雹云机理新见解的观测验证和复现

近期的研究结果认为：雹云中存在着冰雹“穴道”，它是由流场和水凝物粒子场相互作用决定的。“穴道”把雹胚形成区和大雹生长区联结成通道，它对冰雹粒子具有明显的动力吸引作用，可使大粒子向这里集中，在宏观上呈现出冰雹粒子的动态累积效果；涵盖冰雹“穴道”的区域即为播撒人工防雹的“作用区”，它一般位于主上升气流边侧的主人流区和相对水平速度接近于零的零域(线)附近的下侧等。这些理论结果尚需观测验证和重复再现，本文利用Doppler雷达观测事例来作验证，并引用前人的工作在此稍作物理加工后复现这些理论结果。     

“2.28”云南罕见春季强对流雷达回波特征分析与数值模拟

利用常规观测、红外云图、水汽图像、CINRAD-CC多普勒天气雷达观测、NCEP 1°×1°再分析资料和WRF模式,对2008年漏报的"2.28"云南罕见春季强对流中冰雹、雷打雪雷达回波特征进行分析和数值模拟研究。结果表明,此次过程是由强西南低空急流和地面冷空气引起,过程中昆明雷打雪上空为向高层扩展增强的逆风区,近地层零速度线呈"S"型暖平流形式,有钩状、块絮混合条状或片状回波对应,45 dBz的钩状回波强中心带在5~7 km处并向高层偏东方向伸展;玉溪强冰雹由"弓"型回波前部中-γ尺度中气旋活动所致,回波强度、零速度线自南向北呈汇合型和发散型的典型超级单体回波特征,60 dBz最强中心在5 km高度,雹云中50 dBz回波经历柱状、倒"V"和钩状,并与有界弱回波BWER相伴。WRF较好地模拟了整个强对流过程中的回波强度、形态和移动方向,验证了实况中冰雹、雷打雪云中存在强倾斜上升气流和冰雹云中倾斜上升气流,以及垂直上升运动大于雷打雪云中的事实。     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构,结合卫星、雷达和常规天气资料,分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明,作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加,云中过冷水减少;对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大,而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大,降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的,这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

层状云数值模式与实际观测研究

改进了一维层状云雨滴分档模式,利用雨滴分档模式在计算雨滴粒子谱型及数浓度自然演变方面中的优势,对吉林省长春市6月21日3个不同时刻的降雨进行了模拟,并与实测资料进行了比较。结果表明,改进后的模式计算稳定,可以模拟出与实际降水谱型相接近的雨滴谱;对于层状云中上升气流速度难以直接测量的问题,通过选用不同的上升气流速度方案,并将计算所得的雷达回波反射率廓线与实际地面雷达观测值相拟和的方法,从而为实现通过雷达回波与模式计算相比较来测量定量降水提供一个新的思路;与实际观测结果比较可知,暖区碰并过程对本次降水的贡献在10%左右,与上升气流的速度有关。     

一次强对流过程的三维数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式（IAP-CSM3D），模拟了2004年4月23日横扫湘中湘南大部分地区的飑线强对流过程的流场、雷达回波和含水量等宏、微观物理量的分布及其演变。分析了冰雹形成的微物理过程，结果表明，冰雹粒子主要由冻滴（CNfh）和霰（CNgh）转化形成，其中冻滴的贡献比较大，冰雹主要是通过撞冻过冷水过程（CLch、CLrh）长大。将多普勒雷达实测资料同模拟的气流结构进行比较可见，雷达观测到散度随高度的变化与模式模拟的气流结构一致；模式输出的雷达回波强度及回波顶高与雷达观测事实相近。     

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.     

低纬高原“05．03”强倒春寒天气过程分析

通过micaps常规资料，应用湿Q锋生函数等理论，以及昆明新一代天气雷达3830-C回波资料，对2005年3月2～5日云南倒春寒天气过程进行分析，得出500hPa乌拉尔山高压脊建立、中高纬度呈两槽-脊型、新疆横槽转竖以及东亚大槽南移是此次天气过程的大尺度环流背景；高低层冷暖气流的辐合，在低层冷锋、切变的持续动力作用下，形成了此次持续低温阴雨倒春寒天气；锋生函数正值区、中低层的等（e陡立密集面与云南冬春季降雪区有很好的对应关系；降雪多普勒雷达特征显示，PPI上丝缕状结构明显，回波水平范围大，最大回波强度弱于夏季连续性强降水；VPPI上的“牛眼”结构、零速度线冷暖平流的变化同于夏季连续性降水回波，但对流性特征不明显。     

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。      

梅雨期暴雨个例模拟及其中小尺度结构特征分析研究

利用中尺度数值模式MM5和多普勒雷达观测资料，对2002年7月22~23日发生在长江中游一次梅雨暴雨过程进行模拟和分析。模拟结果与观测资料相比基本吻合。主要研究内容包括暴雨过程α中尺度到γ中尺度的回波结构以及动力特征和云降水粒子的分布。研究结果表明:在长江中游地区存在一条东北西南走向低空切变线，切变线北侧偏东气流中回波较弱，而南侧西南气流中不断出现强对流云团发生发展、合并分裂现象，形成沿着切变线分布的α中尺度对流带。对流带中有多个东北西南向的β中尺度波列，这些波列由从西南向东北方向移动的γ中尺度回波所构成。新回波大多产生在老回波的后部。γ中尺度回波具有相应尺度的气流辐合辐散结构。各种云降水粒子与动力场相互配合，上升运动位置和强弱决定云水的位置和强弱。云发展初期降雨首先产生于低层，以暖雨过程为主，成熟期云中冰相粒子对降水非常重要。强回波区的降水会在近地面产生出流。在西南气流中，远离切变线的回波移速大于靠近切变线的回波，容易产生回波合并；强回波由于降水而产生下沉和辐散气流，易导致回波分裂。     

冰雹形成机制的研究并论人工雹胚与自然雹胚的“利益竞争”防雹假说

在播撒防雹中,如何实现人工雹胚与自然雹胚的增长竞争是决定防雹效果的关键,这实质上也是雹云物理的关键课题。经过对强对流(雹)云的流场特征和相应的过冷水场配置的综合分析和数值模拟研究,发现:(1)由于雹云流场的对流性,其中必然存在着一个主上升气流区和相对于云体的水平风速零的区域,它在垂直剖面上,可呈现出一条零线,可长大成冰雹的水凝物粒子是绕零线循环运行增长的,并逐步进入主上升气流区;(2)在雹云中存在着冰雹“穴道”,它位于主上升气流区边侧及零线下的入流区,其体积约为雹云总体的6％或更小,不论自然雹胚或是人工雹胚,只要进入“穴道”都经历着循环运行增长,其轨迹是相互交叉的,因而可以实现平等“竞争”;(3)“穴道”的存在和位置由流场特征决定,运行轨迹的基本形态也由流场决定,而粒子增长率及运行路径的长短由“穴道”内的过冷水场(过冷度和量)决定。     

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。     

十堰一次强对流天气雷达回波特征

利用十堰714C天气雷达回波资料,结合其它天气资料,分析了2004年7月6日发生在十堰境内的强对流天气过程。结果表明,这次强对流天气是在有利的大尺度天气形势下产生的,局地环境CAPE指数大,水平风的垂直切变较强。强降雹由多单体强风暴造成,回波强度强,高度较高,顶部有旁瓣假回波,低层存在弱回波区（WER）。雹云移动明显右偏于高空风,属右移风暴,以右后侧和右前侧传播方式发展。强降雹由后一种传播方式造成,初始回波从半空生成,云顶高度较高,强中心位于云体中上层。     

2008年盛夏阿克苏一次强对流天气成因及雷达回波分析

2008年7月24日阿克苏地区出现了暴雨、冰雹强对流天气。利用常规高空、地面观测资料和新一代天气雷达资料系统地分析了此次天气中环流背景、物理量场、雷达回波的演变特征。分析得出,此次强对流天气在上层干冷、下层暖湿的不稳定层结、充沛的水汽条件和较强的抬升运动的配合下,导致不稳定能量突增,直接诱发了强对流天气的发生、发展。雷达回波上的“v”形槽口、有界弱回波的出现、较强的垂直风切变以及气流辐合现象,均为强对流天气回波的典型特征。     

新一代天气雷达均一性评估

为实现对全国天气雷达不同波段、不同型号、不同区域的回波差异进行检测和评估,确保雷达组网数据的均一性,利用经过严格数据质量控制后的单站雷达CAPPI格点数据,建立了可靠的相邻雷达回波强度均一性检测算法,并根据我国天气雷达回波差异实际状况制定了均一性评估标准,实现均一性算法的业务运行,使雷达观测同一区域回波反射率的实时均一性评估成为可能。从评估结果来看:①S波段雷达整体均一性强于C波段雷达,SA雷达均一性状况最好,CC、CD雷达均一性状况较差;②以SA型号雷达为主的华东、华南地区均一性较好;③雷达波段不一,型号繁多的偏远区域均一性较差。均一性评估系统对有回波但回波强度、回波位置不正确以及雷达数据时间错位的情况,能有效弥补其他质控算法的短板,及时发现雷达回波异常,缩短故障修复时间,提高雷达数据准确性。     

基于注意力反向投影网络的天气雷达回波超分辨率重建算法

高分辨率的天气雷达数据能揭示探测天气目标的精细结构,对灾害性天气分析和预报预警至关重要。提高天气雷达反射率数据分辨率可以提升现有业务天气雷达对中小尺度强对流灾害性天气的监测和预警能力。本文在不改变雷达硬件的情况下,提出了基于注意力反向投影网络(Attention Back-Projection Network,ABPN)的天气雷达回波超分辨率重建算法用于提高雷达反射率数据分辨率。ABPN通过在深度反向投影网络(Deep Back-Projection Network,DBPN)中加入长短跳跃连接和通道注意力机制,对关键区域精细化重建结构特征。通过对实际天气过程超分辨率重建测试,结果表明,ABPN算法在雷达回波重建质量和主观视觉评估上有明显的优势,特别是在回波细节和天气雷达的边缘结构特征方面。     

弱冰雹云雷达回波结构特征分析

综合多种观测资料,对黑龙江省2005年初春产生的历史上少见的大范围冰雹天气进行了分析.讨论了雷达反射率因子与径向速度场的特征,着重分析回波演变过程中结构的变化.初春较低的温度,使得对流发展高度较低、强度较弱,不能使用通常的标准进行强天气判断.由于回波强度较弱,冰雹天气未出现典型特征回波,但径向速度特征表现的较为明显,在春季中尺度辐合辐散特征仍是较明显.对初春与其他季节产生冰雹的不同变化特征进行了分析和研究,对深入认识不同季节产生冰雹的雷达回波特征具有重要意义.     

四川盆地南部边缘一次局地风雹天气的中尺度及雷达观测分析

利用中尺度天气图分析方法和雷达资料分析了2015年5月7日盆地南部边缘一次强风雹天气过程。结果表明:1)在有利的天气尺度系统影响下,高低空冷暖平流叠加区域和中低层干线和湿舌交汇区域是强对流天气发生的落区;2)雷达回波显示,强对流风暴具有弓形回波、穹窿、弱回波区等冰雹回波特征,中层径向辐合和反射率因子核心的反复上升下降对形成地面大风和冰雹具有重要的指示意义,降雹前后VIL的突变对冰雹的预警也有重要的预警作用;3)地面大风与地形的关系密切,地形对大风的形成有很好的促进作用。     

一次强单体雹暴结构和成雹机制的数值模拟研究

利用NCEP再分析资料、L-波段雷达探空资料,分析了2010年6月15日发生在大连地区的强雹暴过程的环流形势和垂直气流结构;并利用中国科学院大气物理研究所的完全弹性三维雹云数值模式,模拟了该过程的雷达回波结构特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变,着重分析了冰雹云的成雹机制。结果表明,模式较成功地模拟出了雹云回波的强度和发展高度,并模拟出了回波墙、弱回波区及悬垂回波等一系列强冰雹云的回波结构特征。该雹云的冰雹主要由冻滴转化形成,冰雹的增大主要依赖于与云滴、雨滴的撞冻过程,即冰雹主要是通过撞冻过冷水长大;冰雹与霰粒和雪花的碰并过程比较强,而与冰晶的碰并增长量很小。     

基于昆明市精细化GIS的天气雷达标准格式基数据应用

以国家地理信息公共服务平台、云南数字乡村、Mapinfo公共数据为数据源,在C#开发环境下实现了精细到乡镇、公路、行政村、自然村的昆明市精细化地理信息系统(GIS)的自主研发,解决了基层气象部门缺乏精细化GIS的难题。介绍了标准格式基数据的解析、成图过程及注意事项,在全国范围内较早实现了天气雷达标准格式基数据在基层气象部门的业务应用。在业务应用过程中,发现了CC天气雷达标准格式早期基数据存在回波强度严重减弱的问题;昆明市精细化GIS与昆明天气雷达回波图的融合应用,可以精确定位雷达强回波区,对精细化气象服务具有指导作用,提高了强天气精细化预警能力、短时临近精细化预报能力和防灾减灾能力。