于气旋暴雪产生;暖空气沿边界层冷垫的爬升增强了边界层动力作用;基本速度的旋转特征,表明冷暖空气交汇,辐合上升运动加强,当基本速度总体呈现偏北气流特征时降雪接近结束,这和倒槽暴雪明显不同,倒槽暴雪降雪时基本速度始终维持偏北气流特征。

弓形回波造成的一次河北风雹过程分析

2013年6月25日,河北省中南部县(市)遭受严重风雹灾害。利用常规气象资料、地面自动站资料、新一代天气雷达资料、云图等对这次天气过程进行分析。得出:过程发生在高空急流、500 h Pa西北气流、低空冷涡环流形势下,高空辐散、低空辐合有利于风雹产生;地面辐合线促使对流风暴发展,风雹沿辐合线移动,地面中尺度高压导致灾害性大风产生;反射率因子图上存在单体弓形回波、弓形回波复合体、前侧入流缺口、后侧入流缺口,径向速度图上存在中气旋及中层径向辐合。冰雹发生区域中低层切变达-4.6×10~3/s,CAPE值达1 627;沙氏指数为-2.73℃,K指数达27℃。冰雹及大风发生区域与假相当位温高值带位置吻合。EC对500 h Pa及700 h Pa高度和风场预报与实况较为一致,对20:00 850 h Pa风场辐合预报较差,且地面气压场上未预报出低压中心,与实况偏差较大。

一次飑线过程多普勒雷达回波特征分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和新一代天气雷达资料对2008年9月4日天津一次飑线过程进行和雷达回波特征分析。飑线的形成和发展主要由两个中尺度β系统和一个中尺度γ系统共同作用,雷达反射率呈弓状回波特征,中γ系统的融入是飑线的发展的加强机制。垂直液态水含量和强冰雹概率的骤变能够较好的对应降雹的时间,基本径向速度能够反映系统高层辐散、低层辐合的动力结构,中层径向辐合的出现在一定程度上对短时大风预报预警提供依据。

江苏典型下击暴流风暴结构特征统计分析

为了研究江苏地区下击暴流的结构特征,利用常规天气资料、雷达探测资料、自动气象站观测资料和ERA5再分析资料等,选取2007—2018年江苏地区19个典型下击暴流过程进行统计分析。结果表明:江苏下击暴流的分布呈北多南少,以湿下击暴流为主,7月是下击暴流的高发月份,孤立风暴型下击暴流具有弱的天气尺度强迫和上干下湿的结构,风暴移速较慢,飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫特征,风暴移速较快。下击暴流影响期间地面温度变化剧烈,温度降低伴随有明显风速增大过程。统计显示,产生下击暴流风暴的环境温度平均垂直递减率为6.8℃/km,能够保证负浮力的维持,干冷空气被中层辐合气流夹卷进入风暴内进一步加强了下沉气流,使得下击暴流得以维持和加强。下击暴流的初生阶段,强反射率因子核心和中层径向辐合出现在下击暴流发生前20-30 min,成熟阶段,强反射率因子核心高度有明显降低,低层呈辐散结构。

一次超级单体的雷达回波特征分析

利用万州和重庆两部多普勒天气雷达,对2010年5月6日凌晨重庆地区出现的强对流天气中一个造成严重灾害的风暴进行了分析。结果表明,该风暴具有超级单体特征,在反射率因子上出现了三体散射、有界弱回波(BWER)、悬挂回波,相应的径向速度图上出现了逆风区和中层径向辐合(MARC);另外,液态垂直累积含水量(VIL)跃增,三体散射、中层径向辐合等多普勒雷达回波特征均可为大风冰雹临近预警提供有价值的信息。

2017年4月广西北部一次强对流天气中尺度分析

利用常规探测资料、多普勒天气雷达资料等对2017年4月20—21日发生在广西北部的一次强对流天气进行中尺度分析,对其雷达特征及强对流形成的原因进行分析和研究。结果表明:此次强对流天气是受南支槽、切变线和地面冷空气的共同影响产生的,存在上干冷、下暖湿的不稳定层结,地面辐合线配合西南气流的加强触发不稳定能量,在雷达图像上有中层径向辐合、"列车效应"等信息,对强对流监测有较好的指示意义。

重庆“5.6”强风雹天气过程成因分析

利用常规观测、NCEP分析场及雷达、自动站等资料对重庆"5.6"强风雹天气的成因进行了分析,结果表明:冷锋和副热带高空急流在风雹发生地近乎重叠的配置结构促进了次级环流的形成并有利于上升运动的强烈发展;风暴天气发生前,下垫面强烈加热、低层增温增湿、中高层干冷对大气对流不稳定性增强的作用显著;对流有效位能(CAPE)、K指数、SI指数高值区边缘的强指数梯度区、对流抑制(CIN)的小值区以及较强的垂直风切变对大风冰雹的预报有重要的指示意义;雷达回波显示多单体风暴具有三体散射、弱回波区等冰雹回波特征,中层径向辐合和反射率因子核心的反复上升下降也是形成地面大风和冰雹的重要特征;四川盆地东部东北西南向山脉对冷空气的移动有阻挡作用,山脉之间的槽状地形为多单体风暴的持续发展保留了较大的空间,明月山南麓的地形起到了强迫抬升和触发的作用,由于地形的阻挡形成狭管效应,加强了下击暴流形成的地面大风,是形成11级大风的重要因素。

鄂西北一次超级单体风暴过程的观测分析

2016年6月7日下午鄂西发生一次伴有超级单体的强对流过程。利用常规地面和高空观测资料以及区域自动站、多普勒天气雷达等资料,对该过程超级单体形成的环境条件及雷达回波特征进行了详细分析。结果表明:(1)上干下湿不稳定层结、较高的对流有效位能与强烈的低空垂直风切变是有利于超级单体产生的环境条件,地面辐合线和鄂西北山区地形对超级单体的触发和增强起到关键作用;(2)宽大有界弱回波区以及位于其上的强悬垂回波,弱回波区前侧强入流与中层径向辐合(MARC)的存在,都表明超级单体具有降雹潜势;(3)大风核(27 m·s-1)持续时间超过2 h、中气旋深厚持久、阵风锋、高空强冷平流下传以及风暴内部下沉气流的共同作用,导致了地面大风;(4)前侧入流槽口斜升气流强而持久且风暴顶辐散长时间维持,造成强降水。

桂林一次强下击暴流成因分析

2019年3月21日广西桂林市临桂区发生一次极端大风天气过程(以下简称"3·21"临桂大风),当日21:13临桂观测站记录最大阵风风速为60.3 m·s^(-1)(17级)。通过风灾现场调查判断这是强度为EF2级的微下击暴流过程。应用常规观测资料以及加密自动气象站、探空、多普勒雷达等资料,分析了"3·21"临桂大风的环流背景与影响系统及其形成原因。结果表明:低层暖湿气流活跃,中层显著干层,强的低层垂直风切变是大风发生的有利条件,地面中尺度辐合线、冷锋南压为其提供了触发机制。"3·21"临桂大风由2个超级单体风暴合并加强造成,在下击暴流发生前,风暴单体最强反射率因子核心高度(HGT)超过6 km,有中等强度中气旋伴随,中层径向辐合明显,辐合值达36 m·s^(-1);当反射率因子减弱、风暴顶高下降、HGT下降时,下击暴流发生;当HGT剧降,一个体扫间隔下降3.5 km,17级极端大风发生,低层0.5°仰角在强中气旋的出流区观测到强的径向辐散,其值达27 m·s^(-1);中气旋表现出最强切变加强,底高迅速下降到1 km以下等特征。本次下击暴流发生与极端强降水和冰雹的拖曳作用有密切关系,冰雹与雨水粒子的拖曳和融化蒸发作用使下击暴流加强。当分钟降水量大于3 mm时,风速超过12级;当分钟降水量大于6 mm时,则出现17级极大风速。

“威马逊”台前飑线环境场及多普勒雷达回波特征

利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料、地面自动站加密资料、NCEP 1°×1°的再分析资料等对2014年7月18日发生在湘赣地区一次台前飑线过程的环境条件及多普勒天气雷达特征进行研究。结果表明：台前飑线产生前,对流层低层较好的水汽条件、条件不稳定层结以及两者结合形成的高CAPE值均为其发生发展提供了良好的条件;台风倒槽是此次台前飑线过程主要影响系统,露点锋、地面辐合线为其提供了抬升触发和维持加强机制;台前飑线西移北上的过程中出现＂弓形＂回波、中层径向辐合（MARC）、速度大值区、阵风锋。本次台前飑线和以往研究的西风带飑线存在以下差异：本次飑线低层垂直风切变主要是以风速差为主;中高层的冷空气侵入并不明显;在成熟阶段,气压场上也没有明显的雷暴高压,但有明显正变压;本次飑线过程是发生在暖湿的环境条件下,后侧入流为相对湿度较大的东南急流,雨水蒸发并没有西风带飑线强烈;雷达速度图上虽有MARC特征但最大正负速度差值并不是很大（15-27 m/s）。上述特征可能是该台前飑线过境湖南过程中没有造成极端大风的主要原因之一。

一次强风雹天气的干侵入作用及雷达回波特征分析

利用0.25°×0.25°NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料和多普勒雷达资料等,对2018年6月13日发生在河南省北部地区的一次风雹天气过程进行诊断分析,结果表明:(1)此次强风雹天气发生在华北冷涡后部西北气流中,强天气发生前大气整层较为干燥,冷涡后部横槽南下,自上而下带来干冷空气,低层水汽辐合与午后地面高温共同作用,形成上干冷下暖湿的不稳定层结;(2)地面辐合线和弱冷锋是此次风雹天气的触发机制;(3)对流单体在干侵入的一侧首先发展加强,随后在地面辐合线附近不断产生小的对流单体,对流单体合并后进一步加强,逐渐形成弓形回波带,大风出现在回波带前地面辐合线附近,冰雹出现在中气旋左侧区域;(4)对流单体的移动方向与地面辐合线一致,地面辐合线稳定有利于对流系统的增强,地面辐合线断裂后对流系统迅速减弱、消亡。