基于X波段双偏振相控阵雷达的超级单体风暴观测分析

为了研究X波段双偏振相控阵雷达对超级单体风暴的探测能力,利用X波段双偏振相控阵雷达和S波段双偏振天气雷达资料,分析了一次发生在华南地区的超级单体风暴在成熟阶段的精细结构观测特征,结果表明：X波段双偏振相控阵雷达较高的时空分辨率有利于精细监测超级单体快速演变过程,但同时受衰减影响明显,超级单体核心区后侧出现明显的“V”型缺口;超级单体的低层观测到CC谷和ZDR弧,中层观测到ZDR环和CC环,高层高ZH区对应较小的ZDR和CC,这些都是超级单体发展旺盛的重要特征;垂直方向上观测到ZDR柱,ZDR柱与上升气流密切相关。降雹前ZDR柱迅速增加,冰雹降落后ZDR柱高度迅速降低。冰雹降落到地面后会部分融化,导致含水量显著增加,因此在近地层出现KDP大值区,冰雹与降水的混合相态则使得CC降低,这对冰雹的临近预警和识别冰雹在地面的降落位置具有很好的指示意义。研究结果可为X波段双偏振相控阵雷达在强对流天气监测预警中的应用提供参考。     

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。     

清远一次超级单体降雹的双偏振雷达特征分析

利用双偏振天气雷达对2016年4月26日清远地区一次超级单体降雹进行分析,得出降雹单体具有BWER、三体散射特征。超级单体强回波中心深厚且回波顶高,速度图上低层深厚持久的中气旋和高层强烈辐散是此次过程主要特征。单体降雹前低层ZDR值在3 d B以上,降雹时ZDR值趋近于0并且0值区范围扩大;差分相移率KDP和相关系数CC特征表明同一层面上单体存在着雹水共存、干冰雹粒子、大冰雹三种状态,冰雹下落过程中表面层融化形成水膜使差分相移率值增大。HCL特征显示HA区与指状回波对应,对流云前端有BD区。降雹单体内雹区深厚,4 km以下雹区周边以过冷却水滴为主,4 km以上为冰粒。超级单体的VIL值有2次明显的跃增过程,第1个跃增过程对应单体开始降雹,第2次过程对应大范围降雹。     

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。     

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。     

偏振雷达观测强对流雹暴云

根据偏振雷达原理,用C波段双线偏振天气雷达观测得到4例强对流雹暴演变过程的水平反射率ZH(dBZ)和差分反射率ZDR(dB)垂直剖面RHI定量回波资料,分析了这些雹云不同演变阶段的回波参量和偏振特性的关系,说明ZH、ZDR双参量对判别降雹有着明显优势,用雨滴谱的ZH-ZDR分布边界关系对这些雹云回波进行判别降雹分析,给出我国用偏振雷达观测和识别冰雹的研究结果。     

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。     

秋季超级单体风暴CINRAD／SA回波特征

利用新一代天气雷达（CINRAD／SA）对2004年11月10日闽西地区出现的一次秋季强降雹过程的超级单体风暴进行分析，对风暴的演变、结构、三体散射现象及相应的雷达产品做初步分析，得出该超级单体具有钩状回波、有界弱回波区、中气旋及三体散射现象等特征，这些持征对判断强对流天气有较好的指示作用。秋季出现强对流天气时垂直累积液态含水量（VIL）值较春、夏季小。     

“2012.4.11”两个强降雹超级单体特征分析

利用常规气象资料、自动站资料、新一代天气雷达和风廓线雷达等资料,对一次强对流天气过程中两个强风暴单体的形势背景、强对流发生条件、强风暴单体演变及结构特征、风暴异同点进行了详细分析。结果表明：（1）本次强对流过程是发生在强的垂直风切变条件下;高层冷平流降温减湿、低层暖平流增温增湿的对流不稳定层结,高CAPE值为强对流发生发展提供了必要的能量条件;上干下湿的水汽分布有利于冰雹、雷暴大风的产生;适宜的0℃、－20℃层高度使此次过程地面以降雹为主;地面倒槽低压、辐合线及低层锋区的南压是这次强对流天气的触发因子。（2）两个强降雹单体雷达回波共同特征是降大雹前均出现了三体散射长钉回波,弱回波区,回波强度强,VIL密度均大于4 kg·m－3,成熟阶段均右偏高空风约30°。（3）长生命史超级单体风暴Ⅱ的中气旋维持2个多小时,它保证了一支强上升气流支撑空中大冰雹的增长,维持了雷暴的持续发展,使其生命史长达近6 h,同时也存在前侧、后侧入流缺口,反映了上升气流与下沉气流共存的风暴动力特征,其高层辐散更强,移动路径东略偏南且移向稳定,平均右偏高空风约28°,移速均匀为14 m·s－1;超级单体风暴Ⅰ的中气旋维持时间仅十几分钟,且处于弱中气旋的下限,其高层辐散和上升气流更弱,风暴生命史更短,移动路径东略偏北,除成熟阶段外右偏高空风10°～20°。这些差异与产生风暴的环境条件如垂直风切变、垂直涡度等存在差异有密切关系。     

双线偏振雷达在一次强降雹过程中的初步应用

利用北京首都国际机场C 波段双线偏振多普勒天气雷达和NECP 再分析资料,分析了北京地区2008 年6 月23 日降雹天气过程背景及双线偏振多普勒雷达产品的演变特征。通过对雷达差分反射率因子ZDR、单位差分传播相移KDP、相关系数ρHV等偏振参数的具体分析,总结出偏振雷达观测冰雹云的一些特征：雷达强度图中出现较强回波且高度较高,ZDR趋于零,ρHV、KDP比其周围数值忽然减小。此外,还分析了KDP、ρHV在辨别虚假回波和判断回波发展中的作用。上述研究对于提高双线偏振天气雷达在强对流灾害天气监测预警、防雹减灾以及航空安全等方面应用具有一定参考意义。     

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。     

2020年5月17日和6月1日山东强冰雹风暴双极化特征分析

利用济南、青岛和烟台S波段双偏振多普勒天气雷达资料和常规观测资料以及天气实况,对2020年5月17日和6月1日两次强对流天气过程的关键环境物理量和风暴低层强冰雹区偏振量、三体散射、强冰雹衰减等偏振特征等进行了分析。结果表明:1)两次强对流天气都具有大的温差和强垂直风切变,中层较干。5月17日山东半岛0～6 km垂直风切变更强,低层湿度更大,湿球0 ℃层高度较低,是产生多个超级单体风暴并出现特大冰雹的关键物理量。2)5月17日城阳风暴低层强冰雹区具有适中的差分反射率（ZDR）和偏小的相关系数CC及偏大的差分相移率（KDP）。ZDR多在0.30～2.60 dB之间,平均为1.50 dB;CC多在0.900～0.965之间,平均为0.931;KDP多在2.0～6.3(°)·km-1之间,平均为4.1 (°)·km-1。少量融化的冰雹粒子和大的雨滴导致适中的ZDR和偏大的KDP。3)6月1日长清风暴低层强冰雹区具有偏小的ZDR和偏小的CC及大的KDP。ZDR多在-0.12～1.50 dB之间,平均为0.68 dB;CC多在0.925～0.970之间,平均为0.950;KDP多在4.0～7.6 (°)·km-1之间,平均为5.8 (°)·km-1。高浓度的液态雨滴和融化的小冰雹粒子导致大的KDP。4)三体散射、旁瓣回波、衰减及波束非均匀填充(nonuniform beam filling,NBF)等特征可作为冰雹识别判据。衰减特征在ZDR产品上表现较为明显,风暴核后侧较长径向上出现负值区,显著衰减可作为特大冰雹的判据。NBF仅在CC产品上有明显特征,风暴核后侧较长径向上CC明显较小。     

山东两次强对流天气雷达特征及环境场对比

利用常规地面和高空观测资料、加密自动站资料和多普勒雷达资料,对2016年6月山东两次强对流天气的雷达特征、环境条件等进行了对比分析,结果表明:6月14日强对流天气主要是横槽转竖引导冷空气南下引起,6月30日强对流天气发生在高空槽前、山东高低层受一致西南气流影响的环流形势下,地面辐合线是两次过程的触发机制。6月14日垂直风切变和风暴承载层平均风均比30日大很多,致使14日的超级单体风暴持续时间更长、强度更强。风暴相对螺旋度的大小对强对流天气强弱程度有指示意义。两次过程都在地面辐合线附近生成,都具有中气旋、高悬的强回波、有界弱回波区、回波悬垂、风暴顶辐散等雷达特征,不同的是14日具有倒V形缺口、中层径向辐合、冰雹散射和钩状回波等特征,30日具有窄带回波、径向速度大值区等特征。两次过程都出现了弱旋转对应地面都带来小冰雹天气,这在预报业务中值得注意。两次降雹与风暴单体高度及强度、垂直累积液态水含量及密度、中气旋厚度、最大切变和持续时间密切相关。     

不同强度云系的双偏振雷达特征

利用S波段双偏振雷达观测到的层状云、非降雹对流云以及冰雹云三种不同强度云系的雷达数据,对其双偏振参量的特征差异进行分析.结果表明,层状云的差分反射率ZDR、差分相移率KDP接近0值,差分相移ΦDP随径向距离廓线变化小,与初始相位保持一致;在非降雹对流云中,CC值基本稳定在0.95以上,回波强度大于35dBZ时,ZDR、...     

一次低涡型冰雹天气的环境条件和中尺度特征分析

利用常规天气观测、多普勒天气雷达、自动气象站和NCEP1o×1o格点再分析资料,研究在绍兴发生的一次典型低涡型冰雹天气过程环境场和中尺度特征,结果表明:此次冰雹天气出现在西北冷涡的右前方,中高层的干侵入激发了对流不稳定;中尺度辐合线出现在对流风暴的前沿,是由冷池出流与外界暖湿气流交汇而形成,为强对流的发展提供了近地面辐合抬升条件;本次过程先后有三个明显的强单体风暴产生,回波核心区高度均扩展到-20℃层以上,符合弱回波区、悬垂回波和中低层径向辐合的强对流风暴结构,还具有标志大冰雹的三体散射特征(TBSS)。在降雹前最大反射率因子(DBZM)及其所在高度(DBZM HT)的突降和垂直累积液态水含量(VIL)的突增可作为判断降雹的指标。     

江西省北部地区一次致灾冰雹天气环境条件和特征分析

利用常规气象观测资料、天气雷达资料、FY-2E卫星TBB资料和NCEP1°×1°再分析等资料,对2015年4月2日发生在江西省北部地区的冰雹强对流天气环境条件和特征进行了分析。结果表明:1)高空槽、低层切变线和地面锋面共同影响,导致此次冰雹强对流天气过程,冷锋及其附近的中尺度地面辐合线是主要触发系统。2)降雹前6—12 h,江西省北部地区对流层中低层西南风速跃增,并且500 hPa高度层存在干急流轴,干空气卷入能使雨滴脱离上升气流,减弱雨滴的拖曳作用,形成"上干冷、下暖湿"对流不稳定温湿层结。3)江西省北部地区边界层有假相当位温能量锋区维持;且处于水汽通量辐合区中心,低层维持较强水汽辐合和输送,为冰雹云内雹胚的形成和生长提供了充足的水汽条件。4)风暴单体具有有界弱回波区、高悬的强反射率因子、强回波伸展至-20℃层高度之上、高VIL密度、强中气旋等大冰雹回波特征。TBB分布反映了一个MCS的演变,降雹地点与TBB小于-52℃的冷云区及其北侧TBB大梯度区对应较好。     

山东一次强对流天气的环境条件和对流风暴特征

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、多普勒天气雷达资料以及NCEP/NCAR再分析资料,对2016年6月14日山东一次强对流天气的环境条件、风暴特征进行了分析。结果表明:(1)6月14日强对流天气主要发生在横槽转竖引导冷空气南下和低层暖湿气流交汇的环流形势下,地面辐合线是抬升机制。上干下湿的不稳定层结、低层水汽充沛及湿层厚是出现短时强降水的重要原因。假相当位温差(△θse)和风暴相对螺旋度(SRH)对强对流天气有较好的指示意义;(2)较低的融化层高度、适宜的0℃层和-20℃层高度是大冰雹的发生指标。抬升凝结高度低、P_(WV)较大等对短时强降水具有指示作用;(3)垂直风切变较大,风暴承载层平均风远大于风暴移动速度,致使超级单体持续时间长,并具有高悬强回波、有界弱回波区、回波悬垂、风暴顶辐散、倒"V"型缺口、中层径向辐合、中气旋、"钩"状回波和三体散射等回波特征;(4)降雹发生在Z_(max)大值期、VIL和DVIL最大时段、HGT增高期。中气旋厚度、最大切变和持续时间与天气的强烈程度密切相关。     

贺州市一次致灾冰雹天气过程诊断分析

利用常规地面、高空观测资料和梧州S波段新一代天气雷达探测产品资料,对2012年4月12日夜间发生在贺州市的一次致灾冰雹天气过程的成因及雷达回波特征进行诊断分析,结果表明:在高空槽、低层切变线和地面冷空气共同影响的中小尺度天气环流背景下,配合高空干冷、低层暖湿的不稳定大气层结是这一次降雹天气过程产生的主要原因。此次降雹天气过程在多普勒雷达回波图上呈现出典型的超级单体风暴特征。     

一次高炮防雹的相控阵双偏振雷达观测特征北大核心CSCD

选取2021年6月28日山西省临汾市隰县一次高炮防雹作业过程,利用隰县X波段相控阵双偏振雷达数据分析作业前后强对流云变化的现象和机理。高炮防雹作业后冰雹云单体的宏观特征、动力和微物理的垂直结构均出现短时间明显变化。高炮防雹作业后1 min 55 dBZ顶高急剧下降约2 km至0℃层以下,水平反射率因子ZH的强回波垂直结构在0℃层断裂,径向速度散度显示单体前部和后部的辐合带减弱、消失,差分反射率ZDR在近地面增大,ZDR柱消失,差分相移率KDP在中低层增大,共极化相关系数ρ_(hv)从0℃层到近地面表现为0.94~0.96的柱状区,单体核心上部的过冷水小范围中心消失,0℃层以下由雨夹雹、霰、湿雪及各种雨的混合柱状分布转为低层大雨。这些短时间的明显变化现象支持爆炸防雹理论。     

遵义市冰雹天气过程雷达回波特征分析

利用遵义新一代多普勒天气雷达资料,对2008—2016年6次天气过程的8个降雹风暴进行分析。结果表明:普通单体风暴持续时间短,强回波反射率因子高度高,径向速度图上有大量逆风区存在;超级单体持续时间长,具有明显的三体散射特征、弱回波区和强回波悬垂,径向速度图上有中气旋存在;多单体风暴中风暴的合并增强是降雹的主要原因,对多个联系紧密的风暴应予以重点关注,径向速度图上存在低层辐合、高层辐散配置;线风暴组织性强,在南部和中部易发展、增强产生降雹,强风暴回波柱向移动方向倾斜,具有明显的弱回波区和回波悬垂,径向速度图上回波后侧有大片的大风区,在风暴处形成强辐合区,对风暴的持续发展非常关键。