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.     

广州X波段双偏振相控阵天气雷达数据质量初步分析及应用

为提高X波段双偏振相控阵雷达(XPAR-D)数据质量,采用自适应约束订正方法对反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR进行质量控制;利用广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)和地面二维雨滴谱观测对XPAR-D雷达的数据质量进行分析,结果表明XPAR-D雷达与CINRAD/SAD雷达的回波强度基本一致,由于XPAR-D雷达灵敏度较低,导致对弱回波的探测能力低于CINRAD/SAD雷达。将XPAR-D雷达测量的反射率因子Z_H与雨滴谱仪反演的Z_H对比,两者相变化趋势基本一致;XPAR-D雷达差分反射率Z_DR、差分相移率K_DP与Z_H的一致性较好,其中K_DP约是CINRAD/SAD雷达的3.3倍;XPAR-D雷达偏振参量能有效反映融化层的偏振特征;一次局地性强降水的观测结果表明相控阵雷达能够精细监测降水的触发、演变过程以及不同降水强度的微物理特征。      

EnKF循环同化相控阵雷达数据与变分雷达反演方法的对比研究:对一次台风外围龙卷个例的分析北大核心

针对2018年9月17日发生在广东省佛山市的一次台风龙卷过程,对比分析了EnKF和变分方法同化X波段相控阵雷达得到的风场结构。结果表明,EnKF方法和变分方法在同化了X波段相控阵雷达资料之后,都可以得到龙卷母体风暴的涡旋特征。相比之下,EnKF同化分析的涡旋强度更强,台风龙卷母体风暴及其周边三维风场的结构更加完整,与回波结构匹配更好。变分方法同化得到的流场不够连续,台风龙卷母体风暴的涡旋强度偏弱,弱回波区入流也明显偏弱,并不符合概念模型。而两种方法在没有同化相控阵雷达数据时,都无法产生龙卷母体风暴的流场特征。总体而言,相对于变分方法,EnKF同化系统在同化X波段相控阵雷达数据后可以产生更为合理的涡旋结构,台风龙卷母体风暴及其周边动力场结构更合理,这为以后X波段相控阵雷达的业务应用提供了思路。     

两次台风衍生龙卷的环境背景和雷达特征对比分析

利用ECMWF高分辨率再分析资料及广州多普勒天气雷达资料,对1522号台风"彩虹"外围衍生的广州番禺龙卷和1806号台风"艾云尼"外围衍生的广州南沙龙卷进行对比分析,同时还挑选了一个未发生龙卷的台风做外围环境参数对比。结果表明:两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限,中低空急流明显、低层辐合、高层辐散在珠江三角洲地区叠加是产生龙卷的有利天气背景。环境影响因子均表现为对流有效位能较大、低层风速较大、垂直风切变较强、抬升凝结高低较低、抬升指数较小、风暴相对螺旋度较大:相比之下,未发生龙卷的台风外围中低空急流依然明显,但其他环境影响因子大多数未达到发生龙卷的条件阈值。雷达反射率上均表现为一些超级单体特征,最强反射率均在59 dBZ以上,且低仰角都存在明显的速度对。由于"彩虹"龙卷过程的对流有效位能、中低层风速、低层风切变、抬升指数及中气旋强度等环境影响因子均明显强于"艾云尼"龙卷过程,导致其强度明显强于"艾云尼"龙卷。     

广州极端降水微物理特征的双偏振雷达研究北大核心

利用2017年广州S波段双偏振雷达和地面自动站小时雨量资料,对比分析了广州极端降水(雨强≥50 mm·h^(-1))与强降水(雨强为20~50 mm·h^(-1))的微物理特征。结果表明:极端降水的20 dBZ和30 dBZ回波发展高度与强降水都差异较小,说明广州地区的降水强度与对流发展高度关系不大。在低层,极端降水平均回波更强,雨滴粒径更大,结合Z H-Z DR的分布表明广州地区降水具有海洋性对流特征。与强降水对比,0℃层以下极端降水的Z H、Z DR、K DP值都明显更大,尤其在4~5 km都快速增长,说明广州地区极端降水的发展关键在4~5 km高度,并在下落过程中继续增长,因此造成极端降水的发生。     

2020年5月22日广州强降水超级单体的S波段双偏振雷达回波分析北大核心

为研究S波段双偏振雷达探测强降水超级单体的回波特征,本文利用广州S波段双偏振雷达、风廓线雷达、气象信息综合处理系统(Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System,MICAPS)、地面观测站等资料,分析了2020年5月22日广州一次局地特大暴雨过程的发生发展及雷达回波特征。结果表明:列车效应和后向传播影响共同造成了广州此次局地强降水过程;强降水超级单体成熟阶段,雷达回波低层仰角会出现K_(DP)印,ρHV图上有非均匀波束填充(Non-Uniform Beam Filling,NUBF)特征,高层仰角会出现Z_(DR)环(高值区)、ρHV环(低值区)等特征,垂直方向上表现为形态相似、空间分布分离的Z_(DR)柱和K_(DP)柱;Z_(DR)最大值略早于Z_(H)最大值,一般出现在Z_(H)骤增时段,雨强开始增大或最大雨强之前,对强降水的发展有指示意义,K_(DP)最大值一般出现在Z_(H)大值时段,并与最强降水时段对应,结合Z_(DR)和K_(DP)可以更好地判断降雨强度的变化。