下击暴流形成机理及监测预警研究进展

下击暴流指对流单体强下沉气流引发的地面或地面附近的爆发性辐散出流,单个下击暴流会导致千米尺度地面强阵风,而下击暴流簇可导致较大范围间断性地面灾害性强阵风,其形成机制亦不限于强下沉气流辐散。文章回顾了下击暴流的界定,然后分为孤立风暴产生的下击暴流和中尺度对流系统内嵌的下击暴流两种情况进行讨论,内容包括对流大风和下击暴流产生的物理机理、风暴结构特征以及基于多普勒天气雷达的预警技术。在上述回顾基础上,对下击暴流形成机理及监测预警难点进行了讨论,提出了与下击暴流相关的亟需研究的问题。     

一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析

该文首次利用我国新一代天气雷达资料对一次系列下击暴流过程进行了详细分析。2003年6月6日在安徽定远县和肥东县交界处附近发展起来的一个孤立的强烈多单体风暴, 产生了一次伴随强降雹的系列下击暴流事件。此次系列下击暴流事件实际上是由多单体风暴中3个相继发展的对流单体分别产生的3次下击暴流构成的。每轮下击暴流触地前, 都伴随着相应对流单体反射率因子核心的逐渐下降。在首轮下沉气流触地前6 min, 1.5°到4.3°仰角的径向速度图上都出现向着风暴中心的辐合, 其中以2.4°仰角 (地面以上约3~4 km) 的辐合最明显。因此, 反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的多普勒雷达回波特征, 可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生。     

2017年6月齐齐哈尔市一次下击暴流天气分析

本文利用CINRADCBROWSER雷达数据,对2017年6月30日齐齐哈尔市龙江县景星镇附近产生的下击暴流事件进行分析。本次下击暴流事件主要是由北部的对流单体不断发展融合产生,对齐齐哈尔地区共造成三次下击暴流,其中前两次下击暴流可观察到明显的弓状回波,第三次可观察到逗点回波;三次下击暴流均可观察到反射率因子核心的强度和高度有明显的下降过程,下击暴流的强度与反射率因子核心下降的高度和速度有关;径向速度图上三次下击暴流均有明显的辐合和辐散下沉过程,有明显正负速度对。     

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。      

下击暴流的雷达预警量化指标研究北大核心CSCD

下击暴流是一种局地灾害性天气现象,对航空飞行安全有极大危害,也会对地面物体造成严重损害。依据下击暴流发生前母体雷暴(下文简称雷暴)反射率因子核迅速下降的特征,基于雷达体扫数据,定义了判断下击暴流发生、发展的"单位面积等效势能"概念,并结合下击暴流期间雷暴速度场中层辐合的事实,设计得到了下击暴流出流强度公式。结果表明:(1)单位面积等效势能值的变化准确反映了雷暴强中心高度变化。(2)相邻体扫的单位面积等效势能差,反映了雷暴能量的释放量,下击暴流发生前1—2个体扫的单位面积等效势能差达到最大,这反映了下击暴流的爆发;可通过设置单位面积等效势能的释放量为30%,预警下击暴流的发生。(3)单位面积等效势能的释放能够提前6—12 min预警出下击暴流的发生,并通过出流强度公式量化由下击暴流产生的地面大风值。预警风速的误差由雷暴距雷达的距离决定,距离越近风速误差越小,反之亦然。(4)对6次下击暴流预警结果表明,该指标能够准确预警下击暴流的发生,而出流强度受雷暴识别参数的影响较大,远距离误差较大。     

下击暴流自动识别算法研究

针对下击暴流反射率因子核心下降和低层强辐散的流场特征,开发了基于多普勒天气雷达资料的下击暴流自动识别算法。首先采用风暴识别和追踪算法对风暴进行分类识别,计算风暴反射率因子核心下降的高度,同时对多普勒雷达最低层径向速度资料进行处理,寻找符合低空辐散特征的一维辐散矢量;其次利用二维识别技术合并成二维辐散特征,并采用一组质量...     

多普勒天气雷达识别和预警下击暴流

发生在机场周围的下击暴流,对飞机起降安全构成重大威胁。多普勒天气雷达以其高时空分辨率成为监测和预警下击暴流的有力工具。对国内外利用多普勒天气雷达研究下击暴流的现状进行了综述,包括下击暴流的基本概念、回波特征以及目前国内外主要算法:基于切变段法、图像处理法和线性判别分析法。最后对多普勒天气雷达识别和预警下击暴流的研究现状进行了总结,为国内开展这方面研究提供参考和借鉴。     

下击暴流的雷达预警量化指标研究

下击暴流是一种局地灾害性天气现象,对航空飞行安全有极大危害,也会对地面物体造成严重损害。依据下击暴流发生前母体雷暴(下文简称雷暴)反射率因子核迅速下降的特征,基于雷达体扫数据,定义了判断下击暴流发生、发展的“单位面积等效势能”概念,并结合下击暴流期间雷暴速度场中层辐合的事实,设计得到了下击暴流出流强度公式。结果表明:(1)单位面积等效势能值的变化准确反映了雷暴强中心高度变化。(2)相邻体扫的单位面积等效势能差,反映了雷暴能量的释放量,下击暴流发生前1—2个体扫的单位面积等效势能差达到最大,这反映了下击暴流的爆发;可通过设置单位面积等效势能的释放量为30%,预警下击暴流的发生。(3)单位面积等效势能的释放能够提前6—12 min预警出下击暴流的发生,并通过出流强度公式量化由下击暴流产生的地面大风值。预警风速的误差由雷暴距雷达的距离决定,距离越近风速误差越小,反之亦然。(4)对6次下击暴流预警结果表明,该指标能够准确预警下击暴流的发生,而出流强度受雷暴识别参数的影响较大,远距离误差较大。     

基于S波段新一代天气雷达观测的下击暴流临近预报方法

下击暴流是对流风暴最常发生的天气现象,预报其初始爆发是强对流风暴预报中最具挑战性的内容之一。提出一种综合使用雷达和探空观测资料的下击暴流临近预报算法。在对雷达基数据进行地物杂波抑制和径向速度退模糊以及对探空资料进行处理得到0℃、-20℃和最小相当位温高度的基础上,该算法首先进行风暴单体识别追踪和冰雹指数的计算;然后进行中层径向辐合特征和中气旋识别,并使之与识别的风暴单体相关联;最后提取诸多风暴单体的雷达特征量,经批量下击暴流和非下击暴流个例统计分析后挑选出下击暴流的雷达先兆因子9个作为模糊逻辑法的输入,建立下击暴流临近预报方程。使用2015年6月1日发生在湖北监利导致"东方之星"客轮倾覆的下击暴流个例对该算法进行了测试,结果表明从20:41—21:21共有8个体扫时次预报了引起沉船事件的那个风暴单体将会产生下击暴流,首次预报时间比客轮侧翻时间21:28早47 min。使用2019年6—8月发生在湖北省的所有雷暴大风个例对下击暴流临近预报算法进行了效果评估,结果表明该算法预报下击暴流的击中率为86.4%,平均预报时效为39 min。按回波形态分类评估,则飑线类、线状对流类(飑线除外)和非线状对流类风暴的下击暴流临近预报击中率分别为93.2%、90.5%和75.6%。该算法模块已集成到中国气象局武汉暴雨研究所研发的分类强对流天气自动识别预警系统中,并于2019年开始投入业务运行。     

多普勒天气雷达下击暴流图像识别

以下击暴流具有的低层显著辐散特征为基础,引入图像识别中的连通区识别技术,开发出了应用于多普勒天气雷达的下击暴流图像识别算法。首先通过设置的速度阈值将径向速度进行二值化处理,然后运用8邻域法寻找速度大值区,并采用距离、夹角和正、负速度差值等条件进行约束对正、负速度大值区进行配对,最后对未成功配对的速度大值区进行邻近区域的二次匹配,从而识别出下击暴流区域。利用多个下击暴流个例实测的多普勒雷达数据对该算法进行了测试,结果表明该算法对一些较小尺度的下击暴流,尤其对受环境风场影响而具有不对称辐散特征的下击暴流有良好的识别效果。     

基于相对风暴径向速度场的辐合区自动识别算法

该文提出一种从相对风暴的径向速度图中自动识别中层径向辐合特征的算法,即相对风暴中层径向辐合特征自动识别算法。算法首先识别出单仰角径向速度图上每个径向的正-负速度段,并按照一定规则对其进行配对,形成径向辐合段;然后在二维锥面上做水平相关分析得到二维径向辐合块,再对二维辐合块进行垂直相关分析,形成风暴的三维径向辐合体,计算其强度、厚度、中心高度等重要特征参数。利用2013年8月18日和2018年8月7日两次非典型“正-负速度区域对”径向辐合特征的飑线雷达资料对该算法进行测试,结果表明:径向辐合特征在相对风暴的径向速度图上的识别效果较原始径向速度场更优。统计分析特征参数与飑线大风的相关性表明:平均径向辐合强度、最大径向辐合强度、厚度与风速之间有较好的线性相关性,且均为正相关,其中平均径向辐合强度与风速之间的相关系数最大,达到0.79。通过算法识别的径向辐合特征可以提前约30 min预警飑线大风。     

合肥一次低空风切变的观测与分析

本文基于合肥地面观测、机场自动观测系统(AWOS)、多普勒雷达、探空及FNL 0.25°×0.25°等资料,分析了2015年8月6日合肥一次较强风切变天气过程,并对其形成机理进行研究。结果表明:低空风切变发生前,肥西地区不稳定能量及上升气流较为活跃,有利于对流云团的发展。地面自动气象站的观测资料表明,低空风切变发生时,近地层的风向、风速和温度等气象要素均有突变;风暴的质心高度、最强回波高度和风暴顶高迅速下降,空中气流快速下沉,至近地面向四周辐散,因此该风暴属于下击暴流性质;径向速度图中明显的正负速度对也印证了低空剧烈的风向和风速切变。     

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。     

“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60dBz;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。     

产生致灾大风的超级单体回波特征

基于中国东部平原地区31部S波段多普勒天气雷达数据和实况记录,筛选出2002-2020年56次由超级单体风暴导致的25m·s-1以上的直线型大风事件,分析超级单体风暴多普勒天气雷达回波特征与其导致的直线型大风间关系,获得产生直线型致灾大风的超级单体的量化结构特征,为超级单体产生的大风的主客观监测预警提供参考.统计结果表...     

机载雷达风切变识别算法研究及在机场预报中的应用

大气中的风切变严重威胁飞机安全,尤其低空风切变是影响飞机起降的重要因素。利用多普勒雷达速度资料计算一维切向、一维径向与二维合成风切变,准确判断风切变的危险区域,能够及时为飞行及起降提供告警。针对多普勒雷达业务应用的主用户处理器PUP(Principal User Processor)上风切变自动识别产品存在的边缘识别较弱及定位误差较大等问题,根据多普勒雷达速度资料径向分布的特点,利用最小二乘法线性拟合优势,选择适于机载雷达参数的拟合窗口,对多个实例进行了识别分析。对比结果表明最小二乘法在识别效果、定位精度、边缘识别等方面优于PUP风切变自动识别产品,提高了风切变识别能力,有助于为机载雷达风切变识别及预警提供更好的依据。     

北京一次下击暴流的三维数值模拟分析

应用中尺度气象数值模式WRF模拟再现了2001年8月23日北京时间14时至24日00时发生在北京密云县附近的一次典型强对流风暴天气,重点发掘并分析了密云水库附近一次茁中尺度下击暴流的形成与演变过程。研究表明：（1）WRF模拟结果显示该茁中尺度下击暴流的生命期为1 h左右,水平尺度约为20 km,其水平和垂直流场与下击暴流流场的理论结构基本一致,但辐散气流流速在近地面层未能达到下击暴流定义的18 m/s;（2）模拟的下击暴流环境场中扰动位温、各水成物的比含水量与层结不稳定性以及上升气流的联系紧密,并可推断强下沉气流主要由雨水粒子拖曳作用产生,较大的位温扰动则加强了气流上升运动,迫使暖湿气块更大程度抬升,进一步维持和发展下击暴流系统。