冷空气侵入台风“珍珠”的多普勒雷达回波特征

利用汕头和厦门的多普勒雷达资料、NCEP再分析等资料,研究2006年5月17日台风“珍珠”的短时特大暴雨特征。多普勒雷达探测表明,17日18～19 h,在台风“珍珠”的核半径附近,正、负径向速度极值区分布不对称,即台风前进方向左侧的径向速度明显地大于右侧,研究表明这种特殊情况是由于冷空气(东北风)侵入所导致的,而且该冷空气侵入主要位于4 km以下的中低层,正是因为冷空气侵入造成强迫抬升,加剧不稳定能量释放,触发强降水产生,冷空气影响后期导致台风迅速减弱。与雷达速度场回波观测到的冷空气侵入相对应,17日18 h NCEP风速资料显示在中低层(约1～3 km)台风中心偏西侧,存在明显的全风速高值区,而除了受冷空气影响部位外,台风前进方向的右侧各层风速仍然大于左侧。利用蓝金模式模拟结果,可进一步证实了在台风前进方向左侧的中低层,东北向气流侵入台风涡旋的事实。通过计算物理量表明,在冷空气侵入区域存在高θse密集锋区,θse密集带从底层向高层、由偏东向偏西、由偏南向偏北方向倾斜,闽南地区的特大暴雨就发生在高θse的密集锋区附近。     

双多普勒雷达风场反演误差和资料的质量控制

提出了用双多普勒雷达观测资料进行回波强度、径向速度和方位定位的质量控制方法，以及利用概率分布法订正配对的双多普勒雷达回波强度的方法。以2001年973“中国暴雨”外场试验期间获取的双多普勒雷达观测资料为例，比较了合肥、马鞍山和宜昌、荆州的两对双多普勒雷达同步观测的回波强度、径向速度和方位的改变对观测数据对比的影响；分析了这两对双多普勒雷达径向速度测量误差引起的风场反演的误差。结果表明:两对双多普勒雷达观测的回波强度和径向速度的空间位置和变化趋势比较一致，合肥与马鞍山雷达的回波强度有一定差异，径向速度也有1～2 m/s的差异。风场反演的误差与风场的方向、大小、空间位置等有关。在两个径向速度夹角在40°～140°范围内，共面上的风场的反演误差在1～2倍的雷达探测径向速度的误差范围内。     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

一次局地暴雨过程的多普勒雷达特征分析

利用库尔勒多普勒天气雷达资料,对2008年5月发生在新疆巴州焉耆盆地的一次局地暴雨过程的回波特征进行分析。降水过程中,在库尔勒到焉耆盆地一带先后有两次飑线发展东移,是造成局地暴雨的中小尺度系统。径向速度所反映的在库尔勒到焉耆盆地一带低空存在明显的垂直风切变,雷达西南方向长时间维持西南气流,为暴雨提供了水汽辐合及垂直向上输送的动力条件。     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

利用雷达回波自动识别锋线的方法

运用Matlab软件对冷锋过境的多普勒雷达径向速度进行模拟,运用合成切变估算方法,采用多普勒雷达获取的速度基数据资料,探讨了自动识别锋线的判据,并以动态链接库的方式进行了多普勒雷达锋线自动识别模块的工程设计。对2002年5月13日湖南省入汛后首场大范围暴雨过程进行自动识别处理,对比模拟结果表明该模块对此次过程中的锋线有较好的识别能力。     

一次强对流天气的多普勒特征分析

利用天气图、卫星云图和5cm多普勒天气雷达的资料，详细分析了一次强对流天气的环流背景、回波发展演变过程和多普勒特征及其风场结构；初步分析了强对流天气瑟下垫面地理特征之间的密切关系。对多普勒天气雷达探测强对流天气的方法进行了初步探讨。     

QUALITY CONTROL OF SINGLE DOPPLER RADAR DATA AND RETRIEVAL OF HORIZONTAL WIND FOR A LANDING TYPHOON

The removal of noise and velocity ambiguity and retrieval and verification of horizontal wind field is a prerequisite to make the best and fullest use of Doppler radar measurements. This approach was applied to the Doppler radar data collected during August 2005 for a landing typhoon Matsa (0509) in Yantai, Shangdong Province, and the verified result shows that the quality control for this dataset was successful. The horizontal wind field was retrieved and then verified by studying the characteristics of the radar radial velocity and large-scale wind field and the vertical cross section of the radial velocity determined with the typhoon center as the circle center and comparing it with satellite imagery. The results show that the meso- and small-scale systems in Matsa and its horizontal and vertical structure could be clearly retrieved using the dataset collected by single Doppler radar, and a shear or a convergence was corresponding with a band of severe storm around Matsa. At the same time, the retrieved wind field from single Doppler radar is proved to be a reliable and high-resolution dataset in analyzing the inner meso-scale structure of Matsa. It is also proved that the method for removing the velocity ambiguity could be an effective approach for preliminary quality control of the Doppler radar data, and the VAP method could also be a reasonable solution for the analysis of mesoscale wind field.     

多普勒雷达图像逆风区的自动监测识别

在多普勒雷达降水回波径向速度场中及时准确地发现逆风区,对灾害天气预报预警具有重要意义.根据逆风区在雷达径向速度图中的物理图像特征,采用数字图像处理和分析方法实现了逆风区自动监测识别.首先,以雷达图像色标为依据,采用阈值法分别获取正、负速度区域二值图像,再对2幅图像分别进行形态学运算,然后将上述4幅图像做交叉逻辑运算,得到逆风区监测识别结果和相关参数.通过在2005-2011年长沙雷达站47幅根据实况进行人工标注后的多普勒雷达径向速度图像上进行实验,表明该方法对逆风区可以进行快速准确识别,与人工标注结果比较准确率可达89%,满足实际应用需要.     

暴雨过程中强降水中心的多普勒径向速度场分析

降水区中的逆风区往往和强降水中心或强对流回波密切相关，对这种小尺度的多普勒速度场特征深入研究有助于对强对流回波的发展或消散的认识。本文选取2005年8月15日～17日山西省出现的一次大范围强降水天气过程的多普勒资料，发现强降水中心往往和多普勒速度场中的逆风区有很好的对应关系，并从逆风区的厚度、尺度、强度（速度切变）等方面作了详细地分析。     

C波段双多基地多普勒雷达资料处理和三维变分风场反演方法研究

研究了双多基地多普勒雷达资料的配对方法、风场反演的区域和精度,并研制了基于三维变分方法的双多基地多普勒雷达系统的风场反演系统.利用安徽四创电子股份有限公司研制的一个主动雷达和两个侧向接收天线组成的双多基地多普勒雷达系统获取的外场试验资料,进行了风场反演试验.该风场反演方法利用主动雷达和被动接收系统测量的径向速度作为弱约束,用质量连续方程作为强约束,来反演三维速度场.利用Advanced Regional Prediction System(ARPS)模式模拟的一次龙卷过程的结果,进行了风场反演的模拟试验.结果表明:双多基地多普勒雷达系统能较准确再现龙卷的中尺度特征和强上升气流的结构,从上下两个方向进行垂直积分可以减小垂直速度的反演误差,利用两个侧向接收系统的资料能进一步减小径向速度随机误差对风场反演的影响,增大风场反演的范围.三个分系统单独获取的资料空间配对效果很好,利用不同雷达径向速度反演的风场比较近似,反演的风场与径向速度定性分析和速度方位显示方法(VAD)结果比较一致,该双多基地多普勒雷达系统同步观测技术设计合理,在实时探测三维风场特别是探测近地层风场方面有广泛的应用潜力.     

一次飑线过程的多普勒雷达资料分析

利用承德多普勒雷达的反射率因子、径向速度、垂直积分液态含水量（VIL）等产品,结合环流形势和自动站资料,对2008年6月25日发生在承德境内的一次飑线天气过程进行了分析,初步探讨了承德地区飑线天气过程的多普勒雷达回波演变特征,分析结果表明：大风位于弓形飑线回波的凸起部位。负速度中心值逐渐增大到〉27m／s且逐渐靠近雷达,预示大风天气的出现。VIL值的剧减、跃增和持续高的ET与大风、冰雹等强对流天气有一定的对应关系。对利用多普勒天气雷达识别和预报强对流灾害性天气提供参考。     

风廓线雷达与天气雷达风廓线数据的融合及应用

风廓线雷达与多普勒天气雷达风廓线产品均可以获取高时间分辨率的高空风信息,但两种遥感测风的探测原理及时空代表性不同。在对风廓线雷达进行质量控制处理、剔除降水粒子空间不均匀分布对数据可信度影响之后,根据风廓线雷达与天气雷达风廓线数据探测原理差异,进行不同时间代表性的风廓线数据的空间匹配试验,确定与天气雷达风廓线数据进行融合的风廓线雷达数据最优时间分辨率,结果为1 h。利用2015年7月北京南郊观象台的探空、风廓线雷达、天气雷达测风数据进行三种高空风的一致性比对,结果表明三种测风数据具有较好的一致性,均方根误差分别为2.3和2.5 m·s~(-1);60、30以及6 min不同时间代表性风廓线雷达数据与天气雷达风廓线数据之间的均方根误差分别为2.6、2.8及3.1 m·s~(-1),60 min数据的融合效果最佳,低空尤其明显。利用广东省2014年5月的风廓线雷达观测网以及天气雷达网风廓线数据进行了高空风场的融合分析试验,融合分析场提供了更为丰富的高空中尺度水平风场信息,低空的涡旋更加明显。     

华南暴雨试验天气雷达数据处理及暴雨中尺度结构个例分析

文中描述了华南暴雨试验多普勒天气雷达数据的处理方法，建立了一套集图像显示、数据预处理及风场反演分析为一体的多普勒天气雷达的分析应用系统。该系统生成了三维正方形网格和经纬度网格的回波强度值，以及经噪声控制和速度扩展的径向速度风场，提交了华南暴雨试验雷达数据库。该文以1998年6月9日08:00(北京时) 探测数据为例，给出了华南暴雨试验区内4部多普勒天气雷达的反演雨强图和两部雷达的风场反演拼图，并进行了暴雨中尺度风场结构的初步分析。     

多普勒雷达资料同化对北京“7.21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2～0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。     

多普勒雷达资料在中尺度模式短时预报中的应用

将国内新一代多普勒雷达基数据Lev-Ⅱ的9个仰角的原始反射率和径向风资料应用于中尺度模式ARPS(the Advanced Regional Prediction System),通过对2007年7月18日济南短时特大暴雨过程的个例研究,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响。结果表明,同时利用雷达反射率和径向风资料改进过的初始场能明显改善中尺度数值模式短时定量降水预报。对比风场发现,雷达径向风调整后在初始场中出现明显的中小尺度特征,能减少模式的spin-up时间。随着积分的进行,对水汽场的调节也有一定作用,但相对于风场调节不够显著。雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等含量。积分开始后,对风场调整也很显著。此次模拟,控制试验较好地预报出雷达回波的分布和水汽中心,对应的降水落区与实况也较为接近,但对雷达回波中心强度的预报略大,相应地降水量的预报也偏大。     

The impact of radar data assimilation on atmosphere state analysis in the Moscow region

The results of numerical experiments with the data assimilation system including the WRF-ARW mesoscale atmospheric model and WRFDA analysis package in the 3D-Var mode are considered. The focus is on the impact of Doppler weather radar data on the quality of short-range weather forecasting. The maps of weather events and cloud top constructed from the modeling by GIMET-2010 software package are analyzed using the web-GIS METEORAD. The experiments in the Moscow region demonstrated that if only radial wind is assimilated, the intensity of simulated cloud and precipitation formation is the closest to the observed one; however, the spatial mismatches of simulated and observed cloud systems are possible. If Doppler radar data on radial wind and reflectivity are assimilated, the general pattern and location of clouds and precipitation are simulated more accurately, but there is a certain overestimation of convection intensity which leads to the overestimation of the number of thunderstorms and rainfall rate.     

ANALYSIS OF THE EFFECT OF 3DVAR AND ENSRF DIRECT ASSIMILATION OF RADAR DATA ON THE FORECAST OF A HEAVY RAINFALL EVENT

The present study designs experiments on the direct assimilation of radial velocity and reflectivity data collected by an S-band Doppler weather radar (CINRAD WSR-98D) at the Hefei Station and the reanalysis data produced by the United States National Centers for Environmental Prediction using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the WRF model with a three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system and the WRF model with an ensemble square root filter (EnSRF) data assimilation system. In addition, the present study analyzes a Meiyu front heavy rainfall process that occurred in the Yangtze -Huaihe River Basin from July 4 to July 5, 2003, through numerical simulation. The results show the following. (1) The assimilation of the radar radial velocity data can increase the perturbations in the low-altitude atmosphere over the heavy rainfall region, enhance the convective activities and reduce excessive simulated precipitation. (2) The 3DVAR assimilation method significantly adjusts the horizontal wind field. The assimilation of the reflectivity data improves the microphysical quantities and dynamic fields in the model. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can better adjust the wind fields and improve the intensity and location of the simulated radar echo bands. (3) The EnSRF assimilation method can assimilate more small-scale wind field information into the model. The assimilation of the reflectivity data alone can relatively accurately forecast the rainfall centers. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can improve the location of the simulated radar echo bands. (4) The use of the 3DVAR and EnSRF assimilation methods to assimilate the radar radial velocity and reflectivity data can improve the forecast of precipitation, rain-band areal coverage and the center location and intensity of precipitation.     

多普勒雷达探测“艾利”台风风场不对称结构

2004年8月25日, “艾利”台风在靠近我国台湾东北部海域后不同于正常路径, 先后发生两次左折, 先是西北转偏西, 再偏西转西南, 这种路径在历史上极为罕见。通过“艾利”台风的雷达观测事实, 从单多普勒雷达和双多普勒雷达均发现在台风前进方向的右前方, 即西北象限风速极值大于其他象限, 进一步证明了“艾利”台风的风场分布遵循波数为1的非对称性, 从位于台风不同象限的福州长乐和厦门两站雷达资料, 以及常规的地面观测、高空探测资料和NCEP数值预报再分析资料都得到证实。研究表明, “艾利”台风处在大陆高压东南侧, 台风外围存在一支7 m/s左右的环境风场引导气流。因此, 西北象限风速极值大于其他象限的不对称分布可能是由环境风场和台风本身两方面共同造成的, 这种不对称分布有利于维持“艾利”台风向西南方向移动。在我国东南沿海地区, 由于单部多普勒雷达不可能同时探测到台风的西北、东北和西南3个象限的风速极值, 而双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测台风, 则可以同时探测到3个象限的风速极值, 根据风速极值可能存在的不对称分布情况来预测台风的路径转折趋势, 因此重视双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测对于提高监测预报水平具有重要的意义。