基于S波段双偏振雷达的成都初春冰雹特征分析

为更好地开展成都冰雹天气的监测预报预警工作,利用成都S波段双偏振雷达探测资料,结合区域自动气象站以及常规观测资料,对成都初春冰雹的双偏振参量特征进行研究,重点分析冰雹云的精细结构,并与同年初春发生的短时强降水进行对比分析。结果表明：在高低空急流耦合形成强上升运动的动力条件下,高层冷平流结合地面冷空气共同触发了成都“3·16”冰雹天气。发展成熟的冰雹云,其中心反射率因子(Z_H)超过70 dBZ且存在明显的悬垂强回波,差分反射率(Z_DR)和相关系数(Correlation Coefficient,CC)分别集中在-2～1 dB和0.8～0.95,并伴有差分相移率(K_DP)空洞和云体前侧的CC谷结构,同时在强上升气流附近存在典型的Z_DR柱。伴随上升运动减弱,冰雹云前侧出现随距离递减的Z_DR大值区,相反CC则呈现递增趋势。相较冰雹云,强降水对流云的Z_H较小,而Z_DR、CC明显偏大,且其前侧未出现悬垂强回波及明显的Z_DR柱...     

X波段双偏振雷达冰雹偏振参量特征分析

利用MaXPol双偏振雷达观测的26个雹云单体和冰雹资料进行反演,统计分析了降雹前偏振参量特征和强中心回波顶高变化,并对雹灾最严重的一次过程进行个例分析。结果表明：①雷达的冰雹指标为Zh（反射率因子）＞50dBz、ρHV（相关系数）≤0.8、-2dB＜Zdr（差分反射率）＜1dB且强中心回波顶高至少超过-10℃层。降雹前时间为6～12min,大冰雹的平均时间是小冰雹的1.6倍。②降雹前大、小冰雹强中心回波顶高走势一致但在4～5min大冰雹强中心回波顶高增长率明显大于小冰雹。③只有大冰雹强中心回波顶高能突破-30℃层。④个例分析发现强中心与冰雹区并非一一对应,生成发展阶段冰雹区集中位于强中心后侧相关系数环内,悬垂于0～-20℃层;成熟阶段冰雹区扩散包含强中心,悬垂的冰雹区坍塌接地,降雹开始。     

基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析

利用广州S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达资料,对2022年3月26日一次降雹超级单体风暴成熟阶段的雷达观测特征开展分析,结果表明:超级单体呈现出钩状回波、回波悬垂、中气旋、三体散射等经典结构特征。径向速度上观测到中低层辐合、高层辐散以及中气旋和反气旋共存的双涡旋结构,有助于超级单体的维持发展。偏振特征分析发现,超级单体低层出现了反射率因子(ZDR)弧,低层强回波区对应偏小的差分反射率(ZDR)、低的相关系数(CC)和大的差分相移率(KDP),符合融化的冰雹特征。中层观测到ZDR环、CC环和三体散射(TBSS)的偏振特征。高层强回波区对应低的ZDR、较高的CC和低的KDP,对应空中干的大冰雹。垂直方向上观测到ZDR柱和KDP柱,ZDR柱最大发展高度达到8 km。X波段相控阵雷达更快的扫描速度还精细监测到超级单体钩状回波和中气旋的形成演变过程,低层也观测到与S波段双偏振雷达类似的ZDR弧特征和融化中的冰雹特征,但是使用中要留意衰减造成的影响。     

不同尺寸冰雹S波段双偏振雷达偏振量特征统计

冰雹大小影响天气灾害的程度,为发展基于双偏振参量识别冰雹大小的算法,筛选了2019年、2020年山东省发生的33例冰雹事件,依据我国冰雹等级划分标准将其划分为小冰雹、大冰雹、特大冰雹,基于湿球0℃及冰雹融化特性确定了7个高度层,探讨了3类冰雹在不同高度层的双偏振参量分布特征,并获得了冰雹的偏振参量阈值。研究表明：在相同高度,冰雹越大雷达水平反射率因子Z_h中位数越大、差分反射率因子Z_dr中位数越小且基本为正值,但在-10～-20℃层,大冰雹的Z_dr中位数易呈现负值;相关系数CC中位数随冰雹增大或高度降低而减小,但特大冰雹在0℃层到H_0℃-1 km (0℃层下1 km)之间由于融化比例较小CC反而会稍大;冰雹差分相移率K_DP中位数在0℃层以上为0°/km左右,在0℃层以下随高度降低冰雹融化而增加;大冰雹或特大冰雹基本特征是Z_h大、CC小、Z_dr小,CC可低至0.7以下,所有冰雹的Z_dr、K_DP可...     

基于X波段双偏振相控阵雷达的超级单体风暴观测分析

为了研究X波段双偏振相控阵雷达对超级单体风暴的探测能力,利用X波段双偏振相控阵雷达和S波段双偏振天气雷达资料,分析了一次发生在华南地区的超级单体风暴在成熟阶段的精细结构观测特征,结果表明：X波段双偏振相控阵雷达较高的时空分辨率有利于精细监测超级单体快速演变过程,但同时受衰减影响明显,超级单体核心区后侧出现明显的“V”型缺口;超级单体的低层观测到CC谷和ZDR弧,中层观测到ZDR环和CC环,高层高ZH区对应较小的ZDR和CC,这些都是超级单体发展旺盛的重要特征;垂直方向上观测到ZDR柱,ZDR柱与上升气流密切相关。降雹前ZDR柱迅速增加,冰雹降落后ZDR柱高度迅速降低。冰雹降落到地面后会部分融化,导致含水量显著增加,因此在近地层出现KDP大值区,冰雹与降水的混合相态则使得CC降低,这对冰雹的临近预警和识别冰雹在地面的降落位置具有很好的指示意义。研究结果可为X波段双偏振相控阵雷达在强对流天气监测预警中的应用提供参考。     

不同强度强对流云系S波段双偏振雷达观测分析

通过厦门S波段双偏振天气雷达观测到的超级单体、普通降雹单体和非降雹单体三种不同强度的强对流个例,分析其在发展、成熟阶段出现的双偏振参数特征差异,包括差分反射率(Z_(DR))、差分相位差(K_(DP))、相关系数(CC)等,发现:Z_(OR)柱和K_(DP)柱是不同强度强对流云体内部普遍存在的动力特征;超级单体和普通降雹单体在近地层还有表征入流区的CC谷特征;此外在超级单体成熟阶段低层还出现了Z_(DR)弧、K_(DP)印,以及高层对应着大冰雹的CC低值区等特征。Z_(DR)柱不仅可用于识别过冷水区还具有预测强对流云体未来发展趋势的能力,利用CC谷可识别强单体的入流区,K_(DP)柱、K_(DP)印及其空缺可识别强降水、大冰雹区等,因此双偏振参量特征识别在强对流短时临近预警预报、人工防雹方面都具有很强应用潜力。     

一次华南超级单体风暴的S波段偏振雷达观测分析

利用珠海与澳门共建的中国首部S波段业务双偏振雷达探测资料、风廓线资料和地面加密观测资料,对2015年4月20日发生在珠海附近的一次典型华南春季冷锋触发的超级单体风暴的偏振观测特征进行了分析。天气分析表明,风暴发生于地面冷锋和低空切变线附近,中等对流不稳定（对流有效位能为1300 J/kg）和较强风垂直切变（0-6 km风矢量差为20 m/s）环境中。环境总理查逊数为18,与中纬度典型超级单体的生成环境接近,风暴相对螺旋度为2.9 s-1。偏振观测分析表明,大雹粒子的翻滚使冰雹区具有水平反射率因子高（>50 dBz）、差分反射率低（-1-0.5 dB）的特点;雨和冰相粒子的混合导致了相关系数的下降（小于0.9）;比差分相位观测对冰雹并不敏感（比差分相位与水平反射率因子的线性拟合率仅为0.05）。在混合相粒子和液相粒子的共同作用下,融化层附近存在差分反射率增大、相关系数减小的现象。风暴侧前方下沉气流偏东侧边界（水平反射率因子梯度高值区）存在一条“差分反射率弧”（差分反射率高值区）,主要由大雨滴构成,粒子分选机制合理解释了其形成原因。同时,相对较大的环境风使差分反射率弧更加远离（相对北美观测事实）风暴主体。风暴水平反射率因子中心附近存在“差分反射率柱”,与大雨滴被上升气流（连续分布的正径向风）带入高层冻结且失去取向稳定而导致差分反射率值迅速减小有关。      

江西一次冰雹过程的S波段双偏振雷达回波特征分析

2020年3月21—23日江西省出现一次冰雹伴随短时强降水过程,3月21日夜间出现的冰雹天气是在西南气流暖湿强迫背景下产生的,22日中午前后的降雹属于显著冷暖平流导致的斜压锋生类强对流天气。利用常规气象观测资料以及南昌双偏振雷达资料,重点对此次过程强对流云系中水凝物相态演变进行了分析。结果表明：冰雹特征（反射率因子<Z_H>60 dBz,差分反射率Z_DR<0 dB）首先出现在0℃层高度区域,后向上向下发展,由于22日当天干球、湿球0℃层高度均在3.8 km左右,融化层厚度小、高度低,且地面温度>20℃,冰雹在下降过程中Z_DR和差分相位率K_DP由负值逐渐转为正值,零阶滞后相关系数C_C逐渐加大至0.9以上,但某些时刻仍具有大冰雹特征（Z_DR<0,C_C<0.9）,表明冰雹在下落过程中出现融化形成外包水膜的小冰雹或大雨滴,但仍有部分大冰雹落地。三体散射现象持续时间长,对应Z_DR具有较大坡度,显示其正值到负值突变,C_C呈现非气象回波特征。冰雹粒子特征主要为Z_H>60 dBz、Z_DR<0dB、C_C<0及K_DP趋近于零,当存在大冰雹时Z_DR<0、C_C<0.9;对比短时强降水时发现Z_DR≥1 dB、K_DP≥1°·km^-1并呈现出随Z_H增大而增大的特征,C_C主要在0.95～1之间,表明强降水主要由大雨滴造成,因此通过双偏振特征变化可判断冰雹向强降水过程的转换。     

北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用

针对2018年夏季北京15次强对流天气过程,利用房山单站X波段双偏振雷达与北京观象台S波段天气雷达探测产品进行对比分析,探讨新探测手段的应用价值。结果表明：相对于常规天气雷达来说,双偏振雷达在粒子识别方面具有明显优势,成为冰雹等天气监测、预报预警的强有力手段。在冰雹识别上,X波段双偏振雷达的差分反射率因子（ ZDR）和相关系数（ρhv ）是两个重要的偏振量,ZDR 较小,接近0,有时为负值; ρhv小于0.9。在强降水识别方面, ZDR大值和差分传播相移率（KDP ）能够较好地指示雨强较大的降水。低仰角的 ZDR达5dB以上,KDP 在8°/km以上, ρhv达0.95以上时,地面5分钟雨量可达到或超过10mm。两种雷达的对比分析来看,反射率因子强度（R）、垂直累积液态水含量（VIL）均较SA天气雷达强度偏强。此外,由于X波段雷达波长较短,单部雷达的探测波束经过强降水区会发生比较严重的电磁衰减,致使强降水后部的降水回波强度偏弱,严重影响预报员对降水强度和降雨持续时间的判断,需要与SA天气雷达配合使用或者利用多部X波段雷达组网进行强降雨的监测分析。     

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。     

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。     

基于X波段双偏振雷达的贵州威宁一次冰雹过程水成物粒子识别研究

利用贵州威宁雪山X波段双偏振天气雷达一次冰雹过程观测资料,基于MATLAB软件对雷达观测数据进行数据质量控制基础上利用模糊逻辑算法对冰雹云中水成物粒子进行识别分类,主要结论如下：（1）采用综合小波去噪能够有效去除差分传播相位（ФDP）存才的脉动和毛刺,保证ФDP的连续性和平滑度,保留有效ФDP值,其用于雷达反射率因子衰减订正具有较好的效果。（2）冰雹形成与低密度霰（LDG）、高密度霰（HDG）以及过冷水（SCW）的增减演变较为对应,霰粒子是冰雹形成的关键粒子。（3）从霰粒子出现到识别出冰雹时间为26 min,约4个体扫时间,从识别出冰雹到地面观测到降雹32 min,约5个体扫时间。（4）冰雹识别结果与地面观测总体一致,所构建的识别参量阈值基本合理,研究所构建的粒子相态识别方法在贵州威宁具有普适性,可为冰雹早起识别、预警和人工防雹作业提供技术和理论支撑。     

一次冬季冰雹的双偏振多普勒天气雷达回波分析

为研究双偏振雷达资料在冬季冰雹监测预警中的应用,利用厦门S波段双偏振雷达资料,分析了2016年12月21日福建漳州冰雹的回波特征。发现在降雹过程中,最强回波达69 dBZ,三体散射回波径向长度达16 km,旁瓣回波切向宽达20 km,低层的钩状回波与入流缺口明显;冰雹区的差分反射率因子Z_(dr)和差分相位常数K_(dp)数值小,冰水混合区的相关系数ρ_(hv)较低。分析表明:此冰雹个例并非典型的超级单体,但存在超级单体的部分偏振回波特征,回波前侧下沉气流存在Z_(dr)弧,可延伸到中层,在入流缺口和后侧下沉气流处,Z_(dr)柱和K_(dp)柱成对出现,中层存在CC的低值环。     

模糊逻辑法在双线偏振雷达识别降水粒子相态中的研究

利用基于T矩阵法建立的降水粒子雷达探测模型,建立了基于支持向量机（Support Vector Machine,SVM）的雷达降水类型识别模型。通过样本数据归一化预处理,并考虑到样本集中各偏振参量间是非线性的,择优选径向基核函数作为非线性支持向量机的核函数,采用粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）获取最优核函数参数C和γ,使模型达到较高分类预测准确率。建立的SVM雷达降水类型识别模型,在各仰角的预测准确率于X波段可达80%以上,于S波段可达95%左右。进一步分析发现,当多波长下预测降水类型相同时,分类预测结果准确率可达97.3%,而错误的概率仅为2.7%。可见,所建立的SVM雷达降水类型识别模型,有效提高了雷达对流天气下降水类型的识别能力。

     

基于雷达特征参数的贵州中西部雹云单体跃增特征分析

利用2016-2019年贵州省人工影响天气作业站点上报信息、市（州）的灾情快报,以及毕节、贵阳、兴义3部新一代多普勒天气雷达资料等,分析贵州中西部7个具有多阶跃增特征的雹云单体的雷达参数演变特征,研究发现：（1）二阶跃增冰雹云演变呈发展-跃增-降雹-减弱-再发展-跃增-降雹的趋势;（2）降雹时刻,雹云的最大反射率因子（MaxREF）、45dBz回波高度（H45dBz）、回波顶高（H0dBz）、垂直累积液态水含量（VIL）平均值分别为63.4 dBz、7.55km、12.01km、39.08 kg/m2;大冰雹对应的MaxREF和VIL较小冰雹更大,大冰雹、小冰雹的H45dBz差别不大,大冰雹对应的H0dBz反而小于小冰雹;（3）冰雹发生前,MaxREF、H45dBz、H0dBz和VIL两个体扫间平均最大跃变分别为：5.89 dBz、2.19km、2.82km、17.5 kg/m2,跃变现象的出现比冰雹发生时刻平均提前21.4、22.2、28、28.8min,可以作为冰雹发生前的重要判断依据。     

南京地区一次强降水超级单体过程的双偏振雷达观测分析

基于南京信息工程大学C波段双偏振雷达观测数据,结合探空和地面实况资料,对2016年7月7日发生在南京地区的一次强降水超级单体过程进行双偏振雷达变量特征分析。结果表明：(1)当后向传播和多单体合并造成02—03时出现129.2 mm·h^-1极端强降水时,最强回波Z_H约60 dBZ,差分反射率因子Z_DR达5 dB,差分相位常数K_DP超过8 (°)·km^-1。K_DP大值区与地面上小时雨强极大值中心存在较好的对应关系。反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR、差分相位常数K_DP与小时雨强也有显著的正相关。(2)强降水超级单体发展旺盛阶段,垂直运动明显增强,上升气流活跃,冰雹和霰占的比例高,-20°C以上存在深厚的混合相态区,闪电的频次和强度明显增强,分钟雨强增大。相关系数小值区ρ_HV以及Z_DR弧超前于超级单体1个体扫发生,并可以指示超级单体底层上升气流区的位置...     

江淮梅雨期极端对流微物理特征的双偏振雷达观测研究

为研究梅雨期极端对流系统的微物理特征,利用2013—2014年江淮梅雨期间南京溧水S波段双偏振雷达探测资料和地面自动站小时降水资料,统计分析了两类极端对流降水系统的微物理特征及差异。这两类极端对流系统的定义基于地面降水强度和雷达回波顶高,分别为所有对流中降水强度最强的1%（R类:小时降水强度>46.2 mm/h）和对流发展高度最高的1%（H类:20 dBz回波顶高>14.5 km）。结果显示这两类极端对流系统仅有30%的样本重合,显示了二者之间的弱相关性。对于相同的反射率因子Z_H,R类极端对流系统的近地面差分反射率因子Z_DR通常较H类极端对流小约0.2 dB,表明R类极端对流具有较小的平均粒径。结合双偏振雷达反演的粒子大小和相态分布显示,虽然两类极端对流都表现出海洋性对流降水特征,但R类极端对流较H类极端对流的总体雨滴粒径更小而数浓度更高,导致R类极端对流系统的地面降水更强。与R类极端对流系统相比,H类极端对流系统的上升运动更强,将更多的水汽和过冷水输送到0℃层以上,有利于形成更大的冰相粒子（如霰粒子等）,并通过融化形成大雨滴。以上研究表明,梅雨期降水强度和对流发展深度并没有必然的联系,极端降水主要是中等高度的对流引起。      

三雷达、双雷达反演降雹超级单体风暴三维风场结构特征研究

为研究降雹超级单体风暴的三维结构特征,利用厦门、龙岩、梅州3部新一代天气雷达（CINRAD/SA）基数据,采用基于动态地球坐标系的双雷达和三雷达三维风场反演技术,分析了2016年4月8日傍晚福建省南部漳州地区出现的一次冰雹过程的回波强度、三维风场及相关物理量分布变化。主要结果为：（1）冰雹云初生、发展阶段,低层水平流场出现气旋性辐合,云体内部形成较强的上升运动。（2）冰雹云强盛阶段,回波顶高度达16 km,其中大于60 dBz的回波高度由5.3 km发展至9 km,最强回波达74.5 dBz,伴随出现最长达25 km的三体散射长钉回波和32.7 km的旁瓣回波。低层水平维持气旋性流场的同时,高层出现反气旋性流场。4-8 km高度内,大于20 m/s的强上升气流持续近37 min。最大垂直速度达51.06 m/s,出现在超级单体悬垂部（约7.5 km高度处）。（3）降雹时段,出现明显的下沉气流。降雹超级单体的三维流场结构表现为：风暴移向前沿低层气旋性气流进入风暴后逐渐倾斜上升,到达风暴顶形成反气旋性气流,并逐渐向下形成下沉气流。（4）系统减弱阶段,出现系统性下沉气流,强回波底及地。双雷达和三雷达能较好地反演降雹超级单体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预报能力。     

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(KDP)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(φDP))分布范围大约是北美结...