多普勒天气雷达原理与应用9- 雷达课程总结

湖北荆州下击 暴流个例 2002 年7月16日下午
16：50
16:50
Dry downburst sounding
Dry microburst conceptual model
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
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
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
Severe Storm Structure in a Sheared Environment
After Lemon, 1980
Supercell Storm Reflectivity Structure
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 29.1 m· 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。
庐江
无为
22:49
庐江
无为
22:55
庐江
无为
23:01
23:07
庐江 无为
23:12
无为 庐江
23:29
23:29 SRR 0.5
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；
Severe Hailstorms Environment Conditions Provided by RUC
关键的环境条件
• -10º C到-30º C之间的CAPE值 • 0-6km垂直风切变 • 0º C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BWER
2009年9月20日下午
Wet microburst sounding
Wet microburst conceptual model
2007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。
徐州 14日20时
4.42
7.30
2586.7
135.7
4.7
0-6km:28m/s
江苏沭阳超级单体雹暴（20050614 19:30）
安徽北部宿州 20050614 23:58
00:22 BST 15 June 2005
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
0030 BST 15 June 2005
Guzhen County
Guzhen: the roof was hit through by large hail
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)
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；
Hail Ingredients
• Intense core (> 50 dBZ) above the – 20C level.
>50dBZ
-20 C
>50dBZ
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）
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。
• 低层（0-1km）的强烈垂直风切变 • 低的抬生凝结高度
Importance of LCL ht/1 km Shear!
From Craven and Brooks (2002)
Note: Only 1800 LST soundings used
超级单体龙卷预警
• 强中气旋 • 中等以上强度的低层中气旋 • TVS
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
© 2006 C. Doswell
2004-2009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
Pulse Storm Downbursts
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
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。
• Signature of a downburst is a divergent couplet near the surface • But by the time you see this, it is already too late! • Need to anticipate downbursts
20070803强脉冲雷暴 下击暴流
07/08/03 08时
58362 探空
Damaging Downburst Prediction and Detection Algorithm (DDPDA)
• Uses multiple-sensor-observed precursors to predict downbursts
3) 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 - multiple downbursts within an MCS
Fujita, 1978
2007年7月25日江苏兴化下击暴流
2004-2008年中国龙卷分布（不完全统计）
2004-2008年中国发生的龙卷分布（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。
2003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
d
17:37径向速度0.5°
17:13反射率0.5°
C D
B
出 流 边 界 线 回 波
A
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
500－20070707 0800
surface－20070707 0800
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-88D 2004年7月12日16-19时CR产品
a 17:19反射率0.5°
b 17:19径向速度0.5°
弱 回百度文库波 线
RIJ
速 度 模 糊
弱 回 波 线
0
20km
RIJ
后 侧 入 流 缺 口 c 17:37反射率1.5° 速 度 模 糊
• • • • • 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；
After Lemon, 1980
8/24/2006 22:50 UTC Minneapolis, MN
8/24/2006 22:50 UTC Minneapolis, MN Weak Echo Region (WER)
Case 3: 050614-15 Anhui MCS
• Severe Weather • Weather Condition • Radar Echo Evolution
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-Scale Images
F1
F2
F3
F4
NWS Photo by Mike Branick
F5
超级单体强龙卷的有利环境条件
– Uses LDA to develop a prediction equation on training data.
• Also detects divergent signatures at low-elevations.
1) Updraft
2) Accelerating downdraft (cooling due to phase changes)