基于相控阵多普勒雷达技术的强对流天气预警系统设计

为了避免突发性灾害对人身以及财产安全造成的影响,针对天气预警过程的干扰因素较多、雷达成像像素精度较低等问题,设计基于相控阵多普勒雷达技术的强对流天气预警系统。设计数据采集芯片和电路混频器,通过不同的电压获取双通道接口的稳定运行。基于相控阵多普勒雷达技术,采集强对流天气数据并进行前期处理,通过多普勒雷达格式数据计算水平反射率结构以及梯度垂直反射率,避免干扰因素影响,计算最大模糊速度与最大模糊距离,得到雷达退速度模糊参数,建立强对流天气预警模型,得到一个新的强对流天气预警系统。实验结果表明,该系统所得到的不同径向距离以及不同方位角度的像素精度均小于0.03,提高雷达成像精度可以得到更准确地预警结果。

风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用

强对流天气局地性强,难以准确、提前监测预警,常造成严重的人员伤亡和经济损失。为了弥补探空资料在连续观测中时间间隔长的不足,利用风廓线雷达对环境风场开展连续观测,分析常熟市沿江地区发生的一次强对流天气过程。结果表明,风廓线雷达资料能够一定程度上反映垂直方向上的风场、垂直气流等气象要素,雷达资料反演的垂直风切变和垂直速度也与强对流天气特征相吻合,可为强对流天气的监测预警提供参考。

一次弓状回波、强对流风暴及合并过程研究Ⅰ:以单多普勒雷达资料为主的综合分析

利用济南CINRAD/SA雷达探测资料,结合卫星、自动站和其他常规天气资料,分析了一次弓状回波和强对流风暴的发生、发展,弓状回波和强对流风暴合并形成新弓状回波后又演变成逗点回波的过程。结果表明:(1)强对流过程发生在东北低涡横槽转竖过程,大气环境具有较大的对流有效位能和中等强度的低层垂直风切变。FY-2C卫星的红外云图显示,产生弓状回波的云团是在邻近云团的出流边界影响下发展、加强的,而地面自动站资料清楚地显示出弓状回波影响区域温、压、湿等在20min内发生的剧烈变化。(2)多普勒雷达产品资料分析表明,这是一次典型的弓状回波过程,系统演变经历了典型弓状回波演变过程的每一个阶段:高大对流回波、弓形和矛状阶段及逗点回波阶段。(3)强对流风暴出现在弓状回波前沿约75km的暖区中,具有普通超级单体的一些特征,移动缓慢。(4)弓状回波和强对流风暴合并阶段,弓状回波已处于逗点云系的后期。超级单体逐渐靠近弓状回波的颈部,在短时减弱后又快速发展并填补了弓状回波减弱部分。在弓状回波后侧强入流作用下,超级单体发展成弓状回波,并很快演变成逗点云系,其旋转头部发展很强并产生灾害性大风。

雷暴与强对流临近天气预报技术进展

临近预报指0—6h(0—2h为重点)的高时空分辨率的天气预报,预报对象是该时段内出现明显变化的天气现象,主要包括雷暴、强对流、降水、冬季暴风雪、冻雨、沙尘暴、低能见度(雾)、天空云量等,其中,以雷暴和强对流天气的临近预报最具挑战性。综述了针对雷暴和强对流天气的以主观预报为主、结合客观算法的临近预报技术,同时讨论了高分辨率数值预报模式在临近预报中的应用。主观临近预报技术包括基于多普勒天气雷达观测数据并结合其他资料(常规高空和地面观测、气象卫星云图、快速同化循环的数值预报产品等)对雷暴生成、发展和衰减,特别是对强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨)的临近预报,客观算法包括几种应用最广的雷达回波或云图外推算法和强对流天气识别技术。高分辨率数值预报模式的应用包括与雷达回波外推融合延长临近预报时效,与各种观测资料融合得到快速更新的三维格点资料为雷暴和强对流近风暴环境的判断提供重要参考。

一次云南强对流暴雨的中尺度特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料及常规观测资料与雷达、卫星等非常规观测资料,综合分析了2014年6月6日云南暴雨过程的天气成因及中尺度对流系统特征。结果表明:500hPa前倾槽、700hPa切变线及地面冷锋是此次暴雨过程的天气尺度影响系统;高能高湿的对流不稳定层结、明显的垂直风向切变是强对流天气形成的有利条件;在Q矢量散度辐合区内多个β中尺度对流系统(MCS)发生发展,短时强降水主要出现在MCS移动方前沿对流活跃的云顶亮温(TBB)等值线密集区,雨强变化与TBB等值线梯度变化密切相关;多普勒雷达及地闪资料显示多个γ中尺度对流系统是强对流暴雨产生的直接影响系统,雷暴易发生于回波强度在35~45dBz、回波顶高超过10km的区域,中尺度辐合线、第二类γ中尺度辐合区附近负地闪密集区与短时强降水、雷暴天气有很好的对应关系。

应用雷达产品计算风暴相对螺旋度

风暴相对螺旋度（SRH）反映了一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，对雷暴、龙卷和大范围暴雨的分析与预报有一定的实用价值。首先探讨了由多普勒天气雷达提供的垂直风廓线（VWP）产品计算SRH的方法和步骤。根据此方法，分别计算、分析了暴雨、冰雹、大风三个天气个例的SRH。结果表明：SRH与大面积降水过程的暴雨雨强有很好的对应关系，降水强度的变化滞后SRH强度的变化约半小时左右，可以由SRH大致估计降水加强及消亡的时间；SRH对尺度非常小的冰雹、大风等强对流天气有提前10～20分钟的预报作用。应用VWP产品计算出的SRH，可以作为实际业务工作中暴雨、冰雹、大风等强对流天气的预报因子，给预测人员预报强对流天气提供宝贵时间。

一次强对流风暴含水量的雷达反演和数值模拟结果的对比分析

利用多普勒天气雷达探测的反射率因子Z与含水量M的Z-M经验关系式,反演含水量,并构建等高平面位置显示CAPPI和垂直剖面VCS两种显示方式。计算域定为以雷达站为中心的,水平边长为150 km,垂直高度为30 km的长方体箱区,分辨率是1 km×1 km×1 km。同时应用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式(IAP-CSM3D),以2004年4月23日发生在湖南省境内的一次强对流风暴过程为例,模拟该风暴云体的含水量分布。雷达反演含水量和数值模拟结果的对比分析表明,不论在风暴的发展阶段还是在强盛阶段,反演得到的含水量等值线分布和模式输出总体相似,风暴中心的强度和高度位置吻合得很好,较好地反映了该风暴云的结构,反演效果较好。

CINRAD-SA/SB零度层亮带识别方法

该文提出一种使用S波段多普勒天气雷达回波三维特征和反射率因子垂直廓线(vertical profile of reflectivity,VPR)来自动识别零度层亮带的方法(简称3DVPR-BBID),并利用2003年6月22日—7月11日和2007年7月合肥雷达资料、2008年6月广州雷达资料以及相应的探空资料,同仅使用VPR识别零度层亮带的方法(简称VPR-BBID)进行比较。结果表明:VPR-BBID和3DVPR-BBID在大部分情况下能够有效识别零度层亮带的存在,而且3DVPR-BBID能够减少VPR-BBID产生的误识别。在同探空资料观测的零度层高度的比较中,两种方法确定的零度层高度同实况比较接近,进一步分析表明:3DVPR-BBID确定的零度层高度比VPR-BBID确定的更接近观测值。

基于多普勒天气雷达的垂直散度和温度平流廓线反演

垂直散度廓线可用于推断大气垂直运动情况,垂直温度平流廓线可用于推断大气层结是否稳定,有助于预报员推断本站降水演变趋势。鉴于我国多普勒天气雷达中还没有垂直散度和温度平流廓线产品,提出了这两种产品的反演方法。首先使用分层VVP方法从雷达体扫径向速度资料中反演出雷达站上空的垂直风廓线和垂直散度廓线,然后在假设大气处于地转平衡条件下,基于温度平流与地转风随高度的变化关系,从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线。以两次大范围暴雨天气过程为例,反演了雷达站上空的垂直风廓线、散度廓线和温度平流廓线,并对反演结果进行了分析。结果表明:在雷达周围有大范围降水回波的情况下,使用分层VVP方法能合理地反演出雷达站上空的垂直风廓线和散度廓线;在这种情况下,反演的垂直风廓线代表各个高度雷达有效探测范围内的平均水平风,可近似满足地转平衡条件,因此,使用热成风方程能较为合理地从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线;三个反演产品的合理性可用天气学理论和天气实况来解释。

鄂西南一次早春强对流过程的多源资料分析

综合利用多普勒天气雷达、风廓线雷达、微雨雷达、二维视频雨滴谱仪、三维闪电监测网等多源探测资料对2020年2月14日发生在鄂西南一次伴有局地冰雹和雷雨大风的强对流过程进行了中小尺度特征分析,并探讨了分类强对流识别预警算法在强对流短临识别预警中的应用。结果表明:(1)由于鄂西南山地的阻挡作用,冷锋在宜昌北部南下缓慢,华北低槽、850 hPa低涡北部的暖式切变线和冷锋前侧不断渗入的冷空气在鄂西南交汇形成上干下湿的不稳定层结;中低层西南暖湿气流沿着低层锋区向鄂西南输送并发展,850 hPa切变线、地面冷锋和暖倒槽配合触发强对流发展加强,强冰雹发生在冷锋和暖倒槽交汇处。(2)风廓线雷达资料显示鄂西南处在地面冷锋前部暖倒槽中,持续增强的中高层西南急流和冷锋前侧不断渗入的冷空气有利于强对流的发生发展。(3)二维雨滴谱仪完整记录了降水过程的雨滴谱分布特征,粒子直径大多在1 mm以内,最大直径接近6 mm。(4)由微雨雷达探测的雨滴谱垂直分布特征可知,降水前期环境湿度低,蒸发作用明显;而在强降水时段,近地面雨滴碰并增长作用明显。(5)三维闪电观测网获得的闪电频次与雹暴单体的强度变化呈正相关,且两个雹暴单体的初次地闪分别提前于降雹30 min和33 min。(6)多普勒天气雷达探测到有界弱回波区、钩状回波等典型冰雹回波特征,而中气旋、中层径向辐合及高空辐散区的存在表明对流云内维持了较强的上升气流,有利于冰雹的生成生长。

“07.7”鄂东南强对流天气的多普勒雷达资料分析

利用武汉多普勒天气雷达资料,对2007年7月27日发生在武汉及其周边部分地区的一次强对流天气过程,特别是引起武汉、洪湖的冰雹和地面大风灾害的2个强风暴(A、B)进行了详细分析,得到如下结论:(1)这次强对流天气的主要天气背景是,副热带高压西侧强烈的西南气流诱发了中小尺度扰动,强的低层垂直风切变,大的垂直不稳定,低层较干和中高层更干的水汽条件。(2)产生灾害性天气的对流系统最初是一条近乎南北向的断续型对流带,强风暴A和B在其成熟阶段都有低层弱回波和中高层悬垂回波结构,最大回波强度均大于60 dBz;风暴A在其崩溃阶段,近地面径向速度迅速增大,随其北移,造成武汉市黄陂区大风灾害;风暴B在平均径向速度图上存在明显的中层气流辐合(MARC),是即将出现地面强辐散风的标识。(3)强回波中心高度迅速降低是地面灾害性天气发生的标识,VIL密度比VIL本身更能反映风暴的强度,特别是当因雷达扫描策略的影响导致探测不到风暴顶或风暴底时。(4)在用冰雹探测算法(HDA)探测冰雹时,要注意修改可调参数,特别是0℃和-20℃环境温度的高度,这样才能大大降低冰雹误报率。

春季强降水过程的多普勒天气雷达图像特征剖析

对2004年4月25日出现在华北的一次大范围较强降雨过程进行了分析,介绍了多普勒天气雷达径向速度PPI图像和垂直风廓线(VWP)产品的应用技术,根据这两种产品可以判断冷、暖平流,以及各个高度层风的辐合、辐散,综合这些特征进一步判断气流上升或下沉,从而可以推断降水的生消。通过对此次降水个例的分析,探讨了春季强降雨过程的雷达图像特征,发现在降水发生、发展和消亡的不同时段垂直风廓线产品和径向速度图像都有非常明显地体现,为今后预报春季大面积降水提供一定的参考和依据。

用CINRAD-SA雷达产品识别冰雹、大风和强降水

利用位于河北新乐的CINRAD-SA多普勒天气雷达(回波强度、回波顶高、速度回波、垂直积分液态含水量、组合反射率、冰雹指数、中气旋、风廓线等)产品,对发生在河北省中南部地区的冰雹、强风、大型降水天气过程进行了统计分析。从中得到了不同天气类型的多普勒雷达指标,为今后利用多普勒雷达识别各类天气提供参考依据。

一次蒙古冷涡影响下宁夏强对流天气分析

2004年6月14、15日连续2 d宁夏大部地区出现了强雷阵雨天气,引黄灌区局部地区遭受冰雹袭击。利用常规气象资料、多普勒雷达产品等资料,对此次过程进行了天气学分析,分析表明这是一次典型的蒙古冷涡旋转东移南压造成的宁夏连续性强对流天气过程。并根据一般性雷雨与伴有冰雹的强雷雨天气发生时雷达回波的差异,统计得到宁夏发生强对流性天气的监测预警指标,同时利用宁夏中尺度区域模式MM5预报产品对其相关物理量进行了模拟分析,得到了有价值的结果。

多普勒天气雷达与风廓线雷达测风比较

多普勒天气雷达可以在线性风场的假设条件下,从其所获取的径向速度数据中通过傅氏变换求解得到不同高度上的环境水平风矢量及散度;风廓线雷达以空中湍流为目标,在风场一致性及各向同性的假设条件下,通过测量目标运动的径向速度来反演所在地上空的三维风场。新一代多普勒天气雷达可以测量测站周围30km内不同高度层上的平均风场,测量范围大;风廓线雷达可比较准确地测量测站上空的三维风场,且垂直分辨率较高。两者的测量机理不同,探测的空中目标也存在一定的差异。其测量结果可以互相补充,前提是两者的测量具有很好的一致性和可比较性。这对正确理解和合理利用这两种雷达数据都有一定的帮助。

单多普勒天气雷达反演降水粒子垂直速度Ⅱ:实例分析

垂直速度的反演一直是多普勒雷达风场反演的关键问题和难点,在对单多普勒雷达体积速度处理(VVP)法反演垂直速度进行敏感性分析和改进求解方程的基础上,对其反演三维风场和适用的风速条件做了模拟检验,并在强对流天气和台风实例中反演与验证。分析结果表明,改进的反演算法对径向风速的误差并不敏感,在高低仰角上的精度相同,观测误差越小或风速越大时,反演精度越高。对广州一次强对流过程的反演结果表明,改进的反演算法可以反演出对流单体中降水粒子垂直运动的变化。在中尺度气旋中,粒子垂直速度大值区的分布与气旋外围风切变的位置相符;在气旋的消散阶段下落速度增大,因而可通过粒子的垂直速度变化判断雨强的变化。对2006年超强台风"桑美"的反演结果显示,能够反演出台风中心的下沉气流以及外围交替出现的上升与下沉气流,在台风中心处下沉速度的大值区位于7-8 km高度,低层与高层的值相对较小。反演效果表明,改进后的反演方法较准确地反映了降水粒子的垂直运动,使多普勒雷达资料可揭示更多的三维风场细节,有助于改进强对流天气过程的风场结构分析和降雨落区的预测。

利用多普勒天气雷达探测强对流天气过程初探

介绍了使用多普勒天气雷达对3月20日强对流天气过程进行连续监测的情况,并对使用多普勒天气雷达产品的过程和体会加以总结,以便为以后使用该雷达探测灾害性天气提供相关参考。

巴州北部农区强对流天气预报预警方法初探

通过对库尔勒新一代天气雷达主探区(巴州北部农区)的短时强对流天气的综合分析,总结梳理出巴州地区短时强对流天气预报预警方法及流程。从巴州北部农区强对流天气特点和路径入手,分析总结了巴州地区易产生强对流的天气形势和影响系统以及如何分析和判断强对流天气,同时综合运用探空曲线、能量分析、卫星云图和雷达回波的识别判定来启动和发布库尔勒天气雷达探区的雷雨大风、冰雹等强对流天气的预报预警工作。通过这些摸索和实践,期望为巴州地区应对气候变化、加强防灾减灾提供有效的参考依据,以做好突发气象灾害的应对工作。

2010年海南岛北部一次强对流天气的特征分析

利用1°×1°的NCEP全球再分析资料和常规气象要素、中尺度自动站、多普勒雷达等资料针对2010年6月1日海南岛北部一次强对流天气发生、发展过程进行分析。结果表明：（1）强对流天气发生在对流层中层南支槽与低层暖湿切变共同作用的天气尺度背景下,700600 hPa之间的干冷侵入是对流触发的主要机制之一,由于低层水汽偏少,不利强降水的发展,造成此过程风大雨小;（2）多普勒雷达产品可以清楚反映低层风场切变以及冷暖平流的发展演变,因此可弥补探空资料的不足,为临近预报提供一定的参考;（3）强对流天气一般在地面风场切变线出现之后3050 min后发生,这对强对流天气的预报有指示作用;（4）近地层的东南暖湿气流以及850 hPa西南暖湿气流的输送为此次过程对流发展提供充足水汽条件。

三峡坝区一次强风害天气多普勒雷达回波分析

2002年4月15日夜间发生在三峡坝区的强风暴属于典型的地面冷锋侵入西南倒槽天气背景下的强对流过程,其瞬间最大风力达11级,降水强度达50 mm/h左右。多普勒雷达发现风暴成熟阶段的回波具有中气旋等特征。强回波历时近4 h,根据当地短时大风的记录近地面伴随较强的下泄气流,造成灾害性大风。灾害性大风的能量可能来自对流层中层对流不稳定能量的积聚,能量大小对风害的强度有很好的指示性,对流不稳定能量层消失时刻预示风害爆发时刻。此个例灾害性大风和强降水发生在最强回波、最高回波顶和最大垂直累积液态水含量之后。强烈的天气现象与天气雷达回波指示值之间的时间差可作为预报员今后预报此类天气的重要参考。