基于阵列天气雷达的下击暴流和短时小尺度对流天气研究

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基于阵列天气雷达的下击暴流和短时小尺度对流天气研究李方平成都信息工程大学
使用来自湖南长沙黄花国际机场和上海市区的两部阵列天气雷达探测的高时空分辨率数据,详细分析了五次典型小尺度对流天气的演变过程。筛选了2018和2019年两年汛期阵列天气雷达数据,具体包括长沙和上海共五次对流过程。对单个探测子阵数据的分析,主要针对相控阵雷达探测特点,改进了适用于相控阵扫描模式的阵列天气雷达的单位面积等效势能监测与预警下击暴流方法,并利用机场内地面自动气象站观测数据辅助验证算法的合理性。对阵列天气雷达探测数据,不仅分析了其单位面积等效势能的变化,还通过回波内部风场数据计算了水平散度和涡度数据,并详细分析了其演变过程。并通过常规探空数据、风廓线数据及地面自动气象站观测数据对回波做出进一步分析,得出以下结论1)孤立单体回波间的碰并增长生成新的回波,新的回波在碰并增长作用下快速发展。2018年5月20日长沙的一次对流过程产生了局地下沉气流,地面瞬时最大风速11.6 m/s。风暴体在5 km左右开始发展。回波顶高达14.8 km,强回波中心高度最高7.5 km。回波中层径向辐合和近地面辐散特征与地面自动气象站风速风向变化时间一致,中层径向辐合加深对地面大风有一定预警作用。自动气象站的露点温度与气压的升高,对风暴体的下沉气流也有一定指示作用。针对相控阵雷达特点改进了单位面积等效势能的计算方法,确定释放比阈值指标为20%,当释放比超过20%可发布预警信息,对“5·20”对流过程阵列天气雷达可在地面风速达最大前20 min给出预警信息,可比原算法提前8分钟预警。(2)在2019年8月13日上海的一次天气过程中,回波发展中期下垫面变化引起的近地面水汽增加,回波辐合性气旋式暖湿入流增强,强回波中心面积增大,高度增加,反射率因子强度增加。回波发展与成熟阶段,内部风场旋转中心与强回波中心对应,回波高层辐散性气流对强回波(>45 d BZ)中心高度有一定指示作用,近地面风场的旋转特征较好的显示了回波的生长趋势。阵列天气雷达提供了较好的时空分辨数据,在SA雷达强中心探测结束后,继续观测强回波中心(>60 d BZ)的演变4分钟。因此在针对快速变化的强对流天气的探测时,高时空分辨率探测数据确有一定优势。(3)2019年8月18日上海市松江地区出现冰雹天气,四小时累计降水量最大61.4 mm,最大地面风速25.7 m/s。同样为回波单体间碰并增长加速新回波的发展,在新回波生成后10分钟内回波顶高增加至13 km,回波最大面积25km*20 km。回波中高层强回波中心对应风场旋转特征明显,中高层有明显的气旋式与反气旋式旋转速度对,并在回波发展过程中向中低层加深。阵列天气雷达探测到明显的正负旋转速度对,转动速度11.5 m/s。地面风速14:13急增,并在9分钟后达到最大值24.3 m/s。利用单位面积等效势能释放比分析,回波于14:10释放比达21.83%,对本次强对流过程可在地面风速达到最大前12分钟预警。地面雷雨大风引起周边地面自动气象站风速突增,强回波中心下降,高空旋转特征减弱,同时高空风速增强,最大至30 m/s。近地面大风夹带大量降水粒子,与高空大风配合,在雷雨大风母体风暴西北方向快速生成了新的冰雹云回波单体,将冰雹过程分为三个阶段:发展阶段、成熟阶段和消亡阶段。发展阶段,回波移动方向后侧的中层辐散特征与回波移动前侧中层反气旋特征指示了回波已进入成熟阶段。后侧辐散区垂直到达地面标志地面降水的开始,同时刻WSR-88D雷达出现三体散射特征。中高层强气旋式旋转为本次强对流过程的重要特征之一,成熟期回波中高层保持强气旋式旋转特征持续18分钟(14:54-15:12),对进一步分析强对流的生消机理有着重要意义。