青藏高原东北侧局地冰雹统计特征及对特殊雹云单体的讨论

以3D-Barnes方案插值的新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,用垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid Water Content,简称:VIL)的理论模式计算单体的VIL,用VIL与单体顶高度之比计算单体的VIL密度(Vertically Integrated Liquid Water Content Density,简称:VILD),采用统计方法对青藏高原东北侧局地冰雹的日变化和大小分布特征以及地面最大冰雹直径(简称:Rmax)与单体在降雹过程中的最大VIL(简称:VILmax)和最大VILD(简称:VILDmax)之间的关系进行了统计。结果表明:(1)青藏高原东北侧局地降雹主要以中冰雹为主(直径在5~20 mm之间),其次是小冰雹(直径<5 mm,现称为霰),出现大冰雹(直径≥20 mm)的概率很小;(2)从冰雹的日变化特征看,青藏高原东北侧局地降雹主要出现在下午到傍晚,期间存在2个降雹高峰时段。第一个主要集中在13:00~18:00,其中以15:00~16:00出现的概率最高,另一个主要集中在20:00~21:00,日内其余时间降雹概率很小,此结论与陈乾[1]等研究区域性冰雹发现的午后傍晚双峰型特征基本吻合,但在出现时段上稍有偏早;(3)VILmax和VILDmax从总体趋势上看与Rmax之间均存在正相关关系,但VILD-max比VILmax与Rmax之间的相关性更好;相同大小的冰雹所对应的雹云单体的VILDmax虽然存在一定的差异,但差异不大,一般维持在0.1 g.m-3以内;(4)雷达观测静锥区和单体强回波区倾斜或悬垂回波等是影响VILmax和VILDmax与Rmax之间出现负相关的2个主要因素。     

青藏高原东北侧雹云单体最大垂直累积液态含水量的演变特征及其在降雹定时判断中的应用

以3D-Barnes方案插值的新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,用垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid Water Content,简称:VIL)的理论模式计算雹云单体在演变过程中的VIL、用MAX函数逐个提取最大VIL(简称;VILmax),采用统计和分段函数处理技术,对2004-2005年5-8月青藏高原东北侧的16个雹云单体的VILmax的演变特征及其与地面降雹的时间关系进行详细分析.结果表明,(1)雹云单体出现降雹时所需的VILmax存在明显的时空差异,但同一雹云单体在演变过程中其VILmax均存在"爆发式增长"和"爆发式降低"现象;(2)雹云单体在首次降雹前4个资料时间间隔(22 min)内其VILmax将出现2次"爆发式增长"现象,出现第1次"爆发式增长"现象时地面不会降雹,维持1-2个资料时间间隔(5-11 min)后出现第2次"爆发式增长"现象时地面开始降雹;同一雹云单体再次降雹时没有第1次"爆发式增长"现象,出现"爆发式降低"现象时地面降雹停止;(3)通过个例总结并定义的雹云单体最大垂直累积液态含水量变化率(简称:GVILmax)的"正(负)峰"现象与VILmax的"爆发式增长(降低)"现象所对应的时间完全吻合,且利用GVILmax "正(负)峰"现象识别雹云单体"爆发式增长(降低)"现象具有明显的指示意义;根据雹云单体GVILmax "正(负)峰"现象与地面降雹的时间关系建立的经验公式计算降雹的时间误差在1个资料时间间隔(5-6 min)内.     

冰雹云和雷雨云单体VIL演变特征对比分析

以3D-Barnes方案插值的兰州站新一代天气雷达反射率因子等高平面资料,用垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid Water Content,简称:VIL)的理论模式计算单体VIL、用MAX函数逐次提取最大VIL(简称:VILmax),采用统计和分段函数处理技术,对2004—2005年5~8月青藏高原东北侧的32个强对流云单体VILmax的演变特征及其在冰雹云识别中的应用进行了分析。结果表明:(1)强对流云单体VILmax在演变过程中均是先增加,后减少,在时间序列曲线中表现为单峰型特征,其中冰雹云单体VILmax存在"爆发式增长及突然降低"现象,这是区别雷雨云单体的一个重要特征;(2)冰雹云单体首次降雹前4个资料时间间隔内VILmax将出现两次"爆发式增长"现象,第一次爆发式增长时不会降雹,维持1~2个资料时间间隔后第二次出现时开始降雹;同一单体再次降雹前没有第一次"爆发式增长"现象,出现"突然降低"现象时降雹均停止;(3)VILmax变化率(简称:GVIL-max)的"正(负)峰"现象与冰雹云单体VILmax的"爆发式增长及突然降低"现象对应的时间完全吻合,利用GVILmax建立的冰雹云识别流程在实际业务中具有较高的使用价值。     

新一代天气雷达三维组网产品在人工防雹的应用

基于冰雹云的雷达三维拼图反射率分布形态特征,提出在人工影响防雹作业中识别冰雹云的6个候选指标,分别是组合反射率、云回波顶高、最大反射率回波顶高、垂直累积液态水含量、垂直累积液态水含量密度以及垂直累积液态水含量跃增值。基于新一代天气雷达组网数据应用风暴跟踪(SCIT)算法实现风暴跟踪并计算部分指标,形成模糊逻辑判断方法,确定防雹作业区域。结果表明,应用该方法对北京、江西的多个降雹个例进行三维风暴单体的冰雹云识别试验,对比地面降雹观测数据,计算多个个例模拟命中率77%,误报率26%,空报率22%。考虑组合反射率三维形态分布特征的模糊逻辑法可以较好地识别大部分可作业冰雹云,跟踪模拟效果较好,有利于在人工影响防雹作业中的有效应用。     

榆林新一代天气雷达冰雹云识别指标分析

利用2005-2007年5—9月榆林雷达站观测资料和同期的常规高空、地面观测资料及榆林市境内的冰雹灾情资料,对其中的14次冰雹天气过程分析,重点考察冰雹产生过程中冰雹云在新一代天气雷达图上的演变特征。通过对地面降雹资料和相应的雷达产品资料分析,结果表明：榆林新一代天气雷达对责任区内的冰雹预报预警具有较好的指示作用。冰雹云识别指标为：强反射率因子区（回波强度≥50dBz）在-20℃层高度附近及以上,且强回波强度越强,高度越高,愈有利于大冰雹的产生;反射率因子剖面图上出现有界弱回波区（BWER）或弱回波区（WER）,区域的大小影响降雹的持续时间和冰雹的大小;垂直累积液态水含量VIL的大值区（≥40kg／m^2）代表降冰雹的潜势,VIL值越大。降大冰雹的潜势越大。三体散射现象可作为冰雹的预报指标。     

阿克苏地区西部冰雹天气雷达回波演变特征分析

利用2009—2020年阿克苏地区西部6县市中国气象局灾情直报、地面观测、阿克苏多普勒雷达资料，分析阿克苏雷达监测覆盖区冰雹天气时空分布及雹云雷达回波演变特征，结果表明：（1）2009—2020年共出现211站次冰雹，2011年最多，28站次；高发期为5—8月，6月冰雹频次最高；日变化峰值在16—19时。（2）雹云单体最强反射率因子均≥52 dBZ，回波顶高高于8 km，垂直累积液态水含量跃增达4.47 kg/m2及以上且垂直累积液态水含量最大值大于10.0 kg/m 2时雷暴单体发展为雹暴的可能性极大。超级单体雹暴反射率因子、回波顶高、VILmax统计指标均高于多单体和普通单体雹暴。（3）普通单体风暴多初生于乌什县、温宿县北部沿山一带；多单体雹云多初生于乌什县西部南部、温宿县北部沿山一带，乌什县境内最多；超级单体雹云多初生于温宿县。回波单体移动大多以西北-东南路径为主。（4）雹云回波发展初期往往伴随着第一次爆发式增长：反射率因子增大、回波顶升高、VIL跃增，超级单体雹暴表现更为明显，降雹时刻伴随着再一次爆发式增长。VIL急剧增大或急剧减少与降雹开始和结束关系最为密切。（5）超级单体雹暴维持时间和整体生命史均较多单体雹暴和普通单体雹暴时间长；多单体风暴需要较长的酝酿时间且影响区域较大。     

一次高炮防雹效果的CINRAD/CC产品分析

结合2005年6月25日祁连山东部1次高炮消雹试验,利用新一代天气雷达高时空分辨率资料,从消雹前后雷达回波外形特征、垂直最大回波强度、回波顶高、雹云内部水平风场、垂直结构、最大垂直积分液态含水量的变化以及地面降水实况等方面进行了检验分析。结果表明:(1)高炮消雹抑制雹云的发展主要存在2方面作用:一是AgI在爆炸点附近快速四周散播,并与周围冻滴快速碰并而减少冻滴的平均质量和直径,二是炮弹爆炸动力抑制爆炸点下方附近上升气流的发展;(2)高炮消雹在有效抑制冰雹云发展的同时,有利于地面降水的产生,起到人工增雨的效果,对此次消雹过程而言,假设空中液态水以雨滴形式全部降到地面,消雹后地面降水将增加4.69%。     

冰雹云的多普勒天气雷达识别参量及其预警作用

使用宜昌多普勒天气雷达基数据资料,采用统计计算方法,分析了2004—2008年宜昌境内52块强对流云的特征。结果表明：（1）在宜昌地区,产生冰雹的对流云中其平均最大反射率因子均在50 dBz及以上;回波顶高均在9 km以上,最高达到22 km,其中80%的冰雹云的回波顶高在12～16 km之间;最大垂直液态含水量在50 kg.m-2以上的比例为76%;利用回波强度、回波顶高和垂直液态含水量均不能很好地辨别雹云和雷雨云,但可将这些参量作为冰雹发生的参考条件。（2）利用45 dBz回波顶高可较好地识别冰雹云,当强回波高度达到7.6 km时预示有冰雹出现,其临界成功指数达86%。（3）降雹前,强中心回波顶高会出现跃增现象,跃增后不久地面出现降雹,这一特殊现象有助于提前进行冰雹预警。     

多普勒雷达产品人工防雹应用技术指标

利用2005-2006西安多普勒雷达冰雹天气产品资料及渭南冰雹实况资料,对渭南19个典型雹日回波资料分析。得出指标：降雹时反射率因子（R）〉50dBz．组合反射率因子（CR）〉55dBz;降雹前垂直液态水含量VIL值有一个明显的“跃增”变化,降雹时VIL值在50kg／m^2以上;速度图上的对流辐合特征、“逆风区”、中气旋是有效识别冰雹雷雨大风的判据指标;云顶高度（ET）结合其它产品,可提前做出预警。     

VIL产品在高山雷达中的应用研究

利用2006—2009年丽江市气象台的冰雹观测记录、短时强降水、民政部门提供的冰雹灾情资料和丽江CINRAD/CC雷达观测资料,对垂直累积液态水含量(Vertically Integrated Liquid Water Con-tent,VIL)进行了统计分析。结果表明,当VIL值>5kg·m-2时将会出现强对流天气,当VIL≥21kg·m-2时预示着发生冰雹的可能性极大,是人工防雹作业启动的关键值,冰雹云中的VIL值远远大于带来短时强降水的普通对流云;在降雹前VIL值都有明显的跃增;距离雷达站较近或较远区域的VIL值会被低估,在37kg·m-2以下也会降雹,通常降雹的VIL值大都在37kg·m-2以上。     

基于决策树算法的鄂东地区冰雹识别技术北大核心CSCD

冰雹是对流性天气常见的灾害之一,雷达是识别冰雹强有利的工具,为克服现有方法主观性强、特征量阈值不明确以及虚警率高的不足,探究机器学习算法用于冰雹识别的可行性,基于决策树算法利用2015年1月1日—2021年12月31日鄂东地区冰雹灾情资料、武汉多普勒天气雷达以及探空资料,将湿球温度高度引入冰雹识别因子中,并根据命中率、虚警率和临界成功指数定量评估其识别能力。结果表明:仅包含回波强度的决策树(强度决策树)和包含回波强度和湿球温度高度的决策树(强度-高度决策树)均能有效识别冰雹,强度-高度决策树较强度决策树的命中率和临界成功指数均小幅提高,且虚警率明显降低;强度决策树识别冰雹的关键因子为组合反射率因子,底层多为0.5°和1.5°仰角反射率因子,强度-高度决策树的关键因子为0.5°仰角反射率因子,底层多为风暴的整体强度属性;个例分析显示强度-高度决策树减少了湿球0℃层高度较高时的虚警次数,展现出良好的应用前景。     

Relationship between cloud characteristics and radar reflectivity based on aircraft and cloud radar co-observations

Cloud properties were investigated based on aircraft and cloud radar co-observation conducted at Yitong, Jilin, Northeast China. The aircraft provided in situ measurements of cloud droplet size distribution, while the millimeter-wavelength cloud radar vertically scanned the same cloud that the aircraft penetrated. The reflectivity factor calculated from aircraft measurements was compared in detail with simultaneous radar observations. The results showed that the two reflectivities were comparable in warm clouds, but in ice cloud there were more differences, which were probably associated with the occurrence of liquid water. The acceptable agreement between reflectivities obtained in water cloud confirmed that it is feasible to derive cloud properties by using aircraft data, and hence for cloud radar to remotely sense cloud properties. Based on the dataset collected in warm clouds, the threshold of reflectivity to diagnose drizzle and cloud particles was studied by analyses of the probability distribution function of reflectivity from cloud particles and drizzle drops. The relationship between reflectivity factor (Z) and cloud liquid water content (LWC) was also derived from data on both cloud particles and drizzle. In comparison with cloud droplets, the relationship for drizzle was blurred by many scatter points and thus was less evident. However, these scatters could be partly removed by filtering out the drop size distribution with a large ratio of reflectivity and large extinction coefficient but small effective radius. Empirical relationships of Z-LWC for both cloud particles and drizzle could then be derived.     

宁夏“5·16”强对流天气跟踪分析及预报模型建立

利用逐时自动站资料、WRF模式数值产品、卫星云图、雷达产品等资料对2009年5月16日宁夏冰雹、短时强风等强对流天气进行了跟踪预报分析。结果表明：利用水汽通量散度数值产品中大气低层水汽通量的辐合或辐散可作为对流活动产生的重要依据之一。而卫星云图中的强对流云团的识别和新一代天气雷达基本反射率强度、液态水含量、冰雹指数、中尺度气旋产品是短时冰雹天气及短时雷雨大风天气预报的有利工具。并对2004—2008年出现的冰雹天气进行统计分析,建立了宁夏冰雹天气预报预警模型。     

甘肃省永登地区一次强单体冰雹过程分析

根据2003年7月8日发生在甘肃省永登县境内的一次强单体冰雹过程,从天气学背景、雷达回波的演变特征出发,分析了该过程回波高度和含水量、高度和强度的跃增变化以及强单体特殊的结构特征。分析结果表明,垂直剖面上强反射率区的范围及伸展高度对雹云的发展有重要作用。强反射率区对应着云中含水量集中区域,只有含水量累积区位于云中过冷区中时才利于冰雹的生长;一旦回波出现55 dB z并高度达到4 km以上,降雹随即产生;强单体雹暴是一种发展非常强烈,有着特殊结构的强雷暴。上述结果对冰雹预警有重要意义。     

一次强冰雹超级单体风暴双偏振参量特征分析

利用济南S波段双偏振多普勒天气雷达资料、章丘探空和地面常规气象观测资料及灾情调查,对2021年7月9日发生在济南章丘的一次特大冰雹超级单体风暴双偏振和微物理结构特征进行了分析。结果表明:冷涡天气背景下,强的垂直风切变和强的对流有效位能,利于超级单体的形成与维持。阵风锋是风暴触发机制,也是风暴长时间维持机制。初始风暴由阵风锋触发,经过合并发展产生超级单体。成熟阶段,风暴西侧与阵风锋交汇区域不断激发新生单体,并与主体合并,风暴长时间维持。风暴顶强辐散是中气旋长时间维持和风暴顶高度较高的关键因子之一。特大冰雹阶段风暴底层右后有明显的入流缺口,其前侧有差分反射率(Z_DR)弧,表现为少量大的液态粒子或小的湿冰粒子,入流缺口左侧强反射率因子区对应小的Z_DR和小的相关系数,为冰雹降落区。垂直结构上,强上升气流区一侧存在深厚的有界弱回波区,0℃层高度之下分布有Z_DR环,有界弱回波区内及上方存在Z_DR柱,且高度较高,含有少许偏大的液态或融化的小的冰相粒子。较高的Z_DR柱表明风暴内上升气流强盛且高...     

基于滴谱分布的机载雷达波束匹配情况研究

基于机载双频测雨雷达外场校飞试验中获取的有效降水测量数据,利用Ku波段的雨衰系数和等效雷达反射率因子的比值估算了雨滴谱分布参数.在此基础上,通过米散射模拟计算了Ka波段在该滴谱分布下的等效雷达反射率因子,并和机载Ka波段衰减订正后的等效雷达反射率因子进行了比对.结果表明:两者的廓线基本重合,相关系数超过0.95,两部雷达探测的目标物一致,测量的雷达反射率因子的差异主要是由雷达频率的不同所引起的后向散射以及衰减的不同所造成的,波束匹配精度较高.此外,单频滴谱参数的估计依赖于单频衰减订正的精度.机载雷达外场试验中探测的都是弱降水,Ku波段衰减订正不会存在太大的误差,估计的滴谱较为可靠.必须指出的是,精确的参数估计仍然要借助双频雷达的反演方法.     

一次长生命史超级单体降雹演化机制及双偏振雷达回波分析

2019年3月21日一次长生命史超级单体导致浙江省中部多个县(市)降雹,为了研究超级单体得以长时间维持的环境背景及其云物理特征,利用常规资料以及宁波S波段双偏振雷达数据,结合粒子相态识别算法,对此次过程的演变进行了分析。结果表明:高空槽前、850 hPa切变线附近和地面冷锋为超级单体提供了合适的环流背景;风暴传播区域对流有效位能的增加、风暴承载层的平均风向与风暴移动方向相近、风速大、对流风暴沿地面假相当位温梯度大值区向东传播及沿海强垂直风切变,导致中气旋旋转速度和旋转厚度的增加,这些都是对流风暴长时间维持的原因。通过此次降雹单体风暴结构分析发现:整个生命史对流发展非常旺盛,最大反射率维持在60 dBz以上,风暴顶维持在8 km以上,风暴质心高度出现的三次明显波动,对应三次降雹过程。垂直累积液态含水量(VIL)跃增量虽不及传统指标,但结合垂直累积液态含水量密度(VILD)、VIL最大值及最大反射率因子大值区,对冰雹业务预报有指示作用。通过降雹单体双偏振特征分析发现:冰雹下落过程中的翻滚现象,导致差分反射率(Z_dr)值接近0 dB,水平和垂直偏振波差异导致三体散射特征(TBSS)根部Z_dr大值区的出现;冰雹降落融化产生的外包水膜现象,使其Z_dr值增大,相关系数(CC)值减小;通过偏振参数Z_dr和CC特征,有助于识别高空大冰雹;超级单体的有界弱回波区(BWER)附近的Z_dr柱不仅可指示上升运动,同时对降雹单体不同的成长阶段具有指示作用。     

甘肃省东部冰雹特征及预警指标分析

利用典型代表年份的90个冰雹个例观测资料，采用统计和数理诊断的方法对冰雹天气物理量参数进行分析，构建了甘肃省东部地区冰雹天气概念模型和冰雹预警指标。结果表明：冰雹事件在时空分布上受到天气系统和地形双重影响，冰雹天气过程分为西北气流型、低槽型和低涡型，占比分别为52%、38%和10%，在地势高、地形复杂的地区更容易产生降雹。92%的降雹出现在13—20时，5—7月占全年发生降雹概率的86%。0℃层高度越高，冰雹在降落过程中融化的越快；回波顶高越高，层结水汽越丰富；强回波顶高越高，水汽越丰富，冰雹云发展旺盛；强回波顶高越接近回波顶高时，对流发展越旺盛。通过对降雹时的最大回波强度、最大回波顶高、最大垂直累积液态水含量(VIL_max)、垂直累积液水密度(VILD)以及K指数、沙氏指数(SI)、0℃层高度、-20℃层高度等物理量进行综合分析所构建的甘肃省东部地区的冰雹预警指标体系可对13 min冰雹临近预警提供定量化的判据。