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循环同化相控阵雷达数据模拟对流触发同化方案研究

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气象科学 2024年第1期44卷 115-124页

作者：龚澎明杰吕迎辉张强南京大学大气科学学院/中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210023 中国气象局雷达气象重点开放实验室南京210023 南京大学连云港高新技术研究院江苏连云港222000 中国民用航空华北地区空中交通管理局气象中心北京100621

利用WRF-EnKF同化系统,以2020年7月5日北京大兴发生的一次强对流天气背景下对流触发过程为个例,研究同化C波段相控阵雷达数据时更优的同化方案设置。本研究从同化频率、晴空数据处理阈值以及边界层杂波处理高度3个方面进行了研究。结果... 详细信息

利用WRF-EnKF同化系统,以2020年7月5日北京大兴发生的一次强对流天气背景下对流触发过程为个例,研究同化C波段相控阵雷达数据时更优的同化方案设置。本研究从同化频率、晴空数据处理阈值以及边界层杂波处理高度3个方面进行了研究。结果显示,高频同化可以抑制虚假回波,并有利于获得更准确的对流预报结果。将可靠晴空回波识别阈值设为-10 dBZ并剔除边界层内的低值回波可以有效改进对流触发的预报效果。为以后C波段相控阵雷达同化应用提供了新的同化方案思路。

关键词： WRF-EnKF 对流触发同化方案

东天山哈密地区典型暴雨事件对流触发机制对比分析

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大气科学 2022年第4期46卷 965-988页

作者：刘晶刘兆旭张晋茹刘凡李建刚曾勇仝泽鹏江雨霏杨莲梅周玉淑中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所乌鲁木齐830002 新疆云降水物理与云水资源开发实验室乌鲁木齐830002 西天山云降水物理野外科学观测基地乌鲁木齐830002 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室北京100029 中国科学院大学地球科学学院北京100049

本文选取2018年7月31日(简称“7.31”暴雨)和2016年8月8日(简称“8.8”暴雨)两次东天山哈密地区强降水天气过程,利用NCEP/NCAR的FNL资料(0.25°×0.25°)、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星产... 详细信息

本文选取2018年7月31日(简称“7.31”暴雨)和2016年8月8日(简称“8.8”暴雨)两次东天山哈密地区强降水天气过程,利用NCEP/NCAR的FNL资料(0.25°×0.25°)、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、FY-2G卫星产品,通过对暴雨期间锋生函数计算诊断,证实了两次强降水过程中尺度对流系统触发因子差异,取得如下主要结果:(1)“7.31”暴雨期间,500 hPa西太平洋副热带高压位置异常偏北,700 hPa暖舌沿副高南侧偏东急流向西北伸展,低层增暖增湿,暴雨区上空形成不稳定大气层结,多个中尺度对流系统在700 hPa低空急流前生成,向东北方向移动和发展。“8.8”暴雨期间,500 hPa西太平洋副热带高压位置异常偏西,对流云团在对流层低层西南急流前生成向东北方向移动。(2)对流层低层暴雨区暖锋锋生是“7.31”暴雨中尺度对流云团的触发因子,云团初生阶段对流触发主要是锋生水平散度项和由垂直运动发展引起的倾斜项决定,成熟阶段暖锋锋生主要由锋生形变项和倾斜项所致。低空东南急流的维持加强利于锋面次级环流发展,是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。(3)“8.8”暴雨对流云团由对流层低层弱冷锋触发。对流云团发展初始阶段,对流层低层冷锋锋生主要由水平辐散项决定;对流云团成熟阶段,对流层低层冷锋锋生主要由倾斜项决定。低层切变线长时间维持和加强利于低层冷锋进一步锋生,是造成中尺度对流系统长时间维持的主要原因。

关键词：哈密地区短时强降水中尺度云团对流触发

华中地区春季一次强对流触发的多尺度影响机制分析

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气象 2022年第8期48卷 979-992页

作者：许冠宇黄龙飞吴涛杨浩钟敏武汉中心气象台武汉430074 江西省景德镇市气象局景德镇333000 中国气象局武汉暴雨研究所武汉430205

基于常规高空、地面观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及雷达数据对2020年5月4日冷空气影响环流背景下,湖北随州和荆州地区强对流触发机制及演变特征进行分析,并揭示冷空气对强对流触发的作用,结果表明:此次随州地区强对流有3次触发过程... 详细信息

基于常规高空、地面观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及雷达数据对2020年5月4日冷空气影响环流背景下,湖北随州和荆州地区强对流触发机制及演变特征进行分析,并揭示冷空气对强对流触发的作用,结果表明:此次随州地区强对流有3次触发过程,触发机制分别为暖区辐合线触发、冷锋触发以及低空急流触发。同时随州特殊地形对强对流维持起了重要作用。冷锋触发强对流条件与冷空气厚度和自由对流高度有关。当冷空气与暖湿气流辐合层高于自由对流高度,且辐合有一定垂直厚度时,更易触发对流。随州地区冷空气强度较强,对流层低层锋区明显,正位涡异常中东部上升气流较强,更易触发对流。荆州地区对流层底层锋区减弱,冷空气较弱,上升气流偏弱,导致荆州南部地区无对流触发。

关键词：对流触发位涡冷空气地形

基于2017-2021年雷达观测的中国降水类型和对流触发的时空分布特征

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基于2017-2021年雷达观测的中国降水类型和对流触发的时空分布特征

作者：唐菁南宁师范大学

学位级别：硕士

降水信息是地理信息的重要组成部分。研究降水类型划分和对流触发(Convection Initiation,CI)的时空特征,有助于提高人们对地球表层大气运动规律的理解。本文基于中国雷达拼图和ERA5-Land再分析数据,把中国的降水分成三类(即对流降水、... 详细信息

降水信息是地理信息的重要组成部分。研究降水类型划分和对流触发(Convection Initiation,CI)的时空特征,有助于提高人们对地球表层大气运动规律的理解。本文基于中国雷达拼图和ERA5-Land再分析数据,把中国的降水分成三类(即对流降水、层云降水和降雪),并统计这些降水类型在2017年9月至2021年8月期间不同时间尺度下的时空分布特征,进一步识别出在研究期间内出现的对流触发,揭示我国对流触发的时空特征。本文从雷达观测的角度展示了中国上空不同降水的特征,可作为中国降水特征研究的参考,也为中国气象和水文预测应用提供了潜在有用的数据库,成为我国气象地理信息系统的本底数据库的主要内容。论文的主要结论如下:(1)本文通过对中国雷达反射率二维拼图进行目视检查,在去除损坏的雷达拼图后,数据完整率为98.35%。随后,基于背景处理后的雷达拼图数据来构建2017年9月至2021年8月的中国雷达拼图数据集。在此基础上,本文以ERA5-Land数据为辅助数据,并参考以阈值区分降水的方法和美国国家强风暴实验室的基于雷达的降水定量估算系统中对降水的分类方法,将降水划分为:对流降水、层云降水和降雪,并探讨中国不同降水的时空分布变化特征。此外,为了更好地了解对流降水在我国的发展变化特征,本文首先对比了对流触发识别算法在改进前后识别结果,从空间分布和案例对比上来看,改进后的对流触发识别算法能更好地识别出对流触发的位置和发生时间,可以运用于识别2017年9月至2021年8月期间中国对流触发的时空变化特征。(2)三种降水在不同时间的时空分布都有所不同,表现出明显的季节变化和区域特征。对流降水和层云降水在空间分布上的变化,都与东亚夏季风的发展以及地形有着密切的联系。80%以上的对流降水和层云降水在4-9月出现,这与华南汛期和江淮梅雨期的发生时间相对应。对流降水主要分布在我国南方地区,其最大降水中心位于珠三角洲和长三角洲。层云降水占全年总降水发生率的主导地位,其发生率远高于对流降水和降雪。东亚夏季风在5月爆发后,对流降水和层云降水明显增加,并向北扩展。此外,对流降水还沿着我国海岸线向北和内陆扩展。因此,珠三角洲早于长三角洲成为对流降水的最大降水中心。由于对流降水的不断增加,其比例也不断增加,并在7月达到高峰。导致层云降水在5月达到高峰后出现减少趋势,但在7月开始逐渐增加,到8月再次达到峰值。降雪主要分布在西北地区的高海拔地区,集中在11月至次年3月出现,以“横断山脉-秦岭-太行山-辽东半岛”为界呈现自西北向东南逐渐减少的空间分布特征。(3)对流降水在11月至次年3月集中在夜间至清晨出现,在4-10月期间集中在日间出现,并在午后晚些时候的本地太阳时(Local Solar Time,LST)15-17 LST达到最大峰值。珠三角洲的强对流降水常出现在午后,而长三角洲的强对流降水常出现在午夜至清晨。同时,对流降水中心在汛期最初出现在沿海地区,由于海陆热力差异和海风活动的影响,逐渐向内陆扩展,并在午后(12-19 LST)达到峰值。层云降水在4-11月具有强烈的日变化特征,常出现在午后至夜间(15-06 LST)。在汛期,沿海地区的层云降水在夜间至上午(21-11 LST)的发生率高于午后(12-20 LST)。而降雪常在夜间至上午(20-10 LST)出现,且在凌晨至早上之间达到峰值(02-08 LST)。(4)对流触发的时空分布特征表明,东亚夏季风的发展和地形对对流触发有明显的影响。对流触发事件主要分布在南方沿海地区,同时,对流触发在近海地区的发生率远低于沿海陆地。对流触发在近海地区多在夜间至清晨(00-06 LST)出现,而陆地上的对流触发基本出现在日间(09-18 LST)。对流触发在8月的月均次数(1731次)最高,出现在4-9月的对流触发事件占全年总数的90%以上。从月变化的时空分布上看,对流触发日频率最高的地区最初位于海南。在4月后,随着夏季风不断向北扩展,对流触发高值区也向北方的陆地以及东北方向的海岸线扩展,并在我国东南沿海形成一条对流触发雨带。同时,对流触发在台湾和天山山脉的差异性分布,表现了夏季风和地形对对流触发有着显著的影响。在夏季风消退后,对流触发明显减少。3月至9月,大部分的对流触发在陆地上的出现时间从夜间-早上(21-08 LST)逐渐提前下午(12-15 LST)。其中,在6-9月,一条在午夜至清晨(00-06 LST)的对流触发雨带从“四川盆地-山东半岛-东北地区”逐渐移动到“广西中北-长三角洲”。(5)对流触发在4-9月的日变化较为相似,自09-10 LST开始越来越活跃,在12-13 LST达到峰值。而在10月至次年3月,对流触发的日变化较为平稳。此外,与对流降水高峰时间常出现在午后晚些时候(15-17 LST)相比,

关键词：雷达拼图对流降水层云降水降雪对流触发时空分布

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湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析

干旱气象 2023年第1期41卷 73-81页

作者：韦惠红吴翠红魏凡鲁易孔海妹赵欢武汉中心气象台湖北武汉430074 暴雨监测预警湖北省重点实验室湖北武汉430205

基于2016—2021年湖北多普勒雷达及加密自动气象站资料,对湖北雷暴阵风锋特征进行分析。结果表明:(1)湖北阵风锋主要出现在6—8月,占总数的96%,其中8月最多;一天中主要发生时段为15:00—18:00(北京时,下同),峰值在17:00;大多数阵风锋持... 详细信息

基于2016—2021年湖北多普勒雷达及加密自动气象站资料,对湖北雷暴阵风锋特征进行分析。结果表明:(1)湖北阵风锋主要出现在6—8月,占总数的96%,其中8月最多;一天中主要发生时段为15:00—18:00(北京时,下同),峰值在17:00;大多数阵风锋持续时间为1.5~3.0 h;产生阵风锋的母雷暴中35%为多单体雷暴,40%为多单体雷暴群,25%为飑线。(2)阵风锋主要有5个生成区域,分别为省外、鄂东北、江汉平原、鄂西北的襄阳和鄂西南的宜昌,相同区域生成的阵风锋移动方向有较好的规律性。鄂东北生成的阵风锋最多,占总数的33%。(3)不是所有母雷暴及其阵风锋都能引发地面大风,69%的母雷暴和9%的阵风锋产生的地面极大风速大于等于17.0 m·s^(-1)。在多单体和多单体雷暴群中,母雷暴的回波强度越强,母雷暴及其阵风锋产生的地面大风概率越大,阵风锋产生的地面风速强度与其回波强度、空间尺度关系不大。(4)阵风锋有较强对流触发能力,91%的阵风锋在其后部、附近和前侧触发对流单体。母雷暴与其阵风锋反馈作用不同,对流触发与阵风锋的相对位置有差别,正反馈型大多在阵风锋后部触发对流,负反馈型在阵风锋后部、附近和前侧均可触发对流,29%的触发对流回波强度大于等于55 dBZ。35%的阵风锋与周边已有雷暴合并发展形成合并型阵风锋,此型在鄂东北发生次数最多。

关键词：湖北阵风锋飑线多单体对流触发

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浙江天目山背风坡对流触发个例的对比分析

气象 2020年第2期46卷 158-168页

作者：苏涛董美莹余贞寿黎玥君浙江省气象科学研究所

针对夏季副热带高压背景下浙北天目山附近的强对流天气个例,利用中尺度实况资料,分析了天目山对触发对流的作用。结果表明:浙江省夏季位于副热带高压边缘时,低层处于西南背景风时,在低Froude数条件下,气流经过黄山、天目山后在背风侧形... 详细信息

针对夏季副热带高压背景下浙北天目山附近的强对流天气个例,利用中尺度实况资料,分析了天目山对触发对流的作用。结果表明:浙江省夏季位于副热带高压边缘时,低层处于西南背景风时,在低Froude数条件下,气流经过黄山、天目山后在背风侧形成一段辐合线,在有利的热力条件配合下,容易触发对流。山地的热力强迫作用使地形上空新生了很多积云,积云分布基本与地形一致。同时,天目山背风侧出现一条积云线,其形成的原因是天目山背风侧辐合线的辐合抬升作用。背风侧辐合线尺度有几十千米,方向随环境风向转变。对流触发的位置位于这条辐合线上靠近山地的一端。这可能是由于山地热力强迫作用产生的积云移到辐合线上继续发展产生对流云,即山地的动力和热力作用共同触发了对流。

关键词：天目山对流触发辐合线强对流天气

基于雷达与卫星的对流触发观测研究和临近预报技术进展

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地球科学进展 2019年第12期34卷 1273-1287页

作者：黄亦鹏李万彪赵玉春白兰强厦门市气象局海峡气象开放实验室福建厦门361012 北京大学物理学院大气与海洋科学系北京100871 中山大学大气科学学院广东广州510275

对流触发(CI)一直是强对流天气预报中至关重要而又充满挑战的环节。在CI发生之前,高时空分辨率的天气雷达和静止气象卫星常能够观测识别到边界层辐合线和积云快速发展等用于评估CI发生条件的前兆信号,从而为定时定点的CI临近预报提供有... 详细信息

对流触发(CI)一直是强对流天气预报中至关重要而又充满挑战的环节。在CI发生之前,高时空分辨率的天气雷达和静止气象卫星常能够观测识别到边界层辐合线和积云快速发展等用于评估CI发生条件的前兆信号,从而为定时定点的CI临近预报提供有力观测支撑。基于此,综述了雷达和卫星在CI观测研究和临近预报技术上的运用进展。首先回顾了近40年来CI观测研究中的里程碑工作以及最新的研究进展,结合CI发生条件梳理了CI研究方式和内容及其随雷达和卫星探测能力提升而呈现的发展趋势。进而介绍了较为成熟的3种基于雷达和卫星观测的CI业务临近预报技术在国际范围内的发展运用。最后提出雷达和卫星观测在CI研究和预报运用中需要进一步解决的问题。

关键词：对流触发天气雷达静止气象卫星临近预报

河套地区典型干线的形成及其在对流触发中的作用

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气象学报 2022年第1期80卷 39-53页

作者：张一平俞小鼎王迪郝晓珍王金兰河南省农业气象保障与应用技术重点实验室郑州450003 河南省气象台郑州450003 中国气象局干部培训学院北京100081 新乡市气象局新乡453000

利用高空、加密地面、EC-ERA5(0.25o×0.25o)再分析和FY-2系列静止气象卫星云图(可见光星下点分辨率1.25 km,红外5 km)等资料,对黄河河套地区3次典型干线的形成及其在对流触发中的作用进行了详细分析。结果表明:(1)3次干线触发对流出现... 详细信息

利用高空、加密地面、EC-ERA5(0.25o×0.25o)再分析和FY-2系列静止气象卫星云图(可见光星下点分辨率1.25 km,红外5 km)等资料,对黄河河套地区3次典型干线的形成及其在对流触发中的作用进行了详细分析。结果表明:(1)3次干线触发对流出现在中高纬度高空槽东移诱发蒙古气旋发展的背景下,高低空系统配置为前倾槽、高空西北气流及其携带的冷平流叠加在低层河套暖区之上,为大范围强对流天气提供了有利的环境条件;(2)3次干线均为蒙古气旋形势下黄土高原西高东低缓坡地形特有的现象,具有明显的地域特征,长600-800 km、宽80-100 km的显著干线呈北东北—南西南走向,与河套区域内海拔1300 m等高线走向基本吻合。受近于干绝热的下沉升温及高原西部下垫面非绝热加热快速升温降湿影响,在河套西部形成干热空气,其与东部暖湿气团在河套地区交汇是导致干线形成的主要原因之一;(3)干线具有明显的日变化特征,白天干线以西加热升温快,干线向东移动;夜间到凌晨干线西侧辐射降温快于东侧,干线向西后退。干线最强时段出现在14时(北京时,下同)前后,两侧露点梯度达10℃/(100 km)或以上,且伴有明显的偏西风和偏南风汇合(辐合)流场;(4)在干线及伴随的汇合(辐合)流场的作用下,13-14时初始对流在干线附近生成,随后在干线湿侧附近加强,形成明显的线状对流云带,在高空偏西气流引导下,对流云带东移发展并逐渐远离干线,在河套东部有利的环境条件下,线状对流云带继续东移并扩展至地面干线以东约500 km的范围内,导致陕西中北部和华北部分地区出现大范围雷暴大风、局地冰雹甚至龙卷等强对流天气。根据河套地区3次典型干线的共同特征,给出了河套地区干线形成和强对流易发区的天气学模型,为今后同类天气形势下干线触发对流天气分析和预报提供参考和借鉴。

关键词：干线个例分析结构特征对流触发河套地区蒙古气旋

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东北干线气候特征及其对对流触发的作用研究

东北干线气候特征及其对对流触发的作用研究

作者：方祖亮中国气象科学研究院

学位级别：硕士

干线是雷暴或对流系统的触发机制之一,相比国外丰富系统的干线研究,国内只有为数不多的个例分析,代表性不足。本文选取东北地区（40-53°N、115-135°E）为研究区域,基于地面常规观测资料和常规高空探空观测,对2003-2017年15a间暖季（5-... 详细信息

干线是雷暴或对流系统的触发机制之一,相比国外丰富系统的干线研究,国内只有为数不多的个例分析,代表性不足。本文选取东北地区（40-53°N、115-135°E）为研究区域,基于地面常规观测资料和常规高空探空观测,对2003-2017年15a间暖季（5-8月）的干线进行普查,对该区域干线的时空分布及其周边环境的关键气象要素进行统计分析。还选取部分较为典型的触发了对流的干线和未触发对流干线,基于再分析资料对这些干线环境的关键参数进行动态合成与对比分析,研究干线结构及对流触发机制。研究表明:东北地区干线主要出现在东北平原和辽宁西部,干线发生频率呈现南多北少的趋势。干线大多呈西南-东北走向,宽度约为90—120 km,长度在100—800 km。东北区域暖季年均干线发生频率为15.5%。干线发生频率年际变化不明显,年均逐旬变化显著且呈正弦曲线状,其中5月中下旬—6月下旬和8月中、下旬为波峰,干线发生频率在20%以上,7月低于10%,为波谷。干线湿侧气压相比干侧略高1 h Pa,两侧温度大多在24℃以上,温差一般在1—4℃,白天西高东低,露点梯度和比湿梯度范围分别为9.6—15℃/100km和4.5—8.3 g/（kg·100km）,西低东高。相当位温梯度在9.6—19 K/100km,干侧以西风和西北风为主,湿侧西南风盛行,两股气流在干线附近汇合。干线两侧要素及其梯度值逐旬变化显著,其中两侧湿度、温度和湿度梯度值5—8月呈增大趋势,而温度梯度绝对值呈减小趋势。在共计286例干线中有40%的干线触发了对流,6月上、中旬干线触发对流比率最高,达60%以上。受西高东低地形影响,干线垂直伸展厚度、界面坡度和干线位置日变化显著,日出到午后14时（北京时）,干线位置有显著东移,湿层厚度增加,干线界面趋于垂直,17时后,干线西退,干线界面向东倾斜,高度降低。14-17时,干线趋于静止,干线附近低层辐合和上升气流发展旺盛。受有利的高低层大尺度环流形势影响,对流干线湿度及湿度梯度、低层气流辐合强度和垂直速度要强于无对流干线,抬升作用较强,配合对流干线偏湿侧较强的条件不稳定和较厚的湿层,对流有效位能较强（CAPE＞1000J/kg）,对流在干线湿侧触发。而无对流干线环流条件一般,湿层强度和厚度一般,CAPE值往往较小,即使干线干湿混合界面低层存在一定强度的辐合和上升气流,触发对流的可能性也非常低。

关键词：干线东北时空分布垂直结构对流触发