变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项(先验信息项)且合理选择正则化参数。数值试验结果表明:正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。

一次飑线过程的双多普勒雷达风场反演分析

为揭示飑线发生过程中内部中尺度风场的演变特征,利用江苏连云港和盐城的多普勒雷达资料,采用双多普勒雷达风场反演技术,对2012年5月16日江苏中北部的一次弱弓形飑线过程进行了综合分析。结果表明:飑线后方入流最早出现在系统后部的层状区中,在飑线中段的中尺度涡旋对和地面冷池的共同作用下,后方入流向前延伸并穿过对流区下沉到达地面;飑线后方入流把云外干冷环境空气带到系统内,加剧降水粒子的蒸发冷却过程,促使地面冷池及其外流的加强;后方入流与地面冷池外流的耦合是地面大风生成的主要原因。

一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析

利用石家庄SA多普勒天气雷达和饶阳X波段双偏振雷达探测资料,结合常规综合观测资料,对2018年6月13日下午发生于太行山东麓的雹云的天气背景、降雹特征、雷达回波演变特征及回波三维立体结构进行了综合分析,重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点的三维风速(流场),并结合回波特征分析了雹云云体结构。结果显示,高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖,槽后冷空气沿偏北气流南下,形成上干冷、下暖湿的不稳定层结,在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气;双多普勒雷达反演风场表明,雹云的中层强回波中心呈明显的"S"形水平流场和悬挂回波配置特征,构成了具有成雹的"0线"结构;不仅佐证了雹云降雹"0线"结构的存在,而且证明其呈现形式具有多样性。

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。

冰雹不同发展阶段的双偏振参量分析及风场反演

为了研究冰雹云过程在不同发展阶段的双偏振参量特征,本文基于厦门S波段双偏振多普勒天气雷达资料和双雷达风场反演获得的降水场气流结构特征,对冰雹云超级单体的发展和成熟阶段的微物理特征和动力结构进行分析。结果表明:发展阶段,低仰角能观测到ρhv谷,中层仰角能观测到ZDR柱和KDP柱;ZDR柱对应着大滴粒子,与粒子相态识别结果相符。成熟阶段,云体移动方向前侧观测到ZDR弧及KDP印,Z高值,ZDR低值以及KDP的缺值可以识别云中的大冰雹区,对应粒子识别结果也是雨加雹。高层出现的ρhv低值,Z高值及ZDR负值区,该区域可以表征为冰雹区,与粒子识别算法结果一致。冰雹云发展阶段,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。成熟降雹阶段,低层水平维持气旋性流场的同时,高层出现反气旋性流场。最大垂直速度达48 m/s,出现在超级单体悬垂部。降雹时段,出现明显的下沉气流,强回波底及地。

闽南地区大冰雹超级单体演变的双偏振特征分析

通过研究大冰雹超级单体风暴的偏振特征、动力及云物理结构的演变,可了解大冰雹形成的物理过程,并获得与大冰雹形成、生长相关的相关征兆偏振特征,进而提升对大冰雹超级单体的预警能力。利用厦门S波段双偏振雷达资料,结合双雷达风场反演和粒子相态识别算法对2019年4月22日发生在闽南地区一次导致大冰雹的超级单体进行了分析。研究表明:差分反射率因子(Z dr)大值区位于三体散射(TBSS)的起始位置及反射率因子(Z h)强中心的远端。同时,TBSS中的相关系数(CC)较低,TBSS的偏振特征有助于识别高空中的大冰雹。大冰雹区表现出高Z h和低Z dr的偏振特点,随着大冰雹降落融化,其表面存在外包水膜现象使得大冰雹周围的Z dr增大,CC减小。在超级单体低层的Z h强中心内存在一个差分相位常数(K dp)增大的区域,被称为K dp足。K dp对大冰雹较不敏感,是冰雹融化的较好指标。因此,K dp足可用于指示由冰雹融化导致的下沉气流区。在水平风场上存在明显的双涡旋结构。双涡旋结构有助于超级单体的发展及大冰雹的循环增长。在中气旋的东北侧,存在一个中等强度Z h、低Z dr、高CC的区域,被称为霰带。粒子相态识别算法显示霰带中主要的水凝物为霰。由于靠近中气旋,部分霰作为雹胚被卷入上升气流中。基于上述分析给出大冰雹超级单体的偏振特征和三维风场结构示意图。

2003年7月4～5日淮河流域大暴雨中尺度对流系统的观测分析

2003年淮河流域的大洪水主要是由3次集中的持续性大面积强暴雨过程引起，其中7月3～5日从淮河上游向下游的移动性强降水，使来自上游的洪水与下游暴雨“遭遇”，加剧了淮河的洪水水情。作者主要采用探空、卫星和雷达资料，对造成滁州和南京强暴雨的中尺度对流系统的结构和发生背景进行分析。结果表明：低槽的东移造成了雨区从淮河上游向下游东移；降雨前来自中纬度的中层干空气侵入加强了对流层中低层的对流不稳定；7月4～5日的大范围降水主要由α中尺度对流系统的发生、发展引起，但突发的局地强降雨是由较小的β中尺度，甚至7中尺度系统直接造成；云顶温度低于-52℃的对流区虽然覆盖范围较大，但其下部的雷达强回波带与其并不完全对应，而是位于-52℃云区的中心偏南，强回波的北侧有100-200km宽的云砧；双多普勒雷达反演资料较好地揭示出造成滁州强降雨的是中尺度辐合线及其上的中尺度对流线和对流单体，辐合线随高度向北倾斜。

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。

一次雷暴单体相互作用与中气旋的演变过程分析

2013年8月1日,上海位于副热带高压边缘弱垂直风切变的不稳定层结下,午后开始,不断有雷暴新生。在此次强雷暴过程中,生成了三个中气旋;特别是在第二个中气旋生成过程中,雷暴合并后呈现出钩状回波、回波悬垂、中气旋等超级单体的雷达回波特征,还具有标志大冰雹的三体散射长钉特征回波。本文通过分析常规天气观测、双多普勒天气雷达、自动气象站和风廓线雷达等资料发现,前两个中气旋的生成机制为:(1)前期雷暴出流的交汇形成了气旋性环流,加强了低层水平辐合,阵风锋类似锋面的作用促使低层的暖湿空气抬升;(2)在弱垂直风切变的天气背景下,由出流阵风锋导致环境垂直风切变有所增大,改变了雷暴发展的环境,形成了经典中气旋生成的有利环境。此外,超级单体中气旋(第二个)形成过程中,雷暴的合并使得上升运动加强,对流不断发展,增强了雷暴内的旋转程度,从而有利于中气旋的形成。在第三个中气旋形成过程中,由于雷暴中的弱出流被相邻雷暴爆发的下沉气流抬升,在中低层形成出流和人流间的旋转,因而被雷达探测为中气旋。

2022年3月14日江西及周边地区冰雹回波特征分析

为更好地开展对江西冰雹天气的监测预警工作,使用MICAPS数据、自动站数据、雷达拼图数据、雷达PUP产品数据、双多普勒雷达反演风场数据、冰雹灾情照片视频和微信冰雹信息反馈等资料,采用天气学、雷达气象学等原理与方法,对2022年3月14日江西及周边省份冰雹回波特征进行分析,结果表明:3月14日,江西及周边省份多地出现冰雹,20个区域站出现≥17.2 m·s^(-1)的大风,24个区域站出现≥50.0 mm的降水,且雷暴大风和冷空气大风混合出现。200 hPa高空出流区、500 hPa南支槽和风速切变、850 hPa低涡和切变线、地面辐合线和西南倒槽是冰雹天气主要系统;南昌订正后较大的CAPE、较强逆温层、中层干区和低层湿区为冰雹天气发生提供了环境条件。冰雹以超级单体回波为主,有时孤立存在,有时存在于回波群、回波带之中;回波强度≥60 dBz,强回波面积最小≥18 km^(2),最大≥180 km^(2);30~60 dBz强回波梯度距离≤6 km,具有明显的云砧前伸回波;冰雹回波生命史多数在2 h以上。在冰雹回波识别中,垂直积分液态水含量(VIL)是一个很重要的特征。江西冰雹单部雷达VIL在35~60 kg·m^(-2),雷达拼图上VIL为35~50 kg·m^(-2)。在冰雹回波2.5 km CAPPI图上,冰雹回波强度均≥60 dBz,最大可达65 dBz;在双多普勒雷达反演风场上多数回波中心具有中涡旋结构、侧面辐合风场、南北风场辐合等特征;有些个例风场比较凌乱。上述分析结果为江西冰雹天气的监测预警提供了分析依据。