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。

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。

双雷达反演台风外围强带状回波风场结构特征研究

利用移动新一代天气雷达(CINRAD/CCJ)和长乐新一代天气雷达(CINRAD/SA)基数据,采用地球坐标系下的双雷达三维风场反演技术,重点分析了2007年8月18日凌晨超强台风"圣帕"外围强带状回波的风场特征。结果表明,带状回波具有以下特征:(1)强盛阶段,每个强回波中心在前进方向的右侧或右后侧对应于强东偏北风速中心(强风核),其中最强回波中心前侧还存在弱风速中心。这样的水平风场结构从低层一直保持到中层,使得强回波区对应于水平辐合和正涡度区,产生明显的上升运动,有助于对流的发展和维持。强盛阶段云体快速移动。相对于移动的云体来说,前侧及后侧中低层气流均指向强回波,在强回波区及后侧水平辐合形成上升气流,最大上升速度出现在强回波中心与北侧强风核之间。同时在强回波上空高层出现辐散,气流主要向后流出。(2)减弱阶段,较强回波中心或其北侧对应于弱风速中心,回波中心出现负涡度区。云体移速变慢。相对于移动的云体来说,偏东气流穿过云体。回波区气流辐合较弱,明显的上升区出现在中层较强回波近台风中心一侧。(3)强风核可以将位于带状回波前进方向后侧的处于减弱阶段螺旋云带的动量和水汽向带状回波发展区输送,因此,强风核结构很可能是带状回波快速发展的主要原因。

单多普勒天气雷达反演风场高原低纬区域同化应用

为了改善低纬高原地区天气预报水平,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达VAD(Velocity Azimuth Display)反演风场资料同化试验。通过设计不同的试验方案,对2009年6月30日00:00至7月1日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明:同化VAD反演风场资料后对区域模式的风矢量初始场有明显影响。同化系统能把雷达反演风场信息有效地引入模式初始场,改善强降水区域的水汽输送和风场辐合强度;同化VAD反演风场资料后对区域模式累计降水预报有一定改进作用。从长时间累计降水量定量检验结果看,具体表现为25mm以上量级的降水准确率明显提高、漏报率下降,预报偏差更趋合理。不同的同化试验方案之间的模拟结果差异较大。同化频率越高、同化持续时间越长,对区域模式初始场和预报场的影响越明显。但同化持续时间不宜过长,否则可能导致系统移速过快、降水强度偏大、空报率增加等异常。

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。

2019年6月17日河北张家口线状对流中的 龙卷环境场与雷达特征

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析资料以及卫星雷达资料,对2019年6月17日发生在张家口的一次与线状对流伴随的龙卷天气进行分析。结果表明:(1)龙卷天气发生在对流层中低层高能中心、强垂直风切变以及中层强风速区的环境中。(2)中低层强的正水平螺旋度、低层强辐合与高层强辐散配置为龙卷发生提供了有利的环境条件。(3)在对流不稳定区,边界层辐合线是对流的触发条件,弧状云线的发展加强和上冲云顶的识别分析有利于判断对流云团的发展趋势,对强对流的短临预警有重要参考意义。(4)通过雷达资料与风场反演分析,线状对流中的龙卷是由γ中尺度涡旋在低层强辐合与上升气流的拉伸下形成的。强辐合区主要位于3 km高度以下。

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。

广东天气雷达组网策略及在台风监测中的应用

天气雷达是台风监测的重要探测工具,雷达资料实际应用过程中经常遇到多雷达运行不同步、资料采集不及时等问题的困扰。采用区域雷达服务器中央控制运行模式能有效解决这些问题。以0606号台风"派比安"为例,介绍了广东省新一代多普勒天气雷达网在台风监测方面的策略和运行模式。多雷达拼图大大拓展了雷达的监测范围,双多普勒雷达风场反演技术能够揭示台风环流的中尺度三维结构。

冀西北地区一次大冰雹过程的双偏振雷达特征分析

利用常规气象资料、ERA5再分析资料以及雷达资料,对2022年6月10日发生在冀西北地区的一次大冰雹天气过程进行分析。结果表明:(1)此次冰雹天气发生在冷涡的东南象限、低空切变线前侧暖区,对流由局地的热力作用触发并在辐合线附近发展加强。(2)降雹过程可分为3个阶段,前2个阶段为2个不同的超级单体分别影响而形成,粒子相态识别结果主要为干冰雹粒子,雷达回波具有高反射率因子、低差分反射率因子、高相关系数和低差分相移率的特点;第3个阶段为2个超级单体合并后形成,除冰雹外还出现了局地的短时强降水,直径较大且数密度较多的大雨滴造成了短时强降水。(3)利用雷达反演的风场可以分析对流单体的动力结构,通过分析不同阶段单体的动力结构得到单体未来的移动方向与发展趋势,特别是垂直剖面中上升气流的强度对单体的发展趋势有重要指示意义。

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。

“05.6”东北暴雨中尺度对流系统研究Ⅱ:MCS动力结构特征的雷达卫星资料分析

应用多普勒雷达和卫星资料对2005年6月10日发生在黑龙江省沙兰河上游的暴雨MCS动力结构的演变特征作了进一步研究,以加深对东北暴雨中尺度对流系统动力学结构的认识。研究结果表明,导致2005年6月10日黑龙江省沙兰河上游暴雨的中尺度对流系统是一个具有多单体风暴结构特征的孤立对流系统,对流系统中个别对流单体的强烈发展导致了沙兰河上游的雷暴等剧烈天气过程。此外,研究还发现,对流系统在初生—发展—成熟3个阶段中,雷达反演的低空风场上显示出明显的规律性,随着降水加大,降水区附近的流场上反气旋性旋转疏散的特征显著增强。对整个对流系统来说,以对流云团移向方向(东北方)为前方,低空暖湿气流从云团左后方(西南方)入流,而在云团的右前方(偏东方)出流,即系统内的气流具有后方入流前方出流的特点。从对流系统的移动规律来看,云团左侧低空入流高空出流,右侧低空出流高空入流,即在云层平均风方向的左侧低空辐合高空辐散,右侧低空辐散高空辐合。这种有利于对流单体从系统的左后方新生,在右前方消亡的配置可能是导致沙兰河上游暴雨的雷暴云具有左移风暴特点的重要动力机制。

河北张家口一次超级单体龙卷雷达回波特征分析

利用ERA5再分析资料、雷达资料以及北京VDRAS资料,对2021年7月1日发生在张家口的一次与超级单体伴随的龙卷天气特征进行分析。结果表明:(1)此次龙卷天气发生在高空冷涡的东南象限、低空切变线前侧暖区及地面辐合线附近。(2)雷达资料分析显示在超级单体的南侧产生了此次龙卷,龙卷过程中超过50 dBz的高度在6 km以下,强核中心在3 km以下,为低质心的对流系统,反演的风场上在低层1 km高度存在闭合的气旋性环流。(3)北京VDRAS资料分析表明低层强辐合与高层强辐散配置、中低层强的正风暴相对螺旋度为龙卷发生提供了有利的环境条件;垂直速度分布显示龙卷生成地存在强上升运动,其两侧均存在下沉运动;扰动温度的垂直分布表明4 km以下存在负中心,4 km以上存在正中心。

11月初北黄海一次海龙卷风暴的中尺度特征分析

利用多普勒天气雷达资料及反演风场和常规观测资料,对2014年11月2日发生在北黄海(山东半岛北部海上)一次罕见海龙卷风暴的中尺度特征进行了分析。结果表明:冷空气、暖湿海面热力边界、山东半岛北部近海岸西北风与偏西风的辐合线是海龙卷风暴发生的天气背景。海龙卷风暴发生时雷达回波PPI最大分贝反射率因子为60 dBZ,高度为2.0 km,最高风暴顶为4.5 km,最大垂直累积液态水含量VIL为21 kg·m-2。利用雷达反演风场进行中尺度特征分析,结果表明:在海龙卷风暴发生发展过程中,低层风辐合对应4.0 km高度上是风辐散,海上有较强的偏南暖湿气流输送到雷暴区。中尺度动力特征:最大正涡度和散度辐合在1.0 km以下,低层正涡度和散度辐合、高层散度辐散是雷暴发生初期动力特征;低层没有正涡度和散度辐合、高层为正涡度和散度辐合是雷暴开始发展的动力特征;低层和高层为大的正涡度和散度辐合是雷暴成熟阶段的动力特征。高空冷空气叠加上低空强的偏南气流,造成局地涡度加大和低层辐合加强,使低层暖湿气流倾斜上升。海龙卷与辐合区的冷空气和暖湿气流有关。

VVP三维风场反演方法研究

在研究了现有气象雷达三维风场反演的VVP方法的基础上,提出了一种新的基于三维风场均匀分布假设的三维风场VVP反演算法.采用提出的算法,进行了模拟风场和雷达实测风场的反演实验.按照实验结果进行了反演误差分析.理论和实验结果证明采用风场均匀分布假设的VVP方法,反演的三维风场与雷达实测的三维风场比较吻合.

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。

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。

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.

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。

一次基于综合探测资料的山东半岛冷流暴雪特征分析

利用多普勒天气雷达、风廓线雷达、加密自动站、浮标站、常规探空和地面等多种观测资料,对2014年12月山东半岛东部一次冷流暴雪的发生、演变特征进行了分析。结果表明:(1)此次冷流暴雪发生时渤海上空500 hPa气温在-36℃左右,850 hPa气温在-18^-16℃,海面西北风>12 m·s^(-1)。700 hPa以下为混合层,1000~700 hPa混合层内近乎饱和。浮标站资料显示海表面到850 hPa的较大海气温差和山东半岛较强海岸锋是产生暴雪的重要原因。(2)暴雪发生时雷达回波的PPI在30~45 dBz;每6 min雷达回波垂直剖面显示1个较强降雪回波单体持续时间可达到1h。雷达资料反演0.8 km以上风场表明:强降雪回波位于NE与NW风辐合区的东侧,冷流暴雪的水平风辐合主要在3 km以下。风廓线雷达资料表明:暴雪发生前在100m以下有弱西风存在,暴雪发生时1 50~700 m弱的西北风(<6 m·s^(-1))和低层切变线辐合的共同存在,有利于降雪对流的加强;当这种弱西北风层消失后,降雪即停止。