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基于归闪的湖北省两套闪电定位系统对比分析

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2024年第2期46卷 335-342页

作者：朱传林庞文静孙京湖北省防雷中心湖北武汉430074 中国气象局气象探测中心北京100081 中国气象局武汉暴雨研究所湖北武汉430074

为研究湖北省两套闪电定位系统,在归闪的基础上研究分析了2015—2020年湖北地区地闪数据,对闪电频次、时空分布、电流强度月分布、雷电流幅值累积概率等主要参数进行了比对分析,研究结果表明:ADTD-2系统在定位正地闪强度存在局部异常值... 详细信息

为研究湖北省两套闪电定位系统,在归闪的基础上研究分析了2015—2020年湖北地区地闪数据,对闪电频次、时空分布、电流强度月分布、雷电流幅值累积概率等主要参数进行了比对分析,研究结果表明:ADTD-2系统在定位正地闪强度存在局部异常值外,比ADTD-1系统具有更高的探测效率,其中正地闪的探测效率比负地闪提升幅度更高,探测负地闪回击的时间分辨率也比ADTD-1系统高,ADTD-2闪电数据整体优于ADTD-1数据。

关键词：两套定位系统归闪时空分布电流强度累积概率

基于大气成分观测网的山西省近地面O3体积分数分布特征

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环境科学 2024年第2期45卷 655-667页

作者：李莹王淑敏裴坤宁闫世明孙鸿娉张逢生高兴艾山西省气象科学研究所中国气象局温室气体及碳中和监测评估中心山西分中心太原030006 山西省人工增雨防雷技术中心太原030006

利用山西省6个大气成分观测站2019年3月至2020年2月的反应性气体O_(3)、NO、NO_(2)和NO_(x)连续观测资料以及同期气象资料,采用统计分析和后向轨迹分析等方法,对山西近地面O_(3)体积分数变化特征及影响因素进行了对比研究.结果表明,6个... 详细信息

利用山西省6个大气成分观测站2019年3月至2020年2月的反应性气体O_(3)、NO、NO_(2)和NO_(x)连续观测资料以及同期气象资料,采用统计分析和后向轨迹分析等方法,对山西近地面O_(3)体积分数变化特征及影响因素进行了对比研究.结果表明,6个站的O_(3)体积分数一般在4~9月较高,10月至翌年3月较低,研究期内山西南部的晋城和临汾2站的O_(3)日最大8h体积分数滑动平均值φ(MDA8O_(3))超标最严重,其次是北部的五台山、朔州和大同3站,中部的太原站O_(3)污染较轻.对比城市站和高山站发现,两类站点的O_(3)体积分数季节变化虽都表现为:夏季>春季>秋季>冬季,但前者主要受前体物NO_(x)光化学反应的影响,后者的NO_(x)并不是产生高体积分数O_(3)的主要来源;两类站点的O_(3)日变化谱型截然相反,城市站O_(3)小时平均体积分数的峰谷值分别出现在15:00和06:00,而高山站分别出现在20:00和10:00,分别比城市站滞后了约5 h;此外城市站的O_(3)日振幅明显大于高山站.就城市站而言,相较日照时数、降水量和总云量,气温对O_(3)体积分数的影响更为显著;白天的NO_(2)体积分数直接影响O_(3)的日振幅大小,尽管太原站O_(3)的光化学生成潜力也较高,由于被高体积分数的NO滴定消耗,O_(3)体积分数为城市站中最低;各城市站高体积分数的O_(3)对应低体积分数的NO_(x),低NO_(x)以NO_(2)为主,高NO_(x)的贡献则主要来自NO,在较高NO_(x)体积分数时,O_(3)基本上完全被消耗.影响全部站点O_(3)体积分数升高的地面风主要来自东南、南和西南方向,特定的风速条件将导致站点O_(3)体积分数增加.站点地理位置不同会引起大气污染物输送作用的差异,而来自华北平原和汾渭平原高浓度O_(3)的水平输送很可能是造成山西各站点O_(3)体积分数升高的共同原因.

关键词： O_(3)体积分数前体物NO_(x) 城市站高山站气团输送

冷涡背景下积层混合云降水的雨滴谱垂直分布及演变

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气象 2024年第8期50卷 1012-1023页

作者：孙钦宏马洪波张景红谭月吉林省气象灾害防御技术中心长春130062 中国气象局-吉林省人民政府人工影响天气联合开放实验室长春130062 中国气象局吉林云物理野外科学试验基地长春130062 吉林省气象台长春130062

利用2021年8月24—25日吉林靖宇微雨雷达反演的垂直探测资料,结合雨滴谱仪、雨量计等地面资料,分析了长白山麓一次混合云降水过程的雨滴谱垂直分布及微物理特征参量演变特征。结果表明:雨量计、雨滴谱仪探测地面雨量与微雨雷达反演的15... 详细信息

利用2021年8月24—25日吉林靖宇微雨雷达反演的垂直探测资料,结合雨滴谱仪、雨量计等地面资料,分析了长白山麓一次混合云降水过程的雨滴谱垂直分布及微物理特征参量演变特征。结果表明:雨量计、雨滴谱仪探测地面雨量与微雨雷达反演的150 m高度雨量变化趋势基本一致,但观测值与反演值存在一定偏差。Gamma函数对地面雨滴谱拟合优度达到0.99,拟合效果优于微雨雷达,对微雨雷达反演的大雨滴数浓度拟合值明显偏小。不同直径(D)雨滴对不同高度微物理参量贡献不同,小雨滴(D≤1.0 mm)对雨强、反射率因子、液态水含量、总数浓度贡献率一般随着高度降低而降低,中雨滴(1.0 mm3.0 mm)对参量贡献率基本随着高度降低而升高。不同降水阶段的雨滴蒸发、碰并作用不同,降水前期气温高且湿度低,雨滴下落过程中蒸发作用较强,而降水集中期相对湿度接近饱和,雨滴碰并增长作用明显。

关键词：长白山雨滴谱微雨雷达垂直特征微物理参量

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光声层析重建飞秒光丝二维横向图像仿真研究

光学学报 2024年第12期44卷 101-111页

作者：曾庆伟刘磊胡帅李书磊赵世军国防科技大学气象海洋学院湖南长沙410073 中国气象局高影响天气重点开放实验室湖南长沙410073

准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息,对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型,理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收... 详细信息

准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息,对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型,理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程;然后,利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建,并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明,单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构,而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构;相比于单丝图像重建,多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著;换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响,换能器的带宽越大、表面直径越小,以及表面灵敏度系数越大,越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

关键词：飞秒激光激光成丝能量沉积光声信号超声换能器反投影

河北保定市“23·7”强降水过程的观测特征分析

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气候与环境研究 2024年第4期29卷 478-496页

作者：于雷丁和悦张会熊秋芬中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室河北雄安新区071800 河北省气象与生态环境重点实验室石家庄050021 保定市生态气象智能监测与服务重点实验室河北保定071000 保定市气象局河北保定071000 中国气象局气象干部培训学院北京100081

利用常规、加密观测资料,风廓线、双偏振雷达探测数据等,对2023年7月29日至8月2日发生在河北省保定市的强致灾性极端强降水过程的阶段性演变、观测特征等进行了分析,结果表明:1)在大陆高压与副高形成“北方高压坝”、台风“杜苏芮”减... 详细信息

利用常规、加密观测资料,风廓线、双偏振雷达探测数据等,对2023年7月29日至8月2日发生在河北省保定市的强致灾性极端强降水过程的阶段性演变、观测特征等进行了分析,结果表明:1)在大陆高压与副高形成“北方高压坝”、台风“杜苏芮”减弱低压北上受阻的环流背景下,“杜苏芮”倒槽、“杜苏芮”残涡东侧的暖式切变线以及副高外围南风气流先后造成保定3个阶段的降水,最长单站降水持续时间70 h,7月30日07:00(北京时间,下同)至8月1日03:00涿州上游、海拔高度介于0.1~1 km的浅山区内不断出现短时强降水、“列车效应”显著,导致该区域出现极端的洪灾。2)29日倒槽降水雨带呈东北—西南向并随时间西北移,最大降水强度39.4 mm/h;30日副高西移,倒槽东侧位势梯度加大,同时台风“卡努”北侧东南气流并入,冀鲁地区低空东南急流加强、北伸,雨带呈“人”字形,降水落区无变化但短时强降水频次增大、强降水范围集中,雨强增至82.2 mm/h。3)切变线降水阶段,对流不稳定层增厚,降水主要集中在西南风—东南风切变线与南风—东风切变线之间,多局地短时强降水,最大雨强为76.3 mm/h。4)“杜苏芮”影响结束后,副高外围的低层偏南气流有明显的风速辐合,引发暖区局地降水,雨带呈准南北向且分为多轮次,各轮次降水落区次第向东移动且强度不断减小,阶段内最大降水强度54.2 mm/h。5)双偏振雷达图像显示,在倒槽降水阶段,前期为低质心暖云降水,对流发展高度最低,暖云碰并机制明显,雨滴粒子直径最大;“卡努”东南急流并入时段,0°C层下降、-10°C层抬升,对流高度增加,霰粒子增长、冰相粒子聚合融化,雨滴粒子浓度增至最大。在切变线降水时0~-10°C层厚度减小而-10~-20°C层厚度增加,对流发展高度最高,霰粒子凇附增长更为明显。6)地形对降水有增幅作用,倒槽降水阶段东南气流加强、北伸时与偏东风在保定中、北部辐合抬升,保定浅山区开始有山洪出现;“卡努”北侧东南风气流并入时的倒槽降水阶段以及切变线降水阶段,东南风与太行山北段近乎正交,保定西南部山区30日08:00至31日08:00出现24 h降水量极值。

关键词：台风“杜苏芮” 强降水双偏振雷达观测特征地形影响

京津冀地区倒春寒时空特征及风险概率统计分析

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高原气象 2024年第4期43卷 955-966页

作者：童俊孟旭芹赵亮彭九慧张晓辉陈思雨河北省气象与生态环境重点实验室河北石家庄050021 中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室河北雄安新区071800 河北省承德市气象局河北承德067000 河北省气象灾害防御和环境气象中心河北石家庄050021

利用京津冀99个国家气象站1961-2020年3-5月日气温数据,应用MK趋势检验等方法,分析倒春寒发生频次、持续天数和站次比时空分布规律,基于信息扩散理论评估不同等级倒春寒风险概率。结果表明:近30年99个国家气象站共发生2570次倒春寒,轻... 详细信息

利用京津冀99个国家气象站1961-2020年3-5月日气温数据,应用MK趋势检验等方法,分析倒春寒发生频次、持续天数和站次比时空分布规律,基于信息扩散理论评估不同等级倒春寒风险概率。结果表明:近30年99个国家气象站共发生2570次倒春寒,轻度最多,重度最少。发生频次上,轻度和中度由北向南递减,重度自东北向西南递减,4月轻度、中-重度和发生总次数均最多,年际变化呈下降趋势,其中3-5月和5月显著下降。总持续天数上,轻度和重度由东北向西南递减,中度呈南北高、中间低的格局。各站轻度平均持续天数相差不大,中度和重度则差异明显,平均持续天数随着等级的增大而跃增。年均倒春寒持续天数为6.9 d·a^(-1),呈下降趋势,降幅为1.5 d·(10a)^(-1)。88.9%的站点持续天数呈年际下降趋势,35个站显著下降,南部比北部降幅更大。3-5月和5月站次比年际下降趋势显著,4月轻度和中-重度站次比均最高,各月轻度站次比均远高于中-重度。倒春寒风险随着等级升高呈阶梯式降低,轻度2年一遇以下约占34.3%的站点,主要在北京、石家庄、邢台和邯郸等地;中度5~10年一遇和10年一遇以下的站点约占90%,前者集中在京津冀南北两端,后者大多位于京津冀中部。研究区重度倒春寒风险均较低,高达97.0%的站点为25年一遇以下。

关键词：倒春寒信息扩散理论发生频次持续天数站次比风险

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高建筑物雷电光谱校正对通道温度反演的影响

应用气象学报 2024年第4期35卷 493-501页

作者：王雪娟化乐彦王炳浩许伟群吕伟涛陈绿文武斌齐奇马颖杨静南京信息工程大学应急管理学院南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/中国气象局雷电重点开放实验室北京100081 中国气象局广州热带海洋气象研究所广州510080 中国科学院大气物理研究所/中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029

雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响,导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例,考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正,对比校正前后的光谱结构和谱线强度,并... 详细信息

雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响,导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例,考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正,对比校正前后的光谱结构和谱线强度,并基于多谱线法利用1次电离的氮离子(NII)和中性氧原子(OI)谱线反演通道温度,分析光谱校正对通道温度反演的影响。结果显示:光谱校正后离子和中性原子谱线强度均明显增强,尤其可见光区域的连续谱强度明显增强,导致其谱线结构变化显著,而近红外区域的谱线结构变化不显著。利用校正后可见光区域的NII谱线和近红外区域的OI谱线反演通道温度时,线性拟合的决定系数均增大,反演准确度均得到提升。NII和OI谱线反演的通道温度平均值相比校正前分别降低4660 K和上升1540 K,且由OI谱线反演的通道温度低于由NII谱线反演的温度,说明它们分别对应雷电放电通道径向的不同区域。

关键词：高建筑物雷电光谱校正多谱线法温度

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双线偏振全数字相控阵天气雷达设计与试验

现代雷达 2024年第4期46卷 65-75页

作者：刘新安曾正茂陈玉宝张深寿刘光普佟翔宇孙正齐南京恩瑞特实业有限公司江苏南京211106 福建省气象信息中心福建福州350001 中国气象局气象探测中心北京100081 福建省灾害天气重点实验室福建福州350001 福建省大气探测技术保障中心福建福州350008 南京电子技术研究所江苏南京210039

基于极端灾害性天气对高时空分辨率的探测需求,提出了一种采用平板阵列天线和全数字收发组件,并具有双线偏振功能的S波段相控阵天气雷达系统的实现方法,并对涉及的关键技术进行了研究分析,提出了基于脉内频相扫多波束的扫描策略设计,以... 详细信息

基于极端灾害性天气对高时空分辨率的探测需求,提出了一种采用平板阵列天线和全数字收发组件,并具有双线偏振功能的S波段相控阵天气雷达系统的实现方法,并对涉及的关键技术进行了研究分析,提出了基于脉内频相扫多波束的扫描策略设计,以及基于机内标定系统的在线标定设计思路。最后采用研制的工程样机开展了强对流天气观测试验,并与CINRAD/SAD雷达的观测数据进行了对比,对比结果表明采用该方法设计的工程样机对强对流天气的观测具有一定优势。

关键词：双极化全数字相控阵平板阵列天线扫描策略系统标定

基于ConvLSTM融合RMAPS-NOW数据的雷达回波外推研究

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气象学报 2024年第4期82卷 554-567页

作者：王善昊胡志群王福增陈杰鑫成都信息工程大学电子工程学院成都610225 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局大气探测重点开放实验室成都610225 成都信息工程大学大气科学学院成都610225

雷达回波外推是临近预报、人工影响天气作业及效果评估的主要参考依据之一,快速准确的回波外推技术一直是雷达气象领域的研究热点。近年来,基于深度学习的时空序列预测模型在雷达回波外推中得到了广泛应用。然而,这些外推网络架构的输... 详细信息

雷达回波外推是临近预报、人工影响天气作业及效果评估的主要参考依据之一,快速准确的回波外推技术一直是雷达气象领域的研究热点。近年来,基于深度学习的时空序列预测模型在雷达回波外推中得到了广泛应用。然而,这些外推网络架构的输入大多用16级伪彩色雷达回波强度产品转化而来的灰度图,丢失了许多回波细节,并且随着外推时间延长,误差不可避免地增大。回波的生消、移动、演变与天气背景紧密相关,因此,将北京城市气象研究院研发的新一代快速更新多尺度资料分析和预报系统的临近数值预报子系统(RMAPS-NOW)初始零场的部分物理量产品融入华北雷达拼图原始数据,构建多个雷达单元(Radar cells),并将这些雷达单元作为输入,基于卷积长短期记忆网络(ConvLSTM),设计了一个多通道雷达回波外推网络架构(MR-ConvLSTM)。另外,考虑到卷积算法的平滑性,构建了自定义损失函数,增加回波强度的时空权重进行时空衰减订正。选取(40.65°—41.65°N,114°—115.4°E)内2018—2021年的6—9月共13000组华北雷达组合反射率因子拼图及RMAPS-NOW初始零场数据,其中的80%共10400组为训练集,20%共2600组为测试集。引入的物理量包括多个高度层的u、v风(1350 m),相对湿度(RH,150 m),水平散度(1350 m)等,基于ConvLSTM及MR-ConvLSTM加自定义损失函数,分别训练得到5个雷达回波外推模型。采用临界成功指数(CSI)、命中率(POD)、虚警率(FAR)作为评价指标,利用测试集对所有模型进行评估。基于引入物理量的MR-ConvLSTM训练得到的模型在20、30、35 dBz反射率阈值下,比未引入物理量的基于ConvLSTM的外推模型CSI值平均高4.67%、13.8%、5.98%,POD值平均高3.1%、7.68%、8.38%,FAR值平均低6.37%、8.54%、10.17%,同时引入3种物理量(RH、u、v)的外推模型在不同阈值的各项指标中综合表现最好,其CSI、 POD值在3种不同阈值下比未引入物理量模型平均高16.01%、13.38%,FAR值平均低14.88%。从模型应用的个例可视化也可以看出,引入物理量后有效提升了雷达回波外推的准确度,证明基于MR-ConvLSTM架构训练的雷达回波外推模型有较强的泛化能力。

关键词：雷达回波外推深度学习 RMAPS-NOW MR-ConvLSTM网络架构自定义损失函数