Identification of Convective and Stratiform Clouds Based on the Improved DBSCAN Clustering Algorithm

A convective and stratiform cloud classification method for weather radar is proposed based on the density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN) algorithm. To identify convective and stratiform clouds in different developmental phases, two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) models are proposed by applying reflectivity factors at 0.5° and at 0.5°, 1.5°, and 2.4° elevation angles, respectively. According to the thresholds of the algorithm, which include echo intensity, the echo top height of 35 dBZ (ET), density threshold, and ε neighborhood, cloud clusters can be marked into four types: deep-convective cloud (DCC), shallow-convective cloud (SCC), hybrid convective-stratiform cloud (HCS), and stratiform cloud (SFC) types. Each cloud cluster type is further identified as a core area and boundary area, which can provide more abundant cloud structure information. The algorithm is verified using the volume scan data observed with new-generation S-band weather radars in Nanjing, Xuzhou, and Qingdao. The results show that cloud clusters can be intuitively identified as core and boundary points, which change in area continuously during the process of convective evolution, by the improved DBSCAN algorithm. Therefore, the occurrence and disappearance of convective weather can be estimated in advance by observing the changes of the classification. Because density thresholds are different and multiple elevations are utilized in the 3D model, the identified echo types and areas are dissimilar between the 2D and 3D models. The 3D model identifies larger convective and stratiform clouds than the 2D model. However, the developing convective clouds of small areas at lower heights cannot be identified with the 3D model because they are covered by thick stratiform clouds. In addition, the 3D model can avoid the influence of the melting layer and better suggest convective clouds in the developmental stage.     

多普勒雷达速度场缺测区域填补技术的数值模拟

针对多普勒天气雷达探测风场时,常因大面积无回波区的存在,对提取平均散度和平均形变信息的精度有较大影响。利用Sirmans建议的技术来模拟降水回波信号,得到含有0、1、2阶谐波的平面线性速度场并进行加噪处理,得到近乎真实的多普勒速度场。对模拟的平面线性速度场人为设定无回波区,利用VAD技术和迭代法对平面线性速度场做连续性缺口和非连续性缺口的迭代法填补。数值模拟结果表明:对于模拟的无噪声平面线性速度场,迭代法可以基本无误差填补连续性累积缺口在10°到180°的速度场无回波区;对连续性累积缺口,在σ_v=2m·s~(-1),SNR≥5 dB和SNR=20 dB,σ_v≤4 m·s~(-1)的情况下,连续性累积缺口在120°以内,迭代法能较高精度地填补速度场无回波区,填补后0、1、2阶谐波误差绝对值基本能控制在15%以内,80 km距离圈上缺口处迭代前后速度相对误差均在30%以内;对非连续性累积缺口为0°～180°的平面线性速度场,在附加不同噪声条件下,迭代法均可较好地填补累积缺口在180°以内的平面速度场,且80 km距离圈上缺口处迭代前后速度值误差均能控制在15%以内。说明利用迭代法填补多普勒速度场无回波区,填补效果较好,精度较高,这对改善从多普勒速度场中提取平均散度和平均形变信息的精度有极大的帮助作用。     

黄山大气气溶胶微观特性的观测研究

根据2008年4—7月黄山大气气溶胶观测资料,研究了气溶胶粒子的数浓度、谱分布特征及其与气象因子的关系,探讨了雾天和非雾天气溶胶颗粒物时间和尺度分布特点。分析发现,黄山光明顶春、夏季大气气溶胶数浓度的平均值分别为3.14×103个/cm3和1.80×103个/cm3,其中超细粒子(粒径小于0.1μm的粒子)在春夏季分别约占总粒子数浓度的79%和68%;高数浓度值集中在粒径0.04～0.12μm;积聚模态气溶胶粒子(0.1～1.0μm)在体积浓度分布和表面积分布中占很大比例。结合气象资料比较了雾天与非雾天气溶胶分布的差异,发现细粒子浓度非雾天大于雾天,而气溶胶数浓度与温度呈正相关,与相对湿度成反相关。结果还发现,黄山在春季以西北风和偏南风为主,西北风时气溶胶数浓度较高,在夏季主要以偏南风,特别是西南风为主,但是气溶胶数浓度的高值多发生在偏东风的条件下。     

RegCM3引入气溶胶间接气候效应模拟效果对比

利用2006年区域气候模式RegCM3和Streets气溶胶排放源清单,在原模式中引入间接气候效应模块,改进云降水方案,对硫酸盐气溶胶的时空分布、辐射强迫效应进行了模拟研究。结果表明：硫酸盐气溶胶辐射强迫有明显季节变化;直接效应使地表温度降低,冬春季大值区出现在四川盆地,夏季大值区出现在华北平原。对降水的影响,主要表现在西南—东北水汽输送带上降水减少;其间接气候效应主要表现在使南方地区温度上升、北方地区温度下降;珠江流域和黄河流域降水减少,长江流域和东北地区降水增加。总的来说,直接效应大于间接效应。     

低纬高原一次飑线过程的地闪演变特征分析

利用雷电定位资料、多普勒雷达资料和FY-2E红外卫星资料,分析了滇西南一次典型飑线过程的地闪变化特征。结果表明,这是一次由切变线云带内的对流单体与台风外围对流单体合并形成的典型飑线过程。在飑线发展初期,负地闪占主导地位,地闪频数在波动中缓慢增加;在飑线成熟阶段,地闪频数较高,负地闪频数达到最大峰值前10～15min,正地闪出现最大峰值;在飑线减弱阶段,地闪频数急速下降,正地闪所占比例急剧增加,当正地闪所占比例超过地闪总数的8%以上时,地闪活动开始呈减弱特征。负地闪主要发生在强对流区(>40dBz),对应着径向速度场上的辐合区,密集的正地闪发生在飑线成熟阶段,对应着辐合区附近>40dBz的强回波区域,稀疏的正地闪发生在强回波外围的云砧或稳定性降水部位。在飑线整个发展阶段,-10℃,-20℃层高度上雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频数的跳跃发展,且-10℃和-20℃层高度上雷达回波强度总在地闪频数变化之前6～30min。负地闪集中出现在-92～-90℃和-76～-74℃的云区,而正地闪集中发生在-90～-60℃的云区。     

夏末华北低槽尾部雹云的生成环境和结构特征

利用常规观测资料、多普勒雷达和卫星探测及反演资料、区域自动站资料及NCEP再分析资料,分析了2009年8月27日冀中南地区的突发性强风雹天气过程。结果表明,扩散南下的弱冷空气对强对流起触发作用,地面辐合线进一步促进了对流发展。雹云发展于上干下湿的环境场中,凝结潜热释放可能为雹云迅速发展提供了能量,中等偏强的深层垂直风切变为雹云的发展和维持提供了有利的动力条件。但08:00湿层低而浅薄、0℃层高度偏高(高于历史出雹的平均高度)和云顶亮温相对高等特征增加了预报难度,而相对高的云光学厚度可为午后强对流发展提供短临预报信息。雹云在雷达反射率产品上表现为线状排列的"超级单体族"特征,向东传播的多单体风暴使强风雹天气得以持续。     

华北地区典型污染天大气气溶胶飞机探测个例分析

利用2005年10月17日华北地区一次典型污染天气条件下的飞机探测资料,对石家庄和邯郸气溶胶的微物理特征进行了对比分析,初步讨论了该天气条件下大气气溶胶污染的微观特征和可能原因。结果表明,观测当天石家庄和邯郸地区的气溶胶粒子浓度很高,边界层内气溶胶平均数浓度为103cm-3量级,最高值出现在近地面附近,达到104cm-3量级;边界层以上的数浓度基本都在103cm-3量级,属于空气污染比较严重的一次过程。造成污染的原因是该日晴天风小,大气湍流较弱,不利于污染物扩散和稀释。基于美国国家海洋和大气局(NOAA)后向轨迹模式(HYSPLIT4)对颗粒物进行溯源和追踪分析,发现造成气溶胶浓度较高的气块传输路径主要为西北和偏西路径,境外源主要来自蒙古国,境内源主要来自我国西部,途经甘肃、宁夏、陕西及山西后进入河北。     

一次梅雨暴雨的动能谱特征分析及收支诊断

利用WRF模式和NCEP再分析资料,对一次梅雨暴雨个例进行了数值模拟,基于高分辨率的模拟结果计算了水平动能谱、涡旋动能谱及辐散动能谱,诊断了动能收支谱方程。结果表明:在暴雨发展阶段,各个高度上都有中尺度动能增长,其显著增加始于中尺度低端,这导致了在中尺度波段出现谱转折特征,但在不同高度转折尺度不同;对流层高层涡旋动能大于辐散动能,平流层低层反之;不同降水阶段、不同高度和不同尺度上动能的来源不同,对流层高层,中尺度动能倾向由非线性项和气压项贡献;平流层低层,气压项的作用更为明显。     

登陆我国热带气旋中心最低气压和最大风速关系研究

热带气旋(TC)登陆时中心最大风速会发生明显衰减,研究此时的风压关系对风暴潮模拟和预测具有重要意义。采用中国气象局上海台风研究所数据资料,对1949—2016年风压关系序列的一致性进行检验,登陆风压关系公式拟合及误差分析。结果表明:1970s后风压关系发生变异;新公式在计算登陆风速时要优于原公式,尤其是大风速情况下;相同气压下台风在近岸时风速明显小于大洋中,且登陆时风速越大衰减越剧烈。     

基于省区协调发展的GDP预测模型

基于柯布-道格拉斯生产函数与自回归移动平均模型(ARIMA)构建出一个GDP综合预测模型,并且考虑十九大全面建成小康社会与实现共同富裕的精神与国家关于技术、资本、劳动力等方面的区域平衡发展战略调整模型的参数,计算了2016—2050年中国分省的GDP总量与人均GDP,进一步通过计算省区间人均GDP的基尼系数来分析省区协调发展的水平。研究结果表明,在考虑省区协调发展时,各省区在2016—2050年间的GDP总量与人均GDP的差距逐渐缩小,省区间人均GDP的基尼系数将从2015年的0.219下降到2030年的0.176和2050年的0.137,未来区域间发展不均衡的态势在实现经济稳步增长同时可以得到缓解。