2022年江西大暴雨回波面积识别特征分析.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(A类 X D A )、国家自然科学基金项目()、江西省 专项及 G项目(A B C A )、江西省气象科技重点项目(J X Z )和赣江新区重大科技攻关项目()资助作者简介:黄芬根(),男,大学,高级工程师主要从事气象信息及公共气象服务技术研究工作通讯作者:马中元(),男,大学,高级工程师主要从事天气预报与预报技术研究工作 年江西大暴雨回波面积识别特征分析黄芬根,马中元,陈鲍发,段和平,吕振东(江西省气象科技服务中心,南昌 ;江西省气象科学研究所,南昌 ;景德镇市气象局,景德镇 ;江西省气候中心,南昌 )摘要:为了做好大暴雨天气的监测预警工作,文章使用M I C A P S、自动气象站、雷达拼图等数据,采用天气学、雷达气象学等原理和回波面积自动识别等方法,对 年江西次大暴雨天气过程进行分析,结果表明:)h P a低槽东移,低层辐合线、切变线与高空分流区重叠,大气层结不稳定,并伴有中等强度的对流有效位能和偏强K指数是江西大暴雨过程的基本天气系统和环境条件.)大暴雨的回波具有絮状回波特征,在大范围混合性降水回波中有 d B Z的回波单体、短带、回波带(团)存在,是造成短时强降水的主要回波系统;d B Z强回波顶高一般在k m或以下,低质心特征明显.)通过D B S C AN算法和散点轮廓算法计算出 d B Z暴雨回波面积、回波强度、回波中心位置等特征,为预报方法提供接口数据.研究结果为江西大暴雨天气的监测预警提供了分析依据.关键词:大暴雨;回波特征;回波面积中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:X()R e c o g n i t i o na n df e a t u r ea n a l y s i so f e c h oa r e ad u r i n gl a r g e r a i n s t o r mi nJ i a n g x i i n H u a n gF e n g e n,M aZ h o n g y u a n,C h e nB a o f a,D u a nH e p i n g,L vZ h e n d o n g(J i a n g x iM e t e o r o l o g i c a lT e c h n o l o g yS e r v i c eC e n t e r,N a n c h a n g ;J i a n g x iR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM e t e o r o l o g i c a lS c i e n c e,N a n c h a n g ;J i n g d e z h e nM e t e o r o l o g i c a lB u r e a u,J i n g d e z h e n ;J i a n g x iW e a t h e rC e n t e r,N a n c h a n g )A b s t r a c t:I no r d e r t od oag o o dj o bi nm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n go f l a r g er a i n s t o r m,t h i sp a p e r,b yu t i l i z i n g M I C A P S,a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n,r a d a rm o s a i ca n do t h e rd a t aa n da d o p t i n gt h et h e o r i e ss u c h a ss y n o p t i c m e t e o r o l o g y,r a d a r m e t e o r o l o g y,e t ca n d m e t h o d si n c l u d i n ga u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o no f e c h oa r e a,e t c,a n a l y z e sl a r g er a i n s t o r m w e a t h e rp r o c e s s e si nJ i a n g x i i n I t i sc o n c l u d e dt h a t:)t h eb a s i c w e a t h e rs y s t e m a n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ft h el a r g er a i n s t o r mp r o c e s s i nJ i a n g x ia r el i s t e db e l o w,i n c l u d i n g h P al o wt r o u g h m o v i n ge a s t w a r d,t h el o w l e v e lc o n v e r g e n c e l i n e a n ds h e a r l i n eb e i n go v e r l a p p e db yu p p e r d i v e r g i n ga r e a,t h e a t m o s p h e r i c s t r a t i f i c a t i o nb e i n gu n s t a b l e,a c c o m p a n i e db ym o d e r a t ec o n v e c t i v ea v a i l a b l ep o t e n t i a l e n e r g ya n ds t r o n g e rKi n d e x)T h ee c h oo f l a r g er a i n s t o r mf e a t u r e sf l o c c u l e n te c h o I nt h el a r g er a n g eo fm i x e dr a i n f a l le c h o,t h ee c h om o n o m e r(d B Z),s h o r tb a n da n de c h ob a n d(c l u s t e r)a r e r e g a r d e da s t h em a i ne c h os y s t e m s气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n t h a t c a u s es h o r t t e r ms t r o n gr a i n f a l l T h ec r e s th e i g h to f d B Zs t r o n ge c h oi sg e n e r a l l yk mo rb e l o wa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o wm a s sc o r ec a nb eo b s e r v e do b v i o u s l y )T h eD B S C ANa l g o r i t h ma n ds c a t t e rp o i n tc o n t o u ra l g o r i t h m a r ea p p l i e dt oc a l c u l a t ee c h oa r e a,e c h os t r e n g t h,e c h oc e n t e rp o s i t i o na n do t h e r f e a t u r e so f r a i n s t o r m(d B Z),p r o v i d i n g i n t e r f a c ed a t a f o r f o r e c a s t i n gm e t h o d s T h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d ea n a l y t i c a lb a s i sf o rt h em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n go f l a r g er a i n s t o r mw e a t h e r i nJ i a n g x i K e yw o r d s:l a r g er a i n s t o r m;e c h of e a t u r e s;e c h oa r e a引言 年江西出现次比较典型的大暴雨过程,南昌等地出现城市洪涝灾害.一方面,大暴雨天气在雷达回波上主要表现为静止锋上絮状回波带,絮状回波带是层状云降水和对流云降水混合体,既有稠密的凝结核,又有适中的对流运动,者相结合,降水效率较高.另一方面,回波带的强度(组合反射率C R)与强回波面积(d B Z回波面积)之间的关系,是产生短时强降水从而形成大暴雨的关键.研究表明,超低空急流、中低层低涡、高空低槽等天气系统在大暴雨过程中发挥了重要作用,不同天气系统带来的雷达回波特征也有所不同,但主要是大范围混合型回波中的较强回波带、回波单体、回波短带等形式.东亚大槽的槽后冷平流与强盛稳定的副高西北侧西南气流汇合,容易导致江西北部出现大暴雨.h P a以下西南急流、地面h变压区是短时强降水易发区.湖南暴雨分为湘西北型、湘中偏北型、湘中偏南型及湘东南型.连续性暴雨按 h P a影响系统可分为低槽型、副高边缘型和西北低涡型类,暴雨的发生与异常的 h P a大气环流、高低空急流、切变线和持续偏强的水汽输送等有关.暖区暴雨带发生于西南暖湿气流加强的环境下,大气对流不稳定、整层湿度大,由于中尺度辐合线的触发,雷达回波具有明显的“列车效应”,地面辐合线的位置决定了雨带位置.高空急流核右后方和低空急流核前方,高层强辐散和低层强辐合叠置.城市暴雨雷达回波主要有种:块状(强单体、超级单体)、带状(飑线、回波带)及絮状(絮带、絮团).絮状回波带回波单体强度不强,但维持时间长,反复经过一地,单体回波呈现“列车效应”.造成强降水的超级单体回波强度为 d B Z,短带回波强度为 d B Z,复合体回波强度为 d B Z,絮状回波带回波强度为 d B Z.短时强降水(mm/h)是由若干个超短时强降水(mm/m i n)组成的.相关研究成果对提高江西大暴雨天气的预警预报能力有指导意义 .资料来源天气图资料来源于M I C A P S平台;地面气象站资料来源于江西气象信息内网平台;雷达回波资料来源于江西W e b G I S雷达拼图平台;雷达数据文件基于雷达及数据反演的经纬度网格点数据;单部雷达反射率因子垂直剖面R C S产品来源于南昌、九江、上饶、抚州、宜春、景德镇等S A雷达基数据反演.全文使用北京时间(B T).天气系统和探空概况分析 T :天气系统配置,高空低槽东移至湖北中部及淮河流域,低槽南部有中低层切变线,h P a切变线位于鄂东南经赣西北伸向湖南南部,切变线东南部有急流配合,h P a南昌西南风达 m/s,h P a达 m/s.h P a赣北处于西南风与西北风构成的分流区中.此时,层结不稳定,并伴有一定强度的不稳定能量,抬升指数B L L ,S I指数 ,对流有效位能 J/k g.分析 T :天气系统配置,高空低槽离江西较远,位于 E以西,槽前有温度槽从鄂东南经赣西北边界伸向湘东北.h P a切变线从湘北伸向赣北,切变线以南广东至湘南有西南急流,中低层赣东北处于西南气流中,并有风速辐合线,h P a分流区正位于赣东北上空,此时 h P a有西南气流向赣东北汇合,h P a有切变线并处于温度锋区中,中层赣北至鄂皖南部有干区.探空图上大气层结不稳定,并伴有较强的不稳定能量,最大抬升指数B L L,K指数 ,S I指数 ,对流有效位能为 J/k g.分析 T :天气系统配置,低槽第期黄芬根,等:年江西大暴雨回波面积识别特征分析有所东移,湿层增厚,中低层整个赣北均为显著湿区,和 h P a的切变线在赣西北重叠,此时 h P a江西大部地区处于辐散分流区中.探空图上,对流有效位能显著增强,达,J/k g,干层上升至 h P a,对流条件更好,最大抬升指数B L L为 ,K指数为,S I指数为 .分析 T :天气系统配置,低槽继续东移越过 E,在赣东北 h P a也有一条辐合线.中低层重叠的切变线主要位于湘北、赣北,切变线以南有低空急流、超低空急流,此时 h P a分流区主要位于湘东北至赣西北、赣东北.探空图上,h P a以上风随高度逆转,有显著冷平流,h P a以下风随高度顺转,有暖平流,冷平流叠加在暖平流之上,形成对流不稳定结构,此时对流有效位能有所减弱,但层结仍不稳定,并伴有一定强度的不稳定能量.分析 T :天气系统配置,h P a低槽移入赣西北,h P a切变线位于赣西北和赣东北,切变线以南有显著的低空西南急流、超低空西南急流,h P a南昌有急流核,赣东北位于西南急流核的前端,此时 h P a赣东北位于“剪刀”状的分流区中,低层 h P a又为暖中心,低层辐合、高层辐散,赣东北强降水不断.探空图上,从底层至高层为上下一致的水汽饱和区,且层结不稳定,并伴有较强的不稳定能量,最大抬升指数B L L为,K指数为 ,S I指数为 ,对流有效位能达 J/k g.分析 T :天气系统配置,h P a低槽东移至湖北中部和湖南中部,低槽西部附近为温 度 槽,低 槽 前 部 自 西 向 东 分 别 有 和 h P a切变线,切变线以南为西南气流,h P a从赣西北至赣中有辐合线,且有偏东急流指向赣西北,即 赣 西 北 处 于 超 低 空 急 流 的 前 端,此 时 h P a赣西北处于西南急流与西北急流构成的辐散区之中,低空辐合,高层辐散,加上急流的汇合,赣西北出现持续强降水.探空图上,低层为显著暖平流,大气层结不稳定,并伴有强大的不稳定能量,最大抬升指数B L L为 ,K指数为 ,S I指数为 ,对流有效位能达,J/k g.回波特征与回波面积识别 低质心垂直结构江西大暴雨雷达回波特征主要表现为絮状回波带,即在大片层状云降水回波中存在对流性降水回波,对流性降水回波为块状、回波短带等多种回波形式.对流性降水回波的强度(组合反射率C R)在 d B Z.江西大暴雨雷达回波特征不具有超级单体回波结构,回波强度也达不到超级单体强度(d B Z),且大暴雨的强回波顶比超级单体强回波顶低.次大暴雨过程反射率因子垂直剖面R C S(图)显示,d B Z强回波顶高分别为,和 k m,均不大于k m,表明大暴雨回波的垂直高度较低;另一个明显特征是混合型降水回波结构,在大片层状云降水中掺夹着对流性降水,整个云罩高度在 k m以下.图 年江西次大暴雨过程反射率因子垂直剖面R C S图 回波面积自动识别特征强回波面积是决定回波经过测站时间和雨强的关键因素,强回波面积造成的短时强降水又促成了大暴雨的形成.根据江西雷达拼图经纬度网格数据(k mk m分辨力,k m k m覆盖范围),回波轮廓的识别采用种算法:)密度聚类:基于密度的聚类,没有使用距离作为度量,而是依据样本分布的紧密程度来确定聚类结构.)散气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 点轮廓算法:利用一个半径为r的圆在点集外围滚动,若r的选取适当,则此圆不能滚动到散点的内部,此圆所经过的点就是选取的外围轮廓点,可以有效地避免凸包中凸性缺陷,对散点的边界进行精确的提取.通过D B S C A N算法和散点轮廓算法分析回波特征并计算出 d B Z暴雨回波的范围,确定其回波面积、回波强度和回波中心位置等特征,采取阈值判断的方法,确定是否出现大暴雨回波.回波面积自动识别数据文件自动识别数据文件可为预报方法提供接口数据,主要包括时间、d B Z回波面积、回波最大值、最大值坐标经纬度和中心点坐标等数据(表).表 年江西次大暴雨过程回波面积识别数据文件片段 d B Z回波面积/k m回波最大值/d B Z最大值坐标经度Io n/()最大值坐标纬度Ia t/()中心点坐标 (,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)结束语江西汛期大暴雨是气象台站重要的预报对象,每年防汛任务十分繁重,其中最主要的是大暴雨天气的短临预报及气象服务.根据不同的天气系统、闪电分布特征和雷达回波特征等要素,分析判断大暴雨的发展演变,是广大台站开展短临预报的手段与着眼点.目前短临预报还处在主观分析判断阶段,利用计算机自动识别回波强度、回波面积等参数,并根据这些参数由计算机自动判断出短时强降水发生的可能性,从而科学实施暴雨预报工作,将是未来发展的重点.参考文献:陈鲍发,马中元,王立志,等江西昌江流域特大暴雨短时强降水回波特征分析J气象,():尹洁,郑婧,张瑛,等一次梅雨锋特大暴雨过程分析及数值模拟J气象,():许爱华,谌芸中尺度天气图分析技术在 年我国南方次强降水过程中的应用J气象,():戴泽军,蔡荣辉,彭莉莉,等湖南持续性区域暴雨气候特征及暴雨落区分型J高原气象,():梁钰,王君,吴璐淮河流域(河南段)连续性暴雨天气分型及环流背景J气象与环境科学,():黄文彦,孙燕,卢楚翰,等近 年夏季江苏引发暴雨的江淮气旋统计分析J气象,():任丽,赵玲,孙磊,等台风“狮子山”与中纬度系统相互作用所致 暴雨 成 因分 析J沙 漠 与绿 洲气 象,():邓虹霞,智海,马中元,等 年江西汛期设区市城区暴雨回波特征分析J气象科学,():桂园园,马中元,齐永胜,等 年鹰潭市城区暴雨天气与回波特征分析J自然灾害学报,():辛玮琦,马中元,谌云,等宜丰短时强降水雷达回波特征分析J沙漠与绿洲气象,():苏俐敏,夏文梅,马中元,等 年江西宜春四类短时强降水特征分析J气象科学,():(下转第 页)气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 图气温多传感器与单温传感器观测值粗差率 超差率从图可知,气温传感器与单一铂电阻气温传感器在五道梁观测站的气温观测值超差率偏大,其他观测站点气温观测数据超差率均低于 .气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值超差率落在其他支气温传感器与单一铂电阻观测值传感器观测值超差率之间.图气温多传感器与单温传感器观测值超差率结束语文章通过对比分析气温多传感器与单一铂电阻气温传感器发现:)气温多传感器可以有效降低气温观测中数据采集的缺测率,使气温观测数据连续完整,弥补了自动气象站单一铂电阻气温传感器存在的不足之处,提高了气温观测的稳定性和观测效率,减轻了台站业务人员的维护保障压力.)对气温观测数据的评估表明,气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器输出值差值标准差较小,数据离散程度较低,一致率较高,粗差率和超差率均较低;因此单一铂电阻气温传感器观测的气温数据可以作为备份数据使用,也可以用来验证气温多传感器算法的合理性.参考文献:孙学金大气探测学M北京:气象出版社,何艳丽,黄飞龙多传感器自动站的数据融合效果及优势分析J气象,():许霞,唐晓东温雨多传感器标准系统业务应用初探J科学技术创新,():高蒙,赖俊滨,刘明,等北京大气试验站双套自动气象站数据评估与比对分析J环境技术,():陈冬冬,杨志彪,施丽娟,等新型自动气象站结构特点及其 优 越 性 J气 象 水 文 海 洋 仪 器,():张瑞,蒲小兰,周宇浅谈多传感器融合技术在气象观测中的应用J中低纬山地气象,():(上接第 页)毛倩,孙飞飞,杨昌洪,等月亮山区两次暖区暴雨天气过程双偏振雷达回波特征分析J中低纬山地气象,():胡萍,夏阳,蔡成瑶,等梵净山区域暴雨过程中小时降水雷达回波特征分析J中低纬山地气象,():王兴菊,罗喜平,王明欢,等 年贵州省一次M C C特大暴雨的诊断分析J中低纬山地气象,():张祝,茅海祥,杨群 梵净山东侧局地大暴雨的雷达回波特征及地形作用分析J中低纬山地气象,():余代辉,杨帆,吴菲黔东南一次暖区暴雨天气过程雷达回波特征分析J中低纬山地气象,():