双偏振雷达K_(DP)足及Z_(DR)弧的自动识别及应用研究

差分反射率(Z_(DR))弧表示超级单体风暴中前侧入流区域弧状的Z_(DR)大值区,差分相移率(K_(DP))足则表示风暴核心顺切变方向K_(DP)大值区。超级单体风暴中的Z_(DR)弧及Z_(DR)弧-K_(DP)足分离特征已被证实为风暴中粒子“分选机制”的重要示踪因子,并且Z_(DR)弧和K_(DP)足质心连线和分离角与低层入流和风暴相对螺旋度相关较好。为快速识别K_(DP)足及Z_(DR)弧并提取Z_(DR)弧-K_(DP)足分离特征,运用其指示意义提升极端大风和冰雹的预报能力。基于经典概念模型和机器学习方法,利用华东地区S波段双偏振雷达探测资料,进行了K_(DP)足和Z_(DR)弧的自动识别算法设计,并计算了Z_(DR)弧-K_(DP)足质心距离和分离角。而后针对华东地区4次超级单体风暴过程,结合地面自动观测资料验证了K_(DP)足及Z_(DR)弧识别结果及定量化计算效果。结果显示:设计的方法能够准确识别出超级单体风暴中的K_(DP)足和Z_(DR)弧,Z_(DR)弧-K_(DP)足质心距离和分离角的变化也可在一定程度上指示极端大风的发生。

梅雨锋中尺度涡旋内微型超级单体龙卷的形成研究

对一次梅雨锋中尺度涡旋上发展的系列龙卷过程的形势背景、近风暴环境、龙卷演变过程和形成机理进行了研究。在高空强辐散区、中低层西南风急流的强风速辐合背景下,北侧干空气卷入后静止锋上形成了具有弓状结构的“逗点”状中尺度对流系统(MCS),MCS北部γ中尺度涡旋明显发展,产生多个龙卷。相较于S波段多普勒天气雷达,高分辨率(30m距离库、30秒体扫描)相控阵雷达探测到上海崇明陈家镇龙卷及其母体“微型”超级单体的精细结构和形成演变过程,及涡旋速度对、反射率空洞、高谱宽等典型标记;正、负径向速度对的结构和演变揭示涡旋源于近地面,发展后其高度最高达到2.0km;龙卷接地前2~3分钟,收缩拉伸的龙卷涡旋又呈现出从上向下接地的过程。分析表明:极低的抬升凝结高度和极强的低层垂直风切变为龙卷形成提供了环境条件,龙卷发生前低层垂直风切变显著加强;在中尺度涡旋东部降水回波后缘,西南干急流与东南湿急流汇集激发形成“微型”超级单体,其指状回波快速向单体主体靠近、收缩逐渐演变成钩状回波,形成具有空洞特征的龙卷涡旋区。该龙卷形成的可能机制是:指状回波包围区内上升运动与外围下沉运动分别作用于由低层垂直风切变形成的水平涡管上,使水平涡管倾斜向上逐渐转为垂直涡管,在上升运动的作用下不断拉伸加强,涡度迅速加大形成龙卷。针对该次过程,建立了中尺度涡旋上“大涡套小涡”的系列龙卷分布概念模型和“微型”超级单体上龙卷涡旋形成的概念模型。

一次夜间β中尺度弓形回波形成机制机理研究

2017年9月24日夜间至25日凌晨,沿长江一线发生了一次夜间强对流过程。准东西向锋面雨带南侧垂直于锋面走向的β中尺度对流系统由线状逐渐演变为弓形,造成长江中下游地区产生短时强降水,并伴随7级雷暴大风。从环境场来看,夜间不存在有利的热力条件,预报难度较大。本研究利用观测和数值模拟对弓形回波的形成和演变机制机理进行分析,雷达观测显示初始阶段有一条东北—西南向的β中尺度线状对流带,在其西南侧不断有新生的对流单体合并进入对流主体,形成侧后向传播,之后在对流主体移动方向前侧(东南侧)又有新的对流单体生成,逐渐发展成西北—东南向的带状,并向东北方向移动,最终导致原β中尺度线状对流带演变并加强为弓形回波。高分辨率数值模式模拟的对流系统演变过程与实况十分接近,利用涡度方程进行诊断分析显示涡度的倾侧项在侧后向传播中发挥了重要的作用。对流发展初期,在倾侧项作用下回波西南侧有新的对流单体生成并与主体回波合并,随着回波不断合并增强,辐散项的作用逐渐增大,主体回波在西南侧的倾侧项和东北侧的辐散项共同作用下正涡度明显增大,且其垂直平流项将正涡度向上传播,有利于对流的垂直伸展。在主体回波前侧,受水平平流项的作用不断有新的对流单体生成,但由于垂直伸展高度低,受低层风引导向东北方向移动,在移动过程中对流单体排列呈西北—东南向且逐渐合并涡度增大,最终导致线状主体回波演变为弓形回波。此次弓形回波的形成过程与经典模型存在显著差异,其弓形后侧没有明显的后侧入流急流,而是具有明显的前侧近地层入流,主要受到了前侧暖区内对流系统发展影响。