强对流天气资料同化和临近预报技术研究

强对流天气的精准预报依然具有极大难度和挑战性。为了提高强天气监测预报服务能力,"灾害性天气资料同化与临近预报系统开发"研究共开展了以下工作:研发了新的中气旋和龙卷涡旋特征识别算法,并在十几个龙卷风实例中成功地识别出龙卷涡旋特征;从多普勒天气雷达体扫数据中提取了诸多参数(超过20个),开展分类强对流天气(下击暴流、龙卷、冰雹和短时强降水)自动识别预警技术研究。快速更新循环预报系统可以有效地提高模式初值的质量,非常适合于短时天气预报应用。为进一步提高强雷暴预报的精度,提出了一种新的基于雷达反演水汽的"伪水汽"同化方法,以更好地初始化对流尺度的数值天气模式。旨在克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于"外推"的临近预报技术在2 h以上定量降水预报能力快速下降的缺陷而研发的融合技术具有提高短时临近降水预报能力的潜力。     

基于数学形态学的阵风锋识别算法

提出基于数字图像处理技术中的数学形态学的阵风锋自动识别算法。该算法首先基于阵风锋的反射率因子窄带形态、速度辐合和快速移动特征,计算相邻时次体扫反射率因子差、速度切变和速度梯度这3个参量场,综合这3个参量场,得到一个二维特征量;然后采用数学形态学算法对这个二维特征量进行二值化、膨胀、腐蚀、细化、剪枝及线段联通等处理,得到一条反映阵风锋骨架特征的曲线。利用武汉雷达观测的2个阵风锋过程的共53个体扫数据进行阵风锋识别算法检验,结果表明:该算法正确识别阵风锋39个,错误识别3个,漏识别11个;识别曲线与阵风锋位置和走向较为一致。     

2020年6-7月长江中下游极端梅雨天气特征分析

利用逐小时地面、风廓线和天气雷达观测资料,对局地分析与预报系统的再分析产品（Local Analysis and Prediction System-Live Products,Laps_Live）和欧洲中期天气预报中心的第五代再分析产品（The fifth Generation ECMWF Reanalysis,ERA5）在2020年梅雨期的日变化特征进行检验和分析。结果表明：LAPS_LIVE地面要素日变化与实况的相关性普遍比ERA5高。LAPS_LIVE对武陵山区地面温、湿度日变化再现能力不如ERA5,对大别山区海平面气压和地面温、湿度的日变化再现能力明显优于ERA5。两种再分析资料在江汉平原区的海平面气压和地面温、湿度的日变化均与实况误差很小。LAPS_LIVE地面平均风场的误差比ERA5小,但风场日变化幅度明显偏小、风速偏低;ERA5地面风场的日变化幅度和风速则比实况显著偏强。LAPS_LIVE低空风廓线的惯性振荡特征与观测一致,对上午时段低层风场的时间演变和垂直切变的再现能力强于ERA5,但对夜间低空急流的再现能力不足。ERA5低空风场高估上午时段的偏北风和凌晨时段的西南低空急流,但ERA5的低空风廓线平均场比LAPS_LIVE更接近探测值。

     

DTM法土方量计算的工区边缘高程点选取问题与精度分析

DTM法土方量计算是工程施工中较为常用的一种方法,选取不同的高程点将获得不同的DTM,进而会影响到工区内土方量计算的精度。本文对不同工区的多种高程点选取方式进行了实验及分析,从中总结了一种较为有效的并兼顾精度的工区边缘高程点选取方法。     

地基雷达与TRMM/PR的一致性分析

天气雷达对中小尺度灾害性天气具有较强的监测预警能力,对研究中小尺度对流系统的云雨结构、理解降水内部的热力学和动力学过程有很大的帮助。单站点地基雷达受到诸如电磁波衰减、地物干扰等影响,在探测上存在一些限制。为了扩大天气雷达探测区域,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而雷达组网的各雷达之间没有进行统一标定,影响雷达网资料一致性、组网拼图,以及使雷达资料在数值模式同化的应用中受到限制。本文以TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的经过精确标定的测雨雷达PR(Precipitation Radar)数据产品作为标准参照源,订正地基雷达GR(Ground-based Radar)的反射率因子偏差。为了减小PR与GR之间观测值对比的不一致性,利用最佳配对数据对比法(ABCD, Available Best Comparable Dataset法),对2008年1月至2014年9月间,江苏省六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)的反射率因子值进行订正。最后对方法的应用范围、存在的问题及未来展望进行了讨论。     

SWAN系统中QPE产品的应用评估

“灾害天气短时临近预报系统”(SWAN)在我国气象预报业务中已得到广泛应用。文章介绍其中雷达定量降水估算QPE算法 (RASIM方法)的技术与特点,选取湖北省6部S波段多普勒天气雷达在2012年探测的暴雨天气过程资料,系统性评估了SWAN系统中QPE产品实用性,初步分析了产生估算误差的原因。评估表明：整体而言该方法在湖北省使用效果较好,平均绝对误差率小于30%;探测距离的增加对S波段雷达QPE精度影响不大;各雷达对30 mm以上降水的估算平均绝对误差率较小,但估算结果较实况偏弱,随着雨量（雨强）增大,低估的比例也增大。就单部雷达而言,宜昌雷达估算降水误差最大,武汉雷达受附近建筑遮挡影响次之,恩施雷达估算降水误差最小。     

多普勒雷达晴空回波识别与应用

在现有多普勒天气雷达资料质量控制基础上,采用徐州雷达站2009年4月和9月雷达资料,统计并对比几种常见的降水回波与非降水回波特性,找出一种有效地识别晴空回波的方法。该方法在不同径向距离区间(小于25km及25～200km)采用不同的识别参数,能够较好地将非降水回波中对临近预报有用的晴空回波信息保留,而将其他非降水回波信息(地物回波、超折射回波等)剔除。依据该方法识别的晴空回波区域所对应Doppler速度可用于判别大气平流状况,从而为预报工作提供帮助。     

一次梅雨锋附近“列车效应”致灾大暴雨过程观测分析

2016年7月6日在武汉发生了一次造成城市严重内涝的暴雨过程。本文利用多普勒天气雷达、逐小时地面加密观测资料和EC 0.25°×0.25°细网格模式数据,对这次梅雨锋附近极端暴雨的降水特征、中尺度对流系统演变和暴雨成因等进行了细致分析,结果表明:(1)本次大暴雨是在典型梅雨期环流形势下发生的,副热带高压西北侧的高温、高湿区配合江淮切变线稳定少动,暴雨则出现在西南低空急流风速辐合区,925 hPa西南低空气流的进退有利于东北路冷空气南下,这与雨带的落区和维持有密切联系。(2)梅雨锋狭长雨带上的降水量分布呈现不均匀性,强暴雨主要集中在几个中心,降水中心的分布与梅雨锋附近低层风场扰动有关,梅雨锋雨带上产生大暴雨是一个典型的中尺度对流系统(MCS),沿着西南一东北走向的引导气流移动,湖北特殊地形促使"列车效应"进一步加强。(3)列车线主要由江淮切变线或边界层辐合线附近的中尺度系统扰动形成,地面中尺度气旋性辐合及低空西南急流长时间维持,是形成"列车效应"的主要原因。(4)MCS在雷达回波上有三个明显特征,第一个是MCS在雷达回波形态上属于带状对流,由层状云和列车线共同组成,雨带与西南气流走向一致;第二特征是层状云和列车线移动方向几乎一致,MCS移动方向与列车线走向平行,垂直于列车线的分量很小;第三个是对流单体在列车线上游新生、加强,并向下游移动,对流单体的传播方向和列车线方向相反。(5)西南急流向近地面扩展、"牛眼"结构及风随高度顺转等中尺度系统,促使近地面扰动加强,诱发强降水。     

基于风廓线雷达的湖北梅雨期暴雨中小尺度特征

针对2016年湖北梅雨期3次(“6·19”、“7·5”和“7·19”)暴雨过程,首先对比了汉口站探空数据与汉口、咸宁两个风廓线雷达站水平风速、风向,发现“6·19”和“7·5”过程汉口风廓线雷达站3 km以下水平风速和探空数据较为接近,而3次过程中咸宁风廓线雷达站8 km以下水平风向、风速和汉口站探空数据基本吻合。在此基础上利用风廓线雷达资料并结合常规、加密自动气象站资料,对3次过程中水平风场、平均垂直速度及其变率、水平风速垂直切变、大气折射率结构常数(C■)等进行分析。结果表明：(1)降水开始前西南风速明显增大,中层干冷空气入侵和地面冷池形成的中尺度偏东气流是“6·19”过程50站出现大于等于17.2 m·s^-1大风的主要原因,“7·5”和“7·19”过程西南急流长时间维持及1 km以下的偏东气流则是短时强降水持续时间较长的诱因;(2)梅雨期暴雨期间风廓线雷达观测的水平风速垂直切变、平均垂直速度及其变率随高度变化较小,较强上升运动区域主要集中在4 km高度以下;(3)C■显示强降水发生前大气水汽含量有一增加过程,且整层水汽含量深厚,C■大值区的消失对应降水结束。     

中国暖季短时强降水分布和日变化特征及其与中尺度对流系统日变化关系分析

基于湖北省地面加密自动站2010-2015年的分钟雨量数据,利用滑动累积的小时雨量识别短时强降水事件,对比分析了鄂东南、鄂东北、武汉、江汉平原、鄂西北和鄂西南等六个预报区域的短时强降水日数、频次的时空分布特征,并对极端短时强降水进行初步探讨。结果表明：（1）短时强降水年均日数有明显的局地特征,强降水中心主要集中在鄂东南、鄂东北、武汉、鄂西南等区域;月变化呈显著单峰型特征,峰值在7月。（2）短时强降水的频次分布也具有明显的月变化和日变化特征。从月变化上看,江汉平原、鄂东南呈双月峰值分布（6月和7月）,武汉和鄂东北地区的主峰在7月、次峰在6月,鄂西北和鄂西南地区的主峰在7月、次峰在8月;从日变化上看,鄂西北（04时和19时,北京时,下同）、鄂西南（01时和17时）、鄂东北（08时和16时）、鄂东南（07时和16时）呈双峰分布,江汉平原呈单峰分布（07时）,武汉呈多峰分布（07-14时）。（3）极端短时强降水阈值范围为53~124.8 mm,具有夜发性特征,峰值在午后15时到凌晨01时,空间分布较为零散,相对而言,武汉地区观测到极端短时强降水的可能性最大,鄂西南和鄂西北最小。