一种抗阵风锋的典型天气识别算法

一种抗阵风锋的典型天气识别算法

0危险天气识别算法多普勒气候雷达是探测海洋环境的重要设备。它不仅可以测量气候波的位置和强度，还可以检测降水颗粒运动速度引起的多普勒频移，从而测量云雨目标运动的速度和光谱宽度。能够正确监测袭击和风暴、龙舟、风角、低风角等受影响的天气条件，是民航机场气象保障和人工影响天气工作的重要检测设备。而多普勒天气雷达危险天气识别软件的研制和应用正是我们现阶段关注的重点。危险天气,通常是指快速变化的、具有旺盛对流运动的中小尺度天气过程,如冰雹、龙卷、阵风锋、低空风切变等。危险天气系统一般由单个或多个对流单体组成,其水平尺度为几千米至几十千米,甚至可达上百千米,经常伴有雷暴、大风、暴雨等强对流天气。本文所涉及的危险天气主要是阵风锋、冰雹和雷雨大风。这几种危险天气现象,在气象学意义上是密切相关的,它们都是对流性天气过程所产生的天气现象,其雷达回波也都具有显著的对流性天气回波特点。其识别算法在一定程度上也是相互关联的。本文重点针对航空危险天气之一的阵风锋雷达回波,研讨了对阵风锋的识别算法,该算法使用三维立体结构指示性因子识别风暴单体,在此基础上,利用模式矢量识别阵风锋;并用这种算法对一次阵风锋天气过程进行了研究,结果表明该识别算法对阵风锋的识别很有帮助。1对流成熟阶段雷达回波上可识别的对流单体,其发展通常可分为生成、成熟和消亡三个阶段。在生成阶段,回波单体的水平尺度在1km左右,其垂直尺度略大于水平尺度,但变化很快。回波向上向下同时增长,其增长速度平均约为4m/s左右。回波内均为上升气流,上升气流的速度通常为5~10m/s,最大可达25m/s。在这个阶段,雷达回波的强中心在云体的中上部,回波通常不接地。20~30min后,对流单体发展到成熟阶段,形成雷暴。回波接地是对流单体进入成熟阶段的主要标志。在成熟阶段,地面开始出现降水,雷达回波内同时存在上升气流和下沉气流。下沉气流是由于降水质点的拖带作用造成的,这种冷性下沉气流在地面上向外扩散,当其发展强烈时,就可能形成阵风锋。在对流单体成熟阶段的初期,云内由倾斜的上升气流和单体一侧的下沉气流组成,由于下沉气流和下降的降水质点抑制了流入气流,使得对流单体无法继续发展,从而很快消亡,因此这种孤立的对流单体是很短命的。但是如果对流单体不是孤立的,而是与周围的对流单体一起组成飑线时,情况就大不相同了。这时上升气流在单体一侧进入云中,而下沉气流从另一侧下降,从而产生了一对上升-下沉气流,形成了一个长生命史环流,这就是飑线系统的特征。当降水在整个云体中发展时,下沉气流逐渐扩展到云的中上部,这就是对流单体的消亡阶段了。这时雷达回波的强中心在地面附近,回波的垂直高度迅速降低,回波强度迅速减小,回波分裂消散。一个典型的对流单体的生成、成熟和消散阶段分别约经历20~30min,其生命史也就1h左右。但如果在消散的对流单体附近又有新的单体形成并发展,那么新单体与老单体的回波很可能合并,并发展成新的雷暴。而在自然界中,这种情况是很普遍的。因此,尽管一个对流单体的生命史在1h左右,但对包含几个单体的雷暴来说,其生命史可达几小时。特别是对可能产生冰雹、龙卷和雷雨大风等天气现象的超级单体风暴来说,其影响可达十几小时。2基于风暴单体的识别算法本文重点讨论的阵风锋和冰雹天气现象,都和对流性天气密切相关,也就是说,都和所谓的风暴单体关系密切。因此,我们首先构建风暴单体的识别算法。由于多普勒天气雷达立体扫描资料包含了较多的危险天气回波特征,因此本文大部分算法都是基于立体扫描资料构建的。2.1计算风暴单体结构参数本文所述的风暴单体是指雷达回波的反射率因子超过一定阈值,并且具有一定体积的三维连续区域。将立体扫描中某一仰角某一方位上沿径向回波强度大于设定阈值的距离库数据的集合定义为一维风暴段;再将该仰角上满足定义条件的不同方位的风暴段进行合并,形成二维风暴分量;然后再按给定条件判断不同探测仰角上的二维风暴分量是否满足形成三维风暴单体的条件。具体计算步骤如下:1)搜索风暴段;2)风暴段合并成风暴分量;3)搜索风暴单体;4)计算风暴单体的结构参数。在完成了一个立体扫描内各个风暴单体的识别后,便可计算每个风暴单体特征的结构参数,为冰雹和阵风锋等识别做好准备。2.2风暴参数指标的判别当风暴单体发展到非常强烈时就可能降雹。因此,冰雹回波的识别是建立在风暴单体识别的基础上。根据强冰雹识别理论,选取多个代表风暴单体三维立体结构的指示性因子,根据它们对冰雹形成所起作用的大小赋予一定权重值,然后通过这些权重值的累加来识别冰雹回波。本软件算法使用的资料是立体扫描强度资料。识别算法给出7个风暴参数指标(ID)及其相应权重值指标(Hw),进行判别:ID1:风暴顶高大于当地0°层高度(可结合探空资料或0°层回波判断),则Hw1=17,否则Hw1=0;ID2:风暴的最大反射率大于55dBz,则Hw2=15,否则Hw2=0;ID3:最底层的风暴分量的中心在其上任何一层的风暴分量中心的北侧,则Hw3=7,否则Hw3=0;ID4:风暴的倾斜方向在风暴的移动方向的右侧45°~180°之间,则Hw4=8,否则Hw4=0;ID5:中层的风暴分量的最大反射率大于50dBz,则Hw5=20,否则Hw5=0;ID6:中层悬挂距离至少为4km,则Hw6=15,否则Hw6=0;ID7:最高的风暴分量位于中层悬挂之上,则Hw7=18,否则Hw7=0。根据实际情况,分别得到这7个指标的权重值,再累加求和,判别是否会产生冰雹。这里所说的“中层悬挂”是指风暴的中上层风暴分量的边缘超出最底层风暴分量边缘的现象。中层悬挂距离是指:所有中上层风暴分量相对于底层风暴分量的悬挂距离的最大值。2.3成熟阶段的风场和温度场用天气雷达探测雷暴时,有时可以发现一种细长的回波带。当这种雷达回波带经过时,虽无降水,但却有明显的降温和强的阵风。这种回波通常称之为“窄带回波”。在雷达回波强度图上,窄带回波表现为一条弱而窄的回波带;在速度图上,外流边界表现为一个低层辐合区。由于它通常会触发新的风暴单体的发展,从而带来突发性的地面阵风,其前沿称为阵风锋。阵锋风的产生是当雷暴单体发展到成熟阶段的时候,就会出现下沉气流向外扩展,地面风变得强烈而带有阵性。当此外流的冷空气在环境暖空气下面扩散时,就会引起风场和温度场的突然变化。阵锋风对于飞机的着陆或起飞有很大的影响,因为它能产生大的风切变和风突变,使飞机失去平衡而坠毁,因此也是一种航空危险天气。阵锋风一般发生在高度3km以下的低层大气中,其长度一般大于10km,它所带来的最大的水平风切变值通常应大于3ms对于阵风锋,我们采用的识别算法是通过搜寻某一方位上的模式矢量(即径向上速度一致减小段)来确定其位置、强度等。本文算法使用的资料是低仰角的速度回波资料。本研究的识别算法是从搜寻模式矢量开始的,由于雷达测得的速度值有很大的脉动性,经过径向上的九点滑动平均之后,相邻两个距离点上的速度大小通常还是很难准确表征某一段距离上的速度变化趋势是增加还是减少,因此,我们对于每一径向上的每一个点(即有速度资料的点)都计算一个切变参量(shear),公式如下:式中V上述各式中,V在存好的模式矢量中,如果相邻两个模式矢量的径向中心和方位中心满足下述条件:则将其并为一个模式特征中。上式中,i、j分别为相邻两个模式矢量的序号,r表1给出了阵风锋识别过程中所用到的一些参量的阈值。3渐邻近认识回波2009年6月5日,受冷空气影响,安徽省自北向南出现了一次雷雨大风、冰雹等强对流天气。在这次天气过程中,多普勒天气雷达探测到了明显的阵风锋雷达回波。在这次天气过程中,收集到了蚌埠和阜阳两个雷达站的回波资料。蚌埠雷达站位于阜阳雷达站正东约150km处。这次对流过程从早晨8点就开始在蚌埠出现,其东北方向有成片的对流回波;而在其正西150km的阜阳雷达站,只能看到5块很小的分散的对流回波单体,其直径不超过30km,从速度图上可看出,低层为西南风。至9:00,对流回波不断增强,并向南移动。至9:17,回波呈现典型的由多个雷暴单体组成的带状,强度达到55~65dBz。当回波逐渐靠近蚌埠雷达站时(10:00,见图1b),雷达站开始探测到带状回波前面约8~12km处的窄带回波,强度为25dBz左右,高度在2.5km以下,速度在-25~8m/s之间。利用阵风锋识别软件可识别出此弱回波带即为阵风锋,但在同时(10:03),阜阳雷达站(图1a)却没有观测到阵风锋。此时阵锋风距蚌埠雷达站约20~80km,在0.40°仰角的雷达回波图上,其回波高度约为180~820m。而对于阜阳雷达站,0.57°仰角的雷达回波高度在距离150km处已达到2.4km高,因此此时阜阳雷达站探测不到阵风锋回波也就可以理解了。带状回波继续向南移动,于10:52与其前方的对流单体合并,并在其侧面(西边)又激发出新的阵风锋回波(在阜阳雷达站探测到阵风锋回波)。至11:23(图2),雷达回波的阵风锋特征更加明显,结合速度数据,可识别出此弱回波带即为一新的阵风锋回波(图2a,阜阳雷达站)。而在蚌埠雷达站由于距离较远,已探测不到阵风锋回波了(图2b)。至12:37(图3),阵风锋移过阜阳雷达站,雷达回波的阵风锋特征更加明显(图3a为速度回波图、图3b为强度回波图),回波强度也保持稳定。雷达回波不断南移,至13:56回波开始减弱,阵风锋也出现断裂,此时阵风锋已不明显,识别软件亦识别不出阵风锋回波了。至14:33雷达回波逐渐移出阜阳雷达站探测范围。而这次强对流天气给安徽省中南部造成了严重灾害。据该省气象台监测数据显示,6月5日,安徽省自北向南出现了雷雨、大风、冰雹等强对流天气,晚20时,淮南、滁州、六安、合肥部分地区出现强对流天气,合肥风力达到了20m/s(8级),最大风力寿县达33m/s(12级),怀远和淮南出现了10mm和8mm的冰雹。根据雷达探测数据,安徽省气象台于5日20时40分变更雷雨大风橙色预警信号指出:未来3h内,颍上及蚌埠、滁州、六安、合肥、芜湖、巢湖、马鞍山、宣城仍将或即将出现雷雨大风、冰雹、雷电等强对流天气。总结这