台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征

2018年9月17日台风山竹（1822）外围螺旋雨带中发生EF2级龙卷。在高湿度、高不稳定、强垂直风切变的环流背景下,龙卷在台风外围雨带上微型超级单体右后侧钩状回波顶端的弱回波区中发展起来。具有高时空分辨率的广州X波段双极化相控阵雷达,不仅观测到超级单体的发展过程,还呈现出龙卷涡旋演变特征：单体风暴尾端在右后方入流加强作用下,逐渐形成钩状回波形态,此时对流层中低层2~3 km高度附近的中气旋强度率先达到最大,随着旋转强度进一步加强和旋转中心高度逐步下降,低层强旋转特征越来越明显,当低层旋转速度达到峰值（超过21 m·s-1）,旋转直径收缩到1 km范围,地面出现EF2级以上龙卷,旋转速度对区域出现清晰的弱回波龙卷眼区特征。X波段双极化相控阵雷达在龙卷观测中优势显著,弥补了多普勒天气雷达观测的不足。     

2022年6月19日广东佛山龙卷的双极化相控阵雷达特征

利用X波段双极化相控阵雷达等多源观测资料,分析了2022年6月19日早晨广东佛山超级单体龙卷的环境条件和对流风暴的结构及演变特征。龙卷母体风暴是在强西南季风天气背景下的一条东北-西南向飑线南端发展起来的。环境条件具备较大对流有效位能、低抬升凝结高度和强垂直风切变等有利于超级单体龙卷发生发展的热力和动力条件;低空风暴相对螺旋度、超级单体复合指数和强龙卷指数的显著增强对超级单体龙卷的发生有较好指示意义。具有高时空分辨率的佛山南海X波段双极化相控阵雷达探测到了龙卷母体微型超级单体的发展过程和龙卷涡旋的演变特征：对流单体在前侧低层入流的加强下逐渐形成钩状回波和反射率弱回波空洞;中气旋首先在2.5km附近高度形成后向低层伸展,随着后侧下沉气流的加强,低层涡旋旋转增强,当低层中气旋旋转速度超过22m·s-1(强中气旋)且直径紧缩至1.5km以内时,龙卷即将触地,龙卷涡旋特征(TVS)和龙卷碎片特征(TDS)出现是龙卷触地的主要特征,龙卷发生在反射率弱回波空洞、TVS和TDS附近。     

台风“艾云尼”（2018）外围两次近距离龙卷的环境条件和雷达特征

2018年6月8日在距台风“艾云尼”中心80 km、160 km的广州市南沙区横沥镇、佛山市南海区大沥镇两地罕见地先后出现了龙卷天气。利用X波段双偏振雷达组网、广州S波段双偏振雷达、风廓线雷达和区域加密自动站等观测资料对两次近距离台风龙卷过程的环境条件和雷达特征进行了分析。环境条件分析表明,两次龙卷发生地位于低层西南急流和东南急流辐合区,所处环境为弱的对流有效位能（CAPE）、低的抬升凝结高度和强的低层垂直风切变环境中,0~1 km垂直风切变值超过15×10-3 s-1。中小尺度雷达特征分析表明:（1）两地龙卷由台风外围微型超级单体引起,超级单体在发展强盛阶段有钩状回波、入流缺口、中层回波悬垂等典型特征,最强反射率因子55~60 dBz,强度≥50 dBz强回波发展高度在4 km以下,微型超级单体有水平尺度2~3 km的中气旋,由于速度模糊影响,仅在南海龙卷发生前9 min广州S波段雷达能自动识别中气旋。（2）与南沙龙卷相联系的中气旋核心高度低,强度进一步加强紧缩导致龙卷发生;而与南海龙卷相联系的中气旋从中层发展,中气旋加强紧缩下降到更低导致龙卷发生。（3）两地弱龙卷发生时广州和南海双偏振雷达没能捕捉到龙卷碎片（TDS）特征,南海X波段雷达能提前30 min监测到入流急流,提前27 min探测出钩状回波等特征,并通过分析ZDR弧和KDP弧可判断低层强盛的上升气流和强的垂直风切变利于风暴的发展。（4）佛山四部X波段组网雷达反演的1 km水平风场可分析出小尺度涡旋结构,对应钩状回波尾端有强的风向切变,这对龙卷发生地点的判断和风暴的流场结构有较好指示意义。      

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

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。     

北京大兴国际机场相控阵雷达强对流天气监测

北京大兴国际机场相控阵雷达性能先进,可实现对灾害性飞行天气的高效监测。对比该雷达和S波段多普勒天气雷达在2020年6月18日和25日两次强对流过程探测能力表明：2020年6月18日相控阵雷达探测到雷暴清晰的外流边界等弱回波,直到弱回波触发新对流单体并加强后,S波段多普勒天气雷达才探测到该弱回波,时间上比相控阵雷达晚24 min; 2020年6月25日的强对流雹暴过程,相控阵雷达探测的径向速度涡旋结构比S波段雷达清晰,垂直气流悬垂回波及雷暴形态与强雷暴的理论模型更吻合,S波段雷达垂直结构不典型; 相控阵雷达的回波强度空间变化层次丰富,S波段雷达空间分布显得粗糙; 相控阵雷达探测的冰雹三体散射回波及旁瓣回波比S波段雷达显著。因此相控阵雷达具有时间分辨率、空间分辨率、空间覆盖率、弱回波探测能力等方面的优势,更适合监测冰雹、外流边界等中小尺度灾害性飞行天气。     

X波段相控阵气象雷达回波数据的对比分析

为探究、验证X波段相控阵气象雷达系统及其回波数据的可靠性,基于X波段相控阵气象雷达系统及地基外场试验,对比分析了X波段相控阵气象雷达系统与X波段机械式天线气象雷达系统的回波数据。在脉宽为6μs和1μs两种探测模式下,通过散点分布和概率分布方法对比分析了相控阵天气雷达的回波强度和径向速度数据的差异性。结果表明:(1)在脉宽为6μs和1μs的探测模式下,X波段相控阵气象雷达与常规天气雷达有比较接近的探测能力和可靠的数据质量;在远距离处,相控阵气象雷达的回波数据呈现层次结构清晰、轮廓显著的特性;(2)宽波束以及波束宽度展宽等特性平滑了相控阵气象雷达的回波强度,改变回波结构,弱回波区面积减小,强回波区增大;(3)天线增益不均匀影响相控阵雷达数据质量,理论上可以用1/(cosθcosφ)的增益修正因子对回波强度进行修订。     

X波段相控阵雷达与S波段雷达的对比分析

为检验X波段双极化相控阵雷达(XPAR-D)的探测性能,以广州XPAR-D观测的层云降水过程为例,与附近直线距离3.8 km的S波段双偏振天气雷达(CINRAD/SA-D)的观测数据进行对比分析.结果表明:XPAR-D与CINRAD/SA-D探测的反射率、径向速度的回波结构、位置基本一致,回波强度偏弱5 dBz左右;X...     

一次强降水对流风暴的三维风场特征分析

使用S波段天气雷达和X波段相控阵天气雷达资料,通过三维变分方法反演风场,分析了2020年6月6日发生在广东佛山的强降水对流风暴三维风场特征:(1)SA雷达因低仰角体扫受遮挡和水平分辨率不够精细,无法反演出对流风暴内部低层水平风场真实特征;SA雷达仰角间隔大和扫描同时性较差致使其反演风场比较平滑.(2)相控阵雷达仰角密集...     

"山竹"(1822)台风外围佛山强龙卷天气过程观测分析

利用地面气象观测、多普勒天气雷达、风廓线雷达及现场灾调等资料,对2018年9月17日上午发生在佛山的"山竹"台风(1822)外围强龙卷天气过程进行分析。结果表明:龙卷发生在台风登陆后前进方向右前侧的东北象限,强度为EF2级。低层急流汇合与高层辐散相互配合提供了有利的环流背景,环境场表现为中等偏弱的对流有效位能、弱的对流抑制能量、低的抬升凝结高度、大的风暴相对螺旋度和0—1 km强垂直风切变等特征。地面气象要素受龙卷影响表现出明显的信号,龙卷过境前后单站气压降低/升高明显,风向出现明显气旋式旋转。产生龙卷的风暴为低质心微超级单体,龙卷出现在雷达钩状回波的弱回波区附近,雷达低仰角速度图上出现强中气旋和龙卷涡旋特征,中气旋尺度小、伸展高度低,且在龙卷发生前其最强切变突然增强。当环境条件有利时,在台风龙卷的高发区,当雷达低仰角速度图上出现中等强度以上中气旋,且底高在1 km以下时,可以考虑发布龙卷预警。     

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的数值试验

利用集合卡尔曼滤波(EnKF)在云数值模式中同化模拟多普勒雷达资料,并考察了不同条件下EnKF同化方法的性能.结果显示,经过几个同化周期后,EnKF分析结果非常接近真值.单多普勒雷达资料EnKF同化对雷达位置不太敏感,双雷达资料同化结果在同化的初期阶段比单雷达资料同化结果准确.同化由反射率导出的雨水比直接同化反射率资料更有效,联合同化径向速度和雨水有利于提高同化分析效果.协方差对EnKF同化效果起着非常重要的作用,考虑模式全部预报变量与径向速度协方差的同化效果比仅考虑速度场与径向速度协方差的同化效果好.雷达资料缺值降低了同化效果,此时增加地面常规观测资料的同化可以明显提高同化分析效果.EnKF同化技术对雷达观测资料误差不太敏感.初始集合对同化分析有较大影响.EnKF同化受集合大小和观测资料影响半径.同化对模式误差较敏感.利用EnKF同化双多普勒雷达资料,分析了一次梅雨锋暴雨过程的中尺度结构.结果表明,EnKF同化技术能够从双多普勒雷达资料反演暴雨中尺度系统的动力场、热力场和微物理场,反演的风场是较准确的,反演的热力场和微物理场分布也是基本合理的.中低层切变线是此次暴雨的主要动力特征,对流云表现为低层辐合、高层辐散并有垂直上升运动伴随,其热力特征表现为低层是低压区,高层为高压区,中部为暖区而上、下部为冷区,水汽、云水和雨水分别集中在对流云体内、上升气流区和强回波区.     

雷达资料同化对2015年台风彩虹数值模拟改进

基于WRF中尺度模式,采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料,对2015年登陆台风彩虹（1522）进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果,并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明:在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km,最多时刻减小38 km,同化资料时次越多,确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹（1522）近海加强过程,台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa,台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明:台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大,仅同化这部分资料（约占总量的20%）各方面效果与同化全部资料相近,而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下,使集合同化计算机时减小为原来的1/3,该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。     

雷达资料同化对2016年6月23日阜宁龙卷模拟的改进

基于GSI（Community Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统和WRF（Weather Research and Forecasting）模式,探讨了多部多普勒雷达的反射率因子和径向速度资料同化对2016年6月23日江苏阜宁龙卷模拟的改进效果和影响过程。结果表明:（1）仅同化雷达反射率因子和仅同化径向速度均能在一定程度上改进模式对阜宁龙卷及其环境场的模拟,且雷达径向速度同化的改进作用更大;同时同化两种资料改进效果最佳。（2）雷达反射率因子同化是利用复杂云分析技术,直接修正了水凝物含量,增加了潜热释放,对低层大气热力场进行了正温度扰动调整,从而主要改进了初始场的水汽条件和热力条件;而雷达径向速度同化通过三维变分技术直接修正了风场,进而引起水汽输送变化影响水凝物的调整和大气热力场的变化,对初始场的动力条件和热力条件修正较大;同时同化两种资料修正了初始场的动力和热力结构,保证了两者物理上的协调,综合了两者的改进作用,从而取得最佳模拟效果。（3）同时同化雷达反射率因子和径向速度后,模式在阜宁附近模拟出了明显的涡旋结构,尽管涡旋强度和龙卷结构与实况仍有一定差距,但涡旋发生发展过程、路径、地面小时极大风和降水等模拟与实况吻合度均明显高于对照试验。      

多普勒雷达资料同化对北京“7.21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2～0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。     

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。     

循环同化相控阵雷达数据模拟对流触发同化方案研究

利用WRF-EnKF同化系统,以2020年7月5日北京大兴发生的一次强对流天气背景下对流触发过程为个例,研究同化C波段相控阵雷达数据时更优的同化方案设置。本研究从同化频率、晴空数据处理阈值以及边界层杂波处理高度3个方面进行了研究。结果显示,高频同化可以抑制虚假回波,并有利于获得更准确的对流预报结果。将可靠晴空回波识别阈值设为-10 dBZ并剔除边界层内的低值回波可以有效改进对流触发的预报效果。为以后C波段相控阵雷达同化应用提供了新的同化方案思路。     

一次强雹云结构的双多普勒雷达观测分析

利用石家庄SA多普勒天气雷达和饶阳X波段双偏振雷达探测资料,结合常规综合观测资料,对2018年6月13日下午发生于太行山东麓的雹云的天气背景、降雹特征、雷达回波演变特征及回波三维立体结构进行了综合分析,重点利用双多普勒雷达径向速度资料反演出格点的三维风速(流场),并结合回波特征分析了雹云云体结构。结果显示,高空强劲的偏北风急流促使涡后横槽转竖,槽后冷空气沿偏北气流南下,形成上干冷、下暖湿的不稳定层结,在低空低涡附近及地面辐合线上发展造成这次风雹天气;双多普勒雷达反演风场表明,雹云的中层强回波中心呈明显的"S"形水平流场和悬挂回波配置特征,构成了具有成雹的"0线"结构;不仅佐证了雹云降雹"0线"结构的存在,而且证明其呈现形式具有多样性。     

Improving the extreme rainfall forecast of Typhoon Morakot (2009) by assimilating radar data from Taiwan Island and mainland China

This study examined the impact of an improved initial field through assimilating ground-based radar data from mainland China and Taiwan Island to simulate the long-lasting and extreme rainfall caused by Morakot (2009). The vortex location and the subsequent track analyzed through the radial velocity data assimilation (VDA) are generally consistent with the best track. The initial humidity within the radar detecting region and Morakot’s northward translation speed can be significantly improved by the radar reflectivity data assimilation (ZDA). As a result, the heavy rainfall on both sides of Taiwan Strait can be reproduced with the joint application of VDA and ZDA. Based on sensitivity experiments, it was found that, without ZDA, the simulated storm underwent an unrealistic inward contraction after 12-h integration, due to underestimation of humidity in the global reanalysis, leading to underestimation of rainfall amount and coverage. Without the vortex relocation via VDA, the moister (drier) initial field with (without) ZDA will produce a more southward (northward) track, so that the rainfall location on both sides of Taiwan Strait will be affected. It was further found that the improvement in the humidity field of Morakot is mainly due to assimilation of high-value reflectivity (strong convection) observed by the radars in Taiwan Island, especially at Kenting station. By analysis of parcel trajectories and calculation of water vapor flux divergence, it was also found that the improved typhoon circulation through assimilating radar data can draw more water vapor from the environment during the subsequent simulation, eventually contributing to the extreme rainfall on both sides of Taiwan Strait.