贵州威宁对流单体雷达回波分层结构特征分析

本文选取了2017—2020年威宁县111个对流单体（35个冰雹云单体和76个雷雨云单体）,着重分析了对流单体雷达回波在垂直指向上的分层结构特征,并结合双偏振雷达观测分析了对流云单体偏振参量和水凝物相态分布特征。研究分析结果表明：①威宁对流单体雷达回波典型特征量基本一致,对流单体生命史周期约为100 min,最大反射率因子主要位于与0 ℃层高度差±2.0 km的范围内;②当对流单体雷达回波强度从45 dBz发展到55 dBz以上时,冰雹云具有发展迅速且持续时间长的特点,冰雹大小则与强回波在融化层高度以上的扩展高度存在一定的对应关系,高度越高、冰雹越大;③X波段双偏振天气雷达能够较好地反映降水粒子类型,基本符合粒子形状、大小和相态分布的特点,但应考虑降水相态粒子处于临界过渡区域的转化特点;④威宁多小冰雹主要与垂直风切变较弱、对流有效位能CAPE值不稳定能量偏低,且中小冰雹在下落过程中逐渐融化变小有关。     

一次强降水超级单体的双偏振雷达观测分析

为分析强降水超级单体风暴的偏振特征及其动力和云物理结构,利用厦门海沧双偏振雷达数据及常规观测资料,采用多普勒雷达风场反演和粒子相态识别等技术,对2018年5月7日发生在闽南地区的一次导致特大暴雨的强降水超级单体风暴进行了分析,研究表明:（1）相关系数小值区出现在有界弱回波区和钩状回波之前,可指示低层上升气流的位置。（2）在前侧下沉气流南侧的反射率因子梯度大值区附近,存在一个浅薄的差分反射率因子大值区（差分反射率因子弧）,其形态与超级单体的发展程度有关。在本次过程中差分反射率因子弧先于钩状回波和中气旋出现,对超级单体的发展具有较好的指示性。（3）在中层的融化层上,差分反射率因子大值区和相关系数小值区呈环形围绕在上升气流周围。差分反射率因子环和相关系数环对确定中层上升气流的位置具有指示意义。（4）差分反射率因子柱位于有界弱回波区的上方,并位于主上升气流附近,在仅有单部雷达进行观测时,差分反射率因子柱可用于识别主上升气流的位置。（5）差分相位常数柱主要由大量混合相态水凝物造成,其位置与地面雨强中心存在较好的对应关系。      

江淮地区一次冰雹过程的双线偏振雷达观测分析

为了进一步认识冰雹和三体散射的双线偏振雷达观测特征,提高业务预警能力和奠定基于双线偏振雷达的地面降雹识别基础,利用南京双线偏振雷达观测资料,统计分析了2019年3月20日冰雹过程发展、成熟和降雹阶段的观测特征及微物理过程。结果表明:（1）雹暴在成熟阶段具有高悬的强回波中心和较高的顶高,强回波中心差分反射率Z_DR＜?0.5 dB,相关系数（ρ_hv）约为0.9,由于冰雹后向散射相位的影响,该区域比差分相位（K_DP）呈现负值,指示了该区域有冰雹存在,并被相态分类算法（HCA）正确识别;（2）降雹阶段,高层反射率因子减小,强回波中心下降到地面附近,融化层以下ρ_hv增大,指示高层下落的冰相粒子整体尺寸减小;HCA识别到冰雹开始减少时,地面观测到冰雹;（3）三体散射的反射率因子（Z_H）、ρ_hv和反射率因子标准差（SD（Z_H））概率密度分布与北美三体散射比较接近;Z_DR分布更偏向于负值区域,差分相位标准差（SD（φ_DP））分布范围大约是北美结果的2倍。      

X波段双偏振雷达水凝物粒子相态识别应用研究

对云中水凝物粒子分类识别是双偏振雷达的主要应用之一。本文利用IAP-714XDP-A X波段双偏振雷达观测数据,在对其进行质量控制的基础上,利用滑动自适应订正算法对雷达反射率及差分反射率进行衰减订正,进而采用纹理参数SD（Z_H）和SD（?_DP）区分气象回波与非气象回波,最后建立基于X波段双偏振雷达偏振参量（Z_H、Z_DR、K_DP、ρ_HV）、环境温度T和纹理参数（SD（Z_H）、SD（?_DP））的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法。本文通过对2016年8月7日一次低仰角的观测,检验了纹理参数SD（Z_H）和SD（?_DP）对气象回波和非气象回波的识别效果,结果表明:SD（Z_H）与SD（?_DP）两者结合可有效区分气象回波和非气象回波;用2015年8月7日北京一次较大范围的降雹个例,对建立的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法进行效果验证,识别降雹落点与地面观测降雹落点一致,表明各种水凝物粒子对应偏振参量取值范围合理;对2016年9月14日一次处于不同发展阶段的多单体对流云进行水凝物粒子分类识别,结果显示处于发展阶段对流云中存在过冷水柱,其形成的微物理过程是对流云中强烈的上升气流将暖层的水滴抬升到0℃层之上形成过冷云雨水,进而冻结形成雹胚并发展成为冰雹。     

双偏振雷达对一次水凝物相态演变过程的分析

联合利用3 GHz双偏振雷达RHI探测数据和温度廓线数据, 建立了云粒子相态反演的模糊逻辑算法, 算法采用Beta型成员函数, 成员变量包括:水平反射率因子、线性退偏比、差分反射率及温度0℃,-40℃对应高度, 反演出的相态包括毛毛雨、雨、低密度干冰晶、高密度干冰晶、湿冰晶、干霰、湿霰、小冰雹、大冰雹、雨夹雪和液态云滴等11种, 并利用雷达的连续探测数据对一次层状云降水过程中水凝物相态的演变情况进行了分析, 得到如下结果:初始阶段层状云相态呈现分层结构, 从上至下依次为高密度干冰晶、湿冰晶和液态云滴; 初始阶段云体中的回波大值区核心区域为大的冰相粒子, 其余部分为液态粒子; 在初始到成熟阶段演变中, 回波大值区上部液态粒子逐步向冰相转化; 消散阶段云中零度层亮带逐步消失, 零度层以上云粒子结构呈现高密度干冰晶包裹湿冰晶的情况。关键词:双偏振雷达; 模糊逻辑; 水凝物相态反演; 层状云降水过程; 水凝物相态演变     

湘东北一次降雹超级单体过程的双偏振雷达回波特征

利用S波段双偏振雷达资料和多种观测资料,对2021年5月10日湖南长沙的大冰雹超级单体风暴过程进行分析,结果表明：(1)此次过程发生在低层暖平流主导下,高能量、有利的对流不稳定条件以及湿球0℃(WBZ)高度明显低于0℃层高度为大冰雹超级单体风暴的形成和维持提供了有利条件。(2)强中心(水平反射率因子Z_h≥60 dBz)面积和最大水平反射率因子明显增大、垂直累积液态水含量跃增和质心高度发展到冰雹有效增长层,可作为大冰雹形成发展的依据。(3)差分反射率因子(Z_dr)柱、相关系数(CC)、差分相移率(K_dp)演变可为冰雹的云物理特征变化提供重要参考。Z_dr柱(≥1 dB)的出现对应上升气流区,扩展至WBZ以上,Z_dr柱的发展和维持表明其携带的过冷雨滴为冰雹发展和维持提供了雹胚;Z_dr洞(<0 dB)对应下沉气流区扩展至近地面,结合小CC和Kdp“空洞”对应干的大冰雹。(4)构建的超级单体风暴降雹阶段不同仰角的双偏振监测识别模型显示,强雹暴回波离开雷达一侧存...     

2019年8月16日诸城超级单体风暴双偏振参量结构特征分析

利用青岛S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料和常规气象观测资料以及区域自动气象站观测资料,对2019年8月16日发生在山东省诸城市的一次长寿命超级单体风暴双偏振结构特征进行了分析。结果表明:超级单体风暴发生在东北冷涡和地面中尺度辐合线共同作用背景之下,对流有效位能偏低,但风垂直切变非常强,这种配置有利于超级单体风暴的形成与维持。诸城超级单体风暴持续3 h左右并伴有深厚持久的中气旋,旺盛阶段最强反射率因子、基于单体的垂直累积液态含水量、强中心高度和单体顶部高度平均分别为74.1 dBz、67.9 kg/m2、6.3 km和11.3 km。对偏振特征分析表明,风暴低层60 dBz以上回波区对应偏小的差分反射率（Z_dr）、小的相关系数（CC）和大的差分相移率（K_dp）,湿（或干）冰雹和液态雨滴共存。此外,低层入流缺口附近有明显Z_dr弧存在。风暴中层强上升气流区内有明显的有界弱回波区,其顶部达到7 km左右。有界弱回波区内相关系数较小,其周围有明显的Z_dr环和CC环,Z_dr环顶部达到?10℃层高度。0℃层高度之上存在深厚的Z_dr柱和K_dp柱,顶部都达到?20℃层高度,Z_dr柱位于有界弱回波区东侧,K_dp柱位于西侧。?10—?20℃层,Z_dr柱对应强的水平极化反射率因子（35—60 dBz）和小的差分相移率,表明含有少数偏大的液态或湿冰粒子,而K_dp柱对应更强的水平极化反射率因子（55—72 dBz）和小的差分反射率,表明含有一定数量的小的液态或（和）湿冰粒子及大的冰雹粒子。风暴低层强反射率核后侧径向上如果出现显著差分反射率负值区,可作为特大冰雹（直径≥50 mm）的识别依据;如果对应异常大的差分相移率,表明含有浓度较高的雨滴和包有水膜的冰雹粒子。      

双线偏振多普勒雷达对一次降雹超级单体发展减弱阶段的演变分析

2015年4月28日,在高空冷涡的天气背景下,一个伴有较长生命史中气旋的超级单体在上海南汇双线偏振多普勒雷达观测范围内经历了发展减弱阶段,并产生了冰雹、雷雨大风、短时强降水等灾害性天气。利用常规天气观测、南汇双线偏振多普勒雷达、双雷达反演风场等资料分析发现,超级单体在发展成熟阶段呈现出回波悬垂、低层入流缺口、中气旋以及三体散射等经典特征,以及表示雷暴处于发展加强阶段的差分反射率因子柱。差分反射率因子柱通常意味着雷暴中上升气流的加强,同时说明大量的水滴可以被强上升气流托举到0℃层以上,形成过冷水滴,从而有利于冰雹的形成。超级单体经过的区域0～6 km垂直风切变达到了22～26 m·s~(-1),强垂直风切变环境有利于水平涡度发展,南汇雷达观测范围内中气旋维持了100 min左右,有利于雷暴的发展维持。此外,基于模糊逻辑法对此次降雹强对流天气过程开展了相态识别,结果表明,模糊逻辑法对此次强对流天气过程中的冰雹、降水等不同性质的降水能够进行有效的识别,有助于对雷暴降水相态本质的认识。     

一次强冰雹超级单体风暴双偏振参量特征分析

利用济南S波段双偏振多普勒天气雷达资料、章丘探空和地面常规气象观测资料及灾情调查,对2021年7月9日发生在济南章丘的一次特大冰雹超级单体风暴双偏振和微物理结构特征进行了分析。结果表明:冷涡天气背景下,强的垂直风切变和强的对流有效位能,利于超级单体的形成与维持。阵风锋是风暴触发机制,也是风暴长时间维持机制。初始风暴由阵风锋触发,经过合并发展产生超级单体。成熟阶段,风暴西侧与阵风锋交汇区域不断激发新生单体,并与主体合并,风暴长时间维持。风暴顶强辐散是中气旋长时间维持和风暴顶高度较高的关键因子之一。特大冰雹阶段风暴底层右后有明显的入流缺口,其前侧有差分反射率(Z_DR)弧,表现为少量大的液态粒子或小的湿冰粒子,入流缺口左侧强反射率因子区对应小的Z_DR和小的相关系数,为冰雹降落区。垂直结构上,强上升气流区一侧存在深厚的有界弱回波区,0℃层高度之下分布有Z_DR环,有界弱回波区内及上方存在Z_DR柱,且高度较高,含有少许偏大的液态或融化的小的冰相粒子。较高的Z_DR柱表明风暴内上升气流强盛且高...     

基于多源探测资料的“4.12”非典型冰雹特征分析

针对2020年4月12日发生在江苏苏州的一次大范围雷暴大风、局部伴有冰雹的强对流天气过程,基于常州S波段双线偏振多普勒天气雷达、湖州和青浦的单偏振雷达以及再分析资料,详细分析了此次过程的天气背景,不稳定机制、抬升条件和雷达回波及双偏振雷达参量演变特征,并结合双雷达风场反演技术分析超级单体的动力结构及云物理机制。结果表明此次过程发生在高空冷涡南掉、横槽南摆,上下层强烈不稳定的环流背景下,地面有辐合线提供了触发条件。苏南地面附近至600 hPa为θ_se随高度减小的对流不稳定层和0~6 km强烈的垂直风向切变分别为此次过程提供强热力和动力不稳定条件。此次降雹天气过程,雷达回波强度超过50 dBZ,有明显的三体散射、气旋式辐合、高层回波悬垂和强风暴顶辐散等特征;但是VIL和ET都很小,呈现非典型冰雹特征。双线偏振雷达各偏振参量(差分反射率Z_DR、差分相移率K_DP和相关系数CC)也都反映出冰雹云的典型特征:在Z_H大、Z_DR小、CC小的区域出现冰雹,Z_DR值通常为-1.0~0.2 dB,CC值普遍小于0.85。上述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。利用双雷达风场反演技术对降雹时段研究,发现1~5 km各层高度的风垂直切变、辐合的存在,有利于超级单体的发展和加强。双雷达能较好地反演雷暴大风的三维风场精细结构,有助于加深对冰雹云结构的认识进而提高冰雹等强对流天气的预报预警能力。      

Kinematics and Microphysical Characteristics of the First Intense Rainfall Convective Storm Observed by Jiangsu Polarimetric Radar Network

The polarimetric radar network in Jiangsu Province has just been operationalized since 2020. The first intense precipitation event observed by this polarimetric radar network and disdrometer occurred during August 28-29, 2020 and caused severe flooding and serious damage in eastern Jiangsu Province. The microphysics and kinetics for this heavy precipitation convective storm is diagnosed in this study, in order to promote the application of this polarimetric radar network. Drop size distribution (DSD) of this event is estimated from measurements of a ground disdrometer, and the corresponding three-dimensional atmospheric microphysical features are obtained from the multiple polarimetric radars. According to features of updraft and lighting, the evolution of the convective storm is divided into four stages: developing, mature with lightning, mature without lightning and dissipating. The DSD of this event is featured by a large number of raindrops and a considerable number of large raindrops. The microphysical characteristics are similar to those of warm-rain process, and ice-phase microphysical processes are active in the mature stages. The composite vertical structure of the convective storm indicates that deep ZDR and KDP columns coincide with strong updrafts during both mature stages. The hierarchical microphysical structure retrieved by the Hydrometeor Identification Algorithm (HID) shows that depositional growth has occurred above the melting level, and aggregation is the most widespread ice-phase process at the -10℃ level or higher. During negative lightning activity, the presence of strongest updrafts and a large amount of ice-phase graupel by riming between the 0℃ and -35℃ layers generate strong negative electric fields within the cloud. These convective storms are typical warm clouds with very high precipitation efficiency, which cause high concentration of raindrops, especially the presence of large raindrops within a short period of time. The ice-phase microphysical processes above the melting layer also play an important role in the triggering and enhancing of precipitation.     

基于机载Ka波段云雷达和粒子测量系统同步观测的积层混合云对流泡特征

利用机载Ka波段云雷达（Airborne Ka-Band Precipitation Cloud Radar, KPR）和粒子测量系统（Droplet Measurement Technologies, DMT）,分析了2018年4月22日黄淮气旋背景系统下积层混合云中对流泡的动力和微物理特征。首先,对Ka波段云雷达观测的山东地区春季36个对流泡样本按照回波强度、水平尺度、回波顶高三个参量进行统计,结果表明平均回波强度为20～30 dBZ的对流泡占69%。对流泡水平尺度为15～30 km,占61%。对流泡最大回波顶高集中在6～8 km,比周边层云高2～4 km。之后,对4月22日积层混合云中的对流泡个例微物理参数进行统计,结果表明对流泡内部以上升气流为主,最大上升气流速度达到1.35 m s?1,平均上升气流速度为0.22 m s?1;对流泡内过冷水含量比较高,最大含水量为0.34 g m?3,平均含水量为0.15 g m?3。对流泡内冰晶数浓度是泡外的5.5倍,平均直径是泡外的1.7倍。结合云粒子图像探头,发现对流泡前沿和尾部冰粒子以柱状和辐枝状为主,而对流泡核心区域冰粒子以聚合体形式存在。冰粒子通过凇附过程和碰并过程增长,过冷水含量不足时冰粒子的凇附增长形成柱状粒子,含量充足时可迅速凇附成霰粒子。对流泡内降水形成的微物理机制不完全相同,主要依赖过冷水含量。当云中有充足的过冷水分布时,高层冰晶通过凇附增长形成霰粒子,通过融化层后形成降水;当云中缺少过冷水时,降水的形成主要通过水汽凝华过程形成冰雪晶,然后雪晶通过聚合过程实现增长。     

太行山东麓一次强对流冰雹云结构的观测分析

利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验示范”项目在冰雹发生区获取的综合观测资料,从强对流单体出现的天气背景、降雹特征、雷达回波演变、大冰雹的形成机制及动力结构等方面对2018年5月12日下午发生于太行山东麓的一次强对流单体降雹天气过程进行了分析。结果显示,午后不稳定能量的增大形成了有利的热力条件,低层风场的辐合扰动以及中层的冷空气侵入是产生本次强冰雹过程的触发因素。通过对雹云降雹时段雷达回波具有超长“悬挂回波”和对应大雹形成特征分析表明,云中存在着上、中、下相互衔接的0线（域）,主上升气流2次逆时针转弯增加了雹胚再入主上升气流区继续长成大雹的机会,据此勾画出了云体主上升气流框架及大冰雹的形成机制,表明冰雹在雹云中的生长有多种模式。      

慕尼黑一次混合型雹暴的数值模拟与成雹机制

利用三维冰雹云模式,对发生在德国南部慕尼黑的一次混合型雹暴进行了数值模拟,模拟云的雷达回波结构、过冷雨水区特征与实际雷达观测的分析结果比较一致。模拟结果表明: 该例雹云中冰雹胚胎既有冻滴也有霰,二者在数量上相当; 虽然雹云中不存在过冷雨水累积带,但在主上升气流区周围存在过冷雨水区,过冷雨水对冰雹的形成起着重要作用; 在雹云发展的不同阶段,冰雹的形成机制也不相同。     

2019年8月16日山东诸城一次罕见强雹暴结构和大雹形成的观测分析

为研究雹暴结构和大冰雹的形成机制,利用潍坊CINRAD/SA新一代天气雷达、青岛S波段双偏振多普勒天气雷达探测数据,结合探空、地面气象观测站观测和实地冰雹调查资料,对2019年8月16日发生在山东诸城的一次罕见强雹暴过程的天气背景、风雹灾害、雷达回波演变、雹云结构及大冰雹形成机制进行分析.结果表明,受冷涡天气系统影响,...     

黔北一次冰雹天气过程C波段双偏振雷达资料分析

【目的】为进一步探索C波段双偏振雷达参数指标的本地化运用。【方法】利用习水C波段双偏振雷达资料、地面自动站资料、探空资料,对2022年3月16日发生在黔北的一次冰雹天气过程成因以及双偏振雷达回波特征进行分析。【结果】（1）此次强对流天气发生在500 hPa前倾槽前、低层低涡切变东南侧,中低空急流的北侧及地面低压倒槽内,同时午后升温及中高层干冷平流入侵,使得层结更趋于上干冷下暖湿的不稳定层结,冷锋前沿的地面辐合线为过程提供了触发机制。（2）过程由多单体风暴引发,最大反射率因子达65 dBz,40 mm冰雹出现了三体散射,剖面图中出现了悬垂结构和有界弱回波区,低层观测到辐合速度对。（3）对比30 mm和40 mm的冰雹双偏振参数发现：融化层以上冰雹Z_DR在-1~0.2 dB,CC值在0.90~0.99之间,K_DP均为0;从融化层以下,30 mm冰雹CC值在0.70~0.90,40 mm冰雹CC值在0.80~0.97,两者有所区别,Z_DR也有明显增加,在0~4 dB之间;由于融化层以下大雨滴的混合,K_DP在0~3.1 °·km^-1之间。（4）大冰雹偏振参数出现明显Z_DR柱、K_DP柱,CC谷,CC图中出现明显的非均匀波束充塞,Z_DR和CC图中有明显的三体散射现象。【结论】该文仅是对一次多单体天气过程个例的偏振参数特征粗略分析,未来仍需分析更多个例用以完善C波段双偏振天气雷达在强对流天气中各种偏振参数的标准,为实际业务提供更精准的参考。     

微物理过程分档处理的三维对流云模式研究

在三维完全弹性冰雹云参数化模式动力框架和二维面对称分档模式(微物理过程分档处理)的基础上,建立粒子全分档的三维对流云分档模式.利用建立的分档模式对2000年6月29日美国堪萨斯州的一次超级单体风暴进行了模拟,并将模拟结果与三维冰雹云参数化模式的模拟结果作了对比.结果表明:分档模式可以较好地模拟出强对流云中两支上升气流,模拟得到的最大上升气流速度大于参数化模式;分档模式模拟得到的雷达回波强度、顶高和回波宽度更接近实测.     

A 35-GHz Polarimetric Doppler Radar and Its Application for Observing Clouds Associated with Typhoon Nuri

Millimeter-wavelength radar has proved to be an effective instrument for cloud observation and research. In this study, 8-mm-wavelength cloud radar (MMCR) with Doppler and polarization capabilities was used to investigate cloud dynamics in China for the first time. Its design, system specifications, calibration, and application in measuring clouds associated with typhoon are discussed in this article. The cloud radar measurements of radar reflectivity (Z), Doppler velocity (Vr), velocity spectrum width (Sw) and the depolar-ization ratio (LDR) at vertical incidence were used to analyze the microphysical and dynamic processes of the cloud system and precipitation associated with Typhoon Nuri, which occurred in southern China in August 2008. The results show the reflectivity observed using MMCR to be consistent with the echo height and the melting-layer location data obtained by the nearby China S-band new-generation weather radar (SA), but the Ka-band MMCR provided more detailed structural information about clouds and weak precipitation data than did the SA radar. The variation of radar reflectivity and LDR in vertical structure reveals the transformation of particle phase from ice to water. The vertical velocity and velocity spectrum width of MMCR observations indicate an updraft and strong turbulence in the stratiform cloud layer. MMCR provides a valuable new technology for meteorological research in China.