雷暴与强对流临近天气预报技术进展

临近预报指0—6h(0—2h为重点)的高时空分辨率的天气预报,预报对象是该时段内出现明显变化的天气现象,主要包括雷暴、强对流、降水、冬季暴风雪、冻雨、沙尘暴、低能见度(雾)、天空云量等,其中,以雷暴和强对流天气的临近预报最具挑战性。综述了针对雷暴和强对流天气的以主观预报为主、结合客观算法的临近预报技术,同时讨论了高分辨率数值预报模式在临近预报中的应用。主观临近预报技术包括基于多普勒天气雷达观测数据并结合其他资料(常规高空和地面观测、气象卫星云图、快速同化循环的数值预报产品等)对雷暴生成、发展和衰减,特别是对强对流天气(包括强冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨)的临近预报,客观算法包括几种应用最广的雷达回波或云图外推算法和强对流天气识别技术。高分辨率数值预报模式的应用包括与雷达回波外推融合延长临近预报时效,与各种观测资料融合得到快速更新的三维格点资料为雷暴和强对流近风暴环境的判断提供重要参考。     

重庆地区强对流天气雷达回波统计特征

对过去22年(1982～2003)间重庆市发生的中尺度强对流天气雷达资料进行分类统计，研究中尺度强对流天气过程及其天气雷达回波特征，寻找重庆市中尺度强对流天气的运动规律。建立天气雷达回波资料库，将中尺度强对流天气过程雷达回波资料，按天气类型分类研究，结果表明：①重庆市中尺度强对流系统在时空分布上具有明显的不均匀性；②涡旋状回波是暴雨的显著特征；③冰雹回波以块状为主；④强雷雨大风回波的特征具有带状或弓型。     

川藏高原一次混合型强对流天气的观测特征

利用中国气象局地面自动气象站、探空、天气雷达等观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析2016年9月8日川藏高原一次强对流天气过程。结果表明:该过程多站出现8级雷暴大风、10 mm以上小时强降水且伴有最大直径为18 mm的冰雹,是川藏高原一次混合型强对流过程。对流系统发生在500 hPa弱冷平流和低层切变线影响下,中低层深厚湿层、环境中等强度对流有效位能和垂直风切变为超级单体的形成和维持提供有利条件。初始北侧多单体和南侧弱对流在地面辐合线上生成,向东南移入适宜环境后,北侧多单体发展成线状对流系统,与南侧单体合并且促使其迅速发展成超级单体。成熟超级单体低层具有清晰的前侧入流缺口、钩状回波和中气旋特征。强回波区随高度前倾,呈显著的上冲云顶突起、回波悬垂和有界弱回波区。风暴内中层径向辐合、上升气流减弱和反射率因子核心快速下降预示下击暴流的产生。中层干空气的夹卷和水凝物快速下落的拖曳作用加强下沉气流,结合峡谷地形的狭管效应,引起地面大风。     

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。     

乌鲁木齐国际机场2001年5月11日强沙暴天气分析

从天气形势、天气特点、卫星云图、雷达回波等方面对乌鲁木齐国际机场2001年5月11日发生的强沙尘暴天气进行了分析。结果表明，这是一次由冷锋尾部前方产生的对流云团触发的强沙尘暴天气，该对流云团具有超级雷暴单体的性质。     

阿克苏强对流天气雷达回波统计特征

为了发挥雷达监测和预警强对流天气的作用,制作出精细化的临近短时预报,应用2005-2006年63次冰雹云回波资料对雷达回波参数进行了分析,得到5—8月强对流天气的回波特征。阿克苏强对流回波强度强,96．8％集中在40～60dBz,其负温区厚度很厚,正负温度区的厚度比平均为1：2．0。     

基于多尺度小波边缘检测的对流降水和闪电分析

为准确估测对流降水,提出了多尺度小波边缘检测算法,借鉴小波变换的多尺度分析和边缘检测原理,对雷达反射率数据进行处理,有效地识别出对流云回波区域,进而反演对流降水,精细化分析其和闪电的相关关系。选取了南京2009年7月6—7日的一次强雷暴降水过程中对流活动较剧烈的180 min为例,对采自南京龙王山雷达站的真实数据进行了算法识别分析,反演得到对流降水,统计6 min时间间隔内的闪电频数与同期降水进行相关分析,得到该时段中每次闪电所表征的降水量（RPF）的范围在7.47×106～4.46×107 kg,平     

中国当代强对流天气研究与业务进展

对当代中国几十年来强对流天气研究和业务进展做了阐述，主要包括强对流系统产生的环境背景和主要组织形态，以及具体强对流天气的有利环境条件、触发机制、卫星云图特征、多普勒天气雷达回波特征以及预报、预警技术等诸方面。总体来看，中国学者对强对流以及不同类型强对流天气（强冰雹、龙卷、雷暴大风）发生、发展的环流背景以及通过雷达和卫星观测到的组织结构及其演变特征都已有了明确认识，研究了对流系统的多种触发机制，深入认识了超级单体、飑线等对流系统的环境条件、组织结构特征和维持机制，了解了中国中尺度对流系统的组织形态和气候分布特征，获得了强冰雹、龙卷、下击暴流和雷暴大风等的雷达、卫星和闪电等的多尺度观测特征、形成机制和现场灾害调查特征，发展了各类强对流天气识别、监测和分析方法以及基于“配料法”和深度学习方法等的预报、预警技术等。因此，强对流天气业务预报水平已得到显著提升。      

山东省强对流天气雷达回波气候特征

通过对７１３天气雷达观测资料的统计分析,揭示了山东４￣８月份强对流天气回波时空分布、产生源地、移动路径及回波参数指标等雷达回波气候特征,对强对流天气短时预报具有指导作用。     

强对流天气综合监测业务系统建设

强对流天气监测是其预报的基础.国家气象中心强天气预报中心利用多源观测资料(常规和非常规资料)建设了强对流天气综合监测业务系统.强对流天气的监测对象包括积云、地面高温、雷暴、地闪、冰雹、龙卷、大风、雷暴大风、短时强降水、雷暴反射率因子、对流风暴(基于雷达资料)、深对流云及中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems,MCS,基于静止卫星红外1通道资料)等不同时段的分布.发展的监测技术主要包括自动站资料质量控制技术、强对流信息提取和统计技术、直角坐标交叉相关雷达回波追踪(Cartesian Tracking Radar Echoes by Correlation,CTREC)技术、雷暴识别追踪分析和临近预报(Thunderstorm Identification Tracking Analysis and Nowcasting,TITAN)技术、深对流云识别技术、中尺度对流系统识别和追踪技术,以及闪电密度监测技术等.强对流天气监测系统自动定时运行,其输出数据与MICAPS业务平台完全兼容.该监测系统在国家气象中心的强对流天气预报业务中发挥了重要作用.     

青藏高原一次冰雹强对流天气过程的诊断及雷达回波特征分析

利用青藏高原第三次科学实验的C波段双偏振雷达（C-POL）的观测资料、ERA-Interim 0.125°（纬度）×0.125°（经度）气象再分析资料、常规气象探空资料,对2014年7月30日午后发生在西藏那曲地区的冰雹强对流天气过程进行了天气诊断及雷达回波特征分析。结果表明:1）此次冰雹强对流过程发生在有切变线伴随的高原低涡东移过程中,低涡尾部前倾的切变线为这次冰雹的发生提供了动力、水汽条件。2）强对流天气的水汽输送主要来自从孟加拉湾、印度及尼泊尔翻越喜马拉雅山脉的水汽,强对流发生前水汽输送显著增加,低层水汽集中在400 hPa以下,有明显的辐合及垂直输送。3）那曲400 hPa以下为假相当位温随高度递减区,也是水平辐合及垂直上升运动的重合区,有明显的对流不稳定能量集聚及动力抬升条件。4）雷达回波图上可看到,此次强对流天气主要由局地新生的多个中γ尺度孤立对流单体造成,其移动路径与切变线前西南气流一致。大部分单体水平尺度不大,生命史短,但仍有部分单体强度大,生命史较长。局地气流辐合扰动会导致新的单体产生,单体的发生、发展及维持离不开低层气流辐合提供的动力条件。5）在距离高度显示图上表现出了弱单体雹云特征,雹云云顶伸展至16 km,高于夏季平原地区普遍对流云高度,但未突破对流层顶,0℃层远低于平原地区,为深厚强对流降水;强降水中心位于云团下部,即有降雹也有降水,降雹以霰粒为主;垂直方向存在强烈的入流和上升气流,悬挂回波出现在入流上升气流之上,中层辐合区的气流下沉区对应降雹区;中层辐合区与上层的高空辐散区配合导致对流风暴的垂直增长和强烈发展。     

三峡坝区一次强风害天气多普勒雷达回波分析

2002年4月15日夜间发生在三峡坝区的强风暴属于典型的地面冷锋侵入西南倒槽天气背景下的强对流过程,其瞬间最大风力达11级,降水强度达50 mm/h左右。多普勒雷达发现风暴成熟阶段的回波具有中气旋等特征。强回波历时近4 h,根据当地短时大风的记录近地面伴随较强的下泄气流,造成灾害性大风。灾害性大风的能量可能来自对流层中层对流不稳定能量的积聚,能量大小对风害的强度有很好的指示性,对流不稳定能量层消失时刻预示风害爆发时刻。此个例灾害性大风和强降水发生在最强回波、最高回波顶和最大垂直累积液态水含量之后。强烈的天气现象与天气雷达回波指示值之间的时间差可作为预报员今后预报此类天气的重要参考。     

2008年盛夏阿克苏一次强对流天气成因及雷达回波分析

2008年7月24日阿克苏地区出现了暴雨、冰雹强对流天气。利用常规高空、地面观测资料和新一代天气雷达资料系统地分析了此次天气中环流背景、物理量场、雷达回波的演变特征。分析得出,此次强对流天气在上层干冷、下层暖湿的不稳定层结、充沛的水汽条件和较强的抬升运动的配合下,导致不稳定能量突增,直接诱发了强对流天气的发生、发展。雷达回波上的“v”形槽口、有界弱回波的出现、较强的垂直风切变以及气流辐合现象,均为强对流天气回波的典型特征。     

两次台风外围强对流大风天气对比分析

【目的】为提高台风外围强对流大风预报预警能力。【方法】利用常规气象观测资料和ERA5再分析资料等对2个差异较大的台风在广西造成台风外围强对流大风天气的环流背景、环境条件和雷达回波特征等进行对比分析。【结果】前者的主要影响系统是副高南侧边缘和台风西北侧偏东气流中的东风波动,后者的主要影响系统是台风倒槽,受台风外围环流影响,近地面层风的辐合有利于对流触发。较好的水汽条件和不稳定层结为其发生发展提供了良好的环境条件,2次过程的触发机制略有不同,辐合线位置的差异导致对流初生位置的不同,影响广西的范围也不同。【结论】CAPE值和DCAPE(600 hPa)值等的差异预示着前者对流发展潜势强于后者,所伴随的天气现象也有所不同。雷达回波上的弓形回波和后侧入流急流带来大风天气,大风出现前回波顶高度和最大反射率因子高度不断下降,对大风的出现具有较好的指示意义,单体移速的不同导致大风出现的强度也不同。     

云南高原山地机场强对流短临预报系统研究

基于天气雷达、地面和探空观测资料、NCEP再分析资料、FNL 数值预报产品,应用强对流天气分类识别技术和短时临近预报技术,开展风暴临近预报、强对流天气分类预警、基于数值预报的强风暴潜势诊断等研究,获得大理、丽江、西双版纳等高原山地机场及周边区域强降水、雷暴、大风、冰雹等灾害性天气的0～2h实时定量预报产品和0～12h强对流天气潜势预报产品,建立可业务运行的机场强对流天气短时临近预报系统。通过检验,证明该预报系统有较好的强对流天气预报预警能力,满足机场业务需求。     

北京2004年“7.10”突发性对流强降水的雷达回波特征分析

利用新一代天气雷达回波资料和一个雷暴单体识别、追踪和分析算法, 对2004年7月10日下午造成北京局地短时强降水的雷暴特征进行了初步分析。在偏南暖湿气流中生成的对流云团, 在北京上空迅速发展, 逐渐形成了一个覆盖城区的β-中尺度对流超级复合体, 导致了这次强降水过程。详细分析表明, 强对流主要是来自城区西南和东南两个方向生成和发展起来的雷暴。在北京西南部的雷暴逐渐向东北的城近郊区移动和发展, 并与新生成的雷暴合并加强, 造成了石景山、门头沟和海淀部分地区的大雨。在北京东南部逐渐形成的两个小雷暴单体迅速增长并向西北方的城区移动, 在到达城区时合并且迅速加强, 但移速缓慢, 在北京城区维持了两个多小时, 造成了城区的大暴雨过程, 降水量大但空间分布不均匀。雷暴顶高度和最大反射率因子的关系呈反位相变化, 雷暴最大反射率因子出现的高度均位于0 ℃等温线之下 (≥0 ℃) 或其附近, 雷暴的中心和反射率因子权重质心也基本位于0 ℃等温线之下, 均证实了这是一个典型的液态强降水对流系统。分析还表明, 20:00 (北京时) 左右的超强雷达回波是由大气异常传播造成的虚假超折射回波。     

冷涡条件下雹云的雷达回波分析及冰雹预报

利用一次冷涡南下引起的两次强对流天气的数字化雷达回波资料，结合黄河三角洲地区的天气学资料，对比分析了两交冰雹及冰雹和暴雨回波的异同点，为强对流天气的临近预报和人工防雹提供参考。     

地闪与对流性天气系统中降水关系的分析

利用１９９７年夏季在中国科学院兰州高原大气物理所平凉雷电与暴雹实验站设置的３站闪电定位系统所取得的地闪资料与雷达、降水及探空等资料进行了对比分析,发现地闪与对流性天气中的降水有较好的相关性,这种相关性用来对一般性对流天气中降水进行估测是可行的。通过非线性回归近似拟合得到平均雨强与对应时段内的地闪数回归方程为Ｒ＝１．６９２ｌｎＦ－０．２７３,相关系数ｒ为０．８６４１。同时地闪频数与层结最大不稳定能量一样能够指示对流性天气的发生和发展。     

面向资料同化的S波段双偏振雷达质量控制

双偏振雷达是强对流天气分析和云微物理研究的重要探测设备,将多普勒天气雷达升级为双偏振雷达是我国未来几年强对流天气监测发展建设的重点计划,而双偏振雷达资料质量控制是其中的关键技术问题。针对国内首批业务布建的广东省S波段双偏振雷达网研发建立了一套完整的质量控制技术方案,除了重点解决非气象回波外,还考虑了非标准波束遮挡和径向高频脉动问题。在飑线、暴雨和台风3类华南季风区强天气个例的应用表明,基于模糊逻辑的水凝物分类、偏振量（零滞后互相关系数、信噪比和比差分相位）阈值检查和杂波剔除能有效剔除非气象回波,抑制异常传播波束导致的虚假回波;线性内插较好地弥补了非标准波束遮挡带来的观测缝隙;中值滤波和滑动平均既过滤了偏振观测量在雷达径向的高频脉动,又保留了主要的偏振雷达观测特征。质量控制后的气象回波约占有效观测（反射率因子大于-30 dBZ）的40%,其偏振量取值分别为反射率因子大于5 dBZ、零滞后互相关系数大于0.8和差分反射率为-0.2~4 dB。     

应用卫星、雷达资料的强对流天气预报预警系统

利用2005—2008年3—9月亮温（TBB）资料,采用逐步判别分析法建立强对流天气预报方程,判别监测区域内某一云团未来可能产生区域性强对流天气、局地性强对流天气、无强对流天气;同时采用指标叠加法判定某云团有无强对流天气。在统计福建省多年冰雹、雷雨大风的雷达回波参数的基础上,确定大冰雹、冰雹、雷雨大风强对流天气的雷达参数（强度、风暴顶高度、垂直液态水含量、回波顶高等）阈值,并根据当天的0℃、-20℃高度与风暴顶的高度差,将CINRAD雷达产品中输出的风暴逐个进行筛选,对系统判定可能出现大冰雹、冰雹、雷雨大风的强风暴输出其未来1h内将影响区域信息。