南海西边界流区域涡旋特征及两类冬季环流对涡致热输运的调制

本文基于观测数据和模式产品,探讨了南海西边界流(South China Sea western boundary current,SCSwbc)区域海洋涡旋的统计特征、涡致热输运并重点探讨了两类冬季环流形态及其风场分布对它们的影响。结果表明研究区域的涡旋气候态上存在旋转速度很强,半径较大,振幅略高于平均值的涡旋统计特征,其中气旋式涡旋(cyclonic eddy,CE)的占比约为56.8%。并且涡旋的生成和消亡主要发生在冬/春季,而涡旋的振幅、半径和旋转速度在夏/秋季发展到顶峰。年际时间尺度上,年平均经向风应力与反气旋式涡旋(anticyclonic eddy,AE)的振幅、半径、旋转速度和消亡均有较好的相关性,但与CE特征的相关性并不好。“O”型冬季环流模态下,风场和南海西边界流显著减弱,冬季环流在越南沿岸发生向东分支。涡旋在“O”模态下吸收平均流能量迅速发展,在越南沿岸东部地区产生了强的涡致热输运(eddy-induced heat transport,EHT)。同时,涡旋内部旋转速度减小且反气旋式涡旋个数减少;“U”型冬季环流模态下,情况则相反。

2022年6月19日广东佛山龙卷的双极化相控阵雷达特征

利用X波段双极化相控阵雷达等多源观测资料,分析了2022年6月19日早晨广东佛山超级单体龙卷的环境条件和对流风暴的结构及演变特征。龙卷母体风暴是在强西南季风天气背景下的一条东北-西南向飑线南端发展起来的。环境条件具备较大对流有效位能、低抬升凝结高度和强垂直风切变等有利于超级单体龙卷发生发展的热力和动力条件;低空风暴相对螺旋度、超级单体复合指数和强龙卷指数的显著增强对超级单体龙卷的发生有较好指示意义。具有高时空分辨率的佛山南海X波段双极化相控阵雷达探测到了龙卷母体微型超级单体的发展过程和龙卷涡旋的演变特征:对流单体在前侧低层入流的加强下逐渐形成钩状回波和反射率弱回波空洞;中气旋首先在2.5 km附近高度形成后向低层伸展,随着后侧下沉气流的加强,低层涡旋旋转增强,当低层中气旋旋转速度超过22 m·s^(-1)(强中气旋)且直径紧缩至1.5 km以内时,龙卷即将触地,龙卷涡旋特征(TVS)和龙卷碎片特征(TDS)出现是龙卷触地的主要特征,龙卷发生在反射率弱回波空洞、TVS和TDS附近。

一次龙卷生成中风暴单体合并和涡旋特征的雷达观测研究

本文利用阜阳市多普勒天气雷达CINRAD/SA资料,分析了2008年7月23日发生在安徽省颍上县的龙卷天气过程。结果表明:本次过程中,风暴单体的连续合并对风暴单体迅速增强为超级单体风暴有重要作用。风暴单体的合并和邻近风暴单体之间的相互作用与龙卷的发生在时间和位置上有较明显的相关,说明风暴单体间的合并和相互作用可能对龙卷存在激发作用,这对龙卷预警具有一定的参考价值。在缺省适配参数条件下,雷达系统CINRAD/SA的中气旋(M)产品和龙卷涡旋特征(TVS)产品对龙卷预警有较好的指示作用。如果风暴被同时识别出M和TVS产品,并观测到风暴单体中存在有界弱回波区,则出现龙卷几率更高。

2020年江苏高邮EF2级龙卷多尺度特征分析和预警思考

综合应用自动站、雷达、卫星、探空等多源观测资料和ERA-5高分辨率再分析资料,详细分析了2020年6月12日江苏高邮EF2级龙卷的天气背景、环境条件、中尺度系统和对流风暴的演变特征,并总结了监测预警经验和预报思考。结果发现:此次高邮龙卷出现在江苏入梅后首场暴雨中,天气形势与2016年6月23日阜宁EF4级龙卷过程有部分相似,具有梅雨锋龙卷典型特征,产生龙卷的对流系统位于500 hPa东移西风槽前,850 hPa低涡西南象限和低空急流左前端,伴有较强对流不稳定能量和较低抬升凝结高度,不同点在于对流有效位能和垂直风切变弱于阜宁龙卷过程;龙卷出现在地面移动的β中尺度低压顶部,处于地面辐合区和暖湿舌内,风暴中心附近辐合急剧增强可能对应于龙卷出现;产生龙卷的风暴具有较长生命史,在龙卷产生前60 min已识别到连续龙卷涡旋特征(TVS),移经高邮湖面风暴加强出现中气旋(M)并与TVS并存8个体扫,龙卷接地前TVS底高明显下降且切变增强,随时间演变中气旋直径呈“倒梯形”垂直结构、速度切变迅速增强下探,这些雷达特征可作为龙卷临近预警的重要参考。

山东高唐EF3级龙卷S波段双偏振雷达探测特征

利用济南CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的探测数据,结合龙卷实地调查资料,对2021年7月11日发生在山东聊城高唐的一次EF3级龙卷风暴的雷达回波演变过程、龙卷风暴单体的结构及龙卷风暴的中气旋(M)、龙卷涡旋特征(TVS)和龙卷碎片特征(TDS)进行分析。结果表明:(1)龙卷发生在高空冷涡及地面气旋共同作用天气形势下,龙卷位于地面气旋中心东偏北方向约200 km处;螺旋状对流云带中2个较强对流单体合并发展,演变成超级单体风暴,其后部下沉气流较强,与强的入流共同作用,诱发了强龙卷。(2)风暴中中气旋的顶高大多在5~7 km之间;龙卷发生前中气旋最大切变平均值为19×10^(-3)s^(-1),龙卷维持期间,中气旋最大切变平均值达到51×10^(-3)s^(-1)。(3)高唐龙卷涡旋底层双偏振参量主要特征是大的水平极化反射率因子,小的甚至负的差分反射率ZDR,小的相关系数CC;TDS时间及空间特征是,底层CC都小于0.7,CC低值区的面积在龙卷生成后随时间明显增大,CC值底层最小,随高度逐渐增大;CC低值区的面积低层和顶层较大,中间层较小;龙卷生成后TDS最大高度随时间逐渐增高,龙卷最强时TDS最高达到4.8 km,之后逐渐降低;龙卷消散后,1.5°以上TDS的特征很快消失,0.5°仰角TDS特征继续维持了大约11 min。

融合注意力机制的海洋涡旋特征检测与分类模型构建

该文提出一种有效的基于深度学习的海洋涡旋特征检测模型——EddyRCunet.首先,基于U-Net语义分割框架,引入残差网络的残差块来代替U-Net的卷积层,进行深层次的网络训练,获取更详细的边界信息,解决梯度消失和网络性能下降等问题;其次,在编码器部分添加卷积块注意力机制模块(CBAM),突出重点研究区域,提高网络性能;最后,在海洋表面高度图像(SSH)数据集上训练模型,并与其他方法进行性能评估与对比.实验表明,EddyRCunet模型能获得更好的涡旋检测与分类性能.

西北太平洋及其邻近边缘海中尺度涡的时空特征分析

中尺度涡在影响海洋物质和能量的输送以及生物、化学过程方面都发挥重要作用.利用27年(1993—2019年)的AVISO卫星高度计数据集,基于闭合等值线法对西北太平洋及其邻近边缘海(10°~30°N,115°~155°E)中尺度涡进行识别追踪,并着重讨论了生命周期大于4周的涡旋特征.涡旋在15°~25°N纬度带产生频率较高,多数涡旋向西传播,并在研究区域西侧与黑潮相互作用后消失于吕宋岛和台湾岛以东海域.随着纬度的增加,涡旋半径急剧减小,振幅则不断增大;而17°~22°N纬度带是涡动能高值区,在吕宋海峡东部最为明显.涡旋参数表现出明显的季节和年际变化特征,涡旋产生数在春、冬季较多,夏、秋季较少;涡动能则在春季较高,冬季较低.涡动能的年际变化明显受厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)调制作用,相位滞后1个月呈显著正相关.不稳定性分析结果表明,副热带逆流和北赤道流垂向剪切的斜压不稳定性是涡旋产生的主要机制,在春季这一效应达最大.

涡旋特征和轨迹演化的可视化研究

海洋动态过程本身固有的复杂性使得自动的特征挖掘或传统的依赖人工的分析方法变得特别困难,因此改进了涡旋轨迹跟踪算法。据此实现的涡旋可视分析系统提供了多元海洋数据探索、涡旋时空特征和演化规律的多个联动视图和交互方式,方便用户灵活地进行不同维度或时空上的涡旋特征的可视分析和探索。文章以中国东南海涡旋轨迹的时空演化分析为例,验证了该可视分析系统的有效性。

一次强对流过程的环流形势和中尺度特征分析

本文分析了2021年5月14日上海地区的一次强对流天气过程。结果表明:(1)此次强对流天气过程是在高空前倾槽、低空暖湿急流和地面辐合线的有利形势下产生,地面变压风加强边界层抬升;(2)对流风暴呈现出钩状回波和外流边界的经典超级单体风暴特征,以及明显的龙卷涡旋特征TVS,低层反射率因子高梯度区、低层入流缺口、低层弱回波区和有界弱回波区BWER以及回波悬垂结构对应强上升气流区,从而有强对流天气的发生发展。

强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究

利用多普勒雷达资料,对发生在安徽的3次强烈龙卷过程进行了分析。重点研究了导致F2~F3级强龙卷的3次超级单体风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体风暴的差异。另外,利用安徽省、市、县气象报表、历年气候评价灾情资料（部分来自民政部门的灾情报告）,对1960年至今的龙卷天气的时空分布及变化趋势、产生龙卷的环流形势特征进行了分析,结果表明：（1）龙卷主要出现在淮北东部和江淮之间东部地势平坦地区,7月份出现龙卷的概率最高。（2）超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度较低。（3）3次F2~F3级龙卷在发生前、发生时在多普勒雷达上都探测到强中气旋和龙卷涡旋特征TVS。与非龙卷超级单体风暴相比,导致强龙卷的中气旋底高明显偏低,基本在1 km以下。同时风暴结构也有所不同,造成龙卷天气的超级单体风暴最大反射率因子与风暴质心高度接近,基本在3 km左右,反射率因子在50~60 dBz。造成强冰雹的超级单体风暴在冰雹产生前,风暴最大反射率因子高于风暴质心的高度;当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5km左右,反射率因子在60~70 dBz。

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。

广东一次超级单体龙卷的多普勒天气雷达特征分析

利用常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和广州多普勒天气雷达资料,对2011年5月7日发生在广东省佛山市的一次龙卷天气过程进行了分析。结果表明:此次龙卷产生于有利的天气形势下,环境场具有较大的大气不稳定度、充沛的水汽条件、强的垂直风切变以及低的抬升凝结高度。多个风暴单体的合并使对流强度得到增强并诱发了龙卷。反射率因子回波形态具有经典超级单体结构,钩状回波明显,反射率因子剖面存在有界弱回波区。钩状回波处产生了中气旋且维持了三个体扫,中气旋强度较强并逐渐向低层发展。龙卷发生前10 min出现了龙卷涡旋特征,表现为0.5°(距地面约500 m)径向速度图上沿方位角方向两个紧挨着的像素之间的强烈速度切变,说明此时漏斗云已从超级单体母云内向下伸展。综合分析各种雷达产品,可获得10 min左右的预警时间。

1522号台风外围强龙卷CINRAD/SA气象产品特征研究

利用新一代天气雷达CINRAD/SA雷达系统的探测资料和气象产品,分析了2015年10月4日发生在广东佛山台风外围强龙卷的特征。龙卷发生在距离台风中心约350 km雨带中的小型超级单体中,风暴单体的回波顶发展到12 km左右。龙卷发生前,大于50 d BZ的强反射率因子核发展到5.5 km;龙卷发生后,强中心高度下降,强反射率因子核的高度降低到3.5 km。风暴单体的低层后方出现钩状回波,钩状回波的末端出现高达65 d BZ的强反射率因子。风暴单体的中气旋发展高度低,延伸厚度浅薄,切变强烈。无辐合辐散的纯气旋性环流层的高度在1.2 km左右,其下方是辐合气旋性流场,上方是辐散气旋性流场。与经典超级单体中的中气旋相比,就如垂直方向上压缩了的中气旋。中气旋下方,低层辐合的强弱,与龙卷的强弱变化密切相关,在龙卷发展到最强之前,低层辐合很强,随着低层辐合的减弱,龙卷也随之减弱。中气旋适配参数的阈值用雷达系统的缺省值时,第一次算出中气旋的时间比龙卷出现的时间提前16 min,而适当降低阈值后,算出第一个中气旋的时间比龙卷出现的时间提前了58 min。雷达系统输出第一个龙卷涡旋特征(TVS)产品比实际龙卷发生的时间提前了4 min。因为距离雷达很近,在1536(北京时,HHMM,下同)和1542时次,雷达探测到了表征龙卷碎片特征(TDS)的高反射率因子。

台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征

2018年9月17日台风山竹(1822)外围螺旋雨带中发生EF2级龙卷。在高湿度、高不稳定、强垂直风切变的环流背景下,龙卷在台风外围雨带上微型超级单体右后侧钩状回波顶端的弱回波区中发展起来。具有高时空分辨率的广州X波段双极化相控阵雷达,不仅观测到超级单体的发展过程,还呈现出龙卷涡旋演变特征:单体风暴尾端在右后方入流加强作用下,逐渐形成钩状回波形态,此时对流层中低层2~3km高度附近的中气旋强度率先达到最大,随着旋转强度进一步加强和旋转中心高度逐步下降,低层强旋转特征越来越明显,当低层旋转速度达到峰值(超过21m·s^-1),旋转直径收缩到1km范围,地面出现EF2级以上龙卷,旋转速度对区域出现清晰的弱回波龙卷眼区特征。X波段双极化相控阵雷达在龙卷观测中优势显著,弥补了多普勒天气雷达观测的不足。

2016年6月江苏阜宁一次超强龙卷的特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、FY-2E卫星和多普勒雷达等资料,对2016年6月23日江苏省阜宁县一次EF4级超强龙卷天气过程进行了分析。研究表明:(1)龙卷发生前,300hPa附近的冷平流和850hPa附近的暖平流增强了大气对流层垂直层结的不稳定性,700和850hPa低涡切变东移,地面气旋提供的海上水汽输送和天气尺度上升运动抬升触发作用,高低层风速存在强风切变提供有利于中小尺度风暴自组织系统加强等因素,构成了本次龙卷过程发生的环境条件。(2)造成本次龙卷的超级单体风暴持续近4h,具有典型的钩状回波,有持续强盛的气旋性涡旋存在。(3)造成本次强龙卷的超级单体具有深厚的中气旋,龙卷涡旋特征较强,龙卷发生在3D环流厚度及最大切变剧增的时候。

日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征

利用常规观测资料、区域自动气象观测站加密观测资料、多普勒雷达资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势、环境物理量和涡旋特征进行了分析。结果表明:地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统,较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。地面辐合线上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发了对流,较大的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)和较强的0~3 km垂直风切变有利于初生对流的发展、合并,形成超级单体风暴。龙卷发生时,超级单体风暴低层右前侧出现钩状回波、入流缺口。较强的风暴单体、深厚持久的中气旋、中气旋强中心和底部迅速下降并重合、气旋性涡旋加强、最大风切变跃增、多个时次体扫出现龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature,TVS)是地面龙卷发生的主要特征。对龙卷风暴单体移动起主导作用的因子在不同时段有所不同,前期主要受平流的影响;风暴单体合并的过程中,风暴移动受传播和平流的共同影响;风暴单体完全合并后,引导气流对风暴的移动又起主要作用。

1814号台风“摩羯”引发鲁北平原一次罕见龙卷特征

利用常规观测、探空、区域气象观测站、ERA5、多普勒雷达等资料对2018年8月14日台风“摩羯”在鲁北平原引发的1个EF2级龙卷的环境背景和雷达回波进行分析。结果表明:(1)龙卷发生时台风“摩羯”已减弱为温带气旋并停止编号。(2)低层辐合、高层辐散,上下重叠度较好的急流轴,低空强的垂直风切变和风暴相对螺旋度等,构成龙卷风暴发生的有利环境条件。(3)龙卷母风暴属于小型超级单体风暴,低层反射率因子具有钩状回波形态;在速度剖面上具有龙卷涡旋轴线和小尺度风场辐合特征,对应谱宽剖面上有谱宽大值区。(4)降低雷达系统中气旋探测算法和龙卷涡旋探测算法部分适配参数阈值后,系统提前60 min给出中气旋特征,提前7 min给出龙卷涡旋特征(tornado vortex signature,TVS);中气旋顶高、最大切变高度快速上升和下降的过程对应小尺度涡旋的增强和触地,最大切变值骤降对应龙卷快速释放能量。

一次龙卷风天气的特征分析

利用河南濮阳CINRDA/SB多普勒雷达探测资料,结合常规天气图资料、地面加密自动站资料等,对2009年7月16日发生在河南濮阳的龙卷天气过程进行诊断分析,结果表明:这次龙卷天气过程发生在副热带高压边缘西北侧、低空急流左前方的暖切变线附近;龙卷发生前大气环境具有较大的对流不稳定能量,低层存在大的风垂直切变和丰富的水汽;多普勒雷达反射率因子图上表现为移动的弓形回波北段强烈发展形成钩状回波,龙卷生成于钩状回波弱回波区附近。径向速度图上表现为在大范围入流风场中出现伴有辐合的γ中尺度气旋式涡旋,涡旋进一步发展加强导致其中央龙卷涡旋的产生,产生龙卷风天气。另外,强回波、低回波顶高、低层强垂直风切变都是这次龙卷过程中多普勒雷达产品特征。

海门一次F1级龙卷的多普勒天气雷达特征分析

用多普勒天气雷达、常规观测和地面加密观测资料对2011年7月13日发生在江苏南通海门市树勋镇的龙卷风过程进行了详细分析。得出:较长时间的不稳定层结的存在,较低的抬升凝结高度,较强的水平和垂直风切变以及地面干线的存在为龙卷风的发生发展提供很好的动力条件;底层冷空气的切入,较强的风切变易使单体发展更加旺盛。强回波中心高度和垂直积分液态含水量的下降,径向速度风场中气旋性涡旋的迅速发展是对龙卷风提前警戒的很好指标。龙卷风进行过程中,此系统为低位质心的对流系统,产生的天气是龙卷,伴随大风,与冰雹的高位质心对流系统有明显的区别。中气旋高度,最大切变高度的骤降,中气旋尺度的急剧收缩预示着龙卷的发生,为我们今后的龙卷风预警提供有利的参考。

台风“摩羯”螺旋雨带中衍生龙卷的非超级单体特征

2018年8月14日受台风"摩羯"外围螺旋雨带影响,山东遭受7个龙卷风,其中影响惠民县姜楼镇的非超级单体龙卷达F2级致灾标准。利用常规观测资料、卫星云图、探空资料及多普勒雷达资料等,对此次强龙卷过程单体特征进行诊断分析。结果表明:龙卷发生在台风"摩羯"外围螺旋雨带中,其发生地位于台风中心35°方向约160 km处,为湿度梯度大值和TBB梯度大值相重合区域内。大尺度环流背景和低空急流、较低的抬升凝结高度及较大的低层风垂直切变均利于龙卷的发生。初始阶段小尺度涡旋先在近地面层出现,随后向上发展加强,并自高层减弱消失,且最大反射率因子强中心高度的快速下降和跃升过程对应地面龙卷的出现和消失;龙卷发生前7 min在0.5°仰角径向速度上出现小尺度涡旋,表明龙卷接地或即将发生,小尺度涡旋顶高明显上升可作为龙卷迅速增强的指标。