广西临桂极端大风天气过程的中尺度特征分析

利用常规观测资料、桂林多普勒天气雷达资料,对2019年3月21日夜间广西桂林市临桂区极端大风天气过程的气象要素变化特征、对流潜势和对流风暴的中尺度特征进行分析。结果表明,这是一次由超级单体造成的下击暴流过程,极端大风出现在最强分钟降水之前,气压在极端大风出现前后变化剧烈;过程发生在冷锋前低空急流前端的不稳定层结下,地面中尺度辐合中心触发对流,在强的风切变环境下迅速发展成超级单体风暴;雷达图上具有前侧入流缺口、后侧弱回波通道、回波悬垂、强中气旋、地面强辐散等特征;雷达提前一小时识别出TVS,在今后的临近预警中值得高度重视。     

鄂东地区雷雨大风多普勒天气雷达回波特征

使用多普勒雷达速度场等资料,对2004-2005年发生在武汉附近五次灾害性大风过程进行了分析,同时,利用雷达风廓线产品(VWP)计算的0～1、0～3 km的风垂直切变和风暴相对螺旋度(SRH)等物理量,分析了低层环境风垂直切变与中气旋存在的关系.结果表明:(1)多普勒雷达速度图上灾害性大风有两个基本的特征:一是存在于相对孤立的风暴内的小尺度大风核,下击暴流尺度相近,是下击暴流在地面附近的反映;二是弓状同波后的大风区或尾入流急流.(2)强的低层垂直风切变下,风暴相对螺旋度较大,在强风暴发展过程中,强风暴伴随有中气旋的存在,天气也较剧烈.(3)多起下击暴流过程发生时回波顶、强回波中心高度下降,表明风暴减弱的开始是下击暴流开始形成的显著特征.     

广州白云机场雷雨大风天气的特点及雷达回波特征分析

利用2013和2014年广州白云机场天气报告、机场多普勒天气雷达资料和机场跑道区域的自动观测资料,对发生在广州白云机场的雷雨大风天气出现季节、时段、强度和维持时间等特征进行统计分析;在此基础上,对雷雨大风天气过程的天气雷达强度和速度回波图像特征进行分析归纳,提出了4种分型:飑线、阵风锋型多单体、阵风锋型强单体(包括超级单体),下击暴流型强单体。广州白云机场出现雷雨大风天气时天气雷达的低仰角PPI速度回波图像会出现相应量级的负速度回波区或小尺度强烈辐散的速度特征。     

一次下击暴流天气的多普勒雷达资料分析

利用多普勒雷达基本反射率、径向速度资料以及径向速度计算的风切变结果,对一次典型的下击暴流天气过程进行了分析．结果发现：强对流单体合并加强形成弓状回波,在弓状回波前沿反射率因子梯度大值区产生下击暴流,造成地面强风灾害;下击暴流过程中,中层以上一直存在强度不断增大的径向风辐合,为系统发展提供动力支持;下击暴流发生时,底层会出现相应的径向风辐散,是地面大风的直接反应;高低层垂直切变反映了强对流单体内部风场配置结构为底层有较强的暖湿入流、高层有明显的上层出流、中层以上升气流为主,这样的流场配置正是一般强对流单体中的常见特征．     

山东半岛秋季一次脉冲风暴下击暴流观测分析

利用山东威海CINRDA/SA多普勒雷达探测资料,结合常规天气图资料、地面自动气象观测站资料等,对2018年9月8日发生在威海文登机场附近的一次下击暴流天气特征进行分析。结果表明：1)此次下击暴流天气发生在高低空一致的西北气流背景下,午后太阳辐射使得低空大气加热显著,形成了强烈的不稳定层结。2)大气层结特征呈喇叭状温湿分布,850 hPa以下接近干绝热的温度直减率,为下击暴流的发生提供了有利环境条件。3)地面辐合线为风暴单体的产生提供了动力抬升条件。4)从多普勒雷达产品上看,风暴初始回波发生在午后海风锋触发的晴空窄带回波上,通过单体间的合并加强,发展成为多单体风暴;下击暴流出现前,对流风暴回波强度及高度明显发展,成熟阶段的对流风暴伴有回波悬垂结构和三体散射特征,伴随着强反射率因子核心的持续下降,下击暴流迅速到达地面,径向速度图上存在明显的中层辐合、旋转、低层辐散的现象;5 km以上60 dBZ强反射率因子核心的下降,结合径向速度中层辐合、低层辐散特征可提前3～9 min预警下击暴流的发生。     

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。     

一次弓形回波中超级单体发展造成的大风、冰雹天气分析

利用Micaps常规资料、自动站资料及灾情调查资料、雷达回波资料等,综合分析了2011年4月15日出现在安顺市的大风、冰雹天气,此次天气直接触发系统是地面辐合线。通过对加密自动站的数据分析表明此次过程是一次典型的飑线过程。对多普勒雷达资料的分析进一步表明是一次＂后续线＂发展型飑线影响,其中有超级单体风暴产生,弓形回波前最凸起部位前侧＂v＂型缺口处的强辐合入流造成镇宁站的大风,弓形回波特征减弱时后部弱回波通道中的下击暴流造成西秀区岩腊乡和紫云县猫营镇大风灾害。这两次大风灾害发生于强对流系统不同的发展阶段,产生的机制有所不同。     

陕西中部一次下击暴流的多普勒雷达回波特征

利用西安多普勒雷达产品资料对2006年6月25日发生在陕西中部的一次下击暴流天气进行初步分析，结果表明：强单体合并加强形成弓状回波并产生了33m·s^-1的大风天气；弓状回波反射率因子核心（60dBz）高度下降明显；垂直液态水含量高达70kg·m^-2；弓状回波中层辐合较强，多普勒风场中层辐合区特征比较明显。     

柳州盛夏一次下击暴流特征分析

2021年8月3日柳州市出现一次伴有短时强降水和下击暴流的强雷暴大风天气过程。利用观测资料以及柳州自动站分钟级数据、雷达、风廓线等资料，对此次过程中下击暴流的成因进行分析。结果表明：①此次过程是在大陆高压与热带辐合带间中低层为一致东北气流的背景下，弱垂直风切变与强不稳定能量、深厚干空气源、近地面的干绝热递减等有利环境条件下，由地面中尺度辐合线抬升触发的。②下击暴流初始回波具有脉冲风暴特征，之后发展成多单体风暴；下击暴流发生前有反射率核心下降，低层入流及中层径向辐合增强等特征，其垂直结构表现为低层辐散、中层辐合、中高层辐合旋转。③地面大风出现前风廓线雷达风场有明显高空动量下传和低层风速减小，大风出现在低层风速开始增强时刻，早于低层风速最强时。④下击暴流的产生与降水粒子的拖曳作用和负浮力有关；地形作用使得强对流回波沿地形运动，且下坡地形与峡谷效应对极端大风的形成有叠加作用。     

“2011.7.14”沈阳短时强降水多普勒雷达回波特征

为了更好的预报、预警超级风暴单体引起的短时强降水,利用沈阳棋盘山多普勒雷达、营口多普勒雷达和自动站及地面、高空等气象资料,对2011年7月14日沈阳强降水超级单体风暴进行分析。结果表明：地面辐合线和切变线提前于降水2 h产生,而且地面辐合线和切变线的位置与风暴的生成位置重合。强对流风暴具有超级单体风暴特征,风暴出现弓形回波;速度图上存在“v”型入流缺口,相应速度场上出现中气旋,营口雷达基本反射率最大值达到61 dBz,反射率因子垂直剖面出现弱回波区和回波悬垂。当雷达回波发现中气旋,并预计此中气旋能维持1 h左右或者雷达回波发现弓形回波,沈阳棋盘山雷达基本反射率强度超过45 dBz时,可发布短时暴雨或雷雨大风等强对流气象灾害预警。     

一次西南涡引发暴雨的地闪特征

利用高频次多普勒雷达回波资料、闪电定位仪及区域自动站资料,对2011年6月9日湖北暴雨过程的闪电特征进行分析。结果表明：MCS不同生命阶段地闪所处位置不同,正、负闪同时跃增到峰值是MCS成熟阶段的标志之一,地闪密集区和MCS中移速较快的强回波位置基本吻合,MCS强回波区域出现正、负闪和45-55 dBz回波后部区域对应较好,强降水发生在MCS成熟后趋于消亡阶段。     

基于雷达组合反射率拼图和深度学习的中尺度对流系统识别、追踪与分类方法

中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,MCS）是很多对流性天气的主要致灾体,可导致严重的气象和水文灾害,如雷暴大风、冰雹、龙卷风和山洪。对MCS进行准确的识别和追踪,并根据追踪轨迹及获得的MCS特征实现MCS的分类,对灾害天气的分析和预报有重要意义。基于京津冀地区2010—2019年的雷达组合反射率拼图资料,分别使用支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、极度梯度提升决策树（XGBoost）和深度神经网络（DNN）4种机器学习方法,研发了京津冀地区MCS的自动识别算法。使用时、空重叠追踪法对识别的MCS进行追踪匹配,得到包含强度、时间和空间信息的MCS追踪数据资料。在区分线状对流系统和非线状对流系统的基础上,进一步从经典的尾随层云（Trailing Stratiform,TS）、前导层云（Leading Stratiform,LS）和平行层云（Parallel Stratiform,PS）三类准线性MCS的概念模型和结构特征出发,根据追踪轨迹计算MCS的运动方向和MCS近似长轴两侧层状云和强对流云的面积占比,建立准线性MCS的分类算法。MCS的识别属于二分分类问题,以命中率（POD）、虚警率（FAR）、临界成功指数（CSI）和准确率（ACC）为评价指标,综合对比各项指标发现DNN模型较SVM、RF和XGBoost模型对MCS的识别效果更好。使用时、空重叠追踪法对DNN模型识别的MCS进行追踪,结合对两个追踪实例的分析,发现本研究所用的算法取得了很好的追踪结果,也进一步说明了深度学习方法识别MCS的准确性和优势。根据追踪轨迹计算某时刻MCS的运动方向,结合识别的层状云和强对流云的分布位置,准确实现了TS、LS和PS型准线性MCS的分类,为准线性MCS的生命史预测及其致灾天气特别是短时强降水的强度、位置和持续时间的客观预报提供了一种技术思路。      

基于静止卫星红外云图的MCS自动识别与追踪

由于缺乏成熟的中尺度对流系统 (MCS) 自动追踪工具,使基于静止卫星红外云图的MCS研究的深度和广度受到制约。手工目测法识别追踪MCS,工作量大且容易造成误差,无法用于长时间序列卫星云图的MCS普查。该文结合我国中尺度对流天气的特点,在重新定义MCS云团识别标准的基础上,给出了一种基于图像处理和时间序列分析技术的MCS自动识别、存储、追踪和时间序列特征统计方法。通过对2003年淮河大水期间连续时次卫星云图的MCS自动识别、追踪和特征统计,对该方法的应用效果进行了检验,结果表明:该方法不仅能对每个时次的MCS进行快速识别,同时也能对多时次的MCS进行有效追踪。     

内蒙古夏季典型短时强降水中尺度特征

利用常规观测资料、NCEP FNL分析资料、FY-2D逐时云顶亮温(TBB)资料、内蒙古地区自动气象站资料和闪电定位资料, 对2012—2015年内蒙古夏季37例典型短时强降水事件进行分析。结果表明:冷锋云系尾部、涡旋云系和暖湿切变云系中发展的中尺度对流系统(MCS)是造成内蒙古短时强降水的直接影响系统, 短时强降水发生在MCS发展或成熟阶段, 而且位于TBB梯度密集区MCS移出区域靠近干冷空气侵入一侧。自动气象站观测到的中气旋、中低压以及中小尺度气旋式辐合风场和切变线诱发MCS发展, MCS发展到成熟阶段地闪密度达到最大值, 地闪密度值较高对应的MCS面积扩展率也较大。内蒙古西部和中部偏北地区短时强降水发生前3 h相对湿度达到60%~80%, 但其余地区相对湿度基本为80%~90%, 温度锋区浅薄冷空气是触发MCS发生发展的关键因素。     

Diurnal Variation of MCSs over Asia and the Western Pacific Region

Mesoscale convective systems (MCSs) are severe disaster-producing weather systems. Radar data and infrared satellite image are useful tools in MCS surveillance. The previous method of MCS census is to look through the printed infrared imagery manually. This method is not only subjective and inaccurate, but also inefficient. Different from previous studies, a new automatic MCS identification (AMI) method, which overcomes the above disadvantages, is used in the present study. The AMI method takes three steps: searching potential MCS profiles, tracking the MCS, and assessing the MCS, so as to capture MCSs from infrared satellite images. Finally, 47468 MCSs are identified over Asia and the western Pacific region during the warm seasons (May-October) from 1995 to 2008. From this database, the geographical distribution and diurnal variation of MCSs are analyzed. The results show that different types of MCSs have similar geographical distributions. Latitude is the main control factor for MCS distribution. MCSs are most frequent over the central Tibetan Plateau; meanwhile, this area also has the highest hail frequency according to previous studies. Further, it is found that the diurnal variation of MCSs has little to do with MCSs’ size or shape; MCSs in different areas have their own particular diurnal variation patterns. Based on the diurnal variation characteristics, MCSs are classified into four categories: the whole-day occurring MCSs in low latitude, the whole-day occurring MCSs in high latitude, the nocturnal MCSs, and the postmeridian MCSs. MCSs over most places of mainland China are postmeridian; but MCSs over the Sichuan basin and its vicinity are nocturnal. This conclusion is coincidental with the hail climatology of China.     

空间聚类在MCS动力场特征分析中的应用

空间聚类作为数据挖掘的关键技术之一,是一种能从大型数据集中提取和挖掘空间数据分布特征的有效方法。本文利用环境物理量场数值格点预报值,运用空间聚类中的CLAR-ANS法对夏季影响青藏高原上中尺度对流系统(MCS)东移的动力场(涡度场、散度场和垂直速度场)的空间分布特征进行了分析。研究发现,在青藏高原地区的大气低层,MCS中心位置的西侧存在着强辐合中心和垂直上升中心,加之向东的正涡度平流的共同作用构成了有利于MCS发展和东移传播的重要动力学条件。这不仅有助于深入对夏季青藏高原上MCS发生、发展的动力学机制的了解,而且对于提高暴雨和强对流天气的预报能力具有重要的现实意义。     

湖南省雨季一次MCS的中尺度数值模拟

MCS(中尺度对流系统)是造成湖南暴雨等灾害性天气的主要影响系统,它与暴雨的落区、强度、持续时间密切相关。以2005年5月31至6月1日的湖南特大暴雨洪涝过程为例,利用中尺度数值模式MM5对MCS的雨量、动力热力特征、三维结构以及发展变化进行了模拟分析和研究,指出本次MCS发展的触发因子是近地层冷锋,维持机制是近地层不稳定能量的积蓄、中低层辐合和高层辐散的结构,大尺度系统是其发展或消亡的主导因素,并分析了水汽对暴雨强度和落区的影响,旨在为预报和防御同类灾害性天气提供参考依据。     

STATISTIC CHARACTERISTICS OF MCSS OVER ASIA AND WESTERN PACIFIC REGION

Mesoscale convective systems (MCSs) are severe disaster-producing weather systems. Previous attempts of MCS census are made by examining infrared satellite imageries artificially, with subjectivity involved in the process unavoidably. This method is also inefficient and time-consuming. The disadvantages make it impossible to do MCS census over Asia and western Pacific region (AWPR) with an extended span of time, which is not favorable for gaining a deeper insight into these systems. In this paper, a fire-new automatic MCS identification (AMI) method is used to capture four categories of MCSs with different sizes and shapes from numerical satellite infrared data. 47,468 MCSs are identified over Asia and western Pacific region during the warm season (May to October) from 1995 to 2008. Based on this database, MCS characteristics such as shape, size, duration, velocity, geographical distribution, intermonthly variation, and lifecycle are studied. Results indicate that the number of linear MCSs is 2.5 times that of circular MCSs. The former is of a larger size while the latter is of a longer duration. The 500 hPa steering flow plays an important role in the MCS movement. MCSs tend to move faster after they reach the maximum extent. Four categories of MCS have similar characteristics of geographical distribution and intermonthly variation. Basically, MCSs are zonally distributed, with three zones weakening from south to north. The intermonthly variation of MCSs is related to the seasonal adjustment of the large-scale circulation. As to the MCSs over China, they have different lifecycle characteristics over different areas. MCSs over plateaus and hill areas, with only one peak in their lifecycle curves, tend to form in the afternoon, mature at nightfall, and dissipate at night. On the other hand, MCSs over plains, which have several peaks in their lifecycle curves, may form either in the afternoon or at night, whereas MCSs over the oceans tend to form at midnight. Affected by the sea-land breeze circulation, MCSs over coastal areas of Guangdong and Guangxi always come into being at about 1500 or 1600 (local time), while MCSs over the Sichuan Basin, affected by the mountain-valley breeze circulation, generally initiate nocturnally.     

淮北地区一次弱天气尺度强迫背景下MCS过程分析与模拟

利用多源观测资料和WRF中尺度数值模式对2016年8月7日淮北地区一次中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systerm，MCS）过程进行诊断分析和模拟。结果表明，本次MCS过程发生在弱天气尺度强迫背景场下，系统性上升运动较弱，对流层低层存在较弱的源自西北太平洋的偏东风转东南风的水汽输送作用；MCS移动和形态变化与地面辐合线演变特征较为一致，地面流场的演变与降水强度之间有着密切的联系；WRF模式较好地模拟出本次降水的分布特征以及MCS演变过程中对流活动和地面辐合线相互作用的特征。模拟结果表明，本次过程中MCS在逐渐南移过程中完成了对流单体的更替，地面辐合线在此过程中发挥重要作用，并且处于不同发展阶段的对流单体环境场的对流不稳定度的垂直分布存在明显差异。     

引发湖南特大暴雨山洪的MCS回波发展和演变

由MCS引发的暴雨是造成湖南山洪地质灾害的主要因素之一.新一代天气雷达对此类天气系统有强的监测和预警能力,在对较大范围的降水估测、获取降水和降水云体的风场结构等方面有很好的应用前景.本文以2005年5月31日～6月1日湖南特大暴雨山洪过程为例,介绍了引发这次山洪地质灾害的MCS雷达回波的发展和演变,分析了回波特征与地面雨量的关系,总结了强对流发生、发展的径向速度变化,讨论了风廓线在预测强对流天气中的应用,为雷达监测、分析和预测同类灾害提供参考.