基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析

利用广州S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达资料,对2022年3月26日一次降雹超级单体风暴成熟阶段的雷达观测特征开展分析,结果表明:超级单体呈现出钩状回波、回波悬垂、中气旋、三体散射等经典结构特征。径向速度上观测到中低层辐合、高层辐散以及中气旋和反气旋共存的双涡旋结构,有助于超级单体的维持发展。偏振特征分析发现,超级单体低层出现了反射率因子(ZDR)弧,低层强回波区对应偏小的差分反射率(ZDR)、低的相关系数(CC)和大的差分相移率(KDP),符合融化的冰雹特征。中层观测到ZDR环、CC环和三体散射(TBSS)的偏振特征。高层强回波区对应低的ZDR、较高的CC和低的KDP,对应空中干的大冰雹。垂直方向上观测到ZDR柱和KDP柱,ZDR柱最大发展高度达到8 km。X波段相控阵雷达更快的扫描速度还精细监测到超级单体钩状回波和中气旋的形成演变过程,低层也观测到与S波段双偏振雷达类似的ZDR弧特征和融化中的冰雹特征,但是使用中要留意衰减造成的影响。     

双偏振雷达在江苏“7.6”降雹过程中的应用分析

针对2019年7月6日发生在江苏徐州、宿迁、淮安、南京以及常州一线的一次大范围冰雹天气过程,利用再分析资料分析天气背景、不稳定机制和抬升条件。通过徐州和南京S波段双偏振雷达偏振参量及宿迁和淮安的双多普勒天气雷达风场反演技术对冰雹云的热动力结构和微物理特征开展了详细的分析。结果表明:此次大范围冰雹天气发生在高空冷涡南落、横槽南摆,低层暖湿气流北抬,上下层强烈不稳定的环流背景下,地面低压缓慢东移南压,提供了辐合抬升条件。此次降雹天气过程中,雷达回波图上显示有典型的冰雹云特征——三体散射长钉、回波穹隆结构、强度超过50 dBZ,中层径向辐合,风暴顶辐散等特征。双偏振雷达各偏振参量也表现出冰雹云的特点,出现冰雹的地区展现水平反射率因子ZH大、差分反射率因子ZDR小、相关系数CC小的特征,ZDR值为-1.0～0.5 dB,CC值小于0.85;超级单体在近地层还出现表征入流区的CC谷、ZDR柱、差分相移率KDP柱等特征。ZDR柱、KDP柱和CC谷等双偏振参量特征在强对流短时临近预报和冰雹识别方面具有很强的应用潜力。双雷达风场反演表明此次过程降雹集中时段,冰雹云的穹隆空间结构,降雹时刻存在的明显下沉气流。     

利用相控阵及双偏振雷达对2016年6月3日华南一次强对流过程的分析

本文结合X波段相控阵雷达(XPAR)和S波段双偏振天气雷达(SPOL)及地面和探空观测资料,分析了2016年6月3日发生在华南的一次超级单体中小尺度特征,结果表明：(1)SPOL的多普勒参量和双偏振参量可以观测到超级单体的强度、速度和相态分布,超级单体的入流和出流影响钩状回波的形成。(2)XPAR可以获取时空分辨率远高于SPOL的观测资料,可以弥补SPOL仰角层严重不足的缺陷,观测到超级单体完整的垂直结构,可更精确地描述超级单体的短时演变。(3)超级单体钩状回波附近给地面带来了降温、大风和强降水,超级单体经过地区均有明显降温和风区。研究结果证明相控阵雷达和双偏振雷达对认识对流单体中小尺度系统的发展演变有较大帮助。     

关中北部一次冰雹天气不同雷达特征对比分析

利用常规气象观测数据、ERA-5再分析资料、两种波段多普勒雷达产品、FY-2F云顶亮温TBB资料对2020年5月21日陕西一次强对流天气过程进行分析。结果表明：强对流发生在有利天气背景和环境条件下,对流云自北向南迅速移动发展增强,强天气区位于对流云后部TBB等温线密集处;C波段雷达产品在风暴演变过程中识别出了线状回波、三体散射回波特征,风暴单体具有明显的悬垂结构,单体质心短时间内迅速下降对应地面出现大风,三体散射回波在高低仰角依次出现对地面降雹有指示意义;X波段雷达偏振参量在风暴单体发展与成熟阶段有明显差异,发展阶段利用融化层以上的ZDR柱可以对风暴单体发展趋势做出预判,成熟阶段融化层以下RHV在08～09且ZDR和KDP随高度降低不断增大的区域为降落冰雹融化区,可以作为地面降雹的预判。     

1522号台风外围佛山强龙卷X波段双偏振多普勒雷达反射率因子特征

广东是我国一个龙卷多发地区,近年来该地区发生的龙卷造成了重大人员伤亡和巨大的经济损失。为了开展对龙卷的监测和预警,2015年佛山市建设了X波段双偏振多普勒天气雷达。2015年10月4日下午广东省佛山市发生了一次龙卷天气过程,当龙卷涡旋移近佛山市X波段双偏振雷达时,该雷达探测到了超级单体风暴钩状回波内的龙卷涡旋。龙卷涡旋位于钩状回波的末端,龙卷涡旋的反射率因子呈现为一强反射率因子区,该强反射率因子区的中间反射率强度相对较弱;与该强反射率因子对应的位置,平均径向速度有明显的涡旋特征;在龙卷涡旋的位置,双偏振雷达的差分反射率ZDR有一明显的低值区,零滞后相关系数CC也有一明显的低值区。分析认为,这是龙卷卷起的杂物碎片形成的龙卷碎片特征。     

不同强度强对流云系S波段双偏振雷达观测分析

通过厦门S波段双偏振天气雷达观测到的超级单体、普通降雹单体和非降雹单体三种不同强度的强对流个例,分析其在发展、成熟阶段出现的双偏振参数特征差异,包括差分反射率(Z_(DR))、差分相位差(K_(DP))、相关系数(CC)等,发现:Z_(OR)柱和K_(DP)柱是不同强度强对流云体内部普遍存在的动力特征;超级单体和普通降雹单体在近地层还有表征入流区的CC谷特征;此外在超级单体成熟阶段低层还出现了Z_(DR)弧、K_(DP)印,以及高层对应着大冰雹的CC低值区等特征。Z_(DR)柱不仅可用于识别过冷水区还具有预测强对流云体未来发展趋势的能力,利用CC谷可识别强单体的入流区,K_(DP)柱、K_(DP)印及其空缺可识别强降水、大冰雹区等,因此双偏振参量特征识别在强对流短时临近预警预报、人工防雹方面都具有很强应用潜力。     

一次秋季冰雹过程的环境场和双偏振雷达特征分析

针对2021年9月20日浙江中部出现的一次冰雹天气过程，利用常规气象观测资料和NCEP GDAS/FNL 0.25°×0.25°再分析资料分析了环流背景、不稳定性和触发条件，通过金华S波段双偏振雷达对冰雹云的演变及其结构特征展开分析。结果表明:（1）降雹发生在西太平洋副热带高压东退、高空槽和低层低涡东移的环流背景下，大气呈现“上干冷、下暖湿”的对流性不稳定层结，近地面中尺度辐合线提供了辐合抬升条件，是一次准正压类强对流天气。（2）超级单体风暴具备典型的冰雹云特征，回波强度超过55 dBZ、异常大的垂直累积液态水含量、三体散射长钉、风暴顶辐散等均对冰雹天气预警有较好的指示意义。（3）超级单体成熟阶段基本反射率因子≥55 dBZ区域的差分反射率因子ZDR为负（极值达-2.12 dB）、差分相移率KDP出现“空洞”现象、相关系数CC低于0.9指示出现了大的干冰雹。（4）ZDR柱（>1 dB）伸展的高度与上升气流存在正相关，ZDR柱伸展到-20 ℃层以上有利于雹胚的生成以及冰雹增长，可作为判别对流风暴能否降雹的指标之一，ZDR柱演变规律在短临预报以及冰雹识别方面具有较好的应用潜力。     

基于雷达观测的2021年6月珠江口一次水龙卷过程分析

利用常规地面和探空资料、珠海S波段双偏振多普勒天气雷达和珠海横琴X波段相控阵雷达资料对2021年6月1日发生在珠江口的水龙卷过程进行分析。研究表明:此次水龙卷过程发生在高层强辐散、中层短波槽影响、低层西南风的背景场下;极低的抬升凝结高度、较大的0~1 km风矢量差、超过超级单体发生阈值的风暴相对螺旋度,为龙卷的发生提供了较好的动力条件。两部雷达均观测到超级单体结构特征,最强反射率因子超过65 dBZ。X波段相控阵雷达资料能够清晰展现水龙卷超级单体风暴精细化演变特征,0.9 °仰角首先出现风切变,随后风切变出现高度逐渐增高,并加强为中气旋,切变最高高度达到17.1 °仰角,随后高度逐渐降低,龙卷减弱。三维反射率因子图清楚地反映了龙卷母体风暴穹窿结构形成过程,以及强反射率因子区向上延伸,变细加强,龙卷触及水面后变粗的过程。S波段雷达探测到在龙卷发生前,出现Z_DR低值眼区和ρ_HV弧,这对于预报员提前预警以及识别龙卷具有一定帮助。      

北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用

针对2018年夏季北京15次强对流天气过程,利用房山单站X波段双偏振雷达与北京观象台S波段天气雷达探测产品进行对比分析,探讨新探测手段的应用价值。结果表明：相对于常规天气雷达来说,双偏振雷达在粒子识别方面具有明显优势,成为冰雹等天气监测、预报预警的强有力手段。在冰雹识别上,X波段双偏振雷达的差分反射率因子（ ZDR）和相关系数（ρhv ）是两个重要的偏振量,ZDR 较小,接近0,有时为负值; ρhv小于0.9。在强降水识别方面, ZDR大值和差分传播相移率（KDP ）能够较好地指示雨强较大的降水。低仰角的 ZDR达5dB以上,KDP 在8°/km以上, ρhv达0.95以上时,地面5分钟雨量可达到或超过10mm。两种雷达的对比分析来看,反射率因子强度（R）、垂直累积液态水含量（VIL）均较SA天气雷达强度偏强。此外,由于X波段雷达波长较短,单部雷达的探测波束经过强降水区会发生比较严重的电磁衰减,致使强降水后部的降水回波强度偏弱,严重影响预报员对降水强度和降雨持续时间的判断,需要与SA天气雷达配合使用或者利用多部X波段雷达组网进行强降雨的监测分析。     

湘东北一次降雹超级单体过程的双偏振雷达回波特征

利用S波段双偏振雷达资料和多种观测资料,对2021年5月10日湖南长沙的大冰雹超级单体风暴过程进行分析,结果表明：(1)此次过程发生在低层暖平流主导下,高能量、有利的对流不稳定条件以及湿球0℃(WBZ)高度明显低于0℃层高度为大冰雹超级单体风暴的形成和维持提供了有利条件。(2)强中心(水平反射率因子Z_h≥60 dBz)面积和最大水平反射率因子明显增大、垂直累积液态水含量跃增和质心高度发展到冰雹有效增长层,可作为大冰雹形成发展的依据。(3)差分反射率因子(Z_dr)柱、相关系数(CC)、差分相移率(K_dp)演变可为冰雹的云物理特征变化提供重要参考。Z_dr柱(≥1 dB)的出现对应上升气流区,扩展至WBZ以上,Z_dr柱的发展和维持表明其携带的过冷雨滴为冰雹发展和维持提供了雹胚;Z_dr洞(<0 dB)对应下沉气流区扩展至近地面,结合小CC和Kdp“空洞”对应干的大冰雹。(4)构建的超级单体风暴降雹阶段不同仰角的双偏振监测识别模型显示,强雹暴回波离开雷达一侧存...     

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。     

Rapid-Scan and Polarimetric Phased-Array Radar Observations of a Tornado in the Pearl River Estuary

The strong destructive winds during tornadoes can greatly threaten human life and destroy property. The increasing availability of visual and remote observations, especially by Doppler weather radars, is of great value in understanding tornado formation and issuing warnings to the public. In this study, we present the first documented tornado over water detected by a state-of-the-art dual-polarization phased-array radar (dual-PAR) in China. In contrast to new-generation weather radars, the dual-PAR shows great advantages in tornado detection for its high spatial resolution, reliable polarimetric variables, and rapid-scan strategy. The polarimetric signature of copolar cross-correlation coefficient with anomalously low magnitude appears to be effective for verifying a tornado and thus is helpful for issuing tornado warnings. The Guangdong Meteorological Service has been developing an experimental X-band dual-PAR network in the Pearl River Delta with the goal of deploying at least 40 advanced dual-PARs and other dual-polarization weather radars before 2035. This network is the first quasi-operational X-band dual-PAR network with unprecedented high coverage in the globe. With such high-performance close-range PARs, efficient operational nowcasting and warning services for small-scale, rapidly evolving, and damaging weather (e.g., tornadoes, localized heavy rainfall, microbursts, and hail) can be expected.     

一次华南超级单体风暴的S波段偏振雷达观测分析

利用珠海与澳门共建的中国首部S波段业务双偏振雷达探测资料、风廓线资料和地面加密观测资料,对2015年4月20日发生在珠海附近的一次典型华南春季冷锋触发的超级单体风暴的偏振观测特征进行了分析。天气分析表明,风暴发生于地面冷锋和低空切变线附近,中等对流不稳定（对流有效位能为1300 J/kg）和较强风垂直切变（0-6 km风矢量差为20 m/s）环境中。环境总理查逊数为18,与中纬度典型超级单体的生成环境接近,风暴相对螺旋度为2.9 s-1。偏振观测分析表明,大雹粒子的翻滚使冰雹区具有水平反射率因子高（>50 dBz）、差分反射率低（-1-0.5 dB）的特点;雨和冰相粒子的混合导致了相关系数的下降（小于0.9）;比差分相位观测对冰雹并不敏感（比差分相位与水平反射率因子的线性拟合率仅为0.05）。在混合相粒子和液相粒子的共同作用下,融化层附近存在差分反射率增大、相关系数减小的现象。风暴侧前方下沉气流偏东侧边界（水平反射率因子梯度高值区）存在一条“差分反射率弧”（差分反射率高值区）,主要由大雨滴构成,粒子分选机制合理解释了其形成原因。同时,相对较大的环境风使差分反射率弧更加远离（相对北美观测事实）风暴主体。风暴水平反射率因子中心附近存在“差分反射率柱”,与大雨滴被上升气流（连续分布的正径向风）带入高层冻结且失去取向稳定而导致差分反射率值迅速减小有关。      

江淮地区一次冰雹过程的双线偏振雷达观测分析

为了进一步认识冰雹和三体散射的双线偏振雷达观测特征,提高业务预警能力和奠定基于双线偏振雷达的地面降雹识别基础,利用南京双线偏振雷达观测资料,统计分析了2019年3月20日冰雹过程发展、成熟和降雹阶段的观测特征及微物理过程。结果表明:（1）雹暴在成熟阶段具有高悬的强回波中心和较高的顶高,强回波中心差分反射率Z_DR＜?0.5 dB,相关系数（ρ_hv）约为0.9,由于冰雹后向散射相位的影响,该区域比差分相位（K_DP）呈现负值,指示了该区域有冰雹存在,并被相态分类算法（HCA）正确识别;（2）降雹阶段,高层反射率因子减小,强回波中心下降到地面附近,融化层以下ρ_hv增大,指示高层下落的冰相粒子整体尺寸减小;HCA识别到冰雹开始减少时,地面观测到冰雹;（3）三体散射的反射率因子（Z_H）、ρ_hv和反射率因子标准差（SD（Z_H））概率密度分布与北美三体散射比较接近;Z_DR分布更偏向于负值区域,差分相位标准差（SD（φ_DP））分布范围大约是北美结果的2倍。      

双线偏振多普勒天气雷达估测混合区降雨和降雹方法的理论研究

利用冰雹形状和空间取向的模型及降雹和降雨的滴谱分布,分析了C波段双线偏振雷达探测的降雨和冰雹的反射率因子ZH、差反射率因子ZDR和差传播相移KDp的取值范围,及混合区降水中不同大小的降雨降雹强度对这些参量的贡献.结果表明:对于C波段双线偏振雷达来讲,当降雹达到一定强度后,反射率因子反而随降雹强度的增大而减小,反射率因子和降雹强度不一定是一一对应关系,降雹的KDp与相态、空间取向和雹块的尺度均有关系.在混合性降水中,ZH的主要贡献来自冰雹,而KDp主要取决于降雨的大小,降雨和降雹对ZDR均有明显的影响,降雨的ZH和KDP有比较好的对应关系.在此基础上给出了利用ZH、ZDR和KDp定量估测相态混合区冰雹和降雨对应的反射率因子、降雨强度的方法,并从滴谱变化、雷达探测精度和冰雹对KDp的影响分析了这种方法的估测精度.     

福建西部近10年冰雹雷达资料统计分析

收集了福建西部龙岩市境内2001-2010年近10年的冰雹资料,对这些冰雹的时空分布特征进行了分析;同时收集了冰雹天气过程对应的新一代天气雷达资料.对冰雹雷达资料的特征进行对比定性分析,对冰雹雷达资料的一些数据进行统计定量分析.通过分析初步得出了龙岩市境内近10年冰雹的时空分布规律和冰雹的新一代天气雷达资料的一些重要特征和指标,这些分析结论在当地冰雹天气的预报预警和防雹作业等实际业务中具有较好的参考和指导作用.     

相控阵天气雷达监测预警龙卷风的过程剖析

天气雷达作为龙卷风监测预警的重要手段之一,应用具有超高时空分辨率的X波段双极化相控阵天气雷达系统,较好地捕获并提前预警龙卷风。以2022年6月19日07时发生在广东佛山南海的一次龙卷风为例,详细剖析龙卷生消及雷达监测预警过程。借助雷达智能预警软件,利用X波段双极化相控阵天气雷达的双偏振量和超高时空分辨率数据,实时反演三维风场和分析龙卷碎片(TVS)特征,能够显著提高龙卷风监测预警水平。实例表明,本次成功地提前18分钟预警龙卷,进一步说明了X波段双极化相控阵天气雷达在强对流天气探测方面具有较强的生命力。     

海南一次罕见强冰雹过程环境条件与超级单体演变特征分析

应用常规资料、海南省乡镇自动站资料和海口多普勒雷达资料,对2013年3月20日海南岛罕见大范围强冰雹过程进行综合分析。结果表明:中层干冷气流叠加在低层暖湿气流上形成对流不稳定层结以及低层逆温为不稳定能量积聚提供了有利条件;中等到强的垂直风切变有利于强对流有组织发展和维持;海陆风辐合和地形抬升是海南低槽类冰雹发生的主要触发机制。该过程先后有4个超级单体产生,其中两个单体由一母体回波分裂后持续发展成为左移超级单体和右移超级单体,左移超级单体出现中反气旋,低层弱回波区位于其移动方向左后侧,右移超级单体出现中气旋,低层弱回波区位于其移动方向右后侧;在适宜的0℃层和-20℃层高度下,发现三体散射或中(反)气旋时立即发布冰雹警报,预报时效最长可提前20~30 min;冰雹发生前55 dBz回波顶在-20℃层高度之上,同时垂直积分液态水含量(VIL)均有跃增过程且其普遍达65kg·m-2时,地面开始测得冰雹,当VIL跃增到60kg·m-2时发布冰雹警报,预报时效最长则可提前1~3个体扫时间(约5~15min),当VIL降至40kg·m-2以下时冰雹过程结束。     

一次强对流系列风暴个例的多普勒天气雷达资料分析

讨论了新一代（多普勒）天气雷达对2002年5月14日19:00至21:00影响湖南常德地区的3个对流风暴的探测情况，其中两个为超级单体，一个为飑线。观测到了与超级单体相联系的中气旋和龙卷式涡旋特征（TVS）。上述强对流系统产生了地面大风、大冰雹和龙卷等强烈天气，与雷达的探测相吻合。特别值得一提的是在中国首次探测到了三体散射（TBSS）和龙卷式涡旋特征（TVS）这两个分别指示大冰雹和龙卷的雷达回波特征，并得到了地面报告的印证。     

利用贝叶斯方法改进华南地区冰雹识别效果

使用2019年广东S波段双偏振雷达观测的冰雹和非冰雹数据,统计得到冰雹和非冰雹的雷达反射率Z、差分反射率Z_DR和相关系数CC先验概率密度分布,采用贝叶斯方法,根据雷达参量在冰雹和非冰雹条件下的概率以及冰雹和非冰雹的先验概率来确定某一距离库上所测到的（Z、Z_DR、CC）所代表冰雹和非冰雹的概率,并用两个个例,比较分析了WSR-88D冰雹识别算法和贝叶斯方法对冰雹识别的效果,分析表明,两种方法都能较准确地识别出冰雹云,但是贝叶斯方法识别范围较大,这可能与华南地区多为雨夹雹有关。