南匯雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測的一次超級單體天氣過程分析

南匯雙線偏振多普勒雷達(dá)觀測的一次超級單體天氣過程分析

基于模糊邏輯法的分類方法超級單次勵磁風(fēng)暴是迄今為止最大的聯(lián)合貝爾風(fēng)，是協(xié)組織化程度最高、發(fā)展最強(qiáng)、生命史最長的孤極深度波動風(fēng)暴。國內(nèi)的氣象學(xué)者們對于超級單體的發(fā)生發(fā)展機(jī)制、雷達(dá)回波演變特征等已經(jīng)展開了很多深入、細(xì)致的研究模糊邏輯法是粒子相態(tài)分類的最基本的方法。Doviak,etal2015年4月28日,江淮地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的風(fēng)雹災(zāi)害,15時起,在安徽蚌埠附近新生孤立對流單體,16時前后發(fā)展為超級單體,移動過程中一直維持強(qiáng)盛的對流結(jié)構(gòu),至23∶30(北京時,下同)左右逐漸消散,生命史長達(dá)8～9h本文利用常規(guī)天氣觀測、雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)、雙雷達(dá)反演風(fēng)場等資料對此次發(fā)展減弱階段的降雹超級單體進(jìn)行了分析。1出口線和輻合線2015年4月28日08∶00(北京時,下同;圖1a),500hPa亞洲中高緯為兩槽一脊形勢,華北冷渦中心位于河北西北部,冷渦西側(cè)的橫槽位于河北中部到山西中部一線,槽后有顯著的干冷急流,在北京附近有一個-20℃的冷中心;700hPa低渦切變線位于山東西部到河南中部、湖南中部一線;850hPa河北南部到河南、湖北一線有明顯的暖脊與低渦配合;地面輻合線位于安徽北部至江蘇中部。20∶00冷渦快速南下(圖1b),西北急流引導(dǎo)中高空冷空氣南落,0～6km垂直風(fēng)切變顯示最大風(fēng)切變區(qū)基本沿著西北急流的方向(圖2c),最強(qiáng)的垂直風(fēng)切變位于江蘇中南部,達(dá)到了34m·s2雷達(dá)數(shù)據(jù)的雙偏移質(zhì)量控制本文采用的基數(shù)據(jù)包含了水平偏振反射率因子(1)對,(1)在實(shí)際計(jì)算中,采用變距離法計(jì)算得到3低場雷暴反射率因子19∶00左右,南匯雷達(dá)開始觀測到沿東東南方向移動的強(qiáng)雷暴,雷暴移速大約在50km·h22時前后,超級單體從上海西部青浦移入影響上海,低層雷暴的反射率因子回波強(qiáng)度略有減弱,但是相關(guān)系數(shù)的相對低值區(qū)顯示強(qiáng)回波中仍有冰雹粒子混合。反射率因子、徑向速度圖等均觀測到低層陣風(fēng)鋒,陣風(fēng)鋒逐漸遠(yuǎn)離雷暴,說明雷暴已進(jìn)入減弱消亡階段。3.1單帶急劇下降的發(fā)展階段3.1.1個中氣旋高度20∶06,0.5°仰角反射率因子(圖3a)強(qiáng)中心達(dá)到65dBZ,對應(yīng)的徑向速度圖(圖3b)上觀測到兩個中氣旋,高度大約在4.2～4.4km。對應(yīng)兩個中氣旋位置處相關(guān)系數(shù)(同時,強(qiáng)雷暴低層0.5°仰角(高度4km)觀測到明顯的入流缺口(LowLevelinflow,圖3a白色箭頭處),對應(yīng)的入流缺口左側(cè)20∶06—21∶12,0.5°仰角雷暴低層持續(xù)觀測到低層入流缺口,并伴有持續(xù)的中氣旋,雷暴仍處于發(fā)展階段。3.1.2雷暴的雷達(dá)回收19∶41,南匯雷達(dá)0.5°仰角徑向速度圖(圖略)上首先觀測到強(qiáng)雷暴對應(yīng)的中氣旋,由于該雷暴以50km·h從觀測到中氣旋開始(19∶41),到中氣旋減弱(21∶19),中氣旋共持續(xù)了近100min。圖4為中氣旋最強(qiáng)時刻徑向速度圖和風(fēng)暴相對徑向速度圖。20∶18,20∶24和20∶30,去除風(fēng)暴的移動速度后(約為13～14m·s利用南通和青浦多普勒雷達(dá)資料對此次強(qiáng)雷暴進(jìn)行了風(fēng)場反演(此時雷暴距南匯雷達(dá)距離較遠(yuǎn),故選擇南通雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)場反演),原理參考Ray,etal中層中氣旋是環(huán)境垂直風(fēng)切變形成的水平渦管,經(jīng)對流上升運(yùn)動的傾斜作用而造成。Burgess,etal3.1.3差分反射率因子柱hbcin-al在降雹超級單體移動過程中,在低層仰角入流缺口附近靠近強(qiáng)回波一側(cè)持續(xù)觀測到(20∶06—21∶12)差分反射率因子(Hubbert,etal3.1.4入南匯雷達(dá)觀測區(qū)域三體散射(Three-bodyScatterSpike)現(xiàn)象是由包含大的水凝物如大的冰雹對雷達(dá)波束的米散射引起的從雷暴進(jìn)入南匯雷達(dá)觀測區(qū)域,就已經(jīng)處于強(qiáng)烈發(fā)展階段。19∶47、19∶54和20∶00垂直剖面(圖略)上可見明顯的高懸的強(qiáng)反射率因子,強(qiáng)反射率因子發(fā)展到-20℃以上,為典型的出現(xiàn)冰雹的雷暴回波結(jié)構(gòu)。1.5°仰角反射率因子圖上最強(qiáng)反射率因子達(dá)到65～70dBZ,對應(yīng)的低層仰角的最強(qiáng)反射率因子也達(dá)到了65～70dBZ,但是由于其西北側(cè)仍有雷暴發(fā)展,沒有觀測到三體散射長釘現(xiàn)象,但是3.2低頻強(qiáng)暴試驗(yàn)22∶00前后,雷暴從上海西部青浦移入影響上海時,已觀測到低層陣風(fēng)鋒,對應(yīng)的反射率因子垂直剖面圖上(圖略),雷暴的強(qiáng)中心坍塌,下落到低層,說明此時雷暴已進(jìn)入減弱消亡階段。此次強(qiáng)風(fēng)暴過程的最大陣風(fēng)分別出現(xiàn)在小昆山21.7m·s雖然雷暴進(jìn)入上海已處于減弱階段,但是22∶52和23∶16上海松江和奉賢均觀測到了冰雹(人工觀測站,直徑分別是2mm和5mm)。低層雷暴的反射率因子圖(圖9a、b)顯示此時回波強(qiáng)度已略有減弱,最強(qiáng)反射率因子為60dBZ;差分反射率因子(圖9c、d)顯示強(qiáng)回波中從21∶53分開始觀測到陣風(fēng)鋒,雷暴已處于減弱階段,此后陣風(fēng)鋒與雷暴同向運(yùn)動并逐漸遠(yuǎn)離,切斷了雷暴前側(cè)暖濕氣流向雷暴的輸送,不利于雷暴的發(fā)展4降水顆粒相態(tài)分類算法與評價結(jié)果的分析本文采用Park,etal4.1相態(tài)類別10類采用了6個雙偏振的雷達(dá)參量用于粒子相態(tài)分類在開展相態(tài)識別之前,已對雙偏振雷達(dá)的基數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制(第2節(jié))。由于=10log(=-30ifSD(Z)和SD(?輸出變量是10類相態(tài)類別分別為:(1)地物雜波,包括異常傳播(GC/AP);(2)生物(昆蟲)回波(BS);(3)干雪(DS);(4)濕雪(WS);(5)冰晶(CR);(6)霰(GR);(7)大雨滴(BD);(8)小到中雨;(9)強(qiáng)降水;(10)冰雹和雨混合(HR)。其中,一些非氣象的回波包括龍卷過后的殘骸,軍事箔條(militarychaff)會被分類到地物雜波(1)或者生物(昆蟲)回波中;生物(昆蟲)回波(2)包括鳥、昆蟲和蝙蝠等。大雨滴(7)表明降水粒子的分布中大粒子(直徑大于3mm)相對更多。4.2標(biāo)準(zhǔn)集成值的計(jì)算采用了梯形成員函數(shù)對6個雷達(dá)雙偏振參數(shù)進(jìn)行模糊化,梯形成員函數(shù)值的變化范圍在0～1之間,由4個變量對于第i類的雷達(dá)回波,其集成值。(4)其中:采取Park,etal由于一些粒子相態(tài)的成員函數(shù)重疊的部分比較多(比如雨和干雪),因此提高粒子相態(tài)的分類結(jié)果的準(zhǔn)確率還需考慮一些其他的參數(shù),如融化層的高度等。融化層的高度可以通過探空、數(shù)值預(yù)報的輸出結(jié)果,或者利用偏振雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。本算法加入了實(shí)時的探空數(shù)據(jù),用來計(jì)算零度層的高度,從而提高粒子相態(tài)識別的準(zhǔn)確率。4.3不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的反射率因子圖10是根據(jù)上述模糊邏輯法開展降水粒子相態(tài)分類的識別結(jié)果。19∶47和19∶54是觀測到三體散射的兩個時刻,1.5°仰角回波的高度都已在零度層以上。圖10a、b顯示1.5°仰角強(qiáng)回波中心(圖722∶52分和23∶16分上海松江和奉賢均觀測到了冰雹(人工觀測站,直徑分別是2mm和5mm)。低層雷暴的反射率因子圖(圖9a、b)回波強(qiáng)度已略有減弱,最強(qiáng)反射率因子為60dBZ;差分反射率因子(圖略)強(qiáng)回波中此外,研究表明5雙線偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征對2015年4月28日高空冷渦的天氣背景下一次長生命史中氣旋伴隨的降雹超級單體的演變分析,得到以下結(jié)論:(1)冷渦后部西北急流引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣南下,上海中低層位于低空切變南側(cè)的暖區(qū)中,上海寶山500～850hPa的溫差達(dá)到31℃,垂直風(fēng)切變達(dá)到20.99m·s(2)降雹超級單體在發(fā)展階段呈現(xiàn)出回波懸垂、入流缺口、中氣旋以及三體散射等特征,雙線偏振雷達(dá)觀測到了表示雷暴處于發(fā)展加強(qiáng)階段的差分反射率因子柱。(3)在雷暴減弱階段觀測到反射率因子上的弱窄帶回波陣風(fēng)鋒,對應(yīng)陣風(fēng)鋒處譜寬是10～16m·s(4)基于模糊邏輯法(梯形函數(shù)為隸屬函數(shù))并加入了實(shí)時探空數(shù)據(jù)的相態(tài)識別算法,對此次降雹強(qiáng)對流天氣過程的相態(tài)識別結(jié)果表明,該算法對此次降雹過程中的冰雹、降水和零度層亮帶等不同性質(zhì)的降水能夠進(jìn)行有效的識別,有助于對雷暴降水相態(tài)本質(zhì)的認(rèn)識。但是由于該算法的成員函數(shù)以及權(quán)重系數(shù)等是針對美國地區(qū)的分類,并且對TBSS虛假回波識別效果不佳,后續(xù)還需累積更多的個例,針對華東地區(qū)的天氣環(huán)境差異對成員函數(shù)和算法等進(jìn)行改進(jìn)。本文針對一次影響上海的降雹單體風(fēng)暴形成的天氣背景、雙