集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的数值试验

利用集合卡尔曼滤波(EnKF)在云数值模式中同化模拟多普勒雷达资料,并考察了不同条件下EnKF同化方法的性能.结果显示,经过几个同化周期后,EnKF分析结果非常接近真值.单多普勒雷达资料EnKF同化对雷达位置不太敏感,双雷达资料同化结果在同化的初期阶段比单雷达资料同化结果准确.同化由反射率导出的雨水比直接同化反射率资料更有效,联合同化径向速度和雨水有利于提高同化分析效果.协方差对EnKF同化效果起着非常重要的作用,考虑模式全部预报变量与径向速度协方差的同化效果比仅考虑速度场与径向速度协方差的同化效果好.雷达资料缺值降低了同化效果,此时增加地面常规观测资料的同化可以明显提高同化分析效果.EnKF同化技术对雷达观测资料误差不太敏感.初始集合对同化分析有较大影响.EnKF同化受集合大小和观测资料影响半径.同化对模式误差较敏感.利用EnKF同化双多普勒雷达资料,分析了一次梅雨锋暴雨过程的中尺度结构.结果表明,EnKF同化技术能够从双多普勒雷达资料反演暴雨中尺度系统的动力场、热力场和微物理场,反演的风场是较准确的,反演的热力场和微物理场分布也是基本合理的.中低层切变线是此次暴雨的主要动力特征,对流云表现为低层辐合、高层辐散并有垂直上升运动伴随,其热力特征表现为低层是低压区,高层为高压区,中部为暖区而上、下部为冷区,水汽、云水和雨水分别集中在对流云体内、上升气流区和强回波区.     

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。     

山东省一次冰雹云过程的数值模拟

利用中国气象科学研究院的三维对流云模式,对发生在山东省的一次强降雹天气过程进行了数值模拟,并将模拟结果与雷达观测资料进行了检验.分析了风暴各发展阶段的流场结构和回波结构特征及微观物理量的分布及其演变.结果表明:雹胚源区出现在主上升气流前侧上升气流向辐散下沉气流的转向处,在垂直方向上位于最大上升速度上方;冰晶碰并过冷水形成霰和冰雹,冰雹粒子在气流循环处生长.研究结果对实际防雹业务有一定参考意义.     

一次具有对流合并现象的强飑线系统的闪电活动特征及其与动力场的关系

受东北冷涡与副热带高压西北部暖湿气流影响,2015年7月27日北京地区爆发了一次具有明显对流单体合并特征的强飑线灾害性强对流天气过程。利用北京闪电定位网（BLNet）总闪定位、多普勒雷达和探空资料等,详细分析了此次飑线过程整个生命史期间不同对流区的总闪活动特征。结果表明,整个飑线过程以云闪为主,地闪活动以负地闪为主;对流单体合并时云闪数量激增,飑线过程后期正地闪比例跃增。93%的闪电主要分布在距对流线10 km范围内,层云区闪电较少;层云区的闪电电荷来源主要是由对流区的电荷经过过渡区输送而来,正地闪更易发生在过渡区和层云区。对流合并过程中有大量的水汽集中,垂直积分液态含水量（VIL）峰值超前闪电峰值24 min。利用变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）对这次过程的三维风场进了反演,据此对单体合并期间闪电增强的动力原因进行了研究。根据VDRAS反演的动力场来看,对流云单体合并主要发生在低层辐合区内,合并后上升运动加强,上升气流范围变大,闪电活动显著增强,并主要发生在具有较强垂直风切变的区域,少部分闪电发生在对流区后部开始出现下沉气流的区域。     

暴雨过程中对流云合并现象的观测与分析

利用静止/极轨气象卫星、新一代多普勒天气雷达、地面观测和NCEP再分析资料, 对2008年7月22日淮河流域一次暴雨过程中的对流云合并现象进行观测分析。综合观测显示, 这是一次在低层显著气压梯度作用下发生的对流云合并现象, 是一次多尺度、多合并方式的典型过程, 不仅有对流单体之间的合并, 还存在着对流云核(强中心)之间的合并。根据合并的进程, 可以划分为三个主要阶段:单体发展、云桥形成以及系统合并。卫星云图显示, 对流云核合并后云团结构更加紧密、边缘更加光滑;在雷达回波上, 合并后回波顶高和垂直积分液态含水量有显著的增加。对流云核合并完成后, 区域内最高云顶开始回落, 垂直积分液态含水量的最大值开始减少, 并在地面产生强降水。另外, 对流单体之间的合并不仅导致地面降水范围有所扩大, 而且还使降水持续了较长的时间。对合并过程可能存在的机制分析表明, 存在着三个方面的动力因素:(1)大尺度环境场中垂直运动存在的水平不均匀性, 是促成对流云团合并的环境因素。(2)对流系统间存在的低压中心及其引起的显著地面气压梯度, 是对流系统间合并的主要原因。(3)一个云核的下沉气流加强了另一个云核的上升气流, 是对流云核合并的动力学原因。     

华南一次强飑线过程的三维变分风场反演效果分析

利用三维变分方法对2014年3月30—31日华南一次强飑线过程进行风场反演,经与风廓线雷达探测结果、双多普勒天气雷达反演结果、原始径向速度数据等对比分析,得到如下结论：三维变分方法反演的中低层水平风场与风廓线雷达探测到的结果较为一致,且能很好地表现飑线过境时的风向切变;通过与双多普勒雷达风场反演结果对比发现,两种方法得到的风场空间分布十分相似,均能很好地表现2 km高度上系统内部强带状回波前缘的辐合线以及5 km高度上较弱的辐散;三维变分方法反演的水平风场与径向速度场有较好的一致性,2 km高度强回波带前缘阵风锋处的辐合线位置以及5 km和8 km高度上辐散区的位置均与径向速度场十分吻合;三维变分方法反演的垂直速度能较好地反映该飑线过程中气流的上升和下沉运动,平行于飑线方向的气流变化较小,而系统气流变化主要沿垂直于飑线的方向。三维变分方法反演的飑线系统的三维风场结构合理,反演结果可靠。     

一次强风切变过程的分析及成因讨论

2006年6月21日09:04南京禄口机场监测到较强风切变。龙王山(南京)多普勒天气雷达观测图上显示,此时恰有一直径为50 km的对流云团自西向东经过禄口机场。南京市地面自动气象站的观测也表明,此时在南京地区近地层气流出现急剧变化。利用多普勒天气雷达资料对风暴进行立体结构分析,并结合地面自动气象站资料分析得知,这次过程在3 km以下的低层有水平方向的风切变,在1 km高度处有垂直方向的风切变。从多普勒天气雷达的垂直积分液态含水量产品能够更直接地看到对流云团的发展过程,这有助于预报风切变发生的位置。这次雷暴系统中宏下击暴流引起的高空气流下沉,至地面后向两侧辐散,造成水平方向及垂直方向都有强风切变存在。     

强热带风暴“风神”(0806)螺旋雨带中尺度结构双多普勒雷达的研究

利用广州和深圳新一代多普勒天气雷达时间同步探测资料进行双多普勒雷达风场反演,分析了强热带风暴"风神"(0806)螺旋雨带的三维动力结构。螺旋雨带内部强回波区的低层有强辐合区,最大辐合超过-15×10-4 s-1;雨带的高层以辐散气流为主。雨带内部上升和下沉气流共存,最大上升气流为4 m/s,最大下沉气流超过-1 m/s。在沿着风暴中心的垂直剖面内,螺旋雨带外侧低层有较强的内流,气流从雨带外侧低层进入,最强内流位于1 km高度以下;雨带内侧有明显的外流。两支气流在雨带强回波区辐合,水汽在此处辐合抬升;这种动力结构对于强降水的维持具有重要作用。切向速度呈逆时针旋转,最大速度在3 km高度层,速度值随高度的增加逐渐减小。     

青藏高原对流云的偏振雷达观测研究

利用可移动式C波段双偏振雷达（C-POL）,以及那曲新一代天气雷达（CINRAD/CD）于2014年7月30日和8月5日在西藏那曲地区的观测资料,并通过双多普勒雷达风场反演、偏振雷达相态识别,清晰展示了这两次高原冰雹云发生发展的动力、微物理、热力结构特征。结果表明:青藏高原地区的对流云多在午后出现,水平及垂直尺度不大,但是对流云发生频繁、生消快,一般持续几十分钟。从RHI扫描的水平偏振反射率因子（Z_H）、差分反射率因子（Z_DR）,以及反演的相态（Class）分布上可以明显看出,粒子跟随"0线"抬高,不断增长,回波强度也越来越大,并最终超过主上升气流从另一侧降落,形成冰雹墙的整个动力与微物理过程。从连续时次的RHI上还观测到一次对流单体发生、发展过程中相态从湿雪到冰雹的变化,单体刚刚触发时,回波高度不高,强度还很弱,但是却出现成片的湿雪区域,说明上升气流非常旺盛,将本来落到0℃层以下的未完全融化的湿雪重新带到0℃层以上,通过凝华、凇附、攀附等物理过程,仅仅10多分钟,这些湿雪就能够迅速增长成为冰雹。这些湿雪重新凝结过程中,释放潜热,进一步促进了不稳定结构,加强了上升气流和下沉气流。因此,如果某个刚刚生成的弱回波区域内,在融化层以上出现大量的湿雪,往往预示着该区域上升气流强劲,会迅速发展成强回波单体。      

一次局地大暴雨三维风场的双多普勒雷达探测研究

使用地基双多普勒天气雷达综合和连续调整技术 (MUSCAT), 对2001年7月13日安徽省合肥、马鞍山双多普勒雷达同步探测到的暴雨系统进行三维风场反演.其暴雨系统的流场特点是在低层存在切变线和辐合线, 高层气流辐散, 有明显的垂直环流; 低层的水平辐合区与高层的水平速度的辐散区相匹配, 对应着上升运动; 下沉气流在近地面层形成的向外流出的辐散气流促使暴雨系统前方低层暖湿空气上升; 南北强回波单体在全椒附近合并, 单体合并首先从低层开始, 然后扩展到中高层, 造成全椒地区的局地强降水; 中低层的切变线和辐合线是强回波单体合并的动力因素; 流场特征是在其上空形成中尺度涡旋.最后, 给出了这次暴雨的概念流场模型.     

利用AMDAR数据分析厦门、泉州双雷达三维风场反演误差

利用2016年全年进出厦门机场和晋江机场航班的AMDAR(Aircraft Meteorological DAta Relay)数据对双雷达反演风场进行检验,分析了厦门、泉州双雷达风场反演的总体误差,研究结果表明:1)验证了双雷达连线附近区域反演风场的平均绝对误差较大,发现了与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域的反演结果的平均绝对误差明显大于误差的年平均值。2)对于反演风向而言,误差随着高度增加而减小。对于反演风速而言,高度在9 km以下的反演误差在5 m/s左右,而9 km以上的反演误差较小。3)剔除了双雷达连线附近区域(与两部雷达连线的夹角小于15°和大于165°的区域)和反射率因子小于5 dBZ以及等于100 dBZ(剔除非气象回波)的反演结果后,双雷达反演风场误差较小,相对于AMDAR数据的风向年平均绝对误差为29.4°,风速年平均绝对误差为3.28 m/s,总体误差在可接受范围之内,反演结果接近"真值",该反演方法稳定可靠。     

双多普勒雷达反演强风暴三维风场的数值试验

两部雷达测得的径向速度再加上质量连续方程可以求解大气风场，利用这一原理，以1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界处的一次强风暴过程为例，用模式反演出风暴体的三维风场结构，误差分析表明和实况基本一致。利用模式输出的三维风场，先模拟两部多普勒雷达扫描的数据，在此基础上，进行三维风场反演，结果表明，反演得到的流场和模拟的流场总体趋势完全一致，风暴的中心位置吻合较好，上升气流和下沉气流的分布也很接近，水平速度分量反演的误差很小，基本上可以反映三维风场的真实情况。垂直速度的平均离差在各个高度上都较小，反演结果较好。     

Mesoscale Structure of Rainstorm Retrieved from Dual-Doppler Radar Observations Using the 4DVAR Assimilation Technique

The four-dimensional variational (4DVAR) data assimilation method was applied to dual-Doppler radar data about two Meiyu rainstorms observed during CHeRES (China Heavy Rain Experiment and Study). The purpose of this study is to examine the performance of the 4DVAR technique in retrieving rainstorm mesoscale structure and to reveal the feature of rainstorm mesoscale structure. Results demonstrated that the 4DVAR assimilation method was able to retrieve the detailed structure of wind, thermodynamics, and microphysics fields from dual-Doppler radar observations. The retrieved wind fields agreed with the dual-Doppler synthesized winds and were accurate. The distributions of the retrieved perturbation pressure, perturbation temperature, and microphysics fields were also reasonable through the examination of their physical consistency. Both of the two heavy rainfalls were caused by merging cloud processes. The wind shear and convergence lines at middle and lower levels were their primary dynamical characteristics. The convective system was often related to low-level convergence and upper-level divergence coupled with up-drafts. During its mature stage, the convective system was characterized by low pressure at lower level and high pressure at upper level, associated with warmer at middle level and colder at lower and upper levels than the environment. However, a region of cooling and high pressure occurred in the lower and middle levels compared to warming and low pressure in the upper level during its dissipating stage. The water vapor, cloud water, and rainwater corresponded to the convergence, the updraft and the intensive reflectivity, respectively.     

强热带风暴碧利斯 (0604) 引发的特大暴雨中尺度结构多普勒雷达资料分析

强热带风暴 “碧利斯” (Bilis) 于2006年7月14日12:50在福建省霞浦县北壁镇再次登陆, 与南海季风相互作用, 在福建省引发特大暴雨。作者利用双多普勒雷达三维风场反演技术对厦门和龙岩新一代多普勒雷达时间同步探测资料进行了风场反演, 综合利用雷达回波强度资料, 对造成长泰、 漳州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: (1) 此次特大暴雨主要是由中低层西南[CD*2]东北走向的β中尺度辐合线引发的, 辐合线对于水汽输送以及暴雨的形成、 触发、 维持具有重要作用, 辐合线在暴雨的整个生命史过程中经历了由弱变强、 由强变弱的演变过程, 变化过程与降水的强弱演变过程基本同步。 (2) 由于丰富的水汽供应和中低层辐合线的动力抬升作用, 西南[CD*2]东北走向的β中尺度回波带的西南不断有新的γ中尺度对流单体生成, 在沿着辐合线向东北移动过程中进一步发展、 合并形成β中尺度对流线, 造成持续的强降水。最后, 还给出了此次特大暴雨的三维云系结构模型。     

基于卫星资料的大连地区强对流天气闪电活动特征

利用FY-4卫星云顶亮温（Cloud Top Temperature,CTT）资料和雷达回波资料,分析了2019年6-9月大连地区的闪电活动特征,重点分析了该地区2019年9月4日的一次强对流天气闪电活动特征与雷达回波及CTT之间的相关性。结果表明：此次过程雷暴起始于大连东南方向。在雷暴初始阶段,以云闪为主,云闪高度主要集中在7-12 km。闪电活动主要集中在雷达回波强度>30 dBz的区域,对应的云顶高度超过了8 km。闪电活动与FY-4卫星CTT之间存在较好的相关性,闪电主要发生在CTT为240-250 K左右区域。对2019年5-8月大连地区雷达与闪电活动进行量化分析,发现闪电活动主要集中于雷达组合反射率39.38 dBz附近区域,对应的云顶高度为8.21 km。     

Application of Radar Reflectivity Factor in Initializing Cloud-Resolving Mesoscale Model. Part Ⅰ: Retrieval of Microphysical Elements and Vertical Velocity

Assuming that cloud reaches static state in the warm microphysical processes, water vapor mixing ratio(qv), cloud water mixing ratio (qc), and vertical velocity (w) can be calculated from rain water mixing ratio (qr)- Through relation of Z-qr, qr can be retrieved by radar reflectivity factor (Z). Retrieval results indicate that the distributions of mixing ratios of vapor, cloud, rain, and vertical velocity are consistent with radar images, and the three-dimensional spatial structure of the convective cloud is presented. Treating q,v saturated at the echo area, the retrieved qr is about 0.1 g kg-1, qc is always less than 0.3 g kg-1, w is usually below 0.5 m s-1, and rain droplet terminal velocity (vr) is around 5.0 m s-1 in the place where radar reflectivity factor is about 25 dBz; in the place where echo is 45 dBz, the retrieved qr and qc are always about 3.0 g kg-1, w is greater than 5.0 m s-1, and vr is around 7.0 m s-1. In the vertical, the maximum updraft velocity is greater than 3.0 m s-1 at the height of around 5.0 kin, the maximum cloud water content is about 3.0 g kg-1 above 5 km and the maximum rain water content is about 3.0 g kg-1 below 6 kin. Due to the assumption that the cloud is in static state, there will be some errors in the retrieved variables within the clouds which axe rapidly growing or dying-out, and in such cases, more sophisticated radar data control technique will help to improve the retrieval results.     

一次冰雹云过程及其冰雹形成机制的模拟研究

利用常规气象资料和多普勒天气雷达资料,从天气形势和雷达回波演变特征等方面对2011年6月24日发生在洛阳嵩县的一次冰雹过程进行了分析,并利用三维弹性冰雹云催化模式对该冰雹云进行了模拟研究,分析其冰雹形成的物理机制。结果表明:本次过程在天气形势上属于下滑冷槽型。多普勒天气雷达资料上表现为单个单体的强对流风暴,最大反射率≥65 dBz,回波顶高达到14 km,降雹前垂直积分液态含水量具有明显的跃增;径向速度场上出现了大范围明显的逆风区。三维冰雹云模式对该冰雹云具有较好的模拟能力,模式模拟的最强回波与实况一致,雹云中含水量中心与强上升气流有很好的配置,在云的发展阶段,主含水量中心是强上升气流的指示。冰雹的雹胚主要来自冻滴和霰,在冰雹形成期间,冻结形成的冻滴和转化产生的霰数量上相差不大,但是冻滴向雹的转化比例却是霰的6倍,即在地面强降雹之前,雹云中的雹胚主要来源于冻滴;而冰雹的增长在前期主要靠收集过冷雨水,后期主要靠收集过冷云水;适量的冰晶、雪和丰富的过冷水的存在对雹的形成和增长极为有利。     

双雷达反演台风外围强带状回波风场结构特征研究

利用移动新一代天气雷达 (CINRAD/CCJ) 和长乐新一代天气雷达 (CINRAD/SA) 基数据, 采用地球坐标系下的双雷达三维风场反演技术, 重点分析了2007年8月18日凌晨超强台风 “圣帕” 外围强带状回波的风场特征。结果表明, 带状回波具有以下特征: (1) 强盛阶段, 每个强回波中心在前进方向的右侧或右后侧对应于强东偏北风速中心 (强风核), 其中最强回波中心前侧还存在弱风速中心。这样的水平风场结构从低层一直保持到中层, 使得强回波区对应于水平辐合和正涡度区, 产生明显的上升运动, 有助于对流的发展和维持。强盛阶段云体快速移动。相对于移动的云体来说, 前侧及后侧中低层气流均指向强回波, 在强回波区及后侧水平辐合形成上升气流, 最大上升速度出现在强回波中心与北侧强风核之间。同时在强回波上空高层出现辐散, 气流主要向后流出。 (2) 减弱阶段, 较强回波中心或其北侧对应于弱风速中心, 回波中心出现负涡度区。云体移速变慢。相对于移动的云体来说, 偏东气流穿过云体。回波区气流辐合较弱, 明显的上升区出现在中层较强回波近台风中心一侧。(3) 强风核可以将位于带状回波前进方向后侧的处于减弱阶段螺旋云带的动量和水汽向带状回波发展区输送, 因此, 强风核结构很可能是带状回波快速发展的主要原因。     

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。