利用雷达资料反演方法对北京地区一次强对流天气过程的分析

利用多普勒雷达变分分析系统(VDRAS),对2006年8月1日傍晚北京城区出现的一次强对流天气过程(伴有冰雹、大风及强降水)的三维风场、温度场进行了初步分析.结果表明:(1)初始对流生成于北京西北部山区的河北省境内,系统过山移进北京城区时,受局地的动力及热力条件作用,迅速组织并强烈发展,形成带状的MCS即飑线;(2)在飑线生成之前,北京城区及东南部边界层低层存在较强的东风气流,并迅速扩展向西北方向延伸,与过山的西北偏北气流形成强的边界层辐合线.该近地面辐合线是飑线生成的主要触发机制,而边界层低层东风的加强和减弱以及北进和南退对辐合线的维持、飑线的生成、发展和减弱都起着重要的作用;(3)在边界层辐合线的作用下,不断有新生对流系统发展;(4)对流系统在整个发展过程中呈明显的带状分布特征,是一次典型的飑线过程,并伴有明显的阵风锋.     

复杂地形下北京一次局地雷暴新生和增强机制初探

利用变分多普勒雷达分析系统, 结合多普勒雷达观测、 地面自动站、 风廓线仪、 加密探空等非常规观测资料, 对北京地区2011年8月9日局地雷暴的新生和增强机制进行了较精细的分析。结果表明: 该过程是一次发生在弱垂直风切变环境下的局地强对流雷暴大风过程, 环境场有较强的不稳定能量(CAPE达2 798 J·㎏^-1), 地面高比湿带(＞20 g·kg^-1)在山前聚集, 城区西部山前存在一较强γ中尺度热辐合中心, 前期大气环境条件十分有利于对流发生发展; 上游移进北京的强雷暴受地形强迫作用影响, 其产生的冷池出流被抬高, 冷空气叠加在地面γ中尺度热辐合中心之上, 使山前局地大气层结更不稳定, 另一方面, 强冷池出流产生的边界层高层偏北风与近地面弱的偏南风构成有利于对流新生的垂直风切变, 地面热辐合中心、 边界层热力和动力不稳定的增强共同作用是局地雷暴新生的主要机制; 上游冷池出流边界(阵风锋)伴有的强温度梯度和边界层辐合上升运动是原有局地新生雷暴显著增强的主要原因; 多单体雷暴相互碰撞合并产生的辐合上升运动是局地雷暴得以持续的关键因素。     

一种基于学习型特征的多模态影像匹配方法

多模态影像在辐射特征和几何特征方面存在的显著差异,会造成高精度匹配困难。因此,本文提出了一种融合多尺度深度学习特征的多模态影像匹配方法,主要利用深度残差神经网络结构自主训练学习影像的学习型特征,得到多模态图像之间更为丰富和更为准确的同名特征点对,实现了对多尺度、多时相影像的协同稳健匹配。结果表明,本文方法对于多组实验均能够得到数量丰富且分布相对均匀的同名特征点对,并具有高效、稳健的匹配性能。     

气象灾害事件的数学形态学特征及空间表现

几何面特征是气象灾害的主要空间形态表现, 气象要素值的同化结果、下垫面地表类型、人口和财产的聚集特征组合在灾害特征面上的分布情况呈现显著空间差异及分布不均衡。利用空间分析和数学形态学方法, 依据城市地区复杂下垫面所表现的地表土地覆盖类型, 生成数字化动态卷积模板, 对建立在气象要素分布图上的图谱化网格进行动态膨胀和腐蚀操作, 计算结果可图形化表示为气象灾害在城市空间面上的影响图谱, 并以此作为气象灾害在城市地区造成影响的空间评估结果。针对北京1999年7月22日的高温灾害性天气的个例研究结果表明, 靠近或包含“水体”和“绿地”的空间网格区域大多被执行了腐蚀操作, 而建筑用地、道路、水泥地面等分布较集中区域的空间网格, 则被执行了膨胀操作。因此, 采用数学形态学的“面状灾害事件”空间形态特征的演算对表现灾害自然强度及评估多致灾因子下灾害的真实影响情况是非常有效的。     

基于雷达资料四维变分同化技术对北京地区一次下山突发性增强风暴热动力机制的模拟分析

利用三维数值云模式和雷达资料四维变分(4DVar)同化技术,通过对4部新一代多普勒天气雷达探测资料进行快速更新同化和云尺度模拟,初步分析了2009年8月1日发生在北京地区的一次短生命史、突发性增强风暴的低层动力和热力影响机制。此次风暴过程处于弱天气尺度背景和弱层结背景下,冷池和低层环境风场相互作用是造成山上对流风暴增强传播下山的关键机制,而风暴的短生命史和平原地区上空弱风垂直切变环境有关:在对流风暴产生的初期,由于平原地区局地热力、动力场分布的差异,在平原地区西部近地面形成冷池结构,而冷池的“障碍物”作用进而阻碍环境风场的传播。在此机制下,导致在冷池东南边缘附近形成辐合中心、较强的低层水平风垂直切变和全螺旋度大值中心,有助于风暴传播下山。在风暴临近山边阶段,平原地区原有冷池的“绕流”等机制仍然有助于形成有利于主体风暴传播下山增强的近地面辐合中心、强低层水平风垂直切变和全螺旋度大值中心等环境。此外,随着山上风暴降水产生若干冷池,由于风暴形成的阵风锋抬升作用以及新生冷池与老冷池的逐渐发展并相互靠近,使冷池之间暖空气不断抬升,在冷池之间低层形成较强的辐合中心、全螺旋度大值中心。并且,由于冷池边缘的热力场分布不均匀,同样在冷池边缘形成较大扰动气压和扰动温度,增大了垂直加速度,在冷池之间中高层形成上升气流区,这些机制使北部风暴重新增强和新生风暴产生的同时,最终也导致这些风暴互相靠近,合并组织成带状回波。风暴在平原传播阶段,带状回波产生的冷池进一步增强,并明显扩展。低层风场指示冷池出流(阵风锋)更加强烈且存在明显的“前冲”特征,显现出部分飑线系统特征。但是,由于此时平原地区处于弱风垂直切变环境,此时冷池强于低层风垂直切变,即冷池产生的负涡度大于低层风垂直切变产生的正涡度,因此,冷池前沿的上升气流向后倾斜并导致阵风锋逐渐离开主体风暴,不利于沿着出流边界形成新的对流单体,从而不利于维持对流风暴系统的发展传播。随后,阵风锋和前方东南气流交汇,形成新的孤立单体。并且,基于模拟结果计算了与对流系统发展密切相关的全螺旋度、风垂直切变。结果显示,风垂直切变(尤其是0—3 km)和全螺旋度与风暴发生和传播位置及强度相关性较高,反映出模拟量对带状回波风暴过程具有较好的指示意义。     

影响预报员应用先进天气预报技术的因素分析

先进的天气预报技术只有被预报员有效应用才能发挥其重要作用。为了促进预报员应用先进技术,有必要对影响预报员应用先进技术的各方面因素进行分析研究并提出对策,以提升气象服务能力和提高气象服务质量。本研究对短时临近预报新技术产品从无到有、预报员对新技术产品从陌生到接纳应用的整个过程进行连续3年的互动式调查评估,以B08FDP技术产品被预报员在北京2008年奥运气象服务中的应用过程为例,采用问卷调查和深度访谈的方式,通过2006年预报员的需求调查,挖掘出先进的预报技术产品要被预报员接纳和应用所面临的3个突出问题,并进行分析研究提出对策建议反馈给气象部门;通过2007和2008年追踪分析B08FDP被预报员逐步接受并应用的情况,揭示出要提高预报员对先进技术的应用,就要深入调查预报员需求并给予满足、有针对性地开展预报员培训教育、建立完善预报员与科研人员互动反馈的常态机制。     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

应用区域地基全球定位系统观测分析北京地区大气总水汽量

利用2000年6月1日～8月11日北京地区地基全球定位系统(Globe Positioning System)网遥感大气总水汽量试验的观测资料,分析了北京地区夏季大气总水汽量的时空变化,研究了大气总水汽量与日平均温度、地面水汽压和降水的关系.研究结果表明:大气总水汽量存在明显的时空变化,对于地理位置基本相近的台站,海拔高度的影响比较明显,一般情况下高山站的水汽总量低于平原站;在晴天,地面水汽压与大气总水汽量有较好的相关性,而在云雨日,由于高低层大气湿度的变化常常不同步,用地面水汽压估算的大气总水汽量具有较大的偏差;大气总水汽量短时间内的快速增加往往对应有降水过程出现,但总水汽量的大小与降水量之间并没有明显的相关,在降水预报中应综合考虑总水汽量的前期平均水平、短时的增幅和峰值大小等条件的影响.     

边界层风廓线雷达资料在北京夏季强降水天气分析中的应用

利用北京城区及周围3个站的Airda 3000边界层风廓线雷达提供的风廓线资料,详细分析了北京2005年8月3日的一次强降水天气过程.分析表明,降水前十几小时出现双层低空急流,急流层内结构复杂,呈现多中心结构.风廓线观测揭示,南高空槽和弱冷空气共同诱发产生的切变线低涡是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统,暴雨系统有很复杂的垂直结构.强降水开始前数小时(夜间)城区地面风场辐合,在临近降水和降水开始时辐合(或切变)层向上发展,这一过程有利于降水的发展.     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。