多普勒天气雷达原理与应用9--雷达课程总结

多普勒天气雷达原理与业务应用课程总结俞小鼎2013年5月引言•雷达结构•应用领域•局限性原理•散射概念：瑞利散射和Mie散射•后向散射截面•雷达波束在大气中的传播（折射）•雷达气象方程•反射率因子（概念和单位）•径向速度和谱宽•距离折叠和速度模糊雷达回波图识别-强度图•层状云降水•积云降水•混合云降水•零度层亮带•非气象回波（地物杂波、窄带回波等）雷达回波图识别-速度图•水平均匀情况下根据径向速度图判断雷达上空风向分风速随高度变化的主要特征；•低层辐合辐散的判别；•雷达上空速度不连续特征的判别（锋面）；•中伽玛尺度速度特征判别：旋转、辐合辐散、上述两者的结合；雷达数据质量控制•地物杂波抑制•速度和谱宽数据去折叠•速度退模糊雷暴和强对流的环境条件•静力不稳定；•水汽；•触发机制（边界层辐合线，地形，重力波）•垂直风切变；资料：探空、高分辨率云图、地面观测、雷达、AMDAR、数值预报雷暴的分类及其雷达回波特征•雷暴分类（单单体风暴、多单体风暴、线状多单体风暴或飑线、超级单体风暴）；•多单体风暴的平流和传播；•中气旋概念与超级单体风暴结构；•飑线结构；•中尺度对流系统MCS；强对流天气的探测与预警•冰雹•龙卷•雷暴大风•短时强降水强冰雹•空间分布•环境条件•雷达回波特征2004-2008年中国强冰雹事件分布2010年7月23日美国南达科达州超级单体雹暴（图中冰雹直径8.5英寸=21.2厘米）2010年7月23日美国南达科达州强降水超级单体SevereHailstormsEnvironmentConditionsProvidedbyRUC关键的环境条件•-10ºC到-30ºC之间的CAPE值•0-6km垂直风切变•0ºC层的高度反射率因子回波特征•高悬的强回波：50dBZ的反射率因子垂直扩展到-20℃等温线以上•低层弱回波区WER和中高层回波悬垂•低层反射率因子强梯度和回波顶偏移•有界弱回波区BWERHailIngredients•Intensecore(50dBZ)abovethe–20Clevel.-20C50dBZ50dBZ弱垂直风切变情况下的雹暴•脉冲风暴•初始回波高度较高•最强回波50dBZ以上并且超过-20C等温线•边际尺度的大冰雹•可预报性较差（持续时间短）普通风暴和脉冲强风暴垂直剖面演变的对比中等到强垂直风切变下的雹暴•非超级单体强雹暴•超级单体强雹暴•雹暴回波的三维立体结构SevereStormStructureinaShearedEnvironmentAfterLemon,1980SupercellStormReflectivityStructureAfterLemon,19808/24/200622:50UTCMinneapolis,MN8/24/200622:50UTCMinneapolis,MNWeakEchoRegion(WER)Case3:050614-15AnhuiMCS•SevereWeather•WeatherCondition•RadarEchoEvolution0030BST15June2005GuzhenCountyGuzhen:theroofwashitthroughbylargehail探空站点0℃层高度(km)-20℃层高度(km)CAPE(J·kg-1)CIN(J·kg-1)垂直风切变(10-3s-1)徐州14日20时4.427.302586.7135.74.70-6km:28m/s江苏沭阳超级单体雹暴（2005061419:30）安徽北部宿州2005061423:5800:22BST15June2005龙卷•我国龙卷分布；•龙卷分级F0-F5级；•超级单体龙卷和非超级单体龙卷；•超级单体强龙卷的背景条件•超级单体龙卷的雷达回波特征2004-2008年中国发生的龙卷分布（不完全统计）2004-2008年中国龙卷分布（不完全统计）龙卷分级•F0-F1：弱龙卷•F2-F5:强龙卷•根据Fujita的建议F0级（18-32m/s）：对烟囱会有一些损害，一些树枝被刮掉，树根浅的树可能被刮倒，指路牌被损坏。F1级（33－49m/s）：可以刮掉房屋屋顶的表面，将移动房屋刮离地基或侧翻，正在开动的汽车被推离公路。F2级（50－69m/s）：框架结构的屋顶被刮掉，移动房屋被摧毁，集装箱卡车侧翻，大树被折断或被连根拔起，轻的物体快速飞到空中。F3级（70－92m/s）：屋顶严重损坏，一些结构比较结实的房屋的墙被刮倒，火车被刮翻，森林里大多数树木被连根拔起，汽车被掀离地面并被抛到一定距离以外。F4级（93－116m/s）：较结实的房屋被夷平，一些房屋部件被抛到一定距离以外，汽车被抛到空中，一些大的物体高速飞入空中。F5级（117－142m/s）：非常结实的房屋被推离地基并被带到相当距离之外碎成几块。汽车大小的物体以超过100m/s的速度被抛入空中，会发生难以置信的现象。F-ScaleImagesF1F2F3NWSPhotobyMikeBranickF4F5超级单体强龙卷的有利环境条件•低层（0-1km）的强烈垂直风切变•低的抬生凝结高度ImportanceofLCLht/1kmShear!FromCravenandBrooks(2002)Note:Only1800LSTsoundingsused超级单体龙卷预警•强中气旋•中等以上强度的低层中气旋•TVS2003年7月8日安徽龙卷个例7月8日深夜23时20分至23时30分，安徽省无为县两个乡镇、六个行政村、十个自然村遭遇强对流天气，其中受灾最为惨重的是百胜镇河南村毕家庄。据到现场指挥救灾的无为县宇正义副县长介绍，两个乡镇在整个过程中共死亡16人，共有166人受伤。2003年7月8日20点安庆站探空22:49庐江无为22:55庐江无为23:01庐江无为23:0723:12庐江无为23:29庐江无为23:29SRR0.5雷暴大风•空间分布；•环境背景；•弱垂直切变环境下的孤立下击暴流；•中等以上垂直切变环境下多单体强风暴、超级单体风暴和飑线导致的区域性雷暴大风；©2006C.Doswell2004-2009中国雷暴大风（大于等于25m/s)事件空间分布有利于雷暴大风的环境条件•对流层中层存在干层；•对流层中下层温度直减率较大；弱垂直切变条件下的孤立下击暴流•下击暴流定义•干下击暴流•湿下击暴流PulseStormDownbursts•Signatureofadownburstisadivergentcoupletnearthesurface•Butbythetimeyouseethis,itisalreadytoolate!•Needtoanticipatedownbursts湖北荆州下击暴流个例2002年7月16日下午16：5016:50DrydownburstsoundingDrymicroburstconceptualmodel干微下击暴流沱沱河2009年9月20日20点探空那曲2009年9月20日20点探空干微下击暴流：西藏那曲2009年9月20日下午WetmicroburstsoundingWetmicroburstconceptualmodel2007年8月3日上海下击暴流•2007年8月3日16时07分（北京时，以下同）左右，一个脉冲风暴在前期雷暴的强冷出流与原边界层辐合线的碰撞触发下新生，并强烈发展，16时40分左右致使上海国际赛车场6号弯D2、D3、D4、D5号4个临时看台与上万个座椅被连根拔起后吹到20米外的F1赛道上，D区没有被吹倒的看台D1也有一定损坏，出现10厘米左右的整体位移（根据事后灾情调查报道）。•设置在F1赛场的自动气象站观测显示：16时37分和38分的风速分别达到了20m/s和22.2m/s，16时37分出现了40.6m/s的强阵风。20070803强脉冲雷暴下击暴流07/08/0308时58362探空DamagingDownburstPredictionandDetectionAlgorithm(DDPDA)•Usesmultiple-sensor-observedprecursorstopredictdownbursts–UsesLDAtodevelopapredictionequationontrainingdata.•Alsodetectsdivergentsignaturesatlow-elevations.2)Acceleratingdowndraft(coolingduetophasechanges)1)Updraft3)Outflow中等以上风切变条件下的雷暴大风•多单体风暴、超级单体风暴、飑线（弓形回波）；•下击暴流族（生命史较强）；•动量下传；•构成共同冷池，密度流；Derecho-multipledownburstswithinanMCSFujita,19782007年7月25日江苏兴化下击暴流2007年7月25日下午，江苏省大部分地区出现冰雹、雷雨大风等强对流天气，造成重大人员伤亡和严重的财产损失。其中大约在14时30分至16时30分（北京时，下同），江苏中部兴化市21个乡镇遭受雷雨强风冰雹袭击，瞬时极大风速29.1m·s-1（11级），因灾受伤58人，其中重伤8人，死亡5人。倒塌房屋2538间，树木倒断42360株，11万伏铁塔倒塌5座。20040712上海超级单体飑线概况•2004年7月12日下午，在无锡、太湖西侧到浙皖交界山区发展起来的飑线系统快速东移，自西向东影响上海地区，在长达6小时的生命史中，产生了8～11级的雷雨大风，其中经过的闵行华漕地区出现了龙卷风。这次强对流天气来势迅猛，移速特快，以风灾为主，造成多处房屋倒塌，死亡7人，伤及多人，部分地区还因高压线损坏而停电。2004年7月12日傍晚，上海地区经历了一次强飑线的侵袭，引起狂风暴雨，全市出现了较大范围的8-11级大风，闵行区华漕镇还发生了龙卷。造成7人死亡，多人受伤2004年7月12日影响上海的飑线移动路径及自动气象站过程最大风速天气背景2004年7月12日08时500hPa风和高度及14时地面冷锋垂直风切变-雷暴移动方向上达到17-18m/s(0-3km)20040712强飑线上海WSR-88D2004年7月12日16-19时CR产品a17:19反射率0.5°c17:37反射率1.5°b17:19径向速度0.5°d17:37径向速度0.5°弱回波线后侧入流缺口速度模糊速度模糊弱回波线020kmRIJRIJCDBA17:13反射率0.5°出流边界线回波中尺度对流系统四个雷暴单体出流边界的反射率图2007年7月7日北京弓形回波雷暴大风天气背景500－200707070800surface－200707070800200707070800北京14点地面温度露点订正surface－200707071100surface－200707071400Vis20070707雷达回波短时强降水•空间分布•环境特征•雷达回波特征中国短时强降水（30mm/h以上）发生频率分布（次/年）基于2000多个国家级气象观测站环境特征•低层露点较大，温度露点较小；•整层相对湿度可以很大，也可以不大；•深层垂直风切变可以较弱，也可以较强；•暖云层厚度较大；四种强对流天气部分参数表类型0℃层高度（km）-20℃层高度（km）LCL（km）EL（km）LFC（km）Tsd（℃）△T75（℃）△T85（℃）Shear(10-3s-1)Td1.5（℃）T-Td1.5（℃）强降水I5.08.60.4312.51.324.114.823.42.117.02.1强降水II4.98.40.7613.31.522.715242.016.32.8共存4.57.60.7212.01.822.416.827.02.914.25.2雷雨大风4.06.81.310.62.516.018.330.53.37.311.3冰雹4.37.01.310.92.618.618.729.03.010.97.8雷达回波特征•雨强•持续时间大陆强对流型和热带降水型