基于多普勒天气雷达体扫资料的MARC特征自动识别算法

下击暴流是对流风暴最常产生的天气现象,预报其初始爆发的时间是强对流风暴预报中最具挑战性的内容之一。而较为显著的中层径向辐合(Mid-Altitude Radial Convergence,MARC)特征是下击暴流的预警指标之一,预报时效为10~30 min。基于多普勒天气雷达体扫资料的三维MARC特征自动识别算法首先采用二维局地LLSD方法计算径向速度的径向散度切变,其次是基于径向散度切变数据,使用类似SCIT算法的SCRCZI算法进行风暴单体三维径向辐合区的自动识别,然后使用基于反射率因子数据识别的风暴位置对与强风暴无关的三维径向辐合区进行消空处理,最后被保留下来的三维径向辐合区就是被识别出来的三维MARC特征。该算法能较好地识别出与强风暴相关的三维MARC特征,包括表现为非典型"正-负速度区域对"的径向辐合区。使用武汉雷达观测的强风暴个例体扫资料,分析了一个产生下击暴流的强风暴反射率因子和径向速度回波演变特征,并对MARC识别算法进行了检验。结果表明:在最低仰角径向速度图上首次出现辐散特征之前的3个体扫和之后出现辐散特征的3个体扫里,该算法都识别出了强风暴较为显著的三维MARC特征,其平均高度为3.9 km,平均厚度为2.5 km,最强辐合高度位于3.0~4.6 km之间,平均最强辐合量为-58×10-4s-1,预报时效为18 min。     

两次长寿命非超级单体孤立强风暴多普勒天气雷达观测对比分析

利用济南多普勒天气雷达资料,结合探空和天气实况资料,对2次历时超过4 h的孤立非超级单体风暴强度结构、流场结构和环境物理量及其差异性进行了分析。结果表明,0611和0915风暴均产生于东北冷涡底部西北气流和低层切变线环境形势下,上干冷下暖湿,0~6 km具有强垂直风切变,600 hPa为起点的下沉对流有效位能（DCAPE）具有较大值。旺盛阶段,0915风暴的最大反射率因子（DBZM）、基于单体的垂直累积液态含水量（C-VIL）和强中心高度（HT）参数平均值明显大于0611风暴,差值分别是6.7 dBZ、11 kg·m-2和2.4 km。0915风暴成熟阶段的前期表现为明显中层径向辐合（MARC）特征,中期风暴中层表现为强气旋性旋转气流结构,后期又演变为MARC特征,同时辐合强度更加显著。0611风暴旺盛阶段中层具有双涡结构,但前期气旋性旋转强度明显大于反气旋性旋转强度,后期情况相反,反气旋性旋转强度明显大于气旋性旋转强度。两次过程中环境物理量差别明显的是对流有效位能（CAPE）和低层比湿,0915风暴CAPE和低层比湿明显大于0611风暴过程。在相似的形势背景下,低层湿度大,具有大的CAPE值,风暴内部上升气流的最大上升速度较大,利于强反射率核的悬垂和维持。     

2017年8月6日山东罕见雷暴大风成因分析

利用多普勒天气雷达资料和常规观测资料,分析了2017年8月6日山东东部地区一次罕见的极大风速达到12～13级的雷暴大风事件。此次过程发生在高空西北气流影响下,中低层强垂直风切变和较大的温度直减率为雷暴大风的出现提供了有利环境条件。中尺度边界辐合线不断触发新的对流单体,最终形成飑线结构。此次过程10级以上雷暴大风在雷达图上的主要特征包括：近地层显著的径向辐散（速度差≥35 m·s-1）或者大的径向速度（速度绝对值≥29 m·s-1）;较显著的中层径向辐合（MARC）特征（速度差≥30 m·s-1）或者强中反气旋结构（速度差≥31 m·s-1）;中气旋底部高度扩展至2 km以下等特征。     

柳州市2014年3月两次强对流天气过程对比分析

利用Micpas实况资料、FY-2C卫星云图以及多普勒雷达资料,对2014年3月29日夜间至31日凌晨发生的两次强对流天气过程进行了诊断分析,结果表明:(1)30日凌晨的强对流过程的触发机制是地面偏南和东南气流辐合及边界层辐合线,属于暖平流强迫;31日凌晨的强对流过程的触发机制是地面冷锋的动力抬升和边界层辐合线,属于冷平流强迫.(2)暖平流强迫产生的对流风暴一般强回波伸展高度较高,中层径向辐合更为深厚,多个单体合并增强以及回波的列车效应使降水增幅;冷平流强迫产生的飑线强回波高度相对较低,大范围的后侧入流叠加了冷平流的作用,使飑线移速加快,产生大范围雷暴大风天气.     

一次罕见强飑线10级大风的雷达回波特征分析

利用宜春、南昌、景德镇等地多普勒天气雷达资料以及常规观测与加密自动站等资料,分析2018年3月4日江西罕见强飑线过程及其伴随的区域性10级以上雷暴大风的成因与雷达回波特征。结果表明:(1)该过程飑线系统发生在槽前暖区,低层强西南暖湿平流、中层干冷空气、强中低空垂直风切变维持为飑线系统提供了有利的环境条件。(2)飑线后侧入流急流的动量下传和干空气卷入风暴的蒸发作用共同导致强烈下沉气流造成快速移动的冷池并引起地面大风。(3)区域性10级雷暴大风的雷达回波特征突出:弓形回波尺度大(200～450 km)、中心强度强(55～60 dBz)、移速快(100～120 km·h~(-1));低层径向速度异常大并出现速度模糊;边界层内大风速核前侧径向辐合强,低层最大径向速度切变大;强回波中心、径向风大风速核和径向辐合带均存在前倾特征。(4)低仰角径向速度图上31 m·s~(-1)以上大风速核和30 m·s~(-1)·(10km)~(-1)以上径向速度切变,反射率因子图上移速大于100 km·h~(-1)的弓形回波,以及风廓线(VWP)图上20 m·s~(-1)大风速核高度下降,都可作为10级大风临近预警的参考指标。     

广西一次飑线大风天气的成因和预警分析

本文利用常规探测资料、多普勒天气雷达资料、自动站观测资料等对2013年3月27-28日发生在广西的一次飑线大风天气过程进行跟踪及监测预警,对其大尺度环流背景、雷达回波特征以及灾害性大风形成原因进行了较为详细的分析与研究。结果表明:此次飑线过程是由高空冷槽与地面高压后部形势所引起的;假相当位温、T-logp图等分析表明广西上空具有较好的热力、动力条件;地面辐合线触发初始对流活动;发展成熟的飑线地面气压场上存在雷暴高压、飑前低压和飑后低压等中尺度特征;飑线大风等灾害性天气出现在地面高压前侧气压梯度大值区和飑线的断裂处;雷达图像上中层径向辐合、反射率因子核心和中层风速大值区逐渐降低以及垂直风廓线图中低层风的转变等特征信息对地面大风天气临近预警有较好的指示意义;降水粒子的拖曳作用和飑线的快速移动都对地面大风的产生及增幅有一定的作用。     

阵风锋、海风锋和冷锋等触发局地强对流风暴实例分析

利用CINRAD/SA雷达探测资料,结合地面实况和探空资料,对7次典型中尺度辐合线触发强对流风暴的特征进行了分析。结果表明：阵风锋、海风锋和冷锋等边界层辐合线在一定条件下雷达低层反射率因子产品上表现为清晰的窄带回波,某些辐合线在反射率因子产品上不能得到任何有用信息,但在低层径向速度上可识别出线性径向速度辐合;识别出窄带回波或清晰的径向辐合线约1 h后,是雷暴首次触发的主要时间段;对于干型强对流风暴产生的阵风锋,其右侧往往是雷暴触发的主要区域,导致风暴右向传播;湿型强对流风暴产生的阵风锋,激发雷暴的方向与雷暴平均移动方向基本相反,导致风暴呈后向传播特征;海风锋向内陆推进速度快的区域是雷暴触发的主要区域,后继雷暴具有两侧传播特征;单纯的线性低层径向速度辐合在合适的环境条件下触发强对流,主要特征是对流风暴移动缓慢,可造成局地灾害性强降雨天气。     

重庆“5.6”强风雹天气过程成因分析

利用常规观测、NCEP分析场及雷达、自动站等资料对重庆＂5.6＂强风雹天气的成因进行了分析,结果表明：冷锋和副热带高空急流在风雹发生地近乎重叠的配置结构促进了次级环流的形成并有利于上升运动的强烈发展;风暴天气发生前,下垫面强烈加热、低层增温增湿、中高层干冷对大气对流不稳定性增强的作用显著;对流有效位能（CAPE）、K指数、SI指数高值区边缘的强指数梯度区、对流抑制（CIN）的小值区以及较强的垂直风切变对大风冰雹的预报有重要的指示意义;雷达回波显示多单体风暴具有三体散射、弱回波区等冰雹回波特征,中层径向辐合和反射率因子核心的反复上升下降也是形成地面大风和冰雹的重要特征;四川盆地东部东北西南向山脉对冷空气的移动有阻挡作用,山脉之间的槽状地形为多单体风暴的持续发展保留了较大的空间,明月山南麓的地形起到了强迫抬升和触发的作用,由于地形的阻挡形成狭管效应,加强了下击暴流形成的地面大风,是形成11级大风的重要因素。     

江苏典型下击暴流风暴结构特征统计分析

为了研究江苏地区下击暴流的结构特征,利用常规天气资料、雷达探测资料、自动气象站观测资料和ERA5再分析资料等,选取2007—2018年江苏地区19个典型下击暴流过程进行统计分析。结果表明:江苏下击暴流的分布呈北多南少,以湿下击暴流为主,7月是下击暴流的高发月份,孤立风暴型下击暴流具有弱的天气尺度强迫和上干下湿的结构,风暴移速较慢,飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫特征,风暴移速较快。下击暴流影响期间地面温度变化剧烈,温度降低伴随有明显风速增大过程。统计显示,产生下击暴流风暴的环境温度平均垂直递减率为6.8℃/km,能够保证负浮力的维持,干冷空气被中层辐合气流夹卷进入风暴内进一步加强了下沉气流,使得下击暴流得以维持和加强。下击暴流的初生阶段,强反射率因子核心和中层径向辐合出现在下击暴流发生前20—30 min,成熟阶段,强反射率因子核心高度有明显降低,低层呈辐散结构。      

多普勒雷达对一次阵风锋的三维结构研究

通过对济南地区一次春季阵风锋的多普勒雷达资料分析,反演出典型的密度流外流边界(阵风锋)的特征,在雷达回波图上表现为一条狭窄的弧状强回波带,强回波带的后方再发展出宽大较弱的回波区.体扫的各仰角速度场显示出阵风锋合理的空间结构;在雷达回波上阵风锋的长度表现为低仰角长,高仰角短,而距离表现为低仰角远,高仰角近.速度垂直剖面上存在典型的中层径向辐合MARC,高度大约在2.5～7 km之间,反映出强对流存在明显的后方中层入流.随着仰角的增大,可以分析出阵风锋是近地面现象.     

2013年湖南首场致灾性强对流天气过程成因分析

应用湖南多部雷达和探空资料、中小尺度自动气象站资料、南岳高山站逐时观测资料及LAPS局地分析资料,对2013年3月19日湖南首场致灾性强对流天气过程的成因进行综合分析,并探讨强冰雹和雷暴大风预警着眼点及其可预警性。结果表明:强对流发生前,近地面晴空辐射增温、对流不稳定层结、强的垂直风切变、强温度梯度直减率以及近地层较好的水汽条件为强对流风暴发生发展提供了良好的潜势条件;中低层冷平流、地面中尺度辐合线、能量锋和露点锋以及近地面层弱辐散、中低层强辐合、高层强辐散的动力耦合结构是强对流发生的有利天气背景,中低层冷空气是这次强对流过程的触发机制;强对流风暴的前期以超级单体风暴和多单体风暴为主,超级单体风暴东移北上过程中与湖南西部不断新生的对流回波结合后发展成飑线,飑线维持、发展过程中出现"弓形"回波、中层径向辐合(MARC)、低层辐散、速度大值区等特征;在短临预警服务中,中低层明显的钩状回波结构、持续偏高的反射率因子和垂直积分液态水含量(VIL)值为靖州强冰雹预警的发布提供了有效依据,而低仰角距离地面1 km内的径向速度大值区(大于20 m.s-1)则为道县雷暴大风预警提供重要参考。     

宁波机场附近一次孤立强雷暴大风事件分析

利用区域自动气象站资料、天气雷达资料、宁波机场AWOS(automated weather observation system)资料和NCEP再分析资料等对2017年7月22日发生在宁波机场附近的一次孤立强雷暴大风环境条件和雷达回波特征进行分析。结果表明：1)雷暴大风发生在较强的对流有效位能、弱的垂直风切变和上层干燥近地面暖湿的大气层结配置下,海风锋是主要触发系统。2)雷暴大风发生时,地面出现明显冷池和中尺度雷暴高压。3)强反射率因子顶部高度快速下降,中层径向辐合达到18 m·s-1,低层速度辐散超过25 m·s-1等指标,对雷暴大风预警具有较好的指示意义。     

多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征

不同的强对流天气造成的灾害和社会影响差别很大。通过对北京地区2001年和2002年出现的32次降雹时伴随出现的天气现象分类和对雹云多普勒天气雷达径向速度场图像特征的分析统计, 得出“大风区”、“中气旋”是经常出现降雹的多普勒径向速度图像特征。“大风区”常伴随出现强风冰雹, 而“中气旋”则常伴随出现暴雨冰雹, 这对于判别冰雹云产生什么样的天气现象是有指示意义的。     

2017年秋季河北一次飑线引发的雷暴大风过程分析

利用常规地面高空观测资料、地面自动站资料、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料等,对2017年秋季发生在河北省中部的一次由飑线引发的雷暴大风天气进行分析。结果表明：本次雷暴大风过程发生在高空冷涡底部,槽后冷空气与低层暖平流叠加配合地面冷锋的有利天气背景下,由飑线回波直接造成。环境条件中水汽和热力达到了中国华北地区产生强雷暴大风的平均值,大气温度直减率和垂直风切变比夏季更适宜,但能量不如夏季充足。飑线的强度、形态与夏季产生雷暴大风的雷达回波特征无异,但依据低层径向速度大值区预警秋季飑线大风需提高阈值。秋季飑线过程中地面同样伴随风场辐合、雷暴高压等中尺度系统,冷池密度流作用有利于地面大风产生。     

中国江南—华南地区一次强飑线天气过程位涡诊断分析

应用FY-4A卫星红外和水汽云图资料,结合NCEP分析场资料以及地面自动气象站变压、变温、大风及降水资料,计算等熵面位涡,分析2018年3月4日中国江南—华南地区强飑线过程的发生发展机制及持续性大风产生的主要原因。结果表明：对流单体触发于低层辐合系统,由于雷暴下沉气流与其前方的低层暖湿西南气流形成地面辐合线,并且移入地区的水汽、静力不稳定及垂直风切变条件对强对流风暴的发展均十分有利,使得导致极端对流大风的强对流风暴持续发展。极端大风主要分布在飑线中弓形结构的顶端,落区与亮温梯度和变压梯度相对应,导致变压风增大;飑线的移动与引导气流方向一致,系统走向和低层西南急流接近于垂直,系统移速加快,动量下传效应增强,均是导致极端地面大风的成因。位涡分布表明高位涡的侵入和呈弓形分布的低位涡区的形成具有一定关联,干侵入区与等熵面上高位涡区有着较好的对应,飑线后部的暗区正是干侵入的前沿,高层高位涡的下传是飑线系统持续发展的成因。     

浙江省春季至夏初飑线分型及对比分析

根据大尺度背景场的差异,将影响浙江省的七次飑线过程分为两种类型:冷涡类西北气流型和槽前西南急流型。通过环境场和雷达结构特征提炼异同点,结果表明:飑线系统发生在高空槽配合地面低压发展的有利环境场,对流层中高层相对干冷的平流叠加在低层暖湿气流之上,在对流发展区建立显著的条件不稳定层结。西北气流型由东亚大槽后干冷平流的强迫作用及925 hPa至地面辐合线触发产生,生命史长、强度强是主要特点;西南急流型飑线多发生在江淮低压冷锋南下型的地面形势场,西北东南移向的飑线主要由锋前低压系统内的冷暖交汇加上锋面抬升触发,而西南东北移向的飑线由西南急流强迫产生,低层西南急流脉动或风速辐合、地面辐合线等为触发抬升条件。T_850-500大于27 ℃,可以较好表征雷暴大风天气的环境场,B_li、B_CAPE等指示意义显著,而K指数和S_i指数对西北气流型飑线无指示意义。强的环境风垂直切变有利于飑线回波的组织化及回波垂直结构的倾斜;径向速度场的大风速区和MARC特征是飑线的共同特征,大风速区能直观地判断大风的位置和强度;阵风锋易出现在自北向南的强对流系统中,和阵风锋相交的回波强度强,持续久,易产生冰雹;冰雹回波在径向速度图上通常存在强的切变辐合或中气旋等共同特征。      

桂林一次强下击暴流成因分析

2019年3月21日广西桂林市临桂区发生一次极端大风天气过程(以下简称"3·21"临桂大风),当日21:13临桂观测站记录最大阵风风速为60.3 m·s^-1(17级)。通过风灾现场调查判断这是强度为EF2级的微下击暴流过程。应用常规观测资料以及加密自动气象站、探空、多普勒雷达等资料,分析了"3·21"临桂大风的环流背景与影响系统及其形成原因。结果表明:低层暖湿气流活跃,中层显著干层,强的低层垂直风切变是大风发生的有利条件,地面中尺度辐合线、冷锋南压为其提供了触发机制。"3·21"临桂大风由2个超级单体风暴合并加强造成,在下击暴流发生前,风暴单体最强反射率因子核心高度(HGT)超过6 km,有中等强度中气旋伴随,中层径向辐合明显,辐合值达36 m·s^-1;当反射率因子减弱、风暴顶高下降、HGT下降时,下击暴流发生;当HGT剧降,一个体扫间隔下降3.5 km,17级极端大风发生,低层0.5°仰角在强中气旋的出流区观测到强的径向辐散,其值达27 m·s^-1;中气旋表现出最强切变加强,底高迅速下降到1 km以下等特征。本次下击暴流发生与极端强降水和冰雹的拖曳作用有密切关系,冰雹与雨水粒子的拖曳和融化蒸发作用使下击暴流加强。当分钟降水量大于3 mm时,风速超过12级;当分钟降水量大于6 mm时,则出现17级极大风速。     

华南一次强飑线过程的三维变分风场反演效果分析

利用三维变分方法对2014年3月30—31日华南一次强飑线过程进行风场反演,经与风廓线雷达探测结果、双多普勒天气雷达反演结果、原始径向速度数据等对比分析,得到如下结论：三维变分方法反演的中低层水平风场与风廓线雷达探测到的结果较为一致,且能很好地表现飑线过境时的风向切变;通过与双多普勒雷达风场反演结果对比发现,两种方法得到的风场空间分布十分相似,均能很好地表现2 km高度上系统内部强带状回波前缘的辐合线以及5 km高度上较弱的辐散;三维变分方法反演的水平风场与径向速度场有较好的一致性,2 km高度强回波带前缘阵风锋处的辐合线位置以及5 km和8 km高度上辐散区的位置均与径向速度场十分吻合;三维变分方法反演的垂直速度能较好地反映该飑线过程中气流的上升和下沉运动,平行于飑线方向的气流变化较小,而系统气流变化主要沿垂直于飑线的方向。三维变分方法反演的飑线系统的三维风场结构合理,反演结果可靠。     

渝西一次强对流风暴过程的中尺度特征分析

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、ADTD地闪资料和天气雷达资料,分析了2011年7月23日重庆西部一次强对流风暴过程的中尺度特征。结果显示：（1）此次强对流天气是在“两高一低”环流背景下发生的,强的层结不稳定、低层水汽充足、大的下沉不稳定能量及0-6 km中等强度垂直风切变为其提供了有利的环境条件。（2）地面灾害性大风主要集中在地面强降水及地闪密度中心附近,地面观测到与地面大风相联系的辐合线、辐散区、冷池及雷暴高压等中尺度特征,地闪以负地闪为主,负、正地闪之比约为101：1。（3）造成极端大风和短时强降水的强对流风暴在雷达回波图上具有明显的阵风锋、回波悬垂、弱回波区和有界弱回波区等特征;在径向速度图上,具有明显的中气旋、辐散区、大风区、前侧入流、高层辐散和低层辐合等特征,这些特征对地面灾害性大风具有一定的监测预警意义。     

利用多普勒雷达资料识别低空风切变和辐合线方法研究

该文研究了利用多普勒雷达径向速度资料识别低空风切变和辐合线的方法, 讨论了不同的计算“窗口”大小对资料预处理效果和梯度计算的影响, 并对几次强对流天气进行识别、分析。结果表明:预处理采取先中值滤波后滑动平均, 选择合适的“窗口”能在有效去除库间脉动的同时保持中尺度信息; 经过资料预处理后, 从径向速度计算的切变结果与径向速度中反映的中尺度结构比较一致, 能够从这些资料中自动提取辐合和切变的中尺度信息; 强降水回波与风切变高值区位置、变化趋势一致; 垂直切变能够提供径向风场的高低层配置信息; 利用径向速度资料可以实现对风切变和辐合线的自动识别, 为灾害性天气预警、预报提供重要的客观依据。