双多普勒雷达观测在一次雹云结构中的应用

利用常州站和泰州站双多普勒天气雷达探测数据,结合常规观测资料和ERA5再分析资料,综合分析了2019年7月6日一次强对流天气过程的天气形势、雷达回波强度演变特征和双多普勒雷达反演的三维流场信息。重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点流场,并结合回波特征分析雹云的结构。结果表明:强对流天气过程中,江苏受高空冷涡影响,在高空冷槽、高空急流、低层切变线和地面辐合线的配置条件下,形成了上干冷、下暖湿的层结不稳定结构。本次过程中,雹云不仅具有典型的强对流单体雷达回波特征,在中层强回波中心处,还有明显的“S”型水平流场结构。雹云的低层,是明显的辐合与旋转配置的水平流场。深厚的零线结构是成雹的典型特征。

双多普勒雷达风场反演误差和资料的质量控制

提出了用双多普勒雷达观测资料进行回波强度、径向速度和方位定位的质量控制方法 ,以及利用概率分布法订正配对的双多普勒雷达回波强度的方法。以 2 0 0 1年 973“中国暴雨”外场试验期间获取的双多普勒雷达观测资料为例 ,比较了合肥、马鞍山和宜昌、荆州的两对双多普勒雷达同步观测的回波强度、径向速度和方位的改变对观测数据对比的影响 ;分析了这两对双多普勒雷达径向速度测量误差引起的风场反演的误差。结果表明 :两对双多普勒雷达观测的回波强度和径向速度的空间位置和变化趋势比较一致 ,合肥与马鞍山雷达的回波强度有一定差异 ,径向速度也有 1～ 2m/s的差异。风场反演的误差与风场的方向、大小、空间位置等有关。在两个径向速度夹角在 40°～ 1 40°范围内 ,共面上的风场的反演误差在 1～ 2倍的雷达探测径向速度的误差范围内。

一次混合云暴雨过程风场中尺度结构的双多普勒雷达观测研究

利用国家重点基础研究发展规划项目“我国重大气象灾害形成机理和预测理论研究”2 0 0 2年外场试验首次获取到的双多普勒雷达资料 ,研究了 7月 2 2～ 2 3日在长江中游的宜昌、荆州区域暴雨回波和风场的中尺度结构及演变过程。结果表明 :本次暴雨是混合云降水所致 ,在层状云降雨区内有许多对流单体 ,这些对流单体常以带状结构组成回波群 ,对流云的回波强度和风场有明显的中尺度结构 ,与周围的层状云有很大差别。西南气流和东风形成的中尺度切变和辐合是造成强对流降水的主要原因 ,风场的中尺度结构主要发生在 4km以下的中下层。在对流回波周围 ,经常有中尺度切变、涡旋、辐合和辐散存在 ,这些风场的中尺度结构与对流云的演变有密切的关系 ,对强降水的发生和维持有重要影响。

用双多普勒雷达分析华南一次飑线系统的中尺度结构特征

飑线是中国春、夏季常见的一种天气现象。2007年4月23—24日华南地区的一次强飑线过程,因强度强、持续时间长,给广东部分县市造成巨大的经济损失。利用广州和深圳的新一代多普勒天气雷达的探测资料,采用双多普勒雷达风场反演方法和热力-动力反演方法,研究此次飑线内部的三维风场、动力和热力结构。在此基础上,通过质量、动量诊断探讨其维持机制。同时,结合地面、高空常规观测及自动站资料分析系统伴随的环境和地面中尺度特征。结果表明,系统发生于中等强度垂直风切变(0—3km,18m/s)和中等强度对流不稳定度的环境中,其移动速度最快达17m/s,属快速移动的飑线。飑线过境时,地面测站呈现风向突变、风速骤增、气压上升、温度与露点骤降等现象。其成熟期的雷达回波和风场结构与过去观测的热带、副热带快速移动飑线系统特征相似。由前(前方指系统移动方向)向后,降水结构依次为对流区、过渡带和层云区。其中,对流区由多个对流单体组成,对应强回波和上升运动,而单体之间为弱下沉运动。气流特征呈准二维结构,包括系统前方深厚的从前向后气流和系统后部低层的从后向前气流。这两支气流在系统前缘低层辐合形成动力高压,触发新对流单体,是系统长时间维持的主要机制。在对流区倾斜上升气流的下方,存在一凝结潜热释放增暖引起的低压区。另外,在对流系统西侧不断有新对流单体形成,并被平流至系统中,促进对流维持。进一步对对流区的质量和动量通量诊断揭示,垂直于飑线系统的水平动量的垂直输送有逆梯度输送的特性,将增加垂直飑线方向的环境垂直风切变,有利于系统维持。相对的,平行飑线方向的水平动量具有顺梯度输送特征,使该方向上风切变分量有被均滑趋势。

一次强烈雹暴的三维结构和形成机制的单、双多普勒雷达分析

利用单多普勒天气雷达的反射率因子、径向速度数据和双多普勒雷达反演的三维风场,分析了一次强烈雹暴的产生、发展和维持机制。主要结果为:该雹暴是产生于中等偏上垂直风切变和较大的对流有效位能条件下的右移风暴,它在旧无序多单体风暴的右侧产生。旧的多单体风暴和雹暴初始阶段主要雷达回波区域负的径向速度(向着雷达的速度)占主导地位,随着风暴的发展,特别是地面出现小冰雹后,雹暴中出现正径向速度(远离雷达的速度)区并且迅速增强,正径向速度与环境的负径向速度在强回波附近形成强烈辐合,促使雹暴发展和维持;旧多单体风暴低层的水平辐合风场主要是弱东北—东南风转西北—西南风,雹暴的水平辐合风场是由东北风和西南风组成,邻近雹暴的雷暴单体和雹暴自身在低层的风场形成半圆形的反气旋性环流。垂直风场结构表明,雹暴在高层的辐散气流与邻近雷暴单体高层气流结合后形成的下沉辐散气流,是该雹暴北风入流的主要产生原因;雹暴与邻近雷暴间通过高层和低层风场间的相互作用,促进了雹暴的产生、发展和维持。

派比安台风(0606)登陆期间雨带中尺度结构的双多普勒雷达分析

2006年8月3日派比安台风(0606)接近登陆时,在距离台风中心东北180km处有一强螺旋雨带生成,并随台风往陆地方向移动.本研究利用位于广州和深圳的新一代天气雷达所收集到的双多普勒雷达资料,分析该螺旋雨带的回波结构和中尺度风场,并探讨其维持机制.雷达回波分析显示,雨带由多个对流单体组织成西北—东南走向的带状结构,长约200km,宽约35km.同过去研究中台风雨带气流结构呈准二维相比,该雨带在成熟时期的气流结构呈明显的三维特征.从雨带上游至下游,沿雨带方向风速显著减弱,而跨雨带方向风速则明显加强.在雨带上游,雨带内侧为外流,而雨带外侧3km以下为内流.其中2km以下气流进入雨带时逐渐减速并在雨带内形成强辐合,部分内流转为倾斜往外的气流.1km以下,部分内流穿过雨带的强回波中心与雨带内侧的外流在雨带内边缘形成另一强辐合区.在雨带下游,在5km高度以下雨带内外均侧为内流,其中2km以下气流从雨带外部进入雨带时先加速,随后逐渐减速,在雨带内侧边缘形成最强的辐合上升运动后,随高度向外倾斜并在雨带外部形成下沉,部分下沉气流转为内流重新进入到雨带.由于雨带上、下游分别位于海洋和陆地上,因此海陆摩擦差异是造成雨带上、下游气流结构差异一个重要原因.而另一个原因是雨带上、下游同以台风中心为圆心的圆周切线间夹角不同.此外,雨带内的气流也表明由倾斜上升在雨带外侧下沉转化成的内流,对于雨带上、下游内流的加强和维持具有重要作用.

双多普勒雷达反演强风暴三维风场的数值试验

两部雷达测得的径向速度再加上质量连续方程可以求解大气风场,利用这一原理,以1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界处的一次强风暴过程为例,用模式反演出风暴体的三维风场结构,误差分析表明和实况基本一致。利用模式输出的三维风场,先模拟两部多普勒雷达扫描的数据,在此基础上,进行三维风场反演,结果表明,反演得到的流场和模拟的流场总体趋势完全一致,风暴的中心位置吻合较好,上升气流和下沉气流的分布也很接近,水平速度分量反演的误差很小,基本上可以反映三维风场的真实情况。垂直速度的平均离差在各个高度上都较小,反演结果较好。

新疆一次强飑线过程双多普勒雷达观测的中尺度风场结构分析

利用新疆乌鲁木齐和五家渠的双多普勒雷达同步观测资料与双多普勒雷达风场反演技术,结合多种气象资料(1 min间隔的地面自动站资料、探空资料和NCEP再分析场资料等),综合分析了2005年6月26日新疆乌鲁木齐附近一次强飑线过程。其流场特征是低层存在明显的辐合线,中层辐合,高层辐散。中低层的风场辐合使旧回波右侧(西南侧)一定距离处依次生成新回波并与旧回波合并,对流单体间的辐合线促使其迅速合并,是飑线发展的重要原因。对流单体间的合并是从中层开始的,然后扩展到低层。在低层对流单体合并后,飑线前部有一明显的辐合线,入流区、大的回波强度梯度区和弱回波区非常明显;同时,不同发展阶段的风场配置有明显的不同,上升气流和下沉气流在多单体风暴中同时存在。本次飑线过程中低层是东南风的入流气流,与对流带后部的西北风气流相遇后向上倾斜上升,在中高层形成飑前砧状云,这与国内外中纬度飑线的结构基本一致,但本次飑线过程只有前缘强烈的对流区,没有尾随的层状云降水。自动气象站、多普勒雷达及其反演的风场很好地揭示了该飑线的发生、发展、爆发过程及其回波和风场的空间结构特点。

一次弓状回波、强对流风暴及合并过程研究Ⅱ:双多普勒雷达反演三维风场分析

利用济南和滨州两部新一代多普勒雷达反演的三维风场,分析了发展成熟和减弱阶段的弓状回波、强对流风暴的三维风场结构,以及两者合并过程的风场变化特征。结果表明:(1)弓状回波的头部和尾部分别对应气旋性和反气旋性环流,气旋性环流较强。在逗点云系阶段,回波强度、主上升气流,以及气旋和反气旋性环流开始减弱。(2)强对流风暴靠近处于消散期的旧对流风暴时产生了较强的下沉气流,促使强对流风暴的产生和发展。强对流风暴的强回波区在低层为风场辐合中心,而高层则对应辐散流场。(3)强对流风暴和弓状回波合并过程显示,弓状回波处于逗点云系阶段的后期,前沿只有弱的上升气流,而强对流风暴处于成熟、减弱阶段,靠近弓状回波一侧有较强的下沉气流,两者相互靠近的过程中弓状回波前沿的弱上升气流与较强的下沉气流汇合,导致弓状回波迅速减弱,强对流风暴也短时减弱。随着弓状回波后部有组织的后侧入流的侵入,强对流风暴中的暖湿气流被剧烈抬升,促使风暴发展的更加强盛。

利用双多普勒雷达研究强飑线过程的三维风场结构

山东齐河CINRAD/SA和滨州CINRAD/SC雷达相距125.5km,组成了双多普勒雷达观测网,利用2004年6月21—22日的一次强飑线过程的多普勒天气雷达探测资料,分析了双雷达观测资料的质量控制结果,并根据双多普勒雷达反演的三维风场研究了飑线的三维结构。结果表明,两部雷达探测的回波在水平位置上有2.0km的差别,回波强度滨州雷达低5.2dBz,回波结构也有一定的差别,径向速度在可比较的区域一致性很好。飑线不同位置的水平风场结构有很大不同,在飑线北端,低层是气旋性辐合风场,飑线南端是反气旋性辐合风场,而中部沿强对流窄带的前部是偏西和东南风的风场辐合。中高层云中风逐渐转为西北风,强对流回波带上空对应辐散风场;垂直于强对流带方向的风场垂直结构表明:成熟阶段,强对流窄带前部的低层是入流气流,即东风气流,它与对流带后部的西风相遇后向上倾斜上升,在中高层向前流出形成飑前砧状云。减弱阶段,低层的西风分量增强并向前穿过强对流回波带,导致前面的入流气流风速减弱、下边界抬高,这一垂直风场结构和演变特征与美国中纬度飑线的结构基本一致。

双多普勒雷达对淮河流域特大暴雨的风场反演

在 2 0 0 3年 6月下旬至 7月上旬梅雨期 ,淮河流域出现了持续强暴雨。 7月 4日0 8时～ 5日 0 8时 ,安徽省部分地区出现特大暴雨 ,其中滁州 2 73 7mm ;滁州 4日 2 0时～ 5日 2 0时日雨量为 351 7mm。使用MUSCAT技术对这次特大暴雨进行了双多普勒雷达三维风场反演 ,研究表明 ,中低层辐合线和中尺度气旋是造成此次暴雨的重要原因 ;

双多普勒雷达风场反演资料的同化应用试验

利用合肥、马鞍山2部多普勒雷达联合观测资料及多部多普勒雷达合成和连续调整技术(MUSCAT),在笛卡尔坐标下反演得到三维风场。将得到的风场通过由CAPS(center for analysisand prediction of storm)研发的ARPS(advanced regional prediction system v5.2.4)模式及数据处理系统ADAS(ARPS data analysis system)进行同化试验。结果表明,反演风场信息可以改善短时模拟场、特别是风场的状况;但由于对湿度场等的改进较小,致使预报的3h降水量与实况有出入。

2003年6月30日梅雨锋大暴雨β和γ中尺度结构的双多普勒雷达反演

2003年6月下旬至7月上旬,淮河流域出现了持续强暴雨,文中使用双多普勒雷达三维风场反演技术(MUSCAT)对6月29～30日合肥和马鞍山多普勒雷达探测到的暴雨资料进行了三维风场反演,对暴雨系统的中尺度三维动力结构进行了研究。此次梅雨锋暴雨是由β中尺度辐合带和嵌在辐合带上的γ中尺度涡旋共同作用引起的,辐合带上的波动活动对降水具有重要的触发和维持作用。在强降水时段的前期,无为附近中低层的γ中尺度涡旋在东—西走向的中尺度辐合带上自西向东移动,γ涡旋的移动与主雨区的移动基本同步,γ中尺度波动是该时段暴雨的重要动力因素;与此同时,在雨带的北区,γ中尺度涡旋活动比较频繁,但基本上是局地生消;在后期,西南暖湿气流和西风辐合,形成雨带上空的β中尺度辐合带,辐合带随着降水的减弱而减弱;最后,给出了此次暴雨的三维动力结构。

利用双多普勒雷达分析对流云垂直运动结构试验

对流云是我国南方地区主要的降水云系,含有丰富的云水资源,是南方人工增雨作业的主要对象。为了研究江淮地区对流云发生发展规律,利用双多普勒雷达反演技术分析了发生在2004年7月31日的一块对流云不同发展阶段的垂直运动结构。对流云在发展阶段以上升气流为主,底层辐合明显,结构紧密;成熟阶段的上升与下沉气流势力相当,且比发展阶段强盛,强回波位置下移,结构较发展阶段松散;减弱阶段上升和下沉速度均减小,水平辐散增强。结果表明:反演的不同阶段对流云垂直运动结构合理,可以利用双多普勒雷达反演技术进行对流云三维运动结构研究。

山东省一次积层混合云暴雨三维风场的双多普勒雷达探测

使用地基双多普勒天气雷达监测资料和常规探测资料,对2005年9月19日凌晨发生在鲁中地区的一次暴雨进行分析,结果表明:本时段暴雨是积层混合云降水所致,中低层存在切变线和辐合线,风场中尺度结构造成小尺度对流单体的发展,这些对流单体以带状结构组成回波群镶嵌在大面积的层状云中;伴随弱冷空气侵入,风场的中尺度结构主要出现在4 km以下的层次,中低层切变线和冷空气的侵入是强回波单体发展的动力因素;在垂直方向上,强回波区有明显的垂直运动。风场的中尺度结构对鲁中强降水的发生和维持有重要作用。

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。

强热带风暴“风神”(0806)螺旋雨带中尺度结构双多普勒雷达的研究

利用广州和深圳新一代多普勒天气雷达时间同步探测资料进行双多普勒雷达风场反演,分析了强热带风暴"风神"(0806)螺旋雨带的三维动力结构。螺旋雨带内部强回波区的低层有强辐合区,最大辐合超过-15×10-4 s-1;雨带的高层以辐散气流为主。雨带内部上升和下沉气流共存,最大上升气流为4 m/s,最大下沉气流超过-1 m/s。在沿着风暴中心的垂直剖面内,螺旋雨带外侧低层有较强的内流,气流从雨带外侧低层进入,最强内流位于1 km高度以下;雨带内侧有明显的外流。两支气流在雨带强回波区辐合,水汽在此处辐合抬升;这种动力结构对于强降水的维持具有重要作用。切向速度呈逆时针旋转,最大速度在3 km高度层,速度值随高度的增加逐渐减小。

“6.12”华南局地暴雨中β和γ结构的双多普勒雷达反演试验

使用双多普勒雷达三维风场反演技术对2005年6月12～13日广东省梅州和汕头多普勒天气雷达探测到的华南局地暴雨资料进行了三维风场反演,对暴雨系统的中尺度三维动力结构进行了分析。此次暴雨主要是由中低层的中β和中γ尺度辐合线造成的,强回波带与速度辐合带有较好的对应关系。辐合线对暴雨的触发、维持、持续具有重要作用,随着辐合线的减弱消散,强回波带也逐渐减弱,地面降水也随之减弱。最后,给出了此次暴雨的三维动力结构模型。

罗莎(0716)台风外围螺旋雨带中尺度结构的双多普勒雷达试验研究

强台风罗莎(Krosa)于2007年10月7日15:30在福建省福鼎和浙江省苍南交界处第三次登陆,登陆期间,"罗莎"外围螺旋雨带恰好穿越宁波和舟山双多普勒雷达同步观测区。利用双多普勒雷达三维风场反演技术对双雷达时间同步探测资料进行风场反演,研究了螺旋雨带的三维风场结构。在螺旋雨带内部低层有多个强回波区。3 km高度以下,在雨带上游,雨带外侧水平速度与雨带夹角较小,内流较弱;雨带下游,水平速度与雨带夹角逐渐增大,内流较强;在雨带内侧有明显的外流。垂直剖面内,雨带外侧低层有明显的内流,气流从雨带外侧2 km高度以下的低层进入雨带;而在雨带内侧存在明显的外流,两支气流在雨带内部低层辐合,在雨带内部形成强回波区;外围螺旋雨带切向速度分量随高度增加而逐渐减小,最大速度区在2 km高度。