利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。     

多普勒雷达资料在冷涡强对流天气中的同化应用试验

应用WRF模式的三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对沈阳多普勒天气雷达资料在东北冷涡暴雨个例中的同化应用进行了试验.研制了多普勒雷达资料质量控制系统,实现了对径向风和反射率因子的直接同化,不但可以反演中尺度三维气象要素场,而且可以为模式提供初始场.以天气尺度资料为背景场同化多普勒雷达资料,WRF-3DVAR可以较好地反演冷涡中尺度对流系统的三维结构,反演的地面强对流辐散气流及在对流层中层涡旋都符合中尺度系统概念模型,通过与实际地面探测资料进行了对比,风场环流基本接近,同化了雷达资料的气象要素场可为预报业务提供较好的包含中小尺度系统的实时三维分析场.通过冷涡个例同化试验,应用WRF-3DVAR同化雷达资料后,中尺度模式对对流降水的预报总体有正的影响,对强对流中的一些中小尺度雨团的预报也略有改善.     

基于雷达—雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力

高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水（QPE,quantitative precipitation estimation）产品估测精度易受雷达观测偏差和Z–R（雷达反射率—降水率）关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达—雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达—雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度;最后,结合降水类型,通过雷达—雨量计降水融合算法,产生高时空分辨率、高精度的雷达—雨量计降水融合产品。通过郑州“21·7”暴雨、台风“烟花”和2021年8月随州暴雨三个典型的极端降水个例,对雷达—雨量计降水融合算法产生的雷达—雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水个例和不同的降水时段,雷达—雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达—雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好地捕捉和监测能力。     

用TRMM资料研究江淮、华南降水的微波特性

热带测雨卫星TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 于1997年11月发射成功, 其首次携带了空载雷达, 有关资料已在网上对公众发布。利用热带测雨卫星上的微波成像仪TMI (TRMM Microw ave Imager) 资料以及其和测雨雷达TRMM/PR (Precipitation Radar) 资料联合反演的地面瞬时降水产品, 采用散射指数 (Is) 法从理论上探讨了我国江淮、华南降水尤其是暴雨的微波特性, 其中I_s表达式通过江淮、华南晴空TMI资料统计回归得到。以联合反演的地面瞬时降水产品为真值, 用面积相当法对14个降水个例求I_s降水阈值, 研究了阈值和降水面积以及85.5 GHz垂直通道最低亮温的关系, 并寻求了I_s和降水的相关特征。研究表明:I_s降水阈值随降水面积的增大或85.5 GHz垂直通道最低亮温的降低有增高的趋势; I_s与强对流性降水瞬时雨强对应很好, I_s≥60 K是一个好的暴雨指标。最后进行了初步的雨强反演试验研究, 由于TMI资料分辨率的提高以及时空配合较好的真值, 反演的地面瞬时降水与真值相关效果大大提高。     

台风“尤特”(1311)暴雨的数值模拟及螺旋度诊断分析

为了研究台风暴雨的环流特征,利用NECP/NCAR 1°×1°再分析资料,应用中尺度WRF模式对"尤特"进行数值模拟。模拟结果表明,副高的位置、西南季风急流的水汽输送和大尺度辐合是造成华南地区大范围暴雨的重要原因。利用模拟结果,对台风暴雨的垂直螺旋度特征的进一步研究后指出,垂直螺旋度能很好地反映低层大气辐合、高层大气辐散的垂直结构,螺旋度大值中心的位置与台风暴雨落区有较好的对应关系,螺旋度迅速增大预示着降水急剧增加,对台风暴雨的强度和落区预报有较好的指示作用。     

宁波夏季强对流和台风短时暴雨雷达回波特征对比分析

为了对比宁波地区夏季强对流短时暴雨和台风短时暴雨的多普勒雷达回波特征，选取2004年和2005年该地区夏季出现的强对流短时暴雨和台风短时暴雨的个例作为研究对象，从回波的发展演变、回波形态及回波产品值等进行分析比较，发现：这两类短时暴雨在回波强度、回波高度及垂直液态水含量等产品有明显差异，而降水产品如OHP，STP估计的雨量值，在这两种天气过程中，均比实况雨量资料偏小，且实况雨量越大，偏差也越大；另外，在分析中也发现，用雷达缺省的Z-I关系来估计雨量有很大误差，特别是在台风降水过程中；最后分别建立了对流性降水与台风降水的Z-I关系，以修正宁波夏季的降水估计值。     

1311号超强台风“尤特”强降雨过程综合分析

利用常规资料、地面加密观测资料和NCEP再分析资料,对1311号台风"尤特"进入广西减弱成低压引发的强暴雨过程进行了综合分析,结果表明:进入广西后,低压北部有冷空气侵入,导致降水增强;大陆高压阻挡了台风往西行;低层季风气流稳定的水汽输送与中纬度冷锋前部的东北气流的辐合有利于强暴雨过程的持续发展;强暴雨主要发生在大瑶山、大容山以及六万大山山脉迎风坡和喇叭口地带上,地形抬升对暴雨增幅有明显的作用。     

近年影响桂林的台风暴雨动力热力特征及日本数值预报产品检验

对近年造成桂林台风暴雨的大中尺度环流背景形势作了分析，着重对比分析了尤特和黄蜂台风暴雨的热力、动力特征，对比结果表明：高空槽云系与台风倒槽云系叠加造成的暴雨远比单纯的台风环流造成的暴雨严重，说明中低纬天气系统的相互作用能造成暴雨的增幅。同时检验了日本数值预报产品对台风暴雨预报能力，结果表明：日本数值预报产品对台风环流本身造成暴雨有较好预报能力。     

基于微雨雷达的降水参数反演和粒子相态识别

本文基于微雨雷达原始的后向散射信号,采用一种新的功率谱处理算法（RaProM算法）,在功率谱计算、噪声去除、退模糊等处理的基础上计算了雷达基本参量,并反演了液态降水参数,例如雷达反射率因子、雨强等,并对粒子相态进行识别。RaProM算法综合考虑粒子下落速度、等效雷达反射率因子、不同相态粒子的尺度特征以及是零度层亮带位置等信息,可识别的粒子相态包括雪、毛毛雨、雨、冰雹以及混合相态。选取了三个山东地区较为典型的个例对RaProM反演算法进行验证,即2021年7月2日典型层状云降水个例、2019年12月25日雨雪转换个例以及2018年3月4日零度层高度逐渐降低的降水个例。结果显示：粒子识别方法应用于典型层状云降水,垂直方向上不同相态粒子的分层较为明显,过冷层里的固态降水雪花、零度层附近冰水转换区的混合相态降水以及零度层以下的液态降水符合现有认识,验证了反演算法以及粒子识别算法的有效性。将结果进一步在雨雪转换降水相态识别中和零度层高度的检测,该反演算法均能得到较好应用,与同址同步观测的微波辐射计、云雷达、二维视频雨滴谱仪等观测结论一致。另外,与微雨雷达标准反演算法对比,RaProM算法的优势是...     

使用物理方法反演中国陆地雨强和水凝物垂直结构

使用MM5模式模拟了11个降水个例,获得中国陆地的降水廓线,由蒙特卡罗辐射传输模式计算其上行辐射亮温,构成初始云一辐射数据库.采用对照表方法从中获得Db_ml和Db_m2两个数据集,作为GPROF反演算法的先验数据集.对2007年7月的3次强降水过程的地面雨强进行反演,与微波成像仪(TMI)及NESDIS、GSCAT、...     

0302号(鲸鱼)台风降水和水粒子空间分布的三维结构特征

由于缺乏关于台风结构信息的高分辨率资料,即探测台风云系内部结构特征的技术限制,造成了进一步理解台风的动力传送特征的困难.作者用热带测雨卫星(TRMM,Tropical Rainfall Measuring Mission)的测雨雷达(PR,Precipitation Radar)和TRMM微波图像仪(TMI,TRMM Microwave Imager)资料详细研究了"鲸鱼"台风(0302号)于2003年4月16日1105 UTC的降水和降水云系中各种水粒子的三维结构特征.通过分析发现该时刻:(1)台风降水中大部分区域为层性降水(占总降水面积的85.5%),对流性降水占总降水面积的13.1%,但对流性降水的贡献却达到41.8%,所以,虽然对流性降水所占面积比例很少,但是它对总降水量的贡献却很大.(2)60%降水主要集中在距离台风中心100 km以内的区域,约占总降水量的60%.(3)各种水粒子含量随着与台风中心距离的增加而减少.降水云系中水粒子最大含量出现高度与水粒子的种类和与台风中心的距离有关.最后,分析了台风降水和降水云系中三维分布的成因.     

浙江沿海登陆台风结构特性的多普勒雷达资料分析

利用浙江省新一代多普勒雷达组网资料,选取在浙江东南沿海近乎同一地点登陆的3个台风进行研究。从登陆前6 h到登陆后7 h,对比分析3个台风在登陆前后的雷达回波和降水结构时空变化特征。利用单多普勒雷达四维变分风场反演技术,对温州多普勒雷达探测资料进行了风场反演。结合利用雷达回波强度资料,对3个台风登陆前后1 h在云岩、昌禅等地造成特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明,台风强度与其螺旋云带中的对流单体密切相关。台风强度愈强,其中低层环状平均回波强度就愈强,对流活动也就愈旺盛,降水强度也愈大。台风登陆前,回波(雨带)从眼墙向外围传播。台风登陆后,随着台风外围回波(雨带)明显减弱,台风眼墙回波(雨带)则明显增强,台风眼区逐渐被强回波所取代,使台风登陆后眼墙的平均雨强比登陆前增大。台风登陆后1 h,由于低(高)层水平辐合(散)增强,强对流回波中倾斜的上升(下沉)气流明显增大,使对流运动更加活跃,造成登陆后1 h的降雨量显著增强。台风强度与登陆后1 h降雨量的增强幅度成正比。台风强度越强,垂直风切变就越大,垂直切变风速大值区与最大降雨区有较好的对应关系。台风登陆后1 h,垂直切变风速的明显增加对登陆台风螺旋雨带中的中小尺度对流的加强和维持起到了非常重要的作用。     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。     

基于微波成像仪资料反演陆面降水

为了探讨微波亮温与降水的关系,结合时空匹配较好的TRMM卫星测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)资料,用逐步回归方法,建立统计反演降水的新算式,并对新算式反演结果进行验证.结果表明:对0.1～3 mm/h和3～6 mm/h的降水来说.新算式反演结果与PR雷达反演降水相关较好;对6～10 mm/h的降水来说,新算式反演结果与PR雷达反演降水相关较差;对于大于10 mm/h的降水,新算式反演结果与PR雷达反演降水有较好的相关性,但均方根误差比较大,说明用这种方法反演降水,对于强降水中心的确定有很好的参考价值,但反演结果较实际偏小.通过对2004年7月18日发生的一次特大降水反演结果表明,卫星反演雨带的空间分布、强降水中心位置与PR雷达反演降水以及地基雷达反演降水基本一致.     

基于热带测雨卫星探测的东亚降水云结构特征的研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(TRMMPR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外辐射计(VIRS)、闪电成像仪(LIS)对降水云的综合探测结果,结合全球降水气候计划降水资料(GPCP)和中国气象台站雨量计观测资料,分析了东亚降水分布特点,并比较了TRMMPR与GPCP及地面雨量计观测结果的差异;揭示了中国中东部大陆、东海和南海对流降水和层云降水平均降水廓线的季节变化特征及物理意义,以及TMI高频和低频微波信号对地表降水率变化的响应特点;通过对中尺度强降水系统、锋面气旋降水系统和热对流降水系统的个例分析,探明了降水结构及其与闪电活动的关系、降水云顶部信息与地表雨强之间的关系。     

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验

应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6)，对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究，模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水，但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明，台风Rananim登陆期间，强回波带出现在台风移动的右前方，螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团；垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验，着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:（1）台风登陆期间， 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致，迎风坡降雨量增加，背风坡降雨量减少，地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。（2）台风登陆期间，地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带，高层为明显的辐散区；在中尺度环流场上，地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展，从而激发中尺度对流云团，形成中尺度雨团，造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。（3）地形的强迫作用，可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显增强；当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显减弱。（4）台风登陆期间，地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大，位涡明显增强，从而造成台风涡旋的增强。     

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪观测资料反演陆地降水

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪资料，结合淮河流域试验加密观测期的阜阳地面天 气雷达雨量资料，建立了以散射指数和极化订正温度为主要参数的降水反演算法。对文 中所做反演试验与日本ＮＡＳＤＡ用微波成像仪和星载测雨雷达反演的雨强进行了比较。结果表明 ，文中所用的方法在反演陆地下垫面的降雨强度的分布和降雨区域的确定是比较成功的。     

单多普勒天气雷达反演降水粒子垂直速度Ⅱ：实例分析

垂直速度的反演一直是多普勒雷达风场反演的关键问题和难点,在对单多普勒雷达体积速度处理(VVP)法反演垂直速度进行敏感性分析和改进求解方程的基础上,对其反演三维风场和适用的风速条件做了模拟检验,并在强对流天气和台风实例中反演与验证。分析结果表明,改进的反演算法对径向风速的误差并不敏感,在高低仰角上的精度相同,观测误差越小或风速越大时,反演精度越高。对广州一次强对流过程的反演结果表明,改进的反演算法可以反演出对流单体中降水粒子垂直运动的变化。在中尺度气旋中,粒子垂直速度大值区的分布与气旋外围风切变的位置相符;在气旋的消散阶段下落速度增大,因而可通过粒子的垂直速度变化判断雨强的变化。对2006年超强台风"桑美"的反演结果显示,能够反演出台风中心的下沉气流以及外围交替出现的上升与下沉气流,在台风中心处下沉速度的大值区位于7-8 km高度,低层与高层的值相对较小。反演效果表明,改进后的反演方法较准确地反映了降水粒子的垂直运动,使多普勒雷达资料可揭示更多的三维风场细节,有助于改进强对流天气过程的风场结构分析和降雨落区的预测。