基于多普勒天气雷达的低空多普勒速度的切变识别算法研究

低空风切变是影响航空器起飞和着陆安全的重要因素,利用多普勒天气雷达径向速度数据,从风的空间和时间变化上对低空风切变的识别进行了研究,并利用一次飑线过程和一次低空急流过程的资料对识别算法进行了验证。识别算法的核心是分别计算二维合成风切变、垂直风切变和时间风切变。在计算二维合成风切变时,先利用风切变强度因子自适应地选择拟合“窗口”的大小,再利用最小二乘线性拟合方法,得到水平风切变。结果表明:自适应多尺度最小二乘法得到的合成风切变,在低空风切变识别效果、切变连续性和边缘数据处理等方面都优于我国多普勒天气雷达的PUP合成风切变;垂直风切变反映了雷达径向速度的高低空配置情况;时间风切变可提供径向速度随时间的变化情况。算法还可应用于民航机场低空风切变的识别和预警。      

高原切变线研究回顾

本文系统地回顾了半个多世纪以来高原切变线特征,切变线形成的大尺度背景场,切变线维持移动机制,切变线与其它系统相互作用机制,以及切变线对降水的影响等方面的研究成果。同时指出高原切变线研究存在着许多薄弱的地方,在降水的不同阶段切变线起着怎样的作用,切变线活动对我国持续性强降水的影响,切变线的云系特征,冬季切变线活动特征及对天气的影响,切变线的东移机制,切变线与不同层次,不同纬度,不同尺度系统之间的相互作用机制研究等方面有待进一步加强。      

庐山雨凇积冰日数变化特征及其与海气场关系

利用江西省气象信息中心提供的1970-2016年逐日庐山站电线积冰、NOAA重构延长的逐月海表温度(SST)及NCEP再分析风场等资料,采用线性趋势分析、Man-Kendall检验、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了庐山雨凇积冰日数的变化特征及其与海气场的关系,结果表明:1)庐山雨凇积冰基本发生在当年11月至次年3月。2)雨凇积冰日数总体呈显著下降趋势,且在1981年和2001年分别存在一显著突变,即1970-1980年庐山雨凇积冰日数异常偏多,1981-2001年庐山雨凇积冰均值基本接近常年,2001-2005年庐山雨凇又异常偏少。3)庐山雨凇积冰日数存在2~4年、6~8年及20年左右的振荡周期,2~4年周期变化在20世纪70年代、80年代末到90年代末及2005年以后振荡显著。4)庐山雨凇积冰异常偏多年代,前期410月整个热带太平洋海温异常偏低,同期113月庐山受贝加尔湖异常反气旋东南侧东北气流和来自东太平洋偏南气流的共同影响,有利于出现雨凇积冰。     

大连机场典型低空风切变的成因分析

风切变是指空间两点之间的风的矢量差,风切变分为水平风切变和垂直风切变。航空气象学中,低空风切变通常是指近地面600 m高度以下的垂直风切变,低空风切变严重危害航空活动安全,尤其是在飞机起飞和着陆阶段。为了提高对低空风切变的预报准确率和提前预警时间,利用大连机场话音方式航空器报告统计大连机场出现的低空风切变特点。大连机场低空风切变出现最多的季节是秋末和春季,其中以西北大风和偏北大风造成的低空风切变最为典型,这种切变常常出现在地面风向为360°或350°、平均风速9 m·s^-1、阵风风速16 m·s^-1的观测时次附近。选取3个大连机场典型低空风切变的天气个例,利用NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料分析大连机场出现典型低空风切变时的天气形势特点,利用WRF模式输出资料,分析了大连机场出现典型低空风切变时低层的风场特征。分析结果表明,WRF模式输出的风场变化较小,不能体现低空风切变的突变特征,利用模式输出资料计算得到的反映偏差风相对大小的I值与风切变的出现有明显关系,当I大于0.5且逐渐增加时,容易出现低空风切变,当I小于0.5且逐渐减小时,不易出现低空风切变,可以利用I值及其变化情况进行风切变的预报预警。     

1981—2013年6—7月江淮地区切变线及暴雨统计分析

为了研究20世纪80年代以来的江淮切变线及暴雨的气候态特征,从而为未来的江淮切变线暴雨的业务预报和科研提供参考,利用欧洲中心风场再分析资料和地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)的降水资料,通过纬向风的经向切变、相对涡度和纬向0风速线3个客观判据,统计了1981—2013年6—7月江淮地区暴雨、切变线以及切变线暴雨。结果表明:1981—2013年6—7月,江淮地区有30.2 d出现暴雨,有33.2 d出现切变线,22.0 d出现切变线暴雨,切变线暴雨日数占切变线日数的近2/3,占暴雨日数的近3/4;6—7月江淮地区出现切变线和暴雨的日数有不显著的年际增长趋势,增长率比江淮切变线暴雨大一个量级,而后者的日数在近33年基本维持不变。江淮地区的切变线日数、暴雨日数和切变线暴雨日数2000年前年际波动较大,2000年后年际波动较小。6—7月江淮地区的暴雨日数、切变线日数和切变线暴雨日数均存在一定的年代际变化特征,且三者的年代际变化特征较为一致,在1981—2007年,江淮地区降水量的年代际变化与暴雨日数、切变线日数和切变线暴雨日数的年代际变化较为一致。1995年前,6—7月江淮切变线暴雨日数存在2—3年的周期,1995年后没有显著的周期。在6月上中旬和7月中下旬,江淮切变线暴雨日数存在2—4 d的周期,在6月下旬到7月上旬,江淮切变线暴雨日数不存在明显周期,切变线暴雨日数在梅雨期内稳定维持,且江淮切变线暴雨最集中发生在6月下旬到7月上旬的梅雨期内,说明梅雨期降水以切变线引发的降水为主。      

影响山东切变线特征及典型个例分析

利用天气观测资料和NCEP再分析资料对2004-2013年5-9月影响山东的切变线天气特征和环流形势进行了分析。将影响山东的切变线按热力性质分为冷切变线和暖切变线,10a间影响山东的切变线共发生59次,其中暖切变线出现43次,占切变线总发生次数73%;冷切变线出现16次,占切变线总发生次数27%。切变线发生频数7月最多,6月次之,分别占切变线总数的35.6%和23.7%,9月最少,约占0.05%。影响山东典型切变线的发生与副高关系密切,冷切变线多出现在西风槽东移受阻,在对流层低层逐渐形成,暖切变线则出现在西风带小高压与副高合并,副高北抬时形成。针对2次典型冷暖切变线暴雨天气过程对比分析其暴雨落区、雷达回波特征和动力机制等,结果发现:暖切变线降水的强度、暴雨范围和持续时间明显大于冷切变线降水。暖切变线暴雨的GPS可降水量在强降雨出现前8h快速上升,可降水量峰值对应地面降雨大值,对地面降雨变化反映不敏感,物理量呈垂直分布,强回波单体基本位于暖切变线雨带的中间。冷切变线暴雨的GPS可降水量短时间内增幅大,地面强降雨在峰值出现1h后发生,对地面降雨变化反映较敏感,物理量从低层到高层向北倾斜且上升运动区较深厚,回波单体位于切变线南侧。     

有速度切变时,Lorenz系统中浑沌的特点

Lorenz方程中引进切变以后,对普朗特数为0.7的大气可以出现浑沌。 速度切变在一定情况下起阻尼作用,有切变时比无切变时湍流发生的临界莱雷数要高。 浑沌是一种非周期的现象,它在相空间中的轨迹是混乱的。 通向湍流的道路有很多种。切变较小时为普通湍流形态;切变较大时是间歇湍流形态;切变适中时为短暂层流状态。 有速度切变时的浑沌对大气湍流的研究有很大的实际意义。     

多普勒天气雷达识别低空风切变算法的改进研究

针对CINRAD-CD天气雷达切变线识别产品的局限性,通过对探测资料采取中值滤波、滑动平均等预处理方法,有效填充缺测区探测资料。随后,再对探测资料采用最小二乘拟合法计算得到风场径向速度的径向切变、方位切变及垂直切变,进一步得到风场径向和方位的组合切变,从而得到垂直切变图。通过两次银川降雨过程实例应用,证明上述方法能够较准确地辨识风切变线,可为临近预报提供更科学的参考信息。     

利用激光雷达判别机场晴空风切变事件成因

为了研究高原机场的风切变特征,本文利用丽江机场自动观测站资料、NCEP再分析资料,引入三维激光雷达测风资料,对丽江机场2020年3月29日晴空低空风切变特征进行分析.结果表明,此次低空风切变过程主要是受地面变压风辐合、地面增温湍流加强以及动量下传等因素共同影响而形成的.风切变发生期间低空环境风场与地面风场变化基本吻合....     

RELATIONSHIP BETWEEN THE VARIATION IN HORIZONTAL VORTICITY AND HEAVY RAIN DURING THE PROCESS OF MCC TURNING INTO BANDED MCSS

Using real-time data and the WRF mesoscale model,a heavy rain event in the process of Mesoscale Convective Complex(MCC) turning into banded Mesoscale Convective Systems(MCSs) during 18-19 June 2010 is simulated and analyzed in this paper.The results indicated that the formation and maintenance of a southwest vortex and shear line at 850 h Pa was the mesoscale system that affected the production of this heavy rain.The low-vortex heavy rain mainly happened in the development stage of MCC,and the circular MCC turned into banded MCSs in the late stage with mainly shear line precipitation.In the vicinity of rainfall area,the intense horizontal vorticity due to the vertical shear of u and v caused the rotation,and in correspondence,the ascending branch of the vertical circulation triggered the formation of heavy rain.The different distributions of u and v in the vertical direction produced varying vertical circulations.The horizontal vorticity near the low-vortex and shear line had obvious differences which led to varying reasons for heavy rain formation.The low-vortex heavy rain was mainly caused by the vertical shear of v,and the shear line rainfall formed owing to the vertical shear of both u and v.In this process,the vertical shear of v constituted the EW-trending rain band along the shear line,and the latitudinal non-uniformity of the vertical shear in u caused the vertical motion,which was closely related to the generation and development of MCSs at the shear line and the formation of multiple rain clusters.There was also a similar difference in the positively-tilting term(conversion from horizontal vorticity to vertical positive vorticity) near the rainfall center between the low-vortex and the shear line.The conversion in the low vortex was mainly determined by бv/бp0,while that of the shear line by бu/бp0.The scale of the conversion from the horizontal vorticity to vertical vorticity was relatively small,and it was easily ignored in the averaged state.The twisting term was mainly conducive to the reinforcement of precipitation,whereas its contribution to the development of southwest vortex and shear line was relatively small.     

水平切变线上涡层不稳定理论

文中打破了传统的 Kelvin- Helmholtz研究切变不稳定的观点 ,考虑了强涡度切变存在时切变线已构成了一个涡层 ,这时切变线的不稳定问题就变为涡层的不稳定问题。同时考虑由涡层所产生的诱导速度 ,从理论上得到了水平切变线上涡层不稳定必要条件的判据 ,即必须满足 (1 - Rv Rid) >0 ,且有 U(y,t) >U(A(t) )与之相配合。这表明环境场的配置制约着切变线上扰动的发展 ,这种中尺度扰动同环境场存在着相互作用。文中还用具体个例对如何计算不稳定必要条件做了解释和说明。     

一次高原低涡与高原切变线演变过程与机理分析

对一次东移高原低涡减弱、高原切变线生成并在有利的环流背景下东南移,进而引发川渝强降水的高原切变线生成机制以及演变过程进行了初步分析。首先引入描写热带气旋的Okubo-Weiss（OW）参数（V_OW）来定量表达低涡、切变气流中旋转和变形的相对大小,确定高原切变线的潜在生成区域和发展状况。得出在高原切变线生成阶段,500 hPa等压面上V_OW值由正转负,V_OW负值带可以很好地指示高原切变线的潜在生成区域。V_OW负值强度与高原切变线强度有很好的相关性。高原切变线上以V_OW负值中心为主,但也会存在正值中心,说明在切变线上也会有气旋性涡度。此个例高原切变线以伸缩变形为主,高原切变线沿变形场的拉伸轴分布。然后通过涡度方程和总变形方程进一步分析了高原低涡减弱、高原切变线生成的动力机制。高原低涡的减弱、消失主要受散度项的影响,时间演变分析表明系统由强气旋性涡度的高原低涡演变为强辐合性的高原切变线。总变形方程中的扭转项对高原切变线的生成贡献最大,其次为水平气压梯度项,散度项最小;当高原切变线上以拉伸变形为主时,不利于其上高原低涡的发展,切变线可能是影响低涡发展的背景流场。     

高空急流对青藏高原切变线影响的数值试验与动力诊断

利用NCEP 1°×1° FNL分析资料和中尺度数值模式WRF对一次青藏高原（简称高原）切变线过程进行了数值试验,主要研究高空急流强度对高原切变线的影响,并结合ω方程分析了影响高原切变线上垂直上升运动的若干因子。研究得出高空急流的强度对低层风场有重要影响,急流增强会使高原切变线上的风切变增大,切变线变长,同时高空急流强度的增强也有利于高原切变线上水汽的辐合。高空急流可通过影响高层辐散、低层辐合的散度场垂直配置对高原切变线上的正涡度柱与辐合上升运动产生作用。ω方程的诊断分析表明,温度平流的拉普拉斯项对高原切变线上的垂直上升运动起主导作用,低层暖平流有利于切变线上产生上升运动。高空急流强度的变化对差动涡度平流项的影响要大于温度平流拉普拉斯项,高空急流强度的增强会放大差动涡度平流项和温度平流项的正贡献,从而更加有利于上升运动及高原切变线的维持。      

一次东移型高原切变线过程的扰动动能特征

利用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料,采用动能梯度的定义和扰动动能方程,对2014年8月25—27日初生于青海省东南部之后东移到四川省中部产生天气影响过程的高原切变线进行了能量诊断分析。结果表明:在高原切变线发生发展时,切变线的位置和强的地转偏差及动能梯度大值区相对应,动能梯度模值的水平、垂直分布和相应的散度分布一致,可以反映切变线的基本结构特征;引入动能梯度有助于从能量变化视角来理解高原切变线的发展演变。扰动动能大值区的分布和切变线的走向一致,在切变线发展初期,扰动动能明显增大。扰动动能平流项和正压转换项的值都比较小,不足以反映切变线演变过程中的能量变化,而斜压转换项和扰动位势平流项是扰动动能收支的主导项;在切变线成熟阶段,扰动有效位能向扰动动能的转换最大,斜压转换项是高原切变线发展过程中能量转换的重要途径,有利于切变线上的上升运动加强。扰动动能趋势项可以较好预示切变线的发展态势,扰动非地转位势通量及其散度对高原切变线的生消及移动具有较好的指示意义。     

Insight into the Role of Lower-Layer Vertical Wind Shear in Tropical Cyclone Intensification over the Western North Pacific

Vertical wind shear fundamentally influences changes in tropical cyclone (TC) intensity. The effects of vertical wind shear on tropical cyclogenesis and evolution in the western North Pacific basin are not well understood. We present a new statistical study of all named TCs in this region during the period 2000-2006 using a second-generation partial least squares (PLS) regression technique. The results show that the lower-layer (between 850 hPa and 10 m above the sea surface) wind shear is more important than the commonly analyzed deep-layer shear (between 200 and 850 hPa) for changes in TC intensity during the TC intensification period. This relationship is particularly strong for westerly low-level shear. Downdrafts induced by the lower-layer shear bring low θ e air into the boundary layer from above, significantly reducing values of θ e in the TC inflow layer and weakening the TC. Large values of deep-layer shear over the ocean to the east of the Philippine Islands inhibit TC formation, while large values of lower-layer shear over the central and western North Pacific inhibit TC intensification. The critical value of deep-layer shear for TC formation is approximately 10 ms-1 , and the critical value of lower-layer shear for TC intensification is approximately ±1.5 ms-1 .     

一次低空水平风切变的小尺度特征分析

低空风切变对日益繁忙的机场越来越构成威胁,为了解其发展过程和规律,就青岛机场2002年3月20日06时37分左右（UTC）发生的一次强低空风切变进行了小尺度特征的分析,揭示了这种风切变产生的小尺度风压场调整过程的特征。分析的资料是从机场的自动观测系统中提取的风切变前后10分钟的数据。分析发现,在此过程中,最强风切变阶段主要表现为风向的强气旋式切变,而在开始和结束阶段则以跑道南北两侧水平风速切变为主。在风向切变急剧加强阶段,风场向气压场的调整过程占优,导致气压的快速升高,而当气压场向风场的调整过程占优时,跑道南北两侧的风向差又迅速减小。这种局地小尺度水平风切变的产生和发展,是由风场和气压场之阃的相互调整以达到平衡的过程决定的,而这种小尺度的风压场相互适应过程所需要的特征时间则决定了风切变的持续时间。同时还分析了产生这种低空风切变的大尺度天气形势的特点,旨在探索产生强风切变的诱因,有助于预测低空风切变的产生,对飞行人员和航管人员都具有十分重要的意义。     

A Statistical Analysis on the E ect of Vertical Wind Shear on Tropical Cyclone Development

Using tropical cyclone (TC) best track and intensity of the western North Pacific data from the Joint TyphoonWarning Center (JTWC) of the United States and the NCEP/NCAR reanalysis data for the period of 1992-2002, the effects of vertical wind shear on TC intensity are examined. The samples were limited to the westward or northwestward moving TCs between 5°N and 20°N in order to minimize thermodynamic effects. It is found that the effect of vertical wind shear between 200 and 500 hPa on TC intensity change is larger than that of the shear between 500 and 850 hPa, while similar to that of the shear between 200 and 850 hPa. Vertical wind shear may have a threshold value, which tends to decrease as TC intensifies. As the intensifying rate of TC weakens, the average shear increases. The large shear has the obvious trend of inhibiting TC development. The average shear of TC which can develop into typhoon (tropical depression or tropical storm) is below 7 m s-1 (above 8 m s-1).     

我国不同下垫面的近地层风切变指数研究

利用国家气候中心2009-2011年在内蒙古锡林浩特市、河北黄骅市、江西湖口县和星子县开展的100 m铁塔大气湍流观测试验数据,分析不同下垫面、不同稳定度条件下地面到100 m的风切变指数变化情况,得到了一些有意义的结论:(1)内陆简单地形整体风切变指数α0.3的情况出现在稳定和非常稳定层结状态下,分层风切变指数α0.4的频率为2.95%;(2)沿海平坦地形大气层结越稳定,整体风切变指数α的高值出现频率越高,分层风切变指数α0.4的频率略高,为4.2%;(3)对于内陆湖复杂地形,星子地形更为复杂,大于0.3的整体风切变指数出现频率高,分层风切变指数α0.4的频率高达10%,而湖口大于0.3的整体风切变指数值出现频率略低,分层风切变指数α0.4的频率为3.37%。(4)按照风力发电机组设计要求中假设风切变指数α为0.2,一般会过高的估计轮毂高度的风速。     

利用多普勒雷达资料识别低空风切变和辐合线方法研究

该文研究了利用多普勒雷达径向速度资料识别低空风切变和辐合线的方法, 讨论了不同的计算“窗口”大小对资料预处理效果和梯度计算的影响, 并对几次强对流天气进行识别、分析。结果表明:预处理采取先中值滤波后滑动平均, 选择合适的“窗口”能在有效去除库间脉动的同时保持中尺度信息; 经过资料预处理后, 从径向速度计算的切变结果与径向速度中反映的中尺度结构比较一致, 能够从这些资料中自动提取辐合和切变的中尺度信息; 强降水回波与风切变高值区位置、变化趋势一致; 垂直切变能够提供径向风场的高低层配置信息; 利用径向速度资料可以实现对风切变和辐合线的自动识别, 为灾害性天气预警、预报提供重要的客观依据。     

西风带阻塞高压形成及崩溃动力机制的Euler-Lagrange理论解释

本文主要采用Euler-Lagrange理论,讨论正压剪切流的切变参数对阻塞高压形成的影响。研究表明:存在一个临界参数,当切变参数的绝对值超过这个临界参数,正压剪切流将分歧出阻塞流型,这意味着阻塞高压的形成;反之,当切变参数的绝对值小于这个临界参数,阻塞流型将恢复到剪切流,这意味着阻塞高压的崩溃。该研究一定程度回答了阻塞流型"怎么形成"和"怎么崩溃"这一基本而关键的问题。