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。     

一次雷暴大风引发的强沙尘暴天气的中尺度系统分析

使用探空、地面和张掖多普勒天气雷达观测资料对2013年7月30日发生在河西走廊的一次强沙尘暴天气进行了分析。结果表明：这次雷暴大风沙尘天气是对流层低层冷平流作用下,不稳定能量释放形成的β、γ中尺度对流系统造成的,雷暴下击暴流的辐散流和密度流是引发地面强风和沙尘暴的直接因素。高层干、中层相对湿和低层干的层结,易产生雷暴大风天气。1 h正变压和负变温演变能很好地反映雷暴下击暴流形成的雷暴高压和冷池的强弱变化,同时也反映了下击暴流的辐散气流和冷池密度流造成的地面大风及沙尘天气的变化。     

武汉天河机场一次下击暴流天气的多普勒雷达分析

利用常规气象资料、跑道自动观测资料(AWOS)、自动观测站资料和多普勒天气雷达资料等,对武汉天河机场的一次下击暴流天气过程进行了分析。结果表明:1)本次下击暴流发生在副热带高压减弱,西风槽向东移动,地面辐合线相配合的天气背景下;2)下击暴流影响机场期间,具有气压陡升、温度骤降、风向变化和风速突增等气象要素的演变特征;3)阵风锋与雷暴之间距离的变化一定程度上可以预示未来雷暴的强弱;4)本次下击暴流与阵风锋有紧密的联系,阵风锋北移过程中激发出β中尺度对流单体,β中尺度对流单体产生了下击暴流,并且雷达速度图上沿雷达径向的正负大值速度对是下击暴流发生的典型特征之一。     

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。     

广州白云机场一次微下击暴流引起的低空风切变过程分析

对2017年8月1日在广州白云机场产生的42.1 m/s强阵风成因进行分析,发现此次强阵风是微下击暴流的下沉气流到达地面造成的。利用广州白云机场的地面自动观测资料和C波段多普勒天气雷达资料分析微下击暴流经过机场时地面各气象要素的演变特征以及产生强风切变的对流单体的移动和强度演变情况。分析表明:微下击暴流到达地面后造成了强烈的风速和风向的低空风切变,气压骤升,温度迅速降低,利用高时空分辨率的地面自动观测数据可以发布低空风切变的告警;在微下击暴流产生强地面风前,对流风暴单体的雷达回波反射率强度突然降低、回波顶高减弱,径向速度图上出现了中气旋以及在近地层有强烈的反气旋辐散,可利用多普勒天气雷达发布低空风切变的预警。     

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。     

一次下击暴流风暴的成因和结构特征分析

2017年7月28日四川省东北部出现了一次罕见的湿下击暴流大风天气过程。本文利用地面自动站、雷达、卫星等观测资料以及FNL数据、视频资料,对下击暴流风暴的成因和结构特征进行研究分析。研究表明:此过程发生前,对流层中低层的环境温度及其直减率均达到同期历史极端值,有利于雷暴大风类型中尺度对流风暴的形成;此次下击暴流,主要由阵风锋与地面中尺度辐合线相交后触发,阵风锋水平涡度不断输入对流系统内,产生正的相对风暴螺旋度,利于对流风暴持续发展到较高高度,为下击暴流的产生提供条件;下击暴流发生前的对流风暴,在视频截图和反射率因子剖面图上均表现为悬垂倾斜结构,倾斜方向与对流层中层平均风向较一致;对流风暴中层的气旋性涡旋结构特征可作为下击暴流的预警指标之一。     

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。     

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。     

一次连续下击暴流天气的成因分析

基于多普勒雷达、闪电定位、地面观测资料和现场勘察情况,对2016年5月2日皖西南发生的一次连续下击暴流天气的成因进行分析。结果表明:引起2次微下击暴流的风暴为同一风暴单体,且为超级单体,旺盛阶段的雷达回波表现为钩状分布和倾斜结构;下击暴流产生的初始原因是液态或固态降水粒子下降的拖曳作用,中后期则主要源于热力不稳定、对流层中层的动量下传和补偿性气流作用,伴随的水成物与环境之间的负浮力增大是下击暴流发生的重要原因;对流层中层盛行风向造成的动量下传决定了2次微下击暴流的地面风走向;超级单体风暴具有反射率因子核最高和下降速度最快的特点,反射率因子核高度超过6 km,1个体扫间隔下降3 km左右或以上;当6 min降水达4 mm以上时,是发生下击暴流的征兆之一。     

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。     

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。     

雷达数据外推与特征识别的下击暴流预警方法

现今利用普通气象资料对下击暴流进行识别预警的可行性很低,因此提出一种基于多普勒天气雷达资料的下击暴流识别追踪和预警方法。首先,采用光流法对反射率因子垂直剖面的光流场进行分析,得出风暴核心随时间演变的规律。然后,采用拉格朗日力学模型对风暴核心顶高的下降过程进行函数拟合。再采用直方图和巴氏系数统计分析法,对风暴核心中层径向速度场中的"正负速度对"图像进行匹配识别,综合一系列阈值的判定,最终实现下击暴流的智能预警。提出基于多层迭代的局部约束光流算法,有效改善了传统光流法对回波这类非刚体移动目标的不适用性。提出直方图和巴氏系数统计分析法,解决了因径向"正负速度对"图像的非对称结构而造成的图像匹配难题。个例检验结果表明,该方法可在风暴核心抬升和急速下沉的前期识别出潜在的下击暴流,并对风暴核心下沉速率和到达近地面的时间做出估测,从而实现下击暴流的智能识别、预警。     

云顶亮温在一次区域性暴雨中的分析与应用

利用高、低空常规气象观测资料、卫星云图和多普勒雷达资料,分析了2006年6月12日发生在太原机场的一次强对流风暴过程,结果表明：高空气旋性冷槽的迅速东移和地面冷锋过境是本次强对流风暴发生的天气尺度系统背景,机场发生的地面大风是由下击暴流引起的,近地面强辐散引起阵风锋发生在弓形回波中低辐合层对应的下方;雷暴单体回波剖面随时间的演变发现确有反射率因子核心重心下降并接地的现象,并据此证实有两次下击暴流过程.第一次出现在16时前后距本场西北90 km处,第二次出现在18时04分,第二轮下击暴流直接造成本场的地面大风.下击暴流发生的过程始终伴随着中低层长时间的辐合和反射率因子核心的重心下降接地过程.     

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。     

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.     

一次热带气旋外围飑线对广州白云机场的影响

使用常规探测资料、NCEP再分析资料和多普勒雷达产品,分析0809号热带气旋北冕8月4日在登陆前对华南天气的影响.结果表明,在热带气旋北侧外围的偏东风低空急流给广东沿海地区输送充足的水汽以及日升温和副热带高压下沉运动的共同作用,积累了不稳定能量,飑线天气在由弱冷空气造成的边界层辐合线的作用下得以爆发.弓形回波后弱反射率因子通道的出现,说明发展到最强盛阶段的飑线影响白云机场.阵风锋和下击暴流伴随着飑线影响白云机场,产生了强雷暴,近地面层风速迅速加大、风向突然改变以及强降水造成的地面能见度的骤降等,严重影响飞行安全的天气.综合分析风切变等雷达产品判断阵风锋和下击暴流产生的影响飞行安全的低空风切变,飞机飞行时应特别关注飑线低层下击暴流产生的辐散型风切变.     

弱窄带回波在分析和预报强对流天气中的应用

灵敏的多普勒雷达经常能探测到弱窄带回波,这些弱窄带回波一般对应于边界层的辐合线,对弱窄带回波的仔细分析有利于及早做出强对流天气的临近预报以及对其发展变化作深入了解。文章结合发生在上海的3次强对流天气个例,详细分析了弱窄带回波在分析和预报强对流天气中的作用,得出以下结论:(1)上游移动强回波的出流边界导致的弱窄带回波是大风预警的重要判断参考;(2)在合适的层结状态和抬升条件下,弱窄带回波会强烈发展,并导致局地雷雨大风,这类强对流天气的发展有两个比较重要的阶段:弱窄带回波上初始回波的发展和回波跃增;(3)下击暴流造成的地面出流在雷达回波上表现为近似圆弧的弱窄带回波,这种弱窄带回波与其他雷达观测特征以及地面观测相结合,有助于对产生下击暴流的对流云的发生发展过程进行细致分析。     

北京地区一次罕见的雷暴大风过程特征分析

分析了2006年6月24日北京地区一次罕见的瞬时极大风速超过32 m.s-1的雷暴大风事件。多普勒天气雷达观测表明,此次强雷暴大风与镶嵌在飑线回波带中的弓形回波相关。后侧入流急流促使飑线回波带南段快速移动并与其前面的新生单体合并加强形成弓形回波。深厚的中气旋、低层径向速度辐合和高层辐散等在构成弓形回波的强对流单体形成过程中起了重要的作用。根据雷达回波特征演变推断,这次雷暴大风直接由构成弓形回波的一个强对流单体内的下击暴流导致。使用微波辐射计和风廓线仪的观测资料揭示了上述强风暴发生的环境条件,即高的对流有效位能值、中等强度的风垂直切变,以及风切变的分布特征为飑线等的产生提供了有利条件。下沉对流有效位能和对流层低层环境大气温度直减率明显增加并接近干绝热,这对即将到来的下击暴流具有指示意义。