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冷涡背景下一次微型超级单体龙卷的雷达特征和物理过程探究

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气象学报 2022年第6期80卷 878-895页

作者：袁潮李得勤杨磊张乐坚杨文艳中国气象局沈阳大气环境研究所沈阳110166 辽宁省盘锦市气象局盘锦124010 辽宁省气象灾害监测预警中心沈阳110166 中国气象局气象探测中心北京100081

2019年8月16日渤海北部沿岸出现了一次冷涡背景下的EF1级龙卷。利用营口S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料、5 min间隔的地面自动气象站观测资料、盘锦风廓线雷达探测资料及ERA5再分析资料,研究了该龙卷风暴产生的环境条件、龙卷风暴... 详细信息

2019年8月16日渤海北部沿岸出现了一次冷涡背景下的EF1级龙卷。利用营口S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料、5 min间隔的地面自动气象站观测资料、盘锦风廓线雷达探测资料及ERA5再分析资料,研究了该龙卷风暴产生的环境条件、龙卷风暴结构特征及龙卷形成的可能物理过程。结果表明:此次龙卷过程发生在500 hPa冷涡主体控制下,低空位于“利奇马”台风残涡西侧水汽输送带内,环境条件表现为弱的风垂直切变和强低层热力不稳定。营口双偏振雷达位于距龙卷发生地15 km处,探测到产生龙卷的微型超级单体钩状回波、下沉反射率核心(DRC)、弱回波洞(WEH)、龙卷残片特征(TDS)等结构。处于消亡阶段雷暴的阵风锋出流向西传播,而营口附近海风锋缓慢东移,两条边界层辐合线相遇加强,在水平切变不稳定的作用下,辐合线上有γ中尺度涡旋形成。辐合线相遇造成的辐合抬升、低层强热力不稳定导致的环境正浮力以及中层中气旋扰动低压共同作用产生强上升气流,γ中尺度涡旋与上升气流叠置,强拉伸作用增强了垂直涡度,可能是低层微尺度气旋形成的关键机制。微尺度气旋直径收缩至最小伴随旋转速度达到最大时刻,对应龙卷生成,中层中气旋与微尺度气旋分离导致龙卷消亡。

关键词：龙卷双偏振雷达微尺度气旋地面辐合线龙卷形成

基于双线偏振参量对北京X波段雷达非降水回波识别方法的研究

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气象 2021年第5期47卷 561-572页

作者：夏凡张乐坚张林山东省气象科学研究所济南250031 中国气象局气象探测中心北京100081

为了提高中国X波段双线偏振雷达(简称双偏振雷达)的数据质量,提升应用水平,基于美国多雷达多传感器定量降水估测业务系统质量控制(简称dpQC)方案,在此基础上增加了差分反射率阈值判别并对方案中的计算参数进行本地化调整,设计了针对X波... 详细信息

为了提高中国X波段双线偏振雷达(简称双偏振雷达)的数据质量,提升应用水平,基于美国多雷达多传感器定量降水估测业务系统质量控制(简称dpQC)方案,在此基础上增加了差分反射率阈值判别并对方案中的计算参数进行本地化调整,设计了针对X波段双偏振雷达的质量控制(简称dpXQC)方案,原理主要包括:将双偏振参量相关系数(CC)区分降水回波与非降水回波的阈值调整为0.9,小于0.9的回波判别为非降水回波;通过计算回波顶高与强回波区位置对冰雹与非均一性波束填充区域进行标识;通过统计探空资料0℃高度上下相关系数的特征,调整了融化层的识别参数;优化算法将双偏振参量差分反射率绝对值大于5 dB判别为非降水回波;加入了条状杂波识别、连续性检验与斑块杂波识别算法。利用dpXQC方案对北京五部X波段多普勒双偏振业务雷达进行试验,检验评估其对非降水回波识别效果,获得以下结果与结论:大部分非降水回波可以通过CC阈值判别被滤除;对于CC阈值判别无法滤除的条幅状、孤立点、块状非降水回波,dpXQC方案利用条幅状杂波识别、连续性检验与差分反射率阈值判别去滤除;dpXQC方案有效保护了冰雹、非均一性波束填充与融化层区域中CC<0.9的降水回波不被滤除;检验结果显示,dpXQC方案对非降水回波正确识别率为91.8%,错误识别率为20.6%,均要优于dpQC方案,但dpXQC方案的错误识别率依然很高,主要有两方面原因,一是由于X波段雷达反射率衰减严重,方案会对一些离雷达较远的非均一性填充区域出现遗漏识别,二是融化层识别算法在所有方位角的位置与厚度是固定的,与实际观测不符,这均会导致被遗漏标识区域中CC<0.9的降水回波被误判为非降水回波。总体来看,dpXQC方案在滤除非降水回波的同时,最大程度保护了降水回波不被滤除,为雷达资料定量化应用等相关业务提供保障。

关键词：双偏振雷达非降水回波相关系数融化层

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示踪云的二维傅立叶相位分析及其特征研究

示踪云的二维傅立叶相位分析及其特征研究

作者：张乐坚南京信息工程大学

学位级别：硕士

采用传统的最大相关系数方法在间隔1分钟的卫星云图序列上计算示踪云的位移时会产生“亚像素尺度位移”问题。傅立叶相位分析方法能够避免这个问题,而且它不仅能够给出风矢量,还能给出速度谱和方差。但是,二维傅立叶相位差图含有噪声,... 详细信息

采用传统的最大相关系数方法在间隔1分钟的卫星云图序列上计算示踪云的位移时会产生“亚像素尺度位移”问题。傅立叶相位分析方法能够避免这个问题,而且它不仅能够给出风矢量,还能给出速度谱和方差。但是,二维傅立叶相位差图含有噪声,噪声会影响位移计算值的精度。本文给出了消除噪声的滤波方法(图像增强和图像的恢复和重建)。此外,还将快速傅立叶变换方法引入二维傅立叶相位导风来提高运算速度。本文由六章组成,第一章介绍了云导风技术的研究意义和国内外进展,接着叙述了本文的研究目的和研究内容。第二章和第三章以波动理论和傅立叶变换为基础,分别简介了一维和二维傅立叶相位分析法的基本理论。第四章介绍了二维傅立叶相位差图噪声产生的原因,噪声消除方法的基本理论以及各种方法在云导风中的应用。选择了三幅一分钟时间间隔的IR云图,在采用二维傅立叶相位分析方法中,对相位差图再使用各种噪声消除方法后导出风场。第五章介绍了傅立叶变换的几种快速算法。第六章总结全文,并指出不足和进一步研究之处。

关键词：云导风傅立叶相位分析方法相位差图噪声

使用雷达回波三维信息自动识别降水类型的方法

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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大气科学学报 2012年第1期35卷 95-102页

作者：张乐坚储凌叶芳李雁中国气象局气象探测中心北京100081 中国气象局气象干部培训学院北京100081 解放军理工大学江苏南京211101

提出了一种使用雷达回波三维信息(反射率因子的水平梯度、垂直递减率、垂直廓线变化特征以及回波顶高等)自动识别降水类型的方法,该方法可将雷达回波划分为热带降水类型、大陆强对流云降水类型和层状云降水类型。基于广州雷达于2008年5... 详细信息

提出了一种使用雷达回波三维信息(反射率因子的水平梯度、垂直递减率、垂直廓线变化特征以及回波顶高等)自动识别降水类型的方法,该方法可将雷达回波划分为热带降水类型、大陆强对流云降水类型和层状云降水类型。基于广州雷达于2008年5—8月观测到的7次强降水过程,在使用本方法识别降水类型的基础上,对不同降水类型使用不同的Z-R关系来测量降水量,即对热带降水类型使用Z=230R1.25,对大陆强对流云降水使用Z=300R1.4以及对层状云降水使用Z=200R1.6,并以雨量计观测的降水量为真值,与仅区分对流云降水和层状云降水类型并使用双Z-R关系测量降水量的方法进行了比较。结果表明,本方法可以有效地自动识别降水类型的分布区域,并且可以提高雷达定量测量降水的精度。

关键词：热带降水类型大陆强对流云降水层状云降水 Z-R关系

CINRAD-SA/SB零度层亮带识别方法

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应用气象学报 2010年第2期21卷 171-179页

作者：张乐坚程明虎陶岚中国气象科学研究院北京100081 南京信息工程大学南京210044 中国气象局气象探测中心北京100081 上海中心气象台上海200030

该文提出一种使用S波段多普勒天气雷达回波三维特征和反射率因子垂直廓线(vertical profile of reflectivity,VPR)来自动识别零度层亮带的方法(简称3DVPR-BBID),并利用2003年6月22日—7月11日和2007年7月合肥雷达资料、2008年6月广州雷... 详细信息

该文提出一种使用S波段多普勒天气雷达回波三维特征和反射率因子垂直廓线(vertical profile of reflectivity,VPR)来自动识别零度层亮带的方法(简称3DVPR-BBID),并利用2003年6月22日—7月11日和2007年7月合肥雷达资料、2008年6月广州雷达资料以及相应的探空资料,同仅使用VPR识别零度层亮带的方法(简称VPR-BBID)进行比较。结果表明:VPR-BBID和3DVPR-BBID在大部分情况下能够有效识别零度层亮带的存在,而且3DVPR-BBID能够减少VPR-BBID产生的误识别。在同探空资料观测的零度层高度的比较中,两种方法确定的零度层高度同实况比较接近,进一步分析表明:3DVPR-BBID确定的零度层高度比VPR-BBID确定的更接近观测值。

关键词：多普勒天气雷达零度层亮带雷达回波三维特征反射率因子垂直廓线

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地面降水的多源数据辅助质量控制方法

气象 2016年第3期42卷 363-371页

作者：张乐坚俞小鼎李峰储凌中国气象局气象探测中心北京100081 中国气象局气象干部培训学院北京100081

文章在分析气温变化、风速变化、相对湿度、温度露点差、雷达和自动站降雨量差值的基础上,提出了针对自动站观测小时降雨量的多要素综合质量控制方法,包括雷达和自动站相结合的综合检验方法(MRAWS)以及仅使用自动站资料的综合检验方法(M... 详细信息

文章在分析气温变化、风速变化、相对湿度、温度露点差、雷达和自动站降雨量差值的基础上,提出了针对自动站观测小时降雨量的多要素综合质量控制方法,包括雷达和自动站相结合的综合检验方法(MRAWS)以及仅使用自动站资料的综合检验方法(MAWS),并与时空一致性检验方法(MTS)进行比较。结果表明:使用多要素的综合检验方法(MRAWS和MAWS)明显优于仅使用降雨量资料的MTS。此外,虽然MAWS检验结果略低于MRAWS,但在缺少雷达探测资料的情况下MAWS可对降雨量数据进行有效检验。进一步地分析表明,MRAWS和MAWS方法仅适用于判别有无降水,对降水量值的正确性判断能力存在不足。

关键词：质量控制雷达自动站降水

人工神经网络及支持向量机在降雨量预报中的应用

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高原气象 2010年第4期29卷 982-991页

作者：张乐坚程明虎田付友中国气象局中国气象科学研究院北京100081 南京信息工程大学江苏南京210044 中国气象局气象探测中心北京100081 中国气象局国家气象中心北京100081

使用误差反向传播网络(BPN)和约当网络(JN)两种人工神经网络(ANN)以及支持向量机(SVM)对降雨量进行了1h和3h预报的研究,并与交叉相关法(CCM)外推预报的结果进行了比较。针对安徽省2003年6～7月的降水过程,比较了网络(文中指BPN、JN和SVM... 详细信息

使用误差反向传播网络(BPN)和约当网络(JN)两种人工神经网络(ANN)以及支持向量机(SVM)对降雨量进行了1h和3h预报的研究,并与交叉相关法(CCM)外推预报的结果进行了比较。针对安徽省2003年6～7月的降水过程,比较了网络(文中指BPN、JN和SVM)和CCM预报降雨量与实况降雨量的雨带分布、强降雨区域和强度;使用命中率(HR)、虚警率(FAR)、漏报率(NAP)、临界成功指数(CSI)、相关系数(CC)和均方根误差(RMSE)这6个指标并结合天气分析检验网络和CCM的预报效果。结果表明:网络和CCM对雨带和强降雨区域的预报比较准确,但是对强降雨中心位置和强度的预报与实况存在差异;在使用HR、FAR、NAP和CSI检验预报效果时设定的阈值对预报结果的评价有影响;预报的中小尺度结构与天气分析的结果一致;网络与CCM以及不同的网络之间的预报结果存在着差异;连续预报的结果表明,与CCM相比,网络对3h预报的效果优于1h的。

关键词：人工神经网络支持向量机降雨量预报

基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法

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气象学报 2020年第1期78卷 116-127页

作者：文浩张乐坚梁海河张扬中国气象局气象探测中心北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除.为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7-8月收集的雷达单站PPI数据,针... 详细信息

在雷达信号处理器异常、信号受到外部电磁干扰时,雷达会观测到沿径向分布的条幅状干扰回波,这类非气象回波须在雷达估测降水等定量应用之前消除.为适用体扫数据及正在业务推行的单径向流数据,利用2017年7-8月收集的雷达单站PPI数据,针对径向干扰回波,提出一种基于模糊逻辑的识别方法,该方法只提取径向上的特征参量,建立隶属函数和判定阈值,进行识别.通过对算法的评估和业务应用,结果表明:该算法对径向干扰回波和降水回波的识别和消除效果较好,与原业务算法相比,CSI评分提高0.232,能明显提高径向干扰回波的准确识别,略微降低对降水回波的误消除;算法在业务上能够稳定运行,对于定量化应用(降水估测等)具有正贡献.

关键词：天气雷达径向干扰回波模糊逻辑

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北京山区和平原地区夏季雨滴谱特征分析

气象 2021年第7期47卷 830-842页

作者：赵城城张乐坚梁海河李林柳云雷山东省潍坊市气象局潍坊261011 中国气象局气象探测中心北京100081 北京市气象探测中心北京100089 辽宁省大连市气象局大连116001

山区和平原地区降水的雨滴谱特征由于下垫面等因素的影响有时存在较大的差别,分析两者的差异有助于深入理解降雨的微物理特征以及对提高不同下垫面雷达定量估测降水的准确性起到重要作用。利用2017—2018年北京地区夏季雨滴谱站和自动... 详细信息

山区和平原地区降水的雨滴谱特征由于下垫面等因素的影响有时存在较大的差别,分析两者的差异有助于深入理解降雨的微物理特征以及对提高不同下垫面雷达定量估测降水的准确性起到重要作用。利用2017—2018年北京地区夏季雨滴谱站和自动站资料,选取延庆站和大兴站分别代表北京山区和平原地区,通过降水分类方法研究了两站不同降水类型雨滴谱分布的特征。研究结果表明,北京地区夏季雨强(R)≤5 mm·h^(-1)的降水频次较多(山区和平原站均为86.0%),但对整体雨量贡献较小(山区站为33.0%,平原站为29.0%);而R>5 mm·h^(-1)的降水频次较少,却对整体雨量贡献较大。较为深入的研究表明,对流云降水比层状云降水具有更大的质量平均直径(D_(m))、标准化参数lgN_(w)和分布谱宽。两站相比,延庆站(山区站)不同降水类型的D_(m)(lgN_(w))均大于(小于)大兴站(平原站),表明北京山区滴谱粒径偏大、数浓度偏低。与国外经典对流滴谱相比,山区(平原)更倾向于大陆性(海洋性)对流滴谱。对D_(m)-R关系、lgN_(w)-R关系、μ(谱型)-Λ(斜率)关系和Z-R关系的分析表明,这些关系都符合经典研究结论,但是拟合的参数与其他地区具有一定的差别,体现出北京地区不同下垫面与其他研究结果的差别。延庆站和大兴站的Z-R拟合关系分别为Z=764R^(1.20)和Z=386R^(1.32),其中大兴站的Z-R关系与代表夏季对流云降水的Z=300R^(1.40)较为一致,而延庆站的则与其存在一定差别,体现出北京山区和平原降水的差异。

关键词：雨滴谱分布 Gamma分布 D_(m)-lgN_(w)分布特征 Z-R关系