基于决策树的天津地区冰雹天气雷达因子分析

利用决策树对天津地区2005—2014年4—9月间的25次有灾情资料的冰雹天气进行多普勒天气雷达因子识别,采用冰雹概率(POH)、强冰雹概率(POSH)、垂直液态含水量(VIL)、最大反射率因子(DBZM)、风暴质心高度(HT)、风暴顶高(TOP)等主要雷达识别指标,归纳出天津地区冰雹云雷达回波判识指标:(1)当DBZM≤54.5dBz,或者当DBZM54.5dBz但POSH≤35,单体不会降雹;(2)当DBZM54.5dBz且POSH35,则该单体将会降雹。与判别分析方法比较,基于决策树分析的识别降雹单体的成功率达90.2%,临界成功指数达78.3%,识别结果明显优于判别分析方法。     

CINRAD/SA雷达冰雹探测算法效果检验及参数本地化

2004年CINRAD/SA雷达新的冰雹探测算法(HDA)代替了原来的算法,新的冰雹探测算法(HDA)估测任意尺寸的冰雹概率(POH)、直径大于等于19 mm的强冰雹概率(POSH)和最大冰雹直径预测(MEHS)。结合济南雷达探测资料对冰雹探测算法预测效果进行了检验,虽然有较高的探测准确率,但同时错误率较高,临界成功率较低,最大冰雹尺寸预测值与实况的平均差值约为14.6 mm。对2002~2005年济南雷达站的历史资料进行了统计分析,降雹单体和非降雹单体在最大反射率因子上存在较大差异,5、6、7月的降雹单体最大反射率因子平均值分别为59.7、61.86、3.9 dBz,非降雹单体最大反射率因子平均值分别为53.8、54.9、55.6 dBz。依据统计数据,对冰雹探测算法中的反射率因子等门限值调整为53 dBz后,冰雹预测仍具有较高的探测准确率,错误率和临界成功率得到了明显改善;对最大冰雹尺寸预测中的算法因子门限值调整后,预测值与实况有较好的对应关系。     

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。     

强龙卷超级单体风暴特征分析与预警研究

利用多普勒雷达资料,对发生在安徽的3次强烈龙卷过程进行了分析.重点研究了导致F2～F3级强龙卷的3次超级单体风暴多普勒雷达回波特征及其与强冰雹超级单体风暴的差异.另外,利用安徽省、市、县气象报表、历年气候评价灾情资料(部分来自民政部门的灾情报告),对1960年至今的龙卷天气的时空分布及变化趋势、产生龙卷的环流形势特征进行了分析,结果表明:(1)龙卷主要出现在淮北东部和江淮之间东部地势平坦地区,7月份出现龙卷的概率最高.(2)超级单体龙卷产生在中等大小的对流有效位能和强垂直风切变条件下,同时抬升凝结高度较低.(3)3次F2～F3级龙卷在发生前、发生时在多普勒雷达上都探测到强中气旋和龙卷涡旋特征TVS.与非龙卷超级单体风暴相比,导致强龙卷的中气旋底高明显偏低,基本在1 km以下.同时风暴结构也有所不同,造成龙卷天气的超级单体风暴最大反射率因子与风暴质心高度接近,基本在3 km左右,反射率因子在50～60 dBz.造成强冰雹的超级单体风暴在冰雹产生前,风暴最大反射率因子高于风暴质心的高度;当风暴开始降雹时,最大反射率因子高度开始降低,而风暴质心的高度变化不大,高于最大反射率因子高度,基本保持在5km左右,反射率因子在60～70 dBz.     

河北中南部两次超级单体雷达特征对比分析

2004年河北省中南部地区共有17次冰雹天气过程,以6月20日和24日2次天气过程最为典型。将这2个典型个例对照天气背景和灾情,主要运用新一代多普勒天气雷达的基本反射率、平均径向速度、垂直积分液态含水量(VIL)等产品进行对比分析,发现6月20日是典型超级单体,24日呈强降水超级单体。回波强度大于等于50dBz、回波顶高大于等于10 km、垂直积分液态含水量大于等于35 kg/m2时极易降雹,冰雹落区与VIL的大值区有较好的对应关系,VIL高值维持时间越长冰雹直径越大,降雹范围越大,三体散射维持的时间越长产生的灾情越是严重。风暴相对径向速度产品上,可更早更清楚地得到对流风暴将发展加强的信息。     

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。     

安徽地区春夏季冰雹云雷达回波特征分析

分析安徽地区春夏季冰雹云雷达回波特征,对人工影响天气防雹作业有重要意义。根据2002—2013年间安徽省地面降雹资料,结合合肥新一代天气雷达(CINRAD)探测资料,使用Storm Cell Identification and Tracking (SCIT)算法设计风暴识别、追踪程序,得到3—8月59站次的降雹过程。统计分析冰雹云回波强度、回波高度、单体VIL等特征信息,结果表明：6—7月安徽地区降雹概率最大,1日中15—18时降雹概率最大。安徽地区春夏季冰雹云回波强度至少为55 dBz,大多数为60~70 dBz,单体VIL至少为30 kg·m-2,大多数为40~80 kg·m-2。单体VIL与最大反射率的变化趋势比较一致,最大值往往出现在降雹时间附近。安徽地区春夏季冰雹云回波顶高平均13.6 km,30 dBz风暴顶高平均12.1 km,最大回波顶高达17 km以上。     

基于多雷达三维插值格点强冰雹诊断因子的强冰雹识别方法

为解决单部雷达强冰雹识别产品在雷达的探测范围、雷达的静锥区以及与基于格点的近风暴环境因子的融合上存在局限性的问题,本文建立了雷达反射率因子的三维局部空间插值及多部雷达拼图方法;类似于SCIT算法的风暴单体的VIL及SHI等冰雹识别参数的计算,基于多部雷达三维插值拼图数据集,实现了格点VIL、SHI、POH和POSH等算法,建立了基于三维格点的多部雷达强冰雹识别参数因子、风暴数值模拟的近风暴环境因子(0°层及-20°层高度)为识别参数的冰雹识别算法。为确定适合于贵州地区的冰雹识别阈值,使用贵州504个防雹炮点的冰雹观测资料及贵州2005年和2006年8次贵阳、遵义雷达站冰雹个例观测资料,建立了冰雹算法校验数据库;通过对降雹校验数据库的统计分析,建立了适于贵州地区VOD与冻结层高度统计关系式,确立了VIL密度产品的强冰雹判别阈值,并通过对WTSM的调整,改进了原来的POSH算法,在贵州西北部到中部一线的一次强冰雹过程中对强降雹区的识别效果较好。     

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。     

改进的SCIT算法在人工防雹作业中的应用分析

基于新一代天气雷达三维组网产品,利用改进后的对流风暴跟踪(SCIT)算法,对2013年3月22日发生在江西省北部地区的一次降雹天气过程进行冰雹回波识别和跟踪分析。选用能反映冰雹云特征的6个基于雷达反射率三维拼图的人工防雹作业指标,借助经验阈值形成人工防雹作业条件的模糊逻辑判断方法。以地面降雹实况记录为检验标准,对改进后的SCIT算法的识别结果进行检验。结果表明,改进后的SCIT算法共识别出可实施人工作业的冰雹云对流单体4个,不仅多于观测到的地面降雹站点数(3个),也多于未改进的SCIT算法识别出的冰雹云回波单体数,且识别出的位置与实况完全一致,表明应用改进后的SCIT算法有助于增强人工防雹作业的准确率。     

2020 年 6 月 1 日山东强雹暴过程双偏振雷达观测分析

利用济南S波段双偏振多普勒雷达探测数据,结合探空、地面气象站观测和实地冰雹调查资料,对2020年6月1日影响山东中西部的一次强雹暴过程进行分析。结果表明：1）此次雹暴过程受高空槽影响,于当日中午在河北邢台市初生,移入山东境内后持续降雹近5 h,其中17:00后雹暴明显加强,冰雹灾害严重。2）典型降雹时次具有明显的三体散射特征;1.5～5.5 km高度冰雹区对应的反射率因子（ZH）均大于65 dBZ,差分反射率因子（ZDR）介于-2.6～1.5 dB,相关系数介于0.80～0.96;大冰雹多集中在低层前侧入流的左侧和前侧。3）多个单体于17:00前后演变成超级单体风暴,具有明显的有界弱回波区和中气旋结构,ZDR柱可指示雹暴主上升气流区的位置。4）水凝物相态分类产品给出的冰雹分布反映了空中冰雹的分布和演变,可从冰雹色标面积大小、连续性程度预估冰雹强弱,根据低仰角的冰雹色标预判冰雹落区。     

基于风暴数值模拟的冰雹临近预报方法研究

该文利用基于格点冰雹识别的研究成果,结合ARPS风暴数值模式的输出结果,提出基于风暴数值模式的冰雹临近预报方法,即用风暴数值预报的水物质场反演的反射率因子场作为冰雹的预报因子,并通过建立基于格点的强冰雹识别算法作为冰雹预报模型,从而对冰雹的落区及大小做出预报。与一般的冰雹预报模型相比,新的方法有以下特点：选取的冰雹预报因子物理意义更加明确,更加全面;建立的冰雹预报模型比较稳定;建立冰雹预报模型的过程相对简单。新的方法在一次强冰雹过程中得到了成功应用,在3h的临近预报中基本准确预报了强冰雹的落区位置。     

“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。     

2019年8月16日山东诸城一次罕见强雹暴结构和大雹形成的观测分析

为研究雹暴结构和大冰雹的形成机制,利用潍坊CINRAD/SA新一代天气雷达、青岛S波段双偏振多普勒天气雷达探测数据,结合探空、地面气象观测站观测和实地冰雹调查资料,对2019年8月16日发生在山东诸城的一次罕见强雹暴过程的天气背景、风雹灾害、雷达回波演变、雹云结构及大冰雹形成机制进行分析。结果表明,受冷涡天气系统影响,鲁中山区、鲁东南地区低层暖湿、高层干冷,0—6 km高度风矢量差为30.3 m/s,十分有利于强雹暴的发展。雹云发展迅速,历经发生、跃增、酝酿、降雹和消亡等5个阶段,在发生阶段即观测到中气旋、有界弱回波区等结构并不断增强,长时间维持;降雹阶段的雹云具有典型的有界弱回波区—悬垂回波—回波墙和“S”型水平流场等特征,有界弱回波区与旋转上升气流和水平速度为0的“0线”结构相关联,“0线”穿过悬垂回波和有界弱回波区顶部强回波区,指向雹云对流上冲云顶,具有特定的成雹功能;强降雹时段,雹云有界弱回波区北侧回波墙及其上方强回波区的水平反射率因子大于60 dBz,对应的差分反射率因子大多为?1—0 dB,表明为大冰雹的聚集区。依据对成熟阶段雹云雷达回波形态、径向速度和三维风场的分析,给出了实例雹云内主上升气流框架和具有成雹功能的“0线”结构示意图,有助于理解“0线”结构在大雹循环增长中的可能作用机理。      

突发性强对流天气快速识别预警改进方法

传统多普勒天气雷达强对流灾害性天气监测采用固定阈值判别法给出强风暴的冰雹闪电灾害预警结果,该方法不适用于不同经纬度、季节和复杂地形条件下的强对流天气识别预警。本文利用循环递归的区域生长法对TITAN算法进行改进,从而快速识别三维强风暴单体及其雷达特征物理量;使用多普勒天气雷达和TRMM星载气象雷达的历史观测数据反演河北石家庄地区春夏两季复杂地形条件下的强风暴灾害性天气Logistics多元线性回归概率预警模型。对发生在河北石家庄夏季的一次强飑线天气和发生在春季的一次超级多单体风暴天气进行冰雹闪电灾害性天气识别预警实验,并与传统算法进行误差对比分析。实验结果表明:与传统算法对比,该方法对强风暴天气识别预警的定位精度较高,并且其漏报率和虚报率较低,有助于快速识别预警强对流灾害性天气。      

一次飑线天气过程多普勒雷达产品分析及临近预报

为了对飑线这类强天气作有效的预报、预警,同时对临近预报系统的预报效果作初步的检验,利用常规气象资料、自动站资料、多普勒雷达资料,结合临近预报系统分析了2006年8月1日北京地区飑线天气过程.结果表明:飑线是在有利的天气形势下发生的,飑线上强风暴的强度大、高度高;飑线速度剖面图中显示有低层辐散、中层辐合、高层辐散的特征;垂直累积液态水含量迅猛增加到比较大的数值对冰雹预报有很好的指示意义;在冰雹指数产品中以强冰雹概率大于30%作为冰雹预警门限则有较好的效果;边界层辐合线起到了触发对流和加强对流的作用.临近预报系统可作为强对流临近预报的有力工具.     

Development and behaviour of a radar-based operational tool for hailstorms identification

Hailstorms are a common meteorological phenomenon in Spain which causes substantial economic damage especially in spring and summer. During 2000 and 2001, a radar-based application for convective monitoring was developed at STAP (Forecasting and Analysis Techniques Department); in order to improve this nowcasting tool, it is needed to include an advanced procedure to estimate the presence of hail as a complementary module in the operational application. A preliminary study, carried out during 2001, showed that the Waldvogel technique, VIL (vertical integrated liquid) density and the hail detection algorithm (HDA) are the methodologies which proved more accurate in our latitudes.Throughout the spring and summer of 2001, all available information about hail events (time, place and hail size) and about storms without hail was used for tuning an experimental module to detect severe and non-severe hailstorms, taking into account the selected algorithms. During 2002, further information about storms was gathered in order to assess the behaviour of the developed hail module. Afterwards, a new module calibration was carried out with the information of the complete storms data set of 2001 and 2002. With this new calibration, the hail module became an operational tool during the spring and summer of 2003. Currently, the verification of the operational module using the data from the storms in 2003 is being elaborated. The aim of this work is to put forward the calibration procedure carried out, the verification results of 2002, and the performance of the hail estimate module in selected cases during 2003 in Spain.     

两次强冰雹超级单体风暴双偏振特征对比

利用S波段双偏振天气雷达资料、探空和地面常规气象观测资料及灾情调查, 对2020年6月25日河北省蠡县和2021年7月9日山东省章丘的两次特大冰雹超级单体风暴双偏振特征进行对比。结果表明:两次超级单体风暴均发生在西北气流形势下, 章丘风暴具有较强的对流有效位能、较大的湿度和较高的湿球0℃层高度。蠡县风暴强度明显大于章丘风暴, 但差分反射率柱和比差分相移柱高度明显低于章丘风暴。蠡县风暴弱回波区上方存在深厚的强度超过65 dBZ强回波悬垂, 即悬垂的冰粒子循环增长产生较大的冰雹粒子, 大的冰雹粒子进入下降通道后, 再次产生明显增长且更加不规则, 导致更强的水平极化反射率因子和更小的相关系数。湿度的垂直分布是风暴发展强度的关键环境因素之一。蠡县超级单体风暴的产生环境非常干, 章丘超级单体风暴的产生环境相对较湿。