强对流天气中多普勒天气雷达和闪电定位资料的应用分析.docx
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强对流天气中多普勒天气雷达和闪电定位资料的应用分析
强对流天气中多普勒天气雷达和闪电定位资料的应用分析
摘要
利用近30年观测资料统计分析安徽强对流天气的气候分布特征。
分析多普勒天气雷达和闪电定位资料在安徽强对流天气中的应用。
最后介绍了目前较为先进的NCAR自动临近预报系统中区域追踪技术(CTREC)和雷暴识别、跟踪、分析和临近预报技术(TITAN)以及这二种技术的应用能力。
主要结果和创新点如下:
1安徽省雷暴、雷雨大风、冰雹的气候时空分布特征:
安徽的雷暴分布在地理位置上呈现出随纬度增加雷暴减少和山区多平原少的特征,说明雷暴与纬度、地形这二个因素有关。
在季节上表现为冬季少,夏季多,7月是一年中雷暴最多的月份,但气温仍较高的9月其雷暴迅速减少,减到与3月相近,说明雷暴的产生和地面气温有关,但地面气温只是其中的一个影响因素,更多的影响因子是一个值得研究的问题。
雷雨大风和冰雹易出现在山区(皖南山区和大别山区)和沿淮东部。
雷雨大风主要出现在4~8月,7月最多,其次是8月。
冰雹主要出现在3~8月,3月最多,其次是5月,虽然7月最易出现雷暴,但冰雹不是最多,主要原因可能是0℃层太高,既不利于冰雹的形成,也使冰雹在下落过程中容易融化掉。
2多普勒天气雷达在2002年8月24日飑线过程的分析应用结果:
(1)多普勒雷达上飑线回波呈现弓形,伴有雷暴出流边界。
飑线前沿与强回波相对应处有辐合或伴有中气旋。
(2)飑线中的雷暴群其垂直结构基本是一致的,呈现前倾结构。
(3)边界层辐合线对飑线中的雷暴新生和演变有较好的指示性。
首先边界层辐合线与雷暴之间距离的变化一定程度上可以预示未来雷暴强弱的变化:
边界层辐合线快速远离雷暴时,雷暴将迅速减弱;距离变化不大时,雷暴一般也基本维持原来的强度。
其次边界层辐合线相交处易新生雷暴或使移到此处的雷暴加强。
3多普勒天气雷达和闪电定位资料分析2003年7月8日安徽无为龙卷表明:
(1)这次F3级龙卷在强度场上不同于经典结论,而类似于普通雷暴(雷达反射率因子35dBZ~50dBZ,回波顶高6~9km,这一特征在雷暴的临近预报中值得警惕)。
但在多普勒速度场上有别于普通雷暴,存在较强的中气旋。
(2)地闪极性以负地闪为主导,说明较强龙卷中正地闪不一定占主导,但闪电超前于龙卷发生,对龙卷的预警有积极作用。
(3)这次龙卷雷达回波强度类似普通雷暴的主要原因可能是由于除龙卷外未伴有冰雹等强对流。
一般而言,龙卷的产生常伴有冰雹的出现,冰雹的强回波易于掩盖龙卷本身雷达回波的特征。
而正地闪较少的原因可能是上升气流不强(回波顶高低可以说明),弱上升气流难以使相当数量软雹反复循环碰撞产生正电荷,导致地闪极性以负地闪为主。
4强对流天气中闪电一般超前发生,不同类型强对流闪电特征不一样:
(1)强降水、冰雹和雷雨大风第一个闪电基本都超前于强对流天气1个半小时到2小时。
这一点对强对流天气的监测和预警有重要的意义。
(2)在云地闪分布上:
强降水云闪多于地闪。
但冰雹则相反,主要以地闪为主,云闪较少。
而雷雨大风云地闪比例不定。
(3)在地闪的极性上:
强降水和雷雨大风以负地闪为主,正地闪仅占地闪的5%左右。
但大冰雹中正地闪占绝对优势,占地闪的90%左右。
不同类型强对流闪电特征的不同为强对流天气发生前对其类型的判断有重要的帮助。
5TITAN和CTREC二种临近预报技术对雷达回波和风暴的预报较为成功:
(1)TITAN对风暴的预报:
多数情况下在风暴发展阶段,风暴大小预报偏小,风暴前界的预报比实际观测偏后几公里,但后界基本一致。
成熟阶段风暴大小和位置预报得最好,接近实况。
减弱阶段风暴大小预报有些偏大。
对风暴的移动方向预报一直比较成功。
(2)CTREC对回波的预报:
多数情况下预报速度略偏慢,但距离上误差一般不超过20km。
偏快的情况几乎没有。
对风暴移动路径的预报比较成功。
(3)对比TITAN和CTREC:
TITAN对风暴的预报在位置上比CTREC一般更准确一些,尤其是在风暴的发展和成熟阶段。
但TITAN只预报风暴,对于大范围强度低于风暴标准的降水回波,CTREC则显示出其优越性,其回波范围的预报基本准确,位置上一般偏慢10km左右。
(4)这二种临近预报方法有较高的业务实用价值,但在使用时有二点需要注意:
第一,对新生风暴没有预报能力,所以临近预报中要注意增加新生风暴的一些经验判据(如可结合雷达上辐合线和云图上的积云发展判别风暴的新生)。
第二,没有对超折射回波进行过滤,常把超折射回波误判为天气回波。
6本论文的创新点:
(1)利用30年观测资料对安徽常见的强对流天气进行了全面的统计分析,为强对流天气的研究打下了良好的基础。
同时统计中发现了一些今后有待进一步研究的现象。
(2)利用新型探测设备即多普勒天气雷达和闪电定位仪资料分析强对流天气,龙卷个例分析中发现了在多普勒雷达强度场上这次个例不同于经典结论。
(3)首次把CTREC和TITAN技术应用到安徽,取得了较好的预报效果,同时也分析了不足的方面,即对于新生雷暴无预报能力,超折射误识别为雷暴回波。
关键词:
多普勒天气雷达闪电定位强对流CTRECTITAN临近预报
Abstract
ClimaticcharacteristicsofstrongconvectiveweatherinAnhuiprovincehavebeenanalyzedbyusingobserveddataof30years.TherearesomeeffectivecasestointroducetheapplyingofDopplerweatherradarandlightningdetectionandrangingsystem.Finally,twokindsoftechnologyareintroducedinthearticleaswellastheirapplicationintwostrongconvectivecases.Theyrespectivelyarethetracingradarechobycorrelation(TREC)andthunderstormidentifyingtracinganalyzingandnowcastinginNCARautonowcastingsystemwhichismoreadvancedatpresent.Themainconclusionsareasfollow:
1.Climaticdistributingcharacteristicinthetimeandspaceofthunderstorm,damagingwindandhailinAnhui.
InAnhui,theprobabilityofthunderstormdecreasesasthelatitudeincreasesanditislargerinthemountainareasthanintheplainareas.ThethunderstormhappensmoreinthesummerthaninthewinterandJulyisthemonthinwhichthethunderstormsoccurmost.IntheSeptemberwhenitisstillhot,thehappeningofthethunderstormreducesquicklytillitapproximatestothatinMarch.Sothetemperatureofgroundisnecessarybutnotsufficientinthehappeningofthethunderstorm.Itstilldeservesmoreresearchformoreeffectivefactors.
ThedamagingwindandhailusuallyoccursinthemountainareasandtheeasternpartalongtheHuaihebasin.DuringtheperiodfromApriltoAugust,theclimateismoreavailableforthedamagingwind,especiallyinJulyandsecondlyinAugust.HailisformedeasilyfromMarchtoAugust.IthappensmostinMarchandMayinthenextplace.TheoccurrenceofthehailisnotmostinJulywhenitisadvantageousforconvectionmainlybecausetheheightof0℃layeristoohightoformthehailandkeepthehailfrommeltingthoroughlyduringthefalling.
2.TheconclusionsoftheapplicationofDopplerradarinthecaseofsqualllineon24Aug.,2002.
(1)Squalllineechoisembowedwithstormoutflowboundary.Therearesomeconvergencesormesoscalecyclonesinthefrontofsquallline.
(2)Theverticalstructuresofthunderstormclusterinthesqualllinearebasicallyidentical.Theverticalsectionoftheintensityshowsthethunderstormsallinclinedforward.
(3)Convergencelineintheboundarylayerindicatestheinitiationandevolvementofthethunderstorm.First,thechangeofthedistancebetweentheconvergencelineandthethunderstormforeshowstheevolvementofthethunderstorminthefuturetosomeextent.Forexample,thethunderstormwillweakenquicklywhenthedistanceenlargeswhileitmaintainsasitwaswhenthedistancechangeslittle.Then,thethunderstormcanusuallybeformedorenhancedattheconjunctionoftheconvergencelines.Itismeaningfulfordetectingandnowcastingsevereweather.
3.TheconclusionoftheapplicationoftheDopplerradarandlightningdetectionandrangingsysteminthecaseoftornadoinWuwei,Anhuion8thJuly,2003.
(1)Thistornadodiffersfromtheclassicalconclusioninthebasereflectivity.Whenitcameintobeing,theechoisweakandthetopofechoisnotveryhighjustlikethegeneralthunderstorm.Andthischaracteristicisworthyofalertinthenowcastingofthunderstorm.Butthereisastrongmesoscalecycloneinthebasevelocity.
(2)Negativegroundflashesdominatecloud-to-groundlightningactivity.Notallpositivegroundflashesdominateinthestrongtornado.However,thelightningisaheadofthetornado,whichhaspositiveeffectsforwarningofthetornado.
(3)Thistornadodiffersfromtheusualtornadocasesmainlybecausethetopofthistornadoechoisnothighenoughanditwentwithoutotherstrongconvections.Generally,tornadohappenswiththehailwhichcoversthecharactersofthetornado.Thelowheightleadstotheweakupdraftsothatlessgraupelcanengenderpositivechargebycollision.Asaresult,thenegativegroundflashesdominatecloud-to-groundlightningactivity.
4.Thelightninginthestrongconvectiveweatheroftengoesaheadandlightningcharactersdiffersindifferentkindsofstrongconvection.
(1)Forheavyrain,hail,damagingwind,thelightningoccursbeforehand.Thefirstflashmaybeoneandhalfanhourortwohoursinadvance,whichplaysanimportantpartinthedetectingandnowcastingthesevereweather.
(2)Thecloudflashesinheavyrainaremorethangroundflasheswhileitistheoppositeinthehailcases.Theproportionofcloudflashesandgroundflashesisnotsureindamagingwind.
(3)Negativegroundflashesdominategroundlightningactivityinheavyrainandthunderstormwind.Positivegroundflashesisonly5%ofthegroundlightning.Butnearly90%ofgroundflashesarepositiveinthelargehail.Thedifferentproportionofcloudflashesandgroundflashesandpolarityofgroundflashesarehelpfultoidentifythetypeofthesevereweatherbeforeithappens.
5.ThesuccessfulforecastoftheradarechoandstormbyTITANandCTREC.
(1)TheforecastofTITAN:
Usually,inthestageofgrowingthepredictedprojectionareaofthestormissmallerthanthatofobservedandthefrontisaboutseveralkilometersbehind.Thepositionofrearisbasicallycorrect.Inthestageofmaturetheprojectionareaandpositionmostclosetotheobservedfact.
Duringthedissipation,theforecastofprojectionareaislarger.Itcan’tindicatethetrendofweakeninguntilformervolumescanhasweakened.TITANcansuccessfullypredictthemovingdirectionofthestorm.
(2)TheforecastofCTREC:
inmostcases,thepredictedfrontofechoisbehindthatofobservednomorethan20km.Thepositionofrearisconsistentwithorbehindtheobservedfact.Partofthecasesisclosetothefact.However,thevelocityisoftenslowerthantherealone.CTRECcanalsoshowtherightmovingdirectionoftheecho.
(3)ContrastbetweenTITANandCTREC:
forstormecho,theTITANisbetterthantheCTRECinpredictingtheposition,especiallyduringthegrowingandmatureofthestorm.Botharegoodatforecastingthemovingdirection.SincetheTITANonlyshowstheechoofwhichtheintensityexceeds35dBZ,theCTREChasanadvantageofshowinglargeareaofrainyechoofwhichtheintensityislowerthan35dBZ.ProjectionareaoftheCTRECisbasicallyaccurateandthepositiongenerallyfallbehindthefactabout10km.
(4)Thesetwomeasureshavehighpracticalityvalueinoperation.Buttherearetwopointstobenoticed:
First,bothcan’tforecasttheinitialstormsosomeexperiencedcriteriaarealsonecessaryinthenowcastingofthestormsuchasusingtheconvergencelineinradarechoandcumulusinthecloudmap.Second,superrefractionechocan’tbefiltratedinbothmethodssoitismistakenforrainyecho.
Theinnovations:
(1)AllsortsofstrongconvectiveweatherinAnhuiprovincehavebeenanalyzedbyusingobserveddataof30years,whichplaysaimportantroleforanalyzingstrongconvectiveweather.Moreover,someinterestingcharacteristicsneedmoreresearchinfuture.
(2)Somecasesofclassicsevereweatherhavebeenanalyzedbyusingthedatafromadvancedsoundequipmentsi.e.Dopplerweatherradarandlightningdetectionandrangingsystem.ItisfoundedthatsomebasereflectionfeaturesofDopplerradararedifferentfromthatofclassicconclusionsinthecaseoftornado.
(3)ItisfirsttimetoapplythetechnologyofCTRECandTITANinAnhui.Theresultisgoodanddeficiencyofthetechnologyhasbeenfoundtoo.
Keywords:
Dopplerradar,lightningdetectingandrangingsysytem,strongconvection,CTREC,TITAN,nowcasting
摘要……………………………………………………………………………………………I
Abstract(英文摘要)………………………………………………………………………III
目录…………………………………………………………………………………………VI
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