利用极化雷达分析层状云中水凝物粒子性状分布

使用中国科学院大气物理研究所的X波段双线极化雷达系统探测资料, 讨论了双极化雷达各种观测参量所反映的水凝物粒子的物理本质。提出了对存在融化层的层状云使用雷达探测变量确定零度层高度以及结合地面温度反演温度廓线的方法。在存在融化层的层状云中, 对雷达探测资料在层状云降水期间的RHI资料进行分层统计, 结合国际上已有的研究结果, 获得了几种主要水凝物粒子的极化雷达参数 (即反射率、 差分反射率、 单位差分传播相移、 相关系数) 范围; 在此基础上使用模糊逻辑方法, 对水凝物粒子进行分类, 分类结果反映了层状云的相态结构分布特点。最后, 根据两个实例, 使用反射率、 差分反射率衰减订正后的数据, 结合层状云的基本特点, 分析了层状云的垂直结构和粒子的相态结构以及层状云中可能的降水机制, 并使用反演的粒子分布结构代替雷达反射率因子结构对降水微物理过程进行了讨论, 结果验证了顾震潮 (1980) 在20世纪60年代提出的层状云降水的三层概念模型。本文结果为使用双极化雷达研究云降水机制提供了方法, 表明双极化雷达在云降水物理的研究中具有广阔的应用前景。     

双偏振雷达基本产品和回波分析

双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子Z_DR、传播常数差K_DP、相关系数ρ_hv(0)等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。      

江淮梅雨期极端对流微物理特征的双偏振雷达观测研究

为研究梅雨期极端对流系统的微物理特征,利用2013—2014年江淮梅雨期间南京溧水S波段双偏振雷达探测资料和地面自动站小时降水资料,统计分析了两类极端对流降水系统的微物理特征及差异。这两类极端对流系统的定义基于地面降水强度和雷达回波顶高,分别为所有对流中降水强度最强的1%（R类:小时降水强度>46.2 mm/h）和对流发展高度最高的1%（H类:20 dBz回波顶高>14.5 km）。结果显示这两类极端对流系统仅有30%的样本重合,显示了二者之间的弱相关性。对于相同的反射率因子Z_H,R类极端对流系统的近地面差分反射率因子Z_DR通常较H类极端对流小约0.2 dB,表明R类极端对流具有较小的平均粒径。结合双偏振雷达反演的粒子大小和相态分布显示,虽然两类极端对流都表现出海洋性对流降水特征,但R类极端对流较H类极端对流的总体雨滴粒径更小而数浓度更高,导致R类极端对流系统的地面降水更强。与R类极端对流系统相比,H类极端对流系统的上升运动更强,将更多的水汽和过冷水输送到0℃层以上,有利于形成更大的冰相粒子（如霰粒子等）,并通过融化形成大雨滴。以上研究表明,梅雨期降水强度和对流发展深度并没有必然的联系,极端降水主要是中等高度的对流引起。      

3836C波段双线偏振多普勒雷达及其在一次降水过程中的应用研究

该文介绍了2004年完成的在北京市气象局升级改造后的3836C波段双线偏振多普勒雷达的技术状况, 并通过对2004年11月9日北京地区一次大范围层状云降水观测资料的分析, 讨论了其探测资料的质量情况和对降水粒子的探测性能, 同时还根据零度层亮带内不同相态降水粒子的散射和空间取向等特征建立了一种利用双线偏振雷达观测资料识别零度层亮带的方法, 并利用该雷达的观测资料对识别结果做分析检验, 最后讨论了零度层亮带内各种降水粒子相态的变化规律。研究结果表明:除线性退极化比L_DR未作分析外, 3836雷达探测到的这次降雨过程的分析结果与国外双线偏振雷达的研究结果相似, 其对降水粒子相态结构的反映比较有效合理。建立的零度层亮带识别模式合理, 识别得到的结果能反映零度层亮带的特征。通过对零度层亮带内各偏振参数的变化特点分析, 从双偏振雷达测量参数的角度解释了“零度层亮带”现象的形成是由于在零度层以下的冰相粒子融化成大雨滴然后再裂碎为小雨滴, 从而造成在该层内水平偏振反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR先增大后减小、水平/垂直偏振波零延迟相关系数ρ_hv (0) 先减小后增大的规律。     

广州X波段双偏振相控阵天气雷达数据质量初步分析及应用

为提高X波段双偏振相控阵雷达(XPAR-D)数据质量,采用自适应约束订正方法对反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR进行质量控制;利用广州S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)和地面二维雨滴谱观测对XPAR-D雷达的数据质量进行分析,结果表明XPAR-D雷达与CINRAD/SAD雷达的回波强度基本一致,由于XPAR-D雷达灵敏度较低,导致对弱回波的探测能力低于CINRAD/SAD雷达。将XPAR-D雷达测量的反射率因子Z_H与雨滴谱仪反演的Z_H对比,两者相变化趋势基本一致;XPAR-D雷达差分反射率Z_DR、差分相移率K_DP与Z_H的一致性较好,其中K_DP约是CINRAD/SAD雷达的3.3倍;XPAR-D雷达偏振参量能有效反映融化层的偏振特征;一次局地性强降水的观测结果表明相控阵雷达能够精细监测降水的触发、演变过程以及不同降水强度的微物理特征。      

深圳S波段与X波段双偏振雷达在定量降水估计中的应用

双偏振多普勒天气雷达的一个重要应用是进行定量降水估计（QPE）,它可以获得反射率（Z_H）、差分反射率（Z_DR）和差传播相移率（K_dp）这些与降水粒子有关的信息,常用的双偏振雷达降水估计方法有基于Z_H的R（Z_H）、基于Z_H和Z_DR的R（Z_H,Z_DR）、基于K_dp的R（K_dp）和基于K_dp与Z_DR的R（K_dp,Z_DR）这4种。文中利用深圳市S波段和X波段双偏振多普勒雷达探测资料,结合高精度地形数据和雨滴谱仪观测数据,设计了基于双偏振量的定量降水估计方法:首先利用地形数据和雷达地理信息,分析了雷达的遮挡状况,形成了这两部雷达的复合平面扫描仰角信息;随后利用雨滴谱仪观测资料,使用T矩阵方法统计得到了深圳地区的上述4种降水反演方法的参数;最后设计了混合降水反演方法,基于双偏振信号（即K_dp和Z_DR）的强弱,使用不同的降水反演方法进行定量降水估计。基于12个降水个例,利用各反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料比较。结果表明,混合降水反演方法在降水反演的准确度和稳定性上均优于任何一种单一定量降水估计反演方法。基于文中介绍的定量降水估计方法,使用深圳S波段和X波段雷达产生了定量降水估计产品,并与深圳目前业务定量降水估计产品进行对比评估。结果表明,使用本方法产生的定量降水估计产品在准确度和稳定性上要优于目前的业务产品。此外,X波段雷达的定量降水估计产品性能要略高于S波段雷达的定量降水估计产品,这说明高时、空分辨率的X波段雷达可以提高定量降水估计精度。但由于雷达扫描平面内双偏振雷达对融化层和冰区的偏振量观测与降水的关系尚未明确,因此,本方法仅适用于雷达扫描平面内液态降水区。      

毫米波雷达资料融化层亮带特征的分析及识别

云的融化层亮带位置、厚度及其回波强度的垂直结构变化信息对于云和降水物理研究、人工影响天气指挥和效果评估,数值模拟云参数化均有非常重要的意义。为了了解云层融化层高度的精确位置,根据云雷达在广东、河北、吉林等不同云过程总计456个例分析(其中确认融化层明显个例34次),系统分析云雷达探测到融化层亮带宏观参量的统计情况,包括融化层厚度、反射率因子在融化层强度变化、退偏振因子在融化层的强度变化,并提出了一种结合垂直探测的云雷达探测到的雷达反射率因子(R)和退偏振因子(Ldr)垂直廓线数据,根据参量在融化层附近显著变化特性,识别零度层亮带高度和厚度的算法。同时选取个例对应观测时刻探空资料观测的0°层高度进行对比,反演的融化层高度等参数同实际情况比较接近,位于探空资料观测的0°层下方,而且退偏振因子对融化层的敏感程度大于反射率因子。     

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。      

双偏振相控阵雷达误差评估与相态识别方法

选取2020年3—9月深圳求雨坛的X波段双偏振相控阵雷达探测数据, 与同位置的S波段双偏振雷达进行对比。通过一定限制条件定量分析引入误差的原因, 发现反射率因子Z_H和差分反射率Z_DR的标定误差和随机误差较大, 其中Z_H误差变化范围为-0.5~4.5 dB, Z_DR误差变化范围为-0.7~0.2 dB。在上述较大误差影响下, 传统模糊逻辑相态识别方法的水凝物相态识别结果不可靠, 因此根据不同相态的雷达参量特征范围以及融化层高度建立基本结构为二叉树的决策树相态识别方法。针对上述方法的实际应用效果, 分别从水凝物相态识别结果对误差的敏感性和空间分布的合理性进行评估, 结果表明: 决策树相态识别方法的水凝物相态识别结果稳定性高于模糊逻辑相态识别方法, 且在对流云中的水凝物相态分布更加合理, 能够发挥X波段双偏振相控阵雷达在研究云内水凝物相态演变的优势。     

基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析

利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。     

X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究

文中分析了X波段双线偏振雷达衰减订正各种方法的特点,考虑到差传播相移率(KDP)作为衰减订正的一种有效途径,以及由于KDP值较小,数据质量不稳定,往往导致订正误差较大,因此提出了同时利用水平反射率因子ZH与KDP进行衰减订正的ZH-KDP综合法.基于同样的考虑,在随后利用ZH、KDP进行降水估测时,提出了ZH-KDP-R综合估测方法.利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和成都锦江电子系统工程有限公司,在研制3.2 cm波长同时收发式多普勒偏振天气雷达过程中,2005年8月在平凉外场试验取得的一批观测资料,对提出的衰减订正综合法及降水估测综合法的效果进行了分析检验,结果表明,ZH-KDP综合法对ZH、ZDR有稳定的订正效果,并且订正速度快,能够达到实时运行的要求.2005年8月11日15:08:03-22:05:46,间隔5-12 min不等,雷达开机取得了连续的观测资料,通过对这次降水过程的对比分析表明,ZH-KDP-R综合估测法比单因子KDP-R法、Z-R关系法,适用估测的降水强度变化范围广,与自动雨量记的观测结果较为吻合.Z-R关系法中,利用订正后的ZH值,比利用订正前的ZH值,降水估测值与雨量记实测值的误差明显减小,说明衰减订正后的雷达数据质量有明显的改善.     

CINRAD/SAD双偏振雷达非降水回波识别技术

双偏振雷达观测特征参量（如相关系数、差分反射率等）能有效抑制地物、超折射、电磁干扰、海浪和晴空等非降水回波。在上海南汇WSR-88D双偏振雷达非降水回波识别算法基础上,对我国升级布网且纳入业务运行的CINRAD/SAD双偏振雷达数据进行算法测试、算法模块适应性改进,利用江苏、广东的双偏振雷达观测冰雹、融化层、台风降水及各种杂波个例进行算法检验评估,并在组网拼图中展示质量控制效果。结果表明:总体上算法对非降水回波的识别准确率达到95.2%,降水回波的误判率为2.6%。但对夏秋季节夜晚的大面积晴空回波算法识别准确率低于90%,有待尝试利用深度学习方法改进。     

A Comprehensive Observational Analysis for the Effects of Gas Cannons on Clouds and Precipitation

To analyze the effects of gas cannons on clouds and precipitation, multisource observational data, including those from National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis, Hangzhou and Huzhou new-generation weather radars, laser disdrometer, ground-based automatic weather station, wind profiler radar, and Lin''an C-band dual polarization radar, were adopted in this study. Based on the variational dual-Doppler wind retrieval method and the polarimetric variables obtained by the dual-polarization radar, we analyzed the microphysical processes and the variations in the macro - and microphysical quantities in clouds from the perspective of the synoptic background before precipitation enhancement, the polarization echo characteristics before, during and after enhancement, and the evolution of the fine three-dimensional kinematic structure and the microphysical structure. The results show that the precipitation enhancement operation promoted the development of radar echoes and prolonged their duration, and both the horizontal and vertical wind speeds increased. The dual-polarization radar echo showed that the diameter of the precipitation particles increased, and the concentration of raindrops increased after precipitation enhancement. The raindrops were lifted to a height corresponding to 0 to -20 ℃ due to vertical updrafts. Based on the disdrometer data during precipitation enhancement, the concentration of small raindrops (lgNw) showed a significant increase, and the mass-weighted diameter Dm value decreased, indicating that the precipitation enhancement operation played a certain“lubricating”effect. After the precipitation enhancement, the concentration of raindrops did not change much compared with that during the enhancement process, while the Dm increased, corresponding to an increase in rain intensity. The results suggest the positive effect of gas cannons on precipitation enhancement.     

华北地区一次积层混合云降水的数值模拟研究

利用WRF ARW中尺度数值模式对2009年4月18日华北地区的一次积层混合云系降水进行模拟。首先,对实况的天气形势和雷达反射率及垂直剖面进行分析;并通过垂直剖面对其流场结构概念图进行分析;然后,通过对比,模拟的自然降水分布与实测结果基本一致,模拟的雷达组合反射率和雷达反射率的垂直剖面与实测结果也基本一致;通过分析云中各要素的分布,了解了积层混合云系的微物理特征和动力特征;最后对积层混合云降水机制进行探讨。结果表明：积层混合云水凝物含水量分布不均匀,对流云和层状云相互粘连跨接,水平方向充分混合,雨水的大值中心、云水的大值中心及冰晶的大值区相互对应,存在播撒-供给机制。从动力场来看,在低层对流云区域垂直上升速度较大,高层对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流,云区低层存在辐合,高层存在辐散,此种配置有利于维持云系的发展。积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的＂播撒-供给＂机制,或在积状云区有粒子群的循环增长机制,而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。     

用多普勒雷达反射率调整模式大气的云微物理变量

一种简单云分析方案, 用于由多普勒天气雷达反射率反演中尺度大气模式初值分析中的云微物理变量（云水混合比和雨水混合比）和空气湿度变量（比湿），使模式积分初始场反映出观测空间的云微物理特征以及哪些空间位置上的大气处于饱和状态。应用于2002年6月梅雨期安徽省马鞍山市一次降水过程的临近数值预报试验结果表明，模式预报的大气综合反射率与雷达观测的回波图像相近，由云微物理变量变化表示的模式云系演变与雷达观测的回波图像一致, 伴随模拟的中小尺度云系, 模式大气能很快调整出合理的中小尺度流场辐散、辐合结构；它们明显好于模式初始场不引入雷达反射率时的结果，即这种方法对改进临近数值天气预报准确率是有效的。     

X波段双偏振雷达相态识别与拼图的关键技术

X波段双偏振雷达具有时空分辨率高、易于布网的特点,但散射特性差异和衰减影响使现有S波段雷达的相态识别和拼图算法不适用于X波段双偏振雷达。该文针对X波段相态识别及拼图产品的关键技术开展研究,提出基于准垂直剖面的融化层识别方法、基于数据质量的置信度阈值调整方法、基于统计的隶属函数参数改进方法和基于衰减程度的拼图融合方法。通过对比改进后可有效提升水凝物相态识别结果的可靠性和多雷达拼图结果的合理性。在2016年汛期北京典型个例中,融合后的X波段雷达网与当地S波段业务雷达相比能够提供更精细的回波结构和水凝物相态分布,有效缓解S波段雷达在近处探测能力降低的问题,识别的降雹区与地面观测相符。     

Recent radar measurements of turbulence and microphysical parameters in marine boundary layer clouds

We present a collection of research related to radar measurements of turbulence and microphysical properties in clouds. The radars used in these studies operate at frequencies ranging from 404 MHz to 34.6 GHz. We discuss the relative contributions made by the two primary radar scattering mechanisms to the measured values of radar reflectivity at the different frequencies. The desired turbulence and microphysical information is obtained from the radar reflectivity and other elements of the Doppler velocity spectra. Methods and examples are given with emphasis on liquid water clouds associated with the marine boundary layer.     

Kinematics and Microphysical Characteristics of the First Intense Rainfall Convective Storm Observed by Jiangsu Polarimetric Radar Network

The polarimetric radar network in Jiangsu Province has just been operationalized since 2020. The first intense precipitation event observed by this polarimetric radar network and disdrometer occurred during August 28-29, 2020 and caused severe flooding and serious damage in eastern Jiangsu Province. The microphysics and kinetics for this heavy precipitation convective storm is diagnosed in this study, in order to promote the application of this polarimetric radar network. Drop size distribution (DSD) of this event is estimated from measurements of a ground disdrometer, and the corresponding three-dimensional atmospheric microphysical features are obtained from the multiple polarimetric radars. According to features of updraft and lighting, the evolution of the convective storm is divided into four stages: developing, mature with lightning, mature without lightning and dissipating. The DSD of this event is featured by a large number of raindrops and a considerable number of large raindrops. The microphysical characteristics are similar to those of warm-rain process, and ice-phase microphysical processes are active in the mature stages. The composite vertical structure of the convective storm indicates that deep ZDR and KDP columns coincide with strong updrafts during both mature stages. The hierarchical microphysical structure retrieved by the Hydrometeor Identification Algorithm (HID) shows that depositional growth has occurred above the melting level, and aggregation is the most widespread ice-phase process at the -10℃ level or higher. During negative lightning activity, the presence of strongest updrafts and a large amount of ice-phase graupel by riming between the 0℃ and -35℃ layers generate strong negative electric fields within the cloud. These convective storms are typical warm clouds with very high precipitation efficiency, which cause high concentration of raindrops, especially the presence of large raindrops within a short period of time. The ice-phase microphysical processes above the melting layer also play an important role in the triggering and enhancing of precipitation.     

人工智能在冰雹识别及临近预报中的初步应用

基于广东10部S波段多普勒天气雷达的三维拼图资料,利用机器学习技术开发了一种冰雹识别和临近预报的人工智能算法。算法设计时以雷达回波反射率的垂直和水平扫描数据为基础训练集,将冰雹云的雷达反射率扫描数据作为正样本,将其他雷达反射率扫描数据作为负样本,通过贝叶斯分类法对正、负样本数据集进行机器学习,训练人工智能识别冰雹云内在规律的能力。训练时以广东省2008-2013和2015-2016年的数据作为训练集,使用了2014年广东省12次冰雹过程的数据做检验。对比检验的结果表明,人工智能法比传统的概念模型法击中率高9个百分点。研究结果表明了人工智能对冰雹这类非线性强天气过程具有较强的识别能力。      

THE MICROPHYSICAL STRUCTURE OF SNOW CLOUDS AND THE GROWTH PROCESS OF SNOW PARTICLES IN WINTER IN XINJIANG

The microphysical structure of snow clouds and the growth process of snow crystals were observed by means of instrumented aircraft,weather radar,snow crystal observations etc.in Urumqi region during the winter of 1982.The analysis of three cases show that about 70% of snow mass growth is produced in the lower layer below 2000 m under the cold front,and that the concentration of ice crystals is as high as 60 L^-1 and the supercooled water is absent in lower clouds.We may infer that the deposition of ice crystals and the aggregation of snow crystals are important processes for the snow development.The microphysical structure of the snow band near the front aloft and its characteristics as a seeder cloud are also described in this paper.