新疆一次强飑线过程双多普勒雷达观测的中尺度风场结构分析

利用新疆乌鲁木齐和五家渠的双多普勒雷达同步观测资料与双多普勒雷达风场反演技术,结合多种气象资料(1 min间隔的地面自动站资料、探空资料和NCEP再分析场资料等),综合分析了2005年6月26日新疆乌鲁木齐附近一次强飑线过程。其流场特征是低层存在明显的辐合线,中层辐合,高层辐散。中低层的风场辐合使旧回波右侧(西南侧)一定距离处依次生成新回波并与旧回波合并,对流单体间的辐合线促使其迅速合并,是飑线发展的重要原因。对流单体间的合并是从中层开始的,然后扩展到低层。在低层对流单体合并后,飑线前部有一明显的辐合线,入流区、大的回波强度梯度区和弱回波区非常明显;同时,不同发展阶段的风场配置有明显的不同,上升气流和下沉气流在多单体风暴中同时存在。本次飑线过程中低层是东南风的入流气流,与对流带后部的西北风气流相遇后向上倾斜上升,在中高层形成飑前砧状云,这与国内外中纬度飑线的结构基本一致,但本次飑线过程只有前缘强烈的对流区,没有尾随的层状云降水。自动气象站、多普勒雷达及其反演的风场很好地揭示了该飑线的发生、发展、爆发过程及其回波和风场的空间结构特点。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

利用双多普勒雷达研究强飑线过程的三维风场结构

山东齐河CINRAD/SA和滨州CINRAD/SC雷达相距125.5 km,组成了双多普勒雷达观测网,利用2004年6月21-22日的一次强飑线过程的多普勒天气雷达探测资料,分析了双雷达观测资料的质量控制结果,并根据双多普勒雷达反演的三维风场研究了飑线的三维结构.结果表明,两部雷达探测的回波在水平位置上有2.0 km的差别,回波强度滨州雷达低5.2 dBz,回波结构也有一定的差别,径向速度在可比较的区域一致性很好.飑线不同位置的水平风场结构有很大不同,在飑线北端,低层是气旋性辐合风场,飑线南端是反气旋性辐合风场,而中部沿强对流窄带的前部是偏西和东南风的风场辐合.中高层云中风逐渐转为西北风,强对流回波带上空对应辐散风场;垂直于强对流带方向的风场垂直结构表明成熟阶段,强对流窄带前部的低层是入流气流,即东风气流,它与对流带后部的西风相遇后向上倾斜上升,在中高层向前流出形成飑前砧状云.减弱阶段,低层的西风分量增强并向前穿过强对流回波带,导致前面的入流气流风速减弱、下边界抬高,这一垂直风场结构和演变特征与美国中纬度飑线的结构基本一致.     

一次长江三角洲飑线的综合分析

该文利用多种气象资料（包括常规观测、卫星云图、自动气象站、多普勒气象雷达以及风廓线仪资料）,综合分析了2002年8月24日发生在长江三角洲的一次飑线过程。发现该飑线产生于一个中尺度对流系统（MCS）当中,地面冷锋、副高边缘的高能水汽输送带与高空小槽配合,使该MCS得以发展和加强,副高南撤和下游有利的动力和层结条件使得MCS中的雷暴群发展为飑线,并迅速东移南压,产生了大范围雷雨大风天气。多普勒雷达、自动站及风廓线仪的资料还很好地揭示了该飑线的发生、发展、爆发过程及其回波和风场的空间结构特点。     

双多普勒天气雷达反演大气三维风场的个例研究

根据笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达反演大气三维风场的理论，以2003年7月5日发生在安徽省的一次强降水过程为例，反演大气三维风场。结果表明：利用双多普勒天气雷达反演大气风场能够更加详细地反映出大气风场的三维结构。     

双雷达反演闽南地区一次暴雨过程三维风场结构特征研究

前汛期暴雨是华南地区最常见且预测难度较大的灾害性天气之一,而造成暴雨最直接的系统是中尺度对流系统。利用区域自动站资料,NCEP再分析资料,厦门、泉州新一代天气雷达(CINRAD/SA)基数据,采用地球坐标系下的双雷达三维风场反演技术,分析了2015年5月20日闽南地区一次暴雨过程中尺度对流系统的三维风场结构特征。结果表明:此次暴雨过程是由低层的冷暖空气在闽南沿海地区交汇形成的切变线引起的,风场反演方法能够清晰地再现低层切变线的移动过程、处于不同生命阶段对流单体的三维风场结构。强回波区跟随切变线向南移动并分布于其两侧。当切变线过境、风向较为一致时,不利于强回波的进一步发展,降水开始减弱。如果对流单体中存在一致的上升气流,低层有明显的辐合,表明此单体仍处于发展状态,回波将会继续增强;若已经出现了一致的下沉运动且没有明显的入流,则回波处于消散阶段。相比于传统方法,"基于动态地球坐标系的双雷达反演风场方法"实现了对雷达径向数据的定量化应用,能够更直观地揭示中尺度对流系统的三维风场结构,并通过对垂直速度的计算及显示,可以快速判断回波未来的演变趋势,对快速预测回波的强度变化有非常好的参考意义。     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项（先验信息项）且合理选择正则化参数。数值试验结果表明：正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。     

双多普勒雷达反演强风暴三维风场的数值试验

两部雷达测得的径向速度再加上质量连续方程可以求解大气风场，利用这一原理，以1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界处的一次强风暴过程为例，用模式反演出风暴体的三维风场结构，误差分析表明和实况基本一致。利用模式输出的三维风场，先模拟两部多普勒雷达扫描的数据，在此基础上，进行三维风场反演，结果表明，反演得到的流场和模拟的流场总体趋势完全一致，风暴的中心位置吻合较好，上升气流和下沉气流的分布也很接近，水平速度分量反演的误差很小，基本上可以反映三维风场的真实情况。垂直速度的平均离差在各个高度上都较小，反演结果较好。     

C波段双基地气象雷达三维变分风场反演系统

中国气象科学研究院灾害性天气研究所与安徽四创电子股份有限公司合作研制的C波段双基地气象雷达系统于2005年1月31日通过由安徽省科技厅组织的技术鉴定。该系统由1个主动雷达和2个被动接收站组成,可直接探测降水系统风场的三维结构,与双多普勒雷达观测系统相比,它具有价格便宜、易维护、不同径向速度资料同时性好等特点。安徽四创电子股     

基于雷达资料同化的飑线过程数值模拟试验研究

利用中尺度WRF模式及其3DVAR 同化系统对2014年3 月30 日发生在我国华南地区的一次飑线过程展开多普勒天气雷达资料的同化效果试验研究.首先对雷达资料进行去地物杂波、退速度模糊等预处理,后设计了基于不同雷达观测量的同化试验及同化频次的敏感性试验.结果表明:直接循环同化雷达径向风资料和雷达反射率因子能够增加数值模...     

Evaluation of two momentum control variable schemes and their impact on the variational assimilation of radarwind data: Case study of a squall line

Different choices of control variables in variational assimilation can bring about different influences on the analyzed atmospheric state. Based on the WRF model’s three-dimensional variational assimilation system, this study compares the behavior of two momentum control variable options—streamfunction velocity potential (ψ–χ) and horizontal wind components (U–V)—in radar wind data assimilation for a squall line case that occurred in Jiangsu Province on 24 August 2014. The wind increment from the single observation test shows that the ψ–χ control variable scheme produces negative increments in the neighborhood around the observation point because streamfunction and velocity potential preserve integrals of velocity. On the contrary, the U–V control variable scheme objectively reflects the information of the observation itself. Furthermore, radial velocity data from 17 Doppler radars in eastern China are assimilated. As compared to the impact of conventional observation, the assimilation of radar radial velocity based on the U–V control variable scheme significantly improves the mesoscale dynamic field in the initial condition. The enhanced low-level jet stream, water vapor convergence and low-level wind shear result in better squall line forecasting. However, the ψ–χ control variable scheme generates a discontinuous wind field and unrealistic convergence/divergence in the analyzed field, which lead to a degraded precipitation forecast.     

利用AMDAR数据分析厦门、泉州双雷达三维风场反演误差

利用2016年全年进出厦门机场和晋江机场航班的AMDAR(Aircraft Meteorological DAta Relay)数据对双雷达反演风场进行检验,分析了厦门、泉州双雷达风场反演的总体误差,研究结果表明:1)验证了双雷达连线附近区域反演风场的平均绝对误差较大,发现了与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域的反演结果的平均绝对误差明显大于误差的年平均值。2)对于反演风向而言,误差随着高度增加而减小。对于反演风速而言,高度在9 km以下的反演误差在5 m/s左右,而9 km以上的反演误差较小。3)剔除了双雷达连线附近区域(与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域)和反射率因子小于5 dBZ以及等于100 dBZ(剔除非气象回波)的反演结果后,双雷达反演风场误差较小,相对于AMDAR数据的风向年平均绝对误差为29.4°,风速年平均绝对误差为3.28 m/s,总体误差在可接受范围之内,反演结果接近"真值",该反演方法稳定可靠。     

雷达资料同化对一次浙江初春罕见飑线过程数值模拟的影响分析

针对2019年6月5日重庆地区发生的一次飑线天气过程,利用中尺度WRF (Weather Research and Forecasting)模式和ARPS (The Advanced Regional Prediction System)的3DVAR三维变分同化系统及其ADAS (ARPS Data Assimilation System)云分析系统,探究了不同模式水平分辨率下雷达资料同化对该飑线系统的模拟改进效果。结果表明：(1) 未同化雷达资料时,模式水平分辨率从900 m提高到300 m,模式模拟结果无明显改进。(2) 不同模式水平分辨率下,同化试验的模拟效果相比同化前,对于雷达回波的形状、强度和落区都有一定改善。(3) 使用雷达资料同化的情况下,同时提高模式水平分辨率,能进一步优化调整模式的动力、热力及水汽条件,使得对本次飑线系统的发生发展和组织结构特征的模拟与实况更接近。

     

江西四次飑线雷达回波和风廓线产品特征分析

为了做好江西飑线天气的监测预警,使用MICAPS系统平台探空资料、江西地面要素资料、江西WebGIS雷达拼图和风廓线雷达产品等资料,对2017～2020年5月江西四次飑线过程进行分析,结果表明：(1)500 hPa低槽、冷锋、倒槽或辐合线,850 hPa至925 hPa切变线、低空西南急流、“上干下湿”不稳定层结、200 hPa分流区,导致江西飑线天气。(2)≥17.2 m/s 的雷暴大风出现有2～23站次,≥50.0 mm 的强降水出现有3～13站次,分别在江西境内各区域出现;飑线天气过程单点最大风速达到27.9 m/s(铅山),单点最大日降水量162.9 mm(资溪)。(3)温度层结曲线与露点曲线近似成“漏斗状”配置,整个大气层结呈上干下湿分布;湿对流有效位温(CAPE )为1124 J/kg,K 指数(K )为39℃,沙氏指数(SI )为－1.94,风暴强度指数(SSI )为274,500-1000(925)hPa垂直风切变(W_500-1000)为11 m/s,零度温度层高度(ZH )为4 970 m,-20度温度层高度(-20H )为8 304 m。(4)雷达拼图上,初始阶段的A回波带和B雷暴回波群的合并,是发展形成飑线的关键;回波带某段向前突出形成的“弓状”回波带结构,是江西飑线回波带强盛阶段的经典形态;飑线回波带上常伴有超级单体和强单体回波出现,且雷电分布密集,最大回波CR强度达到60 dBz以上,地面雷暴大风发生在这些强回波移动前方。(5)风廓线雷达产品上,飑线过境前,边界层风向不统一,边界层以上风向为一致的西南风,垂直速度W 和大气折射指数Cn^₂ 都比较小。飑线过境时,风向转为西南风,垂直速度W 明显加大到 4～8 m/s,大气折射指数Cn^₂ 加大到 -16～-12 m^_-2/3。飑线过境后,慢慢恢复到前期水平。这些研究结果为飑线天气的监测预警提供了依据。     

河南\

利用NCEP 1°×1°再分析资料、地面风场资料和多普勒雷达资料等,对2016年4月19日出现在云南省的一次飑线大风天气过程进行分析,着重分析该过程形成时的中尺度特征,结果表明：本次过程产生于弱南支波动和切变线影响下,通过高低空急流耦合及高空动量下传造成雷暴大风天气;层结不稳定、地面辐合线等为强对流天气的产生提供了良好的环境条件。从雷达回波中尺度分析发现,本次过程为飑线影响,持续时间长,存在后侧弱回波区;速度图上存在明显的速度模糊,低层速度大值区,高层辐散、低层辐合、中层径向辐合等特征,均对提前预报预警地面大风有很好的指示性。地面大风与飑线、地面中尺度辐合线和辐散区密切相关,根据地面辐合线可提前1 h左右预警飑线,上述特征信息对地面大风短临预报预警具有较好的指示意义。

     

一次消（减）雨试验过程风场特征及作业效果分析

根据济南齐河多普勒雷达体扫资料,采用EVAP方法对山东2009年9月19—20日一次积层混合云降水进行风场反演,反演风场能细致地揭示本次降水过程中尺度风场的演变过程,清楚地给出了风场中尺度结构、辐合线的位置及二者演变特征。各个层次风场变化与常规探空观测的结果基本一致,降水过程前半段存在中尺度辐合线,后期随着冷空气加强南侵并完全控制了中低层,对应的地面降水也由强减弱并逐渐结束。由于反演风场能实时反映出中尺度辐合线的位置,有利于人工影响天气作业的时机及部位的选择。     

Convective Scale Structure and Evolution of a Squall Line Observed by C-Band Dual Doppler Radar in an Arid Region of Northwestern China

A long-lived and loosely organized squall line moved rapidly across Urumqi, the capital city of Xinjiang Uygur Autonomous Region of China on 26 June 2005, generating hail and strong winds. The squall line was observed by a dual Doppler radar system in a field experiment conducted in 2004 and 2005 by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and the local meteorological bureau in northwestern China. The 3D wind fields within the squall line were retrieved through dual Doppler analyses and a variational Doppler radar analysis system (VDRAS). The formation and structure of the squall line as well as the genesis and evolution of embedded convective cells were investigated. During its life period, the squall line consisted of six storm cells extending about 100 km in length, and produced hail of about 25 mm in diameter and strong surface winds up to 11 m s^-1. Radar observations revealed a broad region of stratiform rain in a meso-β cyclone, with the squall line located to the west of this. Two meso-γ scale vortices were found within the squall line. Compared to typical squall lines in moist regions, such as Guangdong Province and Shanghai, which tend to be around 300--400 km in length, have echo tops of 17--19 km, and produce maximum surface winds of about 25 m s^-1 and temperature variations of about 8^oC this squall line system had weaker maximum reflectivity (55 dBZ), a lower echo top (13 km) and smaller extension (about 100 km), relatively little stratiform rainfall preceding the convective line, and a similar moving speed and temperature variation at the surface.     

2017年秋季河北一次飑线引发的雷暴大风过程分析

利用常规地面高空观测资料、地面自动站资料、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料等,对2017年秋季发生在河北省中部的一次由飑线引发的雷暴大风天气进行分析。结果表明：本次雷暴大风过程发生在高空冷涡底部,槽后冷空气与低层暖平流叠加配合地面冷锋的有利天气背景下,由飑线回波直接造成。环境条件中水汽和热力达到了中国华北地区产生强雷暴大风的平均值,大气温度直减率和垂直风切变比夏季更适宜,但能量不如夏季充足。飑线的强度、形态与夏季产生雷暴大风的雷达回波特征无异,但依据低层径向速度大值区预警秋季飑线大风需提高阈值。秋季飑线过程中地面同样伴随风场辐合、雷暴高压等中尺度系统,冷池密度流作用有利于地面大风产生。     

Assimilating surface observations in a four-dimensional variational Doppler radar data assimilation system to improve the analysis and forecast of a squall line case

This paper examines how assimilating surface observations can improve the analysis and forecast ability of a fourdimensional Variational Doppler Radar Analysis System(VDRAS).Observed surface temperature and winds are assimilated together with radar radial velocity and reflectivity into a convection-permitting model using the VDRAS four-dimensional variational(4DVAR) data assimilation system.A squall-line case observed during a field campaign is selected to investigate the performance of the technique.A single observation experiment shows that assimilating surface observations can influence the analyzed fields in both the horizontal and vertical directions.The surface-based cold pool,divergence and gust front of the squall line are all strengthened through the assimilation of the single surface observation.Three experiments—assimilating radar data only,assimilating radar data with surface data blended in a mesoscale background,and assimilating both radar and surface observations with a 4DVAR cost function—are conducted to examine the impact of the surface data assimilation.Independent surface and wind profiler observations are used for verification.The result shows that the analysis and forecast are improved when surface observations are assimilated in addition to radar observations.It is also shown that the additional surface data can help improve the analysis and forecast at low levels.Surface and low-level features of the squall line—including the surface warm inflow,cold pool,gust front,and low-level wind—are much closer to the observations after assimilating the surface data in VDRAS.