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。     

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。     

陕北一次飑线过程的中尺度特征分析

使用常规探测资料、多普勒雷达资料以及自动观测站资料,对2009年5月16日陕西北部一次飑线过程进行分析,发现有利的环境条件是低层暖湿,高层干冷的不稳定层结,后方冷下沉气流表现明显;散度场具有双辐合结构,并且中层辐散强于低层辐合,从而促进地面低值系统发展,进一步加强垂直上升运动。飑线过程中尺度特征明显,雷达径向速度图上可以识别出中低空的中尺度辐合线,同时地面上与露点锋、中低压以及风场辐合线等中尺度系统关系密切。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

大同市一次暴雪天气过程多普勒雷达速度特征

利用高空、地面环流形势图、欧洲数值预报产品和大同地区C波段单多普勒雷达产品中的反射率因子、径向速度和VWP产品,对2009年11月9—10日发生在大同地区的暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点。利用大面积降水的多普勒雷达PPI径向速度零线的朝向、正负速度面积和径向速度值的大小定性判断辐合辐散图像特征与根据零速度线的弯曲程度、一定距离圈上零速度点与雷达中心连线夹角计算出的辐散值相比较,表明两种方法具有较好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理的雷达原始资料求得每30 min的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪风场的垂直结构及其变化,直观地反映降水过程中的风场变化特征。     

大同市一次暴雪天气过程多普勒雷达速度特征

利用高空、地面环流形势图、欧洲数值预报产品和大同地区C波段单多普勒雷达产品中的反射率因子、径向速度和VWP产品,对2009年 11月9-10日发生在大同地区的大到暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点;利用大面积降水的多普勒雷达PPI径向速度零线的朝向、正负速度面积和径向速度值的大小定性判断辐合辐散图像特征与根据零速度线的弯曲程度、一定距离圈上零速度点与雷达中心连线夹角计算出的辐散值相比较,表明两种方法具有很好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理雷达原始资料求得每30 min的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映出降水过程中的风场变化特征。     

一次大到暴雪天气的多普勒雷达产品综合分析

利用常规资料和大同多普勒雷达产品,对2009年11月9日一10日发生在大同地区的大到暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点;利用大面积降水的多普勒天气雷达径向速度PPI图像识别技术,定性分析此次降雪的冷暖平流与大尺度辐合辐散运动叠加的图像特征和由零线的朝向和正负速度面积、径向速度值的大小判断风向风速辐合辐散的图像特征,与根据零速度线的弯曲程度以及一定距离圈上零速度点与雷达中心连线的夹角推导出的定量计算大气辐合辐散值的算法计算出的大气平均散度值相比较,表明两种方法具有很好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理雷达原始资料求得每半小时的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映出降水过程中的风场变化特征。     

滇东北一次飑线过程的中尺度结构特征

利用常规观测资料、卫星云图和多普勒天气雷达资料,综合分析了2007年6月14日发生在滇东北的一次飑线过程。结果表明:飑线发生在700 hPa切变线前和冷锋前暖区中,位于高层冷舌和低层暖舌相叠置的地区,高层冷空气侵入和地面中尺度切变线的触发作用是飑线形成和发展的主要动力过程。飑线前沿形成含有5个强单体的带状强回波,成熟阶段的强单体出现了弓形回波特征。飑线前沿出现低层辐合、中层径向辐合和高层辐散的特征,低层β中尺度辐合线随高度增加向飑线后部倾斜。飑线前沿存在前侧低层入流、中高层出流急流以及后侧低层入流急流。飑线上存在深厚的上升气流,两侧为下沉气流,且前方的下沉气流比后方强。低层强垂直风切变有利于飑线的产生和发展。     

一次局地大暴雨三维风场的双多普勒雷达探测研究

使用地基双多普勒天气雷达综合和连续调整技术 (MUSCAT), 对2001年7月13日安徽省合肥、马鞍山双多普勒雷达同步探测到的暴雨系统进行三维风场反演.其暴雨系统的流场特点是在低层存在切变线和辐合线, 高层气流辐散, 有明显的垂直环流; 低层的水平辐合区与高层的水平速度的辐散区相匹配, 对应着上升运动; 下沉气流在近地面层形成的向外流出的辐散气流促使暴雨系统前方低层暖湿空气上升; 南北强回波单体在全椒附近合并, 单体合并首先从低层开始, 然后扩展到中高层, 造成全椒地区的局地强降水; 中低层的切变线和辐合线是强回波单体合并的动力因素; 流场特征是在其上空形成中尺度涡旋.最后, 给出了这次暴雨的概念流场模型.     

一次雷雨大风的形成机制及多普勒雷达特征分析

利用常规资料和多普勒天气雷达资料对2011年4月27日凌晨的一次弱降水雷雨大风进行了诊断分析,结果表明,此次过程以前倾槽为特征,高空干冷空气先行,叠加在低层暖湿气流之上,形成对流不稳定;横槽下摆,地面冷锋向南侵袭,在低层形成边界层切变辐合线,触发强对流爆发;中等到强的垂直风切变环境有利于强对流发生发展;0℃层高度适中,且对应一个较厚干层,不利于降水而有利于下沉气流发展;雷达回波上观测到飑线发展成"弓形"回波,且有一条10~15dBz的窄带回波,即可发布地面大风警报;径向速度图上观测到冷锋过境的风场变化特征,地面大风与径向速度大值区相对应,且有低层辐散、中层辐合并有气旋式旋转维持至大风结束。     

Three-Dimensional Wind Field Retrieved from Dual-Doppler Radar Based on a Variational Method: Refinement of Vertical Velocity Estimates

In this paper,a scheme of dual-Doppler radar wind analysis based on a three-dimensional variational method is proposed and performed in two steps.First,the horizontal wind field is simultaneously recovered through minimizing a cost function defined as a radial observation term with the standard conjugate gradient method,avoiding a weighting parameter specification step.Compared with conventional dual-Doppler wind synthesis approaches,this variational method minimizes errors caused by interpolation from radar observation to analysis grid in the iterative solution process,which is one of the main sources of errors.Then,through the accelerated Liebmann method,the vertical velocity is further reestimated as an extra step by solving the Poisson equation with impermeable conditions imposed at the ground and near the tropopause.The Poisson equation defined by the second derivative of the vertical velocity is derived from the mass continuity equation.Compared with the method proposed by O’Brien,this method is less sensitive to the uncertainty of the boundary conditions and has better stability and reliability.Furthermore,the method proposed in this paper is applied to Doppler radar observation of a squall line process.It is shown that the retrieved vertical wind profile agrees well with the vertical profile obtained with the velocity–azimuth display(VAD)method,and the retrieved radial velocity as well as the analyzed positive and negative velocity centers and horizontal wind shear of the squall line are in accord with radar observations.There is a good correspondence between the divergence field of the derived wind field and the vertical velocity.And,the horizontal and vertical circulations within and around the squall line,as well as strong updrafts,the associated downdrafts,and associated rear inflow of the bow echo,are analyzed well.It is worth mentioning that the variational method in this paper can be applied to simultaneously synthesize the three-dimensional wind field from multiple-Doppler radar observations.     

上海2004年7月12日飑线系统中尺度分析研究

利用上海地基单多普勒雷达观测资料反演2004年7月12日17—19时(北京时,下同)上海市一次飑线过程的水平风场结构,并用自动站观测的风场资料、卫星云图以及根据雷达回波和时间的连续性和径向速度的特征是否吻合等方面进行综合检验,结果表明反演风场可对飑线进行详尽分析提供可靠的高分辨率资料。在综合多种观测资料的基础上,对这次飑线过程的中尺度系统进行分析,结果表明:(1)这次过程是前倾冷锋前暖区3个主要的β中尺度对流单体和新生的小单体共同作用所致,这3个主要的β中尺度对流单体不是通常个例表现的线状排列,而是冷锋前的两个单体与相对方向的一个单体共同作用,在气团的边缘形成强烈风切变;(2)200多公里长的飑线是由具有独立结构的较小的对流系统串成。在飑线前部存在中尺度的气旋流场,飑线北部末端存在一个气旋流场,南部末端存在一个反气旋流场。而每个单独的弓状回波有自己独立的结构,包括弓状回波后部很强的辐散气流和飑前低压。文中给出了水平风场和回波的结构示意图;(3)在飑线出现以前,低空存在有利于不稳定天气产生的顺时针垂直风切变,而高层则是逆时针垂直风切变。此外,低层入侵的浅薄冷空气为飑线过程提供形成低层不稳定的又一有利因素;(4)飑线中对流单体的移动方向与低层风场方向存在夹角,与锋面云带整体向东移动的趋势也不同,但与1.5 km以上到4.5 km左右的西南气流方向相同,即整体向东北方向移动。这种特征可以对系统短时间移动方向的预报提供帮助。     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

河北承德一次飑线过程的多普勒雷达资料分析

利用河北省承德多普勒雷达的反射率因子、径向速度、垂直积分液态含水量(VIL)等产品,结合环流形势和自动站资料,对2008年6月25日发生在承德市境内的一次飑线天气过程进行了分析,初步探讨了飑线天气过程的多普勒雷达回波演变特征.分析结果表明:大风位于弓形飑线回波的凸起部位.负速度中心值逐渐增大到>27 m/s且逐渐靠近雷达,预示大风天气的出现.VIL值的剧减、跃增和持续高的ET与大风、冰雹等强对流天气有一定的对应关系.     

风廓线雷达数据质量影响因子及处理算法

风廓线雷达系统误差和探测数据时空代表性影响风的数据质量。针对五波束探测风廓线雷达,提出雷达系统误差检测方法并分析风的空间不均匀分布和时间代表性对风数据质量的影响。在此基础上,通过比较4组三波束计算的两组水平风u,v分量离差进行风的空间均匀性判别,并比较了一致性平均和数学平均两种时间代表性处理算法间的测风精度差异。利用广东风廓线雷达站网2014年3—5月10部雷达数据进行方法应用和评估。结果表明:稳定大气条件下,3种型号雷达 (LC,PB,PA) 的有效数据高度分别达到3,6 km和10 km的雷达系统功能设计需求。经空间均匀性检验与时间一致性平均处理的风数据在降水期间质量优于业务雷达数据,3—5月10部雷达获取的两组u,v分量离差标准差约为1 m·s-1,表明经过空间一致性检验和时间一致性平均处理后的数据质量较好。     

基于VDRAS资料探究河北中南部一次弓状强飑线的演变和机理

利用常规气象资料、ERA5再分析资料、北京VDRAS资料以及雷达资料，对2021年7月31日发生在河北中南部的一次弓状强飑线过程进行分析。结果表明：（1）此次飑线过程发生在冷涡的背景下，500 hPa涡后的冷空气与850 hPa的暖脊叠加，建立了不稳定层结，在地面辐合线附近触发。（2）雷达回波由分散的对流单体合并加强，强弓形出现时，最大强度值超过55 dBZ，存在径向速度大值区和中层径向辐合等特征，这些都预示地面大风的出现，而回波悬垂预示冰雹出现。（3）雷达反演的风场可以显示飑线的水平和垂直结构，能清楚地指示飑线的出流、入流以及辐合区，对指示飑线不同部位的发展趋势有重要指示意义。（4）地面风场辐合导致雷暴单体触发，雷暴单体在不稳定的大气层结中获得快速发展，发展过程中0～3 km的垂直风切变逐渐增强，低层形成冷池，热力不均匀区域扩大，沿着扰动温度梯度大值区与风场辐合区，新生对流向东向南传播，分散对流单体合并演变为飑线。（5）从飑线发展阶段的热动力结构分析中发现，由倾斜上升气流与下沉气流形成垂直环流，下沉气流增强时，冷池效应增强，低层环境垂直风切变也增强，环境条件的改变是飑线发展的结果，同...     

Assimilating surface observations in a four-dimensional variational Doppler radar data assimilation system to improve the analysis and forecast of a squall line case

This paper examines how assimilating surface observations can improve the analysis and forecast ability of a fourdimensional Variational Doppler Radar Analysis System(VDRAS).Observed surface temperature and winds are assimilated together with radar radial velocity and reflectivity into a convection-permitting model using the VDRAS four-dimensional variational(4DVAR) data assimilation system.A squall-line case observed during a field campaign is selected to investigate the performance of the technique.A single observation experiment shows that assimilating surface observations can influence the analyzed fields in both the horizontal and vertical directions.The surface-based cold pool,divergence and gust front of the squall line are all strengthened through the assimilation of the single surface observation.Three experiments—assimilating radar data only,assimilating radar data with surface data blended in a mesoscale background,and assimilating both radar and surface observations with a 4DVAR cost function—are conducted to examine the impact of the surface data assimilation.Independent surface and wind profiler observations are used for verification.The result shows that the analysis and forecast are improved when surface observations are assimilated in addition to radar observations.It is also shown that the additional surface data can help improve the analysis and forecast at low levels.Surface and low-level features of the squall line—including the surface warm inflow,cold pool,gust front,and low-level wind—are much closer to the observations after assimilating the surface data in VDRAS.     

基于雷达资料同化的飑线过程数值模拟试验研究

利用中尺度WRF模式及其3DVAR同化系统对2014年3月30日发生在我国华南地区的一次飑线过程展开多普勒天气雷达资料的同化效果试验研究。首先对雷达资料进行去地物杂波、退速度模糊等预处理,后设计了基于不同雷达观测量的同化试验及同化频次的敏感性试验。结果表明:直接循环同化雷达径向风资料和雷达反射率因子能够增加数值模式中的中小尺度信息,提供可靠的水汽分布;不同的同化频次对同化结果影响显著,每12 min同化间隔的结果略优于30 min、60 min同化间隔;同化雷达反射率因子和径向风资料分别对模式的总水场和风场有显著调整,联合同化雷达反射率因子和径向风资料比单独同化反射率因子或径向风更能改善飑线垂直结构配置,促使地面冷池和雷暴高压配合,进一步改善模式对大雨和暴雨量级降水预报效果。     

Evaluation of two momentum control variable schemes and their impact on the variational assimilation of radarwind data: Case study of a squall line

Different choices of control variables in variational assimilation can bring about different influences on the analyzed atmospheric state. Based on the WRF model’s three-dimensional variational assimilation system, this study compares the behavior of two momentum control variable options—streamfunction velocity potential (ψ–χ) and horizontal wind components (U–V)—in radar wind data assimilation for a squall line case that occurred in Jiangsu Province on 24 August 2014. The wind increment from the single observation test shows that the ψ–χ control variable scheme produces negative increments in the neighborhood around the observation point because streamfunction and velocity potential preserve integrals of velocity. On the contrary, the U–V control variable scheme objectively reflects the information of the observation itself. Furthermore, radial velocity data from 17 Doppler radars in eastern China are assimilated. As compared to the impact of conventional observation, the assimilation of radar radial velocity based on the U–V control variable scheme significantly improves the mesoscale dynamic field in the initial condition. The enhanced low-level jet stream, water vapor convergence and low-level wind shear result in better squall line forecasting. However, the ψ–χ control variable scheme generates a discontinuous wind field and unrealistic convergence/divergence in the analyzed field, which lead to a degraded precipitation forecast.