青岛地区短时强降水雷达回波特征与中小尺度系统分析

利用青岛地区2011—2015年间32次短时强降水个例的雷达反射率因子、地面雨量站数据和FNL再分析资料对产生短时强降水的中小尺度系统和雷达回波特征进行分析,结果表明:造成短时强降水的中小尺度系统主要为与低空切变(槽)、台风倒槽或在偏南(北)气流中局地发展的对流相联系的辐合区或中小尺度辐合线;雷达回波多表现为中尺度强回波带,其移向与回波带长轴的夹角较小,或为局地发展少动的强对流单体;雷达回波剖面显示回波按质心高度可分为大陆强对流型和热带海洋型,大陆强对流型强降水的平均反射率因子垂直廓线强度总体明显强于热带海洋型,对流发展更加旺盛,热带海洋型强回波集中在低层,在近地面最强,而大陆强对流型回波悬垂明显,最强回波位于2km左右;针对大陆强对流型和热带海洋型两种不同类型的短时强降水,采用分型Z-I关系法进行定量降水估测能够较好地反映强降水的落区和极值,相比于固定Z-I关系法,20mm·h~(-1)以上雨强的相对误差由70%左右下降到30%左右。     

贵州一次短时强降水雷达演变特征分析

利用贵阳多普勒雷达资料及自动站观测资料对2012年7月16日影响贵州大部且持续时间长的短时强降水天气进行详细分析。研究表明:短时强降水出现开始阶段,雷达回波显示出强度为35 d Bz,且回波局地性强、回波顶高8 km、垂直液态水含量5 kg/m~2;短时强降水大面积发展阶段,回波发展迅速并不断合并成片,回波顶高达到10~12 km,且垂直液态水含量1.8 kg/m~2,配合超低空急流形成大面积强度为40~45 d Bz的回波;短时强降水趋于结束阶段,片状回波逐渐减弱分散,但仍存在强度为40 d Bz、回波顶高8 km、垂直液态水含量1.8 kg/m~2的小块状回波。     

陕西关中西北部一次短时强降水过程的成因分析

利用常规气象观测资料、陕西区域自动站观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和卫星雷达探测资料,对2012年8月13日关中西北部一次短时强降水过程的成因进行动力学诊断分析,结果表明:在有利于触发中小尺度系统发生及其发展的条件下造成了本次短时局地强降水,雨区环境大气为低层对流不稳定、中层条件对称不稳定、高层对流不稳定的混合型不稳定层结。从卫星和雷达资料分析显示强降水过程是两个不同的中小尺度系统造成,前期是中β尺度干线、辐合线触发带状对流性降水,后期是中β尺度Ω系统触发圆形状对流性强降水。短时强降水雷达反射率因子呈低质心结构,具有热带降雨型特征。     

福建西部山区短时暴雨雷达回波特征及中小尺度系统分析

利用常规天气资料、探空、地面降水资料以及建阳、龙岩两部新一代天气雷达资料对2005-2009年福建西部山区短时暴雨的雷达回波特征及对应的中小尺度系统进行分析,分析表明:短时暴雨的雷达回波按降水类型可分为大陆强对流型降水和热带海洋型强降水,并统计了大陆强对流型降水和热带海洋型降水低层反射率因子与雨强对应关系;按降水影响时间可以分为以局地发展为主的停滞型回波和不断影响某一地区的移动型列车效应回波;利用雷达回波演变及基本径向速度资料,结合天气系统,提取三类产生短时暴雨对应的中小尺度系统:与低空切变(或低压槽)、西南急流配合的中小尺度切变线或辐合线,以切变南压为主的中小尺度切变线或辐合线和以局地对流发展为主的逆风区或中气旋。     

北京“6.23”局地强对流天气的雷达产品特征分析

利用北京逐时降水资料以及雷达组网产品、RPG衍生的风暴跟踪产品和Cell Trend产品,针对北京"6.23"雨强大、局地性明显的暴雨过程进行较为细致的诊断分析。结果表明,雷达监测产品较好地反映出此次过程是由大量中小尺度涡旋构成的对流性系统暴雨,中尺度特征显著。雷达组网产品较好地捕捉了整体降雨系统的演变过程,单站雷达组合反射率、多仰角基本反射率和径向速度揭示了该暴雨系统的多个对流单体结构和更替变化,其剖面刻画了局地对流降雨系统的典型回波特征,伴随强降雨出现了明显的后向干冷空气侵入弱回波区、前向回波悬垂和穹窿,以及倾斜式的低层辐合、高层辐散结构特征。RPG衍生的风暴跟踪产品和Cell Trend产品很好地监测出暴雨过程中小尺度系统的活动信息。其中,中小尺度涡旋的回波顶高和底高、最大回波高度的变化揭示了造成局地降水的对流单体发生发展过程中的强度、结构、内部气流运动变化特征和雨滴活动;液态水含量以及冰雹概率在整个降水过程中一直处于极大值,表明了该系统的强度与降雨雨量、雨强一致。     

50 km以内雷暴系统的分类识别方法研究

为解决水平尺度在50 km以内的雷暴系统自动分类识别问题,提出了系统结构疏密性特征、移出率、液态水含量及累加液态水含量特征的构建算法;这些特征既在冰雹和短时强降水之间具有显著性差异,又可以共同描述冰雹和强降水同时发生的具有双重性特质的复合性系统。为配合累加液态水含量这种与时间相关特征的使用,在所实现的分类树中引进了迭代机制。实验表明,本文方法对50 km以内雷暴系统引发的短时强降水击中率达到89.1%,误报率9.5%;对其引发的冰雹的击中率为79.8%,误报率3.5%;平均临界成功指数达到80.0%。     

降水-雾过程毫米波雷达探测分析

运用毫米波雷达探测对2017年4月15日夜间造成低能见度天气的降水-雾过程进行了特征分析。水平分布特征分析得出该降水-雾过程空间尺度约为15 km,雷达回波强度范围为-20~25 dBz。对该过程的垂直结构进行分析后显示,此过程经过时,近地面经历了由降水到雾的一系列转变过程。对雷达径向速度的分析显示过程的主体结构较稳定,边缘区域对主体区域进行补偿,使过程维持发展。地面能见度观测站观测的能见度在过程接近时开始下降,并在过程即将离开时达到最低,在过程离开一段时间后能见度恢复,并且过程经过时在毫米波雷达扫描区域未观测到有效降水。根据经验公式较好地模拟了此过程中低空雷达反射率强度和近地面能见度之间的关系,具体公式为Vis=2.2832^-0121。     

大连地区一次局地大暴雨过程中尺度特征及加密自动气象站数据的应用

利用常规气象观测资料、加密自动气象站风场资料及雷达回波资料对2016年8月7—8日大连地区一次漏报的局地大暴雨过程的中尺度特征进行分析,并探讨了加密自动气象站数据的应用。结果表明:2016年大连地区此次局地大暴雨过程T639、欧洲和日本3种数值模式预报结果差异较大,均漏报了暴雨和大暴雨量级降水。环流形势和物理量场对此次暴雨过程的暴雨与大暴雨量级降水落区均无明显预报指标,而卫星云图上有TBB-45℃的中尺度对流云团与强降水区域对应;最强短时强降水区域雷达回波上有对流风暴单体,最大回波强度达55 d Bz,高度上升至4 km,50 d Bz强回波从地面伸展至6 km高度,且强度均匀,为低质心强降雨回波;同时,由加密自动气象站风场资料可知,提前1 h左右强降水落区有中小尺度辐合线形成,最强区域为中尺度气旋,这个指标配合雷达回波和卫星云图资料可以在环流形势、物理量场和数值预报均无明显特征时,作为局地大暴雨预警的指标。     

天山北坡中部一次罕见局地强降水中小尺度系统分析

利用Doppler雷达产品,结合高时空分辨率的T639再分析资料,对2010年6月22日发生在天山北坡中部石河子南部山区罕见局地强降水的中小尺度系统特征和强降水发生时间与落区进行分析。结果表明：西伯利亚至巴尔喀什湖的冷低压东南象限分裂出的中尺度短波,是造成“2010622”罕见局地强降水的直接影响系统。近低层至地面的中尺度切变线、辐合线以及冷锋是局地强降水发生的触发机制。近低层存在着强盛的西南及东南暖湿气流的输送及其在山前的强烈辐合,为南部山区罕见局地强降水的发生提供了有效的水汽和不稳定能量条件。多个中-γ对流单体沿特殊地形滚动更迭是局地强降水天气落区形成的直接原因。中气旋的出现对局地强降水的发生有很好的先兆性和指示意义。强降水发生在回波强度大于50 dBz、回波顶高度大于5 km和垂直累积液态水含量大于45kg·m^-2以及中气旋的重合区域内。可用中气旋提前20 min预警短时局地强降水的发生。     

定西地区局地暴雨短时预报初探

定西地区局地暴雨短时预报初探王毅荣（定西地区气象局定西７４３０００）本区内个别站局地暴雨的情况时有出现。局地暴雨空间尺度小，生命史短，在天气图上中小尺度暴雨天气系统分析不明显，增加了局地暴雨预报的难度。西北地区地形复杂，结合地形分析暴雨系统在当地发生...     

青藏高原那曲夏季云中水成物分布特征的毫米波雷达观测

结合2014年7—8月第三次青藏高原大气科学试验获得的毫米波雷达资料与探空温度资料,利用模糊逻辑法反演了西藏那曲地区夏季云中水成物的相态并对其分布特征开展了研究。首先,分析了层积云、雨层云以及深对流云的典型个例,发现三类云反射率因子、多普勒速度、速度谱宽以及退偏振因子垂直分布均有较大差别,相应的云中水凝物的回波特征与相态分布差别也较大。其次,研究了液相、混合相和冰相云层的云雷达探测特征,发现液相云层在0℃层以下的暖云层和0℃层以上的过冷水云层均具有反射率因子高值中心,混合云层的反射率因子高值中心随高度上升变化不大,冰云层的反射率因子高值主要集中在6 km以上,且随高度上升而趋于集中;三种相态云层出现频率高值分别集中在地面以上1、2～3、3～4 km高度层;液相云层在上午出现频率最高,混合相云层高频率发生在下午,冰相云层在晚上的出现频率最高。三种相态云层出现在上午的高度与下午和晚上相比较低,出现在晚上的高度范围最大;液相云层厚度一般小于0.3 km,冰相云层云顶位于9 km左右高度层时平均厚度最大,中云内的混合相和冰相厚度变化较小。     

利用新一代天气雷达资料反演云体含水量

利用多普勒天气雷达探测的反射率因子Z与含水量M的Z-M经验关系式,反演云体含水量。计算域定为以雷达站为中心、水平边长为150 km的正方形格点域,垂直高度为30 km,分辨率是1 km×1 km×1 km。通过对2006年4月11日发生在湖南长沙的一次飑线过程的分析,利用反演软件计算该飑线云体的含水量分布,构建了CAPPI和VCS及整层VIL(垂直累积液态含水量)3种显示方式。反演结果与实测的雷达基本反射率产品、雷达CAPPI反射率产品、垂直积分液态含水量产品对比分析表明,反演的含水量分布及中心位置与雷达产品结果吻合,且利用Z-M经验关系式反演的含水量M反映了含水量的三维分布,较雷达VIL产品更能显示真实的含水量状况。     

毫米波测云雷达在降雪观测中的应用初步分析

本文利用毫米波云雷达联合称重式雨量计、气球探空和S波段天气雷达在北京对2015年11月三次降雪进行了观测,以2015年11月22~23日降雪过程为例,主要从降雪系统的宏观结构特征、微物理变化以及毫米波雷达在降雪探测中电磁波衰减情况、雪粒子含水量和地面降雪量估测几方面进行初步分析。结果表明:（1）毫米波云雷达具有高时空分辨率,能对降雪系统进行精细化探测,在降雪系统发展最旺盛的阶段能够通过反射率（Z）、退极化比（LDR）和径向速度（V）初步判断出云中是否含有过冷液滴;（2）降雪回波强度最大值能反映整层云系中含水量最大的区域,当最大值Z大于20 dBZ时,最大值的大小、最大值持续时间、最大值出现的高度与地面降水量成正相关,速度最大值表示云中粒子上升最大速度（速度为正时）或者粒子下落的最小速度（速度为负时）,主要分布在－0.5~2 m s?1,速度最小值表示粒子下落的最大速度,主要在－3~－1 m s?1;（3）随着高度增加反射率的垂直廓线会出现多个峰值,这是由于不同高度层风速分布不均造成的,降雪回波这种特点比降雨回波更明显;（4）对比Ka与S波段雷达反射率可知,两雷达反射率平均差值小于2.5 dBZ,Ka波段反射率略大S波段雷达反射率;（5）降雪量反演与地面降雪量仪数据对比,逐小时降雪量反演精度为20.38%,累计降雪量反演误差为6.58%,24小时累计降雪量绝对误差为1.9 mm,说明云雷达估算累计降雪量具有较高的可行性,能够很准确的反映地面实际降雪情况,当降雪系统发展旺盛时,雪粒子含水量分布在0.05~0.15 g m?3,在降雪初期或者降雪系统消散期,雪粒子含水量一般小于0.04 g m?3,能够很好地反映出整层降雪回波的雪粒子含水量。这些云雷达在降雪观测中的应用和初步分析结果可以更好的地了解降雪系统宏微观结构,为云模式的发展和人工影响天气中增雪潜力评估提供一些参考。     

回波强度垂直廓线与雷达定量估测降水的关系

为了分析不同高度回波强度与地面降水的关系,提高雷达定量估测降水的能力,本文对石家庄2006~2008年5~9月共77次降水过程的反射率因子垂直廓线(VPR)进行了统计分析。对比降水实况和VPR发现,各个高度层的反射率因子波峰(谷)同降水波峰(谷)相一致,而且降水强度越大,反射率因子核心高度越低。同时,还比较了距离雷达站不同的水平距离和不同海拔高度的反射率因子特征,发现海拔高度对5 mm/h以下降水率和垂直高度在4 km以下各层的反射率因子会造成一定的影响,而对强降水和高层反射率因子影响较小。另外,零度层亮带在VPR上表现出反射率因子增大的特征,影响降水估测效果。为了消除零度层亮带的影响,选取1.5~3.5 km为估测降水的最佳高度范围,各站具体选取高度则取决于其距雷达站的水平距离和海拔高度。     

青藏高原那曲地区一次深对流云垂直结构的多源卫星和地基雷达观测对比分析

为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达（C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达）资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13-16时（北京时）发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:（1）深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小（10-20 km）,垂直发展高度较高（15-16 km,均指海拔高度）;深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右（距地1 km）;（2）对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;（3）深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃（深厚强对流云）或-29℃（深厚弱对流云）高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。      

基于小波域高斯尺度混合模型的天气雷达图像高分辨率插值

采用可精确刻画雷达回波强度数据统计特征的小波域高斯尺度混合（GSM）模型作为雷达图像先验模型,进行天气雷达图像插值,在提高图像分辨率的同时有效重建降水回波中局部强回波值、小尺度变化细节等一些重要空间分布统计特征。分析和总结雷达回波强度数据小波频率域统计特点,建立小波域GSM模型;匹配天气雷达图像小波系数和GSM模型,利用贝叶斯理论估计更小尺度的小波系数,进行小波逆变换,完成高分辨率天气雷达图像插值。试验表明,该算法能从低分辨率图像中估计出高分辨率高频系数,且所利用的先验模型充分考虑降水数据本身的特点,可有效捕获降水回波结构的非高斯特征和局部相关特性,重建雷达图像中的局部变化细节。      

Relationship between radar reflectivity and the time scale of warm rain formation in a global cloud-resolving model

The connections between radar reflectivity and the time scale of warm rain formation are examined within a global cloud-resolving model. The parameterizations formulae of auto-conversion and accretion processes in the model reveal specific relationships between the time scale for auto-conversion and radar reflectivity of cloud water as well as between the time scale for accretion and radar reflectivity of rain water. The overall time scale for warm rain formation, determined by combined contributions from these processes, is found to relate with total radar reflectivity in the manner that varies with cloud-rain composition between auto-conversion and accretion limits. The global statistics from the model output reveals that the time scale is closely related with the total radar reflectivity, thus suggesting that the radar reflectivity is a gross measure of the warm rain time scale. The relationship developed is applied to both model-simulated and CloudSat-observed radar reflectivities to compare the time scales of warm rain formation between observation and the model. Comparison of the time scale so derived reveals significant differences between the model and CloudSat observations. These differences suggest that the simulated cloud-rain composition in the model is biased toward larger rain water contents and smaller content of cloud water compared to reality due to an accelerated cloud-to-rain water conversion in the model.     

Ka波段云雷达非云回波质量控制及效果评估

针对Ka波段毫米波云雷达观测中出现的非云回波,提出改进的质量控制方法,并利用2018年9月—2020年8月福建平和观测资料,定量评估质量控制效果及其对云-降水探测的影响。结果表明:提出的改进方法能较好改善雷达探测结果,可有效滤除非云回波。非云回波对3 km高度以下的弱云探测有重要影响,且非云回波的探测率与雷达灵敏度密切相关,整体随高度上升而下降;同时非云回波存在明显的日变化特征,午后—前半夜因湍流活动较强,非云回波的探测率也较高;后半夜—日出前因湍流活动减弱,非云回波的探测率逐渐下降。     

毫米波测云雷达融化层自动识别技术

为了充分利用雷达数据中的融化层信息,通过分析融化层在反射率因子和线性退极化比(LDR)参量中的特性,结合国内某型毫米波测云雷达的特点,提出了一种融化层边界自动识别的技术。利用2010年5-10月国内某型毫米波测云雷达在杭州的探测资料及相应的探空资料,对识别结果以及算法中参数的敏感性进行了对比和分析。对比结果表明,该方法能有效识别亮带的存在,得到的融化层上边界平均高度与实测零度层高度的误差小于100 m。参数的敏感性分析表明,融化层在反射率和LDR中的特性存在差异,其厚度在600～1500 m。毫米波测云雷达距离分辨率高、LDR对融化层敏感以及使用反射率和LDR双重约束是识别出的融化层边界误差较小的原因。